CN105897036A - 一种利用风能的摩擦静电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源领域，特指一种利用风能作为动力的摩擦静电发电机，包括三部分：第一部分由绝缘圆筒外壳和均匀分布在绝缘圆筒外壳内壁上的正负极结构组成，该正负极结构由摩擦电极和弹簧夹头两部分组成，其中摩擦电极以高分子聚合物为主体，在高分子聚合物的乒乓球拍形正面或背面镀金属层，在高分子聚合物的内部嵌入一层人工纤维；第二部分由绝缘转盘和均匀分布在绝缘转盘内壁上的正负极结构组成；第三部分由带孔的空心连接轴及风能机械能结构组成。本发明巧妙利用风力作为动力产生机械能，推动金属层与高分子聚合物摩擦接触，产生得失电子过程，从而产生电势差，有效的将机械能转化为电能。

Description

一种利用风能的摩擦静电发电机

技术领域

本发明涉及能源领域，特指一种利用风能作为动力的摩擦静电发电机。

背景技术

能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行；而风能作为清洁的可再生能源，它取之不尽，用之不竭；另外，风力发电是可再生能源发展的重要领域，是推动风电技术进步和产业升级的重要力量，是促进能源结构调整的重要措施；本发明所涉及利用风能作为动力的静电发动机正好承接了以上理念；自2006年王中林院士研发组首次实现纳米发电机收集机械能以来，以压电和摩擦电效应为基础的机械能收集技术深受科学界广泛关注，并在微电元件中得到应用；在现有的风力发电技术中，大多采用电磁转换技术，成本高、设备复杂；申请号为201310507488.2的中国专利申请公开了一种输出恒定的旋转式直流摩擦发电机，通过摩擦件之间摩擦滑动，产生电荷并通过导电部件作为换向器，实现恒定的直流输出，但该旋转式直流发电机为平面结构，且必须预留一定的旋转空间作为接触部件接触使用，降低了发电效率，同时密封性和可携带性差；申请号为201310482286.7的中国发明专利申请公开了一种直流摩擦电发电机，利用3种具有不同摩擦电性质的材料不断接触和分离，如聚四氟乙烯、聚甲醛和铝，从而实现在其中2种不同摩擦电材料上聚集不同的电荷，构建出直流摩擦发电机，但是该旋转摩擦发电机选择材料具有局限性和复杂性，结构体积较大，电子流动通过放电现象实现，无法得到推广。申请号为201510034568.X的中国发明专利申请公开了一种直流摩擦电的发电装置，利用转子摩擦件与定子摩擦件的紧密接触摩擦，产生电流进行摩擦发电。但该摩擦电发电装置同轴度配合要求严苛，且两摩擦件之间产生摩擦磨损严重，磨损过程中由于难以达到配合要求，而导致装置无法正常运行，严重降低了装置的使用寿命。

而本专利是以该新颖的原理和方法为基础的新型发电机，整个器件的制造工艺不需要昂贵的原材料和先进的制造设备，这将有利于大规模工业生产和实际应用，而且整个器件以柔性聚合物膜为基本材料，易加工，器件的使用寿命长，并且易于和其它加工工艺集成；另外本专利借鉴风力发电装置的原理，通过风叶带动转轴转动，转轴带动聚合物转子与金属电极发生滑动接触进而输出电能，本发明可进一步拓展静电的应用方式。

发明内容

本发明解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提出一种具有微纳结构的薄膜与金属薄片在风能的推动下进行摩擦生电的发动机，用以解决现有技术中存在的风力发电技术成本高、设备复杂以及输出功率低的技术问题。从而实现以简单的工艺制备风能摩擦发电机。

本发明相较于申请号为201510034568.X的技术特征在于两摩擦件之间采用柔性接触方式，极大地降低了摩擦件之间的摩擦磨损，且在制造过程中对摩擦件之间的同轴度要求不高，降低了制造成本。另外，本发明不完全依赖于电刷的转换，输出电能的稳定性及装置运行过程中的稳定性得到了良好的改善。其次，本发明的摩擦件可以进行适时添加与减少，装置的电输出不完全依赖于驱动力的大小，且摩擦件损坏后，可以及时更换处理，极大地提高了装置的使用寿命。

一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：所述摩擦静电发电机包括若干正负极结构、绝缘转盘、绝缘圆筒外壳、空心连接轴、电极部件及外引导线；所述绝缘转盘置于绝缘圆筒外壳内，且绝缘转盘与绝缘圆筒外壳保持同心同轴；所述空心连接轴作为绝缘转盘的动力部件，安装于绝缘转盘内，带动绝缘转盘转动；所述正负极结构由摩擦电极、弹簧夹头两部分组成，弹簧夹头采用楔形夹紧的方式将摩擦电极的圆柱形一端夹紧于弹簧夹头的弹簧套一端；所述正负极结构分为同等数量的两部分，一部分均布在绝缘圆筒外壳的内壁上；同等数量的另一部分均布在绝缘转盘的外壁上；其中，绝缘转盘转动时上述两部分正负极结构作相对运动，每转过一定的角度，上述两部分正负极结构便产生相互摩擦接触；所述电极部件固定于弹簧夹头上，利用外引导线将弹簧夹头上各个电极部件连接；其中与所述绝缘转盘相连接的弹簧夹头，该弹簧夹头上的电极部件通过外引导线以串联方式连接，之后缠绕于绝缘转盘外壁的凹槽内，形成第一电极并导出；与所述绝缘圆筒外壳连接的弹簧夹头，该弹簧夹头上的电极部件同样通过外引导线以串联方式连接，之后缠绕于绝缘圆筒外壳内壁的凹槽内，形成第二电极并导出。

所述正负极结构分为同等数量的两部分，一部分均布在绝缘圆筒外壳的内壁上；同等数量的另一部分均布在绝缘转盘的外壁上，指：一部分正负极结构通过弹簧夹头的弹簧套相对端与绝缘转盘外壁通过平键以过盈配合方式连接，并随绝缘转盘转动；同等数量的另一部分正负极结构通过弹簧夹头的弹簧套相对端与绝缘圆筒外壳内壁通过平键以过盈配合方式连接。

本发明进一步限定的技术方案如下：

前述摩擦电极以高分子聚合物为主体，一端为夹紧于弹簧夹头的弹簧套的圆柱形，另一端为乒乓球拍形，采用磁控溅射的方法，在乒乓球拍形的正面或背面镀一层金属层；为了增强摩擦电极的韧性，延长其工作寿命，在高分子聚合物的内部嵌入一层人工纤维。

前述摩擦电极的高分子聚合物为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯或聚己二酸乙二醇酯，这些聚合物具有透明，不易变形，柔软性好等特点。

前述摩擦电极为了增强摩擦效应提高发电机的输出效率，采用在高分子聚合物表面用微加工的方法制作各种规则的模型阵列，由王中林科研组的研究结果可知具有微结构阵列的发电机器件其能量输出效率要远远高于原有的无结构器件，其微结构阵列结构可以为纳米方块或纳米棒。

前述摩擦电极的纳米方块或纳米棒是通过阳极氧化、光刻蚀或离子刻蚀制备的。

前述摩擦电极的金属层采用的材料是金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡、钼、钨等金属或合金；由导电性可知最好的材料是超导材料铌和锡的化合物，其次是银；但以上两种材料的成本太高。铝片在以前常用，对电的阻抗较小，不易生锈，质软不易折断，造价便宜，但它不能用在经常活动的设备或电器上，否则会被折断，而且耐高温能力低，长时间在高温条件下使用会缩短使用寿命。而铜相对于铝来说性能有很大的提升，它的电阻抗小，不易生锈，质软可以安装在移动设备上，使用寿命比铝有很大提高。故本发明采用铜作为金属层。

前述摩擦电极为了增强摩擦效应提高发电机的输出效率，从增大两部分正负极结构的摩擦电极表面积着手，即从增大转动过程中相接触的金属层与高分子聚合物的接触面积入手，将摩擦电极设计成乒乓球拍的形状。其中上述所采用的磁控溅射方法是针对高分子聚合物兵乓球拍面的正面或背面进行处理，则背面或正面与侧面不做任何处理。这样摩擦电极呈现如图5和如图6所示结构。

前述所有摩擦电极为了安装和更换方便，其形状大小材质一样，可以互换通用。

前述所有弹簧夹头为了安装和更换方便，其规格、选材一样，可以互换通用。

前述正负极结构规格相同、相对位置不变且间隔均匀，分别安装在绝缘转盘外壁和绝缘圆筒外壳内壁上，其中安装在绝缘转盘外壁上相邻的正负极结构的圆心角与安装在绝缘圆筒外壳内壁上相邻的正负极结构的圆心角相等。

前述安装在绝缘转盘外壁上的正负极结构和绝缘圆筒外壳内壁上的正负极结构，为了确保在风能的推动下能充分接触摩擦产生摩擦电荷，应使绝缘转盘外壁上的正负极结构其摩擦电极的金属层面(或高分子聚合物面)与绝缘圆筒外壳内壁上的正负极结构其摩擦电极的高分子聚合物面(或金属层面)相接触。

前述摩擦发电机的绝缘圆筒外壳的支座部分有4个螺栓孔，由螺栓将其与电机外壳连接，保证发电机运行的稳定性。

前述摩擦发电机的电极部件为石墨电极。

本专利的优点在于：整体结构简单，实现方便，成本低，便于零件的更换，无需额外的整流器对电流进行整流，巧妙利用风力作为动力产生机械能，推动金属层与高分子聚合物摩擦接触，产生得失电子过程，从而产生电势差，有效的将机械能转化为电能，极大的改善了风力发电的效率和成本，具有良好的社会价值和经济效益。

附图说明

图1所述为风能摩擦发电机风力发电装置的主体结构装配图的主视图。

图2所述为风能摩擦发电机风力发电装置的主体结构装配图的左视图。

图3所述为风能摩擦发电机风力发电装置的立体结构示意图。

图4所述为风能摩擦发电机的工作原理图。

图5所述为风能摩擦发电机的正负极结构的主体结构装配图的主视图。

图6所述为风能摩擦发电机的正负极结构的主体结构装配图的左视图。

图中：1、绝缘圆筒外壳，2、弹簧夹头，3、电极部件，4、摩擦电极，5、高分子聚合物，6、人工纤维，7、金属层，8、外引导线，9、绝缘转盘，10、键，11、第一电极，12、第二电极，13、空心连接轴，14风能机械能结构，15、弹簧套，16、螺帽。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

本发明中的静电摩擦发电机是采用普通的风力发电机原有的机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、电子控制器、液压系统、冷却元件、塔、风速计及风向标。在原有的风力发电机获得机械能的装备基础上，对其发电机进行改进。

本发明提供的利用风能的静电发电机，结构如图1、如图2、如图3和如图4所示，其包括三部分：第一部分由绝缘圆筒外壳1和均匀分布在绝缘圆筒外壳1内壁上的正负极结构组成，该正负极结构由摩擦电极4和弹簧夹头2两部分组成，其中摩擦电极4以高分子聚合物5为主体，采用磁控溅射的方法，在高分子聚合物5的乒乓球拍形正面(或背面)镀一定厚度的金属层7；为了增强摩擦电极的韧性，延长其工作寿命，在高分子聚合物的内部嵌入一层人工纤维6；第二部分由绝缘转盘9和均匀分布在绝缘转盘9内壁上的正负极结构组成，其正负极结构与第一部分的正负极结构相同；第三部分由带孔的空心连接轴13及风能机械能结构14组成。

其中第一部分的绝缘圆筒外壳1与正负极结构在平键的作用下，采用过盈配合的方式连接，并在螺栓的作用下与此摩擦发电机外壳固定；其正负极结构中的弹簧夹头2由弹簧套15和螺帽16构成；其中摩擦电极4的圆柱形一端安装于弹簧夹头2的弹簧套一端时，采用楔形夹紧方式在弹簧套15的作用下预紧，用螺帽16拧紧(结构示意图如图5和如图6所示)。

其中第二部分的绝缘转盘9与正负极结构在平键的作用下，采用过盈配合的方式连接，且正负极结构随绝缘转盘9转动，而绝缘转盘9在空心连接轴12作用下随之转动。当绝缘转盘9转动时两部分正负极结构作相对运动，绝缘转盘9每转过一定的角度，两部分正负极结构便产生相互摩擦接触。其中电极部件3与正负极结构始终保持相对位置不变，固定在弹簧夹头2上，通过外引导线8将各个电极部件3连接；与绝缘转盘9外壁连接的弹簧夹头2，该弹簧夹头2上的电极部件通过外引导线8以串联方式连接，之后缠绕于绝缘转盘9外壁的凹槽内，形成第一次电极汇总并将其导出，导出后将其置于空心连接轴13中，与空心连接轴13上其他绝缘转盘9导出的外引导线连接，此处连接方式采用串联方式，从而形成第二次电极汇总；同理与绝缘圆筒外壳1连接的弹簧夹头2，该弹簧夹头2上的各个电极部件通过外引导线8以串联方式连接，之后缠绕于绝缘圆筒外壳1内壁的凹槽内，形成该电极的第一次电极汇总并将其导出，导出后将其与空心连接轴13上其他绝缘圆筒外壳1导出的外引导线连接，此处连接方式采用串联方式，从而形成该电极的第二次电极汇总；最后，将第二次汇总电极导出形成第一电极11和第二电极12如图4所示，从而形成发电机的正负两极。

本实例中绝缘圆筒外壳1其底座在螺栓螺母的作用下固定于电机外壳上。

本实例中电极部件均为石墨电极。

本实例中两部分的摩擦电极在绝缘转盘转动过程中保持相互摩擦接触，且不受摩擦电极的转动方向限制。两部分的摩擦电极是交错安装，无论绝缘转盘是逆时针还是顺时针转动，始终保持金属层与高分子聚合物摩擦接触。

图4为本专利所述风能摩擦发电机的工作原理图；当风能机械能结构14推动空心连接轴13高速转动时，安装在空心连接轴13上的绝缘转盘9随之高速转动，此时第一部分摩擦电极的金属层(或高分子聚合物)与第二部分摩擦电极的高分子聚合物(或金属层)高速摩擦接触，高分子聚合物得电子而金属层失电子，等量但电性相反的静电荷在接触面处生成并均匀分布在摩擦电极上，第一部分摩擦电极的金属层(或高分子聚合物)带正电(或负电)，而第二部分摩擦电极的高分子聚合物(或金属层)带负电(或正电)，这样就会在界面处形成一个摩擦电势的偶极层，而该偶极层在第一部分和第二部分的摩擦电极之间形成一个内电势。由于聚合物的绝缘性，电荷在聚合物表面会存在很长一段时间，所以感应电荷不会迅速被外电路导走或中和，从而输出电能。

实施例1

摩擦电极材料采用的是铜、PDMS及人工纤维；将PDMS和固化剂按质量比为10:1混合均匀，在真空干燥箱中脱气10min后，旋涂于具有微凹方块结构模型的乒乓球拍形塑料模具中，其中旋转速度为540rpm，旋转时间为100s,剂量0.4ml；当厚度为0.5cm后停止旋涂，加入厚度为3～5μm的人工纤维，再继续旋涂，当厚度为1cm时，停止旋涂；将旋涂好的样品放于真空干燥箱中固化24h，固化温度为60℃,将固化好的聚合物剥下备用，其中微凸方块结构厚度为150nm。

将获得的PDMS用超声清洗3～5分钟后取出，先后用大量去离子水、无水乙醇清洗，晾干，再放入磁控溅射设备中，覆上掩膜版，以纯度为99.999％的铜靶材为溅射源，氩气为等离子体发生源，先将反应室抽真空，通入氩气，调节分子泵插板阀控制反应室内的真空为1Pa，打开交流溅射源，溅射时间为3～5min，即可在高分子聚合物兵乓球拍面的正面(或背面)获得厚度为100～150nm的金属层，而高分子聚合物兵乓球拍面的侧面和背面(或正面)不做任何处理。

本实施例中摩擦电极的表面积为100cm²，绝缘圆筒外壳和绝缘转盘上分别均匀分布6个摩擦电极，摩擦电极的厚度为1.5cm。

本实施例测试结果为当绝缘转盘转速为1000rpm时，电压最大可以达到500V，短路电流最大可以达到100μA，功率密度达到2.1W/m²。

实施例2

本实施例中摩擦电极的制备方法同实例1，但改变了塑料模具的大小，使得此例中摩擦电极的表面积为200cm²,绝缘圆筒外壳和绝缘转盘上分别均匀分布6个摩擦电极，摩擦电极的厚度为1.5cm。

本实施例测试结果为当绝缘转盘转速为850rpm时，电压最大可以达到500V，短路电流最大可以达到100μA，功率密度达到2.1W/m²。

实施例3

本实施例中摩擦电极的制备方法同实例1，此例中摩擦电极的表面积为100cm²,绝缘圆筒外壳和绝缘转盘上分别均匀分布12个摩擦电极，摩擦电极的厚度为1.5cm。

本实施例测试结果为当绝缘转盘转速为600rpm时，电压最大可以达到500V，短路电流最大可以达到100μA，功率密度达到2.1W/m²。

利用风能的摩擦发电机在风能的推动下带动绝缘转盘转动。该摩擦发电机成本低、质量轻、易于系列化。该摩擦发电机的摩擦电极数量可以根据需要适时增加或减少，摩擦电极的表面积也可以根据需要增大或减小。另外为了增大风能摩擦发电机的输出功率，可以在风能转轴上安装多个相同型号的发电机，将所有发电机串联，获得更大的输出功率。

Claims (10)

1.一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：所述摩擦静电发电机包括若干正负极结构、绝缘转盘、绝缘圆筒外壳、空心连接轴、电极部件及外引导线；所述绝缘转盘置于绝缘圆筒外壳内，且绝缘转盘与绝缘圆筒外壳保持同心同轴；所述空心连接轴作为绝缘转盘的动力部件，安装于绝缘转盘内，带动绝缘转盘转动；所述正负极结构由摩擦电极、弹簧夹头两部分组成，弹簧夹头采用楔形夹紧的方式将摩擦电极的圆柱形一端夹紧于弹簧夹头的弹簧套一端；所述正负极结构分为同等数量的两部分，一部分均布在绝缘圆筒外壳的内壁上；同等数量的另一部分均布在绝缘转盘的外壁上；其中，绝缘转盘转动时上述两部分正负极结构作相对运动，每转过一定的角度，上述两部分正负极结构便产生相互摩擦接触；所述电极部件固定于弹簧夹头上，利用外引导线将弹簧夹头上各个电极部件连接；其中与所述绝缘转盘相连接的弹簧夹头，该弹簧夹头上的电极部件通过外引导线以串联方式连接，之后缠绕于绝缘转盘外壁的凹槽内，形成第一电极并导出；与所述绝缘圆筒外壳连接的弹簧夹头，该弹簧夹头上的电极部件同样通过外引导线以串联方式连接，之后缠绕于绝缘圆筒外壳内壁的凹槽内，形成第二电极并导出。

2.如权利要求1所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：所述正负极结构分为同等数量的两部分，一部分均布在绝缘圆筒外壳的内壁上；同等数量的另一部分均布在绝缘转盘的外壁上，指：一部分正负极结构通过弹簧夹头的弹簧套相对端与绝缘转盘外壁通过平键以过盈配合方式连接，并随绝缘转盘转动；同等数量的另一部分正负极结构通过弹簧夹头的弹簧套相对端与绝缘圆筒外壳内壁通过平键以过盈配合方式连接。

3.如权利要求1所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：所述摩擦电极以高分子聚合物为主体，一端为夹紧于弹簧夹头的弹簧套的圆柱形，另一端为乒乓球拍形，采用磁控溅射的方法，在乒乓球拍形的正面或背面镀一层金属层；为了增强摩擦电极的韧性，延长其工作寿命，在高分子聚合物的内部嵌入一层人工纤维。

4.如权利要求3所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：所述高分子聚合物为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯或聚己二酸乙二醇酯。

5.如权利要求3或4所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：为了增强摩擦效应提高发电机的输出效率，在高分子聚合物表面用微加工的方法制作各种规则的模型阵列，微结构阵列结构为纳米方块或纳米棒，通过阳极氧化、光刻蚀或离子刻蚀制备。

6.如权利要求3所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：所述摩擦电极的金属层采用的材料是铜。

7.如权利要求3所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：为了增强摩擦效应提高发电机的输出效率，从增大两部分正负极结构的摩擦电极表面积着手，即从增大转动过程中相接触的金属层与高分子聚合物的接触面积入手，将摩擦电极设计成乒乓球拍的形状；其中上述所采用的磁控溅射方法是针对高分子聚合物兵乓球拍面的正面或背面进行处理，当对正面进行处理，则背面与侧面不做任何处理；当对背面进行处理，则正面与侧面不做任何处理。

8.如权利要求1所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：所述正负极结构规格相同、相对位置不变且间隔均匀，分别安装在绝缘转盘外壁和绝缘圆筒外壳内壁上，其中安装在绝缘转盘外壁上相邻的正负极结构的圆心角与安装在绝缘圆筒外壳内壁上相邻的正负极结构的圆心角相等。

9.如权利要求1所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：安装在绝缘转盘外壁上的正负极结构和绝缘圆筒外壳内壁上的正负极结构，为了确保在风能的推动下能充分接触摩擦产生摩擦电荷，应使绝缘转盘外壁上的正负极结构的摩擦电极的金属层面(或高分子聚合物面)与绝缘圆筒外壳内壁上的正负极结构的摩擦电极的高分子聚合物面(或金属层面)相接触。

10.如权利要求1所述的一种利用风能的摩擦静电发电机，其特征在于：空心连接轴的顶端安装有风能机械结构。