CN106329983A - 自动转换工作方式的摩擦纳米发电机以及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种能够在接触和非接触工作模式间自动转换的摩擦纳米发电机以及发电方法，该发电机包括摩擦部件、电极部件和连接组件，电极部件包括间隔设置的两组电极，摩擦部件为一个在外界机械驱动力作用下与两组电极依次周期性接触(或接近)的独立摩擦层。该纳米发电机具有接触和非接触两类工作方式，通过连接组件实现两种工作方式的自动转换，解决了长时间工作在接触方式下导致的结构磨损的问题和长时间工作在非接触方式下导致的输出衰减的问题。

Description

自动转换工作方式的摩擦纳米发电机以及发电方法

技术领域

本发明涉及一种能够使环境中机械能转化为电能的发电器件，特别是一种基于独立摩擦层的、在分离和接触的工作方式之间可以自动转换的摩擦纳米发电机以及采用该发电机的发电方法。

背景技术

随着材料科学技术和微电子技术日益发展，各种多功能、高集成的微型电子器件开始出现在社会生产生活的各个领域出现并表现出前所未有的巨大应用前景。尽管如此，与之相匹配的供电系统发展仍相对落后，限制了微型电子器件的更大规模普及。一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅容量相对有限，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。

从2012年开始，基于摩擦静电效应的纳米发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种十分具有前景的途径。但是，现有的摩擦电纳米发电机的基本模式与器件设计，如果工作在接触方式下，两个相互运动的摩擦层周期性的接触会对摩擦层产生大量磨损，限制摩擦纳米发电机的使用寿命；如果工作在非接触方式下，随时间增加，摩擦层上的表面电荷密度会衰减，影响纳米发电机的输出。因此，如果纳米发电机在工作过程中能够实现在接触方式和非接触方式的自动转换，那该纳米发电机就能在其主要工作时间内采用非接触方式来减少磨损并提升期间工作寿命，同时间隔性地自动转换到接触方式来保持较高水平的电学输出。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是设计一种新型摩擦电纳米发电机，该发电机能够在无人为干扰的情况下，随外界机械驱动力的强度变化实现在接触工作方式和非接触工作方式之间的自动转换。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种能够在接触和非接触工作模式间自动转换的摩擦纳米发电机。该发电机包括摩擦部件、电极部件和连接组件，电极部件包括间隔设置的两组电极，摩擦部件为一个在外界机械驱动力作用下与两组电极依次周期性接触(或接近)的独立摩擦层。该纳米发电机具有两类工作方式：1、在接触工作方式中，该独立的摩擦层相对于两个电极发生位移，并交替与两个电极接触，在此过程中，摩擦层表面所带有的摩擦净电荷将随其一起移动，而使得电极间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极间连接的外电路上产生交流电流；2、在非接触工作方式中，该独立摩擦层(预先带电)相对于两个电极发生位移，但是在工作过程中和电极平面在垂直方向有一定距离，仅仅交替与两个电极相互靠近，在此过程中，摩擦层表面所带有的净电荷将随其一起移动，而使得电极间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极间连接的外电路上产生交流电流。

该摩擦纳米发电机通过自发改变独立摩擦层在垂直于电极平面方向的受力来实现接触工作方式和非接触工作方式间的自动转换。具体表现在：1、在垂直于电极层平面的方向上，独立摩擦层同时受到使其与电极层平面分离和接触的作用力(或运动趋势)；2、独立摩擦层受到的分离作用力与用于驱动独立摩擦层在两组电极层之间交替运动的外界机械驱动力的强度正相关，外界机械驱动力强度越大，独立摩擦层所受分离作用力越大；3、独立摩擦层受到的用于平衡分离作用力的反向接触作用力由连接组件的弹簧提供，用来保证在一定强度的外界机械驱动力的作用下，独立摩擦层在垂直方向受力平衡。通过以上方法设计的纳米发电机，可以在无外界干扰的情况下通过外界机械驱动力的变化自发地实现接触工作方式和非接触工作方式间的转换，从而达到减少摩擦纳米发电机的磨损并提升器件工作寿命的目的。

(三)有益效果

本发明提供的基于独立摩擦层可在接触和非接触工作方式间自动转换的摩擦纳米发电机最突出的优点是作为运动部件的摩擦层不需要连接电极和导线，这使得几乎任何自由运动的物体都可以作为机械能输入，来将其上的静电从一个电极表面带向另一个电极表面。这极大地提高了机械能收集的简便性、通用性。

由于能够实现在接触和非接触工作方式之间进行自动切换，解决了长时间工作在接触方式下导致的结构磨损问题和长时间工作在非接触方式下导致的输出的衰减的问题。这种纳米发电机可以用于收集人体活动(如走路)，交通工具等所产生的机械能。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是本发明的发电机实施例一的结构示意图；

图2和图3是发电机在接触和非接触工作方式时的发电原理示意图；

图4为实施例一中风扇的结构和受力分析示意图；

图5为实施例一中第一弹性结构与摩擦部件之间的位置关系示意图；

图6为电极部件中包括隔离层的结构示意图；

图7为实施例二的发电机结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的可在接触和非接触工作方式之间进行自动转换的摩擦纳米发电机，包括：电极部件，包括分隔设置的第一电极层和第二电极层；摩擦部件；以及连接组件，用于实现电极部件和摩擦部件相对转动时表面接触滑动或者自动分离，并且所述摩擦部件的表面交替与所述电极部件中第一电极层和第二电极层接触或靠近，使所述第一电极层和第二电极层之间产生电势差。连接组件在外力作用下，可以自动切换摩擦部件和电极部件的接触和非接触工作方式。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

实施例一

图1为可在接触和非接触工作方式之间进行自动转换的摩擦纳米发电机的一种典型结构，包括摩擦部件10、第二部件20和连接组件。结合附图2-图5，具体介绍本实施例发电机的结构。

其中，摩擦部件10由四片均匀分布的扇形结构组成；电极部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，每个电极层均由与均匀分布的四片扇形结构组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置并且分别与电信号输出端的两端电连接。连接组件包括：风扇301、形成内外套层结构的第一筒形结构302和第二筒形结构303，其中，第一筒形结构302，一端侧壁上包括4个的长条形通孔307，通孔307沿着轴向延伸；第一筒形结构302内部包括拉弹簧304，拉弹簧304的一端与第一筒形结构302连接；摩擦部件10和电极部件20两者中的一个穿过通孔307沿着筒形结构的径向延伸，并且在第一筒形结构302内部与拉弹簧304的另一端连接，在第一筒形结构302的外部与风扇301固定连接。摩擦部件10和电极部件20两者中的另一个固定在第二筒形结构303的一个端面，并且被第一筒形结构302穿过。图1中是摩擦部件302的扇形部件从通孔307中穿过。

在其他实施例中，摩擦部件和电极部件的位置可以互换，在这里不做特别限定。

在外力作用下，风扇301带动第一筒形结构302相对与第二筒形结构303旋转，风扇301低速转动时，拉弹簧304的拉力使摩擦部件10和电极部件20的表面互相接触滑动摩擦；风扇301高速转动时，拉动所述弹簧，在长条形通孔307的限制下，使摩擦部件10和电极部件20在轴向方向上互相分离。

如图4所示，风扇301的扇叶与风扇转轴成一夹角，夹角在0°到90°之间，用以同时产生转动作用力和轴向作用力。

风扇301由一个四片矩形扇叶组成，风扇301与摩擦部件10连接可以通过小型圆柱体306连接固定，圆柱体306的一端穿出摩擦部件10后插入第一筒形部件302内，摩擦部件10与拉弹簧的连接通过该圆柱体实现，圆柱体306的作用是使第一筒形部件302、风扇301和摩擦部件10处于同一轴线上。圆柱体306的外径与第一筒形部件302的内径相匹配，且可以互相之间有小空隙。每片扇叶以长度方向的对称轴为轴旋转35°(风扇的结构及受力分析如图4b所示)。第一筒形性部件302外侧壁与第二筒形部件303的内侧壁之间还包括起连接和支撑作用的轴承305。

本实施例发电机在一侧风力作用下发电并通过风力大小的改变实现接触和非接触工作方式的相互转换，参照附图1-5，具体工作过程如下：

(1)在无风状况下，连接组件第一弹性部件302中的拉弹簧304通过初始形变向摩擦部件10施加拉力使其与电极部件相接触；

(2)在一侧风力作用下，风扇301同时受到转动方向作用力和轴向作用力并通过圆柱体302向摩擦部件10同时施加转动方向作用力和拉力，第一筒形结构302在靠近摩擦部件10一侧均匀分布四个等宽的通孔307(或者缺口)，摩擦部件10的扇形部件插入通孔，能带动第一筒形结构302和其内部的拉弹簧304一起发生转动(摩擦部件10与带通孔的第一筒形结构302的配合如图5a和图5b所示)。与第一筒形结构302通过轴承305连接的第二筒形结构303端部连接电极结构20，该第二筒形结构303和电极部件20始终保持静止。当风力较小时，摩擦部件10上通过风扇施加的拉力不足以克服弹簧304施加的反向作用力，摩擦部件相对电极层在轴向无相对位移，在转动过程中依次与第一电极层201组和第二电极202组相互接触发生摩擦起电，它表面所带的电荷将随之转动，从而吸引电极层上的异号电荷通过外接回路在两个电极层之间发生转移，导致在外电路产生电流(接触工作方式下发电机工作原理如图2中ⅰ-ⅳ部分所示)；

(3)随着一侧风力加大，摩擦部件10通过风扇301受到的转动作用力和拉力逐渐增大，拉力大于等于反向弹簧拉力时，摩擦部件10相对电极部件发生相对位移(在第一筒形结构302的通孔307中发生轴向平移)，在转动过程中依次与第一电极层组和第二电极层组相互接近(并不发生接触)并在外电路中产生电流(非接触工作方式下发电机工作原理如图3中ⅰ-ⅵ部分所示)；

(4)当风力进一步加大，第一筒形结构302缺口(通孔)头部的圆环结构将限制摩擦部件10的轴向位移，摩擦部件10在转动过程中与电极层平面间的垂直距离保持恒定。

关于第一种典型实施方式做出如下说明：

本发明中涉及的材料摩擦电性质是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，聚合物尼龙与铝箔接触的时候，其表面带正电，即失电子能力较强，聚合物聚四氟乙烯与铝箔接触的时候，其表面带负电，即得电子能力较强。

摩擦部件10与电极部件20接触的表面为摩擦层，为本发明纳米发电机提供一个摩擦表面，其材料选择主要考虑与其配合使用的另一个摩擦面材料的摩擦电性质。在本实施例中，与摩擦部件10配合使用的摩擦面是两个导电的电极层，因此该第一部件10的下表面材料应选自与导体有较大摩擦电性质差异的绝缘体和半导体，使得二者在发生摩擦的过程中容易产生表面接触电荷。其中，绝缘体可选自一些常用的有机聚合物材料和天然材料，包括：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、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

常用的半导体包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出一些具体的材料供人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当摩擦部件10和电极部件20相互接触的表面材料之间的摩擦电性质相差越大时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备摩擦部件10和电极部件20的接触表面，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电性质的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性摩擦电性质的材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇和聚酯。

还可以对摩擦部件10与电极部件20互相接触的表面进行物理和化学改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加摩擦部件10与电极部件20之间的接触面积，从而增大接触电荷量。

另外，参见图6，还可以在电极部件中包括隔离层60，在隔离层60的下表面设置第一电极层201和第二电极层202，在摩擦部件10与隔离层60互相滑动摩擦时，在隔离层60表面产生电荷，由于隔离层60相对于两个电极层固定不动，不会对电极层中的电荷产生影响。隔离层可以采用上述介绍的绝缘体材料。此时，摩擦部件中的摩擦层材料可以为导体、绝缘体或者半导体材料。

为了满足与电极部件20中的第一电极层201和第二电极层202交替接触的要求，摩擦部件10的扇型结构(也可以是三角形，平行四边形等其他形状)的形状和尺寸应该不足以同时覆盖这两个电极层，除此之外，对其形状和尺寸没有特殊要求。为了达到更好的电信号输出效果，优选摩擦部件10的形状和尺寸与第一电极层201和/或第二电极层202的形状和尺寸相同，以使得摩擦部件10能够与第一电极层201和/或第二电极层202在接触时能够达到完全重合，有效摩擦面积最大。

与现有技术中的摩擦发电机不同，由于第一部件10的背面无需沉积金属电极，因此对其厚度没有特殊要求，可以是体材料也可以是薄膜材料，这使本发明发电机的应用范围得到了极大拓展。

本实施例中的电极部件20由两组导电层组成，可以同时作为电极和摩擦层使用。常用的导体材料均可用于制备第二部件20，例如金属和导电的非金属材料等，其中金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO和掺杂的半导体。

导电部件20中的2个电极层尺寸和形状可以相同，也可以不同，为了提高滑动摩擦发电的效率，优选第一电极层201与摩擦部件10相互接触的摩擦表面，和第二电极层202与摩擦部件10相互接触的摩擦表面形状和尺寸相同；更优选两个电极层面向第一部件10的表面形状和尺寸与摩擦部件10下表面的形状和尺寸相同。

第一电极层201和第二电极层202为分隔设置，即二者之间需要留有一定的空隙，该空隙的存在是电子能够通过外电路在两个电极层之间流动的关键。理论研究和实验对比显示，电极层之间的间距越小，越有利于提高输出的电流密度和功率密度。因此，应该优先选用较小的电极层间距。本发明认为该间距优选为0.1mm-5cm，更优选0.1cm-3cm，尤其是0.1cm-1cm。分隔的电极层可以通过选择性镀膜技术在支撑基底上制备，也可以用导电的薄层或薄片直接切割而成。

第一电极层201和第二电极层202的相对位置并没有特殊限定，二者既可以位于同一个平面上，也可以位于不同的平面上，二者可以相互平行，也可以形成一定角度。优选第一电极层201和第二电极层202位于同一个平面上，以减小二者之间的等效电容量，提高发电机的输出电压。

摩擦部件10和电极部件20既可以是硬质材料，也可以是柔性材料，材料的硬度对二者的发电性能没有明显影响，但是却可以扩展本发明发电机的应用范围。

用于连接扇叶301和摩擦部件10的圆柱体306可以具有在结构条件允许的前提下的高度和直径。

摩擦部件、电极部件、风扇等的具体结构不作为对本发明的限制，可以采用本实施例的结构，也可以为其他类似结构。

连接组件中的拉弹簧304应具有0-50N/m的劲度系数和0-10cm的初始形变，来保证发电机在合适的风力条件下进行接触工作方式和非接触工作方式之间的转换。

连接组件中的第一筒形结构302端部的长条形通孔(或者矩形缺口)的长度应为0-10mm，用以限制摩擦部件10和电极部件20所在平面间的垂直距离，控制电学输出随垂直距离衰减的水平。矩形缺口端部圆环内径应与圆柱体306直径相等。轴承305可以是球轴承，也可以是滚子轴承。

实施例二

图7为在接触和非接触工作方式间自动转换的摩擦纳米发电机的另一种典型结构(图7a中仅画出发电机的一半，另一半未显示)，其包括摩擦部件10、电极部件20、连接组件。

连接组件包括：限位部件401、限位块402、压弹簧403、形成套层结构并可以互相转动的固定部件404和第三筒形部件405，其中，电极部件20设置在固定部件404的外侧面，摩擦部件10与压弹簧403一端连接；限位部件401为固定在第三筒形部件405上的盖板(见图7b)，设置有若干个沿着径向延伸的长条形通孔406，通孔406对应的第三筒形部件405内侧壁上连接压弹簧403的另一端；限位块402穿过通孔406与摩擦部件10固定；在外力作用下，第三筒形部件405相对固定部件404低速转动时，压弹簧的压力使摩擦部件10和电极部件20的表面互相接触滑动摩擦；第三筒形部件405相对固定部件404高速转动时，摩擦部件10的离心力压缩弹簧403，在长条形通孔406的限制下，使摩擦部件10和电极部件20互相分离。

下面以一个具体例子说明本实施例的发电机结构，摩擦部件10包括两块1/4圆环形状的质量块101，其内表面分别粘贴有实施例一中列举的负极性摩擦电性质的材料，作为摩擦层。固定部件201为一圆柱体，其侧面均匀分布两组四片电极层，组成第一电极层202组和第二电极层203组，第一电极层202和第二电极层203分隔设置并且分别与电信号输出端电连接，第三筒形部件405为一内径较大(大于固定部件404外表面的曲率半径)的圆环，其内表面通过两个相对均匀分布的压弹簧403连接摩擦部件10的外表面，连接组件的限位部件为圆环状的上下盖板401，优选地，两个盖板形状为圆环状，内径略大于固定部件的圆柱的外径，两个盖板上的正对位置分别设置两条径向的凹槽形滑轨(通孔)，滑轨中插入与质量块101上下表面连接的滑块402，滑轨与滑块相配合用以限制质量块相对盖板401只能进行径向位移，同时，摩擦部件10和电极部件20在水平方向保持同一高度。

在该纳米发电机工作时，电极部件20始终保持静止，摩擦部件10、第三筒形部件405和压弹簧403一起旋转，其旋转轴与电极部件的中心对称轴重合。在转速发生变化时，具体的工作过程如下：

(1)转速为零时，在压弹簧403初始形变的作用下，摩擦部件10中两个质量块101内表面压紧电极部件20上电极所在的圆周平面；

(2)转速较小时，由于质量块的内表面的摩擦层材料与电极材料具有不同的摩擦电性质，则在交替与第一电极层201和第二电极层202接触的过程中，使第一电极层201和第二电极层202通过外电路输出电信号，在此状态下，由于转速较小，质量块101的离心运动趋势导致的保持匀速圆周运动所需的向心力小于压弹簧403提供的接触作用力，因而该纳米发电机工作于接触工作方式(接触工作方式下发电机工作原理如图2所示)；

(3)转速增大到一定程度，质量块的离心运动趋势较大，保持匀速圆周运动所需向心力大于压弹簧403初始形变导致的压力，则质量块开始沿滑轨所在的径向发生位移，其内表面脱离电极所在平面，转速越大则径向位移越大，但内表面所带的摩擦电荷仍能通过静电感应使第一电极层202组和第二电极层203组周期性交替带电并通过外电路输出电信号，此时，纳米发电机将自动转换到非接触工作方式进行发电(非接触工作方式下发电机工作原理如图3所示)。

(4)转速进一步增大，质量块101在转动过程中径向位移被滑轨长度限制达到最大，其内表面的独立摩擦层和电极层之间的径向距离保持恒定。

因此，通过控制转速变换，该发电机在发电过程中可以实现接触工作方式和非接触工作方式之间的自动转换。

本实施例中，摩擦层、电极层、隔离层等的材料与实施例一中的相同，在这里不再复述。

本发明还提供一种可在接触和非接触工作方式之间进行自动转换的摩擦纳米发电方法，应用本发明提供的发电机，在外力较小时，在所述连接组件带动下，所述摩擦部件和电极部件互相接触滑动摩擦；随着外力增大，在所述连接组件带动下，克服弹簧的拉力或压力使所述摩擦部件和电极部件互相分离并且转动。

在摩擦部件与电极部件之间互相转动时，在所述第一电极层和第二电极之间产生电势差。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (18)

1.一种可在接触和非接触工作方式之间进行自动转换的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

电极部件，包括分隔设置的第一电极层和第二电极层；

摩擦部件；以及，

连接组件，用于实现电极部件和摩擦部件相对转动时表面接触滑动或者自动分离，并且所述摩擦部件的表面交替与所述电极部件中第一电极层和第二电极层接触或靠近，使所述第一电极层和第二电极层之间产生电势差。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述摩擦部件与所述电极部件互相接触的表面的材料具有不同的摩擦电性质。

3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述连接组件包括：风扇、形成内外套层结构的第一筒形结构和第二筒形结构，其中，

第一筒形结构，一端侧壁上包括若干个的长条形通孔，所述通孔沿着轴向延伸；第一筒形结构内部包括拉弹簧，所述拉弹簧的一端与第一筒形结构连接；所述摩擦部件和电极部件两者中的一个穿过所述通孔沿着所述筒形结构的径向延伸，并且在所述第一筒形结构内部与所述拉弹簧的另一端连接，在所述第一筒形结构的外部与所述风扇固定连接；

所述摩擦部件和电极部件两者中的另一个固定在所述第二筒形结构的一个端面，并且被第一筒形结构穿过；

所述风扇的扇叶与风扇转轴成一夹角，所述夹角在0°到90°之间；

在外力作用下，所述风扇带动所述第一筒形结构相对与第二筒形结构旋转，风扇低速转动时，拉弹簧的拉力使摩擦部件和电极部件的表面互相接触滑动摩擦；风扇高速转动时，拉动所述弹簧，在所述长条形通孔的限制下，使所述摩擦部件和电极部件在轴向互相分离。

4.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极包括多个扇形结构，第一电极层的扇形结构与第二电极的扇形结构在圆周方向交替排列；和/或，所述摩擦部件包括多个在圆周方向排列的扇形结构；

所述电极部件中第一电极层和第二电极的扇形结构穿过所述通孔沿着所述第一筒形结构的径向延伸；或者，所述摩擦部件的扇形结构穿过所述通孔沿着所述第一筒形结构的径向延伸。

5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述风扇的扇叶与风扇转轴成一夹角为35°或55°。

6.根据权利要求3-5任一项所述的发电机，其特征在于，

所述第一筒形部件外侧壁与第二筒形部件的内侧壁之间还包括起连接和支撑作用的轴承；

和/或，摩擦部件和电极部件两者之一与所述风扇通过圆柱体连接固定，所述圆柱体的一端插入所述第一筒形部件内,圆柱体306的外径与第一筒形部件302的内径相匹配，使风扇301和摩擦部件10水平处于同一轴线上。

7.根据权利要求3-6任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦部件与所述电极部件互相转动的表面为平面或者曲面。

8.根据权利要求3-7任一项所述的发电机，其特征在于，所述拉弹簧具有0-50N/m的劲度系数，0-10cm的初始形变。

9.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述连接组件包括：限位部件、限位块、压弹簧、形成套层结构并可以互相转动的固定部件和第三筒形部件，其中，

所述电极部件设置在所述固定部件的外侧面，所述摩擦部件与所述压弹簧一端连接；

限位部件为固定在第三筒形部件上的盖板，设置有若干个沿着径向延伸的长条形通孔，所述通孔对应的第三筒形部件内侧壁上连接所述压弹簧的另一端；所述限位块穿过所述通孔与摩擦部件固定；

在外力作用下，所述第三筒形部件相对固定部件低速转动时，压弹簧的压力使摩擦部件和电极部件的表面互相接触滑动摩擦；所述第三筒形部件相对固定部件高速转动时，摩擦部件的离心力压缩所述弹簧，在所述长条形通孔的限制下，使所述摩擦部件和电极部件互相分离。

10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述连接组件还包括重量块，所述摩擦部件通过所述重量块与所述压弹簧一端连接。

11.根据权利要求9或10所述的发电机，其特征在于，所述连接组件中包括两个所述限位部件，分别固定在所述第三筒形部件的两端；所述摩擦部件上固定两个限位块，分别从两个所述限位部件上的条形通孔中伸出。

12.根据权利要求8-11任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层包括多个条形结构，与第三筒形部件的转轴方向平行间隔排列；和/或，所述摩擦部件包括多个在第三筒形部件的转轴方向平行排列的条形结构。

13.根据权利要求1-12任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦部件包括摩擦层，所述摩擦层与所述电极部件能够完全接触和分离；

所述电极部件与所述摩擦部件接触的表面为第一电极层和第二电极；或者，所述电极部件包括覆盖所述第一电极层和第二电极的隔离层，所述隔离层能够与所述摩擦部件接触和分离。

14.根据权利要求13所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层不能同时覆盖所述第一电极层和第二电极层。

15.根据权利要求14所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层的形状和尺寸与所述第一电极层和/或第二电极的尺寸和形状相同。

16.根据权利要求3-15任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极之间的间距为0.1mm-5cm；所述条形通孔的长度为0-10mm。

17.根据权利要求13所述的发电机，其特征在于，所述电极部件与所述摩擦部件接触的表面为第一电极层和第二电极时，所述摩擦层的材料为绝缘体或者半导体材料；

所述电极部件与摩擦部件接触的表面为隔离层时，所述隔离层的材料为绝缘体材料，所述摩擦层的材料为绝缘体、半导体或者导体材料。

18.一种可在接触和非接触工作方式之间进行自动转换的摩擦纳米发电方法，其特征在于，应用权利要求3-17任一项所述的发电机，包括：

在外力较小时，在所述连接组件带动下，所述摩擦部件和电极部件互相接触滑动摩擦；随着外力增大，在所述连接组件带动下，克服弹簧的拉力或压力使所述摩擦部件和电极部件互相分离并且转动。

在摩擦部件与电极部件之间互相转动时，在所述第一电极层和第二电极之间产生电势差。