CN109149996A - 具有多个摩擦组件的摩擦发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多个摩擦组件的摩擦发电机，包括：依次层叠设置的第一摩擦组件、第二摩擦组件和第三摩擦组件；第一摩擦组件至少包括：第一电极层；第二摩擦组件包括：层叠设置的第一高分子聚合物薄膜层、公共电极层和第二高分子聚合物薄膜层；第三摩擦组件至少包括：第二电极层；其中，第一电极层、公共电极层和第二电极层为具有多个摩擦组件的摩擦发电机的信号输出端。本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机整体厚度小，单位体积内的发电量高，工作性能稳定，使用寿命长，且制作工艺简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦发电技术领域，具体涉及一种具有多个摩擦组件的摩擦发电机。
背景技术
摩擦发电机已广泛应用在多个领域中。现有技术中的摩擦发电机存在着发电量较小等问题，在一些应用场景下，为了增加发电量，人们通常会将两个单独的摩擦发电机通过双面胶层叠加设置在一起，图1示出了两个摩擦发电机的叠加设置图，如图1所示，每个摩擦发电机包括：第一电极层101、高分子聚合物薄膜层102、第二电极层103和聚合物平面层104，第一电极层101和高分子聚合物薄膜层102相对的两个表面构成摩擦界面，通过双面胶层105将两个摩擦发电机的聚合物平面层104粘贴在一起，从而将两个摩擦发电机叠加设置在一起。虽然将两个单独的摩擦发电机叠加在一起能够在一定程度上增加发电量，但是摩擦发电机经叠加后厚度较大，导致单位体积内的发电量较小，很难满足用户使用需求。因此，现有技术中缺少一种单位体积内的发电量高的摩擦发电机。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种具有多个摩擦组件的摩擦发电机，用于解决现有技术中摩擦发电机单位体积内的发电量较小的问题。
本发明提供一种具有多个摩擦组件的摩擦发电机，包括：依次层叠设置的第一摩擦组件、第二摩擦组件和第三摩擦组件；
第一摩擦组件至少包括：第一电极层；
第二摩擦组件包括：层叠设置的第一高分子聚合物薄膜层、公共电极层和第二高分子聚合物薄膜层；
第三摩擦组件至少包括：第二电极层；
其中，第一电极层、公共电极层和第二电极层为具有多个摩擦组件的摩擦发电机的信号输出端。
进一步地，公共电极层为金属网格结构，第一高分子聚合物薄膜层和/或第二高分子聚合物薄膜层还部分填充在公共电极层的金属网格结构中。
进一步地，第一高分子聚合物薄膜层靠近第一摩擦组件的一侧表面上设置有第一凸起阵列结构；和/或，第二高分子聚合物薄膜层靠近第三摩擦组件的一侧表面上设置有第二凸起阵列结构。
进一步地，第二摩擦组件为一体设置，公共电极层通过注塑或热压工艺设置于第一高分子聚合物薄膜层和第二高分子聚合物薄膜层之间。
进一步地，公共电极层被第一高分子聚合物薄膜层和第二高分子聚合物薄膜层包裹。
进一步地，第一凸起阵列结构和/或第二凸起阵列结构通过注塑或热压工艺制作得到。
进一步地，第一摩擦组件还包括：第三高分子聚合物薄膜层；第三高分子聚合物薄膜层设置在第一电极层靠近第二摩擦组件的一侧表面上。
进一步地，第三摩擦组件还包括：第四高分子聚合物薄膜层；第四高分子聚合物薄膜层设置在第二电极层靠近第二摩擦组件的一侧表面上。
进一步地，具有多个摩擦组件的摩擦发电机还包括：第一居间层和/或第二居间层；第一居间层设置在第一摩擦组件和第二摩擦组件之间，第二居间层设置在第二摩擦组件和第三摩擦组件之间。
进一步地，第一居间层为第一居间薄膜层或者第一居间电极层，第二居间层为第二居间薄膜层或者第二居间电极层。
进一步地，第一凸起阵列结构和第二凸起阵列结构为多个凸起按照矩形或菱形排列构成，或者为多个带状结构按照几何排列设置在相应表面的两侧、四角、四周边缘或整个表面上；
凸起的形状为半球形、圆柱形、棱柱形或棱锥形；带状结构按照井字、叉字、斑马线型、十字或口字的形状阵列排列。
本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，包括有依次层叠设置的第一摩擦组件、第二摩擦组件和第三摩擦组件，第二摩擦组件包括层叠设置的第一高分子聚合物薄膜层、公共电极层和第二高分子聚合物薄膜层，第一摩擦组件和第二摩擦组件相对的两个表面构成摩擦界面，第二摩擦组件和第三摩擦组件相对的两个表面构成摩擦界面，本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机整体厚度较小，与现有技术中叠加在一起的两个单独的摩擦发电机相比，减少了聚合物平面层、电极层以及双面胶层，并且，具有多个摩擦组件的摩擦发电机中第一摩擦组件和第二摩擦组件之间产生的发电效果、第二摩擦组件和第三摩擦组件之间产生的发电效果与现有技术中单独的摩擦发电机产生的发电效果基本一致，从而有效地提高了单位体积内的发电量。另外，本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机不仅单位体积内的发电量高、工作性能稳定，整个摩擦发电机更具一致性，延长了整个摩擦发电机使用寿命的同时还具有制作工艺简单、成本低廉、适合大规模工业生产的优点。
附图说明
图1示出了两个摩擦发电机的叠加设置图；
图2为本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机实施例一的截面结构示意图；
图3为本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机实施例二的截面结构示意图；
图4a示出了图2所示的具有多个摩擦组件的摩擦发电机实施例一中的第一摩擦组件和第二摩擦组件之间以及第二摩擦组件和第三摩擦组件之间的电压检测数据图一；
图4b示出了图2所示的具有多个摩擦组件的摩擦发电机实施例一中的第一摩擦组件和第二摩擦组件之间以及第二摩擦组件和第三摩擦组件之间的电压检测数据图二；
图4c示出了图1所示的一个单独的摩擦发电机的电压检测数据图。
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，但本发明并不仅仅限于此。
本发明提供了一种具有多个摩擦组件的摩擦发电机，包括：依次层叠设置的第一摩擦组件、第二摩擦组件和第三摩擦组件；第一摩擦组件至少包括：第一电极层；第二摩擦组件包括：层叠设置的第一高分子聚合物薄膜层、公共电极层和第二高分子聚合物薄膜层；第三摩擦组件至少包括：第二电极层；其中，第一电极层、公共电极层和第二电极层为具有多个摩擦组件的摩擦发电机的信号输出端。
图2为本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机实施例一的截面结构示意图，如图2所示，具有多个摩擦组件的摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一摩擦组件210、第二摩擦组件220和第三摩擦组件230。
其中，第一摩擦组件210包括：第一电极层；第二摩擦组件220包括：层叠设置的第一高分子聚合物薄膜层221、公共电极层222和第二高分子聚合物薄膜层223；第三摩擦组件230包括：第二电极层。第一摩擦组件210和第二摩擦组件220相对的两个表面构成摩擦界面，第二摩擦组件220和第三摩擦组件230相对的两个表面构成摩擦界面，即第一电极层和第一高分子聚合物薄膜层221相对的两个表面构成摩擦界面，第二高分子聚合物薄膜层223和第二电极层相对的两个表面构成摩擦界面。第一电极层、公共电极层222和第二电极层为具有多个摩擦组件的摩擦发电机的信号输出端。
在本发明中，公共电极层222为金属网格结构，其可通过注塑或热压工艺设置于第一高分子聚合物薄膜层221和第二高分子聚合物薄膜层223之间。其中，第一高分子聚合物薄膜层221的材料可与第二高分子聚合物薄膜层223的材料相同或不同，本领域技术人员可根据实际需要对第一高分子聚合物薄膜层221和第二高分子聚合物薄膜层223的材料进行设置，此处不做限定。
如图1和图2所示，本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机与图1所示的叠加在一起的两个单独的摩擦发电机相比，减少了两层聚合物平面层、一层电极层以及一层双面胶层，其中，现有技术中的单层聚合物平面层的厚度大约为0.25mm，单层电极层的厚度大约为0.1mm，单层双面胶层的厚度大约为0.05mm，因此，与图1所示的叠加在一起的两个单独的摩擦发电机相比，本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机的整体厚度减少了0.65mm。
当公共电极层222采用金属网格结构时，第一高分子聚合物薄膜层221和/或第二高分子聚合物薄膜层223还部分填充在公共电极层222的金属网格结构中。具体地，由于金属网格结构的存在，在制备第二摩擦组件220的过程中，用于制作第一高分子聚合物薄膜层221的第一高分子聚合物材料和/或用于制作第二高分子聚合物薄膜层223的第二高分子聚合物材料会填充在金属网格结构中并透过金属网格结构的孔隙相结合，从而使第一高分子聚合物薄膜层221、公共电极层222和第二高分子聚合物薄膜层223能够紧密地嵌合在一起，结合强度高，有效地增强了第二摩擦组件220的牢固度，使整个第二摩擦组件220更具一致性，性能更稳定。此外，公共电极层222还可以采用金属薄膜材料、石墨烯和金属氧化物等可以作为电极的材料，本领域技术人员可根据需要进行选择。
图3为本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机实施例二的截面结构示意图，如图3所示，具有多个摩擦组件的摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一摩擦组件310、第二摩擦组件320和第三摩擦组件330。
其中，第一摩擦组件310包括：第一电极层311和第三高分子聚合物薄膜层312，第三高分子聚合物薄膜层312设置在第一电极层311靠近第二摩擦组件320的一侧表面上。本领域技术人员可根据实际需要对第一电极层311和第三高分子聚合物薄膜层312的材料进行设置，此处不做限定。具体地，在制作第一摩擦组件310的过程中，可先制作第三高分子聚合物薄膜层312，然后在第三高分子聚合物薄膜层312的一侧表面上镀制第一电极层311，从而形成镀制有第一电极层311的第三高分子聚合物薄膜层312，例如镀制有铝层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)层、镀制有ITO的PET层、镀制有银网格层的PET层、镀制有铝层的聚氯乙烯(PVC)层、镀制有银层的PVC层或者镀制有镍层的PVC层等。
第二摩擦组件320包括：层叠设置的第一高分子聚合物薄膜层321、公共电极层322和第二高分子聚合物薄膜层323，当公共电极层322为金属网格结构时，第二摩擦组件320可以为一体设置，公共电极层322通过注塑或热压工艺设置于第一高分子聚合物薄膜层321和第二高分子聚合物薄膜层323之间并被二者包裹，其既可以被二者完全包裹，也可以部分包裹。具体地，当公共电极层322为金属网格结构时，第一高分子聚合物薄膜层321和/或第二高分子聚合物薄膜层323还部分填充在金属网格结构中。本实施例中，公共电极层222还可以采用金属薄膜材料、石墨烯和金属氧化物等可以作为电极的材料，本领域技术人员可根据需要进行选择。将第二摩擦组件320一体设置，提高了构成摩擦发电机部件的整体性，使摩擦发电机模块化，更便于组装。
第三摩擦组件330包括：第四高分子聚合物薄膜层331和第二电极层332，第四高分子聚合物薄膜层331设置在第二电极层332靠近第二摩擦组件320的一侧表面上。本领域技术人员可根据实际需要对第四高分子聚合物薄膜层331和第二电极层332的材料进行设置，此处不做限定。具体地，在制作第三摩擦组件330的过程中，可先制作第四高分子聚合物薄膜层331，然后在第四高分子聚合物薄膜层331的一侧表面上镀制第二电极层332，从而形成镀制有第二电极层332的第四高分子聚合物薄膜层331，例如镀制有铝层的PET层、镀制有ITO的PET层、镀制有银网格层的PET层、镀制有铝层的PVC层、镀制有银层的PVC层或者镀制有镍层的PVC层等。
其中，第一摩擦组件310和第二摩擦组件320相对的两个表面构成摩擦界面，第二摩擦组件320和第三摩擦组件330相对的两个表面构成摩擦界面，即第三高分子聚合物薄膜层312和第一高分子聚合物薄膜层321相对的两个表面构成摩擦界面，第二高分子聚合物薄膜层323和第四高分子聚合物薄膜层331相对的两个表面构成摩擦界面。第一电极层311、公共电极层322和第二电极层332为具有多个摩擦组件的摩擦发电机的信号输出端。本领域技术人员可根据实际需要对第一摩擦组件310、第二摩擦组件320和第三摩擦组件330中的各层的材料进行设置，此处不做限定。优选地，第三高分子聚合物薄膜层312的材料和第一高分子聚合物薄膜层321的材料不同，第二高分子聚合物薄膜层323的材料和第四高分子聚合物薄膜层331的材料不同，它们之间应具有一定的极性差异，以便获得较好的摩擦发电效果。
如图3所示，第一高分子聚合物薄膜层321靠近第一摩擦组件310的一侧表面上还设置有第一凸起阵列结构324，第一凸起阵列结构324的存在增加了摩擦面的粗糙度，能够提高摩擦界面的接触面积和分离速度，有助于提高具有多个摩擦组件的摩擦发电机的发电效率。其中，第一凸起阵列结构324为多个凸起按照矩形或菱形排列构成，或者为多个带状结构按照几何排列设置在相应表面的两侧、四角、四周边缘或整个表面上。可选地，凸起的形状可以为半球形、圆柱形、棱柱形或棱锥形等，此处不做具体限定；带状结构可以按照井字、叉字、斑马线型、十字或口字的形状阵列排列，此处不做具体限定。
另外，第二高分子聚合物薄膜层323靠近第三摩擦组件330的一侧表面上还可设置有第二凸起阵列结构325，有助于进一步提高具有多个摩擦组件的摩擦发电机的发电效率。第二凸起阵列结构325为多个凸起按照矩形或菱形排列构成，或者为多个带状结构按照几何排列设置在相应表面的两侧、四角、四周边缘或整个表面上。其中，第二凸起阵列结构325的具体结构可与第一凸起阵列结构324的具体结构相同或不同，本领域技术人员可根据实际需要对第一凸起阵列结构324的具体结构和第二凸起阵列结构325的具体结构进行设置，此处不做限定。具体地，第一凸起阵列结构324和第二凸起阵列结构325可通过注塑或热压工艺制作得到。
在一种可选的实施方式中，具有多个摩擦组件的摩擦发电机除了包括如图3中所示的第一摩擦组件、第二摩擦组件和第三摩擦组件之外，还可包括第一居间层和/或第二居间层，其中，第一居间层设置在第一摩擦组件和第二摩擦组件之间，第二居间层设置在第二摩擦组件和第三摩擦组件之间。具体地，第一居间层为第一居间薄膜层或者第一居间电极层，第二居间层为第二居间薄膜层或者第二居间电极层。
假设具有多个摩擦组件的摩擦发电机包括第一摩擦组件、第二摩擦组件、第三摩擦组件、第一居间层和第二居间层。当第一居间层为第一居间薄膜层，第二居间层为第二居间薄膜层时，第三高分子聚合物薄膜层与第一居间薄膜层相对的两个表面和/或第一居间薄膜层与第一高分子聚合物薄膜层相对的两个表面构成摩擦界面，第二高分子聚合物薄膜层与第二居间薄膜层相对的两个表面和/或第二居间薄膜层与第四高分子聚合物薄膜层相对的两个表面构成摩擦界面，第一电极层、公共电极层和第二电极层为具有多个摩擦组件的摩擦发电机的信号输出端；当第一居间层为第一居间电极层，第二居间层为第二居间电极层时，第三高分子聚合物薄膜层与第一居间电极层相对的两个表面和/或第一居间电极层与第一高分子聚合物薄膜层相对的两个表面构成摩擦界面，第二高分子聚合物薄膜层与第二居间电极层相对的两个表面和/或第二居间电极层与第四高分子聚合物薄膜层相对的两个表面构成摩擦界面，第一电极层、第一居间电极层、公共电极层、第二居间电极层和第二电极层为具有多个摩擦组件的摩擦发电机的信号输出端。
图4a和图4b分别示出了图2所示的具有多个摩擦组件的摩擦发电机实施例一中的第一摩擦组件和第二摩擦组件之间以及第二摩擦组件和第三摩擦组件之间的电压检测数据图一和电压检测数据图二，图4c示出了图1所示的一个单独的摩擦发电机的电压检测数据图，如图4a、图4b和图4c所示，上述电压测试数据图为示波器得到的波形图像，信号清晰可见，其中，横坐标为时间，纵坐标为电压。在图4a和图4b中，上面的曲线(对应通道CH3)为具有多个摩擦组件的摩擦发电机实施例一中的第一摩擦组件和第二摩擦组件之间的电压检测信号，下面的曲线(对应通道CH2)为第二摩擦组件和第三摩擦组件之间的电压检测信号。其中，图4a中右上角所示的检测数据为第一摩擦组件和第二摩擦组件之间的电压检测信号对应的检测数据，由图4a中右上角所示的检测数据可知，第一摩擦组件和第二摩擦组件之间的最大电压差为208V；图4b中右上角所示的检测数据为第二摩擦组件和第三摩擦组件之间的电压检测信号对应的检测数据，由图4b中右上角所示的检测数据可知，第二摩擦组件和第三摩擦组件之间的最大电压差为212V。图4c中右上角所示的检测数据为图1所示的一个单独的摩擦发电机的电压检测信号对应的检测数据，由图4c中右上角所示的检测数据可知，图1所示的一个单独的摩擦发电机的最大电压差为242V。由此可知，本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机中第一摩擦组件和第二摩擦组件之间产生的发电效果、第二摩擦组件和第三摩擦组件之间产生的发电效果与现有技术中单独的摩擦发电机产生的发电效果相差不大、基本一致。
上述第一摩擦组件和第二摩擦组件之间的电压检测信号、第二摩擦组件和第三摩擦组件之间的电压检测信号以及图1所示的一个单独的摩擦发电机的电压检测信号均在实验室工作环境中测得，是未经电路处理的原始信号，所反映的是实际的电压输出情况，仅供确定电压大小使用。
本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，包括有依次层叠设置的第一摩擦组件、第二摩擦组件和第三摩擦组件，第二摩擦组件包括层叠设置的第一高分子聚合物薄膜层、公共电极层和第二高分子聚合物薄膜层，第一摩擦组件和第二摩擦组件相对的两个表面构成摩擦界面，第二摩擦组件和第三摩擦组件相对的两个表面构成摩擦界面，本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机整体厚度较小，与现有技术中叠加在一起的两个单独的摩擦发电机相比，减少了聚合物平面层、电极层以及双面胶层，并且，具有多个摩擦组件的摩擦发电机中第一摩擦组件和第二摩擦组件之间产生的发电效果、第二摩擦组件和第三摩擦组件之间产生的发电效果与现有技术中单独的摩擦发电机产生的发电效果基本一致，从而有效地提高了单位体积内的发电量。可选地，公共电极层还可制作为金属网格结构，使得第一高分子聚合物薄膜层、公共电极层和第二高分子聚合物薄膜层能够紧密地嵌合在一起，结合强度高，有效地增强了第二摩擦组件的牢固度，使整个第二摩擦组件更具一致性，性能更加稳定。另外，本发明提供的具有多个摩擦组件的摩擦发电机不仅单位体积内的发电量高、工作性能稳定，整个摩擦发电机更具一致性，延长了整个摩擦发电机使用寿命的同时还具有制作工艺简单、成本低廉、适合大规模工业生产的优点。
本领域技术人员应该理解，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，包括：依次层叠设置的第一摩擦组件、第二摩擦组件和第三摩擦组件；
所述第一摩擦组件至少包括：第一电极层；
所述第二摩擦组件包括：层叠设置的第一高分子聚合物薄膜层、公共电极层和第二高分子聚合物薄膜层；
所述第三摩擦组件至少包括：第二电极层；
其中，所述第一电极层、所述公共电极层和所述第二电极层为所述具有多个摩擦组件的摩擦发电机的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述公共电极层为金属网格结构，所述第一高分子聚合物薄膜层和/或所述第二高分子聚合物薄膜层还部分填充在所述公共电极层的金属网格结构中。
3.根据权利要求1所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物薄膜层靠近所述第一摩擦组件的一侧表面上设置有第一凸起阵列结构；和/或，所述第二高分子聚合物薄膜层靠近所述第三摩擦组件的一侧表面上设置有第二凸起阵列结构。
4.根据权利要求2所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述第二摩擦组件为一体设置，所述公共电极层通过注塑或热压工艺设置于所述第一高分子聚合物薄膜层和所述第二高分子聚合物薄膜层之间。
5.根据权利要求4所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述公共电极层被所述第一高分子聚合物薄膜层和所述第二高分子聚合物薄膜层包裹。
6.根据权利要求3所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述第一凸起阵列结构和/或所述第二凸起阵列结构通过注塑或热压工艺制作得到。
7.根据权利要求1-6任一项所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦组件还包括：第三高分子聚合物薄膜层；所述第三高分子聚合物薄膜层设置在所述第一电极层靠近所述第二摩擦组件的一侧表面上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述第三摩擦组件还包括：第四高分子聚合物薄膜层；所述第四高分子聚合物薄膜层设置在所述第二电极层靠近所述第二摩擦组件的一侧表面上。
9.根据权利要求1-8任一项所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述具有多个摩擦组件的摩擦发电机还包括：第一居间层和/或第二居间层；所述第一居间层设置在所述第一摩擦组件和所述第二摩擦组件之间，所述第二居间层设置在所述第二摩擦组件和所述第三摩擦组件之间。
10.根据权利要求9所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述第一居间层为第一居间薄膜层或者第一居间电极层，所述第二居间层为第二居间薄膜层或者第二居间电极层。
11.根据权利要求3所述的具有多个摩擦组件的摩擦发电机，其特征在于，所述第一凸起阵列结构和所述第二凸起阵列结构为多个凸起按照矩形或菱形排列构成，或者为多个带状结构按照几何排列设置在相应表面的两侧、四角、四周边缘或整个表面上；
所述凸起的形状为半球形、圆柱形、棱柱形或棱锥形；所述带状结构按照井字、叉字、斑马线型、十字或口字的形状阵列排列。
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