CN110460261A - 一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，包括第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件，所述第一齿轮组件的轮齿上有第一感应电极，所述第一感应电极外设有第一摩擦层，所述第二齿轮组件的轮齿上设有第二摩擦层，所述第三齿轮组件的轮齿上有第三感应电极，所述第三感应电极外设有第三摩擦层；所述第二齿轮组件在驱动机构的驱动下旋转使得第一摩擦层和第二摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层产生接触摩擦，不同电荷在不同的齿轮组件表面聚集，第一齿轮组件的第一感应电极和第三齿轮组件的第三感应电极之间产生电势差，驱动电子沿同一方向流动，从而对外输出直流电信号。本发明无需整流电路就可输出直流电。

Description

一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置

技术领域

本发明涉及一种摩擦纳米发电装置，特别是涉及一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置。

背景技术

为解决能源危机和环境污染，探索重复利用可再生能源是人类面临的巨大挑战之一。目前电磁式发电设备已经成为主流装置，但是它们具有体积庞大，质量重，修建成本高等缺点。

2012年王中林研究团队提出的摩擦电纳米发电机可有效收集多种形式的机械能，开启了一个全新模式。中国专利申请号为201510232639.7发明了一种旋转式摩擦纳米发电机，结构复杂，对外输出交流电，使用时必须先经过整流。专利申请号为201310482286.7提出了一种直流摩擦发电装置，电子在电路中的流动需要通过放电现象实现，摩擦部件和感应电极之间存在距离，静电感应效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，无需整流电路可输出直流电，耐久性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，包括第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件，所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的旋转轴相互平行，且所述第二齿轮组件分别与所述第一齿轮组件和第三齿轮组件啮合，所述第一齿轮组件和第三齿轮组件不啮合；所述第一齿轮组件的轮齿上有第一感应电极，所述第一感应电极外设有第一摩擦层，所述第二齿轮组件的轮齿上设有第二摩擦层，所述第三齿轮组件的轮齿上有第三感应电极，所述第三感应电极外设有第三摩擦层；所述第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层具有不同电子捕获能力；所述第二齿轮组件在驱动机构的驱动下旋转使得第一摩擦层和第二摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层产生接触摩擦，不同电荷在不同的齿轮组件表面聚集，第一齿轮组件的第一感应电极和第三齿轮组件的第三感应电极之间产生电势差，驱动电子沿同一方向流动，从而对外输出直流电信号。

所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的形状和尺寸相同。

所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的轮齿数相等且至少有10个。

所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件通过轴承和轴悬空固定于支架上。

所述驱动机构为风叶，所述风叶包括至少两个形状尺寸相同的叶片，在风力作用下能够发生旋转运动从而带动所述第二齿轮组件转动。

所述第一摩擦层的电子捕获能力大于所述第二摩擦层的电子捕获能力，所述第二摩擦层的电子捕获能力大于所述第三摩擦层的电子捕获能力。

所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的齿轮基材采用聚酰胺、全氟乙烯丙烯共聚物或聚四氟乙烯制成。

所述第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层采用具有摩擦电特性的高分子材料制成。

所述第一感应电极和第三感应电极采用金属材料或高分子导电聚合物制成。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过齿轮啮合联动实现三个具有不同摩擦电负性摩擦面接触摩擦，电子在外电路定向流动，对外输出直流电信号。整个装置摩擦单元接触分离精度高、接触压力稳定、无需额外设置间隔装置和预留分离空间，简化了装置结构，同时静电感应效应充分，无需整流电路可输出直流电，耐久性好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的摩擦层和感应电极布置示意图；

图3A-3E是本发明的发电过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，如图1所示，所述发电装置包括第一齿轮组件1，第二齿轮组件2，第三齿轮组件3，风叶4，轴承5，轴6和支架7。风叶4通过轴6与第二齿轮组件2连接。第一齿轮组件1、第二齿轮组件2和第三齿轮组件3通过轴承5和轴6平行悬空固定于支架7。在风力作用下，上述风叶4产生旋转，第一齿轮组件1，第二齿轮组件2，第三齿轮组件3因啮合联动作用发生圆周运动，三个具有不同摩擦电负性的摩擦层产生接触摩擦，不同电荷在不同的齿轮组件表面聚集，第一齿轮组件的第一感应电极和第三齿轮组件的第三感应电极之间有电子定向流动，从而对外输电能。

本实施方式中，所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的形状和尺寸相同，且轮齿数相等，并至少有10个轮齿数。第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件可以为空心，也可以为实心，只要能满足强度、结构尺寸稳定的要求即可。齿轮组件材料可以选自聚酰胺、全氟乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯等材料，但不限于此。风叶4包括至少两个形状尺寸相同的叶片，在风力作用下能够发生旋转运动从而带动所述第二齿轮组件2转动。支架7为有机玻璃材质或其他高强度材质的长方体，其侧面开孔可以以安装轴承5和轴6。

如图2所示，第一齿轮组件1的轮齿上设有第一感应电极12，第一感应电极12外包覆有第一摩擦层11；第二齿轮组件2的轮齿上设有第二摩擦层21，第三齿轮组件3的轮齿上设有第三感应电极32，第三感应电极32外包覆有第三摩擦层31。第一摩擦层11、第二摩擦层21和第三摩擦层31捕获电子能力存在明显差异，且捕获能力第一摩擦层>第二摩擦层>第三摩擦层。第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层的材料均选为高分子材料。一些常见的高分子材料包括，聚四氟乙烯(PTFE)，全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)，聚丙烯(PP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙基纤维素(EC)等，但不限于此。第一感应电极和第三感应电极均选为金属材料或高分子导电聚合物，一些金属材料包括金、银、铜、铝、镍、铂或铬，以及由上述金属形成的合金。一些高分子导电聚合物包括聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩等，但不限于此。

本发明齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置发电过程如图3A-3E所示。图3A中，第一齿轮组件1、第二齿轮组件2和第三齿轮组件3依次啮合接触，第一齿轮组件1表面包覆第一感应电极12和第一摩擦层11，第二齿轮组件2表面只包裹第二摩擦层21，第三齿轮组件3表面包覆第三感应电极32和第三摩擦层31。其中，第一摩擦层11具有最强的得电子能力，第二摩擦层21次之，第三摩擦层31相对容易失去电子。在初始阶段，第一齿轮组件1与第二齿轮组件2接触，第二齿轮组件2与第三轮组件3接触，在风叶带动下，开始旋转。这里以A点齿轮为例叙述整个装置的直流发电过程。图3B中，随着三个齿轮组件转动，由于第一齿轮组件1与第二齿轮组件2电负性差异，第二齿轮组件2上A点处齿轮摩擦面会带上正电荷，第一齿轮组件1上的相应齿轮摩擦面带上负电荷；当A点齿轮旋转到图3C中位置时，由于A点齿轮与第一齿轮组件1上的相应齿轮发生分离，第一齿轮组件1的第一感应电极12上感应出正电荷，相同地，第三齿轮组件3上的第三感应电极32感应出负电荷，此时有电子从第一感应电极流向第三感应电极，对外输出电信号；图3D中，随着三个齿轮组件继续转动，第二齿轮组件2上A点处齿轮与第三齿轮组件上齿轮接触摩擦，由于电负性差异，第二齿轮组件2上A点处齿轮摩擦表面逐渐集聚负电荷，第三摩擦层表面逐渐集聚正电荷；图3E中，第二齿轮组件2上A点处齿轮与第三齿轮组件3上的相应齿轮分离，此时有电子仍从第一感应电极流向第三感应电极，对外输出电信号。只要上述三个齿轮组件保持旋转，外电路中会一直存在电子定向流动，因此直流发电过程持续进行。

下面通过两个实例来进一步详细阐述本发明。

实施例1：

选取3个形状和尺寸相同、直径为10cm，长15cm的尼龙材质定制齿轮组件作为第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件。对第一感应电极和第三感应电极材料，选用银浆通过刷涂方式将其均匀涂覆于第一齿轮组件和第三齿轮组件的轮齿表面，然后热风烘干。选取聚四氟乙烯和聚氨酯溶液分别作为第一齿轮组件和第三齿轮组件的摩擦层材料，采用喷枪喷涂方式均匀涂覆，热风烘干。第二齿轮组件的摩擦层即为其本身尼龙材质的外表面。选用一个有机玻璃材质的长方体作支架以支撑整个发电装置。选取一个尼龙材质的风叶收集风能以提供初始动力源。在商用风扇的吹动下，风叶发生旋转，尼龙摩擦面、聚四氟乙烯摩擦面和聚氨酯摩擦面由于具有不同摩擦电负性，不同电荷会在它们表面进行聚集，第一齿轮组件的第一感应电极和第三齿轮组件的第三感应电极产生电势差，连接两个感应电极的电压表上会持续有电信号输出。

实施例2：

选取3个形状和尺寸相同、直径为10cm，长15cm的尼龙材质定制齿轮组件作为第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件。选用一个有机玻璃材质的长方体作支架以支撑整个发电装置。对第一感应电极和第三感应电极材料，选用聚噻吩导电聚合物通过雾化喷涂于第一齿轮组件和第三齿轮组件的轮齿上。选取聚氯乙烯薄膜和聚氨酯薄膜作为摩擦层材料，使用导电胶将它们分别均匀粘附于第一齿轮组件和第三齿轮组件的轮齿上。第二齿轮组件的摩擦层即为其本身尼龙材质的外表面。在风能作用下，尼龙材质的风叶发生旋转，尼龙摩擦面、聚氯乙烯摩擦面和聚氨酯摩擦面由于捕获电荷能力存在差异，因此不同电荷会在它们表面聚集，第一齿轮组件的第一感应电极和第三齿轮组件的第三感应电极产生电势差，连接两个感应电极的示波器上会持续有电信号输出。

不难发现，本发明通过齿轮啮合联动实现三个具有不同摩擦电负性摩擦面接触摩擦，电子在外电路定向流动，对外输出直流电信号。整个装置摩擦单元接触分离精度高、接触压力稳定、无需额外设置间隔装置和预留分离空间，简化了装置结构，同时静电感应效应充分，无需整流电路可输出直流电，耐久性好。

Claims (9)

1.一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，包括第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件，其特征在于，所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的旋转轴相互平行，且所述第二齿轮组件分别与所述第一齿轮组件和第三齿轮组件啮合，所述第一齿轮组件和第三齿轮组件不啮合；所述第一齿轮组件的轮齿上有第一感应电极，所述第一感应电极外设有第一摩擦层，所述第二齿轮组件的轮齿上设有第二摩擦层，所述第三齿轮组件的轮齿上有第三感应电极，所述第三感应电极外设有第三摩擦层；所述第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层具有不同电子捕获能力；所述第二齿轮组件在驱动机构的驱动下旋转使得第一摩擦层和第二摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层产生接触摩擦，不同电荷在不同的齿轮组件表面聚集，第一齿轮组件的第一感应电极和第三齿轮组件的第三感应电极之间产生电势差，驱动电子沿同一方向流动，从而对外输出直流电信号。

2.根据权利要求1所述的齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的形状和尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的轮齿数相等且至少有10个。

4.根据权利要求1所述的齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件通过轴承和轴悬空固定于支架上。

5.根据权利要求1所述的齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述驱动机构为风叶，所述风叶包括至少两个形状尺寸相同的叶片，在风力作用下能够发生旋转运动从而带动所述第二齿轮组件转动。

6.根据权利要求1所述的齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一摩擦层的电子捕获能力大于所述第二摩擦层的电子捕获能力，所述第二摩擦层的电子捕获能力大于所述第三摩擦层的电子捕获能力。

7.根据权利要求1所述的齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一齿轮组件、第二齿轮组件和第三齿轮组件的齿轮基材采用聚酰胺、全氟乙烯丙烯共聚物或聚四氟乙烯制成。

8.根据权利要求1所述的齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层采用具有摩擦电特性的高分子材料制成。

9.根据权利要求1所述的齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一感应电极和第三感应电极采用金属材料或高分子导电聚合物制成。