CN110504860A - 一种堆栈式旋转静电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明一种堆栈式旋转静电发电机，属于微能源系统，包括动力收集组件、轴承座板、固定圆筒、动圆盘组件、静圆盘、连接螺钉组件、油封轴承和旋转轴；动力收集组件固定于所述的旋转轴上，在外力的驱动下带动旋转轴、转轴上固定的动圆盘组件同步旋转，使动圆盘上的驻极体电极与静圆盘上的工作电极的正对面积发生周期性的变化，造成电容值周期性的变化，由此产生电信号并向外电路输出。输出的电能可应用于各类无线传感节点的供电或作为环境流体流速的实时监测。由于采用的是正、负驻极体间隔等间距排列，大大提高了动圆盘表面的荷电效率，提升了发电机的输出功率。

Description

一种堆栈式旋转静电发电机

技术领域

本发明属于微能源系统的能量转化领域，具体涉及一种堆栈式旋转静电发电机。

背景技术

随着便携式电子产品在日常生活中的广泛应用，急需寻找一种易于与其结合且可靠性高的供电方法。从环境中收集已存在的机械能量的方法逐渐成为自供电微机电系统的电源系统方案，这种方式也更有利于微机电系统的进一步微型化。可将自然环境广泛存在的如风能、水力能量转换为可以带动发电机工作的旋转运动能量。同等条件下，驻极体发电机相比于传统的电磁式发电机，输出功率要更高，工作频率更低的特点。一种三维堆叠式旋转静电能量采集器具有体积小、易于制造、成本低、易于封装及可靠性高等优点，能适应众多复杂工作环境，且能与无线电子器件融合，因此有着广泛的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，Weiqing Yang等人在“3D Stack IntegratedTriboelectric Nano-generator for Harvesting Vibration Energy”(AdvancedFunctional Materials，2014，24(26)，4090-4096)(中文题目“面向振动能的3D堆叠集成式摩擦纳米发电机”国际期刊：先进功能材料)文章中报道了一种三维多层集成的摩擦纳米发电机，用以收集环境中的振动能量。其在谐振频率40Hz及最佳阻抗为2MΩ处，输出的电能密度为104.6W·m^-2。然而，由于文中结构只能是面内振荡运动，极板相对面积变化率相对较小，且有机械弹簧的缓冲，降低了能量转换的效率，其输出功率相对较小。Yannan Xie等人在“Multi-layered disk triboelectric nanogenerator for harvesting hydropower”(Nano Energy(2014)6,129–136)(中文题目“用于水力发电的多层圆盘摩擦纳米发电机”国际期刊：纳米能源)文章中报道了一种多层集成旋转式摩擦发电机，在1000r/min条件下，该发电机开路电压能够输出460V，功率密度能够最大输出42.6W/m²。然而，由于是基于摩擦发电式的，摩擦层表面纳米结构容易破坏，影响发电效率；而且文中提出的多层叠加方法为D形轴与扇区圆盘中心孔切合的方式，无其余定位连接件，容易松动；并且相邻扇区圆盘之间距离通过螺钉和弹簧控制，容易出现扇区圆盘翘曲的现象，对最后的封装会提出更苛刻的要求。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种堆栈式旋转静电发电机，通过多个栅格圆盘按一定的间距堆叠而成，主要分为动圆盘和静圆盘两大组成部分，实现旋转能量的同步采集输出，减小收集过程中阻尼消耗，最大程度提高发电机结构的空间利用率。动圆盘圆形端面被驻极体薄膜覆盖，通过电晕充电的方式可以将电荷预注入到驻极体薄膜中，使其动圆盘表面形成一个偏置电压。利用驻极体薄膜静电感应的原理，将旋转机械能转换为电能，旋转轴上安装不同形式的收集叶片，可以收集风能、水力能量等。

本发明的技术方案是：一种堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：包括动力收集装置、固定圆筒、动圆盘、静圆盘和旋转轴；所述固定圆筒为中空的圆柱状结构，其两端均通过轴承座板封闭；多个所述静圆盘和动圆盘等间距交错并同轴设置于所述固定圆筒内，所述静圆盘和动圆盘的外径小于所述固定圆筒的内径；所述旋转轴同轴穿过所述固定圆筒两端的轴承座板和其内设置的静圆盘、动圆盘；所述旋转轴通过轴承与所述轴承座板连接，与所述静圆盘为间隙配合，与所述动圆盘为固定连接，保证所述动圆盘与所述旋转轴同步旋转而静圆盘不旋转；所述动力收集装置固定安装于所述旋转轴一端的端头，通过旋转收集风能或水能；

所述固定圆筒内壁上沿周向开有弧形定位凹槽，多个所述弧形定位凹槽沿固定圆筒的轴向等间距分布，分别用于固定安装多个所述静圆盘；

所述静圆盘和动圆盘的两端面上均设置有衬底金属电极，所述衬底金属电极成发射状，由若干沿端面周向均布的尺寸相同的扇区形组成；在所述动圆盘两端覆盖有驻极体聚合物薄膜，用于在动圆盘的衬底金属电极上形成偏置电压；所述静圆盘和动圆盘通过导线并联，通过旋转所述动圆盘使动圆盘与静圆盘相对面积发生周期性改变，进而使得所述动圆盘与静圆盘之间发生电荷的重新分布，能够向外电路输出交变的感应电流。

本发明的进一步技术方案是：所述固定圆筒由两个相同的半圆柱状结构组成，通过连接螺钉组件固定为完整的圆柱结构；所述连接螺钉组件包括螺栓、螺母、垫片和半圆柱状结构直线边缘设置的耳片，通过螺栓和螺母、垫片配合将两个所述半圆柱状结构的耳片固定连接。

本发明的进一步技术方案是：所述固定圆筒内径为90-110mm，外径为95-115mm。

本发明的进一步技术方案是：所述静圆盘和动圆盘的基体采用硬质电路板工艺制作。

本发明的进一步技术方案是：相邻所述动圆盘与静圆盘之间的距离为0.5-1mm。

本发明的进一步技术方案是：所述驻极体聚合物薄膜厚度为200μm，同时驻极体聚合物薄膜内充电电荷经图形化处理成等间距排列的扇形；所述驻极体聚合物薄膜内充电的方法采用驻极体充电图形化方法localized charging methods。

本发明的进一步技术方案是：所述驻极体聚合物薄膜采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅。

本发明的进一步技术方案是：所述动圆盘的每个扇区形的衬底电极的圆心角为α，每个扇区形上覆盖的驻极体聚合物薄膜的圆心角为β，相邻扇区形的夹角为δ；一个扇区形的驻极体聚合物薄膜的中心线与相邻衬底电极中心线之间的夹角为γ，且γ＞0，γ＜α＜2β。

本发明的进一步技术方案是：所述静圆盘和动圆盘的数量为各5个。

本发明的进一步技术方案是：所述动力收集装置为间隔120°的三片风力叶片、或者为垂直风力叶片、或者为涡轮桨，通过轴承和轴套安装于所述旋转轴的一端端头。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明主要用于采集自然界广泛存在的低流速风能(<5m/s)及低流速水能(<3m/s)，通过多层圆盘交错堆叠式结构收集旋转能量，将所以动、静圆盘电极与外电路并联连接，实现多电极电能输出。

本发明由于结构简单、体积小、重量轻，同时与便携式电子产品兼容性好及可靠性高等优点，因此有着广泛的商业应用。提出了一种新式的多层叠加输出的实现方式，主要针对户外快速高效地收集环境能量，为其他传感网络提供电力。采用多个静圆盘和动圆盘等间距交错堆叠式结构，将静圆盘与固定圆筒固定，动圆盘与旋转轴固定，当环境风吹动叶片旋转时，旋转轴带动动圆盘转动，使得动圆盘能够相对静圆盘旋转，进一步动圆盘与静圆盘之间相对面积发生周期性的改变，造成该发电机的电容值周期性改变，动圆盘与静圆盘之间发生电荷的重新分布，进而向外电路输出交变的感应电流，例如该微型发电机可以用于风速测量仪的电源供应。此外，本发明提出的圆盘堆栈式旋转收集结构还有着其它的广泛应用，将其置于有水流产生的环境中，动力收集部件换为涡轮浆，使其能够在水流驱动下带动旋转轴旋转，实现水力能源的收集利用。同时，将圆盘的电路与电流检测装置形成回路，即可实现流体流速的实时测量。

本发明所述的堆栈式旋转静电发电机，多个发电单元进行叠加的方式进行扩展输出，提升发电机的输出功率；驻极体聚合物薄膜采用正负充电的方式进行图形化，有利于输出电能的提高，本发明所述的发电机发的电能可用作驱动指示灯或为储能元件供电。

与现有技术相比，本发明的堆栈式旋转静电发电机具有以下几个优点：

1.本发明所述的堆栈式旋转静电发电机与微型的风力、水力发电技术结合，实现了多层堆栈的方式旋转动力能量收集旋转能。

2.本发明所述的堆栈式旋转静电发电机的模块化设计，可以用作旋转动力、水力、风力发电，同时只需要更换动力收集装置即可用作实时转速或水流速度、风速的探测。

附图说明

图1为本发明堆栈式旋转静电发电机的实施例一结构设计示意图；

图2为本发明堆栈式旋转静电发电机的固定圆筒组成示意图；

图3为本发明堆栈式旋转静电发电机多层动圆盘与静圆盘之间电学耦合连接输出示意图；

图4为本发明堆栈式旋转静电发电机的固定圆筒内壁面设计示意图；

图5为本发明堆栈式旋转静电发电机的动圆盘轴向定位示意图；

图6为本发明堆栈式旋转静电发电机的动圆盘表面驻极体薄膜正、负充电后图形化示意图；

图7为本发明堆栈式旋转静电发电机的驻极体薄膜正、负充电后输出性能的测试结果对比图；

图8为本发明堆栈式旋转静电发电机的多层电学输出结果的性能测试对比图；

图9为本发明堆栈式旋转静电发电机的实施例三结构示意图；

图10为本发明堆栈式旋转静电发电机的实施例四结构示意图。

附图标记说明：1、动力收集叶片组件；2、轴承座板；3、固定圆筒；4、尾翼；5、动圆盘；6、静圆盘；7、连接螺钉组件；8、油封轴承；9、旋转轴；31、上圆筒；32、下圆筒；33、凹槽；52、开口销；53、负驻极体电极；54、正驻极体电极与。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种风致堆栈式旋转静电发电机，包括：动力收集叶片组件1、轴承座板2、固定圆筒3、尾翼4、动圆盘5、静圆盘6、连接螺钉组件7、油封轴承8、旋转轴9；固定圆筒3由两个相同的半圆柱状结构组成，通过连接螺钉组件7固定为整体圆柱，连接螺钉组件7包括六角头螺栓、平垫片、六角头螺母和半圆柱状结构直线边缘设置的耳片，其中、选择M3×8规格的螺栓、M3的螺母及垫片；固定圆筒3两端均通过轴承座板2封闭，轴承座板2为亚克力板制作，外径为95-110mm，中间开设直径为19mm孔，厚度为5～8mm；将5个动圆盘5和5个静圆盘6同轴交错安装于旋转轴9上的对应位置，组装完成后同轴放于固定圆筒3内，所有的静圆盘6都固定安装在固定圆筒3内壁开设的弧形定位凹槽内；旋转轴9穿过固定圆筒3两端的轴承座板2中心处的通孔，并通过油封轴承8与轴承座板2旋转连接，动力收集叶片组件1通过轴承和轴套安装在旋转轴9悬伸一端端头上，且旋转轴9尾部安装尾翼4。所述的轴承选择深沟球油封轴承，这种油封轴承容易实现自身的润滑，能适应无油润滑的环境，无需辅助润滑装置，对于整体运行性能都有很好的提升。旋转轴9采用碳钢制作，结构设计成阶梯状，即中间安装动圆盘部分的轴径略大于轴承安装轴段处的轴径，且放置静圆盘对应的轴段位置处开设与静圆盘厚度相同的退刀槽。旋转轴9为中空结构，旋转圆盘的输出导线可以经过中空结构穿出。

每一个动圆盘5圆形面端用开口销固定轴向自由度，周向用平键限定，即每一个动圆盘5通过定位固定件保证与旋转轴9的同步旋转运。动圆盘5与静圆盘6由硬质电路板工艺定制而成，图案定制为发射状等间隔的扇区栅格，组成栅格衬底电极。动圆盘5两端面均包裹一层预先植入电荷的驻极体薄膜，用以在动圆盘5衬底电极上形成偏置电压。所有动圆盘5与静圆盘6之间并联连接，用以提升该发电机的输出电流。当外界激励促使动圆盘5同步旋转时，动圆盘5与静圆盘6的栅格电极正对面积发生交叉改变，动圆盘5与静圆盘6经由外部电路发生电荷的重新分布，进而向外部电路输出电能。尾翼安装在旋转轴9的另一端，即与动力收集叶片组件1相对。

如图2所示，是本实例固定圆筒3组成部分，由上圆筒31与下圆筒32经由连接螺钉组件7固定连接。

如图3所示，是本实例多层动圆盘与静圆盘之间电学耦合连接输出示意图，保证所有动圆盘5与静圆盘6之间的电能并联的同步输出。

如图4所示，是本实例固定圆筒3内壁设计，当将动圆盘5和静圆盘6与旋转轴9组装完成之后，将每一个静圆盘6都放置于固定圆筒内壁设计的凹槽33内，并经由胶粘的方式固定，使静圆盘6相对动圆盘5固定。

如图5所示，是本实例的动圆盘5轴向定位示意图，包括动圆盘5、开口销52。

如图6所示，是本实例动圆盘5的驻极体图形化的示意图，具有成辐射状18个扇区栅格，且相邻栅格为正、负充电，双面覆盖。充分利用动圆盘表面以设置更多的驻极体-工作电极对，从而以最小体积的发电单元产生更多的电能。也就是在相邻负驻极体薄膜衬底扇区栅格之间设置了一组结构相同、电荷极性相反的驻极体静电发电单元。并且在静圆盘6的圆形表面同样设置有与动圆盘5相对的等间隔扇区栅格衬底电极，形成扇形叉指驻极体薄膜-工作电极对。每一个扇区栅格衬底电极的圆心角为α，每一个扇区栅格电极上覆盖的驻极体薄膜为圆心角为β，相邻扇区形的夹角为δ；一个扇区形的驻极体聚合物薄膜的中心线与相邻栅格衬底电极中心线之间的夹角为γ，且γ＞0，γ＜α＜2β。如此，主要为了动圆盘5上的正、负充电与电学输出时引线方便，防止短路。所述驻极体聚合物薄膜内充电的方法采用驻极体充电图形化方法localized charging methods，为实现驻极体薄膜的扇区栅格图形化充电，将与动圆盘5需要充电的栅格位置处镂空，用以驻极体薄膜充电时的静电屏蔽。

如图7所示，是本实施例旋转静电发电机的驻极体薄膜正、负充电后输出性能的测试结果对比图，经过对驻极体薄膜正、负充电与仅正极性充电两者的对比可知，旋转静电发电机输出性能有很大的提升。

如图8所示，是本实施例旋转静电发电机的多层堆栈电学输出结果的性能测试对比图，表明多层的堆栈结果有利于输出性能的提升。

实施例二

图9示出了本发明的第二种实施例的结构示意图。将其动力收集组件1换成由若干涡轮桨组成，其余部件都与实施例一相同，经过调整动力收集组件的方向，使其能在水流驱动下发生旋转，进而带动旋转轴旋转，使得所述的动圆盘5与所述的静圆盘6在所述转轴旋转方向形成相对运动，即驻极体-工作电极之间的正对面积发生周期性的变化，使相邻圆盘之间发生荷电重组，向外电路输出电流，实现水流能量的收集，可以用作环境水流的实时测量，也可将产生的电量存储在储能元件中。

实施例三

图10示出了本发明的第三种实施例的结构示意图。将其动力收集部件1换成能收集垂直风力的叶片，其余部件都与实施例一相同，垂直风力叶片在风向改变时无需对风，相对于实施例一可以省去尾翼的设计安装，不仅使结构简化，而且也减少了风力叶片对风时的陀螺力。将环境中的机械能转换为驱动旋转轴9旋转的动力，其余工作原理与前述实施例相同，最终实现风能的利用。

本发明的堆栈式旋转静电发电机可以通过多个发电单元进行叠加的方式进行扩展输出，提升发电机的输出功率。并且可以在动圆盘相邻负驻极体电极之间按照一定的间隙等间距设置正驻极体电极，两组驻极体电极交互设置，能够实现动圆盘表面的最大程度利用。同时，本发明的堆栈式旋转静电发电机也可与其他部件组合使用，因此该动力收集部件1可以是收集环境能量的风力叶片或涡轮桨等，也可是与机械设备中的旋转轴连接的带轮、齿轮等其他配件。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：包括动力收集装置、固定圆筒、动圆盘、静圆盘和旋转轴；所述固定圆筒为中空的圆柱状结构，其两端均通过轴承座板封闭；多个所述静圆盘和动圆盘等间距交错并同轴设置于所述固定圆筒内，所述静圆盘和动圆盘的外径小于所述固定圆筒的内径；所述旋转轴同轴穿过所述固定圆筒两端的轴承座板和其内设置的静圆盘、动圆盘；所述旋转轴通过轴承与所述轴承座板连接，与所述静圆盘为间隙配合，与所述动圆盘为固定连接，保证所述动圆盘与所述旋转轴同步旋转而静圆盘不旋转；所述动力收集装置固定安装于所述旋转轴一端的端头，通过旋转收集风能或水能；

所述固定圆筒内壁上沿周向开有弧形定位凹槽，多个所述弧形定位凹槽沿固定圆筒的轴向等间距分布，分别用于固定安装多个所述静圆盘；

所述静圆盘和动圆盘的两端面上均设置有衬底金属电极，所述衬底金属电极成发射状，由若干沿端面周向均布的尺寸相同的扇区形组成；在所述动圆盘两端覆盖有驻极体聚合物薄膜，用于在动圆盘的衬底金属电极上形成偏置电压；所述静圆盘和动圆盘通过导线并联，通过旋转所述动圆盘使动圆盘与静圆盘相对面积发生周期性改变，进而使得所述动圆盘与静圆盘之间发生电荷的重新分布，能够向外电路输出交变的感应电流。

2.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：所述固定圆筒由两个相同的半圆柱状结构组成，通过连接螺钉组件固定为完整的圆柱结构；所述连接螺钉组件包括螺栓、螺母、垫片和半圆柱状结构直线边缘设置的耳片，通过螺栓和螺母、垫片配合将两个所述半圆柱状结构的耳片固定连接。

3.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：所述固定圆筒内径为90-110mm，外径为95-115mm。

4.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：所述静圆盘和动圆盘的基体采用硬质电路板工艺制作。

5.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：相邻所述动圆盘与静圆盘之间的距离为0.5-1mm。

6.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：所述驻极体聚合物薄膜厚度为200μm，同时驻极体聚合物薄膜内充电电荷经图形化处理成等间距排列的扇形；所述驻极体聚合物薄膜内充电的方法采用驻极体充电图形化方法localized charging methods。

7.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：所述驻极体聚合物薄膜采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅。

8.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：所述动圆盘的每个扇区形的衬底电极的圆心角为α，每个扇区形上覆盖的驻极体聚合物薄膜的圆心角为β，相邻扇区形的夹角为δ；一个扇区形的驻极体聚合物薄膜的中心线与相邻衬底电极中心线之间的夹角为γ，且γ＞0，γ＜α＜2β。

9.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：所述静圆盘和动圆盘的数量为各5个。

10.根据权利要求1所述堆栈式旋转静电发电机，其特征在于：所述动力收集装置为间隔120°的三片风力叶片、或者为垂直风力叶片、或者为涡轮桨，通过轴承和轴套安装于所述旋转轴的一端端头。