CN110661444B - 基于摩擦纳米发电机的可持续高压源及其应用 - Google Patents

Abstract

一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源及其应用，可持续高压源，包括：能够发生相对转动的两个摩擦结构，分别为第一摩擦结构和第二摩擦结构，其中第一摩擦结构的本体上分布有摩擦电极单元和感应电极单元；导电刷，该导电刷的两端分别与两个感应电极单元接触，使得被接触的两个感应电极单元之间发生电荷传导从而产生电势差，其中被接触的两个感应电极单元中至少一个为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元；以及直流输出电极对，用于与产生电势差的两个感应电极单元接触输出直流电。实现了摩擦‑感应‑直流输出的转化过程，无需通过整流电路的转换直接输出直流电，并且随着转动的进行，直流脉冲持续输出，实现直流电的稳定、持续输出。

Description

基于摩擦纳米发电机的可持续高压源及其应用

技术领域

本公开属于摩擦纳米发电技术领域，涉及一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源及其应用。

背景技术

摩擦纳米发电机可将人体运动的机械能或者其他清洁能源诸如风能、海浪能等转化为电能，具有清洁环保的优势。目前电子产品越来越普及，各种智能设备以及可穿戴设备的出现对于电能的需求越来越强烈，高能量转化效率以及便捷性成为摩擦纳米发电机作为供能器件的刚性需求。

但是传统的摩擦纳米发电机输出的大多为交流电，需设计整流电路变为脉冲直流电，且经过升压电路增压。因此亟需提出一种能够直接输出直流电的摩擦纳米发电结构，来满足上述需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源及其应用，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源，包括：能够发生相对转动的两个摩擦结构，分别为第一摩擦结构和第二摩擦结构，其中第一摩擦结构的本体上分布有摩擦电极单元和感应电极单元，在相对转动的过程中，第二摩擦结构与摩擦电极单元发生摩擦而带电，处于第二摩擦结构对应位置上的感应电极单元基于静电感应产生感应电荷分布；导电刷，该导电刷的两端分别与两个感应电极单元接触，使得被接触的两个感应电极单元之间发生电荷传导从而产生电势差，其中被接触的两个感应电极单元中至少一个为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元；以及直流输出电极对，与产生电势差的两个感应电极单元接触以输出直流电。

在本公开的一实施例中，所述第一摩擦结构与第二摩擦结构发生相对转动且第二摩擦结构与导电刷相对静止，所述相对转动的形式包含如下情况之一：

所述第二摩擦结构固定，第一摩擦结构发生转动，导电刷固定；或者，

所述第二摩擦结构发生转动，第一摩擦结构固定，导电刷发生转动；或者，

所述第二摩擦结构发生第二转动，第一摩擦结构发生第一转动，导电刷发生第二转动，所述第一转动与第二转动的转速和/或转动方向不同。

在本公开的一实施例中，所述第二摩擦结构的一端与摩擦电极单元发生摩擦带电，所述导电刷的两端接触的两个感应电极单元中只有一个感应电极单元为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元；或者，

所述第二摩擦结构的两端与摩擦电极单元发生摩擦，所述导电刷的两端接触的两个感应电极单元均为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元且这两个感应电极单元的感应电荷分布存在差异。

在本公开的一实施例中，所述第一摩擦结构为盘状结构，所述第一摩擦结构的本体为盘状结构，所述摩擦电极单元和感应电极单元分别分布于该盘状结构两个相对的表面；所述第二摩擦结构与第一摩擦结构中分布有摩擦电极单元的本体表面相对设置；所述导电刷与第一摩擦结构中分布有感应电极单元的本体表面相对设置。

在本公开的一实施例中，所述第一摩擦结构的本体为筒状结构，所述摩擦电极单元分布于该筒状结构的内侧面/外侧面，对应感应电极单元分布于该筒状结构的外侧面/内侧面；所述第二摩擦结构与第一摩擦结构中分布有摩擦电极单元的本体侧面相对设置；所述导电刷与第一摩擦结构中分布有感应电极单元的本体侧面相对设置。

在本公开的一实施例中，所述第一摩擦结构的本体为盘状或筒状结构，所述摩擦电极单元和感应电极单元由摩擦感应电极单元充当，该摩擦感应电极单元兼具摩擦和感应的作用，所述摩擦感应电极单元分布于盘状结构的一个表面或筒状结构的一个侧面，所述第二摩擦结构与所述导电刷位于所述第一摩擦结构的本体同侧，均与所述摩擦感应电极单元相对设置。

在本公开的一实施例中，第一摩擦结构的本体上分布有多组周向间隔设置的摩擦电极单元和多组周向间隔设置的感应电极单元，感应电极单元与摩擦电极单元呈插齿状分布。

在本公开的一实施例中，多组周向间隔设置的摩擦电极单元等角度间隔分布，多组周向间隔设置的感应电极单元等角度间隔分布。

在本公开的一实施例中，第一摩擦结构的本体上分布有多组周向间隔设置的摩擦感应电极单元。

在本公开的一实施例中，多组周向间隔设置的摩擦感应电极单元等角度间隔分布。

在本公开的一实施例中，所述第二摩擦结构设置于所述第一摩擦结构的本体的径向方向。

在本公开的一实施例中，所述第二摩擦结构的一端包含介电摩擦层；或者，所述第二摩擦结构的两端分别包括处于不同摩擦电序列的第一介电摩擦层和第二介电摩擦层；

可选的，所述第二摩擦结构包括：摩擦块固定架和介电摩擦层，所述介电摩擦层设置于摩擦块固定架的一端；或者，包括：摩擦块固定架、第一介电摩擦层和第二介电摩擦层，所述第一介电摩擦层和所述第二介电摩擦层设置于摩擦块固定架的两端；

进一步可选的，在所述第一介电摩擦层与摩擦块固定架之间设置有缓冲层，在所述第二介电摩擦层与摩擦块固定架之间设置有缓冲层；

在本公开的一实施例中，所述导电刷包括导电杆以及位于该导电杆两端的柔性刷头。

在本公开的一实施例中，所述感应电极单元与导电刷接触的表面为第一导电层，所述摩擦电极单元与第二摩擦结构的两端接触的表面为第二导电层。

可选的，所述感应电极单元还包括：第一介电层，设置于第一摩擦结构与第一导电层之间；所述摩擦电极单元还包括：第二介电层，设置于第一摩擦结构与第二导电层之间。

在本公开的一实施例中，所述第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积大于每个摩擦电极单元的面积，也大于每个感应电极单元的面积；

可选的，所述第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积等于2～3个摩擦电极单元或感应电极单元的大小。

在本公开的一实施例中，所述直流输出电极对的设置位置与所述导电刷的设置位置之间存在夹角，该夹角大于零；

可选的，该夹角等于两个相邻的感应电极单元之间的间隔角度的整数倍。

在本公开的一实施例中，该可持续高压源还包括：驱动结构，所述驱动结构在外界作用下使第一摩擦结构和第二摩擦结构发生相对转动。

在本公开的一实施例中，对应于同一个第一摩擦结构，所述第二摩擦结构与导电刷为N个且数目相等，N≥1，当第二摩擦结构为多个时，多个第二摩擦结构之间具有夹角。

根据本公开的另一个方面，提供了一种本公开的可持续高压源在电泳、介电泳、油品过滤、水质净化以及空气净化领域的应用。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源及其应用，具有以下有益效果：

(1)基于第一摩擦结构与第二摩擦结构的相对转动使得第一摩擦结构上的摩擦电极单元与第二摩擦结构发生摩擦，在第二摩擦结构上产生摩擦电荷而带电，基于感应电极单元与第二摩擦结构之间的静电感应在感应电极单元上产生感应电荷分布，此时感应电极单元仍为带电中性，通过设置导电刷与当前时刻具有感应电荷分布的感应电极单元进行接触，使得导电刷接触的两个感应电极单元之间发生电荷传导从而产生电势差，此时对应两个感应电极单元分别带有相对为“正”和“负”的电荷，不再是电中性的状态，在转动过程中具有相对为“正”和“负”电性的两个感应电极单元能够保持这一状态，直至与直流输出电极对接触，从而将上述电势差加载于直流输出电极对，无需通过整流电路的转换直接输出直流电，并且随着转动的进行，直流脉冲持续输出，实现直流电的稳定、持续输出；

(2)在实施例中，基于第二摩擦结构一端进行摩擦的情况，对应导电刷只有一端与当前时刻具有感应电荷分布的感应电极单元接触，另一端为未经过电荷感应的感应电极单元，在导电刷两端接触的感应电极之间存在电荷转移而形成电势差；基于第二摩擦结构的两端进行摩擦的情况，对应导电刷的两端均与当前时刻具有感应电荷分布的感应电极单元接触并且这两个感应电极单元的感应电荷分布存在差异，例如在一实例中可以通过设置第二摩擦结构的两端表面用于摩擦的材料存在电负性差异实现；

(3)在实施例中，第一摩擦结构的本体可以是盘状结构，可以是筒状结构，可以是双面结构，即摩擦电极单元与感应电极单元分别设置于第一摩擦结构相对的两个面(圆盘表面或圆筒侧面)，也可以是单面结构，摩擦电极单元和感应电极单元由同一个电极单元充当，比如由摩擦感应电极单元充当，该摩擦感应电极单元兼具摩擦和感应的作用，从而单一电极简化结构设计的同时还具有高效的电路输出；

(4)在实施例中，可以通过同时增加第二摩擦结构和导电刷的个数，在相同的转速下提高输出效率；

(5)在实施例中，设置第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积等于2～3个摩擦电极单元或感应电极单元的大小，避免在转动过程中由于第二摩擦结构面积过大引起的静电吸附而导致的第一摩擦结构与第二摩擦结构无法持续地相对转动，进而影响电学的持续输出性能和可靠性，同时还保证了第二摩擦结构在与正面的摩擦电极单元的摩擦过程中可以覆盖到背面的感应电极单元，使感应电极单元同步发生静电感应而产生感应电荷分布，及时通过导电刷制造电势差，将相对转动的机械能持续、快速且高效地转化为直流电能。

附图说明

图1-图3为根据本公开第一实施例所示的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源的结构示意图。

图1为双面转盘式可持续高压源的左侧立体视图。

图2为如图1所示的可持续高压源的右侧立体视图。

图3为如图1所示的可持续高压源的右视图及细节放大视图。

图4-图5为根据本公开第二实施例所示的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源的结构示意图。

图4为圆筒式可持续高压源的侧视图。

图5为如图4所示的可持续高压源的立体视图。

图6-图7为根据本公开第三实施例所示的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源的结构示意图。

图6为单面转盘式可持续高压源的立体视图。

图7为如图6所示的可持续高压源的另一视角的立体视图。

【符号说明】

100-转盘中心固件； 110-本体；

101-摩擦电极单元； 102-感应电极单元；

101/102-摩擦感应电极单元；

200-摩擦块固定架； 210-缓冲层；

221-第一介电摩擦层； 222-第二介电摩擦层；

300-导电刷；

401-手动摇柄； 402-驱动轴；

403-驱动轮； 410-皮带；

420-转盘中心轴；

500-底座； 510-第一支撑架；

511-第二支撑架； 520-转动支架；

601-第一直流输出电极对； 602-第二直流输出电极对；

710-中心电极； 720-顶盖；

730-外圈电极； 740-烧杯；

750-绝缘层。

具体实施方式

本公开提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源及其应用，基于第一摩擦结构、第二摩擦结构、导电刷和直流输出电极对的设置，第一摩擦结构与第二摩擦结构的接触摩擦产生摩擦电荷，由于静电感应在感应电极单元上产生电荷分布，导电刷在具有电荷分布的呈电中性的两个感应电极单元之间进行电荷传导从而制造电势差，上述电势差由直流输出电极对进行输出，实现了摩擦-感应-直流输出的转化过程，无需通过整流电路的转换直接输出直流电，并且随着转动的进行，直流脉冲持续输出，实现直流电的稳定、持续输出。

图1-图3为根据本公开第一实施例所示的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源的结构示意图。图4-图5为根据本公开第二实施例所示的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源的结构示意图。图6-图7为根据本公开第三实施例所示的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源的结构示意图。

参照图1-图7所示，本公开的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源，包括：能够发生相对转动的两个摩擦结构，分别为第一摩擦结构和第二摩擦结构，其中第一摩擦结构的本体上分布有摩擦电极单元和感应电极单元，在相对转动的过程中，第二摩擦结构与摩擦电极单元发生摩擦而带电，处于第二摩擦结构对应位置上的感应电极单元基于静电感应产生感应电荷分布；导电刷，该导电刷的两端分别两个感应电极单元接触，使得被接触的两个感应电极单元之间发生电荷传导从而产生电势差，其中被接触的两个感应电极单元中至少一个为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元；以及直流输出电极对，与产生电势差的两个感应电极单元接触而输出直流电。

在本公开的一实施例中，所述第二摩擦结构的一端与摩擦电极单元发生摩擦带电，所述导电刷的两端接触的两个感应电极单元中只有一个感应电极单元为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元；或者，

所述第二摩擦结构的两端与摩擦电极单元发生摩擦，所述导电刷的两端接触的两个感应电极单元均为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元且这两个感应电极单元的感应电荷分布存在差异。

在实施例中，基于第二摩擦结构一端进行摩擦的情况，对应导电刷只有一端与当前时刻具有感应电荷分布的感应电极单元接触，另一端为未经过电荷感应的感应电极单元，在导电刷两端接触的感应电极之间存在电荷转移而形成电势差；基于第二摩擦结构的两端进行摩擦的情况，对应导电刷的两端均与当前时刻具有感应电荷分布的感应电极单元接触并且这两个感应电极单元的感应电荷分布存在差异，例如在一实例中可以通过设置第二摩擦结构的两端表面用于摩擦的材料存在电负性差异实现。

在相对转动过程中，前一时刻由于导电刷产生电势差的感应电极单元与所述导电刷分离，下一时刻产生感应电荷分布的感应电极单元与所述导电刷接触。

在本公开的一些实施例中，所述第一摩擦结构与第二摩擦结构发生相对转动且第二摩擦结构与导电刷相对静止，所述相对转动的形式包含如下情况之一：

所述第二摩擦结构固定，第一摩擦结构发生转动，导电刷固定；或者，

所述第二摩擦结构发生转动，第一摩擦结构固定，导电刷发生转动；或者，

所述第二摩擦结构发生第二转动，第一摩擦结构发生第一转动，导电刷发生第二转动，所述第一转动与第二转动的转速和/或转动方向不同。

比如，第一实施例中，以第二摩擦结构固定，第一摩擦结构发生转动，导电刷固定进行示例。

在本公开的一些实施例中，所述第一摩擦结构的本体可以是盘状结构，例如第一实施例所示；也可以是筒状结构，例如第二实施例所示；盘状结构可以是双面结构，例如第一实施例所示，即摩擦电极单元与感应电极单元分别设置于第一摩擦结构相对的两个面(圆盘表面或圆筒侧面)；也可以是单面结构，例如第三实施例所示，摩擦电极单元和感应电极单元由同一个电极单元充当，比如由摩擦感应电极单元充当，该摩擦感应电极单元兼具摩擦和感应的作用，从而该单一电极简化结构设计的同时还具有高效的电路输出。

需要说明的是，上述盘状结构与筒状结构的外围形状可以是圆形、椭圆形、三角形、矩形、四边以上的多边形、其他不规则图形或其组合等，只要能够绕着旋转轴发生转动的结构均在本公开的保护范围之内，不限制第一摩擦结构的外围形状。另外，盘状结构与筒状结构的区别在于：盘状结构的厚度方向(侧面)不设置摩擦电极单元和感应电极单元，在其两个相对的表面(或其中一个表面)设置摩擦电极单元和感应电极单元，筒状结构的内外侧面(或者其中一个侧面)设置摩擦电极单元和感应电极单元。

在本公开的一些实施例中，比如第一实施例和第二实施例中，第一摩擦结构的本体上分布有多组周向间隔设置的摩擦电极单元和多组周向间隔设置的感应电极单元，感应电极单元与摩擦电极单元呈插齿状分布。

在本公开的一些实施例中，比如第三实施例中，第一摩擦结构的本体上分布有多组周向间隔设置的摩擦感应电极单元。

在本公开的一实施例中，所述第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积大于每个摩擦电极单元的面积，也大于每个感应电极单元的面积。

在一实施例中，所述第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积等于2～3个摩擦电极单元或感应电极单元的大小。通过设置上述面积尺寸，避免在转动过程中由于第二摩擦结构面积过大引起的静电吸附而导致的第一摩擦结构与第二摩擦结构无法持续地相对转动，进而影响电学的持续输出性能和可靠性，同时还保证了第二摩擦结构在与正面的摩擦电极单元的摩擦过程中可以覆盖到背面的感应电极单元，使感应电极单元同步发生静电感应而产生感应电荷分布，及时通过导电刷制造电势差，将相对转动的机械能持续、快速且高效地转化为直流电能。

在本公开的一实施例中，所述直流输出电极对的设置位置(两个直流输出电极对端的连线)与所述导电刷的设置位置之间存在夹角，该夹角大于零；

可选的，该夹角等于两个相邻的感应电极单元之间的间隔角度的整数倍。

在本公开的一实施例中，对应于同一个第一摩擦结构，所述第二摩擦结构与导电刷为N个且数目相等，N≥1，当第二摩擦结构为多个时，多个第二摩擦结构之间具有夹角。通过同时增加第二摩擦结构和导电刷的个数，在相同的转速下提高输出效率。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。“A和/或B”的含义为：只满足A，或者只满足B，或者同时满足A和B。全文中“周向”的含义是指发生相对转动时，绕着中心轴发生圆周运动对应的圆周方向。“径向”的含义是指发生相对转动时，绕着中心轴发生圆周运动对应的直径方向。

第一实施例

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源。本实施例的可持续高压源为双面转盘式可持续高压源。

图1为双面转盘式可持续高压源的左侧立体视图。图2为如图1所示的可持续高压源的右侧立体视图。图3为如图1所示的可持续高压源的右视图及细节放大视图。

结合图1-图3所示，本实施例的基于摩擦纳米发电机的可持续高压源，包括：第一摩擦结构和第二摩擦结构，二者能够发生相对转动。

本实施例中，以第二摩擦结构固定，第一摩擦结构发生转动，导电刷固定进行示例。

当然，在其它相对转动的形式示例中，还可以是：所述第二摩擦结构发生转动，第一摩擦结构固定，导电刷发生转动；或者，所述第二摩擦结构发生第二转动，第一摩擦结构发生第一转动，导电刷发生第二转动，所述第一转动与第二转动的转速和/或转动方向不同。

本实施例中，参照图1和图2所示，第一摩擦结构包括：盘状结构的本体110，在第一摩擦结构的本体110相对的两个表面上分布有摩擦电极单元101和感应电极单元102，本实施例中，以在盘状结构的本体110的左右两个表面，如图1中的左表面分布有摩擦电极单元101和右表面分布有感应电极单元102进行示例，在其他视角中，“左右”的描述可能发生相对变化，比如，描述为“前后”表面，翻转该结构后，也可能描述为“上下”表面，具体方向取决于放置方向，本公开的保护范围如下：只要是垂直于盘状结构厚度方向相对的两个表面即可。

本实施例中，图1中还示意了环绕转盘中心轴420上的转盘中心固件100，转盘中心轴420固定不动，第一摩擦结构的本体110通过转盘中心固定件100与转盘中心轴420连接。

本实施例中，参照图1所示，第二摩擦结构包括：摩擦块固定架200；第一介电摩擦层221和第二介电摩擦层222，分别设置于摩擦块固定架200的两端。优选的，第二摩擦结构还包括缓冲层210，缓冲层210分别设置于第一介电摩擦层221与摩擦块固定架200之间以及第二介电摩擦层222与摩擦块固定架200之间，有助于在第一摩擦结构与第二摩擦结构相对转动过程中缓冲相互摩擦的作用力，减少对摩层的损耗，延长使用寿命。

当然，本实施例仅作为示例，第一摩擦结构的本体的结构和形状以及摩擦电极单元和感应电极单元的分布均可以变化，例如后面要介绍的第二实施例中本体为筒状结构，第三实施例中摩擦电极单元和感应电极单元为同一种电极单元。在其它实施例中，摩擦块固定架的形式可以变化，固定架也可以没有，只要能够满足第二摩擦结构间隔开的两个部分(这里以两端进行描述)能够在相对转动过程中与摩擦电极单元发生摩擦且带电量不同的结构均在保护范围之内。

本实施例中，摩擦电极单元和感应电极单元为多个，分布形式例如参照图1和图2所示，第一摩擦结构的本体110上分布有多组周向间隔设置的摩擦电极单元101和多组周向间隔设置的感应电极单元102，即，每组摩擦电极单元包含两个摩擦电极单元，这两个摩擦电极单元的连线沿着径向方向，这主要是与第二摩擦结构的形式进行对应的，第二摩擦结构沿着径向分布，对应至少有一组摩擦电极单元101沿着径向分布，与所述第二摩擦结构实现摩擦并且能够产生带电差异，比如带电类型不同或者带电量存在差异，从而使得对应的一组感应电极单元产生感应电荷差异。图1中以径向上的两片扇形的摩擦电极单元作为一组摩擦电极单元的示例，各组摩擦电极单元间隔设置，绕着转盘中心轴420每相邻的两组摩擦电极单元之间(每组摩擦电极单元的连线之间)具有夹角。每组感应电极单元包含两个感应电极单元，这两个感应电极单元的连线沿着径向方向，这主要是与第二摩擦结构的形式进行对应的。感应电极单元101与摩擦电极单元102呈插齿状分布。即，左侧表面两个相邻的摩擦电极单元101的间隔处对应右侧表面感应电极单元102的位置，右侧表面两个相邻的感应电极单元102的间隔处对应左侧表面摩擦电极单元101的位置，感应电极单元的面积可以正好与摩擦电极单元的间隔尺寸相同，也可以小于该间隔尺寸，同理，摩擦电极单元的面积也是如此，也就是说，感应电极单元101与摩擦电极单元102呈插齿状分布，插齿之间可以有间隙；也可以是插齿互相吻合，没有间隙。

在一实例中，例如多组周向间隔设置的摩擦电极单元等角度间隔分布，多组周向间隔设置的感应电极单元等角度间隔分布。当然，在其它实例中，也可以不是等角度间隔分布，可以设置不同的间隔。

第二摩擦结构设置于所述第一摩擦结构的本体110的径向方向；每组周向间隔设置的摩擦电极单元101在相对转动的过程中能够与第二摩擦结构的两端的第一介电摩擦层221和第二介电摩擦层222进行接触摩擦，每组周向间隔设置的感应电极单元102处于第二摩擦结构阴影覆盖到的范围时，即：处于第二摩擦结构的两端对应位置上的两个感应电极单元102，基于感应电极单元102与第二摩擦结构之间的静电感应产生感应电荷分布，此时感应电极单元102仍为带电中性。通过设置导电刷与当前具有感应电荷分布的两个感应电极单元102进行接触，使得两个感应电极单元之间发生电荷传导从而产生电势差，此时对应两个感应电极单元分别带有相对为“正”和“负”的电荷，不再是电中性的状态，在转动过程中具有相对为“正”和“负”电性的两个感应电极单元能够保持这一状态，直至与直流输出电极对(包括第一直流输出电极对601和第二直流输出电极对602)接触，从而将上述电势差加载于直流输出电极对，无需通过整流电路的转换直接输出直流电，并且随着转动的进行，直流脉冲持续输出，实现直流电的稳定、持续输出。

导电刷300与第二摩擦结构的位置对应，该导电刷的两端(即柔性刷头)分别与当前时刻产生感应电荷分布的两个感应电极单元接触，使得与第二摩擦结构的两端位置对应的两个感应电极单元之间发生电荷传导从而产生电势差，在相对转动过程中，前一时刻由于导电刷产生电势差的感应电极单元与所述导电刷分离，下一时刻产生感应电荷分布的感应电极单元与所述导电刷接触。本实施例中，如图2所示，导电刷300包括导电杆以及位于该导电杆两端的柔性刷头。导电杆沿着径向分布。

参照图2所示，所述直流输出电极对的设置位置(第一直流输出电极对601和第二直流输出电极对602之间的连线)与所述导电刷的设置位置(两个柔性刷头之间的连线)之间存在夹角，该夹角大于零。

可选的，该夹角等于两个相邻的感应电极单元之间的间隔角度的整数倍。

参照图1所示，所述第二摩擦结构与第一摩擦结构中分布有摩擦电极单元101的本体110表面相对设置；参照图2所示，所述导电刷300与第一摩擦结构中分布有感应电极单元102的本体110表面相对设置。

本实施例中，所述感应电极单元102与导电刷300接触的表面为第一导电层，所述摩擦电极单元101与第二摩擦结构的两端接触的表面为第二导电层。

感应电极单元102和摩擦电极单元101可以是单层结构，均为导电层，也可以是多层结构，比如介电层+导电层的结构，也可以是其他变化形式，只要满足表层为导电层即可。

比如，在一实例中，所述感应电极单元102还包括：第一介电层，设置于第一摩擦结构与第一导电层之间；所述摩擦电极单元101还包括：第二介电层，设置于第一摩擦结构与第二导电层之间。

本实施例中，参照图1-图3所示，实现第一摩擦结构转动的方式是通过设置驱动结构，所述驱动结构在外界作用下使第一摩擦结构和第二摩擦结构发生相对转动，这里以一手摇驱动结构作为示例，该手摇驱动结构包括：手动摇柄401，驱动轴402，驱动轮403以及皮带410，其中，驱动轮403通过皮带410与转盘中心固定件100连接，手动摇柄401通过驱动轴402与驱动轮403连接。通过摇动手动摇柄401转动，利用驱动轴402带动驱动轮403转动，从而通过皮带410带动转盘中心固定件100连接的第一摩擦结构的本体110，转盘中心轴420不动，实现第一摩擦结构相对于第二摩擦结构的相对转动。

当然，在其它实施方式中，可以变化上述驱动结构的形式，也可以通过其它形式的驱动或外力实现第一摩擦结构与第二摩擦结构的相对转动。

本实施例中还示例了将第一摩擦结构支撑起来以保证转动过程能够实现的支撑架结构，在其它实施例中，只要能够实现转动的形式，可以不设置支撑结构或者变化支撑结构的形式，比如设置悬挂结构。参照图2所示，在一实例中，该支撑架结构包括：转动支架520，与转盘中心轴420固定连接。

直流输出电极对，用于与产生电势差的两个感应电极单元接触输出直流电。本实施例中，分别以第一直流输出电极对601和第二直流输出电极对602示意，在一实例中，如图2所示，第一支撑架510，用于支撑第一直流输出电极对601；第二支撑架511，用于支撑第二直流输出电极对602。

在一实例中，将第一支撑架510、第二支撑架511和转动支架520均固定于底座500上。

综上所述，本实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源，基于第一摩擦结构、第二摩擦结构、导电刷和直流输出电极对的设置，第一摩擦结构与第二摩擦结构的接触摩擦产生摩擦电荷，由于静电感应在感应电极单元上产生电荷分布，导电刷在具有电荷分布的呈电中性的两个感应电极单元之间进行电荷传导从而制造电势差，上述电势差由直流输出电极对进行输出，实现了摩擦-感应-直流输出的转化过程，无需通过整流电路的转换直接输出直流电，并且随着转动的进行，直流脉冲持续输出，实现直流电的稳定、持续输出。

第二实施例

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源。本实施例的可持续高压源为圆筒式高压源，与第一实施例相比，区别之处在于，第一摩擦结构的本体的结构为圆筒状以及对应摩擦电极单元和感应电极单元的分布形式发生了对应变化。

图4为圆筒式可持续高压源的侧视图。图5为如图4所示的可持续高压源的立体视图。

参照图4和图5所示，本实施例中，所述第一摩擦结构的本体110为筒状结构，所述摩擦电极单元101分布于该筒状结构的内侧面/外侧面(图4中以外侧面进行示意)，对应感应电极单元102分布于该筒状结构的外侧面/内侧面(图4中以内侧面进行示意)；所述第二摩擦结构与第一摩擦结构中分布有摩擦电极单元的本体侧面相对设置；所述导电刷300与第一摩擦结构中分布有感应电极单元的本体侧面相对设置。

本实施例中，第一摩擦结构的本体110为筒状结构，示例性的，该筒状结构包含外围的圆筒以及与该圆筒固定的中心“十”字支撑架，该筒状结构能够绕着中心支撑架的轴发生转动。

本实施例中，第一摩擦结构的本体上分布有多组周向间隔设置的摩擦电极单元和多组周向间隔设置的感应电极单元，感应电极单元与摩擦电极单元呈插齿状分布。这里对应的本体110为筒状结构，相应的，感应电极单元102与摩擦电极单元101在该筒状结构的内外侧面呈插齿状分布。

与第一实施例相比，本实施例的第二摩擦结构的形式对应进行了变动，第二摩擦结构无需设置摩擦块固定架200，图4中以第一介电摩擦层221和第二介电摩擦层222示例第二摩擦结构，第一介电摩擦层221和第二介电摩擦层222位于筒状结构的本体110的外侧面，第一介电摩擦层221和第二介电摩擦层222的连线沿着径向分布。

与第一实施例相同，所述直流输出电极对的设置位置(第一直流输出电极对601和第二直流输出电极对602之间的连线)与所述导电刷300的设置位置(两个柔性刷头之间的连线)之间存在夹角，该夹角大于零。

可选的，该夹角等于两个相邻的感应电极单元之间的间隔角度的整数倍。

本实施例的直流发电原理与第一实施例的相同，这里不再赘述。

第三实施例

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源。与第一实施例相比，本实施例中的电极分布形式发生了变化，本实施例中，所述摩擦电极单元和感应电极单元由同一个电极单元充当。

本实施例中，摩擦电极单元和感应电极单元由摩擦感应电极单元101/102充当，该摩擦感应电极单元兼具摩擦和感应的作用，所述摩擦感应电极单元101/102分布于盘状结构的一个表面，所述第二摩擦结构与所述导电刷300位于所述第一摩擦结构的本体110同侧，均与所述摩擦感应电极单元101/102相对设置。

当然，对应第二实施例中的本体结构，本实施例的变化形式也是适用的，所述摩擦电极单元和感应电极单元由摩擦感应电极单元充当，所述摩擦感应电极单元分布于筒状结构的一个侧面，所述第二摩擦结构与所述导电刷位于所述第一摩擦结构的本体同侧，均与所述摩擦感应电极单元相对设置。

第四实施例

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源。本实施例的可持续高压源对第一实施例的结构进一步作了优化。

本公开中，所述第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积大于每个摩擦电极单元的面积，也大于每个感应电极单元的面积。

本实施例中，所述第二摩擦结构的两端(第一介电摩擦层221和第二介电摩擦层222)中任一个投影至第一摩擦结构的面积等于2～3个摩擦电极单元或感应电极单元的大小。通过设置第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积等于2～3个摩擦电极单元或感应电极单元的大小，避免在转动过程中由于第二摩擦结构面积过大引起的静电吸附而导致的第一摩擦结构与第二摩擦结构无法持续地相对转动，进而影响电学的持续输出性能和可靠性，同时还保证了第二摩擦结构在与正面的摩擦电极单元的摩擦过程中可以覆盖到背面的感应电极单元，使感应电极单元同步发生静电感应而产生感应电荷分布，及时通过导电刷制造电势差，将相对转动的机械能持续、快速且高效地转化为直流电能。

第五实施例

在本公开的第五个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源。

经过实验可知，在第二摩擦结构个数不变的情形下，单独增加导电刷或直流输出电极对的个数，对应直流输出性能几乎没有改善。

对应于同一个第一摩擦结构，所述第二摩擦结构与导电刷为N个且数目相等，N≥1，当第二摩擦结构为多(大于等于2)个时，多个第二摩擦结构之间具有夹角。本实施例中，通过同时增加第二摩擦结构与导电刷的个数，在相同的转速下，有助于提高输出效率。

第六实施例

在本公开的第六个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源。

本实施例中，与第一个实施例相比，第二摩擦结构发生了变化。本实施例中，第二摩擦结构不再是两端均与摩擦电极单元发生摩擦，而是只有一端与摩擦电极单元发生摩擦，与之对应，基于静电感应发生感应电荷分布的感应电极单元并不是第一实施例中的两个感应电极单元，而是对应第二摩擦结构一端相应位置上的一个感应电极单元，此时对应导电刷只有一端接触的是当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元，另一端为没有经过静电感应的感应电极单元。即，所述导电刷的两端接触的两个感应电极单元中只有一个感应电极单元为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元。

因此，在本公开的实施例中，比如第一实施例和第六实施例，基于第二摩擦结构一端进行摩擦的情况，对应导电刷只有一端与当前时刻具有感应电荷分布的感应电极单元接触，另一端为未经过电荷感应的感应电极单元，在导电刷两端接触的感应电极之间存在电荷转移而形成电势差；基于第二摩擦结构的两端进行摩擦的情况，对应导电刷的两端均与当前时刻具有感应电荷分布的感应电极单元接触并且这两个感应电极单元的感应电荷分布存在差异，例如在一实例中可以通过设置第二摩擦结构的两端表面用于摩擦的材料存在电负性差异实现。

第七实施例

在本公开的第七个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源的应用。

本公开的可持续高压源在电泳、介电泳、油品过滤、水质净化以及空气净化领域都具有良好的应用前景。下面参照图1-图3介绍可持续高压源在油品过滤中的应用。

参照图1-图3所示，油品过滤结构包括：烧杯740，该烧杯740内放置有待过滤的油品，该油品中含有悬浮颗粒物；顶盖720，覆盖于烧杯740开口上；外圈电极730，环绕烧杯740外壁设置；中心电极710，穿过顶盖720插入烧杯740中的油品中，该中心电极710的外围包覆有绝缘层750。本实施例中，可持续高压源的直流输出电极对中的第一直流输出电极601与中心电极710电性连接，第二直流输出电极602与外圈电极730电性连接。

在转动手动摇柄401后，带动第一摩擦结构转动，经过摩擦-感应-直流输出的转化过程，在第一直流输出电极601和第二直流输出电极602之间输出高压直流脉冲，即在中心电极710和外圈电极730之间产生电势差，形成不均匀电场，使得悬浮颗粒物向着中心电极710聚拢，从而达到油品过滤的效果。

当然，由于本公开的可持续高压源能够持续、快速且高效地将机械能、风能、海洋能或者其他形式的能量转化为直流电能，无需经过整流电路的设计，可以将其直流输出电极对连接于负载上，可直接用于电泳，介电泳，油品过滤，水质净化，比如水中重金属吸附，以及空气净化等领域，具有广泛的应用价值。

综上所述，本公开提供了一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源及其应用，基于第一摩擦结构与第二摩擦结构的相对转动使得第一摩擦结构上的摩擦电极单元与第二摩擦结构发生摩擦，在第二摩擦结构的两端产生摩擦电荷且带电量不同，基于感应电极单元与第二摩擦结构之间的静电感应在感应电极单元上产生感应电荷分布，此时感应电极单元仍为带电中性，通过设置导电刷与当前具有感应电荷分布的两个感应电极单元进行接触，使得两个感应电极单元之间发生电荷传导从而产生电势差，此时对应两个感应电极单元分别带有相对为“正”和“负”的电荷，不再是电中性的状态，在转动过程中具有相对为“正”和“负”电性的两个感应电极单元能够保持这一状态，直至与直流输出电极对接触，从而将上述电势差加载于直流输出电极对，无需通过整流电路的转换直接输出直流电，并且随着转动的进行，直流脉冲持续输出，实现直流电的稳定、持续输出。

需要说明的是，实施例中以第二摩擦结构沿着径向分布进行示例，可以是一端进行摩擦也可以是两端同时进行摩擦，导电刷与第二摩擦结构的位置对应且也沿着径向分布，在其他实施例中，不一定限制第二摩擦结构位于径向方向，只要在相对转动过程中，能使得第二摩擦结构发生摩擦，两个感应电极单元(不一定连线处于径向方向，可以有偏移或者与径向有夹角)之间存在感应电荷分布差异，且导电刷对应在两个感应电极单元之间传导电荷制造电势差即可。

除非另作定义，本公开实施例以及附图中，同一标号代表同一含义。为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大；并且，本公开一些实施例的附图中，只示出了与本公开构思相关的结构，其他结构可参考通常设计。另外，一些附图只是示意出本公开实施例的基本结构，而省略了细节部分。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语表示开放的意义，除了明确列举的元件、部件、部分或项目外，并不排除其他元件、部件、部分或者项目。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。可以理解，当诸如层、膜、区域或衬底基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

需要说明的是，本公开的保护范围不限制各个部件的个数，只要与本公开的技术构思相同的结构均在本公开的保护范围之内。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种基于摩擦纳米发电机的可持续高压源，其特征在于，包括：

能够发生相对转动的两个摩擦结构，分别为第一摩擦结构和第二摩擦结构，其中第一摩擦结构的本体上分布有摩擦电极单元和感应电极单元，在相对转动的过程中，第二摩擦结构与摩擦电极单元发生摩擦而带电，处于第二摩擦结构对应位置上的感应电极单元基于静电感应产生感应电荷分布；

导电刷，该导电刷的两端分别与两个感应电极单元接触，使得被接触的两个感应电极单元之间发生电荷传导从而产生电势差，其中被接触的两个感应电极单元中至少一个为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元；以及

直流输出电极对，与产生电势差的两个感应电极单元接触以输出直流电；

其中，所述第一摩擦结构与第二摩擦结构发生相对转动且第二摩擦结构与导电刷相对静止；所述直流输出电极对的设置位置与所述导电刷的设置位置之间存在夹角，该夹角大于零；

所述第二摩擦结构的一端与摩擦电极单元发生摩擦带电，所述导电刷的两端接触的两个感应电极单元中只有一个感应电极单元为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元；或者，

所述第二摩擦结构的两端与摩擦电极单元发生摩擦，所述导电刷的两端接触的两个感应电极单元均为当前时刻产生感应电荷分布的感应电极单元且这两个感应电极单元的感应电荷分布存在差异。

2.根据权利要求1所述的可持续高压源，其特征在于，所述相对转动的形式包含如下情况之一：

所述第二摩擦结构固定，第一摩擦结构发生转动，导电刷固定；或者，

所述第二摩擦结构发生转动，第一摩擦结构固定，导电刷发生转动；或者，

所述第二摩擦结构发生第二转动，第一摩擦结构发生第一转动，导电刷发生第二转动，所述第一转动与第二转动的转速和/或转动方向不同。

3.根据权利要求1或2所述的可持续高压源，其特征在于，

所述第一摩擦结构的本体为盘状结构，所述摩擦电极单元和感应电极单元分别分布于该盘状结构两个相对的表面；

所述第二摩擦结构与第一摩擦结构中分布有摩擦电极单元的本体表面相对设置；

所述导电刷与第一摩擦结构中分布有感应电极单元的本体表面相对设置。

4.根据权利要求1或2所述的可持续高压源，其特征在于，

所述第一摩擦结构的本体为筒状结构，所述摩擦电极单元分布于该筒状结构的内侧面，对应感应电极单元分布于该筒状结构的外侧面，或者，所述摩擦电极单元分布于该筒状结构的外侧面，对应感应电极单元分布于该筒状结构的内侧面；

所述第二摩擦结构与第一摩擦结构中分布有摩擦电极单元的本体侧面相对设置；

所述导电刷与第一摩擦结构中分布有感应电极单元的本体侧面相对设置。

5.根据权利要求1或2所述的可持续高压源，其特征在于，

所述第一摩擦结构的本体为盘状或筒状结构，所述摩擦电极单元和感应电极单元由摩擦感应电极单元充当，该摩擦感应电极单元兼具摩擦和感应的作用，所述摩擦感应电极单元分布于盘状结构的一个表面或筒状结构的一个侧面，所述第二摩擦结构与所述导电刷位于所述第一摩擦结构的本体同侧，均与所述摩擦感应电极单元相对设置。

6.根据权利要求3所述的可持续高压源，其特征在于，第一摩擦结构的本体上分布有多组周向间隔设置的摩擦电极单元和多组周向间隔设置的感应电极单元，感应电极单元与摩擦电极单元呈插齿状分布。

7.根据权利要求4所述的可持续高压源，其特征在于，第一摩擦结构的本体上分布有多组周向间隔设置的摩擦电极单元和多组周向间隔设置的感应电极单元，感应电极单元与摩擦电极单元呈插齿状分布。

8.根据权利要求6或7所述的可持续高压源，其特征在于，多组周向间隔设置的摩擦电极单元等角度间隔分布，多组周向间隔设置的感应电极单元等角度间隔分布。

9.根据权利要求5所述的可持续高压源，其特征在于，第一摩擦结构的本体上分布有多组周向间隔设置的摩擦感应电极单元。

10.根据权利要求9所述的可持续高压源，其特征在于，多组周向间隔设置的摩擦感应电极单元等角度间隔分布。

11.根据权利要求1所述的可持续高压源，其特征在于，

所述第二摩擦结构的一端包含介电摩擦层；或者，所述第二摩擦结构的两端分别包括处于不同摩擦电序列的第一介电摩擦层和第二介电摩擦层。

12.根据权利要求11所述的可持续高压源，其特征在于，所述第二摩擦结构设置于所述第一摩擦结构的本体的径向方向。

13.根据权利要求11所述的可持续高压源，其特征在于，所述第二摩擦结构包括：摩擦块固定架和介电摩擦层，所述介电摩擦层设置于摩擦块固定架的一端；或者，包括：摩擦块固定架、第一介电摩擦层和第二介电摩擦层，所述第一介电摩擦层和所述第二介电摩擦层设置于摩擦块固定架的两端。

14.根据权利要求13所述的可持续高压源，其特征在于，在所述第一介电摩擦层与摩擦块固定架之间设置有缓冲层，在所述第二介电摩擦层与摩擦块固定架之间设置有缓冲层。

15.根据权利要求1所述的可持续高压源，其特征在于，所述导电刷包括导电杆以及位于该导电杆两端的柔性刷头。

16.根据权利要求1所述的可持续高压源，其特征在于，所述感应电极单元与导电刷接触的表面为第一导电层，所述摩擦电极单元与第二摩擦结构的两端接触的表面为第二导电层。

17.根据权利要求16所述的可持续高压源，其特征在于，所述感应电极单元还包括：第一介电层，设置于第一摩擦结构与第一导电层之间；所述摩擦电极单元还包括：第二介电层，设置于第一摩擦结构与第二导电层之间。

18.根据权利要求1所述的可持续高压源，其特征在于，所述第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积大于每个摩擦电极单元的面积，也大于每个感应电极单元的面积。

19.根据权利要求18所述的可持续高压源，其特征在于，所述第二摩擦结构的两端中任一个投影至第一摩擦结构的面积等于2~3个摩擦电极单元或感应电极单元的大小。

20.根据权利要求1所述的可持续高压源，其特征在于，所述夹角等于两个相邻的感应电极单元之间的间隔角度的整数倍。

21.根据权利要求1所述的可持续高压源，其特征在于，还包括：驱动结构，所述驱动结构在外界作用下使第一摩擦结构和第二摩擦结构发生相对转动。

22.根据权利要求1所述的可持续高压源，其特征在于，对应于同一个第一摩擦结构，所述第二摩擦结构与导电刷为N个且数目相等，N≥1，当第二摩擦结构为多个时，多个第二摩擦结构之间具有夹角。

23.一种如权利要求1-22中任一项所述的可持续高压源在电泳、介电泳、油品过滤、水质净化以及空气净化领域的应用。

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