CN111786592B - 转动式摩擦纳米发电装置及能量转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转动式摩擦纳米发电装置及能量转换系统。该转动式摩擦纳米发电装置包括转动轴组件、电容组件及转动摩擦发电部，转动轴组件能够在外力驱动下绕自身轴向转动；电容组件包括空气可变电容件及与空气可变电容件电性连接的固定电容件，在转动轴组件的带动下空气可变电容件的电容量能够发生变化，空气可变电容件用于为负载供电；转动摩擦发电部包括相向设置的第一摩擦转盘及第二摩擦转盘，在转动轴组件的带动下第一摩擦转盘与第二摩擦转盘能够相对转动而摩擦发电，转动摩擦发电部与电容组件电性连接，转动摩擦发电部用于为电容组件补充电荷损失。本发明的转动式摩擦纳米发电装置，耐久性高，能够长时间、高频运转。

Description

转动式摩擦纳米发电装置及能量转换系统

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，尤其涉及一种转动式摩擦纳米发电装置及能量转换系统。

背景技术

不同材料接触后带电的现象被称为摩擦起电，生活中的摩擦起电现象常导致电子器件的损坏及对公共安全造成威胁。近年来，摩擦起电现象作为一种收集机械能的有效途径促成了摩擦纳米发电机的发明。基于摩擦起电和静电感应现象，摩擦纳米发电机提供了一种简单、可靠、廉价且有效的机械能收集方式。现已发展出两种操作摩擦纳米发电机的方式：接触-分离式与滑动式。

接触-分离式依靠两种不同摩擦电极性的材料间重复的接触分离。滑动式依靠不同摩擦电极性的两接触表面的相对位移。相对于接触-分离模式，滑动模式具有更高的摩擦效率，并且基于转盘结构的滑动式摩擦纳米发电机还具有容易封装的优势。

转盘式摩擦纳米发电机的转动速率的增大可驱使电子在两电极间的转移速度加快，因此高频转动时较易产生更大的电流。但由于其工作机制主要依靠平面摩擦，此类器件面临的重要挑战为介质层材料磨损及连续运动产热，这些问题使得器件在长时间、高速度工作时耐久性差，影响器件的能量转换效率，甚至会导致器件失效。因此，提升转盘式摩擦纳米发电机的稳定性是拓展其应用领域的关键。

目前的延长转盘式摩擦纳米发电机使用寿命的有效方式是采用更耐磨的介质层，此方式在一定程度上可以延长摩擦纳米发电机的使用寿命，但由于介质层的厚度和介电性能会影响发电机的电荷密度，而电荷密度为衡量摩擦纳米发电机输出性能的关键指标，实质是以牺牲一部分输出为代价延长其使用寿命。还有将滑动摩擦改为滚动摩擦的方式，此方式以滚动代替平动，在一定程度上减小了摩擦，但此结构的体积较大，所需轴向空间较大，在空间不充裕的应用场合有所限制，且对摩擦纳米发电机的输出性能，尤其是能量密度没有提高。

发明内容

本发明实施例提供一种转动式摩擦纳米发电装置及能量转换系统，以解决转盘式摩擦纳米发电机耐久性差的问题。

一方面，本发明实施例提出了一种转动式摩擦纳米发电装置，包括转动轴组件、电容组件以及转动摩擦发电部，所述转动轴组件能够在外力驱动下绕自身轴向转动；所述电容组件包括空气可变电容件，及与所述空气可变电容件电性连接的固定电容件，所述空气可变电容件的动力输入轴与所述转动轴组件连接，在所述转动轴组件的带动下，所述空气可变电容件的电容量能够发生变化，所述空气可变电容件用于为负载供电；所述转动摩擦发电部包括相向设置的第一摩擦转盘及第二摩擦转盘，所述第一摩擦转盘与所述转动轴组件连接，在所述转动轴组件的带动下，所述第一摩擦转盘与所述第二摩擦转盘能够相对转动而摩擦发电，所述转动摩擦发电部与所述电容组件电性连接，所述转动摩擦发电部用于为所述电容组件补充电荷损失。

根据本发明实施例的一个方面，所述空气可变电容件的动力输入轴通过增速齿轮组与所述转动轴组件连接。

根据本发明实施例的一个方面，所述第一摩擦转盘通过减速齿轮组与所述转动轴组件连接。

根据本发明实施例的一个方面，所述转动摩擦发电部与所述固定电容件电性连接。

根据本发明实施例的一个方面，所述转动摩擦发电部通过整流器件与所述固定电容件电性连接。

根据本发明实施例的一个方面，所述空气可变电容件电性连接有整流器件，所述空气可变电容件经过所述整流器件整流后用于为负载供电。

根据本发明实施例的一个方面，还包括机体，所述转动轴组件转动连接在机体上，所述转动轴组件的第一端位于所述机体外，所述转动轴组件的第二端延伸至所述机体内，所述第二摩擦转盘固定连接在所述机体内，所述空气可变电容件的外壳固定连接在所述机体内。

根据本发明实施例的一个方面，所述转动轴组件上设置有能量收集部，所述能量收集部在受到外力时能够驱动所述转动轴组件转动，所述能量收集部包括连接杆及收集叶片，所述收集叶片通过所述连接杆与所述转动轴组件连接。

根据本发明实施例的一个方面，所述第一摩擦转盘包括层叠设置的摩擦介质层和电极层，所述第二摩擦转盘包括摩擦电极，所述摩擦电极与所述摩擦介质层相向设置，当所述第一摩擦转盘与所述第二摩擦转盘相对转动时，所述摩擦介质层与所述摩擦电极摩擦发电；所述摩擦介质层的材料与所述摩擦电极的材料的带电极性相反，或者，所述摩擦介质层的材料与所述摩擦电极的材料的带电极性相同且存在强弱差别。

另一方面，本发明实施例提出了一种能量转换系统，包括如前述的转动式摩擦纳米发电装置。

本发明实施例提供的转动式摩擦纳米发电装置，外力驱动转动轴组件转动，在转动轴组件的带动下，转动摩擦发电部的第一摩擦转盘与第二摩擦转盘相对转动而摩擦发电，同时，空气可变电容件的电容量在零到最大值之间变化，通过空气可变电容件与固定电容件之间的容量变化而驱动电荷在该两个电容件之间来回传输，从而能够对外输出电能，该两个电容件由于漏电流引起的电荷损失由转动摩擦发电部提供补充，装置整体能够收集外界的机械能，并转换为高频电能对外输出，由于能量转换过程是通过空气可变电容件与固定电容件配合实现，且空气可变电容件几乎没有磨损的，转动摩擦发电部仅为上述两个电容件补充电荷损失，所以传递到转动摩擦发电部的转速可适当降低，转动摩擦发电部的转动磨损可被减缓，在收集高频机械能，即转动轴组件高频转动时，装置整体的使用寿命也能有所保障，装置整体的耐久性更强，能够长时间、高频运转，且能量转换效率不受影响，解决了转盘式摩擦纳米发电机耐久性差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的转动式摩擦纳米发电装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的转动式摩擦纳米发电装置的能量转换流程图。

图3为本发明另一实施例的转动式摩擦纳米发电装置的结构示意图。

图4为本发明实施例的转动式摩擦纳米发电装置的电容组件的工作原理图。

附图中：

1-转动轴组件，2-空气可变电容件，3-固定电容件，4-负载，5-第一摩擦转盘，6-第二摩擦转盘，7-增速齿轮组，8-减速齿轮组，9-整流器件，10-机体，11-连接杆，12-收集叶片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”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。

请参阅图1及图2，本发明实施例的转动式摩擦纳米发电装置，包括转动轴组件1、电容组件以及转动摩擦发电部，转动轴组件1能够在外力驱动下绕自身轴向转动；电容组件包括空气可变电容件2，及与空气可变电容件2电性连接的固定电容件3，空气可变电容件2的动力输入轴与转动轴组件1连接，在转动轴组件1的带动下，空气可变电容件2的电容量能够发生变化，空气可变电容件2用于为负载4供电；转动摩擦发电部包括相向设置的第一摩擦转盘5及第二摩擦转盘6，第一摩擦转盘5与转动轴组件1连接，在转动轴组件1的带动下，第一摩擦转盘5与第二摩擦转盘6能够相对转动而摩擦发电，转动摩擦发电部与电容组件电性连接，转动摩擦发电部用于为电容组件补充电荷损失。在本实施例中，外力驱动转动轴组件1转动，在转动轴组件1的带动下，转动摩擦发电部的第一摩擦转盘5与第二摩擦转盘6相对转动而摩擦发电，同时，空气可变电容件2的电容量在零到最大值之间变化，通过空气可变电容件2与固定电容件3之间的容量变化而驱动电荷在该两个电容件之间来回传输，从而能够对外输出电能，该两个电容件由于漏电流引起的电荷损失由转动摩擦发电部提供补充，装置整体能够收集外界的机械能，并转换为高频电能对外输出，可实现收集环境中的低频机械量并转换为高频电能输出，由于能量转换过程是通过空气可变电容件2与固定电容件3配合实现，且空气可变电容件2几乎没有磨损的，转动摩擦发电部仅为上述两个电容件补充电荷损失，所以传递到转动摩擦发电部的转速可适当降低，转动摩擦发电部的转动磨损可被减缓，在收集高频机械能，即转动轴组件1高频转动时，装置整体的使用寿命也能有所保障，装置整体的耐久性更强，能够长时间、高频运转，且能量转换效率不受影响，装置整体稳定性更高，可直接用于转动能量的收集，且结构简单，成本较低。

本实施例的转动式摩擦纳米发电装置，将转动摩擦发电部与空气可变电容件2及固定电容件3结合，将电荷快速转移的条件由摩擦纳米发电部的高频转动转移到工作时几乎没有磨损的空气可变电容件2与固定电容组成的电容组件中。由转动摩擦发电部在初始阶段为电容组件提供初始电荷，在后续能量转换阶段仅需保持较低频率的转动以起到补充耗散电荷的作用即可，因此可以显著延长转动摩擦发电部的使用寿命，装置整体的使用寿命也得到有效延长。并且，相较于传统的转盘式摩擦纳米发电机，本装置在低频下输出的电流更高，为摩擦纳米发电机驱动高功率用电器提供了可能，拓宽了摩擦纳米发电机的应用领域。

本实施例的转动式摩擦纳米发电装置，在不牺牲转动摩擦发电部的电荷密度的前提下，克服了转动摩擦发电部在长时间和高频率运动下易磨损、易失效的缺点，有效地延长了转动摩擦发电部的使用寿命，增加了其使用稳定性。

需要说明的是，电容量可在一定范围内调节的电容器称为可变电容器，可变电容器的容量改变是通过改变极片间相对的有效面积或片间距离实现。可变电容器通常由相互绝缘的两组极片组成，固定不动的一组极片称为定片，可动的一组极片称为动片。几只可变电容器的动片可合装在同一转轴上，组成同轴可变的电容器，俗称双联、三联等。可变电容器按其使用介质材料的不同可分为空气介质可变电容器和固体介质可变电容器，其中空气介质可变电容器的动片与定片之间以空气作为介质，本实施例的空气可变电容件2即可采用空气介质可变电容器。

作为一个可选实施例，空气可变电容件2的动力输入轴通过增速齿轮组7与转动轴组件1连接。

本实施例的增速齿轮组7能够提高空气可变电容件2的输入转速，使得转动轴组件1能够通过空气可变电容件2的动力输入轴带动空气可变电容件2的动片高速转动，可在收集低频机械能时采用，来增大装置整体的能量收集效率。

结合图3，作为一个可选实施例，第一摩擦转盘5通过减速齿轮组8与转动轴组件1连接。

本实施例的减速齿轮组8能够降低转动摩擦发电部的输入转速，使得转动摩擦发电部的第一摩擦转盘5的转速能够低于转动轴组件1的转速，从而避免高频输入的机械能加快转动摩擦发电部的磨损，有利于延长转动摩擦发电部的使用寿命。

当外界机械能频率较大时，可通过减速齿轮组8来连接转动摩擦发电部与转动轴组件1，而空气可变电容件2可直接与转动轴组件1连接，或者，空气可变电容件2可通过增速齿轮组7与转动轴组件1连接。

作为一个可选实施例，转动摩擦发电部与固定电容件3电性连接。

在本实施例中，能量转换的初始过程是转动摩擦发电部为固定电容件3充电的过程，充电结束后，随着空气可变电容件2在转动轴组件1带动下容量发生变化，电荷在固定电容件3和空气可变电容件2之间转换，电能输出由空气可变电容件2实现，随着机械能输入频率的增加，本装置的输出电流和输出功率会随之增加。

关于电容组件的工作原理，结合图4，当转动摩擦发电部转动时，产生的电荷被固定电容件3储存，设固定电容件3的容量为C_f，电荷量为Q_f，空气可变电容件2的最大容量C’_max＝C_V，储存电荷量为Q_V，其中假设C_f＝1/x C_V，转动摩擦发电部提供的电荷量为Q。在状态I时，空气可变电容件2的动片与定片完全相对，容量C’＝0，Q_V＝0，固定电容件3的电荷量Q_f＝Q；当空气可变电容件2开始旋转时，其电容开始增大，当动片与定片有1/2重合时，为状态II，此时空气可变电容件2容量C’＝1/2C_V，有[x/(2+x)]Q电量从固定电容件3转移至空气可变电容件2，故此时空气可变电容件2中的电荷量为Q_V＝[x/(2+x)]Q，固定电容件3中剩余的电荷量为Q_f＝[2/(2+x)]Q；当空气可变电容件2的动片与定片完全重合时，为状态III，容量达到最大值即C’＝C_V，此时共有[x/(1+x)]Q电荷转移，也就是说空气可变电容件2中储存的电荷量为Q_V＝[x/(1+x)]Q，固定电容件3中剩余的电荷量Q_f＝[1/(1+x)]Q；当空气可变电容件2继续转动至动片与定片有1/2重合时，为状态IV，此状态与状态II相似，空气可变电容件2容量C’＝1/2C_V，剩余电荷量Q_V＝x/(2+x)Q，当空气可变电容件2回到状态Ⅰ时，空气可变电容件2剩余电荷量Q_V＝0，所有电荷传回固定电容件3，开始下一循环。每个循环中，转移的最大电荷量为[x/(1+x)]Q，因此，可以通过调节固定电容件3上存储的电荷量，以及固定电容件3与空气可变电容件2的比例来调节每次循环转移的电荷量。

空气可变电容件2没有明确的电容变化范围要求，取值和固定电容件3具有一个可以优化的比例，整体来说，电容越大，每次的输出电荷就越多，具体可根据实际要求对固定电容件3和空气可变电容件2进行调节。

作为一个可选实施例，转动摩擦发电部通过整流器件9与固定电容件3电性连接。空气可变电容件2电性连接有整流器件9，空气可变电容件2经过该整流器件9整流后用于为负载4供电。

在本实施例中，整流器件9的功能是将交流电转变为直流电，可以采用简单的整流桥电路，对转动摩擦发电部进行整流后向电容组件输出，及对电容组件进行整流后对外输出高频电能。

其中，对于电容组件向外输出的电能，可采用具有更复杂功能的整流电路，比如将高电压的电流转变为低电压、大电流输出，可根据具体使用场景而定。

此外，本实施例中的负载4可为电池或其他蓄能器件，或者用电器件。

作为一个可选实施例，还包括机体10，转动轴组件1转动连接在机体10上，转动轴组件1的第一端位于机体10外，转动轴组件1的第二端延伸至机体10内，第二摩擦转盘6固定连接在机体10内，空气可变电容件2的外壳固定连接在机体10内。

在本实施例中，机体10为封闭式结构，空气可变电容件2、固定电容件3及转动摩擦发电部均设置在机体10内，转动轴组件1贯穿机体10，转动轴组件1的第一端位于机体10外，转动轴组件1的第二端延伸至机体10内，第一摩擦转盘5连接在转动轴组件1的第二端，第二摩擦转盘6固定连接在机体10内壁或通过支架固定连接在机体10内壁，空气可变电容件2的动力输入轴与转动轴组件1连接，空气可变电容件2的外壳固定连接在机体10内壁或通过支架固定连接在机体10内壁。外力驱动转动轴组件1转动，本实施例的转动式摩擦纳米发电装置发电，为外部负载4供电。

其中，转动轴组件1包括转动轴及轴承，转动轴通过轴承转动连接在机体10上，转动轴的第一端位于机体10外，转动轴的第二端延伸至机体10内。

关于材料，机体10可采用刚性材料，如亚克力，起到支撑作用，增速齿轮组7及减速齿轮组8也可采用刚性材料，以稳定地进行转速调节。

作为一个可选实施例，转动轴组件1上设置有能量收集部，能量收集部在受到外力时能够驱动转动轴组件1转动，能量收集部包括连接杆11及收集叶片12，收集叶片12通过连接杆11与转动轴组件1连接。

在本实施例中，转动轴组件1能够在能量收集部的驱动下绕自身轴向转动。能量收集部设置在转动轴组件1的第一端。其中，收集叶片12可为曲面状，也可为半球形壳体状，或者为其它形状。连接杆11的数量可为多个，环绕转动轴组件1均匀设置，每个连接杆11均连接有一个收集叶片12。

作为一个可选实施例，第一摩擦转盘5包括层叠设置的摩擦介质层和电极层，第二摩擦转盘6包括摩擦电极，摩擦电极与摩擦介质层相向设置，当第一摩擦转盘5与第二摩擦转盘6相对转动时，摩擦介质层与摩擦电极摩擦发电；摩擦介质层的材料与摩擦电极的材料的带电极性相反，或者，摩擦介质层的材料与摩擦电极的材料的带电极性相同且存在强弱差别。

在本实施例中，第一摩擦转盘5作为转子，第二摩擦转盘6作为定子，电极层与转动轴组件1连接，或者电极层通过基板与转动轴组件1连接，摩擦电极也可通过基板固定连接在机体10内壁。

其中，摩擦介质层可采用具备电负性的材料，如Kapton(聚酰亚胺)薄膜、PTFE(聚四氟乙烯)薄膜等；摩擦电极可采用具备电正性的材料，如铜、铝、金等；基板可采用亚克力板。

本发明实施例还提供一种能量转换系统，包括上述实施例的转动式摩擦纳米发电装置。

在本实施例中，转动式摩擦纳米发电装置能够收集外界的机械能，并转换为高频电能对外输出，可实现收集环境中的低频机械量，如风能、水能等，并转换为高频电能输出，转动式摩擦纳米发电装置的耐久性更强，能够长时间、高频运转，且能量转换效率不受影响，且结构简单，成本较低，本实施例的能量转换系统稳定性高，可直接用于转动能量的收集，能够为电池或其他蓄能器件供电，或者为用电器件工件，还可用于传感系统，应用领域广泛。

本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种转动式摩擦纳米发电装置，其特征在于，包括：

转动轴组件，所述转动轴组件能够在外力驱动下绕自身轴向转动；

电容组件，所述电容组件包括空气可变电容件，及与所述空气可变电容件电性连接的固定电容件，所述空气可变电容件的动力输入轴与所述转动轴组件连接，在所述转动轴组件的带动下，所述空气可变电容件的电容量能够发生变化，所述空气可变电容件用于为负载供电；以及

转动摩擦发电部，所述转动摩擦发电部包括相向设置的第一摩擦转盘及第二摩擦转盘，所述第一摩擦转盘与所述转动轴组件连接，在所述转动轴组件的带动下，所述第一摩擦转盘与所述第二摩擦转盘能够相对转动而摩擦发电，所述转动摩擦发电部与所述固定电容件电性连接，所述转动摩擦发电部用于为所述电容组件补充电荷损失。

2.根据权利要求1所述的转动式摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述空气可变电容件的动力输入轴通过增速齿轮组与所述转动轴组件连接。

3.根据权利要求1或2所述的转动式摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一摩擦转盘通过减速齿轮组与所述转动轴组件连接。

4.根据权利要求1所述的转动式摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述转动摩擦发电部通过整流器件与所述固定电容件电性连接。

5.根据权利要求1所述的转动式摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述空气可变电容件电性连接有整流器件，所述空气可变电容件经过所述整流器件整流后用于为负载供电。

6.根据权利要求1所述的转动式摩擦纳米发电装置，其特征在于，还包括机体，所述转动轴组件转动连接在机体上，所述转动轴组件的第一端位于所述机体外，所述转动轴组件的第二端延伸至所述机体内，所述第二摩擦转盘固定连接在所述机体内，所述空气可变电容件的外壳固定连接在所述机体内。

7.根据权利要求1所述的转动式摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述转动轴组件上设置有能量收集部，所述能量收集部在受到外力时能够驱动所述转动轴组件转动，所述能量收集部包括连接杆及收集叶片，所述收集叶片通过所述连接杆与所述转动轴组件连接。

8.根据权利要求1所述的转动式摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一摩擦转盘包括层叠设置的摩擦介质层和电极层，所述第二摩擦转盘包括摩擦电极，所述摩擦电极与所述摩擦介质层相向设置，当所述第一摩擦转盘与所述第二摩擦转盘相对转动时，所述摩擦介质层与所述摩擦电极摩擦发电；

所述摩擦介质层的材料与所述摩擦电极的材料的带电极性相反，或者，所述摩擦介质层的材料与所述摩擦电极的材料的带电极性相同且存在强弱差别。

9.一种能量转换系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的转动式摩擦纳米发电装置。

Images