CN112217412B - 钟摆式摩擦纳米发电机及能量收集器 - Google Patents

Abstract

一种钟摆式摩擦纳米发电机及能量收集器，钟摆式摩擦纳米发电机，包括：壳体，内部具有一空腔；一叶片式摆动结构，位于该壳体的空腔中，包含：轴结构，固定于该壳体内部；N个叶片，N≥2，套接于所述轴结构上；以及一结构层，设置于所述叶片的末端；以及电极层，位于壳体的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；其中，所述叶片式摆动结构的重量分布不均匀，所述结构层与所述电极层之间存在间隙，所述结构层本身携带有电荷或者在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷。将发电时间大大延长，大幅提升发电机的平均输出功率，从而提高发电机的能量收集能力。

Description

钟摆式摩擦纳米发电机及能量收集器

技术领域

本公开属于能源收集技术领域，涉及一种钟摆式摩擦纳米发电机及能量收集器。

背景技术

随着化石燃料的消耗和能源危机的威胁，从自然界中寻找新的能量来源引起了人们广泛的兴趣。海洋波浪能作为自然界中最重要的清洁可再生能源之一，具有大规模应用的极大潜能。到目前为止，波浪能的收集方式主要依赖于电磁感应发电机，该发电机存在体积庞大、笨重、成本高、易被腐蚀及在海洋水波频率下涡轮效率低的缺陷。最近，摩擦纳米发电机(TENG)提供了一种将波浪能转化成电能的新途径，在低频下表现出显著的优势，具有收集海洋中大尺度蓝色能源的巨大潜力。

通常，海洋中波浪的频率很低，有时仅有0.01Hz。虽然TENG可以收集超低频水波运动的能量，但是发电机的输出是一个脉冲的信号，严重依赖于所捕获水波能的频率，在频率很低时，输出的峰值较低，且在一个水波激励周期只会产生两个脉冲，转化的电能也很少，器件的平均输出功率较低，因此存在如下技术问题亟需解决：现有的摩擦纳米发电机在收集超低频波浪能时存在平均输出性能较低的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种钟摆式摩擦纳米发电机及能量收集器，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，提供了一种钟摆式摩擦纳米发电机，包括：壳体，内部具有一空腔；一叶片式摆动结构，位于该壳体的空腔中，包含：轴结构，固定于该壳体内部；N个叶片，N≥2，套接于所述轴结构上；以及一结构层，设置于所述叶片的末端；以及电极层，位于壳体的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；其中，所述叶片式摆动结构的重量分布不均匀，所述结构层与所述电极层之间存在间隙，所述结构层本身携带有电荷或者在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷。

在本公开的一些实施例中，所述结构层为表面带有电荷存储材料的基底层；

可选的，所述基底层为亚克力板；

可选的，所述电荷存储材料为聚合物薄膜，优选驻极体材料；

可选的，所述壳体为封闭式结构，所述壳体的外形包括如下形状的一种或其组合：圆筒形、球体以及立方体；

可选的，所述结构层与所述电极层之间的间隙介于0.2mm-1mm之间。

在本公开的一些实施例中，钟摆式摩擦纳米发电机，还包括：分布式摩擦层，位于能与叶片式摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与结构层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于壳体内壁上，另一端为自由端。

在本公开的一些实施例中，所述结构层为如下结构的一种或几种：基底层，表面带有金属层的基底层，以及表面带有介电层的基底层；所述分布式摩擦层的材料为如下材料的一种或几种：毛皮、高分子薄膜材料；

可选的，所述基底层为亚克力板，所述介电层的材料为高分子介电材料；

可选的，所述高分子薄膜材料为驻极体材料。

在本公开的一些实施例中，所述叶片的分布形式为如下形式：所述叶片的个数N为偶数，每两个叶片设置于同一条直线上形成一个叶片组，多个叶片组均套接于所述轴结构上；

优选的，N≥4，多个叶片组之间存在间距，且多个叶片组平行设置，对应所述结构层连接于多个叶片组的平行末端之间；

可选的，设置于同一条直线上的两个叶片一体成型。

在本公开的一些实施例中，所述N个叶片重量相等，其中一组平行末端的结构层上固定有质量块；或者，

一组平行末端的叶片总重量大于另一组平行末端的叶片总重量。

在本公开的一些实施例中，所述叶片的分布形式为如下形式：N个叶片之间间隔预设角度分布，且N个叶片的重量分布不均匀。

在本公开的一些实施例中，所述叶片包含空心中心和叶片本体，叶片本体的首端连接所述空心中心，所述结构层设置于该叶片本体的末端，基于该空心中心将所述叶片套接于所述轴结构上；

可选的，该轴结构包含：中心轴；以及轴承，位于中心轴和空心中心之间；

可选的，N个叶片中，一部分叶片本体为实心结构，另一部分叶片本体为空心结构。

在本公开的一些实施例中，所述第一电极层与所述第二电极层交替设置；

可选的，三个近邻的电极层为一组或两个近邻的电极层为一组，在三个近邻的电极层为一组的情况下，三个电极层构成两个发电单元，位于中间的电极层为公共电极层，两个发电单元并联连接；在两个近邻的电极层为一组的情况下，两个电极层构成一个发电单元，多个发电单元并联或串联进行输出；

可选的，电极层的厚度介于50nm-1mm之间。

根据本公开的另一个方面，提供了一种能量收集器，包含本公开提及的任一种钟摆式摩擦纳米发电机；

可选的，该能量收集器为海浪能收集器。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的钟摆式摩擦纳米发电机及能量收集器，具有以下有益效果：

1、由于叶片式摆动结构的重量分布不均匀，受到外界超低频机械激励时，叶片式摆动结构会进行摆动，以该叶片式摆动结构的重心位置作为平衡位置，在该平衡位置附近往复运动，从而将外界激励转化为叶片式摆动结构的摆动机械能，而且能够响应水平(x-y平面)和竖直方向(z方向)及其合成方向上的外界激励；在壳体的内表面上设置有电极层，电极层包含间隔开的第一电极层和第二电极层，叶片式摆动结构末端的结构层与所述电极层之间存在间隙，所述结构层本身携带有电荷或者在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷，基于结构层与电极层之间的静电感应作用，随着结构层在摆动过程中的位置变化，在第一电极层和第二电极层之间产生电势差，从而在第一电极层和第二电极层之间产生电学输出；由于一个超低频机械激励会使得叶片式摆动结构往复运动多次，从而将低频的脉冲式的机械激励转化成叶片式摆动结构的长时间持续摆动，将发电时间大大延长，大幅提升发电机的平均输出功率，从而提高发电机的海洋能收集能力。

2、在一实施例中，结构层本身携带有电荷，在结构层上可以通过电荷注入，例如通过设置结构层为表面带有电荷存储材料的基底层的方式实现，这样的结构设置不需要通过摩擦的形式使结构层获得电荷，避免了摩擦引起的损耗，有助于延长该钟摆式摩擦纳米发电机的使用寿命；当然，对于普通的携带电荷的材料，随着时间的推移结构层表面的电荷会发生衰减，从而影响发电输出性能，因此电荷存储材料优选PTFE、FEP等驻极体薄膜材料，表面通过高压极化方法预先注入电荷，以提高摩擦电荷密度，避免由于结构层表面电荷衰减引起的输出功率降低的问题；

3、在一实施例中，结构层在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷，比如通过滑动摩擦的形式产生电荷，通过设置结构层与分布式摩擦层进行摩擦从而产生电荷，这种摆动形式产生电荷的形式能够源源不断地产生摩擦电荷，使得结构层带电荷，有助于实现稳定、高功率的输出。

4、叶片的分布形式可以进行优化设置，使得叶片式摆动结构的重心降低，以利于在一次外界激励作用下能够产生更多的往复运动，实现低频激励、高频输出的效果。另外，叶片的个数可以根据实际需要进行设置，对应叶片和电极层形成发电单元，多个发电单元可以进行并联输出，提高能量收集效率。

5、通过设置封闭的外壳，该摆式摩擦纳米发电机能够适应各种环境，具有高稳定性和高可靠性，并且能够响应任意角度的外部激励，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为根据本公开第一实施例所示的钟摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。

图2为如图1所示的钟摆式摩擦纳米发电机的截面结构示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的钟摆式摩擦纳米发电机经受一次机械激励后的电荷转移量随时间变化的关系曲线。

图4为根据本公开第二实施例所示的钟摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。

【符号说明】

1-壳体；

2-电极层；

21-第一电极层； 22-第二电极层；

3-分布式摩擦层；

4-轴结构；

41-中心轴； 42-轴承；

5-叶片；

51-空心中心；

52-叶片本体；

521-空心叶片； 522-实心叶片；

6-结构层；

7-质量块。

具体实施方式

本公开中，为了提高在超低频率下发电器件的输出性能，提出一种钟摆式摩擦纳米发电机及能量收集器，通过引入叶片式摆动结构，将低频的脉冲式的机械激励转化成内部机构的长时间持续摆动，将发电时间大大延长，大幅提升发电机的平均输出功率，从而提高发电机的海洋能收集能力。

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。

第一实施例

在本公开的第一个示例性实施例中，提出了一种钟摆式摩擦纳米发电机。

图1为根据本公开第一实施例所示的钟摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。图2为如图1所示的钟摆式摩擦纳米发电机的截面结构示意图。

参照图1和图2所示，本公开的钟摆式摩擦纳米发电机，包括：壳体，内部具有一空腔；一叶片式摆动结构，位于该壳体的空腔中，包含：轴结构，固定于该壳体内部；N个叶片，N≥2，套接于所述轴结构上；以及一结构层，设置于所述叶片的末端；以及电极层，位于壳体的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；其中，所述叶片式摆动结构的重量分布不均匀，所述结构层与所述电极层之间存在间隙，所述结构层本身携带有电荷或者在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷。

本实施例中，以结构层在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷的叶片式摆动结构进行示例。下面结合附图来对本实施例的钟摆式摩擦纳米发电机的各个部分进行详细介绍。

本实施例中，参照图1所示，钟摆式摩擦纳米发电机包括壳体1，壳体1内部具有一空腔；叶片式摆动结构，位于该壳体1的空腔中。所述壳体1为封闭式结构。所述壳体1的外形包括如下形状的一种或其组合：圆筒形、球体以及立方体等，这里以圆筒形进行示例，在其他实施例中，壳体还可以是其他封闭的外形。

参照图1和图2所示，钟摆式摩擦纳米发电机包括电极层2，电极层2位于壳体1的内表面上，包含间隔开的第一电极层21和第二电极层22。

本实施例中，所述第一电极层21与所述第二电极层22交替设置。

可选的，三个近邻的电极层为一组或两个近邻的电极层为一组，在三个近邻的电极层为一组的情况下，三个电极层构成两个发电单元，位于中间的电极层为公共电极层，两个发电单元并联连接；在两个近邻的电极层为一组的情况下，两个电极层构成一个发电单元，多个发电单元并联或串联进行输出。

本实施例中，以三个近邻的电极层为一组进行示例，参照图2所示，第一电极层21和第二电极层22交替设置，位于中间的第一电极层21为公共电极层，分别与左侧的第二电极层22以及右侧的第二电极层22形成两个发电单元，这两个发电单元并联。

参照图1和图2所示，本实施例中，叶片式摆动结构包含：轴结构4，固定于该壳体1内部；N个叶片5，N≥2，套接于所述轴结构4上；以及一结构层6，设置于所述叶片5的末端。

其中，所述叶片式摆动结构的重量分布不均匀，所述结构层6与所述电极层2之间存在间隙，所述结构层6在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷。

参照图2所示，所述叶片5包含空心中心51和叶片本体52，叶片本体52的首端连接所述空心中心51，所述结构层6设置于该叶片本体52的末端，基于该空心中心51将所述叶片5套接于所述轴结构4上。

在一实施例中，轴结构4包含：中心轴41；以及轴承42，位于中心轴41和空心中心51之间。

本实施例中，所述结构层6在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷，例如通过摩擦的方式产生电荷，该钟摆式摩擦纳米发电机还包括：分布式摩擦层3，位于能与叶片式摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与结构层6的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于壳体5内壁之上，另一端为自由端。

在本公开的一些实施例中，所述叶片5的分布形式为如下形式：所述叶片的个数N为偶数，每两个叶片设置于同一条直线上形成一个叶片组，多个叶片组均套接于所述轴结构4上；

优选的，N≥4，多个叶片组之间存在间距，且多个叶片组平行设置，对应所述结构层连接于多个叶片组的平行末端之间；

可选的，设置于同一条直线上的两个叶片一体成型。

本实施例中，叶片5为双扇形叶片结构，两个叶片本体52位于同一条直线上，且由共同的空心中心51进行连接，形成一体成型的双扇形叶片结构，该双扇形叶片结构形成一个叶片组，图1中以3个平行的叶片组进行示例，这三个叶片组均套接于轴结构4上。结构层6连接于多个(例如这里的3个)叶片组的平行末端之间。该示例中，叶片式摆动结构、电极层2以及分布式摩擦层3整体形成四个自由式摩擦纳米发电机的发电单元，每个发电单元至少包括：相邻的第一电极层21和第二电极层22、分布式摩擦层3以及结构层6。顶部或底部(图示方向)的两个发电单元共用一个第一电极层21，且并联连接。结构层6与三个双扇形叶片结构的叶片本体52末端粘在一起，形成一个整体，三个双扇形叶片结构的空心中心51各放入一个轴承42，插入中心轴41形成叶片式摆动结构。

在本公开的一些实施例中，所述N个叶片5重量相等，其中一组平行末端的结构层6上固定有质量块；或者，一组平行末端的叶片5总重量大于另一组平行末端的叶片5总重量。

为了降低摆动主体的重心以利于往复持续摆动，本实施例中，在下部的结构层6上添加了两个质量块7。在摆动过程中，下部结构层6的底面或上部结构层6的顶面与分布式摩擦层3之间摩擦产生电荷，通过几个摩擦周期后，结构层6的底面或顶面上的电荷达到饱和，然后通过静电感应在第一电极层21和第二电极层22之间产生电荷转移，随着摆动的进行，第一电极层21和第二电极层22之间产生电势差，从而在外电路中产生电流。

由上述示例介绍可知，所述叶片式摆动结构的重量分布不均匀的实现方式包括如下几种方式：叶片本身重量分布不均匀，例如有的叶片为空心结构，有的叶片为实心结构(在第二实施例中示例)；或者叶片本身的重量分布均匀，在部分叶片上带有质量块，以形成不均匀的质量分布。

下面对于上述各个部件的材料及尺寸进行示例性介绍，当然，在实际应用中，材料可以进行适应性调整和变化，不局限于本实施例列举的材料和尺寸范围。

在一实施例中，所述结构层6与所述电极层2之间的间隙介于0.2mm-1mm之间。

电极层2的材料可以是铜、铝等导电性好的金属，可以采用铜片、铝片、铜箔及铝箔等。可选的，电极层的厚度介于50nm-1mm之间。

为了提高表面电荷密度，分布式摩擦层3一般选用电负性较好的聚合物材料，如含氟类材料，氟化异丙烯(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)以及聚四氟乙烯(PTFE)，优选FEP，采购和实验操作都很方便。

在本公开的一些实施例中，所述结构层6为如下结构的一种或几种：基底层，表面带有金属层的基底层，以及表面带有介电层的基底层；所述分布式摩擦层的材料为如下材料的一种或几种：毛皮、高分子薄膜材料。

可选的，所述基底层为亚克力板，所述介电层的材料为高分子介电材料；

可选的，所述高分子薄膜材料为驻极体材料。

高分子薄膜材料的厚度从25nm到200mm都可以，表面的金属层材料厚度没有硬性的要求，如果是镀膜的话一般200nm即可，如果是购买商用的金属薄片，一般在100μm以内较好。

在优选方案中，分布式摩擦层3选用柔性的毛皮材料或者PTFE、FEP等电负性强的高分子薄膜材料，PTFE、FEP的表面可以通过高压极化方法预先注入电荷，以提高摩擦电荷密度。结构层6受到分布式摩擦层3的摩擦阻力较小，所以能量损失小，在外部机械激励释放后能够长时间持续摆动。可优先选择亚克力材料作为具有支撑作用的材料，壳体1、叶片5例如可以使用亚克力板，厚度为5mm。本实施例中，第一电极层21和第二电极层均为弧形电极，可优先选取铜箔，厚度范围为50nm-1mm，优选0.1mm。可优先选择驻极体材料FEP薄膜作为分布式摩擦层3的材料，厚度优先为50μm；壳体为圆筒形，其直径为15cm，长度为20cm。

结构层6可以由空心亚克力圆筒面切成12等份得到，当然也可以其他等份，优选12等份。轴承42的尺寸优先选用内径为6mm，外径为17mm，轴承42中可以加入润滑机油以降低摩擦阻力。

图3为根据本公开一实施例所示的钟摆式摩擦纳米发电机经受一次机械激励后的电荷转移量随时间变化的关系曲线。该实验中，主要针对超低频水波能量采集，设置一定时间对该钟摆式摩擦纳米发电机机械激励一次，例如100s激励一次。从图3中可以看出，钟摆式摩擦纳米发电机的最大转移电荷接近于195nC(纳库)，一次机械激励后内部机构的持续摆动导致转移电荷长时间的持续输出，大约持续75s。一开始转移电荷量的数值没有衰减，表明结构层6能够越过第二电极层22的边缘。

本实施例中，由于叶片式摆动结构的重量分布不均匀，受到外界超低频机械激励时，叶片式摆动结构会进行摆动，以该叶片式摆动结构的重心位置作为平衡位置，在该平衡位置附近往复运动，从而将外界激励转化为叶片式摆动结构的摆动机械能，而且能够响应水平(x-y平面)和竖直方向(z方向)及其合成方向上的外界激励；在壳体的内表面上设置有电极层，电极层包含间隔开的第一电极层和第二电极层，叶片式摆动结构末端的结构层与所述电极层之间存在间隙，所述结构层本身携带有电荷或者在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷，基于结构层与电极层之间的静电感应作用，随着结构层在摆动过程中的位置变化，在第一电极层和第二电极层之间产生电势差，从而在第一电极层和第二电极层之间产生电学输出；由于一个超低频机械激励会使得叶片式摆动结构往复运动多次，从而将低频的脉冲式的机械激励转化成叶片式摆动结构的长时间持续摆动，将发电时间大大延长，大幅提升发电机的平均输出功率，从而提高发电机的海洋能收集能力。此外，通过设置封闭的外壳，该摆式摩擦纳米发电机能够适应各种环境，具有高稳定性和高可靠性，并且能够响应任意角度的外部激励，具有广泛的应用前景。

第二实施例

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种钟摆式摩擦纳米发电机。本实施例的钟摆式摩擦纳米发电机与第一个实施例相比，区别之处在于，本实施例的结构层本身携带有电荷，不需要在摆动过程中通过摩擦的形式产生电荷，因此本实施例中不需要设置分布式摩擦层。

图4为根据本公开第二实施例所示的钟摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。

参照图4所示，本实施例中，所述结构层为表面带有电荷存储材料的基底层；

可选的，所述基底层为业克力板；

可选的，所述电荷存储材料为聚合物薄膜，优选驻极体材料。

本实施例中，如图4所示，叶片5的分布形式为如下形式：N个叶片5之间间隔预设角度分布，且N个叶片5的重量分布不均匀。

在本公开的一些实施例中，所述叶片5包含空心中心51和叶片本体52，叶片本体52的首端连接所述空心中心51，所述结构层6设置于该叶片本体52的末端，基于该空心中心51将所述叶片5套接于轴结构4上。

本实施例中，N个叶片5中，一部分叶片本体为实心结构，另一部分叶片本体为空心结构，例如参照图4所示，叶片本体52包含空心叶片521和实心叶片522。

可选的，该轴结构4包含：中心轴41；以及轴承42，位于中心轴41和空心中心51之间。

本实施例中，所述第一电极层21与所述第二电极层22交替设置。

可选的，三个近邻的电极层为一组或两个近邻的电极层为一组，在三个近邻的电极层为一组的情况下，三个电极层构成两个发电单元，位于中间的电极层为公共电极层，两个发电单元并联连接(第一实施例示例的情形)；在两个近邻的电极层为一组的情况下，两个电极层构成一个发电单元的输出电极，多个发电单元并联或串联进行输出。

本实施例中，以两个近邻的电极层为一组进行示例，参照图4所示，第一电极层21和第二电极层22交替设置，第一电极层21和第二电极层22构成一个发电单元的输出电极，多个发电单元并联输出。

叶片的分布形式可以进行优化设置，使得叶片式摆动结构的重心降低，以利于在一次外界激励作用下能够产生更多的往复运动，实现低频激励、高频输出的效果。另外，叶片的个数可以根据实际需要进行设置，对应叶片和电极层形成发电单元，多个发电单元可以进行并联输出，提高能量收集效率。

本实施例的钟摆式摩擦纳米发电机的其他结构与第一个实施例相同，这里不再赘述。

本实施例中，结构层本身携带有电荷，在结构层上可以通过电荷注入，例如通过设置结构层为表面带有电荷存储材料的基底层的方式实现，这样的结构设置不需要通过摩擦的形式使结构层获得电荷，避免了摩擦引起的损耗，有助于延长该钟摆式摩擦纳米发电机的使用寿命；当然，对于普通的携带电荷的材料，随着时间的推移结构层表面的电荷会发生衰减，从而影响发电输出性能，因此电荷存储材料优选PTFE、FEP等驻极体薄膜材料，表面通过高压极化方法预先注入电荷，以提高摩擦电荷密度，避免由于结构层表面电荷衰减引起的输出功率降低的问题。

第三实施例

根据本公开的另一个方面，提供了一种能量收集器，包含本公开提及的任一种钟摆式摩擦纳米发电机。

本实施例中，该能量收集器为海浪能收集器。该能量收集器具有较高的平均输出功率，且能够适应各种恶劣环境。

综上所述，本公开提供了一种钟摆式摩擦纳米发电机及能量收集器，基于叶片式摆动结构将外界激励转化为其摆动机械能，而且能够响应水平(x-y平面)和竖直方向(z方向)及其合成方向上的外界激励；结构层本身携带有电荷或者在随着叶片式摆动结构摆动的过程中会产生电荷，基于结构层与电极层之间的静电感应作用，随着结构层在摆动过程中的位置变化，在第一电极层和第二电极层之间产生电势差，从而在第一电极层和第二电极层之间产生电学输出；由于一个超低频机械激励会使得叶片式摆动结构往复运动多次，从而将低频的脉冲式的机械激励转化成叶片式摆动结构的长时间持续摆动，将发电时间大大延长，大幅提升发电机的平均输出功率，从而提高发电机的海洋能收集能力。通过设置封闭的外壳，该摆式摩擦纳米发电机能够适应各种环境，具有高稳定性和高可靠性，并且能够响应任意角度的外部激励，具有广泛的应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。另外在本公开的技术构思范围内，可以对本技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化，例如各部件的形状、材质和尺寸的变化。

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 (19)

1.一种钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

壳体，内部具有一空腔；

一叶片式摆动结构，位于该壳体的空腔中，包含：轴结构，所述轴结构固定于该壳体内部；N个叶片，N≥2，所述叶片的一端套接于所述轴结构上；以及一结构层，设置于所述叶片的另一端；以及

电极层，位于壳体的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；

其中，所述叶片式摆动结构的重量分布不均匀，所述叶片式摆动结构的重心偏移所述轴结构的轴心，所述结构层与所述电极层之间存在间隙，所述结构层本身携带有电荷或者在随着叶片式摆动结构摆动的过程中产生电荷；

分布式摩擦层，位于能与所述结构层随叶片式摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与结构层的材料位于不同的摩擦电序列，所述分布式摩擦层的一端固定于壳体内壁上，另一端为自由端；

基于所述结构层与所述电极层之间的静电感应作用，随着所述结构层在摆动过程中的位置变化，在所述第一电极层和所述第二电极层之间产生电势差；

所述分布式摩擦层的材料为如下材料的一种或几种：毛皮、高分子薄膜材料。

2.根据权利要求1所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述结构层为表面带有电荷存储材料的基底层。

3.根据权利要求1所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，

所述结构层为如下结构的一种或几种：基底层，表面带有金属层的基底层，以及表面带有介电层的基底层。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述叶片的分布形式为如下形式：

所述叶片的个数N为偶数，每两个叶片设置于同一条直线上形成一个叶片组，多个叶片组均套接于所述轴结构上。

5.根据权利要求4所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，

所述N个叶片重量相等，其中一组平行末端的结构层上固定有质量块；或者，

一组平行末端的叶片总重量大于另一组平行末端的叶片总重量。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述叶片的分布形式为如下形式：

N个叶片之间间隔预设角度分布，且N个叶片的重量分布不均匀。

7.根据权利要求1所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，

所述叶片包含空心中心和叶片本体，叶片本体的首端连接所述空心中心，所述结构层设置于该叶片本体的末端，基于该空心中心将所述叶片套接于所述轴结构上。

8.根据权利要求1所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层与所述第二电极层交替设置。

9.根据权利要求2所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电荷存储材料为聚合物薄膜或驻极体材料。

10.根据权利要求2所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述基底层为亚克力板。

11.根据权利要求1所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述壳体为封闭式结构，所述壳体的外形包括如下形状的一种或其组合：圆筒形、球体以及立方体。

12.根据权利要求3所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述介电层的材料为高分子介电材料。

13.根据权利要求1所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述高分子薄膜材料为驻极体材料。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述叶片的个数N≥4，多个叶片组之间存在间距，且多个叶片组平行设置，对应所述结构层连接于多个叶片组的平行末端之间。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，设置于同一条直线上的两个所述叶片一体成型。

16.根据权利要求7所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述轴结构包含：中心轴；以及轴承，位于所述中心轴和所述空心中心之间。

17.根据权利要求1所述的钟摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，三个近邻的电极层为一组或两个近邻的电极层为一组，在三个近邻的电极层为一组的情况下，三个电极层构成两个发电单元，位于中间的电极层为公共电极层，两个发电单元并联连接；在两个近邻的电极层为一组的情况下，两个电极层构成一个发电单元，多个发电单元并联或串联进行输出。

18.一种能量收集器，其特征在于，包含权利要求1至17中任一项所述的钟摆式摩擦纳米发电机。

19.根据权利要求18所述的能量收集器，其特征在于，所述能量收集器为海浪能收集器。