CN113922697A - 一种静电感应发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静电感应发电机，包括第一发电结构和负载；所述第一发电结构包括第一带电组件和第一导电液体；第一导电液体通过负载与地面电性连接；第一带电组件可活动地安装在第一导电液体边缘，以在第一带电组件浸没在第一导电液体中时，第一导电液体产生对应第一带电组件的电荷。本发明提供的静电感应发电机，利用液体与固体表面良好的接触性能，通过负载将第一发电结构中的第一导电液体和地面连通，并在第一导电液体外设置可活动地第一带电组件，以在第一带电组件浸没在第一导电液体中时，第一导电液体产生对应第一带电组件的电荷，通过改变第一带电组件所带电荷，从而可在负载中产生交变电流，提升静电感应发电机的功率密度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及静电感应领域，特别是涉及一种静电感应发电机。
背景技术
静电感应是在外电场的作用下导体中电荷在导体中重新分布的现象。如图1所示，一个带电的物体与不带电的导体相互靠近时由于电荷间的相互作用，会使导体内部的电荷重新分布，异种电荷被吸引到带电体附近，而同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端。如橡胶棒X原已带有负电荷，可称为施感电荷，若将导体D接近带电体X时，由于同种电荷相斥、异种电荷相吸，于是X上的负电荷在D中所建立的电场将自由电子推斥至D的远棒一边，并把等量的正电荷遗留在D的近棒一边，直至D中电场强度为零。如果有一条接地引线接触到导体D，则会有若干电子流向大地。导体D因失去电子而带正电荷，这种电荷称为感生电荷。利用静电感应使金属导体带电的过程叫做感应起电。
基于静电感应原理，人们发明了静电感应发电机，如图2所示，将电导体分成两段，负载位于两段电导体之间用电导线连通，负载安装在两段电导体之间，负载与电导体之间通过导线连通。当带电体(图中画出的是带正电荷，带负电荷也可以)靠近左侧电导体时，由于静电感应的作用，右侧电导体中的负电荷就会向左侧电导体流动，左侧电导体中的正电荷则向右侧电导体中移动，从而使电流穿过负载；当带电体远离电导体时，两个电导体重新回复到不带电状态。带电体不断地接近和远离电导体，就会产生交变电流通过负载，将机械能转变为电能。
感应电荷Q可以表示成如下的形式，
其中，S为带电导体与电导体的相靠近的面积，σ为电荷密度，ε0为介电常数，在真空中该介电常数为8.85×10-12，u为电压，x为带电体与电导体之间的距离。由于介电常数非常小，即使电压达到数千伏，感应电荷的量也非常少，对应地电流就会非常小。只有将带电体与电导体之间的距离减少到微米甚至纳米的大小，单位面积感应出的电荷才能达到可应用的量级。当带电体与电导体之间的距离减少到的微米的量级，实际加工时要想使带电体与电导体上的两个靠近面保持这么高的平整度是非常难实现的，特别是面积越大，难度越大；同时在两个面相对运动的过程中，也非常难保证两个面平行。两个靠近面不平整或者两个面不平行，意味着实际的有效靠近距离就会大打折扣，感应电流就会大幅度减少。也正是因为这个原因，电荷感应发电技术未得到广泛的应用。
发明内容
鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种静电感应发电机，解决现有感应电荷发电技术加工、控制困难的问题，同时提升静电感应发电机的发电量和功率密度。
为解决上述问题，本发明提供一种静电感应发电机，包括：第一发电结构和负载；
所述第一发电结构包括：第一带电组件和第一导电液体；
所述第一导电液体通过所述负载与地面电性连接；所述第一带电组件可活动地安装在所述第一导电液体边缘，以在所述第一带电组件浸没在所述第一导电液体中时，所述第一导电液体产生对应所述第一带电组件的电荷。
进一步地，所述第一带电组件包括：第一正电带电体和/或第一负电带电体；所述第一正电带电体和/或所述第一负电带电体可活动地安装在所述第一导电液体边缘，以在所述第一正电带电体或所述第一负电带电体浸没在所述第一导电液体中时，所述第一导电液体产生对应所述第一正电带电体或对应所述第一负电带电体的电荷。
进一步地，所述第一带电组件还包括：第一正电带电体、第一负电带电体和分别用于控制所述第一正电带电体和所述第一负电带电体在所述第一导电液体边缘移动的第一驱动装置；所述第一驱动装置同时与所述第一正电带电体和所述第一负电带电体连接，以在需要发电时，控制所述第一正电带电体浸没在所述第一导电液体中，并将所述第一负电带电体置于所述第一导电液体外；或控制所述第一负电带电体浸没在所述第一导电液体中，并将所述第一正电带电体置于所述第一导电液体外。
进一步地，所述第一带电组件还包括：第一绝缘层；所述第一绝缘层包裹在所述第一正电带电体和所述第一负电带电体外。
进一步地，所述静电感应发电机还包括：第二发电结构；所述第二发电结构包括：第二导电液体；所述第一导电液体通过所述负载与所述第二导电液体电性连接。
进一步地，所述第二发电结构还包括：第二带电组件；
所述第二带电组件可活动地安装在所述第二导电液体边缘，以在所述第二带电组件浸没在所述第二导电液体中时，所述第二导电液体产生对应所述第二带电组件的电荷。
进一步地，所述第二带电组件包括：第二正电带电体和/或第二负电带电体；所述第二正电带电体和/或所述第二负电带电体可活动地安装在所述第二导电液体边缘，以在所述第二正电带电体或所述第二负电带电体浸没在所述第二导电液体中时，所述第二导电液体产生对应所述第二正电带电体或对应所述第二负电带电体的电荷。
进一步地，所述第二带电组件还包括：
第二正电带电体、第二负电带电体和分别用于控制所述第二正电带电体和所述第二负电带电体在所述第二导电液体边缘移动的第二驱动装置；所述第二驱动装置同时与所述第二正电带电体和所述第二负电带电体连接，以在需要发电时配合所述第一驱动装置；
所述第二驱动装置在所述第一正电带电体浸没在所述第一导电液体中，且所述第一负电带电体置于所述第一导电液体外时，控制所述第二负电带电体浸没在所述第二导电液体中，并将所述第二正电带电体置于所述第二导电液体外；
所述第二驱动装置在所述第一负电带电体浸没在所述第一导电液体中，且所述第一正电带电体置于所述第一导电液体外时，控制所述第二正电带电体浸没在所述第二导电液体中，并将所述第二负电带电体置于所述第二导电液体外。
进一步地，所述第二带电组件还包括：
第二绝缘层；所述第二绝缘层包裹在所述第二正电带电体和所述第二负电带电体外。
进一步地，所述第一发电结构还包括：用于收容所述第一导电液体的第一导电液体槽；所述第二发电结构还包括：用于收容所述第二导电液体的第二导电液体槽。
本发明提供的静电感应发电机，利用液体与固体表面良好的接触性能，通过负载将第一发电结构中的第一导电液体和地面连通，并在第一导电液体外设置可活动地第一带电组件，以在第一带电组件浸没在第一导电液体中时，第一导电液体产生对应第一带电组件的电荷，通过改变第一带电组件所带电荷，从而可在负载中产生交变电流，有效提升静电感应发电机的功率密度和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是静电感应原理的示意图；
图2是现有静电感应发电机的结构示意图；
图3是本发明第一实施例提供的静电感应发电机的结构示意图；
图4是第一实施例中第一负电带电体浸入第一导电液体时静电感应发电机中电流的示意图；
图5是第一实施例中第一负电带电体从第一导电导电液体中离开时静电感应发电机中电流的示意图；
图6是第一实施例中第一正电带电体浸入第一导电液体时静电感应发电机中电流的示意图；
图7是第一实施例中第一正电带电体从第一导电导电液体中离开时静电感应发电机中电流的示意图；
图8是本发明第二实施例提供的静电感应发电机的结构示意图；
图9是本发明第三实施例提供的静电感应发电机的结构示意图；
图10是第三实施例中第一负电带电体和第二正电带电体浸入导电液体时静电感应发电机中电流的示意图；
图11是第三实施例中第一负电带电体和第二正电带电体从导电液体中离开时静电感应发电机中电流的示意图；
图12是第三实施例中第一正电带电体和第二负电带电体浸入导电液体时静电感应发电机中电流的示意图；
图13是第三实施例中第一正电带电体和第二负电带电体从导电液体中离开时静电感应发电机中电流的示意图；
附图标记说明：1、负载；2、第一带电组件；3、第一导电液体；4、第二导电液体；5、第二带电组件；6、第一导电液体槽；7、第二导电液体槽；21、第一正电带电体；22、第一负电带电体；23、第一绝缘层；51、第二正电带电体；52、第二负电带电体；53、第二绝缘层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种静电感应发电机，如图3所示，包括：第一发电结构和负载1；第一发电结构包括：第一带电组件2和第一导电液体3；第一导电液体3通过负载1与地面电性连接，可在负载1的两端设置导线，利用导线将负载1两端分别与第一导电液体3和地面电连接。第一带电组件2可活动地安装在第一导电液体3边缘，以在第一带电组件2浸没第一导电液体3中时，第一导电液体3产生对应第一带电组件2的电荷。
本实施例提供的静电感应发电机在工作过程中。当负载1左侧的第一带电组件2带负电浸入第一导电液体3时，左侧第一导电液体3就会带上正电荷，电流从负载1的右侧流向左侧。当第一带电组件2从第一导电液体3中离开时，第一导电液体3重新回到不带电的状态。电流从负载1的左侧流向右侧。当负载1左侧第一带电组件2带正电浸入第一导电液体3时，第一导电液体3就会带上负电荷，电流从负载1的左侧流向右侧。当第一带电组件2从第一导电液体3中离开时，第一导电液体3重新回到不带电的状态。电流从负载1的右侧流向左侧。如此循环往复，负载1中就形成了稳定的交变电流。
本发明实施例提供的静电感应发电机，利用液体与固体表面良好的接触性能，通过负载将第一发电结构中的第一导电液体和地面连通，并在第一导电液体外设置可活动地第一带电组件，以在第一带电组件浸没在第一导电液体中时，第一导电液体产生对应第一带电组件的电荷，通过改变第一带电组件所带电荷，从而可在负载中产生交变电流，有效提升静电感应发电机的功率密度和效率。
基于上述实施例，在本发明提供的一实施例中，第一带电组件2包括：第一正电带电体21或第一负电带电体22。第一正电带电体21或第一负电带电体22可活动地安装在第一导电液体3边缘，以在第一正电带电体21或第一负电带电体22浸没在第一导电液体3中时，第一导电液体3产生对应第一正电带电体21或对应第一负电带电体22的电荷。
第一带电组件2中也可同时设有第一正电带电体21和第一负电带电体22。此时，第一正电带电体21和第一负电带电体22均可活动地安装在第一导电液体3边缘。同样地，第一正电带电体21或第一负电带电体22浸没在第一导电液体3中时，第一导电液体3产生对应第一正电带电体21或对应第一负电带电体22的电荷。
为便于控制，第一带电组件包括：第一正电带电体21、第一负电带电体22和分别用于控制第一正电带电体21和第一负电带电体22在第一导电液体3边缘移动的第一驱动装置；第一驱动装置同时与第一正电带电体21和第一负电带电体22连接，以在需要发电时，控制第一正电带电体21浸没在第一导电液体3中，并将第一负电带电体22置于第一导电液体3外；或控制第一负电带电体22浸没在第一导电液体3中，并将第一正电带电体21置于第一导电液体3外。
其中，第一带电组件2还包括：第一绝缘层23；第一绝缘层23包裹在第一正电带电体21和第一负电带电体22外，用于防止带电体与导电液体导通。
本实施例提供的静电感应发电机在工作过程中。如图4所示，当负载1左侧的第一负电带电体22浸入第一导电液体3时，左侧第一导电液体3就会带上正电荷，电流从负载1的右侧流向左侧。如图5所示，当第一负电带电体22从第一导电液体3中离开时，第一导电液体3重新回到不带电的状态。电流从负载1的左侧流向右侧。如图6所示，当负载1左侧的第一正电带电体21浸入第一导电液体3时，第一导电液体3就会带上负电荷，电流从负载1的左侧流向右侧。如图7所示，当第一正电带电体21从第一导电液体3中离开时，第一导电液体3重新回到不带电的状态。电流从负载1的右侧流向左侧。如此循环往复，负载1中就形成了稳定的交变电流。
基于上述实施例，在本发明提供的一实施例中，如图8所示，静电感应发电机还包括：第二发电结构。第二发电结构包括：第二导电液体4。第一导电液体3通过负载1与第二导电液体4电性连接。
本实施例提供的静电感应发电机在工作过程中。当负载1左侧的第一带电组件2带负电浸入第一导电液体3时，左侧第一导电液体3就会带上正电荷，电流从负载1的右侧流向左侧。当第一带电组件2从第一导电液体3中离开时，第一导电液体3重新回到不带电的状态。电流从负载1的左侧流向右侧。当负载1左侧第一带电组件2带正电浸入第一导电液体3时，第一导电液体3就会带上负电荷，电流从负载1的左侧流向右侧。当第一带电组件2从第一导电液体3中离开时，第一导电液体3重新回到不带电的状态。电流从负载1的右侧流向左侧。如此循环往复，负载1中就形成了稳定的交变电流。
为加强功率密度，如图9所示，还可在第二发电结构中增设第二带电组件5。第二带电组件5可活动地安装在第二导电液体4边缘，以在第二带电组件5浸没在第二导电液体4中时，第二导电液体4产生对应第二带电组件5的电荷。
其中，第二带电组件5包括：第二正电带电体51或第二负电带电体52；第二正电带电体51或第二负电带电体52可活动地安装在第二导电液体4边缘，以在第二正电带电体51或第二负电带电体52浸没在第二导电液体4中时，第二导电液体4产生对应第二正电带电体51或对应第二负电带电体52的电荷。
第二带电组件5中也可同时设有第二正电带电体51和第二负电带电体52。此时，第二正电带电体51和第二负电带电体52均可活动地安装在第二导电液体4边缘。同样地，第二正电带电体51或第二负电带电体52浸没在第二导电液体4中时，第二导电液体4产生对应第二正电带电体51或对应第二负电带电体52的电荷。
如果需要进一步提升功率密度，还可通过增加带电体上额带电电压，从而单位面积所感应的电荷量对应的地增加，从而提高了功率密度。
为便于控制，第二带电组件还包括：第二正电带电体51、第二负电带电体52和分别用于控制第二正电带电体51和第二负电带电体52在第二导电液体4边缘移动的第二驱动装置。
第二驱动装置同时与第二正电带电体51和第二负电带电体52连接，以在需要发电时配合第一驱动装置；
第二驱动装置在第一正电带电体21浸没在第一导电液体3中，且第一负电带电体22置于所述第一导电液体3外时，控制第二负电带电体52浸没在第二导电液体4中，并将第二正电带电体51置于第二导电液体4外；
第二驱动装置在第一负电带电体22浸没在第一导电液体3中，且第一正电带电体21置于第一导电液体3外时，控制第二正电带电体51浸没在第二导电液体4中，并将第二负电带电体52置于第二导电液体4外。
其中，第二带电组件还包括：第二绝缘层53；第二绝缘层53包裹在第二正电带电体51和第二负电带电体52外，第一绝缘层23与第二绝缘层53相同，均是用于防止带电体与导电液体导通。带电体外表面如果全部绝缘，理论上以表面所带电荷数量不会发生改变，因此无需持续消耗电能给带电体充电。
为了获得良好的发电效果，带电体表面的绝缘层在不被击穿的情况下越薄越好，这样电荷的作用力可以穿过绝缘层，可以使导电液体中感应的电荷数量越大。优选地，第一绝缘层23与第二绝缘层53可以选择有机绝缘层，例如绝缘漆等，也可以在电极表面进行氧化处理，利用氧化层作为绝缘层。这两种方法都可以使绝缘层达到微米甚至更小的量级。
第一导电液体3和第二导电液体4均为液态金属，例如钠钾合金、镓铟合金、汞等。由于液体具有良好的变形性能，即使第一绝缘层23或第二绝缘层53不平整，导电液体也可以与绝缘表面贴合，从而保持与带电体表面的微小距离，产生更多的感应电荷。
同时，第一发电结构还包括：用于收容第一导电液体3的第一导电液体槽6。第二发电结构还包括。用于收容第二导电液体4的第二导电液体槽7。
本实施例提供的静电感应发电机在工作过程中。如图10所示，当负载左侧的第一负电带电体22浸入第一导电液体3，同时右侧带正电的第二正电带电体51浸入第二导电液体4时，第一导电液体3会带上正电荷，第二导电液体4会带上负电荷，电流从负载1的右侧流向左侧。如图11所示，当第一负电带电体22和第二正电带电体51从导电液体中离开，第一导电液体3和第二导电液体4重新回到不带电的状态，电流从负载1的左侧流向右侧。如图12所示，当负载左侧的第一正电带电体21浸入第一导电液体3，同时右侧带正电的第二负电带电体52浸入第二导电液体4时，第一导电液体3会带上负电荷，第二导电液体4会带上正电荷，电流从负载1的左侧流向右侧。如图13所示，当第一正电带电体21和第二负电带电体52从导电液体中离开，第一导电液体3和第二导电液体4重新回到不带电的状态，电流从负载1的右侧流向左侧。
综上所述，本发明实施例提供的静电感应发电机，利用液体与固体表面良好的接触性能，通过负载将第一发电结构中的第一导电液体和地面连通，并在第一导电液体外设置可活动地第一带电组件，以在第一带电组件浸没在第一导电液体中时，第一导电液体产生对应第一带电组件的电荷，通过改变第一带电组件所带电荷，从而可在负载中产生交变电流，有效提升静电感应发电机的功率密度和效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种静电感应发电机，其特征在于，包括：
第一发电结构和负载；
所述第一发电结构包括：第一带电组件和第一导电液体；
所述第一导电液体通过所述负载与地面电性连接；所述第一带电组件可活动地安装在所述第一导电液体边缘，以在所述第一带电组件浸没在所述第一导电液体中时，所述第一导电液体产生对应所述第一带电组件的电荷。
2.根据权利要求1所述的静电感应发电机，其特征在于，所述第一带电组件包括：
第一正电带电体和/或第一负电带电体；
所述第一正电带电体和/或所述第一负电带电体可活动地安装在所述第一导电液体边缘，以在所述第一正电带电体或所述第一负电带电体浸没在所述第一导电液体中时，所述第一导电液体产生对应所述第一正电带电体或对应所述第一负电带电体的电荷。
3.根据权利要求1所述的静电感应发电机，其特征在于，所述第一带电组件还包括：
第一正电带电体、第一负电带电体和分别用于控制所述第一正电带电体和所述第一负电带电体在所述第一导电液体边缘移动的第一驱动装置；
所述第一驱动装置同时与所述第一正电带电体和所述第一负电带电体连接，以在需要发电时，控制所述第一正电带电体浸没在所述第一导电液体中，并将所述第一负电带电体置于所述第一导电液体外；或控制所述第一负电带电体浸没在所述第一导电液体中，并将所述第一正电带电体置于所述第一导电液体外。
4.根据权利要求2所述的静电感应发电机，其特征在于，所述第一带电组件还包括：
第一绝缘层；所述第一绝缘层包裹在所述第一正电带电体和所述第一负电带电体外。
5.根据权利要求3所述的静电感应发电机，其特征在于，所述静电感应发电机还包括：第二发电结构；所述第二发电结构包括：第二导电液体；所述第一导电液体通过所述负载与所述第二导电液体电性连接。
6.根据权利要求5所述的静电感应发电机，其特征在于，所述第二发电结构还包括：第二带电组件；
所述第二带电组件可活动地安装在所述第二导电液体边缘，以在所述第二带电组件浸没在所述第二导电液体中时，所述第二导电液体产生对应所述第二带电组件的电荷。
7.根据权利要求6所述的静电感应发电机，其特征在于，所述第二带电组件包括：
第二正电带电体和/或第二负电带电体；
所述第二正电带电体和/或所述第二负电带电体可活动地安装在所述第二导电液体边缘，以在所述第二正电带电体或所述第二负电带电体浸没在所述第二导电液体中时，所述第二导电液体产生对应所述第二正电带电体或对应所述第二负电带电体的电荷。
8.根据权利要求6所述的静电感应发电机，其特征在于，所述第二带电组件还包括：
第二正电带电体、第二负电带电体和分别用于控制所述第二正电带电体和所述第二负电带电体在所述第二导电液体边缘移动的第二驱动装置；
所述第二驱动装置同时与所述第二正电带电体和所述第二负电带电体连接，以在需要发电时配合所述第一驱动装置；
所述第二驱动装置在所述第一正电带电体浸没在所述第一导电液体中，且所述第一负电带电体置于所述第一导电液体外时，控制所述第二负电带电体浸没在所述第二导电液体中，并将所述第二正电带电体置于所述第二导电液体外；
所述第二驱动装置在所述第一负电带电体浸没在所述第一导电液体中，且所述第一正电带电体置于所述第一导电液体外时，控制所述第二正电带电体浸没在所述第二导电液体中，并将所述第二负电带电体置于所述第二导电液体外。
9.根据权利要求7所述的静电感应发电机，其特征在于，所述第二带电组件还包括：
第二绝缘层；所述第二绝缘层包裹在所述第二正电带电体和所述第二负电带电体外。
10.根据权利要求7所述的静电感应发电机，其特征在于，所述第一发电结构还包括：用于收容所述第一导电液体的第一导电液体槽；所述第二发电结构还包括：用于收容所述第二导电液体的第二导电液体槽。
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