CN114719385B - 一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统 - Google Patents

一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114719385B
CN114719385B CN202210269340.9A CN202210269340A CN114719385B CN 114719385 B CN114719385 B CN 114719385B CN 202210269340 A CN202210269340 A CN 202210269340A CN 114719385 B CN114719385 B CN 114719385B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
friction
voltage direct
electrode
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210269340.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114719385A (zh
Inventor
郑启伟
郑莉
陈翔宇
方林
唐晓龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Electric Power University
Original Assignee
Shanghai Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Electric Power University filed Critical Shanghai Electric Power University
Priority to CN202210269340.9A priority Critical patent/CN114719385B/zh
Publication of CN114719385A publication Critical patent/CN114719385A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114719385B publication Critical patent/CN114719385B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F8/00—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying
    • F24F8/10—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by separation, e.g. by filtering
    • F24F8/192—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by separation, e.g. by filtering by electrical means, e.g. by applying electrostatic fields or high voltages
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/41—Ionising-electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/45—Collecting-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
    • Y02A50/2351—Atmospheric particulate matter [PM], e.g. carbon smoke microparticles, smog, aerosol particles, dust

Abstract

本发明提供了一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于，包括：高压直流摩擦纳米发电机，用于将机械能转化为直流电信号输出，包括摩擦发电组件和空气击穿放电组件；以及除尘玻璃，与高压直流摩擦纳米发电机电连接，包括集尘电极组件、放电电极组件以及框架组件，用于高效除尘。该自供能除尘系统在工作过程中不需要任何过滤材料，可以通过高压静电吸附的方式去除空气中的颗粒物。同时，保持了窗户通风、透光的固有性能。本发明简单易行，成本低廉，安全可靠，为改善起居健康和营造更清洁的室内空气环境提供了一种有潜力、自驱动的、可持续的办法，具有广泛的实际应用价值。

Description

一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统
技术领域
本发明涉及除尘技术领域，具体涉及一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统。
背景技术
颗粒物PM2.5是雾霾的主要成分，人体长时间处于雾霾环境会引起心血管和呼吸系统疾病等健康问题。室外空气污染也会影响室内空气质量，大气中的PM可以通过自然通风、空调通风系统以及建筑物缝隙的渗透进入室内。因此，室内空气净化设备在人们日常生活起到了必不可少的作用。
在现有技术中，通常采用负离子净化、静电除尘、过滤除尘等方式去除室内的PM。然而，这些传统方法存在许多缺点，例如：现有的静电除尘器、负离子发生器需要升压电路提高输出电压，具有潜在使用危险，为避免误碰需设置保护措施保障用电安全，整体电路复杂，体积大，且存在潜在的使用危险；作为替代方案，过滤除尘技术使用风扇带动污染空气通过纤维过滤材料，需要配备风机，其高风阻特性会增加风机的工作负荷，带来产生噪音问题，此外，还需要频繁更换过滤材料，增加了使用成本。因此，现阶段缺乏一种结构简洁、成本低、舒适度高且安全性强的室内除尘系统来保障人们的健康。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统。为此，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于，包括：高压直流摩擦纳米发电机，用于将机械能转化为直流电信号输出，包括摩擦发电组件和空气击穿放电组件；以及除尘玻璃，与高压直流摩擦纳米发电机电连接，包括集尘电极组件、放电电极组件以及框架组件，其中，摩擦发电组件包括定子、转子以及公共旋转轴，转子安装在定子的内侧，可转动地设置在公共旋转轴上，包括第一基底层和设置在第一基底层外侧的第一摩擦层，定子套设在转子外部，由极化器、海绵层以及第二基底层从内到外依次层叠而成，极化器为由至少1个第二摩擦层和至少1个第三摩擦层沿周向间隔设置组成的环状结构，空气击穿放电组件固定在定子上，集尘电极组件包括相互贴合的第一结构层和第一电极层，放电电极组件包括线状电极和网状电极，线状电极包括第二电极层和第二固定件，网状电极包括第三电极层和第三固定件，集尘电极组件与高压直流摩擦纳米发电机的正极连接，放电电极组件与高压直流摩擦纳米发电机的负极连接，框架组件包括框架主体和设置在框架主体上的第四电极层，放电电极组件和集尘电极组件可移动地设置在框架主体上，用于产生静电场。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一摩擦层、第二摩擦层以及第三摩擦层采用三种不同材料且三者之间的电子亲和力不同。三种摩擦层的得电子能力强弱分别为：第二摩擦层＞第一摩擦层＞第三摩擦层。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，空气击穿放电组件包括多个由直径1μm-20μm的柔性碳纤维材料组成的电刷，电刷垂直于第一摩擦层设置，电刷与第一摩擦层之间的距离为1mm-3mm。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一摩擦层、第二摩擦层以及第三摩擦层均采用厚度300nm-500μm的高分子聚合物材料。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，定子的直径范围为160mm-180mm。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一基底层和第二基底层的厚度范围均为5mm-20mm，第一结构层和第一电极层的厚度范围均为1mm-5mm。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，高压直流摩擦纳米发电机的接入电阻为1MΩ-100MΩ，输出电流为恒流。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一基底层采用绝缘材料，第一结构层采用透明绝缘材料，第一电极层采用透明导电材料。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一结构层采用透明亚克力或玻璃，第一电极层采用氧化铟锡透明导电膜玻璃。
在本发明提供的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统中，还可以具有这样的特征：其中，第四电极层为导电胶布。
发明的作用与效果
本发明所涉及的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，包括高压直流摩擦纳米发电机和除尘玻璃，这些结构具有以下效果：
高压直流摩擦纳米发电机包括摩擦发电组件和空气击穿放电组件。摩擦发电组件包括定子、转子以及公共旋转轴。转子安装在定子的内侧，可转动地设置在公共旋转轴上，通过旋转结构提高了摩擦材料表面的电荷密度，能够在旋转时通过摩擦发电。转子包括第一基底层和设置在第一基底层外侧的第一摩擦层。定子套设在转子外部，由极化器、海绵层以及第二基底层从内到外依次层叠而成。极化器为由至少1个第二摩擦层和至少1个第三摩擦层沿周向间隔设置组成的环状结构。空气击穿放电组件固定在定子上，能够收集第一摩擦层上的表面电荷。由空气击穿放电组件和摩擦发电组件组成的高压直流摩擦纳米发电机能将广泛存在的机械能，如风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量转化为电能，从而稳定、持续的输出高压直流电。将高压直流摩擦纳米发电机应用于除尘系统，可有效节约能源。通过摩擦起电和空气击穿效应，高压直流摩擦纳米发电机能够产生很高的静电场，其开路电压很容易达到上万伏，然而因为其自身的高阻抗特性，输出的电流往往很低，保障了使用过程中的安全性。此外，高压直流摩擦纳米发电机还具有重量轻、成本低的特点，可选用的材料范围较广，易于制作。
除尘玻璃与高压直流摩擦纳米发电机电连接，包括集尘电极组件、放电电极组件以及框架组件。集尘电极组件与高压直流摩擦纳米发电机的正极连接，集尘电极组件包括相互贴合的第一结构层和第一电极层。放电电极组件与高压直流摩擦纳米发电机的负极连接，放电电极组件包括线状电极和网状电极，线状电极包括第二电极层和第二固定件，网状电极包括第三电极层和第三固定件。框架组件包括框架主体和设置在框架主体上的第四电极层。放电电极组件和集尘电极组件可移动地设置在框架主体上，能够产生静电场，从而吸附空气中的颗粒物。
因此，本发明所涉及的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统整体结构简单，可以在生活中的窗户上直接进行加工安装，制造成本低，容易普及应用，同时具有较高的舒适度和较强的安全性。
附图说明
图1是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的俯视图；
图2是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的展开图；
图3是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的三种驱动方式示意图；
图4是本发明的实施例中除尘玻璃的结构示意图；
图5是本发明的实施例中除尘玻璃的展开图；
图6是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的工作原理图；
图7是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的短路电流和开路电压的影响因素测试图；
图8是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的电输出性能测试图；
图9是本发明的实施例中除尘玻璃的工作原理图；以及
图10是本发明的实施例中除尘玻璃的除尘性能测试图；
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的俯视图，图4是本发明的实施例中除尘玻璃的结构示意图。
如图1、4所示，自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统100包括高压直流摩擦纳米发电机10和除尘玻璃20。
图2是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的展开图。
如图2所示，高压直流摩擦纳米发电机10用于将机械能转化为直流电信号输出，包括摩擦发电组件11和空气击穿放电组件12。高压直流摩擦纳米发电机10在接入电阻为1MΩ-100MΩ时，输出电流为恒流。
摩擦发电组件11包括定子111、转子112以及公共旋转轴113，转子112安装在定子111的内侧，转子112可转动地设置在公共旋转轴113上，定子111的直径范围为160mm-180mm。在本实施例中，定子111的外径为180mm，内径为160mm，厚度为20mm；转子112的外径为160mm，厚度为20mm。公共旋转轴113通过定子111、转子112的中心。公共旋转轴113与转子112通过胶水或者螺钉连接等方法固定，公共旋转轴与定子之间使用轴承连接。在实际应用中，可以根据实际应用条件选择合适的固定方法。
转子112包括第一基底层1121和设置在第一基底层1121外侧的第一摩擦层1122。定子111套设在转子112外部，由极化器1111、海绵层1112以及第二基底层1113从内到外依次层叠而成。第一基底层1121采用绝缘材料，第一基底层1121和第二基底层1113的厚度范围均为5mm-20mm。极化器1111为由至少1个第二摩擦层1111a和至少1个第三摩擦层1111b沿周向间隔设置组成的环状结构。第一摩擦层1122、第二摩擦层1111a以及第三摩擦层1111b采用三种不同材料且三者之间的摩擦电子亲和力不同。定子111的第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b可选用高分子聚合物材料或半导体或金属材料。第一摩擦层1122、第二摩擦层1111a以及第三摩擦层1111b均采用厚度300nm-500μm的弹性材料或柔性材料。转子112的第一摩擦层1122选择弹性材料或柔性材料，可以增加受到外力作用时的接触面积。同样，定子111的第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b可以选择网状结构，增加表面粗糙程度，达到更加有效的摩擦。第一摩擦层1122的材料和第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b的材料的摩擦电子亲和力需满足：第二摩擦层1111a＞第一摩擦层1122＞第三摩擦层1111b的材料。通过实验发现，当第一摩擦层1122表面与第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b表面材料的得电子能力之间的差值越接近时，空气击穿放电组件12的输出的电信号越强。在实际应用中，可以根据实际需要选择合适的材料来制备第一摩擦层1122、第二摩擦层1111a以及第三摩擦层1111b，以获得更好的输出效果。定子111的第二基底层1113、公共旋转轴113对发电机主要起到支撑、固定、连接以及驱动的作用，因此，采用机械结构强度较好的材料，可以为导体、绝缘体，例如不锈钢、尼龙板、亚克力、尼龙、树脂。转子的第一基底层1121必须为绝缘材料，可以选自尼龙、树脂等绝缘材料。转子112的第一摩擦层1122与第一基底层1121之间，定子111的极化器1111、海绵层1112以及第二基底层1113之间，均可采用常规的粘贴等固定方式。
图3是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的三种驱动方式示意图。
如图3所示，转子112嵌套在定子111内侧使第一摩擦层1122与极化器1111上的第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b接触。公共旋转轴113与摩擦发电组件11中转子112的第一基底层1121连接固定。摩擦发电组件11的定子1113上装有轴承，保障公共旋转轴113在定子111和转子112的中心放置。转子112围绕公共旋转轴113旋转，在公共旋转轴113上还设置有外部驱动装置，使转子112旋转。图3a是风杯驱动装置，图3b是水轮驱动装置，图3c是人力驱动装置。运动的气流、流动的液体、人力等方式在外部驱动装置的作用下可以使转子112做旋转运动。
空气击穿放电组件12固定在定子111上。空气击穿放电组件12由多个嵌套在第二基底层1113上的电刷121组成。电刷121垂直于第一摩擦层1122设置，电刷与第一摩擦层1122之间的距离为1mm-3mm。多个电刷121并联接入外电路，从而提高输出电流。在本实施例中，电刷121采用直径1μm-20μm的柔性碳纤维材料制成。
在转子112旋转过程中，第一摩擦层1122相对于极化器1111上的第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b以公共旋转轴113为轴转动，使第一摩擦层1122与第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b之间互相滑动摩擦产生电荷，第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b表面积累大量异号电荷充当电荷泵作用。第一摩擦层1122表面携带的异号电荷通过与电刷121间的空气击穿释放，在外电路产生直流电信号。第一摩擦层1122和第二摩擦层1111a摩擦时，第二摩擦层1111a表面带负电，第一摩擦层1122表面带正电；第一摩擦层1122和第三摩擦层1111b摩擦时，第三摩擦层1111b表面带正电，第一摩擦层1122表面带负电。当带有异号静电荷的第一摩擦层1122靠近电刷121时，在高压静电场下，电子发生电子雪崩效应，空气中形成导电导通，使电刷121和第一摩擦层1122的间隙发生空气击穿产生电流。短路电流随着电刷121数量的增加而增加，开路电压随电刷121数量的增加而减小。通过改变极化器111上第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b的组数和电刷121的对数，可以调控发电机的电压、电流输出。本实施例中，采用2对和2组极化器，即4个电刷121和2个第二摩擦层1111a与2个第三摩擦层1111b。随着电刷121对数的增加使输出电荷量增加导致更多颗粒物通过放电电极时被荷电，但是电刷121对数的增加会导致开路电压降低，从而使集尘电极对颗粒物的吸附效果减弱，不容易吸附或者容易二次扬尘。经过测试证明，当采用2对电刷和2组极化器，即4个电刷121和2个第二摩擦层1111a与2个第三摩擦层1111b时，除尘效果最好。
图6是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的工作原理图。
图6a为初始状态，转子侧的第一摩擦层1122与定子侧的第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b之间没有摩擦，三种材料的表面均不带电。当转子顺时针旋转时，如图6b所示，定子侧的第二摩擦层1111a、第三摩擦层1111b和转子侧的第一摩擦层1122发生接触摩擦，由于材料的摩擦电子亲和力不同，三种材料的得电子能力为材料1111a>材料1122>材料1111b。此外，第一摩擦层1122选用驻极体材料，摩擦产生的电荷会保持在第一摩擦层1122的表面。第一摩擦层1122和第二摩擦层1111a摩擦时，第二摩擦层1111a表面带负电，第一摩擦层1122表面带正电；第一摩擦层1122和第三摩擦层1111b摩擦时，第三摩擦层1111b表面带正电，第一摩擦层1122表面带负电。如图6c所示，随着转子的旋转，当携带大量异号电荷的第一摩擦层1122转动到电刷121附近时，此时电刷121和第一摩擦层1122之间的气隙上产生非常高的静电场。当电场强度超过空气电介质的临界击穿场强时，间隙距离内的空气将被电离并形成导电通路，此时电子将从第一摩擦层1122带正电荷表面，通过两组电刷之间的外电路转移至材料1122带负电荷表面。如果转子持续顺时针旋转，连续的直流电输出将在外电路中流动。如果转子从顺时针变成逆时针旋转，外电路的直流电信号则会反向输出。
图7是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的短路电流和开路电压的影响因素测试图。
如图7所示，在本实施示例中，为表征高压直流摩擦纳米发电机的电输出影响因素，对转子直径为100mm、120mm、140mm和160mm的器件进行了电学性能表征。测试中，用固定转速的步进电机控制转子匀速旋转。图7(a)、(b)是高压直流摩擦纳米发电机在不同转子直径下输出的开路电压和短路电流，测试时步进电机的转速是120rpm。此时，高压直流摩擦纳米发电机的开路电压从16kV上升至27kV，随着转子直径的增大而增大，其短路电流都为2μA与转子直径无关。说明了高压直流摩擦纳米发电机的开路电压与集电极的间距正相关。图7(c)、(d)是高压直流摩擦纳米发电机的电输出与集电极对数之间的关系。在一对集电极时，开路电压约为27kV，短路电流为2μA；两对集电极时，开路电压约为21kV，短路电流为4.7μA；四对集电极时，开路电压约为12kV，短路电流为9.4μA。说明了高压直流摩擦纳米发电机的电输出性能可以通过并联不同电极对数的集电极来调控。图7(e)、(f)是高压直流摩擦纳米发电机的电输出与第一摩擦层材料的关系。第一摩擦层材料分别为PET、Kapton和HDPE三种驻极体材料时。在第一摩擦层为PET时，开路电压约为12kV，短路电流为1.1μA；第一摩擦层为Kapton时，开路电压约为14kV，短路电流为1.2μA；第一摩擦层为HDPE时，开路电压约为27kV，短路电流为2μA。测试中，发现HDPE材料作为第一摩擦层有着优秀的摩擦起电性能。
图8是本发明的实施例中高压直流摩擦纳米发电机的电输出性能测试图。
在本实施示例中，测量了高压直流摩擦纳米发电机在两对集电极时的电学性能。图8(a)、(b)是高压直流摩擦纳米发电机在不同转速下测得的开路电压和短路电流。其开路电压随着转速的增加而增大，最终趋于稳定。当电机转速在180rpm时，测得高压直流摩擦纳米发电机的正反转电压分别为20.5kV和-19.5kV。短路电流随着转速的增加而增加，当电机转速在180rpm时，测得高压直流摩擦纳米发电机的短路电流峰值为5.5μA、短路电流谷值为1.4μA。图8(c)是高压直流摩擦纳米发电机在120rpm转速下测得的正反转短路电流，其正反转电流近似相同，其值大小约为5μA。图8(d)是高压直流摩擦纳米发电机在30rpm转速下，0.31s内产生了200nC的转移电荷。图8(e)是高压直流摩擦纳米发电机在1MΩ到20GΩ的功率曲线，其最大峰值输出功率为28.5mW。图8(f)是高压直流摩擦纳米发电机的电容充电曲线，在120rpm的转速下，一个10μF的电容器可以在10s内充1.87V。
通过图7、8中对高压直流摩擦纳米发电机的测试，可以得到高压直流摩擦纳米发电机在低频环境下有很好的电学性能。虽然器件能够产生20kV以上的开路电压，但受限于最大转移电荷量，其最大短路电流不超过10μA。因此，不会对使用者造成潜在的危险。
图4是本发明的实施例中除尘玻璃的结构示意图，图5是本发明的实施例中除尘玻璃的展开图。
如图4、5所示，除尘玻璃20与高压直流摩擦纳米发电机10电连接，包括集尘电极组件21、放电电极组件22以及框架组件23。
集尘电极组件21包括相互贴合的第一电极层211和第一结构层212，第一结构层212和第一电极层211的厚度范围均为1mm-5mm，第一结构层212采用绝缘材料，优先选取透明的材料，例如亚克力、玻璃等。第一电极层211采用透明导电材料。在本实施例中，第一结构层212采用透明亚克力材料，第一电极层211采用氧化铟锡透明导电膜玻璃(ITO)。在本实施例中，集尘电极组件21设置为2组，前后平行安装在框架组件23上。
放电电极组件22包括线状电极221和网状电极222，线状电极221和网状电极222前后平行安装在框架组件23上。线状电极221包括第二电极层2211和第二固定件2212，网状电极222包括第三电极层2221和第三固定件2222。第二固定件2212和第三固定件2222均为矩形框体结构，分别用于支撑固定第二电极层2211、第三电极层2221。集尘电极组件21与高压直流摩擦纳米发电机10的正极连接，放电电极组件22与高压直流摩擦纳米发电机10的负极连接。放电电极的材料可选择铜、铝、铁等常见金属，在本实施例中，第二电极层2211采用紫铜材料，第三电极层2221选用不锈钢材料。
框架组件23包括框架主体231和设置在框架主体上的第四电极层232。在本实施例中，框架主体231为木制，第四电极层232为导电胶布。在实际应用中，第四电极层232的材料可以选择铜、铝、铜镍胶布等常见的金属胶带。放电电极组件22和集尘电极组件21通过上下两侧的滑轨可移动地安装在框架主体231上，用于产生静电场。第四电极层232粘贴在滑轨上，保障放电电极组件22和集尘电极组件21的电路连接。第一结构层212、第二固定件2212以及第三固定件2222上都粘贴有第四电极层232，当集尘电极组件21、放电电极组件22安装到位后，电路导通，输入高压直流电信号后除尘玻璃开始工作。
图9是本发明的实施例中除尘玻璃的工作原理图。
如图9所示，图9a是除尘玻璃20的模型图，框架主体231采用木框结构作为支撑，第二电极层2211采用紫铜作为电极材料，第三电极层2221采用不锈钢作为电极材料。图9b展示了固体颗粒物(PM)在气流下靠近除尘玻璃且还未被荷电的状态。当摩擦直流发电机旋转时，除尘玻璃上产生了高压静电场，此时，PM随着气流通过放电电极，带正电的粒子将被吸附在放电电极上，而未带电或带负电的粒子在放电电极的高压负电场下带电。然后带电粒子在电场作用下接近集尘电极，最终如图9c所示被捕获并附着，实现颗粒污染物与空气的分离。
图10是本发明的实施例中除尘玻璃的除尘性能测试图。
图10(a)展示了除尘玻璃的两种结构，a1为网板结构，a2为线板结构。图10(b)展示了除尘系统在不同放电极结构下的除尘效果。实验时，先注入100mL粉尘气体，然后高压直流摩擦纳米发电机10工作。线板结构的电极在323s内将颗粒物PM2.5浓度从1091μg/m3降低到50μg/m3。网板结构的电极在330s内将颗粒物PM2.5浓度从1050μg/m3降低到50μg/m3。在相同条件下，将高压直流摩擦纳米发电机10静置，此时测量的颗粒物浓度变化作为对照组，330s后气室内颗粒物PM2.5浓度为589μg/m3。图10(c)测试了不同放电电极结构对粉尘的拦截能力。实验时，先使高压直流摩擦纳米发电机10工作，然后注入100mL粉尘气体。网板结构比线板结构快了117s(PM降低到50μg/m3)。说明了网板结构对粉尘有很好的拦截效果。图10(d)展示了网板结构对PM10、PM5、PM2.5的效果，将PM10的浓度从1773μg/m3降至50μg/m3需要212s,将PM5的浓度从1363μg/m3降至50μg/m3需要209s,将PM2.5的浓度从954μg/m3降至50μg/m3需要199s，对不同大小的颗粒物有着良好的吸附效果。图10(e)采用归一化方法处理数据，控制集电极对数的变化，其它变量相同。可以得到：当高压直流摩擦纳米发电机10采用2对集电刷结构时除尘效果最好。其原因是随着集电刷121对数的增加使输出电荷量增加导致更多颗粒物通过放电电极时被荷电。但是集电刷对数的增加会导致开路电压降低，从而使集尘电极对颗粒物的吸附效果减弱(不容易吸附或者容易二次扬尘)。经过测试，当高压直流摩擦纳米发电机10在二对集电极时的除尘效果最好。
实施例的作用与效果
本实施实例所涉及的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，包括高压直流摩擦纳米发电机和除尘玻璃，这些结构具有以下效果：
高压直流摩擦纳米发电机包括摩擦发电组件和空气击穿放电组件。摩擦发电组件包括定子、转子以及公共旋转轴。转子安装在定子的内侧，可转动地设置在公共旋转轴上，通过旋转结构提高了摩擦材料表面的电荷密度，能够在旋转时通过摩擦发电。公共旋转轴与转子通过胶水或者螺钉连接等方法固定，公共旋转轴与定子之间使用轴承连接。在实际应用中，可以根据实际应用条件选择合适的固定方法。转子包括第一基底层和设置在第一基底层外侧的第一摩擦层。定子套设在转子外部，由极化器、海绵层以及第二基底层从内到外依次层叠而成。极化器为由至少1个第二摩擦层和至少1个第三摩擦层沿周向间隔设置组成的环状结构。空气击穿放电组件固定在定子上，能够收集摩擦层上的表面电荷。空气击穿放电组件采用多个碳纤维电刷并联接入外电路，从而提高输出电流。碳纤维能够很好收集空气中的游离电荷。本实施例中采用2对，即4个电刷结构的摩擦直流纳米发电机，整个除尘装置能够达到较好的除尘效果。转子嵌套在定子内侧使第一摩擦层与极化器上的第二摩擦层、第三摩擦层接触。转子的第一摩擦层选择弹性材料或柔性材料，可以增加受到外力作用时的接触面积。定子的第二摩擦层、第三摩擦层选择网状结构，可以增加表面粗糙程度，达到更加有效的摩擦。定子的第二基底层、公共旋转轴对发电机主要起到支撑、固定以及连接作用。转子的第一摩擦层与第一基底层之间，定子的极化器、海绵层以及第二基底层之间，均可采用常规的粘贴等固定方式，易于生产制造。公共旋转轴与摩擦发电组件中转子的第一基底层连接固定。摩擦发电组件的定子上装有轴承，可保障公共旋转轴在定子和转子的中心放置。在公共旋转轴上还设置有外部驱动装置，使转子绕公共旋转轴旋转。运动的气流、流动的液体、人力等方式在外部驱动装置的作用下可以使转子做旋转运动。由空气击穿放电组件和摩擦发电组件组成的高压直流摩擦纳米发电机能将广泛存在的机械能，如风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量转化为电能，从而稳定、持续的输出高压直流电。将高压直流摩擦纳米发电机应用于除尘系统，可有效节约能源。通过摩擦起电和静电感应效应，高压直流摩擦纳米发电机能够产生很高的静电场，其开路电压很容易达到上千伏，然而因为其自身的高阻抗特性，输出的电流往往很低，保障了使用过程中的安全性。此外，高压直流摩擦纳米发电机还具有重量轻、成本低的特点，可选用的材料范围较广，易于制作。
除尘玻璃与高压直流摩擦纳米发电机电连接，包括集尘电极组件、放电电极组件以及框架组件。集尘电极组件与高压直流摩擦纳米发电机的正极连接，集尘电极组件包括相互贴合的第一结构层和第一电极层。放电电极组件与高压直流摩擦纳米发电机的负极连接，放电电极组件包括线状电极和网状电极，线状电极包括第二电极层和第二固定件，网状电极包括第三电极层和第三固定件。框架组件包括框架主体和设置在框架主体上的第四电极层。框架主体为木制，第四电极层为导电胶布。第四电极层粘贴在滑轨上，能够保障放电电极组件和集尘电极组件的电路连接。放电电极组件和集尘电极组件通过上下两侧的滑轨可移动地安装在框架主体上，能够产生静电场，从而吸附空气中的颗粒物。在本实施例中，第一结构层采用透明亚克力材料，第一电极层采用氧化铟锡透明导电膜玻璃(ITO)，不影响玻璃的透光性，较为美观。第二固定件和第三固定件均为矩形框体结构，能够分别支撑固定第二电极层、第三电极层。集尘电极组件与高压直流摩擦纳米发电机的正极连接，放电电极组件与高压直流摩擦纳米发电机的负极连接，从而产生静电场吸附灰尘。
本发明采用的高压直流摩擦纳米发电机和除尘玻璃相结合，组成一种新型的室内除尘系统。高压直流摩擦纳米发电机通过收集环境中的风能、水能或者人体机械能，将其转换成高压直流电用于除尘玻璃，形成的高压静电场可以有效的静电吸附空气中的固体颗粒物。整个除尘系统能够高效的吸附包括PM10、PM5、PM2.5等多种类型的颗粒物。
本发明中的高压直流摩擦纳米发电机和除尘玻璃，结构简洁，成本低廉，制作方便，使用安全。在实际使用中，对窗户进行电路设计后，组装上集尘电极和放电电极，就可以使用，同时具有较高的舒适度和较强的安全性。其装配简单，可以大规模的生产，容易实现市场化的应用。高压直流摩擦纳米发电机对应不同环境情况，可有效的收集环境中的低频机械能，以高压静电的形式输送给除尘玻璃，实现空气净化的功能。高压直流摩擦纳米发电机通过收集环境中的风能、水能和人体机械能，使转子旋转与极化器摩擦发生空气击穿，产生直流电信号，具有广泛的实际用途，可有效节约能源。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于，包括：
高压直流摩擦纳米发电机，用于将机械能转化为直流电信号输出，包括摩擦发电组件和空气击穿放电组件；以及
除尘玻璃，与所述高压直流摩擦纳米发电机电连接，包括集尘电极组件、放电电极组件以及框架组件，
其中，所述摩擦发电组件包括定子、转子以及公共旋转轴，
所述转子安装在所述定子的内侧，可转动地设置在所述公共旋转轴上，包括第一基底层和设置在所述第一基底层外侧的第一摩擦层，
所述定子套设在所述转子外部，由极化器、海绵层以及第二基底层从内到外依次层叠而成，
所述极化器为由至少1个第二摩擦层和至少1个第三摩擦层沿周向间隔设置组成的环状结构，
所述空气击穿放电组件固定在所述定子上，
所述集尘电极组件包括相互贴合的第一结构层和第一电极层，
所述放电电极组件包括线状电极和网状电极，
所述线状电极包括第二电极层和第二固定件，
所述网状电极包括第三电极层和第三固定件，
所述集尘电极组件与所述高压直流摩擦纳米发电机的正极连接，
所述放电电极组件与所述高压直流摩擦纳米发电机的负极连接，
所述框架组件包括框架主体和设置在所述框架主体上的第四电极层，
所述放电电极组件和所述集尘电极组件可移动地设置在所述框架主体上，用于产生静电场，
所述第一摩擦层、所述第二摩擦层以及所述第三摩擦层采用三种不同材料且三者之间的电子亲和力不同，
三种摩擦层的得电子能力强弱分别为：第二摩擦层＞第一摩擦层＞第三摩擦层。
2.根据权利要求1所述的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于：
其中，所述空气击穿放电组件包括多个由直径1μm-20μm的柔性碳纤维材料组成的电刷，
所述电刷垂直于第一摩擦层设置，所述电刷与第一摩擦层之间的距离为1mm-3mm。
3.根据权利要求1所述的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于：
其中，所述第一摩擦层、所述第二摩擦层以及所述第三摩擦层均采用厚度300nm-500μm的高分子聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于：
其中，所述定子的直径范围为160mm-180mm。
5.根据权利要求1所述的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于：
其中，所述第一基底层和所述第二基底层的厚度范围均为5mm-20 mm，
所述第一结构层和所述第一电极层的厚度范围均为1mm-5mm。
6.根据权利要求1所述的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于：
其中，所述高压直流摩擦纳米发电机的接入电阻为1MΩ-100MΩ，输出电流为恒流。
7.根据权利要求1所述的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于：
其中，所述第一基底层采用绝缘材料，
所述第一结构层采用透明绝缘材料，
所述第一电极层采用透明导电材料。
8.根据权利要求7所述的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于：
其中，所述第一结构层采用透明亚克力或玻璃，
所述第一电极层采用氧化铟锡透明导电膜玻璃。
9.根据权利要求1所述的自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统，其特征在于：
其中，所述第四电极层为导电胶布。
CN202210269340.9A 2022-03-18 2022-03-18 一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统 Active CN114719385B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210269340.9A CN114719385B (zh) 2022-03-18 2022-03-18 一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210269340.9A CN114719385B (zh) 2022-03-18 2022-03-18 一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114719385A CN114719385A (zh) 2022-07-08
CN114719385B true CN114719385B (zh) 2024-02-27

Family

ID=82237912

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210269340.9A Active CN114719385B (zh) 2022-03-18 2022-03-18 一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114719385B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105080258A (zh) * 2014-04-15 2015-11-25 纳米新能源（唐山）有限责任公司 气体净化装置及应用该气体净化装置的车辆空气净化系统
CN105797861A (zh) * 2014-12-31 2016-07-27 北京纳米能源与系统研究所 一种基于摩擦发电机的空气净化系统
CN105986855A (zh) * 2015-01-30 2016-10-05 北京纳米能源与系统研究所 尾气处理装置
WO2017088584A1 (zh) * 2015-11-26 2017-06-01 北京纳米能源与系统研究所 一种摩擦电除尘装置、除尘系统和除尘方法
KR20200047227A (ko) * 2018-10-28 2020-05-07 센서클라우드주식회사 미세 먼지 집진 시트, 미세 먼지 집진 장치 및 이의 구동 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105080258A (zh) * 2014-04-15 2015-11-25 纳米新能源（唐山）有限责任公司 气体净化装置及应用该气体净化装置的车辆空气净化系统
CN105797861A (zh) * 2014-12-31 2016-07-27 北京纳米能源与系统研究所 一种基于摩擦发电机的空气净化系统
CN105986855A (zh) * 2015-01-30 2016-10-05 北京纳米能源与系统研究所 尾气处理装置
WO2017088584A1 (zh) * 2015-11-26 2017-06-01 北京纳米能源与系统研究所 一种摩擦电除尘装置、除尘系统和除尘方法
KR20200047227A (ko) * 2018-10-28 2020-05-07 센서클라우드주식회사 미세 먼지 집진 시트, 미세 먼지 집진 장치 및 이의 구동 방법

Also Published As

Publication number Publication date
CN114719385A (zh) 2022-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN203874622U (zh) 气体净化装置及应用该气体净化装置的车辆空气净化系统
CN201350420Y (zh) 一种无臭氧可清洗静电集尘器
Zheng et al. Indoor air dust removal system based on high-voltage direct current triboelectric nanogenerator
US5137552A (en) Dust collecting cell
CN101357351A (zh) 一种无臭氧可清洗静电集尘器
CN105080258A (zh) 气体净化装置及应用该气体净化装置的车辆空气净化系统
CN204911799U (zh) 旋电式除烟尘装置
CN114719385B (zh) 一种自驱动高压直流发电机结合除尘玻璃的室内除尘系统
CN111446883B (zh) 一种用于收集风能的摩擦纳米发电机
CN113489122B (zh) 一种直流液滴发电机及其制备方法
KR20090009549U (ko) 전기집진장치 및 이를 갖는 공기 청정기
JP2010029839A (ja) 集塵装置
US20130106240A1 (en) Power generator
CN112523672A (zh) 一种静电除尘纱窗及其制备方法和应用
Liu et al. Dual-stage-electrode-enhanced efficient SSHI for rotational electret energy harvester
CN106051912A (zh) 等离子空气净化器过滤装置
CN1171983A (zh) 空气净化装置
CN113037126B (zh) 一种复合式水滴固-液摩擦纳米发电机及其使用方法
CN106573250A (zh) 空气过滤器布置
JP2009207989A (ja) 集塵フィルタおよび集塵装置
US4249919A (en) Matrix type electrostatic precipitator
CN218981916U (zh) 一种基于杂化发电机的自供能pm2.5净化及监测装置
CN112275449A (zh) 一种无源式蓄能使用的微静电滤芯及其使用方法
CN110460261A (zh) 一种齿轮啮合结构直流旋转摩擦纳米发电装置
JP2582975B2 (ja) 集塵セル

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant