CN114785184A - 一种转盘式摩擦发电机、能量收集装置及风能收集设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转盘式摩擦发电机、能量收集装置及风能收集设备，通过设置各第二单元与对应输出组的相对位置，使得转盘式摩擦发电机可以实现恒压和/或恒流输出，提高了从机械能到电能的转化效率。并且，根据预设的切换频率，控制第一触头与第一接触端电连接、以及第一触头与第二接触端电连接之间的切换，有利于进一步提高转盘式摩擦发电机的输出效率。此外，通过第一储能模块和第二储能模块，可以对转盘式摩擦发电机输出的电能进行管理和存储，以便于后续电能的应用。

Description

一种转盘式摩擦发电机、能量收集装置及风能收集设备
技术领域
本发明涉及纳米新能源技术领域，尤指一种转盘式摩擦发电机、能量收集装置及风能收集设备。
背景技术
摩擦发电机是一种基于摩擦起电和静电感应原理，将环境中零散的机械能转化为电能的器件，相比于传统的基于电磁发电机，摩擦发电机在低频下具有显著优势，尤其是在5Hz以下，摩擦发电机的转化效率高于电磁发电机，因此，摩擦发电机为高效捕获低频风能，提供了一条颠覆性的技术路径。
摩擦发电机在将机械能转化为电能时，产生的电信号一般为脉冲信号，如何使得摩擦发电机输出恒压和/或恒流信号，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种转盘式摩擦发电机、能量收集装置及风能收集设备，通过设置第二单元与对应输出组的相对位置，使得转盘式摩擦发电机可以实现恒压和/或恒流输出，提高从机械能到电能的转化效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种转盘式摩擦发电机，包括：
共轴的定子和转子，所述定子被划分为N个扇形的第一单元，所述转子被划分为N/2个扇形的第二单元；N为大于1的偶数；相邻的两个所述第一单元为一输出组，所述输出组内的两个所述第一单元的面积相同；在初始状态，各所述第二单元与各所述输出组一一对应设置，且各所述第二单元与对应所述输出组的相对位置不同；
以及至少两个整流结构，所述整流结构与至少一个所述输出组电连接；
其中，在外力作用下，所述转子相对于所述定子发生转动，使得所述第二单元的至少部分与所述第一单元接触并摩擦起电，从所述输出组输出的电信号经过所述整流结构后输出，各所述整流结构输出的信号总和为恒压和/或恒流信号。
第二方面，本发明实施例提供了一种能量收集装置，包括：转盘式摩擦发电机、第一储能模块、第二储能模块、第一开关、以及控制模块；所述转盘式摩擦发电机如本发明实施例提供的上述转盘式摩擦发电机所述；
所述第一储能模块的第一端分别与所述转盘式摩擦发电机的第一输出端、所述第二储能模块的第一端电连接，所述第一储能模块的第二端与所述第一开关的第一触头电连接；所述转盘式摩擦发电机的第二输出端与所述第一开关的第一接触端电连接；所述第二储能模块的第二端与所述第一开关的第二接触端电连接；所述控制模块与所述第一触头电连接；
所述控制模块用于：根据预设的切换频率，控制所述第一触头与所述第一接触端电连接、以及所述第一触头与所述第二接触端电连接之间的切换；
所述第一储能模块用于：在所述第一触头与所述第一接触端电连接时，存储所述转盘式摩擦发电机输出的电能；
所述第二储能模块用于：在所述第一触头与所述第二接触端电连接时，存储所述第一储能模块释放的电能，并对存储的电能进行降压升流处理。
第三方面，本发明实施例提供了一种风能收集设备，包括：如本发明实施例提供的上述能量收集装置。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的一种转盘式摩擦发电机、能量收集装置及风能收集设备，通过设置各第二单元与对应输出组的相对位置，使得转盘式摩擦发电机可以实现恒压和/或恒流输出，提高了从机械能到电能的转化效率。并且，根据预设的切换频率，控制第一触头与第一接触端电连接、以及第一触头与第二接触端电连接之间的切换，有利于进一步提高转盘式摩擦发电机的输出效率。此外，通过第一储能模块和第二储能模块，可以对转盘式摩擦发电机输出的电能进行管理和存储，以便于后续电能的应用。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种转盘式摩擦发电机的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的第一单元的划分方式的示意图；
图3为本发明实施例中提供的另一种转盘式摩擦发电机的结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的转盘式摩擦发电机的输出信号的示意图；
图5为本发明实施例中提供的不同波峰比的信号的示意图；
图6为本发明实施例中提供的在不同相位差对应的耦合信号及波峰比的示意图；
图7为本发明实施例中提供的发电单元的个数对信号的波峰比的影响的示意图；
图8为本发明实施例中提供的发电单元的个数、相位差、以及波峰比的对应关系示意图；
图9为本发明实施例中提供的定子与支撑板之间的距离对输出的影响的示意图；
图10为本发明实施例中提供的转盘式摩擦发电机的稳定性的示意图；
图11为本发明实施例中提供的一种能量收集装置的结构示意图；
图12为本发明实施例中提供的转盘式摩擦发电机输出性能的示意图；
图13为本发明实施例中提供的转盘式摩擦发电机能量输出效率的示意图；
图14为本发明实施例中提供的另一种能量收集装置的结构示意图；
图15为本发明实施例中提供的又一种能量收集装置的结构示意图；
图16为本发明实施例中提供的一种风能收集设备的结构示意图；
图17为本发明实施例中提供的另一种风能收集设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种转盘式摩擦发电机、能量收集装置及风能收集设备的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅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。
本发明实施例提供了一种转盘式摩擦发电机，如图1至图3所示，可以包括：
共轴的定子10和转子20(说明一点，图1中示出了定子和转子，但未示出轴)，定子10被划分为N个扇形的第一单元11，转子20被划分为N/2个扇形的第二单元21；N为大于1的偶数；相邻的两个第一单元11为一输出组12，输出组12内的两个第一单元11的面积相同；在初始状态，各第二单元21与各输出组12一一对应设置，且各第二单元21与对应输出组12的相对位置不同(具体的相对位置，可以但不限于图3所示)；
以及至少两个整流结构30，整流结构30与至少一个输出组12电连接；
其中，在外力作用下，转子20相对于定子10发生转动，使得第二单元21的至少部分与第一单元11接触并摩擦起电，从输出组12输出的电信号经过整流结构30后输出，各整流结构30输出的信号总和为恒压和/或恒流信号。
说明一点，初始状态可以理解为：在外力还没有施加，转子还没有相对于定子发生转动时的状态。
如此，通过设置各第二单元与对应输出组的相对位置，使得转盘式摩擦发电机可以实现恒压和/或恒流输出，提高了从机械能到电能的转化效率。
在一些实施例中，对于定子而言，可以包括电极层，通过对电极层进行切分，可以得到多个扇形的第一单元；
并且，在进行切分时，可以进行等分，此时得到的各第一单元11的面积均是相同的，如图2所示；或者，可以进行非等分，此时得到的各第一单元中，至少部分第一单元的面积是相同的，未给出图示；说明一点，在进行非等分时，需要满足输出组内的两个第一单元的面积是相同的，不同输出组的第一单元的面积可以相同，也可以不相同。
因此，在对电极层进行切分时，可以根据实际需要进行切分，在此并不限定。
此外，定子除了可以包括电极层之外，还可以包括：用于支撑电极层的第二支撑层，电极层可以采用导电材料制作，第二支撑层可以采用绝缘材料制作(例如但不限于采用亚克力板制作第二支撑层)；或者，定子只包括电极层，不包括第二支撑层，此时定子可以采用导电材料制作；具体地，对于定子的结构设置，可以根据实际需要进行设置，在此并不限定。
在一些实施例中，对于转子而言，可以包括介质层，通过对介质层进行切分，可以得到多个扇形的第二单元；
并且，在进行切分时，可以进行等分，此时得到的各第二单元21的面积均是相同的，如图1所示；或者，可以进行非等分，此时得到的各第二单元的面积可以设置为至少部分不同；说明一点，在进行非等分时，需要满足第二单元与第一单元的最大接触面积，要小于或等于第一单元的面积，以保证输出组可以有效输出电信号。
因此，在对介质层进行切分时，可以根据实际需要进行切分，在此并不限定。
此外，转子除了可以包括介质层之外，还可以包括：用于支撑介质层的第一支撑层，介质层可以采用介电材料制作，第一支撑层可以采用绝缘材料制作(例如但不限于采用亚克力板制作第一支撑层)；或者，转子只包括介质层，不包括第一支撑层，此时转子可以直接采用介电材料制作；具体地，对于转子的结构设置，可以根据实际需要进行设置，在此并不限定。
在转子相对于定子发生转动，第二单元中的至少部分与第一单元接触并摩擦起电时，实质上为介质层与电极层接触并摩擦起电，产生电荷转移，从而可以通过输出组中的两个电极输出电信号。
在一些实施例中，整流结构的设置数量，可以设置为至少两个；其中，在N为12时，整流结构的具体设置数量，可以为：2个(未给出图示)、3个(未给出图示)、4个(未给出图示)、5个(未给出图示)或6个(如图3所示)；在整流结构的设置数量为2至5时，可能存在一个整流结构与多个输出组电连接，也可能存在一个整流结构与一个输出组电连接；在整流结构的设置数量等于6个时，整流结构与输出组一一对应设置且电连接；
也就是说，整流结构的设置数量最少为2个，最多为N/2个；
对于具体的整流结构的设置数量，可以根据实际需要进行设置，以满足不同应用场景的需要，提高设计的灵活性。
在一些实施例中，整流结构可以但不限于为整流桥。
需要说明的是，从输出组输出的电信号为脉冲式的交流信号，通过整流结构的整流作用，可以将脉冲式的交流信号调整为脉冲式的直流信号；结合图3所示，整流结构至少设置为两个，且各整流结构输出的电信号汇聚至一起(也即从各整流结构的输出端并联连接)时，多个脉冲式的直流信号可以进行线性叠加，再结合基尔霍夫定律、以及第二单元与对应输出组的相对位置的设置，可以实现叠加的后信号为恒压和/或恒流信号(如图4所示，(a)示出的是恒流信号，(b)示出的是恒压信号)。
在一些实施例中，在初始状态，第二单元与对应输出组的相对位置为相位；
各第一单元的面积相同，任意两个第二单元的相位的差值均相同，且差值为2/N。
例如，结合图3所示，图中示出了六个输出组12和六个第二单元21，每个第二单元21和对应输出组12可以看作是一发电单元，若按照从左至右的顺序，六个发电单元分别记为：发电单元1、发电单元2、发电单元3、发电单元4、发电单元5和发电单元6时，发电单元1的相位用x1表示，发电单元2的相位用x2表示，发电单元3的相位用x3表示，发电单元4的相位用x4表示，发电单元5的相位用x5表示，发电单元6的相位用x6表示，这六个发电单元的相位均是不同的；
并且，第一单元11和第二单元21的划分方式均为等分时，各发电单元输出的电信号是较接近的，差异较小，此时任意两个发电单元的相位差(其中，在本发明实施例中，任意两个发电单元的相位差，与任意两个第二单元21的相位的差值表示相同的含义，二者可以互换使用)可以设置为均相同，且均为2/N，如发电单元1的相位x1与发电单元3的相位x3的差值，等于发电单元1的相位x1与发电单元2的相位x2的差值，且均为2/N。
在实际情况中，对于常规转盘式的摩擦发电机，各发电单元的相位均是相同的，即使连接整流结构，摩擦发电机输出的信号依然为脉冲式的电信号，且电信号的波峰比(即峰值电流与等效电流的比值)比较高，一般为6-12；而恒压恒流信号的波峰比一般接近于1；如果将具有不同相位的摩擦发电机进行耦合叠加时，虽然可以降低耦合后的电信号的波峰比，但耦合后的电信号的波峰比依然较高，所以无法快速有效地将电信号的波峰比降低至1。
并且，若将一个发电单元输出的电信号(如图5中的(a)中实线所示)，经过整流作用之后再输出时定义为目标信号(如图5中的(a)中虚线所示)，通过对Ton/Toff(其中，Ton表示目标信号不为0时对应的时间，Toff表示目标信号为0时对应的时间)的调节，可以得到不同波峰比的目标信号，如图5中(b)至(f)所示；其中，(b)对应Ton/Toff＝5/0，波峰比＝2，(c)对应Ton/Toff＝4/1，波峰比＝2.5，(d)对应Ton/Toff＝3/2，波峰比＝3.33，(e)对应Ton/Toff＝2/3，波峰比＝5，(f)对应Ton/Toff＝1/4，波峰比＝10；
以波峰比为5的目标信号为例，选择10个波峰比为5的目标信号，若这10个目标信号中任意两个目标信号对应的发电单元的相位差均相同，那么分别选择相位差为0.00、0.50、0.20、0.10、0.05、0.02、0.01的七组目标信号(其中每组目标信号中包括10个目标信号)时，可以得到耦合后的信号，如图6所示，(a)表示不同相位差对应的耦合后的电流信号，(b)表示不同相位差对应的耦合后的电流信号的波峰比；很明显，不同相位差对应不同的波峰比，在相位差为0.10时，耦合后的信号的波峰比接近于1，且在(a)可以看到相位差为0.10时，耦合后的信号为恒流信号；也就是说，选择最合适的相位差，可以得到波峰比接近于1的恒流信号。
并且，需要注意的是，若要得到波峰比接近于1的恒流信号，不仅需要精准的相位设计，还需要使得相位设计与发电单元的个数相匹配；结合图7所示，(a)表示同一相位差下发电单元的个数对耦合后的信号的影响，(b)表示同一相位差下发电单元的个数对波峰比的影响；从图中可以看出：在相位差为0.1时，若发电单元的个数达到10个，耦合后的信号则为恒流信号，且耦合后的信号的波峰比接近于1。
基于此，本发明实施例给出了在预定条件下，发电单元的个数、相位差、以及波峰比之间的关系，如图8所示；其中，预定条件包括：各第一单元的面积相同，各第二单元的面积相同。
结合图3所示的结构，以及图8所示的关系，在发电单元设置有六个，各发电单元输出的信号经过整流作用之后仍然为脉冲信号时，任意两个发电单元的相位差设置为1/6，依据基尔霍夫定律和线性电路叠加原理，可以获得恒压恒流信号，且信号的波峰比为1.03，如图4所示。
因此，通过设置匹配的相位差以及与输出组的个数(也即发电单元的个数)，可以使得转盘式摩擦发电机输出恒压恒流信号。
说明一点，在图4中，标出的频率表示转子相对定子的旋转频率。
在一些实施例中，N为12；当然，N并不限于为12，还可以为其他数值，具体可以根据实际需要进行设置，在此并不限定。
说明一点，上述给出的相位差和发电单元的个数的匹配关系，是基于对定子进行等分，且对转子进行等分的基础上给出的；然而，在实际情况中，还可以对定子进行非等分，对转子进行非等分，此时各发电单元输出的电信号的差异较大，所以：任意两个发电单元的相位差可以设置为不同或部分相同，且需要对发电单元的个数重新设置，找到相位差与发电单元的个数的其他匹配关系，以使得转盘式摩擦发电机输出恒压和/或恒流信号；
也就是说，在本发明实施例中，不管任意两个第二单元的相位的差值是否相同，只要能够通过对各第二单元的相位进行精准设计，实现转盘式摩擦发电机输出恒压和/或恒流信号的技术方案，均属于本发明实施例的保护范围。
考虑到转盘式摩擦发电机的服役寿命，为其工业化进程中不可忽视的一个重要因素，不同于常规结构设计中介质层与电极层的直接接触，本发明实施例中，引入了自适应结构，以缓解介质层与电极层之间的硬磨擦，从而延长转盘式摩擦发电机的使用寿命。
具体地，在一些实施例中，转子包括：支撑板(也即第二支撑板)，第二单元的其中一个直线边缘与支撑板连接；
第二单元采用柔性材料制作；
定子与支撑板之间的距离可调。
例如，结合图1所示，图中虚线圈示出了第二单元21在未与支撑板22连接时的状态，此时，第二单元21为一扇形结构，具有两个直线边缘，分别记为y1和y2，在第二单元21与支撑板22连接时，可以使得直线边缘y1与支撑板22连接，进而第二单元21与第一单元11未接触时，第二单元21的伸展方向与支撑板22垂直；
由于第二单元21采用柔性材料制作，在第二单元21与第一单元11接触时，第二单元21可以发生弯折，使得第二单元21的部分可以与第一单元11接触；
并且，随着定子10与支撑板22之间的距离h0逐渐减小，第二单元21与第一单元11的接触面积逐渐增加，转盘式摩擦发电机的输出逐渐增加；随着定子10与支撑板22之间的距离h0逐渐增加，第二单元21与第一单元11的接触面积逐渐减小，转盘式摩擦发电机的输出逐渐减小，如图9所示，图中示出的1.0cm、1.5cm、2.0cm、以及3.0cm均表示距离h0的取值。
因此，通过对转子中第二单元的设置，可以通过自适应压力，使第一单元和第二单元接触，进而影响转盘式摩擦发电机的输出，在折衷一部分能量输出的基础上，延长了转盘式摩擦发电机的使用寿命。
例如，结合图10所示，虚线圈1内的点表示采用常规结构的转盘式摩擦发电机的使用寿命，其余的点表示本发明实施例中h0＝1.5cm的转盘式摩擦发电机的使用寿命，对于采用常规结构的转盘式摩擦发电机，随着循环次数的增加，保持率衰减的非常快，说明出现了较大的磨损，稳定性较差，使用寿命较短；对于本发明实施例中的转盘式摩擦发电机，随着循环次数的增加，保持率依然较高，说明稳定性较好，使用寿命较长。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种能量收集装置，如图11所示，可以包括：转盘式摩擦发电机110、第一储能模块120、第二储能模块130、第一开关k1、以及控制模块140；转盘式摩擦发电机110如本发明实施例提供的上述转盘式摩擦发电机；
第一储能模块120的第一端分别与转盘式摩擦发电机110的第一输出端、第二储能模块130的第一端电连接，第一储能模块120的第二端与第一开关k1的第一触头t1电连接；转盘式摩擦发电机110的第二输出端与第一开关k1的第一接触端d1电连接；第二储能模块130的第二端与第一开关k1的第二接触端d2电连接；控制模块140与第一触头t1电连接；
控制模块140用于：根据预设的切换频率，控制第一触头t1与第一接触端d1电连接、以及第一触头t1与第二接触端d2电连接之间的切换；
第一储能模块120用于：在第一触头t1与第一接触端d1电连接时，存储转盘式摩擦发电机110输出的电能；
第二储能模块130用于：在第一触头t1与第二接触端d2电连接时，存储第一储能模块120释放的电能，并对存储的电能进行降压升流处理。
如此，根据预设的切换频率，控制第一触头与第一接触端电连接、以及第一触头与第二接触端电连接之间的切换，有利于进一步提高转盘式摩擦发电机的输出效率。此外，通过第一储能模块和第二储能模块，可以对转盘式摩擦发电机输出的电能进行管理和存储，以便于后续电能的应用。
例如，不同于常规脉冲电压摩擦发电机，由于本发明实施例提供的转盘式摩擦发电机可以实现恒压和/或恒流信号的输出，所以第一储能模块获取到的电能具有较高的能量和较高的最大平均功率，如图12所示，(a)为常规脉冲电压摩擦发电机的输出性能，(b)为本发明实施例提供的转盘式摩擦发电机的输出性能，(c)为两种摩擦发电机(其中，虚线表示本发明实施例提供的转盘式摩擦发电机，实线表示常规脉冲电压摩擦发电机)输出的电压的比较示意图；其中，常规脉冲电压摩擦发电机输出的电能的能量最高大约为80mJ，最大平均功率大约为2.33mW，本发明实施例提供的转盘式摩擦发电机，输出的电能的能量最高可达170mJ，最大平均功率可达4.56mW，是常规脉冲电压摩擦发电机的1.96倍。因此，本发明实施例提供的转盘式摩擦发电机，具有较高的输出能量和较高的最大平均功率。
并且，增加第一开关的切换频率，还可以进一步地增加第一储能模块获取到的电能，从而，实现恒压和/或恒流输出的转盘式摩擦发电机，搭配第一储能模块、第二储能模块和第一开关，可以最大化的提高能量输出效率和能量传递效率，提高能量收集的效率。
在一些实施例中，切换频率至少为1MHz，第一储能模块的第一端和第二端的压差不为零。
例如，如图13所示，图中的U0表示第一储能模块的第一端和第二端的压差的最低值，(a)为第一储能模块的第一端和第二端的压差的变化示意图，(b)为常规脉冲电压摩擦发电机(如实线所示)和本发明实施例提供的转盘式摩擦发电机(如虚线所示)的能量输出效率的比较示意图，在(b)中，横坐标中的t表示时间，R表示阻值，C表示电容值，另一个横坐标中的U表示第一储能模块的第一端和第二端的压差的最大值；随着切换频率的逐渐增加，U0逐渐增加，且U0可以逐渐增加至大于零，同时随着U0逐渐增加至接近U，此时，能量输出效率可以从50％提升接近至100％。
如此，通过对切换频率的设置，增加切换频率，可以使得第一储能模块的第一端和第二端的压差不为零，从而可以进一步地提高转盘式摩擦发电机的能量输出效率和能量传递效率，提高能量收集的效率。
需要强调的是，结合图13所示，可以得到以下几点：
第一点：本发明实施例提供的转盘式摩擦发电机与常规脉冲电压摩擦发电机相比，即使切换频率相同，由于转盘式摩擦发电机输出恒定信号，所以转盘式摩擦发电机的能量输出效率，依然要高于常规脉冲电压摩擦发电机的能量输出效率；
第二点，随着切换频率逐渐增加，使得第一储能模块的第一端和第二端的压差随之增加，进而可以提高转盘式摩擦发电机的能量输出效率和能量传递效率，最大化转盘式摩擦发电机的输出性能。
在一些实施例中，如图14所示，第一储能模块120包括：第一电容C1；第二储能模块130包括：二极管D0、电感L和第二电容C2；
电感L的第一端分别与二极管D0的正极、第一电容C1的第一端、以及转盘式摩擦发电机110的其中一个输出端电连接，电感L的第二端与第二电容C2的第一端电连接；
二极管D0的负极分别与第二接触端d2、第二电容C2的第二端电连接；
第一电容C1的第二端与第一触头t1电连接。
如此，结合图14所示，在第一开关k1中的第一触头t1与第一接触端d1电连接时，转盘式摩擦发电机110与第一电容C1形成回路，转盘式摩擦发电机110对第一电容C1进行充电；在第一触头t1与第一接触端d1断开，且第一触头t1与第二接触端d2电连接时，存储在第一电容C1上的电能可以转移至电感L和第二电容C2中，通过电感L和第二电容C2的配合，且通过二极管D0的单向导通作用，不仅可以实现电能的存储，还可以对第一电容C1释放的电能进行降压升流处理，以便于负载的使用。
具体地，第一储能模块和第二储能模块的具体结构，并不限于图14中所示，还可以为其他可以实现第一储能模块和第二储能模块功能的结构，在此并不限定。
在一些实施例中，如图15所示，还包括：电池150；
电池150与第二储能模块130并联连接；
电池150用于：存储第二储能模块130释放的电能。
如此，可以将第二储能模块存储的电能存储至电池中，以便于实现分布式能源的设置。
在一些实施例中，如图15所示，还包括：太阳能电池160和第二开关k2；
电池150的第一端与第二开关k2的第二触头t2电连接，电池150的第二端还与太阳能电池160的第一端电连接；第二开关k2的第三接触端d3与第二储能模块130的第三端电连接，第二开关k2的第四接触端d4与太阳能电池160的第二端电连接；控制模块还与第二触头t2电连接；
控制模块还用于：在采用太阳能电池160收集太阳能时，控制第二触头t2与第四接触端d4电连接；在采用转盘式摩擦发电机110收集机械能时，控制第二触头t2与第三接触端d3电连接。
如此，结合图15所示，在第二开关k2中的第二触头t2与第三接触端d3电连接时，可以通过转盘式摩擦发电机110收集机械能，并将转化的电能最终存储至电池150中；在第二触头t2与第三接触端d3断开，且第二触头t2与第四接触端d4电连接时，可以通过太阳能电池160收集太阳能，并将转化的电能最终存储至电池150中；从而，通过第二开关k2的控制，可以实现多种能源的收集。
并且，结合图15所示，在第二开关k2中的第二触头t2与第五接触端d5电连接时，可以将电池150存储的电能为负载170供电。
在一些实施例中，控制模块可以但不限于包括中央处理器等具有处理功能的结构，在此并不限定。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种风能收集设备，如图16所示，包括：如本发明实施例提供的上述能量收集装置1601。
该风能收集设备可以应用至沙漠中，由于沙漠中低频风速丰富的特点，该风能收集设备可以通过转盘式摩擦发电机，充分地收集沙漠中的风能，将其转换为电能并实现存储，从而有利于实现分布式能源的设计。
并且，由于沙漠中的日照强度较大，在利用转盘式摩擦发电机收集风能的同时，还可以通过太阳能电池收集沙漠中的太阳能，实现多种能源的收集，且实现沙漠金色能源利用的最大化，推动实现碳达峰、碳中和的目标。
在一些实施例中，风能收集设备可以但不限于为风车(如图17所示)，在风车内部(如图中虚线圈2内所示的位置)可以内置转盘式摩擦发电机、第一储能模块、第二储能模块、第一开关、第二开关和控制模块等结构，太阳能电池160可以设置于风车的架杆m之上，以便于收集太阳能。
并且，在风车内部可以设置有空腔，转盘式摩擦发电机、第一储能模块、第二储能模块、第一开关、第二开关和控制模块等结构可以位于空腔内，空腔内部可以密封气体或设置为真空，以实现高压低压下更高的能量输出。
在一些实施例中，风能收集设备除了可以包括能量收集装置之外，还可以包括其他可以实现风能收集设备功能的结构，在此并不限定。
需要强调的是，本发明实施例提供的转盘式摩擦发电机，基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，通过第二单元与第一单元的摩擦，可以实现电荷的转移与收集，并通过基尔霍夫定律和线性电路叠加原理，设计不同的相位，以获得恒压恒流输出。
具体地，采用可以收集旋转能的结构，用来收集沙漠风能，以实现机械能转化为电能的能量收集方式；并且，通过沙漠风能的能量，带动转盘式摩擦发电机的转子发生运动，并与定子产生相对位移，从而产生电荷转移。通过不同相位的设计，可以使得产生电荷转移的时间不同，因此通过线性电路叠加，可以实现恒压恒流输出。与常规脉冲摩擦发电机相比，大大提高了能量输出效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种转盘式摩擦发电机，其特征在于，包括：
共轴的定子和转子，所述定子被划分为N个扇形的第一单元，所述转子被划分为N/2个扇形的第二单元；N为大于1的偶数；相邻的两个所述第一单元为一输出组，所述输出组内的两个所述第一单元的面积相同；在初始状态，各所述第二单元与各所述输出组一一对应设置，且各所述第二单元与对应所述输出组的相对位置不同；
以及至少两个整流结构，所述整流结构与至少一个所述输出组电连接；
其中，在外力作用下，所述转子相对于所述定子发生转动，使得所述第二单元的至少部分与所述第一单元接触并摩擦起电，从所述输出组输出的电信号经过所述整流结构后输出，各所述整流结构输出的信号总和为恒压和/或恒流信号。
2.如权利要求1所述的转盘式摩擦发电机，其特征在于，在所述初始状态，所述第二单元与对应所述输出组的相对位置为相位；
各所述第一单元的面积相同，任意两个所述第二单元的相位的差值均相同，且所述差值为2/N。
3.如权利要求2所述的转盘式摩擦发电机，其特征在于，N为12。
4.如权利要求1-3任一项所述的转盘式摩擦发电机，其特征在于，所述转子包括：支撑板，所述第二单元的其中一个直线边缘与所述支撑板连接；
所述第二单元采用柔性材料制作；
所述定子与所述支撑板之间的距离可调。
5.一种能量收集装置，其特征在于，包括：转盘式摩擦发电机、第一储能模块、第二储能模块、第一开关、以及控制模块；所述转盘式摩擦发电机如权利要求1-4任一项所述；
所述第一储能模块的第一端分别与所述转盘式摩擦发电机的第一输出端、所述第二储能模块的第一端电连接，所述第一储能模块的第二端与所述第一开关的第一触头电连接；所述转盘式摩擦发电机的第二输出端与所述第一开关的第一接触端电连接；所述第二储能模块的第二端与所述第一开关的第二接触端电连接；所述控制模块与所述第一触头电连接；
所述控制模块用于：根据预设的切换频率，控制所述第一触头与所述第一接触端电连接、以及所述第一触头与所述第二接触端电连接之间的切换；
所述第一储能模块用于：在所述第一触头与所述第一接触端电连接时，存储所述转盘式摩擦发电机输出的电能；
所述第二储能模块用于：在所述第一触头与所述第二接触端电连接时，存储所述第一储能模块释放的电能，并对存储的电能进行降压升流处理。
6.如权利要求5所述的能量收集装置，其特征在于，所述切换频率至少为1MHz，所述第一储能模块的第一端和第二端的压差不为零。
7.如权利要求5所述的能量收集装置，其特征在于，所述第一储能模块包括：第一电容；所述第二储能模块包括：二极管、电感和第二电容；
所述电感的第一端分别与所述二极管的正极、所述第一电容的第一端、以及所述转盘式摩擦发电机的其中一个输出端电连接，所述电感的第二端与所述第二电容的第一端电连接；
所述二极管的负极分别与所述第二接触端、所述第二电容的第二端电连接；
所述第一电容的第二端与所述第一触头电连接。
8.如权利要求5所述的能量收集装置，其特征在于，还包括：电池；
所述电池与所述第二储能模块并联连接；
所述电池用于：存储所述第二存储模块释放的电能。
9.如权利要求8所述的能量收集装置，其特征在于，还包括：太阳能电池和第二开关；
所述电池的第一端与所述第二开关的第二触头电连接，所述电池的第二端还与所述太阳能电池的第一端电连接；所述第二开关的第三接触端与所述第二储能模块的第三端电连接，所述第二开关的第四接触端与所述太阳能电池的第二端电连接；所述控制模块还与所述第二触头电连接；
所述控制模块还用于：在采用所述太阳能电池收集太阳能时，控制所述第二触头与所述第四接触端电连接；在采用所述转盘式摩擦发电机收集机械能时，控制所述第二触头与第三接触端电连接。
10.一种风能收集设备，其特征在于，包括：如权利要求5-9任一项所述的能量收集装置。
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