CN116599377A - 一种旋转式直流摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属直流摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种旋转式直流摩擦纳米发电机，包括：介质层；摩擦电极，与介质层摩擦接触；电荷收集电极，用于收集介质层与摩擦电极摩擦产生的电荷，电荷收集电极靠近介质层，介质层与电荷收集电极之间留有距离。本发明的旋转式直流摩擦纳米发电机，通过将常见的直线相对位移变为在曲面上的相对位移，使相对位移能够始终单向、连续的发生，且相对速度可以保持恒定；从机械结构上，本发明提供的构型将移动副变为转动副，可以在较小的空间内实现更大的线速度，进而增加电流输出和功率输出；本发明的旋转式直流摩擦纳米发电机适用于在旋转设备或机械装置上进行发电，拓展了直流摩擦纳米发电机的应用场景。
Description
技术领域
本发明属于直流摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种旋转式直流摩擦纳米发电机。
背景技术
近年来，随着移动电子设备、传感器网络和可穿戴设备的普及，对于微型可持续能源供应的需求越来越迫切，微型能源收集技术的发展受到了广泛关注。与传统的集中式能源系统相比，分布式能源具有许多优势，如能源效率高、可靠性强、环境友好和能源安全等。
自2012年以来，摩擦纳米发电机作为一种前沿的能量收集技术，受到了广泛的研究和关注。它利用材料之间的接触起电和静电感应效应，将环境中的微小能量资源，如机械运动、振动或压力等，转化为可用的电能，为微型设备提供可持续的电力供应。摩擦纳米发电机可以为微型设备提供自供电能力，消除传统电池更换和充电的需求。在可穿戴设备、智能传感器网络、医疗器械和移动机器人等领域，摩擦纳米发电机可以实现能源的自主供应，延长设备的使用寿命，并减少对外部电源的依赖。此外，摩擦纳米发电机还可以应用于智能建筑、智能交通和可穿戴医疗设备等领域，为智能化和可持续发展提供新的解决方案。然而，传统的摩擦纳米发电机受制于工作机制和空气击穿，无法满足人们日益增加的对高输出性能电源的需求。2019年，基于接触起电和静电击穿效应的直流摩擦纳米发电机问世。直流摩擦纳米发电机充分利用两个金属电极摩擦接触起电产生静电荷，并收集通过外电路的电荷，在解决传统摩擦纳米发电机的瓶颈问题的同时，实现了外电路中电荷的单向流动。在一定的运动条件下，这种直流摩擦纳米发电机可以直接为电子元器件提供恒流输出。目前，直流摩擦纳米发电机大多基于平面结构设计，但在某些应用场景下，如旋转设备或机械装置，平面结构的应用受到一定限制。同时，有限的相对位移限制了其相对运动速度，进一步限制了输出电流和输出功率。
因此，提供一种能够连续旋转的直流摩擦纳米发电机，以获得高相对移动速度和高输出功率是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转式直流摩擦纳米发电机，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种旋转式直流摩擦纳米发电机，包括：
介质层；
摩擦电极，与所述介质层摩擦接触，所述摩擦电极与所述介质层能够相对运动；
电荷收集电极，用于收集所述介质层与所述摩擦电极摩擦产生的电荷，所述电荷收集电极靠近所述介质层，所述介质层与所述电荷收集电极之间留有距离。
优选的，所述介质层设置为圆管状。
优选的，所述电荷收集电极包括一个刚性金属板，所述刚性金属板的一侧靠近所述介质层的侧壁。
优选的，所述摩擦电极包括一个扇形金属板，所述扇形金属板与所述介质层的侧壁摩擦接触。
优选的，所述摩擦电极位于所述介质层内且与所述介质层的内侧壁摩擦接触，所述电荷收集电极位于所述介质层的内缘处。
优选的，所述摩擦电极位于所述介质层外且与所述介质层的外侧壁摩擦接触，所述电荷收集电极位于所述介质层外缘处。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明的旋转式直流摩擦纳米发电机，通过将常见的直线相对位移变为在曲面上的相对位移，使相对位移能够始终单向、连续的发生，且相对速度可以保持恒定；从机械结构上，本发明提供的构型将移动副变为转动副，可以在较小的空间内实现更大的线速度，进而增加电流输出和功率输出；本发明的旋转式直流摩擦纳米发电机适用于在旋转设备或机械装置上进行发电，拓展了直流摩擦纳米发电机的应用场景。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
其中，1、介质层；2、电荷收集电极；3、摩擦电极。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
参照图1，本实施例公开了一种旋转式直流摩擦纳米发电机，包括：
介质层1；
摩擦电极3，与介质层1摩擦接触，摩擦电极3与介质层1之间相对运动；
电荷收集电极2，收集介质层1与摩擦电极3摩擦产生的电荷，电荷收集电极2靠近介质层1，介质层1与电荷收集电极2之间留有距离。
电荷收集电极2，用于诱导介质层1表面在与摩擦电极3摩擦后产生的电荷发生空气击穿，并将电荷收集起来。
进一步优化方案，介质层1设置为圆管状。
进一步优化方案，电荷收集电极2包括一个刚性金属板，刚性金属板的一侧靠近介质层1的侧壁。电荷收集电极2位于介质层1内，电荷收集电极2的一个侧边位于介质层1的轴线上，电荷收集电极2的另一侧靠近介质层1的内侧壁。
电荷收集电极2以及摩擦电极3均位于介质层1的内部，电荷收集电极2以及摩擦电极3均以介质层1的轴线为轴做圆周运动，电荷收集电极2引导摩擦电极3与介质层1内壁摩擦所产生的电荷击穿空气并将这些电荷收集起来。
进一步优化方案，摩擦电极3包括一个扇形金属板，扇形金属板与介质层1的侧壁摩擦接触。摩擦电极3位于介质层1内，摩擦电极3的外侧壁与介质层1的内侧壁摩擦接触。
进一步优化方案，摩擦电极3位于介质层1内且与介质层1的内侧壁摩擦接触，电荷收集电极2位于介质层1内部，电荷收集电极2的一个侧边靠近介质层1的内侧壁。
进一步优化方案，介质层1的为PTFE、PVC、FEP、PI中的一种，电荷收集电极2和摩擦电极3的材质为铜、铝、铁中的一种。
工作过程一：摩擦电极3和电荷收集电极2相对固定且绕中心轴逆时针旋转，介质层1固定于其旋转中心处。摩擦电极3与介质层1表面摩擦接触，经过接触起电过程后，介质层1表面带有一层电荷；随着电荷收集电极2转动，电荷收集电极2转至介质层1表面带电荷处，介质层1表面的电荷通过空气击穿释放至电荷收集电极2处。
工作过程二：摩擦电极3和电荷收集电极2相对固定，介质层1绕其轴线旋转。摩擦电极3与介质层1表面摩擦接触，经过接触起电过程后，介质层1表面带有一层电荷，随着介质层1转动，介质层1表面带电荷处旋转至电荷收集电极2的位置，介质层1表面的电荷通过空气击穿释放至电荷收集电极2处。
实施例二
参照图2，与实施例一的不同之处在于，本实施例中摩擦电极3固定设置，介质层1转动设置，摩擦电极3的内侧壁与介质层1的外侧壁摩擦接触，电荷收集电极2位于介质层1的外侧，电荷收集电极2的一个侧边靠近介质层1的外侧壁。
工作过程：介质层1逆时针旋转，摩擦电极3固定于介质层1下方，摩擦电极3与介质层1表面摩擦接触；经过接触起电过程后，介质层1表面带有一层电荷；随着介质层1转动，介质层1表面带电荷处旋转至电荷收集电极2的位置，介质层1表面的电荷通过空气击穿释放至电荷收集电极2处。
本发明的旋转式直流摩擦纳米发电机在保持匀速转动时可以达到毫瓦级的输出功率。
目前，传统摩擦纳米发电机受限于空气击穿，功率无法得到进一步提升，而利用了空气击穿特性的传统直流摩擦纳米发电机多基于平面结构，受限于运动速度，功率也很难满足实际需求。本发明提供的旋转式直流摩擦纳米发电机将平面的移动副变为转动副，使相对滑动速度可以更容易地得到提高，进而提高直流摩擦纳米发电机的输出电流和功率。旋转式直流摩擦纳米发电机作为一微型能源收集技术，具有在连续旋转中持续输出直流电流的优点，这种发电机有望在旋转设备能量收集领域发挥重要作用，为微型设备的可持续能源供应提供新的解决方案，具有重要的经济和社会意义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
介质层(1)；
摩擦电极(3)，与所述介质层(1)摩擦接触，所述摩擦电极(3)与所述介质层(1)能够相对运动；
电荷收集电极(2)，用于收集所述介质层(1)与所述摩擦电极(3)摩擦产生的电荷，所述电荷收集电极(2)靠近所述介质层(1)，所述介质层(1)与所述电荷收集电极(2)之间留有距离。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于：所述介质层(1)设置为圆管状。
3.根据权利要求1所述的一种旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电荷收集电极(2)包括一个刚性金属板，所述刚性金属板的一侧靠近所述介质层(1)的侧壁。
4.根据权利要求1所述的一种旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦电极(3)包括一个扇形金属板，所述扇形金属板与所述介质层(1)的侧壁摩擦接触。
5.根据权利要求1所述的一种旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦电极(3)位于所述介质层(1)内且与所述介质层(1)的内侧壁摩擦接触，所述电荷收集电极(2)位于所述介质层(1)的内缘处。
6.根据权利要求1所述的一种旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦电极(3)位于所述介质层(1)外且与所述介质层(1)的外侧壁摩擦接触，所述电荷收集电极(2)位于所述介质层(1)外缘处。
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