CN117200605A - 一种静电感应式发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电能收发系统技术领域，具体涉及一种静电感应式发电装置，包括发电本体，发电本体包括提供周向速度的中心轴、以及设于中心轴一端的电刷、以及套设于中心轴周向的交流输出极一、交流输出极二和交流输出极三、以及与中心轴周向固定连接的若干静电存储极；还包括与发电本体连接的升压电路，升压电路将交流输出极一输出的交流电经升压整流后输出至电刷，为静电存储极补充电荷，实现静电存储极有稳定高压；本发明提出的发电装置在工作之初或停止工作任意时间的状态下，并不需要其它的发电机或者外电源为发电机提供初始的电荷。它可以将自然存在的及其微弱的电压逐渐放大，最终使得发电机能稳定工作。

Description

一种静电感应式发电装置

技术领域

本发明属于电能收发系统技术领域，具体涉及一种静电感应式发电装置。

背景技术

静电感应发电机是一种利用静电感应和相对运动获取电能的装置。静电感应发电机需要有存储电荷的部分和对外输出电能的部分，分别称之为静电存储极和交流输出极。为了使交流输出极上能有感应电荷，静电感应发电机需要静电存储极上存储一定量的电荷。

一般情况下，静电感应发电机在工作之初，或是发电机停止工作一段时间之后，它的静电存储极上并没有存储电荷。因此，在静电感应式发电机的发电机阵列中，需要将静电存储极上充满电荷。同时，由于静电存储极上存储的电荷会发生自然耗散，因此还需要不断为其补充电荷。

当下，很多人关注摩擦发电机，它的本质就是摩擦起电与静电感应发电机结合的产物。摩擦发电机利用摩擦起电，使静电感应发电机的静电存储极产生电荷，同时不断补充静电存储极上的电荷耗散。但摩擦会产生磨损、同时也产生了阻力，影响了发电机的寿命与效率。

驻极体材料上注入电荷之后，其自然耗散的速度会很慢，也有人用其充当静电感应发电机的静电存储极。但耗散仍不能完全避免，随着时间的推移，驻极体材料上存储的电荷越来越少，会导致静电感应发电机的电输出逐渐减小。

用外电源来为静电感应发电机的静电存储极上注入电荷并及时补充电荷也是一种思路。在某些场景下，可能外电源距离较远，此时需要铺设较长的导线，因此会有传输损耗且会增加成本。如果使用电池，则电池需要定期更换，会增加人力成本且废旧电池可能造成环境污染。

静电感应发电机如果能“无中生有”地在静电存储极上产生初始电荷并自己为自己补充电荷耗散，则能解决上述一系列问题。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种静电感应式发电装置，以解决背景技术中提出的问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种静电感应式发电装置，包括：

发电本体，所述发电本体包括提供周向速度的中心轴、以及设于中心轴一端的电刷、以及套设于中心轴周向的交流输出极一、交流输出极二和交流输出极三、以及与中心轴周向固定连接的若干静电存储极，若干交流输出极二设于所述交流输出极一和所述交流输出极三之间，交流输出极二和静电存储极交替放置；若干交流输出极二和交流输出极三通过导线连接且设有用于对外输出交流电的交流输出端一，所述交流输出极一上设有交流输出端二；

以及与所述发电本体连接的升压电路，所述交流输出端二与所述升压电路的输入端连接，所述升压电路的输出端与所述电刷连接；所述升压电路将交流输出极一输出的交流电经升压整流后输出至所述电刷，为所述静电存储极补充电荷，实现静电存储极有稳定高压。

作为本发明的进一步优化方案，所述交流输出极一、所述交流输出极二、所述交流输出极三和所述静电存储极均设为圆盘状，交流输出极一、交流输出极二和交流输出极三的盘面直径相同、但大于静电存储极的盘面直径。

作为本发明的进一步优化方案，所述交流输出极一包括依次叠加的绝缘薄膜、导体电极对一和绝缘隔板；

所述交流输出极二包括两个导体电极对一、一个绝缘隔板和两张绝缘薄膜；

所述交流输出极三包括依次叠加的绝缘薄膜、导体电极对一和绝缘隔板，以及设于绝缘隔板中心处的轴承。

作为本发明的进一步优化方案，所述静电存储极包括绝缘隔板、以及对称设于绝缘隔板两端的导体电极对二。

作为本发明的进一步优化方案，所述导体电极对一和所述导体电极对二均包括由偶数片扇形导体构成圆盘面，所有扇形导体与圆盘面圆心的夹角均相同。

作为本发明的进一步优化方案，所述导体电极对一包括导体电极一和导体电极二，所述导体电极对二包括导体电极三和导体电极四，导体电极一和导体电极二、以及导体电极三和导体电极四间均设有间距。

作为本发明的进一步优化方案，所述交流输出极一、所述交流输出极二和所述交流输出极三与所述静电存储极之间均设有空气间隙。

作为本发明的进一步优化方案，所述升压电路包括与所述交流输出端二连接的电压倍增电路、以及设于所述电压倍增电路两个输出端的二极管二，且两个二极管二设置方向相反，电压倍增电路的输出端经所述二极管二与所述电刷连接。

作为本发明的进一步优化方案，所述电压倍增电路包括至少四个电容以及至少四个二级管一。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种多层圆盘结构的静电感应发电装置，该发电装置的每个交流输出极有两对可对外输出的导体电极，用其中1个交流输出极中的1对电极的电输出即可实现对静电存储极补充耗散的电荷。相对于现有技术中为外接电源为发电机补充电荷，发电效率大大提高。

(2)本发明提出的发电装置在工作之初或停止工作任意时间(即电荷存储极上没有电荷)的状态下，并不需要其它的发电机或者外电源为发电机提供初始的电荷。它可以将自然存在的及其微弱的电压逐渐放大，最终使得发电机能稳定工作。

附图说明

图1是本发明中发电装置的整体结构示意图；

图2是本发明中发电本体的正视图；

图3是本发明中交流输出极一的叠加结构示意图；

图4是本发明中导体电极对一的叠加结构示意图；

图5是本发明中交流输出极二的叠加结构示意图；

图6是本发明中静电存储极的叠加结构示意图；

图7是本发明中国导体电极对二的叠加结构示意图；

图8是本发明中交流输出极三的叠加结构示意图；

图9是本发明中发电本体的叠加结构示意图；

图10是本发明中升压电路的电路图；

图11是本发明具体实施方式中导体电极对二的俯视图；

图12是本发明具体实施方式中导体电极对一的俯视图；

图13是本发明具体实施方式中导体电极对一和导体电极对二内部间距示意图；

图14是本发明具体实施方式的案例1中初始状态下交流输出极一3输出电压与时间的关系图；

图15和16是本发明具体实施方式的案例1中发电装置交流输出端输出电压与时间的关系图；

图17是本发明具体实施方式的案例1中发电装置交流输出极短路电流和时间关系图；

图18是本发明具体实施方式的案例2中发电装置交流输出端输出电压与时间的关系图；

图19是本发明具体实施方式中发电装置从初始无输出状态达到最终稳定输出状态的输出电压变化的稳定时间与静电存储极个数关系图；

图20是本发明具体实施方式中发电装置最终稳定后的电压峰峰值与静电存储极个数关系图。

图中：1、电刷；2、中心轴；3、交流输出极一；4、交流输出极二；5、静电存储极；6、交流输出极三；7、升压电路；8、交流输出端一；9、交流输出端二；10、轴承；31、导体电极对一；32、绝缘隔板；33、绝缘薄膜；51、导体电极对二；71、电容；72、二极管一；73、二极管二；301、穿线孔一；311、导体电极一；312、导体电极二；511、导体电极三；512、导体电极四；513、穿线孔二。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1和2所示，本实施方式中提供了一种静电感应式发电装置，在现有技术的基础上，实现在发电装置工作之初或停止工作任意时间(即电荷存储极上没有电荷)的状态下，并不需要其它的发电机或者外电源为发电机提供初始的电荷。它可以将自然存在的及其微弱的电压逐渐放大，最终使得发电机能稳定工作。

结合图1，发电装置包括发电本体和与发电本体连接的升压电路7，升压电路7在现有技术电压倍增电路的基础上改进而来，改进后的升压电路可以有效防止静电存储极的电荷回流，一方面增加发电机的电输出，另一方面可实现将本实施例中发电本体上的一路微弱交流电升压并整流为直流输出。

结合图2，发电本体包括提供周向速度的中心轴2、以及设于中心轴2一端的电刷1、以及套设于中心轴2周向的交流输出极一3、交流输出极二4和交流输出极三6、以及与中心轴2周向固定连接的若干静电存储极5，中心轴2由外接电机带动，进而中心轴2转动以实现带动由若干静电存储极5构成的转子结构转动；若干交流输出极二4设于交流输出极一3和交流输出极三6之间，交流输出极二4和静电存储极5交替放置，所有的交流输出极(包含交流输出极一3、交流输出极二4和交流输出极三6)和静电存储极5均交替放置；若干交流输出极二4和交流输出极三6通过导线连接且设有用于对外输出交流电的交流输出端一8，交流输出极一3上设有交流输出端二9。

可以理解的是，结合图9，交流输出极一3、交流输出极二4和交流输出极三6与静电存储极5之间均设有空气间隙，空气间隙优选为0.05～0.1cm，交流输出极一3、交流输出极二4和交流输出极三6构成发电本体中的定子结构。

结合图4、7、13，导体电极对一31包括导体电极一311和导体电极二312，还包括穿线孔一301，导体电极对二51包括导体电极三511和导体电极四512，还包括穿线孔二513，导体电极一311和导体电极二312、以及导体电极三511和导体电极四512间均设有间距。

结合图1-8，交流输出端二9与升压电路7的输入端连接，升压电路7的输出端与电刷1连接；升压电路7将交流输出极一3输出的交流电经升压整流后输出至电刷1，为静电存储极5补充电荷，实现静电存储极5有稳定高压。交流输出极一3、交流输出极二4、交流输出极三6和静电存储极5均设为圆盘状，交流输出极一3、交流输出极二4和交流输出极三6的盘面直径相同、但大于静电存储极5的盘面直径。交流输出极一3包括依次叠加的绝缘薄膜33、导体电极对一31和绝缘隔板32；交流输出极二4包括两个导体电极对一31、一个绝缘隔板32和两张绝缘薄膜33；交流输出极三6包括依次叠加的绝缘薄膜33、导体电极对一31和绝缘隔板32，以及设于绝缘隔板32中心处的轴承10。静电存储极5包括绝缘隔板32、以及对称设于绝缘隔板32两端的导体电极对二51。导体电极对一31和导体电极对二51均包括由偶数片扇形导体构成圆盘面，所有扇形导体与圆盘面圆心的夹角均相同。

本实施例中，定子结构(所有交流输出极)上所有的导体电极对均完全正对，转子结构(所有静电存储极)上所有的导体电极对均完全正对，所谓“正对”可解释如下：假定导体电极对二51所在平面内的x轴为从圆心指向导体电极对二51的的穿线孔的方向，则所有导体电极对二51的x轴方向均相同。

结合图4和图7，导体电极对一31包括导体电极一311和导体电极二312，导体电极对二51包括导体电极三511和导体电极四512。实际应用中可以比较不同扇形导体电极数目的器件的电输出性能，选择最优电输出的器件。实际的扇形数目与静电存储极和交流输出极的直径大小有关、与静电存储极和交流输出极之间的空气间隙的大小有关。

对于本实施例中发电本体的发电原理，可以理解的是，结合图4和7，先假定静电存储极5上的导体电极三511和导体电极四512之间有恒定电压U1，由于导体电极对一31和导体电极对二51之间的静电感应，那么定子结构(交流输出极)上的导体电极一311和导体电极二312之间会产生电压，假设当导体电极一311和导体电极三511完全正对时，导体电极一311和导体电极二312之间之间的电压为U2；因为导体电极对一31和导体电极对二51之间存在一个间隙以及绝缘薄膜，所以电压绝对值|U2|<|U1|。对于同样直径的静电存储极5和交流输出极(交流输出极一3、交流输出极二4和交流输出极三6)，间隙越大，|U2|越小；导体电极对的扇形越多，|U2|越小。

随着转子(静电存储极5)的转动，U1不随时间变化，导体电极一311和导体电极二312之间的电压会在-U2到+U2之间往复变化。因此所有的交流输出极二4以及交流输出极一3和交流输出极三6都会对外输出交流电。

由于静电存储极5的导体电极三511和导体电极四512之间是开路，所以不会消耗电能，但这两个电极上存储的静电荷会自然耗散。为了补充静电存储极5上自然耗散的电荷，将交流输出极一3上输出的交流电经升压电路升压并整流为直流输出，升压电路的输出端接入电刷定子上的两个接线端，通过电刷转子上的两个接线端与转子上的两根导线相连，为所有转子上的静电存储极5补充电荷，实现静电存储极有稳定高压。

对于初始状态，静电存储极5上没有电荷。交流输出极上看似没有电输出，但由于电极之间的电压不可能为0，交流输出极上总会有微小电压输出。由于交流输出极一3上的微小电压通过升压电路7、电刷1连接到静电存储极5，所以就会使静电存储极5的电压升高。静电存储极5的电压升高又会使交流输出极的输出电压升高(包括交流输出极一3的电压)，这样往复经过多个周期之后，静电存储极的电压会逐渐升高至一个稳定的值。之后发电机的交流输出极三6以及所有的交流输出极二4均会稳定对外输出电能。

由于该发电装置初始状态静电存储极5上没有电荷，通过将微小的电压逐步放大、逐步将静电存储极5上充满电荷，最终达到稳定的较大输出，从这个角度来说，本实施方式提出的发电装置实现了“无中生有”式发电目标。

需要说明的是，本实施例中所有的交流输出极，以及固定电刷1的盖板，用若干个绝缘材料制成的带凹槽的弧状体进行固定，亦可用其它方法固定。

另外，本实施例中提及的交流输出极包含交流输出极一3、交流输出极二4、和交流输出极三6中的任一个或多个。

结合图1和10，升压电路7包括与交流输出端二9连接的电压倍增电路、以及设于电压倍增电路两个输出端的二极管二73，且两个二极管二73设置方向相反，电压倍增电路的输出端经二极管二73与电刷1连接。电压倍增电路包括至少四个电容71以及至少四个二级管一72。

本实施例中，在常用的电压倍增电路的两个输出端各增加了一个二极管(二极管二73)，防止静电存储极5的静电荷回流导致电输出减小。

下面结合实际发电装置的实体设计案例和试验对上述提出的发电装置的改进进行性能验证。

案例1

本案例中，结合图11和12，制作发电装置的静电存储极的直径为16cm、交流输出极的直径为18cm、导体电极对一和导体电极对二的外直径均为D1＝16cm、内直径均为D2＝3cm，交流输出极上的绝缘薄膜为50微米厚的PET薄膜。通过比较不同扇形电极数目的器件的短路输出电流大小，最终确定导体电极对一和导体电极对二的扇形均为50个。如图11、12和13，黑色部分为导体电极三511，灰色为导体电极四512，其间距为d＝0.3cm，导体电极一311与导体电极二312类似(如图12)。相邻的静电存储极5与交流输出极之间空气间隙为0.05～0.1cm范围。绝缘隔板为玻纤板，厚度0.2cm，静电存储极5的绝缘隔板外直径为16cm，交流输出极绝缘隔板外直径为18cm。电刷中的转子与发电装置转子的中心轴相对固定，与发电装置转子一起转动。电刷中的定子固定在一个直径18cm的绝缘盖板中央，盖板与交流输出极共轴。

本案例中，按照前述尺寸及材料规格，设计了16个静电存储极(即32个导体电极对二51)，15个交流输出极二4、1个交流输出极一3、1个交流输出极三6(共32个导体电极对一31，与导体电极对二51数量相等)(对于任意个数的交流输出极二4，都仅需要1个交流输出极一3和1个和交流输出极三6)。

在初始状态下，意味着静电存储极电压U1＝0，利用电机带动转子(即驱动中心轴)转动，转速约为120转/分钟左右。此时交流输出极一3的输出电压如图14所示，其它交流输出极也会输出一样的电压。可见，即便静电存储极没有存储电荷，交流输出极一3依然有峰峰值约为60mv的电压输出。

本案例中，当外接电机转速约为120转/分钟左右。从初始状态，到发电机稳定输出所用时间约为18秒左右，见图15。稳定之后的电压峰峰值约为1700V左右，稳定之后的电压见图16，稳定之后，16个交流输出极(交流输出极二4和交流输出极三6)的短路电流约为0.8毫安，见图17。

案例2

本案例中，按照案例1中的尺寸及材料规格，设计了不同数目的静电存储极与交流输出极(即相对案例1增加或减少相同数目的静电存储极5和交流输出极4)。

结合图18，通过横坐标中不同个数的静电存储极，发电机从初始无输出状态达到最终稳定所需时间Δt。可见存储极个数增加，会导致稳定所需时间Δt随之增加。

结合图19，通过横坐标中不同个数的静电存储极，纵坐标显示发电机最终稳定后的电压峰峰值。37个静电存储极之前，电压峰峰值基本无变化；静电存储极超过37个之后，发电机交流输出端的电压峰峰值会随着静电存储极的增加而减小。

那么可以得到，当静电存储极增加到37个(相应地交流输出极个数为38个)之后，再继续增加时，稳定的电压峰值将会随着个数增加而减小。这说明，随着电荷存储极的增多，其电极上的电荷自然耗散会随之增加，37个之后，交流输出极一3的电输出不足以补充静电存储极上的电荷耗散，所以输出电压会随着静电存储极以及交流输出极的增加而减小。可见，1个导体电极对(相当于半个交流输出极)可以为34个静电存储极(含有74个导体电极对)补充耗散的电荷。

结合图20，本案例中，通过设置37个静电存储极，发电机从初始无输出状态达到最终稳定输出状态的输出电压变化。所需时间Δt约23秒，稳定时电压峰峰值约1700V。

那么在本实施方式中提出的发电装置中，静电存储极5个数为37、交流输出极一3个数为1、交流输出极二4个数为36个、交流输出极三6个数为1。上述发电装置中发电本体的配置，既能实现一个交流输出极一3的电输出来补充37个静电存储极上的电荷耗散，还能实现交流输出极的交流输出最大化。

综上，本申请提出的发电装置可以实现初始电荷的自给自足，发电效率大大提升。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：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，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种静电感应式发电装置，其特征在于，包括：

发电本体，所述发电本体包括提供周向速度的中心轴(2)、以及设于中心轴(2)一端的电刷(1)、以及套设于中心轴(2)周向的交流输出极一(3)、交流输出极二(4)和交流输出极三(6)、以及与中心轴(2)周向固定连接的若干静电存储极(5)，若干交流输出极二(4)设于所述交流输出极一(3)和所述交流输出极三(6)之间，交流输出极二(4)和静电存储极(5)交替放置；若干交流输出极二(4)和交流输出极三(6)通过导线连接且设有用于对外输出交流电的交流输出端一(8)，所述交流输出极一(3)上设有交流输出端二(9)；

以及与所述发电本体连接的升压电路(7)，所述交流输出端二(9)与所述升压电路(7)的输入端连接，所述升压电路(7)的输出端与所述电刷(1)连接；所述升压电路(7)将交流输出极一(3)输出的交流电经升压整流后输出至所述电刷(1)，为所述静电存储极(5)补充电荷，实现静电存储极(5)有稳定高压。

2.根据权利要求1所述的一种静电感应式发电装置，其特征在于：所述交流输出极一(3)、所述交流输出极二(4)、所述交流输出极三(6)和所述静电存储极(5)均设为圆盘状，交流输出极一(3)、交流输出极二(4)和交流输出极三(6)的盘面直径相同、但大于静电存储极(5)的盘面直径。

3.根据权利要求2所述的一种静电感应式发电装置，其特征在于：

所述交流输出极一(3)包括依次叠加的绝缘薄膜(33)、导体电极对一(31)和绝缘隔板(32)；

所述交流输出极二(4)包括两个导体电极对一(31)、一个绝缘隔板(32)和两张绝缘薄膜(33)；

所述交流输出极三(6)包括依次叠加的绝缘薄膜(33)、导体电极对一(31)和绝缘隔板(32)，以及设于绝缘隔板(32)中心处的轴承(10)。

4.根据权利要求3所述的一种静电感应式发电装置，其特征在于：所述静电存储极(5)包括绝缘隔板(32)、以及对称设于绝缘隔板(32)两端的导体电极对二(51)。

5.根据权利要求4所述的一种静电感应式发电装置，其特征在于：所述导体电极对一(31)和所述导体电极对二(51)均包括由偶数片扇形导体构成圆盘面，所有扇形导体与圆盘面圆心的夹角均相同。

6.根据权利要求5所述的一种静电感应式发电装置，其特征在于：所述导体电极对一(31)包括导体电极一(311)和导体电极二(312)，所述导体电极对二(51)包括导体电极三(511)和导体电极四(512)，导体电极一(311)和导体电极二(312)、以及导体电极三(511)和导体电极四(512)间均设有间距。

7.根据权利要求1所述的一种静电感应式发电装置，其特征在于：所述交流输出极一(3)、所述交流输出极二(4)和所述交流输出极三(6)与所述静电存储极(5)之间均设有空气间隙。

8.根据权利要求1所述的一种静电感应式发电装置，其特征在于：所述升压电路(7)包括与所述交流输出端二(9)连接的电压倍增电路、以及设于所述电压倍增电路两个输出端的二极管二(73)，且两个二极管二(73)设置方向相反，电压倍增电路的输出端经所述二极管二(73)与所述电刷(1)连接。

9.根据权利要求8所述的一种静电感应式发电装置，其特征在于：所述电压倍增电路包括至少四个电容(71)以及至少四个二级管一(72)。