CN204216409U - 混合式发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合式发电机，该混合式发电机包括：发电机壳体(1)，为密闭式结构，内部形成有充气腔室(11)；摩擦发电单元(2)，包括第一摩擦发电组件(21)和第二摩擦发电组件(22)，第一摩擦发电组件(21)和第二摩擦发电组件(22)分别设置在充气腔室(11)的相对的内壁面上，第一摩擦发电组件(21)和第二摩擦发电组件(22)相互接触摩擦可产生电能；压电发电单元(3)，设置在充气腔室(11)的侧壁面上，压电发电单元(3)弯曲变形可产生电能。本实用新型的混合式发电机既能够提高单体结构的摩擦发电机或压电发电机的换能效率，又能为摩擦发电机或压电发电机提供稳定的工作环境。

Description

混合式发电机

技术领域

本实用新型涉及一种发电机，尤其涉及一种包括摩擦发电和压电发电的混合式发电机。

背景技术

物体和物体之间相互摩擦时会使一方带上负电，另一方带上正电，这种由于物体间摩擦而产生的电叫摩擦电。摩擦电是自然界最常见的现象之一，且摩擦电的产生条件非常宽泛。依据物体摩擦发电现象研制的一类发电机称为摩擦发电机。

另外，某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，这种现象叫做压电效应。依据电介质压电效应研制的一类发电机称为压电发电机。

目前，单位面积的单体摩擦发电机或压电发电机的能量转换效率低，而摩擦发电机与压电发电机的工作原理有接近之处，故存在将两者结合以提高发电效率的可能性。

此外，摩擦发电机的工作环境对其换能效率有较大影响，例如空气湿度，因此摩擦发电机需要在稳定的环境下工作。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种既能够提高单体结构的摩擦发电机或压电发电机的换能效率，又能为摩擦发电机或压电发电机提供稳定的工作环境的混合式发电机。

为实现上述目的，本实用新型的一种混合式发电机的具体技术方案为：

一种混合式发电机，包括：发电机壳体，为密闭式结构，内部形成有充气腔室；摩擦发电单元，包括第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件，第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件分别设置在充气腔室的相对的内壁面上，第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件相互接触摩擦可产生电能；压电发电单元，设置在充气腔室的侧壁面上，该侧壁面位于充气腔室的设置有第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件的相对的两个内壁面之间，压电发电单元弯曲变形可产生电能。

进一步，第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件与充气腔室的内壁面之间分别设置有绝缘材料层。

进一步，压电发电单元包括第一电极、第二电极、以及位于第一电极和第二电极之间的发电层，发电层可利用压电效应使压电发电单元产生电能，第一电极和第二电极为压电发电单元的输出电极。

进一步，发电层为柔性高分子压电薄膜，选自聚偏氟乙烯压电薄膜、掺杂氧化锌纳米阵列的聚偏氟乙烯压电薄膜、柔性衬底的氧化锌纳米线阵列纳米发电机中的任意一种。

进一步，摩擦发电单元中的第一摩擦发电组件包括第一电极层，第二摩擦发电组件包括层叠设置的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层，第一电极层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置形成摩擦界面，第一电极层和第二电极层为摩擦发电单元的输出电极。

进一步，摩擦发电单元中的第一摩擦发电组件包括层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置形成摩擦界面。

进一步，摩擦发电单元中的第二摩擦发电组件包括居间薄膜层，居间薄膜层层叠设置在第二高分子聚合物绝缘层之上，第一高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层相对设置形成摩擦界面。

进一步，摩擦发电单元中的相对设置形成摩擦界面的两个面中的至少一个面上设置有微纳结构。

本实用新型的混合式发电机具有以下优点：

1)本实用新型的混合式发电机在受到外力的作用时，摩擦发电单元中的两个摩擦发电组件相互接触摩擦，压电发电单元弯曲变形，从而摩擦发电单元和压电发电单元会同时输出电能，提高了单体结构的发电机的换能效率。

2)本实用新型的混合式发电机由于发电机外壳密闭且壳体内部填充气体，尤其是填充的惰性气体，使壳体内部环境的湿度变化比外界微小，从而摩擦发电单元的电能输出不受外界环境湿度等因素的明显影响，与暴露在外界相比，输出性能更加稳定。

附图说明

图1为本实用新型的混合式发电机的初始状态图；

图2为本实用新型的混合式发电机的受压状态图；

图3为本实用新型的混合式发电机中的摩擦发电单元的第一实施例的结构示意图；

图4为本实用新型的混合式发电机中的摩擦发电单元的第二实施例的结构示意图；

图5为本实用新型的混合式发电机中的摩擦发电单元的第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型的一种混合式发电机做进一步详细的描述。

如图1和图2所示，本实用新型的混合式发电机包括发电机壳体1、以及设置在发电机壳体1内部的摩擦发电单元2和压电发电单元3。其中，发电机壳体1为密闭式结构，内部形成有充气腔室11。应注意的是，本实用新型中的发电机壳体1可以采用具有弹性伸缩性能的硅胶模、橡胶膜等材质制作而成，发电机壳体1内部的充气腔室11中可以选择性地注入空气、氮气、氩气等气体，但优选注入性能稳定的惰性气体。

进一步，摩擦发电单元2包括第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22，其中，第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22分别设置在发电机壳体1中的充气腔室11的相对的内壁面上，即，第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22正对设置。由此，在如图2所示的外力F施加到发电机壳体1上时，设置在充气腔室11的相对的内壁面上的第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22便会相互接触摩擦，从而产生电能。此外，为缩小第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22之间的距离，第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22与充气腔室11的内壁面之间还可设置有绝缘材料层4。

进一步，压电发电单元3设置在充气腔室11的侧壁面上，该侧壁面位于充气腔室11的设置有第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22的相对的两个内壁面之间。其中，本实用新型中的压电发电单元3为柔性材质，在如图2所示的外力F施加到发电机壳体1上时，设置在充气腔室11的相对的内壁面上的第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22会相互接触摩擦，而设置在充气腔室11的相对的内壁面之间的侧壁面上的柔性压电发电单元3也会弯曲变形，从而产生电能。

进一步，如图2所示，本实施例中的压电发电单元3包括第一电极31、第二电极32、以及位于第一电极31和第二电极32之间的发电层33。其中，当压电发电单元3受到外力而弯曲变形时，由于发电层33的压电效应，会在第一电极31和第二电极32之间产生电势差，由于第一电极31和第二电极32之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流；而当压电发电单元3恢复到原来状态时，这时形成在第一电极31和第二电极32之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极31和第二电极32之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过压电发电单元3反复的弯曲变形和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。应注意的是，本实施例中的发电层可为柔性高分子压电薄膜，优选聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜，或掺杂氧化锌(ZnO)纳米阵列的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜，或柔性衬底的氧化锌(ZnO)纳米线阵列纳米发电机等。

由此，本实用新型的混合式发电机的工作原理为：当发电机壳体1受到如图2所示方向的外力F时，设置有摩擦发电单元2中的第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22的充气腔室11的相对的内壁面会相互靠近，以使第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22接触摩擦，与此同时，充气腔室11的位于设置有第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22的相对的两个内壁面之间的侧壁面也会在压力下变形，从而带动设置在侧壁面上的压电发电单元3弯曲变形；而当上述外力F撤销时，发电机壳体1会在压强作用下恢复原状，进而设置在充气腔室11的相对的内壁面上的第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22分离，设置在充气腔室11的侧壁面上的压电发电单元3也会逐渐恢复原状。在上述过程中，摩擦发电单元2和压电发电单元3会同时输出电能。

进一步，本实用新型中的摩擦发电单元2和压电发电单元3可以分别整流后再串和/或并联，以实现输出能量的叠加。当然，本实用新型中的摩擦发电单元2和压电发电单元3也可以在不整流的情况下直接连接，但这种情况需要保持摩擦发电单元2和压电发电单元3在串和/或并联连接时，压电发电单元3的极性方向与摩擦发电单元2中的第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22的得失电子能力相匹配。

下面参考图3至图5，对本实用新型的混合式发电机中的摩擦发电单元的具体结构进行详细描述：

如图3所示，其示出了本实用新型中的摩擦发电单元2的第一种结构。本实施例中，摩擦发电单元2中的第一摩擦发电组件21包括第一电极层211，第二摩擦发电组件22包括层叠设置的第二电极层221和第二高分子聚合物绝缘层222。其中，第一电极层211和第二高分子聚合物绝缘层222相对设置形成摩擦界面，第一电极层211和第二电极层221为摩擦发电单元2的输出电极，与外电路相连。

其中，第二高分子聚合物绝缘层222为选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的任意一种。

其中，第一电极层211所用材料选自金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金中的一种。

第二电极层221所用材料选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金中的一种。

下面具体介绍一下摩擦发电单元的工作原理。当本实用新型的混合式发电机的发电机外壳1受到如图2所示的外力F时，摩擦发电单元2中的第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22相互接触摩擦，即，第一摩擦发电组件21中的第一电极层211与第二摩擦发电组件22中的第二高分子聚合物绝缘层222表面相互摩擦产生静电荷，从而导致第一电极层211和第二电极层221之间出现电势差。由于第一电极层211和第二电极层221之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当上述外力F撤消后，摩擦发电单元2中的第一摩擦发电组件21和第二摩擦发电组件22分离，这时形成在第一电极层211和第二电极层221之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层211和第二电极层221之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。

另外，为了提高摩擦发电单元2的发电能力，第一电极层211和第二高分子聚合物绝缘层222相对设置的两个面中的至少一个面上可以进一步设置微纳结构23。因此，第一电极层211和第二高分子聚合物绝缘层222的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极层211和第二电极层222处感应出较多的电荷。

如图4所示，其示出了本实用新型中的摩擦发电单元2的第二种结构。本结构与摩擦发电单元2的第一种结构的区别在于：摩擦发电单元2中的第一摩擦发电组件21包括层叠设置的第一电极层211和第一高分子聚合物绝缘层212，第一高分子聚合物绝缘层212和第二高分子聚合物绝缘层222相对设置形成摩擦界面，其中第一高分子聚合物绝缘层212的材料与实施例一中第二高分子聚合物的材料选取范围相同，但两者优选不同的材料。第一电极层和第二电极层的材料与实施例一中第二电极层的材料选取范围相同。参考摩擦发电单元2的第一种结构，本领域技术人员可以较容易地理解本实施例的工作原理、其余结构设置方式、材料选取等，此处不再赘述。

如图5所示，其示出了本实用新型中的摩擦发电单元2的第三种结构。本结构与摩擦发电单元2的第二种结构的区别在于，摩擦发电单元2中的第二摩擦发电组件22进一步包括居间薄膜层223，其层叠设置在第二高分子聚合物绝缘层222之上，其中居间薄膜层223的材料与实施例二中第二高分子聚合物层222的材料选取范围相同，但两者优选不同的材料，而且居间薄膜的材料优选与第一高分子聚合物绝缘层的材料不同。参考摩擦发电单元2的第二种结构，本领域技术人员可以较容易地理解本结构的工作原理、其余结构设置方式、材料选取等，此处不再赘述。

以上借助具体实施例对本实用新型做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本实用新型的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本实用新型所保护的范围。

Claims (8)

1.一种混合式发电机，其特征在于，包括：

发电机壳体(1)，为密闭式结构，内部形成有充气腔室(11)；

摩擦发电单元(2)，包括第一摩擦发电组件(21)和第二摩擦发电组件(22)，第一摩擦发电组件(21)和第二摩擦发电组件(22)分别设置在充气腔室(11)的相对的内壁面上，第一摩擦发电组件(21)和第二摩擦发电组件(22)相互接触摩擦可产生电能；

压电发电单元(3)，设置在充气腔室(11)的侧壁面上，该侧壁面位于充气腔室(11)的设置有第一摩擦发电组件(21)和第二摩擦发电组件(22)的相对的两个内壁面之间，压电发电单元(3)弯曲变形可产生电能。

2.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于，第一摩擦发电组件(21)和第二摩擦发电组件(22)分别与充气腔室(11)的内壁面之间设置有绝缘材料层(4)。

3.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于，压电发电单元(3)包括第一电极(31)、第二电极(32)、以及位于第一电极(31)和第二电极(32)之间的发电层(33)，发电层(33)可利用压电效应使压电发电单元(3)产生电能，第一电极(31)和第二电极(32)为压电发电单元(3)的输出电极。

4.根据权利要求3所述的混合式发电机，其特征在于，发电层(33)为柔性高分子压电薄膜，选自聚偏氟乙烯压电薄膜、掺杂氧化锌纳米阵列的聚偏氟乙烯压电薄膜、柔性衬底的氧化锌纳米线阵列纳米发电机中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于，摩擦发电单元(2)中的第一摩擦发电组件(21)包括第一电极层(211)，第二摩擦发电组件(22)包括层叠设置的第二电极层(221)和第二高分子聚合物绝缘层(222)，第一电极层(211)和第二高分子聚合物绝缘层(222)相对设置形成摩擦界面，第一电极层(211)和第二电极层(221)为摩擦发电单元(2)的输出电极。

6.根据权利要求5所述的混合式发电机，其特征在于，摩擦发电单元(2)中的第一摩擦发电组件(21)包括层叠设置的第一电极层(211)和第一高分子聚合物绝缘层(212)，第一高分子聚合物绝缘层(212)和第二高分子聚合物绝缘层(222)相对设置形成摩擦界面。

7.根据权利要求6所述的混合式发电机，其特征在于，摩擦发电单元(2)中的第二摩擦发电组件(22)包括居间薄膜层(223)，居间薄膜层(223)层叠设置在第二高分子聚合物绝缘层(222)之上，第一高分子聚合物绝缘层(212)和居间薄膜层(223)相对设置形成摩擦界面。

8.根据权利要求5至7中任一所述的混合式发电机，其特征在于，摩擦发电单元(2)中的相对设置形成摩擦界面的两个面中的至少一个面上设置有微纳结构(23)。