TWI646771B - 用於交通載具的摩擦起電裝置 - Google Patents

Abstract

本發明是一種用於交通載具的摩擦起電裝置，包含一第一摩擦件以及一第二摩擦件。第一摩擦件包含間隔設置於其上的一第一絕緣層以及一第二絕緣層，第二摩擦件包含間隔設置於其上的一第一起電層以及一第二起電層。第一摩擦件與第二摩擦件貼合並相互摩擦，使第二摩擦件對應帶電的第一摩擦件產生電荷，藉此向外輸出電能。

Description

用於交通載具的摩擦起電裝置

本發明是一種摩擦起電裝置，特別是指一種利用間隔設置的絕緣層以及起電層來彼此摩擦發電的用於交通載具的摩擦起電裝置。

電力已是現代經濟與生活的最重要能源，為了取得更多的電力來源，許多發電方式相繼被研發，例如火力、水力、風力等傳統的發電方式。拜科技演進所賜，核能以及太陽能等新世代的能源亦於近代出現。

然而，能源與環保議題於此一世代逐漸受到重視，除了上述必須仰賴國家建設的超大型發電裝置以外，人們開始研究身體力行也可以實現的小型發電裝置，利用人體活動產生的機械能，使民眾隨時隨地都能響應能源環保意識。

應用上述機械能來發電的產品非常多，例如借助手腕擺動產生的微小震動來發電的腕表、利用磁生電原理來發電的自行車、或是藉由摩擦力來發電的健走鞋。其中較常見的，即是發電量以及可利用性兼優的自行車運動，藉助其操作特性，自行車能夠連續而有效率地產生可用電能。

市面上曾有許多業者開發供自行車使用的發電模組，但其造價十分昂貴，對比響應環保的高昂代價，所能產出的電能往往不成比例，且上述發電模組多移植自發電機的磁生電裝置，其金屬線圈使得重量相當可觀，大多僅應用於固定在室內的健身車，這些因素使得從事戶外自行車運動的民眾更無使用習用發電模組的意願。

為了使小型發電裝置真正普及且有其實益，本發明提出一種摩擦起電裝置，利用複數個絕緣層和起電層彼此摩擦而使其帶電，並利用電荷平衡之趨勢來收集電荷，藉以產生可用電能。

依據本發明之一實施方式，提供一種用於交通載具的摩擦起電裝置，包含一第一摩擦件以及一第二摩擦件。第一摩擦件具有一表層，表層包含一第一絕緣層以及一第二絕緣層，且第一絕緣層以及第二絕緣層間隔設置於表層。第二摩擦件包含間隔設置並互相絕緣之一第一起電層以及一第二起電層，且第一起電層以及第二起電層貼合第一摩擦件之表層。第一起電層以及第二起電層相對應互相抵靠而位移，由於第一絕緣層以及第二絕緣層為絕緣材質，此時第一絕緣層以及第二絕緣層的表面容易帶有電荷，使第二摩擦件上的第一起電層以及一第二起電層產生感應電荷，且第一起電層以及一第二起電層相對第一絕緣層以及第二絕緣層交替位移而持續產生電荷，藉以向外輸出一電能。

藉由前述實施方式，本發明可以利用簡易的結構來達到機械能發電，且由於電荷之產生是持續發生，因而足以產生電流，產出可用電能。此外，本實施方式不需額外使用其他昂貴或是笨重的器材來輔助發電，低門檻的要求更易於普遍實施。

在一實施例中，第一絕緣層以及第二絕緣層的電性可以相反，亦即，依據各種材料之負電性差異，第一絕緣層和第二絕緣層可以分別為易帶正電和負電的材料。而由前述可知，因為第一起電層和第二起電層相對於第一摩擦件是交替位移，在第一絕緣層和第二絕緣層所帶電荷為正負相異時，第一起電層和第二起電層亦互為相反。在此情況下，摩擦起電裝置可以另包含一電性連接件，其連接第一起電層和第二起電層，由於第一絕緣層以及第二絕緣層的電性是相反的，故可知第一起電層和第二起電層感應產生的電荷也會相反，藉由兩處之電荷不平衡現象，電荷在交替位移過程中會雙向地於第一起電層和第二起電層之間移動。

在一實施例中，第一摩擦件可以連接自行車的踏板，利用踏板帶動第一摩擦件旋轉，藉此摩擦第二摩擦件。具體來說，踏板在踩踏時具有一旋轉軸心，第一摩擦件可以配合自行車部件而設計成柵狀，第一絕緣層和第二絕緣層繞著旋轉軸心柵狀間隔設置。同樣地，第二摩擦件也可以與第一摩擦件同軸設置，且其所屬的第一起電層和第二起電層也可以採用柵狀間隔設置。如此，若配合固定設置的第二摩擦件，在騎乘自行車的過程即可自動發生兩摩擦件之交替 位移。

基於此實施例之變化，前述的第一摩擦件亦可設於一載具之一輪軸，而第二摩擦件則固設於載具上，利用輪軸轉動，可使第一摩擦件被帶動而摩擦第二摩擦件。再者，第一起電層以及第二起電層可以電性連接載具，產生的電能可以用於載具之移動。前述所指的載具，可以是自行車、室內健身車或是飛輪。

關於本實施方式的其他應用，前述第一起電層或第二起電層也可以向外電性連接一電器以向其輸送電能，例如自行車車頭的照明燈、或是手機等電子產品，但不以此為限。前述的第一起電層或第二起電層可以是固體或是液體。

藉此，摩擦起電裝置可以藉由電性相反的絕緣層來製造雙向電荷傳導，在兩摩擦件交替位移的同時，第一起電層與第二起電層保持電荷之產生，不僅發電的效率增加一倍，且兩個起電層可以選擇各自或是一併輸出電流，對於電能使用的自由度亦增加。此外，將摩擦起電裝置結合於自行車等器材，更可在運動同時具有回收電力的好處。

依據本發明另一實施方式，提供一種用於交通載具的摩擦起電裝置，包含一第一摩擦件、一第二摩擦件以及一電器。第一摩擦件包含一第一絕緣層以及一第二絕緣層，且第一絕緣層以及第二絕緣層間隔設置於第一摩擦件。第二摩擦件包含互相絕緣之一第一起電層以及一第二起電層。電器電性連接第一起電層以及第二起電層。第一摩擦件以及第二摩擦件彼此接離，使第一絕緣層或第二絕 緣層相對第二摩擦件抵靠位移而帶電。此時，依據第二摩擦件與第一摩擦件抵靠的部位，第一起電層與第二起電層相對應第一絕緣層與第二絕緣層感應產生複數電荷，並向前述電器輸出一電能。

第一起電層以及第二起電層的發電原理與前述第一實施方式相同，此處不再贅述。本實施方式相較前一實施方式之差異，在於第一摩擦件與第二摩擦件並非保持貼合的狀態，而是依據不同使用情況而接觸分離，利用這一機制，可以自動決定電流輸出與否。

前述的第一絕緣層以及第二絕緣層的電性可以相反，同樣的，第一起電層以及第二起電層的電荷之電性也可以相反。本實施方式之摩擦起電裝置亦可包含一電性連接件，其連接第一起電層以及第二起電層，以供兩個起電層之電荷互相移動。

在一實施例中，摩擦起電裝置可以設置一載具上，例如自行車。載具具有位置相對應之一輪框以及一煞車件，而第一摩擦件與第二摩擦件則分別設於輪框與煞車件。由前述可知，電能只有在第一起電層與第二起電層與第一摩擦件接觸時才會產生，當煞車件按下時，電能將自動流向電器，例如電燈、警示器或是蜂鳴器。

應用此一特性，摩擦起電裝置可以應用在自行車的煞車警示上，當愈用力、愈長時間按住煞車件時，第一摩擦件以及第二摩擦件的接觸亦更緊密，致使感應產生的電荷變多，相應的電流也越大，且電能維持時間也拉長，藉此 可依照不同路況自動調變亮度、音量、持續時間等不同警示程度。

100‧‧‧摩擦起電裝置

200‧‧‧第一摩擦件

201‧‧‧表層

210‧‧‧第一絕緣層

220‧‧‧第二絕緣層

300‧‧‧第二摩擦件

310‧‧‧第一起電層

320‧‧‧第二起電層

400‧‧‧電性連接件

500‧‧‧電器

第1A圖係繪示本發明之摩擦起電裝置的第一摩擦件結構示意圖；第1B圖係繪示本發明之摩擦起電裝置的第二摩擦件結構示意圖；第2圖係繪示本發明一實施方式之摩擦起電裝置的感應電荷示意圖；第3A圖係繪示第2圖之摩擦起電裝置的應用示意圖；第3B圖係繪示第3A圖之摩擦起電裝置的局部放大圖；第4A圖係繪示本發明之摩擦起電裝置的另一種第一摩擦件結構示意圖；第4B圖係繪示本發明之摩擦起電裝置的另一種第二摩擦件結構示意圖；第5圖係繪示本發明另一實施方式之摩擦起電裝置的應用示意圖；第6A圖係繪示本發明之摩擦起電裝置的電路圖；第6B圖係繪示本發明之摩擦起電裝置的電路圖；以及第6C圖係繪示本發明之摩擦起電裝置的電路圖。

請參照第1A圖，其係繪示本發明之摩擦起電裝置100的第一摩擦件200結構示意圖。第一摩擦件200的正面為一表層201，且表層201上包含間隔設置的一第一絕緣層210以及第二絕緣層220。如第1A圖所示，第一絕緣層210包含多數個扇形面積，這些扇形面積的輪廓線於圓心處首尾相連，藉此形成一封閉輪廓。

表層201可以是自壓克力等一般材料上割下的基材，而其上黏貼作為基層的第二絕緣層220。以下說明第一摩擦件200的具體製造方式，第一絕緣層210和第二絕緣層220可以採用雷射雕刻等方式切割分離，並且分別黏貼絕緣材料，其後，將兩個絕緣層拼貼固定至表層201上，此即完成間隔設置的兩個絕緣層。

請參照第1B圖，其係繪示本發明之摩擦起電裝置100的第二摩擦件300結構示意圖。第二摩擦件300包含一第一起電層310以及一第二起電層320，第二摩擦件300也可以由一般基材構成，而表面的第一起電層310以及第二起電層320可以採用金屬等導電材質。配合第1A圖說明，第一起電層310和第二起電層320的關係類似於第一絕緣層210以及第二絕緣層220，兩者可以利用雷射切割來區隔開，如底部的第二摩擦件300使用非導電材質，則在第二摩擦件300切割為第1B圖中的圖形時，將形成內圈(扇形)的第一起電層310以及外圈(圓形)的第二起電層320。而在第1B圖中，第一起電層310和第二起電層320可以分別凸出一小面積以方便外接電線。

請參照第2圖，其係繪示本發明一實施方式之摩擦起電裝置100的感應電荷示意圖。說明本實施方式的起電原理，第一摩擦件200的兩個絕緣層以及第二摩擦件300的兩個起電層係兩兩對應，且第一絕緣層210和第二絕緣層220分別使用容易帶正電以及負電的材料。例如，易帶正電材料可以選擇聚醯胺(Polyamide,PA)、聚間苯二甲醯間苯二胺(poly-metaphenylene isophthalamides,MPIA)或聚酯(Polyester,PET)；易帶負電材料可以選擇聚醯亞胺(Polyimide,PI)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)或聚丙烯(Polypropylene,PP)，但不限於以上材料。由常識可知，物體接觸摩擦時，表面的部份電子容易發生轉移，而絕緣體因其傳導電子的能力弱，將使正負電荷難以脫離而停留在第一絕緣層210以及第二絕緣層220表面。與此相應的，第一起電層310以及第二起電層320將因應電荷平衡趨勢而產生電性相反的電荷。在本實施方式中，第一起電層310以及第二起電層320可以使用一般的金屬、或其他具有導電能力的材料。

如第2圖所示，第一摩擦件200的移動將使絕緣層以及起電層相互位移，此時電子的移動將導致電流產生，當第一絕緣層210與第二起電層320對齊時，電荷達到最平衡之狀態。第一摩擦件200繼續移動，使第一起電層310和第二起電層320的感應電荷再次改變，電子再次移動而產生反向電流。在第2圖所示例的系統中，摩擦起電裝置100可以包含一電性連接件400來連接第一起電層310以及第二起 電層320，在應用上，在電性連接件400連接兩個起電層時，可將兩個起電層視為一個電池，而第1B圖所繪示的凸出面積即可作為外接的電極。惟應注意者，即使不存在此處的電性連接件400，第一起電層310以及第二起電層320亦可各自接地而單獨使用，由於地表可視為不帶電，因此同樣可構成電位差，不影響本實施方式之電流產生。

請一併參照第3A圖以及第3B圖，第3A圖係繪示第2圖之摩擦起電裝置100的應用示意圖，第3B圖係繪示第3A圖之摩擦起電裝置100的局部放大圖。本實施方式的摩擦起電裝置100可以直接應用在自行車上，第一起電層310或第二起電層320可以連接車頭的照明燈、後方警示燈、以及手機等電器500以輸出電能。摩擦起電裝置100可隨自行車行進而持續對電器500充電，在夜間等視線不佳的場合提供照明所需之電力、或是支援手機隨時查詢地圖的導航需求。甚至在不需要使用這些電能時，也可以將其作為移動的輔助動力，節省騎乘者出力。第3B圖詳細說明摩擦起電裝置100的實施細節，由於摩擦行為至少需要其中一個摩擦件轉動，故以不需要外接電線的第一摩擦件200為理想，如此可以免除電線受帶動而旋轉纏繞的問題。在第3B圖中，第一摩擦件200可以和自行車的踏板連接在一起，第一絕緣層210和第二絕緣層220圍繞踏板的旋轉軸心，採柵狀之間隔方式設置；而第二摩擦件300則與第一摩擦件200同軸對應，並且被固定在自行車上，再外接電線(未繪示)以攀連至自行車上的電器500，踩動踏板時，第一摩擦件200將被帶 動而自動摩擦第二摩擦件300，藉由電荷的平衡傾向來自動生成電流。

當然，除了室外自行車的踏板以外，第一摩擦件200也可以設置在其他載具的輪軸等位置，第二摩擦件300則可以安裝在載具的支架上，例如室內健身車或是飛輪的前叉或後叉，同樣可以利用上述原理來產生電能。

除了上述材料以外，第一摩擦件200以及第二摩擦件300也可以以液固介面來彼此摩擦。舉例來說，上述液體可以使用水、雨水、自來水、海水、油、離子液體、有機溶液或是液態金屬，上述液體易於攜帶正電，可配合易於攜帶負電的固體材料來摩擦起電。然而，兩摩擦件的材料主要以利於產生感應電荷為考量，實際上第一摩擦件200以及第二摩擦件300係依選用的材料來彼此配合，故兩者的電性將依材料之選擇而變化。

藉此實施方式，摩擦起電裝置100不需要使用高重量的配備來產生電能，因此可以普及應用於各種器材上。此外，由於第一摩擦件200的製造成本低，在使用一段時間以後，只需要更換磨耗的第一摩擦件200，摩擦起電裝置100即可再次使用如新。

請一併參照第4A圖以及第4B圖，第4A圖係繪示本發明之摩擦起電裝置100的另一種第一摩擦件200結構示意圖。第4B圖係繪示本發明之摩擦起電裝置100的另一種第二摩擦件300結構示意圖。本發明之摩擦起電裝置100除了適用於自行車等轉動形式的發電，也可以以其他形態實 施。在第4A圖以及第4B圖中，第一摩擦件200以及第二摩擦件300可改為輪圈形狀，其中，第二摩擦件300可以按照第4B圖所示切割成凸齒狀的第一起電層310以及第二起電層320。此處所述的第一摩擦件200以及第二摩擦件300的區域區分與第1A圖以及第1B圖所介紹的原理相同，故此處不再詳述細節。

配合參照第5圖，其係繪示本發明另一實施方式之摩擦起電裝置100的應用示意圖。利用第4A圖以及第4B圖之設計，第一摩擦件200以及第二摩擦件300可以分別設置在自行車的輪框跟煞車件上。本實施方式與前述第一實施方式的差別，在於本實施方式的第一摩擦件200以及第二摩擦件300並不是常駐貼合的，利用短暫地接觸分離或是極短路徑的摩擦來製造瞬間電流，此特性可以應用在偶發使用的煞車上。

與第3圖所介紹的應用同理，第一摩擦件200可以貼在自行車輪框上，並且隨著自行車前進而主動旋轉；而由於煞車結構的移動量極小，且有煞車鋼索控制，故第二摩擦件300可以直接做為煞車皮的摩擦面，其電線則可以藉著攀附煞車鋼索而被連接到自行車的其他位置。在按下煞車時，第一摩擦件200將與第二摩擦件300垂直接觸，並且發生短暫的水平摩擦，而無論接觸或是摩擦，皆可誘發絕緣層的帶電反應，從而使起電層發生電荷轉移。產生的短暫電流可用於使電燈閃爍、或是警示器以及蜂鳴器發出的警示，在自行車完全靜止後，上述電器500也隨之自動斷電，不須以 額外的機制來控制開關。

請參照第6A圖至第6C圖，其係繪示本發明之摩擦起電裝置100的電路圖。第6A圖以及第6B圖示例前述電性連接件400將第一起電層310以及第二起電層320連接的狀態，此時兩個起電層可以視為一個電池的正負極，故當電荷在兩個起電層之間轉移時，即可串接電器500以供應電能。配合第2圖說明，第一起電層310以及第二起電層320在摩擦過程中，電荷移動方向將因感應電荷的電性改變而交替反向。亦即，上述電池的正負極會在極短時間內反覆交換，此點可以藉由設置整流器克服。由於整流器屬於常見的裝置，故此處不詳述整流器的運作原理。在第6B圖中，摩擦發電裝置也可以應用在不同電壓之電池或電器500的充電上，透過設置變壓器以及整流器，第二摩擦件300可以持續向外輸送可用電能。第6C圖係說明摩擦發電裝置未使用電性連接件400的實施例。在第6C圖中，第一起電層310以及第二起電層320未被電性導通，彼此成為兩個獨立電路，在此設置情況下，第一起電層310以及第二起電層320形同各自接地，可以各自供應電壓不同的電子設備，故不需要因應不同的電器500而在電路中各別設置變壓器。

由以上揭露的實施方式可知，本發明至少包含以下優點：第一，本發明的摩擦起電裝置不需要複雜的發電設備，可以伴隨一般的人體活動簡易實施，因而具備較高泛用性。第二，摩擦起電裝置的所有摩擦面積皆能夠產生電荷，改良間歇式摩擦效率較低的問題。第三，本發明所使用 的第一摩擦件以及第二摩擦件之材料容易取得，且製造容易、各種實施形態的自由度也高，其低成本以及高度的適應性有助於普及使用於各種產品。第四，摩擦起電裝置結合自行車運動可以構成永久的自供電系統，提供電燈、警示器、手機等電子器材的電力支援，改善更換電池等浪費或汙染問題。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (22)

1. 一種用於交通載具的摩擦起電裝置，該摩擦起電裝置包含：一第一摩擦件，該第一摩擦件之一表層包含一第一絕緣層以及一第二絕緣層，該第一絕緣層以及該第二絕緣層間隔設置於該表層，且該第一絕緣層以及該第二絕緣層之間的間距固定且不隨時間改變；以及一第二摩擦件，包含間隔設置並互相絕緣之一第一起電層以及一第二起電層，且該第一起電層以及該第二起電層之間的間距固定且不隨時間改變；其中，該第一絕緣層及該第二絕緣層位於該第一摩擦件上同側，該第一起電層及該第二起電層位於該第二摩擦件上同側，該第一摩擦件以及該第二摩擦件相對應抵靠位移，使該第一絕緣層以及該第二絕緣層因電荷轉移而帶電，且該第一起電層以及該第二起電層相對該第一絕緣層以及該第二絕緣層交替位移，使該第一絕緣層以及該第二絕緣層為達電荷平衡而產生複數電荷，並於該第一起電層及該第二起電層上產生與該複數電荷電性相反之複數感應電荷，該複數感應電荷之電性隨該第一起電層及該第二起電層相對該第一絕緣層以及該第二絕緣層交替位移而交替改變其電性正負極並具有一頻率；其中，該第一摩擦件及該第二摩擦件個別為固體或液體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦起電裝置，其中該第一絕緣層以及該第二絕緣層之電性相反。
3. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦起電裝置，該第一起電層以及該第二起電層之該些電荷的電性相反。
4. 如申請專利範圍第3項所述之摩擦起電裝置，另包含：一電性連接件，連接該第一起電層以及該第二起電層，且該些電荷透過該電性連接件於該第一起電層以及該第二起電層之間移動。
5. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦起電裝置，其中該第一摩擦件連接一自行車之一踏板，且該踏板帶動該第一摩擦件旋轉以摩擦該第二摩擦件。
6. 如申請專利範圍第5項所述之摩擦起電裝置，其中該踏板具有一旋轉軸心，該第一絕緣層以及該第二絕緣層繞該旋轉軸心並且柵狀間隔設置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之摩擦起電裝置，其中該第二摩擦件與該第一摩擦件同軸設置，且該第一起電層以及該第二起電層柵狀間隔設置。
8. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦起電裝置，其中該第一摩擦件設於一載具之一輪軸，且該輪軸帶動該第一摩擦件旋轉以摩擦該第二摩擦件。
9. 如申請專利範圍第8項所述之摩擦起電裝置，其中該第二摩擦件固設於該載具上。
10. 如申請專利範圍第8項所述之摩擦起電裝置，其中該載具為一自行車、一室內健身車或一飛輪。
11. 如申請專利範圍第10項所述之摩擦起電裝置，其中該載具電性連接該第一起電層或該第二起電層以接收該電能，且該載具利用該電能移動。
12. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦起電裝置，其中該第一起電層或該第二起電層電性連接一電器並向其輸送該電能。
13. 如申請專利範圍第12項所述之摩擦起電裝置，其中該電器為一電燈或一手機。
14. 一種用於交通載具的摩擦起電裝置，該摩擦起電裝置包含： 一第一摩擦件，包含一第一絕緣層以及一第二絕緣層，該第一絕緣層以及該第二絕緣層間隔設置於該第一摩擦件，且該第一絕緣層以及該第二絕緣層之間的間距固定且不隨時間改變；一第二摩擦件，包含互相絕緣之一第一起電層以及一第二起電層，且該第一起電層以及該第二起電層之間的間距固定且不隨時間改變；以及一電器，電性連接該第一起電層以及該第二起電層；其中，該第一絕緣層及該第二絕緣層位於該第一摩擦件上同側，該第一起電層及該第二起電層位於該第二摩擦件上同側，該第一摩擦件與該第二摩擦件接觸，使該第一絕緣層或該第二絕緣層相對該第二摩擦件抵靠位移而產生電性正負相反之複數電荷，並於該第一起電層以及該第二起電層相對應該第一絕緣層以及該第二絕緣層產生與該複數電荷電性相反之複數感應電荷，該複數感應電荷之電性隨該第一起電層及該第二起電層相對該第一絕緣層以及該第二絕緣層交替位移而交替改變其電性正負極並具有一頻率，且向該電器輸出一交流電能。
15. 如申請專利範圍第14項所述之摩擦起電裝置，其中該第一絕緣層以及該第二絕緣層之電性相反。
16. 如申請專利範圍第14項所述之摩擦起電裝置，其中該第一起電層以及該第二起電層之該些電荷的電性相反。
17. 如申請專利範圍第16項所述之摩擦起電裝置，另包含：一電性連接件，連接該第一起電層以及該第二起電層，且該些電荷透過該電性連接件於該第一起電層以及該第二起電層之間移動。
18. 如申請專利範圍第14項所述之摩擦起電裝置，其中該電器為一電燈、一警示器或一蜂鳴器。
19. 如申請專利範圍第14項所述之摩擦起電裝置，其設於一載具，該載具具有位置相對應之一輪框以及一煞車件，且該第一摩擦件與該第二摩擦件分別設於該輪框與該煞車件。
20. 如申請專利範圍第19項所述之摩擦起電裝置，其中該載具為一自行車。
21. 如申請專利範圍第14項所述之摩擦起電裝置，其中該第一摩擦件為固體或液體。
22. 如申請專利範圍第14項所述之摩擦起電裝置，其中該第二摩擦件為固體或液體。