旋轉摩擦發(fā)電機、穩(wěn)壓輸出電路和供電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種旋轉摩擦發(fā)電機、穩(wěn)壓輸出電路和供電裝置。該旋轉摩擦發(fā)電機包括兩個位于同一平面間隔設置的電極單元，和一個交替與這兩個電極單元接觸的第一部件。在外界機械能的作用下，該第一部件上所帶的摩擦靜電，隨其旋轉交替地接觸兩個電極單元，進而交替地改變兩個電極單元間的感應電勢差，驅(qū)動電子通過外電路流動，而形成交流電信號輸出。該旋轉式摩擦發(fā)電機無需對摩擦表面做納米結構層，即可實現(xiàn)每平方厘米高達毫瓦級的功率輸出密度。
【專利說明】旋轉摩擦發(fā)電機、穩(wěn)壓輸出電路和供電裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠環(huán)境中機械能轉化為電能的發(fā)電器件，特別是一種旋轉式摩擦發(fā)電機及基于該發(fā)電機的穩(wěn)壓輸出電路和供電裝置。
【背景技術】
[0002]在微電子和材料技術高速發(fā)展的今日，大量新型具有多種功能和高度集成化的微型電子器件不斷被開發(fā)出來，并在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領域展現(xiàn)出前所未有的應用前景。然而，和這些微型電子器件所匹配的電源系統(tǒng)的研究卻相對滯后，一般說來，這些微型電子器件的電源都是直接或者間接來自于電池。電池不僅體積較大、質(zhì)量較重，而且含有的有毒化學物質(zhì)對環(huán)境和人體存在潛在的危害。因此，開發(fā)出能將運動、振動等自然存在的機械能轉化為電能的技術具有極其重要的意義。
[0003]從2012年開始，基于摩擦靜電效應的納米發(fā)電機快速發(fā)展，并以其高效的輸出、簡單的工藝和穩(wěn)定的性能，成為將機械能轉變?yōu)殡娔艿囊粋€非常有前景的途徑。但是，現(xiàn)有的摩擦電納米發(fā)電機存在著輸出功率較低、阻抗高、機械性能差、交流輸出和輸出不穩(wěn)定等問題，使其實際應用收到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術問題
[0005]為克服現(xiàn)有摩擦納米發(fā)電機的上述問題，本發(fā)明設計并制作出一種新型旋轉式摩擦發(fā)電機，通過放射狀、陣列式、平面雙電極的設計和旋轉式的工作模式，極大的提高了輸出電流；同時，通過對電路的整體設計，獲得了具有穩(wěn)定直流輸出、可直接給小型用電器件供電的供電裝置。
[0006]技術方案
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明首先提出一種旋轉式摩擦發(fā)電機。該發(fā)電機包括兩個分隔設置的電極層，和一個通過相對旋轉而與兩個電極層交替接觸的摩擦層，該摩擦層不需要另外附著電極層和連接導線，可以自由移動。在工作時，該獨立的摩擦層相對于兩個電極層發(fā)生旋轉，并交替與兩個電極層接觸，使得摩擦層表面所帶有的摩擦凈電荷隨其一起移動，導致兩個電極層間的感應電勢差發(fā)生周期性變化，驅(qū)動電極層向外電路輸出交流電信號。這種發(fā)電機的兩個電極層置于同一平面上，使二者之間的等效電容量很小，可以產(chǎn)生很高的電壓輸出。而通過兩個電極層表面的圖案化設計和摩擦層相對旋轉速度的提高，還可以顯著增加電流的輸出效率。
[0008]基于上述思路，本發(fā)明首先提供一種旋轉式的摩擦發(fā)電機，包括第一部件和與之同軸的第二部件，其中所述第一部件由若干摩擦單元以旋轉軸為圓心向外輻射間隔排列而成，所述第二部件包括在同一平面內(nèi)間隔設置的若干第一電極單元和若干第二電極單元，并且所述第一電極單元和第二電極單元均以所述旋轉軸為圓心向外輻射排列，所有第一電極單元形成并聯(lián)的電性連接，所有第二電極單元形成并聯(lián)的電性連接；所述第一部件的下表面與第二部件的上表面通過相對旋轉發(fā)生滑動摩擦，同時通過所述第一電極單元和第二電極單兀向外電路輸出電信號；
[0009]優(yōu)選地，所述摩擦單元的下表面交替與所述第一電極單元和第二電極單元相接觸，所述摩擦單元的下表面與所述第一電極單元和第二電極單元的材料具有不同的摩擦電性質(zhì)；
[0010]優(yōu)選地,所述摩擦單元由絕緣材料或半導體材料制成；
[0011]優(yōu)選地，還包括隔離層，所述第一電極單元和第二電極單元的上表面完全貼合在所述隔離層的背面，所述摩擦單元的下表面交替與背面貼合有所述第一電極單元的隔離層的部分上表面、以及背面貼合有第二電極單元的隔離層的部分上表面接觸，并且所述摩擦單元的下表面與隔離層材料具有不同的摩擦電性質(zhì)；
[0012]優(yōu)選地，所述隔離層為絕緣材料；
[0013]優(yōu)選地，所述摩擦部件由絕緣材料、半導體材料或?qū)щ姴牧现瞥桑?br> [0014]優(yōu)選地，所述第一電極單元和第二電極單元由相同的導電材料制成；
[0015]優(yōu)選地，所述摩擦單元不能同時覆蓋所述第一電極單元和第二電極單元；
[0016]優(yōu)選地，所述摩擦單元的形狀和尺寸與所述第一電極單元和/或第二電極單元的尺寸和形狀相同；
[0017]優(yōu)選地，所述第一電極單元與所述摩擦單元發(fā)生滑動摩擦的表面，和第二電極單元與所述摩擦單元發(fā)生滑動摩擦的表面形狀和尺寸相同或相近；
[0018]優(yōu)選地，所述第一電極單元和第二電極單元的尺寸和形狀相同或互補；
[0019]優(yōu)選地，所述第一電極單元和第二電極單元的尺寸和形狀相同，均為獨立的扇形或頂點被同心圓切割后形成的部分扇形單元；
[0020]優(yōu)選地，所述第二電極單元的上表面為扇形或頂點被同心圓切割后形成的部分扇形，所述第一電極單元以互補的方式填充在相鄰兩個第二電極單元之間；
[0021]優(yōu)選地，所有第一電極單元的內(nèi)側互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣，所有第二電極單元的外側互相連接形成封閉的外邊緣，或者，所有第一電極單元的外側互相連接形成封閉的外邊緣，所有第二電極單元的內(nèi)側互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣；
[0022]優(yōu)選地，所述扇形或部分扇形的最小弧長和第二電極單元的厚度之比為0.01-1000。
[0023]優(yōu)選地，所述第一電極單元和第二電極單元之間的分隔距離為IOnm-1Ocm ;
[0024]優(yōu)選地，所述隔離層的厚度為IOnm至Icm ;
[0025]優(yōu)選地，所述隔離層為分立結構或一體結構。
[0026]本發(fā)明還提供一種基于上述摩擦發(fā)電機的穩(wěn)壓輸出電路，包括:前述的任意一款摩擦發(fā)電機(TEG)，用于將機械能轉換為電信號；變壓模塊，用于降低所述摩擦發(fā)電機輸出的電壓，同時提高輸出電流；整流模塊，用于將所述變壓模塊輸出的交流電信號轉換成直流電信號；第一儲能模塊，用于將所述整流模塊輸出的電信號進行存儲；穩(wěn)壓模塊，用于穩(wěn)定整個電路的輸出電壓；
[0027]優(yōu)選地，所述變壓模塊為降壓變壓器；
[0028]優(yōu)選地，所述第一儲能模塊的兩端分別與所述整流模塊的兩個直流輸出端口相連；[0029]優(yōu)選地，所述第一儲能模塊為電容器，其容量為I μ F-1F ；
[0030]優(yōu)選地，所述穩(wěn)壓模塊包括三端穩(wěn)壓器；
[0031 ] 優(yōu)選地，還包括第一諧波模塊，設置于所述變壓模塊和整流模塊之間；
[0032]優(yōu)選地，所述第一諧波模塊為兩端分別與所述變壓模塊的兩個輸出端相連的電容器，其容量為 0.0001 μ F-0.1yF ；
[0033]優(yōu)選地，還包括第二諧波模塊，設置于所述第一儲能模塊和所述穩(wěn)壓模塊之間；
[0034]優(yōu)選地，所述第二諧波模塊與所述第一儲能模塊并聯(lián)連接，為容量在0.001 μ F-1 μ F之間的電容器；
[0035]優(yōu)選地，還包括第二儲能模塊，設置于所述穩(wěn)壓模塊之后；
[0036]優(yōu)選地，所述第二儲能模塊為容量在IyF-1F之間的電容器；
[0037]優(yōu)選地，還包括第三諧波模塊，設置于所述穩(wěn)壓模塊和電路輸出端之間；
[0038]優(yōu)選地，所述第三諧波模塊設置于所述第二儲能模塊和電路輸出端之間，為容量在0.001 μ F-1 μ F之間的電容。
[0039]本發(fā)明還提供一種基于摩擦發(fā)電機的供電裝置，其采用前述的穩(wěn)壓電路進行連接，包括前述的任意一款摩擦發(fā)電機(TEG),用于將機械能轉換為電信號；變壓模塊，用于降低所述摩擦發(fā)電機輸出的電壓，同時提高輸出電流；整流模塊，用于將所述變壓模塊輸出的交流電信號轉換成直流電信號；第一儲能模塊，用于將所述整流模塊輸出的電信號進行存儲；穩(wěn)壓模塊，用于穩(wěn)定整個電路的輸出電壓。
[0040]有益效果
[0041]本發(fā)明提供旋轉式發(fā)電機的優(yōu)勢在于:
[0042](I)通過兩個電極層集成在同一平面和摩擦層與電極層相對旋轉的設計，極大的提高了摩擦發(fā)電機的輸出電流和功率。
[0043](2)摩擦層和電極層表面無需制備微納結構即可獲得高效的輸出，簡化了制備工藝，降低了成本，更便于實際應用。
[0044](3)設計并制備了配套的供電裝置，使本發(fā)明的摩擦發(fā)電機可以作為實用電源，直接對小型用電設備進行實時供電。
[0045]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于顯示出本發(fā)明的主旨。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0047]圖1是本發(fā)明旋轉式摩擦發(fā)電機的一種典型結構中第一部件與第二部件的相對位置示意圖；
[0048]圖2是圖1所示旋轉式摩擦發(fā)電機第一部件和第二部件的俯視結構示意圖；
[0049]圖3中的(I) - (3)是圖1所示旋轉式摩擦發(fā)電機的工作原理圖；[0050]圖4是本發(fā)明旋轉式摩擦發(fā)電機的另一種典型結構示意圖；
[0051]圖5是本發(fā)明旋轉式摩擦發(fā)電機的另一種典型結構示意圖；
[0052]圖6是圖5所示發(fā)電機工作模式的電荷分布示意圖；
[0053]圖7中的a是實施例1的發(fā)電機輸出的短路電流、b是實施例1的發(fā)電機輸出的開路電壓譜圖；
[0054]圖8是實施例1的發(fā)電機輸出電信號與轉速的關系圖；
[0055]圖9是本發(fā)明基于摩擦發(fā)電機的穩(wěn)壓輸出電路示意圖；
[0056]圖10是本發(fā)明基于摩擦發(fā)電機的另一種穩(wěn)壓輸出電路示意圖。
【具體實施方式】
[0057]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0058]其次，本發(fā)明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發(fā)明保護的范圍。
[0059]圖1和圖2為本發(fā)明旋轉式摩擦發(fā)電機的一種典型結構，包括第一部件10和與之同軸的第二部件20，其中第一部件10由若干摩擦單元101以旋轉軸70為圓心向外輻射間隔排列而成，第二部件20包括在同一平面內(nèi)間隔設置的若干第一電極單元201和若干第二電極單元202，并且所述第一電極單元201和第二電極單元202均以旋轉軸70為圓心向外輻射排列，所有第一電極單元201形成串聯(lián)的電性連接，所有第二電極單元202形成串聯(lián)的電性連接；第一部件10的下表面與第二部件20的上表面通過相對旋轉發(fā)生滑動摩擦，使摩擦單元101的下表面交替與第一電極單元201和第二電極單元202相接觸，同時通過第一電極單元201和第二電極單元202向外電路輸出電信號，摩擦單元101的下表面與第一電極單元和第二電極單元的材料具有不同的摩擦電性質(zhì)。
[0060]本發(fā)明中涉及的材料摩擦電性質(zhì)是指一種材料在與其他材料發(fā)生摩擦或接觸的過程中顯示出來的得失電子能力，即兩種不同的材料相接觸或摩擦時一個帶正電，一個帶負電，說明這兩種材料的得電子能力不同，亦即二者的摩擦電性質(zhì)不同。例如，聚合物尼龍與鋁箔接觸的時候，其表面帶正電，即失電子能力較強，聚合物聚四氟乙烯與鋁箔接觸的時候，其表面帶負電，即得電子能力較強。
[0061]該發(fā)電機在工作時，第一部件10通過旋轉交替與兩個電極單元重合，其下表面分別與兩個電極單元發(fā)生滑動摩擦，導致第一部件10中摩擦單元101的下表面和兩個電極層的表面帶上電性相反的電荷。當摩擦單元101從一個電極單元向另一個電極單元滑動時，它表面所帶的電荷將隨著摩擦單元101 —起移動，從而吸引電極層上的異號電荷通過外接回路在兩個電極單元之間發(fā)生轉移，導致在外電路30產(chǎn)生電流(參見圖3中的(I) - (3 ))。
[0062]第一部件10中的摩擦單元101為本發(fā)明摩擦發(fā)電機提供一個摩擦表面，其材料選擇主要考慮與其配合使用的另一個摩擦面材料的摩擦電性質(zhì)。在本實施方式中，與摩擦單元101配合使用的摩擦面是兩個導電的電極層，因此該摩擦單元101的下表面材料應選自與導體有較大摩擦電性質(zhì)差異的絕緣體和半導體，使得二者在發(fā)生摩擦的過程中容易產(chǎn)生表面接觸電荷。其中，絕緣體可選自一些常用的有機聚合物材料和天然材料，包括:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、人造纖維、棉及其織物、木頭、硬橡膠、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性體、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林,包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。
[0063]常用的半導體包括硅、鍺；第111和第V族化合物，例如砷化鎵、磷化鎵等；第11和第VI族化合物，例如硫化鎘、硫化鋅等；以及由II1- V族化合物和I1-VI族化合物組成的固溶體，例如鎵鋁砷、鎵砷磷等。除上述晶態(tài)半導體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導體、有機半導體等。非導電性氧化物、半導體氧化物和復雜氧化物也具有摩擦電特性，能夠在摩擦過程形成表面電荷，因此也可以用來作為本發(fā)明的摩擦層，例如錳、鉻、鐵、銅的氧化物，還包括氧化硅、氧化錳、氧化鉻、氧化鐵、氧化銅、氧化鋅、Bi02和Y203。限于篇幅的原因，并不能對所有可能的材料進行窮舉，此處僅列出一些具體的材料供人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發(fā)明保護范圍的限制性因素，因為在發(fā)明的啟示下，本領域的技術人員根據(jù)這些材料所具有的摩擦電特性很容易選擇其他類似的材料。
[0064]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當?shù)谝徊考?0和第二部件20相互接觸的表面材料之間的摩擦電性質(zhì)相差越大時，發(fā)電機輸出的電信號越強。所以，可以根據(jù)實際需要，選擇合適的材料來制備第一部件10和第二部件20的接觸表面，以獲得更好的輸出效果。具有負極性摩擦電性質(zhì)的材料優(yōu)選聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4 ;具有正極性摩擦電性質(zhì)的材料優(yōu)選苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇和聚酯。
[0065]為了滿足與第二部件20中的第一電極單元201和第二電極單元202交替接觸的要求，第一部件10中摩擦單元101的形狀和尺寸應該不足以同時覆蓋這兩個電極層，除此之外沒有特殊要求。為了達到更好的電信號輸出效果，優(yōu)選摩擦單元101的形狀和尺寸與第一電極單元201和/或第二電極單元202的形狀和尺寸相同，以使得摩擦單元101能夠與第一電極單元201和/或第二電極單元202在接觸時能夠達到完全重合，有效摩擦面積最大。在圖2所示的結構中，摩擦單元101的形狀和尺寸與第一電極單元201完全相同。
[0066]與現(xiàn)有技術中的摩擦發(fā)電機不同，由于第一部件10的背面無需沉積金屬電極，因此對其厚度沒有特殊要求，可以是體材料也可以是薄膜材料，這使本發(fā)明發(fā)電機的應用范圍得到了極大拓展。
[0067]本實施方式中，第二部件20由2種電極單元間隔組成，同時作為電極和摩擦層使用。常用的導體材料均可用于制備第二部件20，例如金屬和導電的非金屬材料等，其中金屬可選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；導電的非金屬材料可選自氧化銦錫ITO和摻雜的半導體。第一電極單元201和第二電極單元202的材料可以相同，也可以不同，優(yōu)選二者材料類相同。
[0068]第一電極單元201和第二電極單元202必須在同一個平面內(nèi)間隔設置，二者的形狀相同或互補，為了提高滑動摩擦發(fā)電的效率，優(yōu)選第一電極單元201與摩擦單元101發(fā)生滑動摩擦表面，和第二電極單元202與摩擦單元101發(fā)生滑動摩擦的表面形狀和尺寸相同或相近。更優(yōu)選所有第一摩擦單元201均相同，和/或，所有第二摩擦單元202均相同。例如圖2所示的實施方式，第二電極單元202的上表面為扇形或頂點被同心圓切割后形成的部分扇形，而多個第一電極單元201則以互補的方式填充在相鄰兩個第二電極單元201之間。其中所述的“頂點被同心圓切割后形成的部分扇形”是指由兩段同心圓弧和兩段直徑組成的類扇形。為了方便同種電極單元之間的并聯(lián)電性連接，可以選擇將所有第一電極單元201或第二電極單元202的內(nèi)側互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣，而所有第二電極單元202或第一電極單元201的外側互相連接形成封閉的外邊緣。其中，該扇形或部分扇形的最小弧長(對于扇形為其弧長，對于部分扇形為其內(nèi)弧長)和第二電極單元202的厚度之比應處于0.01-1000之間，優(yōu)選0.1-100之間，特別是在1-50之間，甚至是在1-40之間，這樣的結構能夠在盡量避免邊界效應的同時，獲得更好的電輸出性能。而第一電極單元201的內(nèi)外邊緣可以是圓形，也可以是其他形狀。圓形更方便加工，也方便旋轉操作，但是如果環(huán)境需要，該邊緣的形狀是可以調(diào)整的。
[0069]當然，第一電極單元201的內(nèi)外邊緣不連通也是可以的，例如圖4所示的結構中，第一電極單元201與第二電極單元202具有相同的形狀和尺寸，均為獨立的扇形或頂點被同心圓切割后形成的部分扇形單元。這種情況下，為了確保所有第一電極單元201形成并聯(lián)的電性連接，所有第二電極單元202形成并聯(lián)的電性連接，可以通過外接導線的方式將所有第一電極單元201連接起來，而所有第二電極單元202也做類似的連接。該實施方式中，與第二部件20相配合使用的第一部件10由圍繞旋轉軸70而設置的若干摩擦單元101組成，優(yōu)選這些摩擦單元101與第一電極單元201具有相同的形狀和尺寸,但是摩擦單元101的數(shù)量與第一或第二電極單元的數(shù)量并不一定相同(參見圖4中(I)和(2))。圖4中標號30的為電信號輸出的連接端。
[0070]第一電極單元201和第二電極單元202為分隔設置，即二者之間需要留有一定的空隙，該空隙的存在是電子能夠通過外電路在兩個電極層之間流動的關鍵。理論研究和實驗對比顯示，電極單元之間的間距越小，越有利于提高輸出的電流密度和功率密度。因此，應該優(yōu)先選用較小的電極單元間距。本發(fā)明認為該間隙可以控制在IOnm-1Ocm之間，優(yōu)選100nm-5cm之間,更優(yōu)選在I μ m-100 μ m之間。分隔的電極單元可以通過選擇性鍍膜技術在支撐基底上制備，也可以利用激光切割技術形成。
[0071]為了在提高電信號輸出密度的同時，防止電極單元之間的放電，還可以在兩個電極單元的空隙中填有填充介質(zhì)50 (參見圖4)。該填充介質(zhì)50既可以僅填充于相鄰電極單元之間的空隙中，也可以如圖4所示在兩個電極層的周圍也設置一圈，用于作為電極單元的支撐結構或保護結構。該填充介質(zhì)50可選自具有中性摩擦電特性的材料，例如聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6-二甲基聚亞苯基氧化物)。顯然，如果發(fā)電機在使用的過程中需要液體、氣體或真空環(huán)境，上述填充介質(zhì)50也可以是不導電的液體或氣體，在必要的情況下也可以是真空。在這些情況下，第一部件10在與填充介質(zhì)50接觸的過程中可以有效的避免電荷轉移。填充介質(zhì)50的填充高度既可以與第一電極單元201和第二電極單元202的厚度相同，也可以稍低于二者的厚度。當填充介質(zhì)50的填充高度低于第一電極單元201和第二電極單元202的厚度時，優(yōu)選介電系數(shù)較大的材料，例如二氧化硅，三氧化鋁，氧化鎂，氧化鈣，氧化銅。
[0072]圖5為本發(fā)明旋轉式摩擦發(fā)電機另一種典型結構的單元示意圖，即圖5所示的僅為該發(fā)電機的一個發(fā)電單元，整個發(fā)電機由若干這樣的單元組成。該發(fā)電機包括第一部件10和與之同軸的第二部件20，其中第一部件10由若干摩擦單元101以旋轉軸70為圓心向外輻射間隔排列而成，第二部件20包括隔離層40、貼合在隔離層40背面間隔設置的第一電極單元201和第二電極單元202，并且所述第一電極單元201和第二電極單元202均以旋轉軸70為圓心向外輻射排列，所有第一電極單元201形成串聯(lián)的電性連接，所有第二電極單元202形成串聯(lián)的電性連接；第一部件10的下表面與第二部件20的上表面通過相對旋轉發(fā)生滑動摩擦，使摩擦單元101的下表面交替與背面貼合有第一電極單元201的隔離層40的部分上表面、以及背面貼合有第二電極單元202的隔離層40的部分上表面接觸，并通過第一電極單元201和第二電極單元202向外輸出電信號，摩擦單元101的下表面與隔離層
40的材料具有不同的摩擦電性質(zhì)。
[0073]隔離層40應為非導體材料，優(yōu)選絕緣材料，可從圖1和圖2所示的實施方式中摩擦單元101的可選材料中進行選擇，為了提高電信號輸出性能，優(yōu)選使用摩擦電特性與摩擦單元101相差較大的材料。
[0074]在本實施方式中，由于有不導電的隔離層40的存在，使得摩擦單元101的材料可選擇范圍有所拓展，除了在前述實施方式中可以選擇的范圍之外，導體也成為一種可選材料，包括金屬、導電的非金屬材料，其中金屬可選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；導電的非金屬材料可選自氧化銦錫ITO和摻雜的半導體以及有機物導體。
[0075]隔離層40可以為分立結構，例如由2個分離的部分組成，其中一個部分覆蓋于第一電極單兀201的表面,另一個部分覆蓋于第二電極單兀202的表面；也可以為一體結構，例如圖5所示的情況，隔離層40為一個整體，同時覆蓋于所有電極單元的上表面。
[0076]隔離層40的表面尺寸和形狀應至少完全覆蓋第一電極單元201和第二電極單元202，對其厚度沒有特殊限定，可以為IOnm-1cm，優(yōu)選I μ m至0.5_，更優(yōu)選20 μ m-0.1mm,以利于發(fā)電機的輸出。
[0077]在該發(fā)電機工作時，第一部件10在隔離層40表面來回滑動，或者在背面分別貼合有第一電極單元201和第二電極單元202的隔離層40表面不同部分之間交替接觸和分離。在這個過程中，第一部件10的摩擦單元101和隔離層40相互接觸的表面帶上反號的電荷。這些電荷都將保持在二者的表面，在一定時間內(nèi)幾乎不會發(fā)生流動或者衰減。由于隔離層40始終相對于兩個電極層保持靜止，因此它表面所帶的靜電荷在兩個電極層間產(chǎn)生的感應電勢差始終保持不變，不會給電流的產(chǎn)生提供驅(qū)動力(參見圖6)。因此，與圖3所示的情形類似，摩擦單元101上的靜電將隨其滑動一起移動，并且在交替靠近兩個電極層時，反復改變兩個電極層間的感應電勢差，從而吸引電極回路中所帶的異號電荷在兩個電極層之間移動，在外電路產(chǎn)生電流。
[0078]對于兩個電極單元之間的間距，與圖1和圖2所示的實施方式類似，間距越小，越有利于提高輸出的電流密度和功率密度。
[0079]對于這種結構，第一部件10也可以是預先帶電的，這種情況下，隔離層40更多的起到一個保護層的作用，或者是在第一部件10所帶電荷不飽和的情況下，通過與隔離層40的摩擦使之帶上更多的電荷，從而提高發(fā)電機的輸出性能。
[0080]對于本發(fā)明前述的各種發(fā)電機，還可以包含支撐部件，用于對第一部件10和/或第二部件20進行支撐加固，以獲得更好的機械強度。該支撐部件可以設置在第一部件10的上表面和/或第二部件20的下表面。在實際使用時，還可以在支撐部件上直接加工第一部件10和/或第二部件20。
[0081]本發(fā)明的發(fā)電機由于采用了兩個電極同一平面間隔設置的結構，顯著增加了表面電荷的產(chǎn)生和轉移效率，同時第一部件10與第二部件20通過旋轉的方式實現(xiàn)滑動摩擦，大幅提高了電荷輸出的頻率。因此，本發(fā)明的發(fā)電機可以獲得高達毫安級的電流輸出，功率密度達19mW/cnT2，足以給很多日常的小型電器供電。但是，摩擦發(fā)電機存在交流輸出、輸出電流小、電信號不穩(wěn)定等問題，因此單一的摩擦發(fā)電機還無法直接作為電源使用。本發(fā)明為解決該問題，設計了一個全新的電路，并基于此制備出能夠?qū)崟r給電器供電的供電裝置。
[0082]本發(fā)明提供一種使用摩擦發(fā)電機的穩(wěn)壓輸出電路(參見圖9)，包括:前述的任意一款摩擦發(fā)電機I(TEG),用于將機械能轉換為電信號；變壓模塊2,用于降低摩擦發(fā)電機輸出的電壓，同時提高輸出電流；整流模塊3，用于將變壓模塊2輸出的交流電信號轉換成直流電信號；第一儲能模塊4，用于將整流模塊3輸出的電信號進行存儲；穩(wěn)壓模塊5，用于穩(wěn)定整個電路的輸出電壓。
[0083]本電路中使用的摩擦發(fā)電機I只要能夠?qū)C械能轉換為電信號即可，可以使用本發(fā)明前述的任一款發(fā)電機，也可以使用現(xiàn)有技術中其他的摩擦發(fā)電機。只需將摩擦發(fā)電機的兩個輸出端分別與變壓模塊2的兩個輸入端相連即可。
[0084]變壓模塊2的兩個輸入端分別與摩擦發(fā)電機I的兩個輸出端相連，兩個輸出端分別與整流模塊3的兩個輸入端相連，可以使用本領域中常規(guī)的變壓器件實現(xiàn)。由于摩擦發(fā)電機的輸出電壓一般較高，因此優(yōu)選使用降壓變壓器，可以同時降低輸出電壓并提高輸出電流。其中，變壓器的線圈比可以根據(jù)需要的輸出電壓來調(diào)整。例如，當摩擦發(fā)電機的開路電壓為880V，短路電流為3mA，電路最終輸出5V的情況下，可以將該線圈比設置為40:1。
[0085]整流模塊3的兩個交流輸入端與變壓模塊2的兩個輸出端相連，兩個直流輸出端中的陰極端口直接與電路輸出端6的一端相連，陽極端口通過穩(wěn)壓模塊5連接到電路輸出端6的另一端上，從而將摩擦發(fā)電機產(chǎn)生的交流電信號轉換為直流電信號輸出。該整流模塊3在本領域中有很多常規(guī)的電路來實現(xiàn)，例如橋式整流電路。
[0086]第一儲能模塊4的兩端分別與整流模塊3的陽極端口和陰極端口相連，用于將整流模塊3所輸出的電信號進行存儲，并調(diào)整輸出，對輸出電信號有一定的穩(wěn)壓作用。在本領域中能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的器件較多，一個優(yōu)選的方案是使用電容器。電容器的容量與電路的輸出相關，對于摩擦發(fā)電機而言，一個可選的范圍是I μ F-1F，優(yōu)選10 μ F-10000 μ F，優(yōu)選100 μ F-5000 μ F，更優(yōu)選 1000 μ F。
[0087]穩(wěn)壓模塊5用于穩(wěn)定輸出電壓，可以使用本領域常規(guī)的穩(wěn)壓電路或商用的穩(wěn)壓器件，例如三端穩(wěn)壓器，可以是固定電壓的，也可以是電壓可調(diào)式的。其中，其輸入端與整流模塊3的一個直流輸出端相連,輸出端直接連接于整個電路輸出端6的一個輸出端口，第三端接地。穩(wěn)壓模塊5的輸出電壓根據(jù)實際需要來調(diào)整，本發(fā)明為了給一般小型電器供電，將穩(wěn)壓模塊5的輸出電壓調(diào)整為5V。
[0088]為了使該電路更為實用，輸出效果更好，還可以包括一些非必需的設計(參見圖10)，例如可以包括第一諧波模塊7，設置于變壓模塊2和整流模塊3之間，用于對變壓后的電信號進行高頻諧波，以減少對外的無線電輻射。該諧波模塊7可以采用常規(guī)的諧波電路或元件實現(xiàn)，例如電容器，其兩端分別與變壓器的兩個輸出端相連，容量范圍可以為0.0001 μ F-0.1 μ F，優(yōu)選為 0.0001 μ F-0.01 μ F,更優(yōu)選為 0.0005 μ F-0.001 μ F。
[0089]還可以包括第二諧波模塊8，設置于第一儲能模塊4和穩(wěn)壓模塊5之間，與所述第一儲能模塊并聯(lián)連接，起到與第一諧波模塊7類似的作用。但是，由于經(jīng)過整流后電信號阻抗減小，所以電容器的容量可以適當加大，可以為0.001 μ F-1 μ F，優(yōu)選為
0.001 μ F-0.1 μ F，更優(yōu)選為 0.005 μ F-0.05 μ F,尤其是 0.01 μ Fo
[0090]還可以包括一個第二儲能模塊9，設置于所述穩(wěn)壓模塊之后，用于儲能和過濾電信號中的紋波，其選擇范圍與第一儲能模塊4相同。
[0091]還可以包括第三諧波模塊10，用于過濾電信號中的無線電波，以減小對周圍用電器件的干擾，其選擇范圍與第二諧波模塊8相同。
[0092]根據(jù)上述穩(wěn)壓輸出電路，本發(fā)明還提供一種基于摩擦發(fā)電機的供電裝置，包括前述任一款所述的摩擦發(fā)電機，用于將機械能轉換為電信號；變壓模塊2，用于降低摩擦發(fā)電機輸出的電壓，同時提高輸出電流；整流模塊3，用于將變壓模塊2輸出的交流電信號轉換成直流電信號；第一儲能模塊4，用于將整流模塊3輸出的電信號進行存儲；穩(wěn)壓模塊5，用于穩(wěn)定整個電路的輸出電壓。該裝置中各模塊的選擇范圍與前述穩(wěn)壓電路中的一致，在此不再贅述。
[0093]實施例1
[0094]在一個帶有中心孔的、直徑約IOcm的圓形銅片上，通過切割形成60個以中心孔為圓點、徑向放射狀排列的扇形摩擦單元，每個摩擦單元的圓心角約為3°，相鄰兩個摩擦單元之間為類扇形的空隙，所有扇形摩擦單元的外緣保持連通。另取一個帶有中心孔、直徑約IOcm的圓形丙烯酸塑料板作為支撐部件，在其上制備與摩擦單元形狀和尺寸相同的第一電極單元，同時在相鄰第一電極單元之間的空隙中形成第二電極單元，并保持第一電極單元和第二電極單元之間形成一定空隙。將所有第二電極單元通過導線相連引出，作為向外電路輸出電信號的一端，而第一電極單元的內(nèi)緣作為向外電路輸出電信號的另一端。在電極單元的上表面貼合厚度為25 μ m的聚全氟乙丙烯(簡寫FEP)薄膜作為隔離層。將第一部件、第二部件和支撐部件同軸組裝起來，并且使第一部件和第二部件通過相對旋轉發(fā)生滑動摩擦，夕卜電路即有電信號輸出。
[0095]圖7顯示了在相對旋轉速度為500rmin_l時，在外電路測得的開路電壓(圖7中的(b))和短路電流圖(圖7中的(a))。
[0096]本發(fā)明還測試了不同轉速(100、200、300、400和500r min_l)下，開路電壓和短路電流的變化趨勢。發(fā)現(xiàn)，短路電流與轉速有明顯的線性正相關性，而開路電壓則幾乎不隨轉速的變化而改變(參見圖8)。本發(fā)明在給用電器件供電時，還使用了更高的轉速，包括1000、2000 和 3000r min-l0
[0097]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內(nèi)容對本發(fā)明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種旋轉式摩擦發(fā)電機，包括第一部件和與之同軸的第二部件，其特征在于，所述第一部件由若干摩擦單元以旋轉軸為圓心向外輻射間隔排列而成，所述第二部件包括在同一平面內(nèi)間隔設置的若干第一電極單元和若干第二電極單元，并且所述第一電極單元和第二電極單元均以所述旋轉軸為圓心向外輻射排列，所有第一電極單元形成并聯(lián)的電性連接，所有第二電極單元形成并聯(lián)的電性連接；所述第一部件的下表面與第二部件的上表面通過相對旋轉發(fā)生滑動摩擦，同時通過所述第一電極單元和第二電極單元向外電路輸出電信號。
2.如權利要求1所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于所述摩擦單元的下表面交替與所述第一電極單元和第二電極單元相接觸，所述摩擦單元的下表面與所述第一電極單元和第二電極單元的材料具有不同的摩擦電性質(zhì)。
3.如權利要求2所述的旋轉式摩擦發(fā)電機,其特征在于,所述摩擦單元由絕緣材料或半導體材料制成。
4.如權利要求1所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于還包括隔離層，所述第一電極單元和第二電極單元的上表面完全貼合在所述隔離層的背面，所述摩擦單元的下表面交替與背面貼合有所述第一電極單元的隔離層的部分上表面、以及背面貼合有第二電極單元的隔離層的部分上表面接觸，并且所述摩擦單元的下表面與隔離層材料具有不同的摩擦電性質(zhì)。
5.如權利要求4所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述隔離層為絕緣材料。
6.如權利要求5所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述摩擦單元由絕緣材料、半導體材料或?qū)щ姴牧现瞥伞?br> 7.如權利要求1-6任一項所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極單元和第二電極單 元由相同的導電材料制成。
8.如權利要求1-7任一項所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述摩擦單元不能同時覆蓋所述第一電極單元和第二電極單元。
9.如權利要求8所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述摩擦單元的形狀和尺寸與所述第一電極單元和/或第二電極單元的尺寸和形狀相同。
10.如權利要求9所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極單元與所述摩擦單元發(fā)生滑動摩擦的表面，和第二電極單元與所述摩擦單元發(fā)生滑動摩擦的表面形狀和尺寸相同或相近。
11.如權利要求10所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極單元和第二電極單元的尺寸和形狀相同或互補。
12.如權利要求11所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極單元和第二電極單元的尺寸和形狀相同，均為獨立的扇形或頂點被同心圓切割后形成的部分扇形單J Li ο
13.如權利要求11所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第二電極單元的上表面為扇形或頂點被同心圓切割后形成的部分扇形，所述第一電極單元以互補的方式填充在相鄰兩個第二電極單元之間。
14.如權利要求13所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所有第一電極單元的內(nèi)側互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣，所有第二電極單元的外側互相連接形成封閉的外邊緣；或者，所有第一電極單元的外側互相連接形成封閉的外邊緣，所有第二電極單元的內(nèi)側互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣。
15.如權利要求12-14任一項所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述扇形或部分扇形的最小弧長和第二電極單元的厚度之比為0.01-1000。
16.如權利要求1-15任一項所述的旋轉式摩擦發(fā)電機,其特征在于,所述第一電極單元和第二電極單元之間的分隔距離為lOnm-lOcm。
17.如權利要求4-16任一項所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述隔離層的厚度為IOnm至1cm。
18.如權利要求4-17任一項所述的旋轉式摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述隔離層為分立結構或一體結構。
19.一種使用權利要求1-18任一項所述摩擦發(fā)電機的穩(wěn)壓輸出電路,其特征在于包括: 所述摩擦發(fā)電機，用于將機械能轉換為電信號； 變壓模塊，用于降低所述摩擦發(fā)電機輸出的電壓，同時提高輸出電流； 整流模塊，用于將所述變壓模塊輸出的交流電信號轉換成直流電信號； 第一儲能模塊，用于將所述整流模塊輸出的電信號進行存儲； 穩(wěn)壓模塊，用于穩(wěn)定整個電路的輸出電壓。
20.如權利要求19所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，所述變壓模塊為降壓變壓器。
21.如權利要求19或20所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，所述第一儲能模塊的兩端分別與所述整流模塊的兩個直流輸出端口相連。
22.如權利要求21所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，所述第一儲能模塊為電容器，其容量為IuF-1F0
23.如權利要求19-22任一項所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，所述穩(wěn)壓模塊包括三端穩(wěn)壓器。
24.如權利要求19-23任一項所述的穩(wěn)壓輸出電路,其特征在于,還包括第一諧波模塊，設置于所述變壓模塊和整流模塊之間。
25.如權利要求24所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，所述第一諧波模塊為兩端分別與所述變壓模塊的兩個輸出端相連的電容器，其容量為0.0001 μ F-0.1 μ F。
26.如權利要求19-25任一項所述的穩(wěn)壓輸出電路,其特征在于，還包括第二諧波模塊，設置于所述第一儲能模塊和所述穩(wěn)壓模塊之間。
27.如權利要求26所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，所述第二諧波模塊與所述第一儲能模塊并聯(lián)連接，為容量在0.001 μ F-1 μ F之間的電容器。
28.如權利要求19-27任一項所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，還包括第二儲能模塊，設置于所述穩(wěn)壓模塊之后。
29.如權利要求28所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，所述第二儲能模塊為容量在I μ F-1F之間的電容器。
30.如權利要求19-29任一項所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，還包括第三諧波模塊，設置于所述穩(wěn)壓模塊和電路輸出端之間。
31.如權利要求30所述的穩(wěn)壓輸出電路，其特征在于，所述第三諧波模塊設置于所述第二儲能模塊和電路輸出端之間，為容量在0.0Ol μ F-1 μ F之間的電容。
32.一種基于摩擦發(fā)電機的供電裝置，其特征在于，采用權利要求19-31任一項所述的穩(wěn)壓電路進行連接，包括:所述摩擦發(fā)電機，用于將機械能轉換為電信號； 變壓模塊，用于降低所述摩擦發(fā)電機輸出的電壓，同時提高輸出電流； 整流模塊，用于將所述變壓模塊輸出的交流電信號轉換成直流電信號； 第一儲能模塊，用于將所述整流模塊輸出的電信號進行存儲； 穩(wěn)壓模塊，用于穩(wěn)定整·個電路的輸出電壓。
【文檔編號】H02N1/04GK103825489SQ201410069272
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權日:2014年2月27日
【發(fā)明者】朱光, 陳俊, 王中林 申請人:國家納米科學中心