摩擦发电机和应用该摩擦发电机发电的方法技术

本发明专利技术公开了一种摩擦发电机和应用该摩擦发电机发电的方法。该摩擦发电机可包括：上绝缘摩擦层和下绝缘摩擦层；多层电极体，包括多个电极层和位于相邻两个电极层之间的绝缘介质层，多层电极体能够在上绝缘摩擦层和下绝缘摩擦层之间进行往复运动；以及电能收集电路，该电能收集电路连通多层电极体中的两个所述电极层，以输出电信号，其中被连通的两个电极层相邻或者不相邻。该摩擦发电机可增加收集的电荷量，并且输出电压易于调控，还便于提供高频电信号和同相脉冲。

Friction generator and method of generating power using the same

The invention discloses a friction generator and a method for generating electricity by using the same. The friction generator comprises an upper insulating layer and the insulating layer under friction friction; multilayer electrode includes a plurality of electrode layer and a dielectric layer between two adjacent electrode layers, multilayer electrode to friction layer and insulation under reciprocating friction between layers in the insulation; and the electric energy collecting circuit, the the electric energy collection circuit connected in the multilayer electrode two and the electrode layer, the output signal, wherein the two electrode layer is connected or not adjacent adjacent. The friction generator can increase the amount of charge collected, and the output voltage is easy to control.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及发电领域，具体地，涉及一种摩擦发电方法和一种应用该摩擦发电机发电的方法。
技术介绍
目前全球都面临着常规能源短缺和环境保护的双重压力。各种新型发电形式的开发和应用，对缓解当前的能源压力起着重要作用。寻求减少环境破坏和自然资源消耗的新型发电形式，已成为可持续发展的必然要求。因此，开发和应用新型发电原理和设备，对环境保护和能源节约具有重大意义。同时，微电子
中便携式电子设备和微型自驱动系统的发展，要求发电机具有更高的发电效率和更小的质量及体积，也对传统的发电装置提出了新的挑战。摩擦发电是近年来备受关注的一种新型的将机械能转化为电能的方式，基本原理是利用得失电子能力不同的两种材料之间的相互接触和/或摩擦使得接触表面间发生电荷转移。通过应用摩擦发电原理，能够将广泛存在于自然界的机械能(如海浪、风能、各种运动物体的动能、人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量)转变为电能。提供为便携设备等小型电子器件供电的摩擦发电机是目前的研究热点。其中，如何提高摩擦发电的发电效率以及如何使摩擦发电机的输出电压易于调控是关键技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种设备，该设备能够提供较高的发电效率并且使得输出电压易于控制。本专利技术还提供了一种应用该摩擦发电机发电的方法。为了实现上述目的，本专利技术提供一种摩擦发电机，该摩擦发电机可包括：上绝缘摩擦层和下绝缘摩擦层；多层电极体，包括多个电极层和位于相邻两个电极层之间的绝缘介质层，多层电极体能够在上绝缘摩擦层和下绝缘摩擦层之间进行往复运动；以及电能收集电路，该电能收集电路连通多层电极体中的两个所述电极层，以输出电信号，其中被连通的两个电极层相邻或者不相邻。本专利技术还公开了应用如上所述摩擦发电机发电的方法，可包括：使上绝缘摩擦层和下绝缘摩擦层分别与多层电极体接触和/或摩擦，以使所述上绝缘摩擦层的下表面和所述下绝缘摩擦层的上表面具有极性相同的静电荷；使多层电极体在上绝缘摩擦层和下绝缘摩擦层之间往复运动；以及在往复运动过程中，用电能收集电路连通所述多层电极体中的两个电极层以输出电信号，被连通的两个所述电极层相邻或者不相邻。上、下绝缘摩擦层经过与所述多层电极体的多次接触和/或摩擦后，表面可具有稳定的静电荷。当多层电极体接近上绝缘摩擦层而远离下绝缘摩擦层时，多层电极体的上表面的电势可低于其下表面的电势；当多层电极体接近下绝缘摩擦层而远离上绝缘摩擦层时，多层电极体的上表面的电势可高于其下表面的电势。随着多层电极体在上、下绝缘摩擦层间往复运动，电能收集电路可按照电势从高到低的顺序或者从低到高的顺序依次连通多层电极体中的电极层，以使诱导电荷逐层流动，从而输出电信号。多层电极体中的部分或者全部电极层可具有相应的电极层金属触点，而电能收集电路可具有与电极层金属触点相匹配的收集端口，该收集端口可与电极层金属触点构成滑动开关，以在所述多层电极体往复运动过程中自动收集电信号。可通过改变多层电极体中的绝缘介质层的厚度来改变输出的电信号的幅度。可通过选择连通不同的电极层，来改变输出的电信号的幅度和相位。应用上述技术方案，在该摩擦发电机的发电过程中，诱导电荷可在多层电极体中的多个电极层中逐层传递以增加收集的总电荷量，并且每当两个电极层连通时，即可输出一个脉冲信号，从而可在一个运动周期输出多个电信号，以便于提供高频脉冲信号。根据本专利技术，还可通过选择连通不同的电极层，以方便地改变输出信号的幅度和/或相位。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是根据本专利技术的摩擦发电机的结构示意图；图2(a)～(j)示出了图1所示的摩擦发电机的发电原理示意图；图3是根据本专利技术的一个优选实施方式的摩擦发电机的结构示意图；图4是根据本专利技术的一个优选实施方式的摩擦发电机的结构示意图；图5是图4所示的摩擦发电机的输出电压曲线和输出电流曲线；图6是图4所示的摩擦发电机的瞬时输出电压和负载电阻之间的关系，以及其瞬时输出电流和负载电阻之间的关系；图7是图4所示的摩擦发电机的瞬时输出功率和负载电阻之间的关系；图8是图4所示的摩擦发电机的输出峰宽度和负载电阻之间的关系，以及所允许的最大输出频率和负载电阻之间的关系；以及图9示出了应用根据本专利技术的摩擦发电机发电的流程图。附图标记说明102上绝缘摩擦层202下绝缘摩擦层301～305电极层401～404绝缘介质层500电能收集电路501～502收集端口510负载601～603金属触点700支架具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本发明。在本专利技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、横向、厚度”指附图中的方向，“电势差”指电势差的绝对值。图1根据本专利技术的摩擦发电机的结构示意图。该摩擦发电机包括上绝缘摩擦层102、下绝缘摩擦层202、多层电极体和电能收集电路。多层电极体包括电极层301、302、303、304、305和绝缘介质层401、402、403、404。多层电极体能够在两个绝缘摩擦层102和202之间往复运动。电能收集电路包括负载510和一组收集端口501和502，收集端口501和502的一端分别电连接至负载510，另外一端可分别通过开关与电极层301、302、303、304、305中的每一者连接。图1仅用于示例的目的，不用于限制多层电极体的层数、收集端口的数量和开关的类型、数量等特征。根据本专利技术，构成绝缘摩擦层102的材料和构成电极层301的材料应该位于摩擦电势序列中的不同位置，以使得在二者接触和/或摩擦时，其接触面的表面可产生摩擦电荷。同理，构成绝缘摩擦层202的材料和构成电极层305的材料应该位于摩擦电势序列中的不同位置。图2示出了图1所示的摩擦发电机的发电原理示意图。如图2(a)所示，上绝缘摩擦层102和下绝缘摩擦层202分别经过与电极层301和305的多次接触和/或摩擦，其表面可具有稳定的负电荷。图2(a)中，多层电极体位于两个绝缘摩擦层之间的平衡位置，其上下两端的电势差可为零。如图2(b)所示，多层电极体可偏离平衡位置并且相对于该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦发电机，该摩擦发电机包括：上绝缘摩擦层和下绝缘摩擦层；多层电极体，包括多个电极层和位于相邻两个电极层之间的绝缘介质层，所述多层电极体能够在所述上绝缘摩擦层和所述下绝缘摩擦层之间进行往复运动；以及电能收集电路，所述电能收集电路连通所述多层电极体中的两个所述电极层，以输出电信号，其中被连通的两个所述电极层相邻或者不相邻。

【技术特征摘要】
1.一种摩擦发电机，该摩擦发电机包括：
上绝缘摩擦层和下绝缘摩擦层；
多层电极体，包括多个电极层和位于相邻两个电极层之间的绝缘介质
层，所述多层电极体能够在所述上绝缘摩擦层和所述下绝缘摩擦层之间进行
往复运动；以及
电能收集电路，所述电能收集电路连通所述多层电极体中的两个所述电
极层，以输出电信号，其中被连通的两个所述电极层相邻或者不相邻。
2.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其中，随着所述多层电极体的
往复运动，所述电能收集电路按照电势从高到低的顺序或者从低到高的顺序
依次连通所述多层电极体中的部分或者全部电极层。
3.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其中，所述多层电极体的往复
运动包括：
所述上绝缘摩擦层向下运动至与所述多层电极体的上表面接触，并带动
所述多层电极体一起向下运动；
所述下绝缘摩擦层向上运动至与所述多层电极体的下表面接触，并带动
所述多层电极体一起向上运动；以及
在所述上绝缘摩擦层带动所述多层电极体一起向下运动的过程中，和所
述下绝缘摩擦层带动所述多层电极体一起向上运动的过程中，所述电能收集
电路连通所述多层电极体中的两个所述电极层。
4.根据权利要求1或3所述的摩擦发电机，其中，所述上绝缘摩擦层
和所述下绝缘摩擦层相对于所述多层电极体同步向上或向下运动。
5.根据权利要求1～3中任意一项权利要求所述的摩擦发电机，其中所
述电能收集电路包括负载和至少一组收集端口，其中一组收集端口包括两个
收集端口，该两个收集端口的第一端分别电连接至所述负载的两端，该两个
收集端口的第二端分别电连接至所述多层电极体中的两个电极层。
6.根据权利要求5所述的摩擦发电机，其中每一个所述收集端口的第
二端通过开关电连接至所述多层电极体中的电极层。
7.根据权利要求6所述的摩擦发电机，所述开关包括：
电极层金属触点，每一个所述电极层金属触点电连接至所述多层电极体
中相应的电极层，任意两个相邻所述电极层金属触点之间的间距相同；
所述电能收集电路包括第一组收集端口和第二组收集端口，其中每个所
述收集端口为一个金属触点，每一组收集端口中的两个所述收集端口的间距
与两个相邻所述电极层金属触点之间的间距相匹配；以及
所述多层电极体向下运动的过程中，所述第一组收集端口中的两个所述
收集端口的第二端依次电连接至两个所述电极层；所述多层电极体向上运动
的过程中，所述第二组收集端口中的两个所述收集端口的第二端依次电连接
至两个所述电极层。
8.根据权利要求7所述的摩擦发电机，其中相邻所述电极层金属触点
之间的距离在1毫米～5厘米之间。
9.根据权利要求7或8所述的摩擦发电机，其中所述电极层金属触点
和/或所述收集端口中的所述金属触点由金属或合金构成。
10.根据权利要求1、2、3、6、7和8中任意一项权利要求所述的摩擦

\t发电机，其中每当所述电能收集电路连通所述两个所述电极层时，被连通的
所述两个所述电极层中具有较高电势的所述电极层始终电连接至所述负载
的同一端。
11.根据权利要求1、2、3、6、7和8中任意一项权利要求所述的摩擦
发电机，其中所述上绝缘摩擦层的下表面和所述多层电极体的上表面中的至
少一者具有纳微米结构，和/或所述下绝缘摩擦层的上表面和所述多层电极体
的下表面中的至少一者具有纳微米结构。
12.根据权利要求11所述的摩擦发电机，其中所述纳微米结构选自：
纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米
球和微米球状结构。
13.根据权利要求1、2、3、6、7和8中任意一项权利要求所述的摩擦
发电机，其中所述多层电极体中的每一个所述电极层的厚度范围是20纳米
～1微米。
14.根据权利要求13所述的摩擦发电机，其中所述多层电极体中的每
一个所述电极层的厚度范围是100纳米～300纳米。
15.根据权利要求1、2、3、6、7和8中任意一项权利要求所述的摩擦
发电机，其中所述多层电极体中的每一个所述绝缘介质层的厚度范围是100
纳米～1毫米。
16.根据权利要求1、...

【专利技术属性】
技术研发人员：程纲，王中林，林宗宏，郑莉，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11