CN103731063A

CN103731063A - 混合式发电机

Info

Publication number: CN103731063A
Application number: CN201410012395.7A
Authority: CN
Inventors: 张弛; 唐伟; 逢尧堃; 周桃; 王中林
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: CN103731063B

Abstract

本发明提供了一种混合式发电机。该混合式发电机将两种不同机理的发电机集成在一起，通过同一个公共旋转轴带动线圈和摩擦层旋转，可分别作为电压源和电流源实现对外电路的电输出。此外，该混合式发电机中的摩擦发电机与电磁感应发电机两个部分具有串并联混合等多种工作模式，在电路中既可作为电压源使用，也可作为电流源使用，具有广泛的用途和良好的应用前景。

Description

混合式发电机

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种混合式发电机。

背景技术

2006年，美国佐治亚理工学院的王中林研究组首次提出了纳米发电机的理念，开辟了能源转化和应用的一个新的范畴。此后，各种类型的纳米发电机不断被研制出来，研究势头方兴未艾。摩擦纳米发电机作为纳米发电机的一种典型应用，其基本原理是：依靠摩擦电电势的充电泵效应，将两种镀有金属电极的两个高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物薄膜之间发生相互摩擦，从而产生电荷分离并形成电势差。而分别位于两层聚合物薄膜外表面的两个金属极板作为发电机的电能输出端，通过静电感应可以在表面生成感应电荷。感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路即可形成电流。摩擦发电机作为又一种机械式发电方式，是对传统电磁感应发电机的一种补充，是采用新原理实现发电的一种新能源技术。

然而，在实现本发明的过程中，申请人发现目前尚未出现一种混合摩擦发电机和电磁感应发电机的混合发电机。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种混合式发电机，以结合摩擦发电机与电磁感应发电机的优点。

(二)技术方案

本发明混合式发电机包括：公共旋转轴、摩擦发电组件和电磁感应发电组件。其中，摩擦发电组件，包括：第一导电层、摩擦层和第二导电层，三者所在平面相互平行且均包括多个扇形结构，其中：第二导电层的位置固定；摩擦层，由绝缘材料制备，固定于第二导电层上，且与其电性接触；以及第一导电层，其包括的多个扇形结构在公共旋转轴的带动下绕其中心轴线转动，并与摩擦层所包括的多个扇形结构产生摩擦作用，第一导电层和第二导电层作为该摩擦发电组件的两输出端。电磁感应发电组件，与摩擦发电组件隔开一预设距离，包括：相对设置且隔开一定空间的一对磁极-N极和S极；以及设置于该对磁极中间空间的线圈，该线圈在公共旋转轴的带动下绕其中心轴线转动，在其所在空间内做切割磁力线运动，该线圈的两端作为该电磁感应发电组件的两输出端。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明混合式发电机具有以下有益效果：

(1)将两种不同机理的发电机集成在一起，通过同一个公共旋转轴带动线圈和摩擦层旋转，可分别作为电压源和电流源实现对外电路的电输出；

(2)摩擦发电机与电磁感应发电机两个部分具有串并联混合等多种工作模式，在电路中既可作为电压源使用，也可作为电流源使用，具有广泛的用途和良好的应用前景。

附图说明

图1为根据本发明实施例混合式发电机的结构示意图；

图2为混合式发电机在电压源工作模式下的电路原理图；

图3为混合式发电机在电流源工作模式下的电路原理图；

图4为混合式发电机在并联混合工作模式下的电路原理图；

图5为混合式发电机在串联混合工作模式下的电路原理图。

【主要元件】

1-N极； 2-公共旋转轴；

3-线圈； 4-S极；

5-第一导电层； 6-第二导电层；

7-摩擦层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种混合式发电机。该混合式发电机基于电磁感应发电和摩擦发电两种工作原理，通过旋转运动来实现发电。其中电磁感应发电采用线圈在磁场中旋转来实现，摩擦发电采用两种电负性不同的材料相对旋转，通过接触摩擦来实现。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种混合式发电机。图1为根据本发明实施例混合式发电机的结构示意图。请参照图1，本实施例混合式发电机包括：摩擦发电组件、电磁感应发电组件和带动两者工作的公共旋转轴2。以下分别对各个部分进行详细说明。

摩擦发电组件包括：第一导电层5、第二导电层6和摩擦层7，三者所在平面相互平行且均包括多个扇形结构，其中：第二导电层6位置固定；摩擦层7由绝缘材料制备，固定于第二导电层6上，且与其电性接触；第一导电层5，其包括的多个扇形结构在公共旋转轴2的带动下绕其中心轴线转动，并与摩擦层7所包括的多个扇形结构产生摩擦作用；第一桥式整流电路，其两输入端分别与第一导电层5和第二导电层6相连接，其两输入端作为该摩擦发电组件的输出端。

电磁感应发电组件与摩擦发电组件隔开一预设距离，包括：相对设置且隔开一定空间的一对磁极-N极1、S极4；以及设置于该对磁极中间空间的线圈3，该线圈3在所述公共旋转轴2的带动下绕其中心轴线转动，在其所在空间内做切割磁力线运动第二桥式整流电路，其两输入端与所述线圈的两端相连接。

公共旋转轴2贯穿所述电磁感应组件中线圈3的中心轴线与所述摩擦发电组件中第一导电层5的中心轴线，在该公共旋转轴2的带动下：所述线圈3绕其中心轴线转动，在所在空间内做切割磁力线运动，在该线圈3的两端通过第一桥式整流电路，对外输出直流电压；所述第一导电层5绕其中心轴线转动，在转动过程中与摩擦层7产生接触摩擦，第一导电层和第二导电层通过第二桥式整流电路对外输出恒定电流。

以下分别对本实施例混合式发电机的各个组成部分进行详细说明。

对于摩擦发电组件，当第一导电层5与摩擦层7接触滑动时，两个界面区域发生相互摩擦，由于两个摩擦面表面粗糙度的存在，等量但电性相反的静电荷在界面处生成并分布在两个不同的摩擦面上，第一导电层5带正电荷，而摩擦层7表面带负电荷，这样就在界面处形成了一个称之为摩擦电势的偶极层。而该偶极层在第一导电层5和第二导电层6之间形成了一个内电势。由于摩擦层7本身是绝缘的，所以感应电荷不会被迅速导走或中和。当第一导电层5做旋转运动时，第一导电层5和第二导电层6将在外电路导通的情况下形成外电流，分别在两个电极上产生出电性相反的自由电荷，以抵消两个摩擦面生成的感应电荷。第一导电层5和第二导电层6通过外接整流桥实现对外输出直流电。当旋转运动为匀速圆周运动时，对外输出的电流为恒定电流。

如图1所示，第一导电层5和第二导电层6两端通过外接第一桥式整流电路实现对外输出直流电，作为混合式发电机摩擦发电组件的输出，用DC-TENG表示，其输出的电流大小为：

I_{S} = \frac{n_{2}}{π} \cdot σ \cdot S_{2} \cdot ω - - - (1)

其中，n₂为扇形结构的数量，σ为摩擦电荷密度，S₂为接触摩擦的面积。

本实施例混合式发电机的摩擦发电组件中，第一导电层5、摩擦层7和第二导电层6中扇形结构的数目相同，均为4，并且4个扇形呈轴对称分布。在其他实施例中，扇形的个数可以不同，多个扇形的分布方式优选为轴对称或者中心对称。

第一导电层和第二导电层为导电材料制备的薄膜，可选自金属薄膜或铟锡氧化物薄膜中的任意一种，更优选金属薄膜，例如铂膜、铝膜、金膜、铜膜。优选地，第一导电层的厚度介于5nm～1200nm之间，第二导电层的厚度介于10nm～100nm之间。

在本发明优选的实施例中，摩擦层的厚度可介于1μm～200μm之间。

摩擦层的材料可以选择一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，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、聚双苯酚碳酸酯、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。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在本发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

在选择上述聚合物薄膜层的材料时，可以根据摩擦电极序进行选择。本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。例如，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)与金属材料铝箔接触时，铝箔带正电，即得电子能力较弱，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)带负电，即得电子能力较强。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。

对于电磁感应发电组件，当线圈3在一对磁极形成的磁场环境中做旋转运动时，通过线圈3的磁通量发生变化，线圈3内部产生感应电动势，其两端对外输出感应电压，线圈3的两端通过电刷换向，实现对外输出直流电压。

如图1所示，线圈3的两端通过电刷换向，实现对外输出直流电压，作为混合式发电机电磁感应发电组件的输出，用DC-EMIG表示，其输出的电压有效值为：

U_{S} = \frac{\sqrt{2}}{2} n_{1} \cdot B \cdot S_{1} \cdot ω - - - (2)

其中，n₁为线圈匝数，B为磁通密度，S₁为线圈面积，ω为公共旋转轴2的角速度。

关于电磁感应发电组件的各个组成部分，其均为本领域技术人员所熟知的内容，此处不再赘述。

本实施例混合式发电机还包括：第一电阻Rs，在这种情况下，该混合式发电机具有四种工作模式：电压源工作模式、电流源工作模式、并联混合工作模式和串联混合工作模式，以下分别对各个工作模式进行详细说明。

在电压源工作模式，如图2所示，混合式发电机电磁感应发电组件的输出端与外电路连接，在电路中作为电压源工作，外电路负载R_L两端的电压有效值为U_L＝U_S，流过外电路负载R_L的电流为：

I_{L} = \frac{U_{L}}{R_{L}} = \frac{n_{1} \cdot B \cdot S_{1} \cdot ω}{\sqrt{2} R_{L}} - - - (3)

其中，R_L为外电路的负载。

在电流源工作模式，如图3所示，摩擦发电组件的输出端与外电路连接，在电路中作为电流源工作，流过外电路负载R_L的电流为I_L＝I_S，外电路负载R_L两端的电压为：

U_{L} = I_{L} \cdot R_{L} = \frac{n_{2}}{π} \cdot σ \cdot S_{2} \cdot ω \cdot R_{L} - - - (4)

在并联混合工作模式，本实施例混合式发电机还包括：第一电阻R_S。如图4所示为混合式发电机在并联混合下的工作模式，电磁感应发电组件先与第一电阻R_S串联，再与摩擦发电组件并联后对外供电。

在串联混合工作模式，本实施例混合式发电机还包括：第二电阻R_S。如图5所示为混合式发电机在串联混合下的工作模式，摩擦发电组件先与第二电阻R_S并联，再与电磁感应发电组件串联后对外供电。

对于外电路负载R_L，这并联混合工作模式和串联混合工作模式具有等效关系。两种模式下流过外电路负载R_L的电流均表示为：

I_{L} = \frac{U_{S} + I_{S} \cdot R_{S}}{R_{S} + R_{L}} = \frac{π \cdot n_{1} \cdot B \cdot S_{1} + \sqrt{2} n_{2} \cdot σ \cdot S_{2} \cdot R_{S}}{\sqrt{2} π \cdot (R_{S} + R_{L})} \cdot ω - - - (5)

两种模式下外电路负载R_L两端的电压均表示为：

U_{L} = \frac{π \cdot n_{1} \cdot B \cdot S_{1} \cdot R_{L} + \sqrt{2} n_{2} \cdot σ \cdot S_{2} \cdot R_{S} \cdot R_{L}}{\sqrt{2} π \cdot (R_{S} + R_{L})} \cdot ω - - - (6)

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明混合式发电机有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)在不需要向外输出直流电压或电流的情况下，第一桥式整流电路和第二桥式整流电路在本发明中可以省略；

(2)在不需要工作在并联混合工作模式和串联混合工作模式下，第一电阻Rs可以省略；

(3)在本发明中，并没有桥式整流电路等公知内容进行介绍，本领域技术人员应当很清楚其具体构造以及实现的功能，此处不再赘述。

综上所述，本发明采用电磁感应发电和摩擦发电的原理，将两种不同机理的发电机集成在一起，通过同一个公共旋转轴带动线圈和摩擦层旋转，可分别作为电压源和电流源实现对外电路的电输出。该混合式发电机结构简单，实现方便，成本低，两个部分具有串并联混合等多种工作模式，在电路中既可作为电压源使用，也可作为电流源使用，具有广泛的用途和良好的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种混合式发电机，其特征在于，包括：

公共旋转轴；

摩擦发电组件，包括：第一导电层、摩擦层和第二导电层，三者所在平面相互平行且包括多个扇形结构，其中：

所述第二导电层的位置固定；

所述摩擦层，由绝缘材料制备，固定于所述第二导电层上，且与其电性接触；以及

所述第一导电层，其包括的多个扇形结构在所述公共旋转轴的带动下绕其中心轴线转动，并与所述摩擦层所包括的多个扇形结构产生摩擦作用，所述第一导电层和第二导电层作为该摩擦发电组件的两输出端；

电磁感应发电组件，与摩擦发电组件隔开一预设距离，包括：

相对设置且隔开一定空间的一对磁极-N极和S极；以及

设置于该对磁极中间空间的线圈，该线圈在所述公共旋转轴的带动下绕其中心轴线转动，在其所在空间内做切割磁力线运动，该线圈的两端作为该电磁感应发电组件的两输出端。

2.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一导电层的中心轴线与所述线圈的中心轴线位于同一条直线上。

3.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于：

所述摩擦发电组件还包括：第一桥式整流电路，其两输入端分别与所述第一导电层和所述第二导电层相连接；

所述电磁感应发电组件还包括：第二桥式整流电路，其两输入端与所述线圈的两端相连接。

4.根据权利要求3所述的混合式发电机，其特征在于，其工作模式包括：

电压源工作模式，由所述第二桥式整流电路的两输出端向外供给恒定电压；

电流源工作模式，由所述第一桥式整流电路向外供给恒定电流。

5.根据权利要求4所述的混合式发电机，其特征在于，还包括：第一电阻R_S；其工作模式还包括：并联混合工作模式和串联混合工作模式；

在并联混合工作模式下，所述电磁感应发电组件与该第一电阻R_S串联，再与所述摩擦发电组件并联后对外供电；

在串联混合工作模式下，所述摩擦发电组件与该第一电阻R_S并联，再与所述电磁感应发电组件串联后对外供电。

6.根据权利要求5所述的混合式发电机，其特征在于：

在所述电压源工作模式，其输出的恒定电压为：

在所述电流源工作模式，其输出的恒定电流为：

在所述并联混合工作模式和所述串联混合工作模式下，流过外电路负载R_L的电流均表示为：

I_{L} = \frac{U_{S} + I_{S} \cdot R_{S}}{R_{S} + R_{L}} = \frac{π \cdot n_{1} \cdot B \cdot S_{1} + \sqrt{2} n_{2} \cdot σ \cdot S_{2} \cdot R_{S}}{\sqrt{2} π \cdot (R_{S} + R_{L})} \cdot ω;

外电路负载R_L两端的电压均表示为：

U_{L} = \frac{π \cdot n_{1} \cdot B \cdot S_{1} \cdot R_{L} + \sqrt{2} n_{2} \cdot σ \cdot S_{2} \cdot R_{S} \cdot R_{L}}{\sqrt{2} π \cdot (R_{S} + R_{L})} \cdot ω;

其中，n₁为线圈匝数，B为磁通密度，S₁为线圈面积，ω为公共旋转轴的角速度；n₂为扇形结构的数量，σ为摩擦电荷密度，S₂为接触摩擦的面积。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一导电层、摩擦层和第二导电层所包括扇形结构的数目、尺寸相同。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一导电层的厚度介于5nm～1200nm之间，所述第二导电层的厚度介于10nm～100nm之间；所述摩擦层的厚度可介于1μm～200μm之间。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层为金属薄膜或铟锡氧化物薄膜，所述摩擦层的材料为高分子聚合物材料。

10.根据权利要求7所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层为以下一种：铂膜、铝膜、金膜和铜膜；

所述高分子聚合物材料为以下材料中的一种：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，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、聚双苯酚碳酸酯、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。