CN104779835B - 一种混合式发电机和发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合式发电机和发电方法，发电机包括公共旋转轴、静电诱导发电组件和摩擦发电组件，静电诱导发电组件的叶片轮在流动液体的作用下转动时，带动摩擦发电组件的两个转盘互相转动，两个转盘的两个摩擦层互相滑动摩擦使接触面积发生变化，使摩擦发电组件的两个电极层输出电信号，表面带有静电荷的液体与静电诱导发电组件的叶片接触后离开，在叶片的电极层与地电位之间产生电信号。摩擦发电组件，将水流的机械动能转化为电能；静电诱导发电组件收集流动液体中的静电能，本发明的混合式发电机能同时收集流动液体中的静电能和机械能，为综合利用流动液体中的多种形式的能量提供了途径。

Description

一种混合式发电机和发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别是涉及将流动液体中的多种形式的能量转化为电能的混合式发电机和发电方法。

背景技术

摩擦发电机是最近发明的一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移，能够将广泛存在的机械能，如海浪、风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。但是，自然界的许多运动，例如：水流、海浪等，不仅包括机械动能，还包括其他形式的能量。例如，水流不仅具有机械动能，同时，水在流动的过程中与周围的介质（空气等）发生摩擦，产生摩擦电荷，使其具有静电能。现有的摩擦发电机无法同时将水流中不同形式的能量转化为电能。

发明内容

本发明涉及一种混合式发电机和发电方法，结合静电诱导发电组件和摩擦发电组件，可以将流动液体中的静电能和机械动能同时转化为电能。

为实现上述目的，本方法提供一种混合式发电机，包括：

公共旋转轴；

静电诱导发电组件，包括：由多个固定连接的叶片构成叶片轮，每个所述叶片的表面与所述公共旋转轴平行，所述叶片包括基底层和电极层；所有所述叶片的电极层均连接至等电位；所述叶片轮的叶片在受到流动液体的冲击力时叶片轮围绕所述公共旋转轴旋转，使所述叶片依次与所述液体接触，在所述叶片的电极层与所述等电位之间产生电信号；

摩擦发电组件，包括：第一转盘，由基底层、第一电极层、第一摩擦层依次层叠组成；第二转盘，由第二基底层、第二电极层、第二摩擦层依次层叠组成；所述第一转盘与第二转盘相对放置使所述第一摩擦层与第二摩擦层互相接触，并且在所述叶片轮的带动下，所述第一转盘相对于第二转盘能够以所述公共旋转轴为轴转动，使所述第一摩擦层与所述第二摩擦层互相滑动摩擦并且使接触面积变化时，所述第一电极层与所述第二电极层之间有电信号输出。

优选的，所述叶片轮的叶片还包括疏水层，所述疏水层附着在所述叶片的电极层上。

优选的，所述叶片轮的多个叶片围绕所述公共旋转轴均匀分布。

优选的，所述公共旋转轴与所述摩擦发电组件的第二转盘固定，所述摩擦发电组件的第一转盘与所述叶片轮固定并且围绕所述公共旋转轴转动；

或者，

所述公共旋转轴与所述摩擦发电组件的第一转盘固定，所述摩擦发电组件的第一转盘与所述叶片轮固定并且围绕所述公共旋转轴转动。

优选的，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层表面形状相同或互补。

优选的，所述摩擦发电组件的第一转盘和第二转盘均由多个形状相同的扇叶组成，且两个转盘的扇叶数量相等。

优选的，所述第一转盘的多个扇叶和第二转盘的多个扇叶分别以所述公共旋转轴与转盘的交点为中心呈中心对称分布。

优选的，所述叶片轮的叶片数与所述第一转盘的扇叶数相等或者不相等。

优选的，叶片轮的叶片表面的疏水层由具有超疏水性质的薄膜组成。

优选的，所述疏水层的接触角大于120°。

优选的，所述疏水层为在表面微米尺度的结构上生长纳米尺度的结构形成。

优选的，所述流动的液体与所述叶片轮的叶片接触时带有静电荷，所述叶片带有的静电荷为所述液体流动过程中与周围的介质摩擦所产生。

优选的，所述流动的液体为自然流动的水、下水管道中流动的废水、输油管道中流动的石油、大海中的洋流运动的海水或者潮汐运动的海浪。

优选的，第一摩擦层和第二摩擦层由不同的的材料组成，且二者之间存在摩擦电极序差异。

优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或叶片的疏水层为绝缘材料，所述绝缘材料选自下列一种或多种材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。

优选的，所述第一电极层、第二电极层和/或叶片轮的电极层材料采用金属、合金、导电氧化物或有机物导体。

优选的，所述第一摩擦层与第二摩擦层在转动过程中能够互相接触的表面全部或部分具有纳米结构或微米结构；所述纳米结构和微米结构选自纳米线、纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米颗粒、纳米沟槽、微米线、微米棒、微米管、微米锥、微米颗粒和微米沟槽。

优选的，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层表面经过化学改性，其中，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团；或者，在极性为正的材料表面引入正电荷，在极性为负的材料表面引入负电荷。

优选的，所述等电位为地电位或者等电位源电路。

优选的，所述静电诱导发电组件和所述摩擦发电组件的电信号分别经过整流后进行并联连接。

优选的，所述转盘和叶片轮的直径范围为10-1000mm；

和/或,

所述第一基底层、第二基底层和叶片的基底层的厚度范围为0.1-10mm。

优选的，所述疏水层的厚度范围为10nm-5mm。

相应的，本发明还提供一种发电方法，采用上述任一项所述的混合式发电机，包括步骤：

流动的液体冲击所述静电诱导发组件的叶片，使所述叶片轮围绕所述公共旋转轴转动；所述叶片轮带动所述摩擦发电组件的第一转盘相对于第二转盘转动；

液体冲击叶片和离开叶片，在静电诱导发电机组件的叶片的电极层与等电位之间产生交变的电信号；第一摩擦层与第二摩擦层互相滑动摩擦在所述第一电极层和第二电极层之间产生交变电信号。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

本发明的发电机由两套独立的发电组件组成，叶片轮组成静电诱导发电组件收集流动液体中的静电能；两个转盘组成转盘式摩擦发电组件，收集流动液体中的机械动能。叶片轮在流动液体的冲击下带动一个转盘与其一起转动。由静电诱导发电组件和摩擦发电组件组成的混合发电机能同时收集流动液体中的静电能和机械动能。

静电诱导发电组件的叶片轮由多个叶片组成，摩擦发电组件的两个转盘具有多扇叶结构。通过改变叶片的数量和扇叶的数量，可以调控发电机的输出频率。

本发明提供的混合式发电机可以用来收集日常生活中的水流中的能量，例如：家用水龙头中流出的自来水，具有广阔的使用环境。可以用风能、人体运动等其他的方式来驱动叶片轮和转盘的转动，使转盘式摩擦发电机产生电学输出，具有广泛的实际用途。

可以在摩擦发电组件的转盘摩擦层表面进行微、纳米结构修饰或者进行表面化学改性，提高发电机的电学输出特性。

与全桥整流器结合可以将静电诱导发电组件或摩擦发电组件输出的交流电信号转变为单向脉冲信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，也可以为各种小型便携式电子器件提供所需的高频电源。

将静电诱导发电组件和摩擦发电组件输出的电信号分别进行整流后进行并联，可以提高发电机的输出电流。

本发明的其他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

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明混合式发电机一个实施例的前视结构示意图；

图2为本发明混合式发电机一个实施例的顶视结构示意图；

图3为一个摩擦层采用导电材料的发电机前视结构示意图；

图4为一个摩擦层采用导电材料的发电机顶视结构示意图；

图5中（a）-（d）为由叶片轮组成的静电诱导发电组件的工作原理示意图；

图6中（a）-（d）为由转盘组成的摩擦发电组件的工作原理示意图；

图7为疏水层和摩擦层表面的纳米结构的SEM图及接触角测试图；

图8中（a）和（b）为混合式发电机的开路电压曲线；

图9中（a）和（b）为混合式发电机的短路电流曲线；

图10中（a）和（b）为混合式发电机的开路电压、短路电流随水流量的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施示例中的附图，对本发明实施示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施示例仅是本发明一部分实施示例，而不是全部的实施示例。基于本发明中的实施示例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施示例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施示例时，为便于说明，所述示意图只是示例，不应限制本发明保护的范围。

本发明基于一种水车结构的混合摩擦发电机和发电方法，可以将水流中的静电能和机械动能同时转化为电能。

下面结合附图详细介绍本发明水车结构混合摩擦发电机的具体结构。

图1是混合式发电机的一种典型结构的前视图，图2是其所对应的顶视图，包括：公共旋转轴401、静电诱导发电组件和摩擦发电组件。其中，摩擦发电组件包括：第一转盘，由第一基底层101、第一电极层102和第一摩擦层103依次层叠组成；第二转盘，由第二基底层201、第二电极层202和第二摩擦层203依次层叠组成；第一转盘与第二转盘相对放置使第一摩擦层103和第二摩擦层203彼此接触。静电诱导发电组件，包括：由多个固定连接的叶片构成叶片轮，每个叶片的表面与公共旋转轴401平行，每个叶片包括叶片的基底层301和叶片的电极层302。所有叶片的电极层302均连接至等电位（图中未示出）；叶片轮的叶片在受到流动液体的冲击力时叶片轮围绕公共旋转轴401旋转，使叶片依次与液体接触，在叶片的电极层302与等电位之间产生电信号。同时，在叶片轮的带动下，第一转盘相对于第二转盘能够以公共旋转轴401为轴转动，使第一摩擦层103与第二摩擦层203互相滑动摩擦并且使接触面积变化时，第一电极层102与第二电极层202之间有电信号输出。

优选的，第一转盘和第二转盘具有相同的尺寸和形状，两个转盘都由4个扇叶组成，并且4个扇叶以公共旋转轴401为轴对称分布。公共旋转轴401通过第一转盘、第二转盘和叶片轮的中心。

本发明的混合式发电机中，公共旋转轴401可以与摩擦发电组件的第二转盘固定，特别是与第二转盘的基底层固定；摩擦发电组件的第一转盘与叶片轮固定并且围绕公共旋转轴401转动。公共旋转轴401也可以与摩擦发电组件的第一转盘固定，特别是与第一转盘的基底层固定；摩擦发电组件的第一转盘与叶片轮固定并且围绕公共旋转轴401转动。流动的液体例如水流作用在叶片上，带动叶片轮和第二转盘（或者第一转盘）的转动；另一转盘固定在转动轴401上，静止不动。

叶片轮的电极层302与等电位电连接形成电学回路，构成静电诱导发电组件，本发明中涉及的等电位可以为地电位或者等电位源电路。当带有静电荷的水流冲击在叶片上时，在静电诱导的作用下产生电流；当水流离开叶片时，产生方向相反的电流。第一转盘和第二转盘的相对转动构成水平转动式摩擦发电机。第一转盘的电极层102和第二转盘的电极层202之间形成电学回路，当第二转盘相对第一转盘发生转动时，两个转盘的摩擦层（103和203）上分别带有极性相反的摩擦电荷，当正、负摩擦电荷周期性地接近和分开时，在两个转盘的电极层（102和202）之间产生交变电势和交变电流。

优选的，互相滑动摩擦的第一摩擦层与所述第二摩擦层表面形状相同或互补。以保证在两个摩擦层互相滑动摩擦过程中，能够出现接触面积最大的情况。优选的，摩擦发电组件的第一转盘和第二转盘均由多个形状相同的扇叶组成，且两个转盘的扇叶数量相等。更优选的，第一转盘的多个扇叶和第二转盘的多个扇叶分别以公共旋转轴401与转盘的交点为中心呈中心对称分布，参见图1中第一转盘或者第二转盘的4个扇叶呈中心对称分布。

本发明的混合式发电机的摩擦发电机组件利用了具有不同摩擦电极序的摩擦层材料接触时发生表面电荷转移的原理。这里所述的“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，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。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。本发明人发现如果两种材料在摩擦电极序中处于较接近的位置，接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预测。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。

本发明中所述的“摩擦电荷”或“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，本发明人认为，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

发电机中的摩擦发电组件中，第一转盘的第一摩擦层103和第二转盘的第二摩擦层203需要满足：第一转盘的第一摩擦层103的表面材料与第二转盘的第二摩擦层203的表面材料存在摩擦电极序差异。当然，第一转盘的第一摩擦层和第二转盘的第二摩擦层可以整体为单一结构，只要能够满足能够互相接触的表面的材料存在摩擦电极序差异即可。

绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一转盘的摩擦层103、第二转盘的摩擦层203的材料，此处列举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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

半导体和金属也可以代替上述绝缘体材料作为制备第一转盘的摩擦层103或第二转盘的摩擦层203的原料。常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等，因此以下列出的半导体材料均可作为本发明中的第一转盘的摩擦层或者第二转盘的摩擦层的材料：SnO₂、ZnO、TiO₂、In₂O₃、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaN、Se、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge、PbS、InGaAs、PbSe、InSb、PbTe、HgCdTe、PbSn、HgS、HgSe、HgTe等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO。

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可以作为第一转盘的第一摩擦层和第二转盘的第二摩擦层的材料供参考，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。

通过实验发现，当第一摩擦层103表面与第二摩擦层203表面材料的得电子能力相差越大（即在摩擦电极序中的位置相差越远）时，摩擦发电组件的电极层输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一摩擦层103和第二摩擦层203，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、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；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。

第一摩擦层103或第二摩擦层203采用导电材料时，相应的第一电极层102或第二电极层202可以省略，由导电的摩擦层材料直接充当电极层，能够进一步简化发电机的结构。

本发明的发电机中，还可以对第一摩擦层103的表面和/或第二摩擦层203在转动过程中能够互相接触的表面进行物理改性，使其部分或全部表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，以增强第一摩擦层103与第二摩擦层203之间的接触面积。所述微结构可以选自纳米线、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。优选为在第一摩擦层103的表面、第二摩擦层203的表面包括上述微、纳米结构中一种或者几种结构形成的阵列。

另外，还可以在第一摩擦层103的表面和/或第二摩擦层203的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互摩擦的第一摩擦层和第二摩擦层，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团），都能够进一步提高电荷在相互接触时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦层材料表面引入氨基。

另外一种方法是对于相互摩擦的第一摩擦层和第二摩擦层，在极性为正的材料表面引入正电荷，而在极性为负的材料表面引入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯（TEOS），而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的金纳米粒子,由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层或电极层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

优选的，第一摩擦层103和第二摩擦层203选择弹性材料或柔性材料，可以增加受到外力作用时的接触面积。同样，第一转盘的电极层102、第二转盘的电极层202、第一转盘的基底层101或第二转盘的基底层201也可以为弹性材料或者柔性材料，使本发明的摩擦发电组件成为一个柔性器件。

尽管附图中所示的发电机结构中，第一摩擦层103与第二摩擦层203在转动过程中互相接触的表面均为平面，实际中第一摩擦层103的表面与第二摩擦层203在转动过程中互相接触的表面可以为曲面或者不平整的凹凸结构表面，优选的，第一摩擦层103的表面与第二摩擦层203在转动过程中互相接触的表面形状相同或互补，使得在有外力施加时，第一摩擦层103表面与第二摩擦层203表面完全接触。

优选的，在叶片轮的叶片上还包括疏水层303，疏水层302附着在叶片的电极层302上。叶片的疏水层303需要具有良好的超疏水性，优选的，疏水层302表面的接触角大于120°。超疏水性由两方面决定。一方面是疏水层303的材料，具有非极性特性的聚合物，例如：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，通常具有更高的接触角。另一方面是疏水层303的表面结构，具有微、纳米协同结构的表面具有更优异的超疏水性，即在表面微米尺度的结构上生长有纳米尺度的结构。在实际的应用中，为了获得良好的超疏水性，需要从材料的选择和表面的微、纳米结构两方面共同着手。

第一转盘的电极层102、第二转盘的电极层202和叶片的电极层302的材料可以选择常用的电极材料，例如金属、合金、导电氧化物或有机物导体等，其中，金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒等；合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢等。具体电极材料的选择不作为限定本发明保护范围的因素。实际中，本领域的技术人员可以根据各摩擦层、疏水层材料的选择，确定相应电极层材料以及制备方法的选择，具体电极层材料的选择不作为限定本发明保护范围的条件。电极层与摩擦层、疏水层可以采用直接叠合在一起的方式结合，也可以采用导电胶粘贴等多种方式进行结合。

本发明中，第一转盘的第一基底层101、第二转盘的第二基底层201、叶片的基底层301与转动轴401对发电机主要起到支撑、固定和连接作用，因此，对其材料选择无特殊要求，可以为导体、绝缘体或半导体，例如铝板或硅片。优选为绝缘材料，可以选自玻璃，有机玻璃，聚乙烯板材或聚氯乙烯等绝缘材料。第一转盘的第一基底层和第二转盘的第二基底层可以为柔性基板也可以为硬性基板，例如橡胶或玻璃板。第一转盘的第一电极层与第一转盘的第一基底层之间，第二转盘的第二电极层与第二转盘的第二基底层之间，以及叶片的电极层与叶片的基底层之间的固定可以采用常规的粘贴等固定方式。

第一转盘的第一摩擦层或第二转盘的第二摩擦层可以采用导电材料制备，这样可以同时起到电极层和摩擦层的作用，简化发电机的结构和制备工艺。图3是发电机的第二转盘的第二摩擦层采用导电材料的前视结构示意图，图4是其所对应的顶视结构示意图。如图所示，第二转盘的第二摩擦层212直接与第二基底层211相连；第二转盘的第二摩擦层212与第一转盘的第一摩擦层103相对放置并紧密接触。第二摩擦层212即起到与第一转盘的第一摩擦层103相互摩擦产生摩擦电荷的作用，同时第二摩擦层212与第一电极层102相连形成电学回路。以上描述的是第二转盘的第二摩擦层采用导电材料、第一转盘的第一摩擦层采用非导电材料的发电机结构，对于第一转盘的第一摩擦层采用导电材料、第二转盘的第二摩擦层采用非导电材料的发电机结构相似，这里不再复述。本实施示例中，除了第一摩擦层或第二摩擦层需要使用导电材料外，摩擦发电组件各部分的材料选择以及发电组件的运行方式和原理与图1和图2所示实施例中的相同，在这里不再复述。

在以上的实例中，叶片轮中叶片的数量是四个，第一转盘和第二转盘扇叶的数量是四个。在实际的应用中，二者的数量可以大于四个，同时二者的数量可以相等也可以不等。本发明的混合式发电机在同样的转速下，随着叶片轮叶片数量和转盘扇叶数量的增加，输出频率增大。具体的数量可以根据实际需要、加工条件等来确定。

公共旋转轴401与第一转盘或者第二转盘的固定，可以通过粘贴或者螺钉连接等方法固定，如果公共旋转轴401与转盘的电极层直接接触，则公共旋转轴的材料选择绝缘材料。叶片轮与第一转盘或者第二转盘的连接和固定也可以采用直接粘贴，或者借助其他附件固定的方式进行连接和固定。具体的固定方式不作为本发明发电机的限定因素，本领域的技术人员可以根据实际应用条件选择合适的固定方法。

下面以图3所示的混合发电机的结构为例，介绍本发明的混合式发电机的工作原理。图5中（a）-（d）是由叶片轮组成的静电诱导发电组件的工作原理示意图。在水流501接触到叶片之前，由于水在流动的过程中与周围的介质（例如：水管、空气等）发生摩擦，产生了摩擦电荷，如图5中（a）所示。水中所携带的摩擦电荷的极性由周围介质的摩擦序列决定，可以是正的，也可是负的。如图5中（a）所示，这里假设水流中所携带的摩擦电荷是正电荷。通过调整水流出口与发电机的相对位置，可以使水流501落在一个叶片的疏水层303的表面，并在这个叶片的疏水层303的表面形成一层带正电荷的水膜，将这个叶片标记为叶片①，如图5中（b）所示。在水膜中的正电荷的诱导下，叶片①的电极层302和地电位之间产生了正的电势差，驱动电子在叶片①的电极层302和大地之间流动，产生正电流，直到电势差变为零。在水流501的冲击下，叶片轮发生转动，使水流落在另一个相邻的叶片的疏水层的表面，将这个相邻的叶片标记为叶片②，如图5中（c）所示。与图5中（b）所述的情况相似，在这个叶片02的疏水层303的表面也形成了一层带正电的水膜，使叶片②的电极层302与地电位之间产生正的电势差和一个正的电流，直到电势差变为零，如图5中（c）所示。在叶片②的阻挡下，水流501不能再继续落在叶片①上，因此，在离心力和叶片表面超疏水层的疏水性的共同作用下，叶片①的疏水层303表面的带正电的水膜从表面脱离，如图5中（d）所示。随着水膜的脱离，在叶片①的电极层302和地电位之间形成负的电势差，产生负电流，直到电势差变为零，如图5中（d）所示。在接下来的叶片轮的转动过程中，水流501将依次落在不同的叶片的疏水层303上，并从之前一个叶片的疏水层303上脱离，在叶片的电极层302与地电位之间形成正、负交替的周期性电流。

从上述静电诱导发电组件的发电原理可以看出，其发电过程与对叶片轮产生冲击力的液体的种类无关，只要与叶片轮接触的液体带有静电荷即可，因此，本发明的发电机可以应用在多种液体的能量收集方面，除了自然流动的水，还可以应用在下水管道中流动的废水、输油管道中流动的石油、大海中的洋流运动的海水、潮汐运动的海浪等流动液体。

图6中（a）-（d）是由两个转盘组成的转盘式摩擦发电组件的工作原理示意图。第二转盘与叶片轮固定在一起，能够在水流的冲击下围绕公共旋转轴转动，第一转盘与第二转盘的形状相同，在第二转盘中，使用导电性的材料作为摩擦层，使其同时起到第二摩擦层和第二电极层的作用，将导电的第二摩擦层211直接贴合在第二电极层211下表面。第一转盘的电极层102和第二转盘的第二摩擦层212之间形成电学回路。水流的冲击带动叶片轮转动，叶片轮带动第二转盘转动，使第一转盘和第二转盘发生相对转动。当第一转盘的第一摩擦层103和第二转盘的第二摩擦层212完全接触时，在两个摩擦层（103和212）的表面产生极性相反的摩擦电荷。摩擦电荷的极性由两个摩擦层的摩擦电序列决定，在此，假设第一摩擦层103表面具有负的摩擦电荷，第二摩擦层212表面具有正的摩擦电荷，如图6中（a）所示。此时，两个摩擦层（103和212）上的摩擦电荷数量相等，位置重合，因此，在第一电极层102和第二电极层212（即第二摩擦层）之间没有产生电势差。随着两个转盘的相对转动，两个转盘部分分开，第二电极层212和第一电极层102之间产生正的电势差，驱动电子在两个电极层之间流动，产生正电流，如图6中（b）所示。当两个转盘完全分开时（图6中（c）），第一转盘和第二转盘上的净电荷近似为零。随着两个转盘的继续相对转动，两个转盘的摩擦层（103和212）部分接触，第二电极层212和第一电极层102之间产生负的电势差，驱动电子在两个电极层之间流动，产生负电流，如图6中（c）所示。当两个转盘的摩擦层（103和212）再次完全接触时，第一电极层102上的诱导电荷全部转移到第二电极层212，如图6中（d）所示。到此，转盘式摩擦发电组件完成了一个发电周期。随着两个转盘的继续相对转动，开始下一个发电周期，并连续输出正、负交替的周期性电流。

本发明发电机的尺寸根据实际应用中水流等机械动能的大小来决定，机械动能越大，发电机的尺寸越大。在本发明中，转盘和叶片轮的直径为10-1000mm，优选为20-500mm，更优选为50-300mm。本发明第一基底层101、第二基底层201和叶片的基底层301主要起固定和支撑作用，对其厚度无特殊要求。叶片的疏水层301的厚度对发电机的输出特性无影响。在实际使用中，可根据发电机的大小来选择各基底层以及疏水层的厚度。一般地，发电机越大，基底层的厚度越大，以起到更稳固的支撑作用。在本发明中，各基底层的厚度范围为0.1-10mm，优选0.2-5mm，更优选0.5-2mm。

本发明的第一电极层102、第二电极层202和叶片的电极层302主要起到导电作用，对其厚度没有特别要求，在本发明中，各电极层的厚度为10nm-1mm，优选为50nm-50μm，更优选为100nm-10μm。

本发明的第一转盘的摩擦层103、第二转盘的摩擦层203和叶片的疏水层303的厚度无特别要求，本发明优选摩擦层和疏水层为薄膜，厚度为10nm-5mm，优选10nm-1mm，更优选100nm-500μm。

本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在收集海浪、生活中水流能量收集中，另外大量存在的风能、机械和人体的运动等产生的机械能，也可以驱动叶片轮带动摩擦发电组件进行发电，具有广泛的实际用途。

相应的，本发明还提供一种混合发电方法，采用上述所述的混合式发电机，包括步骤：

流动的液体冲击所述静电诱导发组件的叶片，使所述叶片轮围绕所述公共旋转轴转动；所述叶片轮带动所述摩擦发电组件的第一转盘相对于第二转盘转动；

液体冲击叶片和离开叶片，在静电诱导发电机组件的叶片的电极层与等电位之间产生交变的电信号；第一摩擦层与第二摩擦层互相滑动摩擦在所述第一电极层和第二电极层之间产生交变电信号。

叶片轮的电极层与等电位（地电位）之间形成电学回路，构成静电诱导发电组件，当带有静电荷的水流冲击在叶片上时，在静电诱导的作用下产生电流；当水流离开叶片时，产生方向相反的电流。

第一转盘和第二转盘的相对转动构成水平转动式摩擦发电组件。水流对叶片轮的冲击，带动第二转盘相对第一转盘发生转动。两个转盘摩擦层上所带有的正、负摩擦电荷周期性地接近和分开，在两个转盘的电极层之间产生交变电势和交变电流。

该混合式发电机能同时收集水流的静电能和机械动能，为综合利用水流中的多种形式的能量提供了途径。

如果使用风能等其他机械能的形式带动叶片轮和第二转盘发生转动，同样可以驱动混合发电机中的转盘式摩擦发电组件进行发电，扩展了混合式发电机的实际使用范围。

在以上所有示例中，都可以通过对摩擦层、疏水层表面进行微米、纳米尺度的结构加工、材料修饰以提高两个摩擦层之间的接触面积和疏水层的超疏水性能。下面以一个实际示例为例，说明本发明混合式发电机的制备过程及摩擦层和疏水层的表面修饰过程。

首先，利用激光切割的方法将有机玻璃PMMA加工成需要的形状和尺寸，作为第一转盘、第二转盘和叶片的基底层（101、201和301）。第一转盘和第二转盘的基底层（101和201）的直径为10cm，厚度为2mm。每个叶片的基底层（301）长度为8cm，宽度为4cm，厚度为2mm。然后，利用物理气相沉积的方法在基底层（101、201和301）上蒸镀厚度为100nm的Cu薄膜作为转盘和叶片的电极层（102、202和302）。其中，第二转盘的Cu薄膜作为第二转盘的摩擦层使用，同时起到摩擦层和电极层的作用。利用沙粒打磨的方法在Al箔上形成微米尺度的凹凸结构，然后利用浓度为0.3M的草酸进行腐蚀，形成具有纳米尺度孔洞的阳极氧化铝（AAO）模板。之后，将聚四氟乙烯（PTFE）的溶液浇筑在AAO的模板上，经过真空处理、高温聚合等处理过程之后，利用双面胶带将表面具有微、纳米结构的PTFE薄膜从AAO模板上剥离下来。利用双面胶带将制备的PTFE薄膜粘贴在第一转盘的电极层（102）的表面，作为第一转盘的摩擦层（103）；将PTFE薄膜粘贴在叶片的电极层（302）的表面，作为叶片的疏水层（303）。将多个叶片固定连接组成叶片轮，利用公共转动轴401通过叶片轮和两个转盘的中心。叶片轮和第二转盘通过硅胶连接在一起，当水流冲击在叶片上时，叶片轮和第二转盘一起围绕公共转动轴转动。第一转盘通过螺栓固定在公共转动轴上，在叶片轮和第二转盘转动时，第一转盘保持不动。通过导线将叶片的电极层302与地电位连接，构成静电诱导发电组件。通过导线将两个转盘的电极层（102和202）进行连接，构成摩擦发电组件。

下面以制备完成的发电机器件为例，展示水车结构混合摩擦发电机的结构和输出特性。测试中，使用通用的水龙头中所流出的自来水来驱动混合发电机的运转。图7是作为叶片的疏水层（303）和第一转盘的摩擦层（103）材料的PTFE薄膜的扫描电子显微镜（SEM）照片和接触角测试照片。如图所示，PTFE表面的纳米棒的平均长度和直径分别是360nm和45nm，水滴在PTFE薄膜表面的接触角是162°，显示出良好的超疏水特性。图8中（a）和（b）是静电诱导发电组件和摩擦发电组件的开路电压随时间变化曲线，测试时水流的流速是54ml/s。如图8中（a）和（b）所示，静电诱导发电组件和摩擦发电组件的开路电压分别是72V和102V。图9中（a）和（b）是静电诱导发电组件和摩擦发电组件的短路电流随时间变化曲线，测试时水流的流速是54ml/s。如图9中（a）和（b）所示，静电诱导发电组件和摩擦发电组件的短路电流分别是12.9μA和3.8μA。改变水的流速，测试了发电机的开路电压、短路电流随水的流速的变化。图10中（a）是静电诱导发电组件的开路电压和短路电流随水的流速的变化曲线。当流速从7ml/s增加到54ml/s时，开路电压保持在72V左右，没有明显变化；短路电流从4.3μA增加到12.9μA。图10中（b）是摩擦发电组件的开路电压和短路电流随水的流速的变化曲线。当流速从7ml/s增加到54ml/s时，开路电压保持在102V左右，没有明显变化；短路电流从0.3μA增加到3.8μA。

本发明各实施示例的发电组件输出的电信号为交流脉冲电信号，可以在发电组件的输出端连接全桥整流器，将发电组件的输出信号整流为单向脉冲电信号。发电组件输出的单向脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。也可以将静电诱导发电组件和摩擦发电组件的电信号分别经过整流后进行并联连接，作为发电机的输出信号，可以提供发电机的输出电流。

以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施示例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施示例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (27)

1.一种混合式发电机，其特征在于，包括：

公共旋转轴；

静电诱导发电组件，包括：由多个固定连接的叶片构成叶片轮，每个所述叶片的表面与所述公共旋转轴平行，所述叶片包括基底层和电极层；所有所述叶片的电极层均连接至等电位；所述叶片轮的叶片在受到流动液体的冲击力时叶片轮围绕所述公共旋转轴旋转，使所述叶片依次与所述液体接触，在所述叶片的电极层与所述等电位之间产生电信号；

摩擦发电组件，包括：第一转盘，由第一基底层、第一电极层、第一摩擦层依次层叠组成；第二转盘，由第二基底层、第二电极层、第二摩擦层依次层叠组成；所述第一转盘与第二转盘相对放置使所述第一摩擦层与第二摩擦层互相接触，并且在所述叶片轮的带动下，所述第一转盘相对于第二转盘能够以所述公共旋转轴为轴转动，使所述第一摩擦层与所述第二摩擦层互相滑动摩擦并且使接触面积变化时，所述第一电极层与所述第二电极层之间有电信号输出。

2.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于，所述叶片轮的叶片还包括疏水层，所述疏水层附着在所述叶片的电极层上。

3.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于，所述叶片轮的多个叶片围绕所述公共旋转轴均匀分布。

4.根据权利要求3所述的混合式发电机，其特征在于，所述公共旋转轴与所述摩擦发电组件的第二转盘固定，所述摩擦发电组件的第一转盘与所述叶片轮固定并且围绕所述公共旋转轴转动；

或者，

所述公共旋转轴与所述摩擦发电组件的第一转盘固定，所述摩擦发电组件的第二转盘与所述叶片轮固定并且围绕所述公共旋转轴转动。

5.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层表面形状相同或互补。

6.根据权利要求5所述的混合式发电机，其特征在于，所述摩擦发电组件的第一转盘和第二转盘均由多个形状相同的扇叶组成，且两个转盘的扇叶数量相等。

7.根据权利要求6所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一转盘的多个扇叶和第二转盘的多个扇叶分别以所述公共旋转轴与转盘的交点为中心呈中心对称分布。

8.根据权利要求7所述的混合式发电机，其特征在于，所述叶片轮的叶片数与所述第一转盘的扇叶数相等或者不相等。

9.根据权利要求2所述的混合式发电机，其特征在于，叶片轮的叶片表面的疏水层由具有超疏水性质的薄膜组成。

10.根据权利要求9所述的混合式发电机，其特征在于，所述疏水层的接触角大于120°。

11.根据权利要求10所述的混合式发电机，其特征在于，所述疏水层为在表面微米尺度的结构上生长纳米尺度的结构形成。

12.根据权利要求1所述的混合式发电机，其特征在于，所述流动的液体与所述叶片轮的叶片接触时带有静电荷，所述叶片带有的静电荷为所述液体流动过程中与周围的介质摩擦所产生。

13.根据权利要求12所述的混合式发电机，其特征在于，所述流动的液体为自然流动的水、下水管道中流动的废水、输油管道中流动的石油。

14.根据权利要求13所述的混合式发电机，其特征在于，所述自然流动的水包含大海中的洋流运动的海水或者潮汐运动的海浪。

15.根据权利要求1-13任一项所述的混合式发电机，其特征在于，第一摩擦层和第二摩擦层由不同的材料组成，且二者之间存在摩擦电极序差异。

16.根据权利要求2所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或叶片的疏水层为绝缘材料，所述绝缘材料选自下列一种或多种材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、纤维素、纤维素醋酸酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。

17.根据权利要求16所述的混合式发电机，其特征在于，所述人造纤维包含聚酰胺尼龙11和/或聚酰胺尼龙66。

18.根据权利要求16所述的混合式发电机，其特征在于，所述聚氨酯弹性体包含聚氨酯弹性海绵。

19.根据权利要求16所述的混合式发电机，其特征在于，所述聚酯包含下列一种或多种材料：聚乙二醇丁二酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚双酚A碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯。

20.根据权利要求1-13、16-19任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一电极层、第二电极层和/或叶片轮的电极层材料采用金属、合金、导电氧化物或有机物导体。

21.根据权利要求1-13、16-19任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层与第二摩擦层在转动过程中能够互相接触的表面全部或部分具有纳米结构或微米结构；所述纳米结构和微米结构选自纳米线、纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米颗粒、纳米沟槽、微米线、微米棒、微米管、微米锥、微米颗粒和微米沟槽。

22.根据权利要求1-13、16-19任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层表面经过化学改性，其中，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团；或者，在极性为正的材料表面引入正电荷，在极性为负的材料表面引入负电荷。

23.根据权利要求1-13、16-19任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述等电位为地电位或者等电位源电路。

24.根据权利要求1-13、16-19任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述静电诱导发电组件和所述摩擦发电组件的电信号分别经过整流后进行并联连接。

25.根据权利要求1-13、16-19任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述转盘和叶片轮的直径范围为10-1000mm；

和/或,

所述第一基底层、第二基底层和叶片的基底层的厚度范围为0.1-10mm。

26.根据权利要求2、9-11、16-19任一项所述的混合式发电机，其特征在于，所述疏水层的厚度范围为10nm-5mm。

27.一种发电方法，其特征在于，采用权利要求1-24任一项所述的混合式发电机，包括步骤：

流动的液体冲击所述静电诱导发组件的叶片，使所述叶片轮围绕所述公共旋转轴转动；所述叶片轮带动所述摩擦发电组件的第一转盘相对于第二转盘转动；

液体冲击叶片和离开叶片，在静电诱导发电机组件的叶片的电极层与等电位之间产生交变的电信号；第一摩擦层与第二摩擦层互相滑动摩擦在所述第一电极层和第二电极层之间产生交变电信号。