CN114465519A - 摩擦发电性能提升装置 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置，包括：用于提供周向动力输入和轴向动力输入的动力输入单元；电能产生单元，包括第一摩擦纳米发电机、第二摩擦纳米发电机、电路管理模块和缓存电容器，周向动力输入通过驱动中心转动轴使第一摩擦纳米发电机产生交流电，由电路管理模块将第一摩擦纳米发电机产生的交流电进行整流后转变为直流电流，输送至串联的第二摩擦纳米发电机和缓存电容器，提高两者中的电荷量；轴向动力输入通过花键机构使第二摩擦纳米发电机的定子和动子间产生间歇性地开合运动，使电荷在第二摩擦纳米发电机与缓存电容器之间来回流动，形成对外输出的电能。本公开可延长摩擦纳米发电机的使用寿命并提升其输出性能。
Description
技术领域
本公开属于电能收发***技术领域，特别涉及一种摩擦发电性能提升装置。
背景技术
作为一种能量收集的新兴技术，摩擦纳米发电机(Triboelectricnanogenerator，简称TENG)自其诞生以来，因其显著的高效、便宜、材料广泛等优势受到越来越多的关注，已经取得许多产出与成就。然而，基于摩擦生电和静电感应的耦合效应，TENG电能的产生需要依靠介电材料间的接触与摩擦，而这会带来严重的材料磨损与使用寿命降低，因此探索减少介电材料间磨损的技术，对于提高TENG的使用寿命和效率具有重要意义与价值。
另一方面，传统TENG技术是利用两种材料表面摩擦生电，同时在静电感应效应作用下使得导电电极表面电荷重新分布并形成电势差，TENG利用电极间的电势差来输出电能。然而，其中存在的问题是，材料表面的电荷积累量是有限的并且电荷数量并不多，这样形成的静电场场强较小，因此材料表面较低的电荷量或者电荷密度限制了TENG的输出功率。最近，一种能够提高TENG表面电荷密度，增强TENG输出性能的电荷泵技术正在兴起，如2018年在国际期刊《Nano Energy》第49卷第1期第625-633页[1]中接触分离式电荷泵首次被提出。它的主要原理是利用TENG泵给主TENG注入电荷，提高主TENG的导电电极表面电荷密度，并且利用主TENG对外输出电能，电荷泵以此方式来提高TENG的输出性能。再比如，在2020年在国际期刊《Nature Communications》第11卷第1期第1-9页[2]中电子振荡式电荷泵进一步提高电荷密度。然而，现有电荷泵技术存在的不足为采用电荷泵模式单一，电荷泵初始电荷量生成效率较低且存在导电极板尖端放电现象，严重影响导电电极的存储电荷量，进而降低其输出功率；再者，电荷泵与主TENG同步(耦合)运动，这就造成主TENG(可变电容)在电容值最大时并非最大电荷注入量，影响电荷输运与存储效率；同时，现有电荷泵技术也都没有考虑材料间磨损严重和寿命降低的问题。因此，探索新型电荷泵技术方案对于进一步提高TENG输出性能和使用寿命显得尤为重要。
相关技术：
1.Xu L,Bu T.Z.,Yang X.D.,et al.Ultrahigh charge density realized bycharge pumping at ambient conditions for triboelectric nanogenerators[J].NanoEnergy.2018,49(1):625-633.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.05.01.
2.Wang H,Xu L,Bai Y,et al.Pumping up the charge density of atriboelectric nanogenerator by charge-shuttling[J].NatureCommunications.2020,11(1):1-9.https://doi.org/10.1038/s41467-020-17891-1.
发明内容
本公开旨在解决上述问题之一。
为此，本公开实施例提供的可延长TENG使用寿命并提升其输出性能的摩擦发电性能提升装置，包括：
动力输入单元，用于提供周向动力输入和轴向动力输入，所述周向动力输入的速度高于所述轴向动力输入的速度；和
电能产生单元，包括第一摩擦纳米发电机、第二摩擦纳米发电机、电路管理模块和缓存电容器，所述第一摩擦纳米发电机采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，所述第二摩擦纳米发电机采用接触分离式摩擦纳米发电机，所述第一摩擦纳米发电机套设在中心转动轴上，所述第二摩擦纳米发电机通过花键机构套设在所述中心转动轴上；所述周向动力输入通过驱动所述中心转动轴使所述第一摩擦纳米发电机产生交流电流，通过所述电路管理模块将所述第一摩擦纳米发电机产生的交流电流进行整流后转变为直流电流，输送至串联连接的所述第二摩擦纳米发电机和所述缓存电容器，以提高所述第二摩擦纳米发电机和所述缓存电容中的电荷量；所述轴向动力输入通过所述花键机构使所述第二摩擦纳米发电机的定子和动子间产生间歇性地开合运动，使得电荷在所述第二摩擦纳米发电机与所述缓存电容器之间来回流动，形成对外输出的电能。
本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置，具有以下特点及有益效果：
本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置，第一摩擦纳米发电机作为TENG泵，第二摩擦纳米发电机作为主TENG，为第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机提供了不同的转动输入，使第二摩擦纳米发电机的定子和动子间产生间歇性地开合运动，以减少磨损，提高介电薄膜材料的使用寿命；同时，采用独立摩擦层式和接触分离式混合TENG的电荷泵方案，以提高电荷的产生与存储，增加导电电极表面电荷密度，进而提升TENG的电能输出。
在一些实施例中，所述第一摩擦纳米发电机包括沿所述中心转动轴的轴向依次设置的转子、支撑框、定子和支撑板以及连接于所述支撑框、所述定子和所述支撑板之间的第一滑杆，所述第一滑杆上设有第一弹簧，所述转子上设有扇叶形的第一摩擦层，在所述定子面向所述转子的一侧叠设有导电电极和第二摩擦层，且所述第二摩擦层将所述导电电极完全覆盖，所述转子随所述中心转动轴转动的过程中，所述第一摩擦层在所述第二摩擦层上旋转滑动。
在一些实施例中，所述第二摩擦纳米发电机设置在所述第一摩擦纳米发电机的所述定子与所述支撑板之间；所述第二摩擦纳米发电机包括沿所述中心转动轴的轴向相对设置的第一基板和第二基板，在所述第一基板面向所述第二基板的一侧贴设有第一导电板，在所述第二基板面向所述第一基板的一侧叠设有缓冲垫和第二导电板，所述第一基板和所述第一导电板共同作为所述第二摩擦纳米发电机的动子，所述第二基板、所述缓冲垫和所述第二导电板共同作为所述第二摩擦纳米发电机的定子，所述第一基板、所述第一导电板、所述第二导电板、所述缓冲垫和所述第二基板均通过第二滑杆与所述支撑板连接，位于所述第一基板与所述第一摩擦纳米发电机的定子之间的所述第二滑杆上设有第二弹簧。
在一些实施例中，所述第一导电板和所述第二导电板的外周面为光滑的曲面形状。
在一些实施例中，所述花键机构包括固定在所述第一摩擦纳米发电机的定子上面向所述第一基板一侧的凸轮基，固定在所述第一基板上面向所述第二基板一侧的花键凸轮，固定在所述中心转动轴上用于推动所述花键凸轮面向所述第一摩擦纳米发电机的定子水平移动的顶针，以及穿过所述第二基板和所述支撑板的第二凸轮头，所述第二凸轮头与所述凸轮基之间通过卡扣紧密连接，所述轴向动力输入通过与所述第二凸轮头相匹配的第一凸轮头传入所述花键机构。
在一些实施例中，所述轴向动力输入包括支座、所述第一凸轮头、轴承和复合轴承，所述第一凸轮头通过所述轴承支撑于所述支座上，所述复合轴承位于所述第一凸轮头内周；所述复合轴承包括由内至外依次套接的内层、中间层和外层，相邻层之间均分别设有滚珠，所述内层固定套设在所述中心转动轴上，所述外层位于所述第一凸轮头内周，且所述外层与所述第一凸轮头间过盈配合。
在一些实施例中，所述电路管理模块包括由若干第一二极管和第一电容交替连接组成的倍压整流电路。
在一些实施例中，所述电能产生单元还包括功率输出电路，所述功率输出电路包括通过转换开关并联在所述第二摩擦纳米发电机和所述缓存电容器的两端与所述负载之间的第一电流调节支路、第二电流调节支路和第三电流调节支路；所述第一电流调节支路包括串联连接的第一放电管和第一全桥整流电路，所述第一放电管两端并联有第一开关；所述第二电流调节支路包括串联连接的第二放电管和第二全桥整流电路，所述第二放电管两端并联有第二开关，所述第一开关和所述第二开关的开合状态相同；所述第三电流调节支路包括串联连接的第二二极管和第二电容；所述转换开关具有第一触点和第二触点，当接通所述第一触点时，所述第一电流调节支路和所述第二电流调节支路与所述负载接通、所述第三电流调节支路与所述负载断开，当接通所述第二触点时，所述第一电流调节支路、所述第二电流调节支路和所述第三电流调节支路均与所述负载接通。
附图说明
图1为本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置在第一视角下的三维图。
图2为本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置在第二视角下的三维图。
图3为本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置的***示意图。
图4为本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置的俯视图。
图5为本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置中电能产生单元的结构示意图。
图6为本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置的工作原理及电路结构图。
图7为本公开实施例提供的改进的电路管理模块的电路示意图。
图8中a、b分别为本公开实施例提供的有无放电管下的输出电能数据图。
图中：
100-周向动力输入，110-中心转动轴；
200-轴向动力输入；210-第一凸轮头；211-轴承，212-支座，223-复合轴承，2231-内层，2232-中间层，2233-外层；
300-电能产生单元；310-第一摩擦纳米发电机，311-转子，3111-第一摩擦层，312-支撑框，313-定子，3131-第二摩擦层，3132-导电电极，314-支撑板，315-第一滑杆，3151-第一弹簧；320-第二摩擦纳米发电机，321-第一基板，322-第二基板，323-第一导电板，324-缓冲垫，325-第二导电板，326-第二滑杆，3261-第二弹簧；330-花键机构，331-凸轮基，332-花键凸轮，333-顶针，334-第二凸轮头；340-电路管理模块，341-第一二极管，342-第一电容，350-缓存电容器，351-第二二极管，352-第二电容，361-第一放电管，362-第二放电管。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
参见图1～图4，本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置，包括：
动力输入单元，用于提供周向动力输入100和轴向动力输入200，周向动力输入100的速度高于轴向动力输入200的速度；和
电能产生单元300，包括第一摩擦纳米发电机310、第二摩擦纳米发电机320、电路管理模块(Power Management Unit，以下简称PMU)340和缓存电容器(Buffer capacitor，以下简称BFC)350，第一摩擦纳米发电机310采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，第二摩擦纳米发电机320采用接触分离式摩擦纳米发电机，第一摩擦纳米发电机310套设在中心转动轴110上，第二摩擦纳米发电机320通过花键机构330套设在中心转动轴110上；周向动力输入100通过驱动中心转动轴110使第一摩擦纳米发电机310产生交流电流，通过PMU340将第一摩擦纳米发电机310产生的交流电流进行整流后转变为直流电流，输送至串联连接的第二摩擦纳米发电机320和BFC350，以提高第二摩擦纳米发电机320和BFC350中的电荷量；轴向动力输入200通过花键机构330使第二摩擦纳米发电机320的定子和动子间产生间歇性地开合运动，使得电荷在第二摩擦纳米发电机320与BFC350之间来回流动，形成对外输出的电能。
在一些实施例中，参见图1～图4，动力输入单元通过中心转动轴110的转动向电能产生单元300提供周向动力输入100，通过第一凸轮头210的转动向电能产生单元300提供轴向动力输入200，且周向动力输入100的速度高于轴向动力输入200的速度，可降低第二摩擦纳米发电机320内导电板开合运动的频率，一方面为了给导电板积累电荷提供时间，另一方面可以保证导电板开合运动的可靠性和使用耐久性。
进一步地，轴向动力输入200包括支座212、第一凸轮头210、轴承211和复合轴承223，第一凸轮头210通过轴承211支撑于支座212上，复合轴承223位于第一凸轮头210内周。复合轴承223包括由内至外依次套接的内层2231、中间层2232和外层2233，相邻层之间均分别设有滚珠，以使相邻层间存在绕中心转动轴110的相对转动。内层2231固定套设在中心转动轴110上，外层2233位于第一凸轮头210内周，且外层2233与第一凸轮头210间过盈配合。通过复合轴承223使得中心转动轴110与第一凸轮头210的转速不同，而从可向电能产生单元300提供不同的动力输入。
在一些实施例中，参见图5、图6，电能产生单元300包括第一摩擦纳米发电机310、第二摩擦纳米发电机320、PMU340和BFC350，第一摩擦纳米发电机310直接套设在中心转动轴110上，第二摩擦纳米发电机320通过花键机构330套设于中心转动轴110上。对电能产生单元300的各组成部件分别描述如下：
第一摩擦纳米发电机310包括沿中心转动轴110的轴向依次设置的转子311、支撑框312、定子313和支撑板314以及连接于支撑框312、定子313和支撑板314之间的第一滑杆315，第一滑杆315上设有第一弹簧3151，支撑框312、定子313和支撑板314的外周上设有供第一滑杆315穿过的第一通孔，转子311位于中心转动轴110的端部，转子311上设有扇叶形的第一摩擦层3111，支撑框312中部开设供第一摩擦层3111穿过的通孔，在定子313面向转子311的一侧叠设有导电电极3132和第二摩擦层3131，且第二摩擦层3131将导电电极3132完全覆盖，导电电极3132整体呈扇形，包括若干交替设置的第一电极和第二电极，转子311随中心转动轴110转动的过程中(即周向动力输入100通过中心转动轴110传递至第一摩擦纳米发电机310的转子311)，第一摩擦层3111在第二摩擦层3131上旋转滑动，产生电荷。
第二摩擦纳米发电机320设置在第一摩擦纳米发电机310的定子313与支撑板314之间，且通过花键机构330将轴向动力输入200传入第二摩擦纳米发电机320。第二摩擦纳米发电机320包括沿中心转动轴110的轴向相对设置的第一基板321和第二基板322，在第一基板321面向第二基板322的一侧贴设有第一导电板323，在第二基板322面向第一基板321的一侧叠设有缓冲垫324和第二导电板325，第一基板321和第一导电板323共同作为第二摩擦纳米发电机320的动子，第二基板322、缓冲垫324和第二导电板325共同作为第二摩擦纳米发电机320的定子，第一基板321、第一导电板323、第二导电板325、缓冲垫324和第二基板322均通过第二滑杆326与支撑板314连接，位于第一基板321与定子313之间的第二滑杆326上设有第二弹簧3261，第一基板321、第一导电板323、第二导电板325、缓冲垫324和第二基板322的外周上均设有供第二滑杆326穿过的第二通孔。进一步地，第一导电板323和第二导电板325的外周面为光滑的曲面形状，如为圆形、椭圆形等，不存在尖端电荷积累和尖端放电现象，可保证电荷积累和电能输出的稳定性。
花键机构330包括固定在定子313上面向第一基板321一侧的凸轮基331，固定在第一基板321上面向第二基板322一侧的花键凸轮332，固定在中心转动轴110上用于推动花键凸轮332面向定子313水平移动的顶针333，以及穿过第二基板322和支撑板314的第二凸轮头334，第二凸轮头334与凸轮基331之间通过卡扣紧密连接，使第二凸轮头334与凸轮基331之间保持同步运动，轴向动力输入200通过与第二凸轮头334相匹配的第一凸轮头210传入花键机构330。
第一摩擦纳米发电机310、第二摩擦纳米发电机320和花键机构330的运动过程为：
动力通过中心转动轴110和第一凸轮头210传入电能产生单元300，中心转动轴110带动第一摩擦纳米发电机310的转子311转动，这样转子311上的第一摩擦层3111在定子313的第二摩擦层3131上旋转滑动。当第一凸轮头210与第二凸轮头334接触时，会推着凸轮基331和定子313沿中心转动轴110的轴向且向靠近转子311的方向运动。同时，定子313固定在第一滑杆315上，第一滑杆315可以在支撑框312和支撑板314的第一通孔内滑动，第一弹簧3151被压缩。由于第二滑杆326与定子313和第二基板322均固定连接，但第二滑杆326可以在支撑板314的第二通孔内滑动，这样定子313同时带动第二基板322、缓冲垫324、第二导电板325、第一导电板323和第一基板321一起沿中心转动轴110的轴向且向靠近转子311的方向运动，这时第一摩擦层3111和第二摩擦层3131紧密接触摩擦产生电荷，由于外接电路将被第二摩擦层3131覆盖的第一电极和第二电极分别与第一导电板323和BFC 350一端接线口连接，可以对第一导电板323、第二导电板325组成的电容以及BFC350进行充电。
当第一凸轮头210与第二凸轮头334接触完毕后，在第一弹簧3151的作用下定子313带动第二基板322、缓冲垫324、第二导电板325、第一导电板323和第一基板321一起沿中心转动轴110的轴向且向远离转子311的方向运动，第一摩擦层3111和第二摩擦层3131不再紧密接触摩擦，这样定子313回到初始位置。此时，因花键凸轮332固定在第一基板321上且顶针333固定在中心转动轴110上，花键凸轮332重新与顶针333接触，且顶针333随着中心转动轴110一起转动，第一基板321与定子313之间的第二弹簧3261为压缩状态，且第一基板321可通过自身圆周边缘上的通孔在第二滑杆326上滑动，固定在第一基板321上的第一导电板323将一同滑动。因此在第二弹簧3261和顶针333的共同作用下，可以实现第一导电板323和第二导电板325的间歇式地开合运动(本质为此时第一导电板323滑动，第二导电板325静止不动，第一导电板323间歇式地接触和分离第二导电板325)，第一导电板323和第二导电板325组成的电容会随着两板间的距离变化而周期性地变大变小，于是第一导电板323和第二导电板325之间的电压也会随之周期性地变大变小。由于BFC与第一导电板323和第二导电板325形成的电容是串联关系，且两个电容两端的输入电压保持恒定，所以第一导电板323和第二导电板325形成的电容上的电压变化会导致BFC350两端电压的变化。
由以上描述可知，第二摩擦纳米发电机320(即主TENG)作为可变电容器，其自身电容会随极板间的开合运动而呈周期性变大变小；第二摩擦纳米发电机320(即主TENG)与第一摩擦纳米发电机310(即TENG泵)的运动为非耦合运动，两者运动不同步，这会使得在主TENG拥有最大等效电容时，即拥有最大存储电荷能力时，有最大的电荷注入与存储量，使导电极板因此拥有最大的电荷密度，而这有利于提高电荷的输运与存储效率。
本公开实施例利用两种动力输入同时带动第一摩擦纳米发电机310和花键机构330，并实现第一摩擦纳米发电机310中转子311转动和花键机构330水平移动不同速。在花键机构330和第一弹簧3151共同作用下，实现第一摩擦纳米发电机310的动子和定子上的摩擦层材料间的间歇式紧密接触摩擦。同时，第一摩擦纳米发电机310作为电荷泵给由两个彼此绝缘的环形导电电极板组成的第二摩擦纳米发电机320(即主TENG)和缓存电容器BFC350注入电荷，提高环形导电电极板表面的电荷密度。利用花键机构330中的花键凸轮332和顶针333实现第二摩擦纳米发电机310的两个环形导电电极板间的接触与分离，具体为：当摩擦层材料紧密接触摩擦时，花键凸轮332和顶针333分离，两环形导电电极板在第二弹簧3261作用下保持紧密接触而拥有最大等效电容并被电荷泵充电；当摩擦层材料非紧密接触摩擦时，花键凸轮332和顶针333接触，且在第二弹簧3261的弹力作用下使得两环形导电电极板间歇式地开合，驱动电能输出。因此，本公开既实现了TENG的摩擦层材料间的间歇式紧密接触与分离，同时又运用了混合式电荷泵方案，解决了常规电荷泵中第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机的运动同步的耦合问题，提高了电荷的产生效率和存储容量，进而提升电荷密度和TENG的输出性能，同时还减小了材料磨损延长了使用寿命。
PMU340的主要作用是将交流电变为直流电，PMU包括若干二极管和电容组成的倍压整流电路，参见图6，PMU为由六个第一二极管341和五个第一电容342交替连接形成的单元，倍压整流电路具有很好的扩展性同时相比于传统桥式整流电路对于电压的输出能够起到倍增和整流双重作用，但它不限于图6中所示二极管和电容器的数量。第一摩擦纳米发电机310输出的交流电流流经倍压整流电路，靠近输入端电势较低，靠近输出端电势较高，最终输出直流电流并提供给第二摩擦纳米发电机320和BFC350。
参见图6，本公开实施例提供的摩擦发电性能提升装置的工作原理为：转子311上的第一摩擦层3111在定子313表面的第二摩擦层3131表面摩擦转动，会在定子313表面两个不相连的第一电极和第二电极上形成交替正负变化的电势差，当用导线引出时导线中会形成交流电，即由第一摩擦纳米发电机(作为TENG泵)310输出交流电及电荷。交流电经过电源管理单元整流后变成直流电，然后加载到由第一导电板323和第二导电板325形成的电容(作为主TENG)和与主TENG串联连接的BFC两端，因此主TENG和BFC的两端电压总和保持恒定不变。当第一导电板323和第二导电板325间歇式的开合运动会使得主TENG的两端电压变化，进而会引起BFC两端的电压变化，并为负载R如电灯等供电以输出能量。
图6中，TENG泵是第一摩擦纳米发电机310的简化模型，其本质是独立摩擦层式模式，第一摩擦层代表的是转子311上的第一摩擦层3111，第二摩擦层代表的是定子313上的第二摩擦层3131，导电电极一和二代表的是定子313上的不相连第一电极和第二电极，转子311的转动会使得第一摩擦层3111在第二摩擦层3131上来回接触摩擦运动，并在表面分别产生等量的异性电荷，在静电场感应作用下会使得导电电极表面电荷重新分布并形成交替正负变化的电势差，当用导线引出时导线中会形成交流电，交流电进入设计的PMU340。
当电流经过整流变为直流电后，正负电荷分别被注入主TENG的一个导电电极板和BFC的一个极板，在串联电容器效应作用下，主TENG的另一个导电电极板和BFC的另一个极板会感应出等量的异种电荷。当主TENG的两个极板进行间歇式的接触分离的开合运动时，其自身两端电压会周期性地随着开合运动而变大变小，又因为主TENG和BFC的电压总和即输入电压不变，所以BFC两端的电压会随着主TENG两端的电压变化而变化，为负载R如电灯等供电输出电能。图6中的电流表A和电压表V是用来检测电路中的输出电压与电流，不属于本公开实施例提供的电能产生单元的组成器件。
在一些实施例中，为了提升输出电能，在图6所示倍压整流电路的基础上，对电能产生单元300进行了改进，增加了***的功率输出电路，如图7所示，包括通过转换开关Sw并联在第二摩擦纳米发电机320和BFC350的两端与负载R之间的第一电流调节支路、第二电流调节支路和第三电流调节支路。第一电流调节支路包括串联连接的第一放电管DT1 361和第一全桥整流电路，第一放电管DT1 361两端并联有第一开关S1。第二电流调节支路包括串联连接的第二放电管DT2 362和第二全桥整流电路，第二放电管DT2 362两端并联有第二开关S2。第三电流调节支路包括串联连接的第二二极管351和第二电容C 352。转换开关Sw具有两个触点。本实施例通过将第二摩擦纳米发电机320(主TENG)和BFC 350的两端同时接入两个全桥整流电路和两个放电管，然后对两路整流后的输出电流与电压进行汇总，并利用开关S1-S4的导通来控制接入与接出放电管以及进行脉冲式和恒流式输出模式的切换选择。具体为，当开关S1、S2断开时，DT1、DT2及两个全桥整流电路均接入电路中，由于DT1、DT2的接入可提升为负载提供的电流，当开关S1,S2闭合时，DT1和DT2接出电路、两个全桥整流电路接入电路。当转换开关接通触点S3时，电路输出为脉冲式模式输出，此时电能输出具有高电压低电流特性；当转换开关接通触点S4时，电路输出为恒流式输出，电流被先存储在电容器C中，然后再给负载R供能，图6中与电容器C串联的二极管用于限制流入电容器C中的电流方向，此时电能输出具有低电压大电流特性。因此，可以根据外接负载的用电类型进行输出电能模式的切换选择。
最后，通过实验获得的电流电荷输出数据如图8所示。当接入DT后装置的输出电流有了近1000倍的提升，从没有接入DT的输出电流59μA提升到了接入DT后的输出电流69.1mA，如图8中a所示。同时，相比没有接入DT的电荷量输出，接入DT后的平均输出电荷量Q有显著的提升，如主TENG的平均电荷量提升了127.6％，BFC的输出提升了76.8％，而装置总的电荷量输出也提升了98.6％，如图8中b所示。因此，DT的接入使用对于TENG的输出性能具有显著的提升作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种摩擦发电性能提升装置，其特征在于，包括：
动力输入单元，用于提供周向动力输入和轴向动力输入，所述周向动力输入的速度高于所述轴向动力输入的速度；和
电能产生单元，包括第一摩擦纳米发电机、第二摩擦纳米发电机、电路管理模块和缓存电容器，所述第一摩擦纳米发电机采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，所述第二摩擦纳米发电机采用接触分离式摩擦纳米发电机，所述第一摩擦纳米发电机套设在中心转动轴上，所述第二摩擦纳米发电机通过花键机构套设在所述中心转动轴上；所述周向动力输入通过驱动所述中心转动轴使所述第一摩擦纳米发电机产生交流电流，通过所述电路管理模块将所述第一摩擦纳米发电机产生的交流电流进行整流后转变为直流电流，输送至串联连接的所述第二摩擦纳米发电机和所述缓存电容器，以提高所述第二摩擦纳米发电机和所述缓存电容中的电荷量；所述轴向动力输入通过所述花键机构使所述第二摩擦纳米发电机的定子和动子间产生间歇性地开合运动，使得电荷在所述第二摩擦纳米发电机与所述缓存电容器之间来回流动，形成对外输出的电能。
2.根据权利要求1所述的摩擦发电性能提升装置，其特征在于，所述第一摩擦纳米发电机包括沿所述中心转动轴的轴向依次设置的转子、支撑框、定子和支撑板以及连接于所述支撑框、所述定子和所述支撑板之间的第一滑杆，所述第一滑杆上设有第一弹簧，所述转子上设有扇叶形的第一摩擦层，在所述定子面向所述转子的一侧叠设有导电电极和第二摩擦层，且所述第二摩擦层将所述导电电极完全覆盖，所述转子随所述中心转动轴转动的过程中，所述第一摩擦层在所述第二摩擦层上旋转滑动。
3.根据权利要求2所述的摩擦发电性能提升装置，其特征在于，所述第二摩擦纳米发电机设置在所述第一摩擦纳米发电机的所述定子与所述支撑板之间；所述第二摩擦纳米发电机包括沿所述中心转动轴的轴向相对设置的第一基板和第二基板，在所述第一基板面向所述第二基板的一侧贴设有第一导电板，在所述第二基板面向所述第一基板的一侧叠设有缓冲垫和第二导电板，所述第一基板和所述第一导电板共同作为所述第二摩擦纳米发电机的动子，所述第二基板、所述缓冲垫和所述第二导电板共同作为所述第二摩擦纳米发电机的定子，所述第一基板、所述第一导电板、所述第二导电板、所述缓冲垫和所述第二基板均通过第二滑杆与所述支撑板连接，位于所述第一基板与所述第一摩擦纳米发电机的定子之间的所述第二滑杆上设有第二弹簧。
4.根据权利要求3所述的摩擦发电性能提升装置，其特征在于，所述第一导电板和所述第二导电板的外周面为光滑的曲面形状。
5.根据权利要求3所述的摩擦发电性能提升装置，其特征在于，所述花键机构包括固定在所述第一摩擦纳米发电机的定子上面向所述第一基板一侧的凸轮基，固定在所述第一基板上面向所述第二基板一侧的花键凸轮，固定在所述中心转动轴上用于推动所述花键凸轮面向所述第一摩擦纳米发电机的定子水平移动的顶针，以及穿过所述第二基板和所述支撑板的第二凸轮头，所述第二凸轮头与所述凸轮基之间通过卡扣紧密连接，所述轴向动力输入通过与所述第二凸轮头相匹配的第一凸轮头传入所述花键机构。
6.根据权利要求5所述的摩擦发电性能提升装置，其特征在于，所述轴向动力输入包括支座、所述第一凸轮头、轴承和复合轴承，所述第一凸轮头通过所述轴承支撑于所述支座上，所述复合轴承位于所述第一凸轮头内周；所述复合轴承包括由内至外依次套接的内层、中间层和外层，相邻层之间均分别设有滚珠，所述内层固定套设在所述中心转动轴上，所述外层位于所述第一凸轮头内周，且所述外层与所述第一凸轮头间过盈配合。
7.根据权利要求1所述的摩擦发电性能提升装置，其特征在于，所述电路管理模块包括由若干第一二极管和第一电容交替连接组成的倍压整流电路。
8.根据权利要求7所述的摩擦发电性能提升装置，其特征在于，所述电能产生单元还包括功率输出电路，所述功率输出电路包括通过转换开关并联在所述第二摩擦纳米发电机和所述缓存电容器的两端与所述负载之间的第一电流调节支路、第二电流调节支路和第三电流调节支路；所述第一电流调节支路包括串联连接的第一放电管和第一全桥整流电路，所述第一放电管两端并联有第一开关，所述第二电流调节支路包括串联连接的第二放电管和第二全桥整流电路，所述第二放电管两端并联有第二开关，所述第一开关和所述第二开关的开合状态相同；所述第三电流调节支路包括串联连接的第二二极管和第二电容；所述转换开关具有第一触点和第二触点，当接通所述第一触点时，所述第一电流调节支路和所述第二电流调节支路与所述负载接通、所述第三电流调节支路与所述负载断开，当接通所述第二触点时，所述第一电流调节支路、所述第二电流调节支路和所述第三电流调节支路均与所述负载接通。
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