旋转式静电发电的制造方法

旋转式静电发电的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种旋转式静电发电机，包括动力收集部件、定子、定子支撑件、转子、转子支撑件、转轴和轴承；动力收集部件固定在所述转轴上，在外力的驱动下带动转轴、转轴上固定的转子支撑件和连接在转子支撑件上的转子一同旋转，使转子与定子发生周期性的接触和分离，接触面上的第一摩擦层和第二摩擦层之间发生相对滑动摩擦并且摩擦面积发生变化，由此能够产生电信号并向外电路输出。此电信号输出既可作为电源直接驱动电子器件（如LED、LCD等）或者给能量存储设备（如锂电池、电容器等）充电，亦可用于流体流速的实时探测。
【专利说明】旋转式静电发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电机，特别涉及一种将机械能转化为电能的旋转式静电发电机。
【背景技术】
[0002]随着小型化便携式电子器件的快速发展，开发能够直接将环境中能源转化为电能的新兴技术越来越受到人们关注。我们的生活和周围环境中有许多各种形式的机械能，像车辆移动、人体运动、潮汐、风能等等，不胜枚举。风能和水力能源由于其普遍存在性已经被广泛认为是非常重要的可再生、无污染的绿色能源，但是传统的风能技术和水力发电机都存在体积大，质量重，成本高，启动动力高等缺点，无法用于小型便携式电子器件的供电。
[0003]因此，采用新技术、开发新类型的风力和水力发电装置对于绿色能源产业的进一步发展具有极其重要的意义。

【发明内容】

[0004]为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种旋转式静电发电机，能够将旋转动力转化为电能，尤其可以将环境中的风能和水力能源转化为电能。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种旋转式静电发电机，包括:
[0006]动力收集部件、定子、定子支撑件、转子、转子支撑件、转轴和轴承；
[0007]其中，所述动力收集部件固定在所述转轴上，能够在外力的驱动下带动所述转轴旋转；
[0008]所述转轴穿过所述轴承的通孔安装；
[0009]所述转子支撑件一端固定在所述转轴上，另一端与所述转子相连，
[0010]所述定子支撑件的一端与所述轴承的外壳相对固定，另一端与所述定子相连，使得所述定子与所述转子之间能形成相对旋转，并且在所述转子转到所述定子所在的位置时，能与所述定子实现至少部分表面的接触；
[0011]所述转子支撑件、转子、定子支撑件和定子中至少一个为柔性的，使得所述转子在与所述定子接触后仍能跟随所述转轴继续旋转并与所述定子分离；
[0012]所述定子与所述转子相接触的表面为第一摩擦层，所述第一摩擦层的背面贴合有第一导电层;
[0013]所述转子与所述定子相接触的表面为第二摩擦层，所述第二摩擦层的背面贴合有第二导电层；
[0014]所述定子和所述转子在接触与分离的过程中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间发生相对滑动摩擦并且摩擦面积发生变化，并通过所述第一导电层和第二导电层将由此产生的电信号向外电路输出；
[0015]优选地，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料之间存在摩擦电极序差异；
[0016]优选地，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料不同，分别选自聚四氟乙烯、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、派瑞林、玻璃半导体、有机半导体、非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物、金属、铟锡氧化物ITO、掺杂的半导体和导电有机物中的至少一种或几种的组合；
[0017]优选地，所述第一摩擦层的材料选自苯胺甲醛树脂、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，和/或，所述第二摩擦层的材料选自聚苯乙烯、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；
[0018]优选地，所述第一摩擦层为导电材料，并且所述第一摩擦层和第一导电层合二为一；或者，所述第二摩擦层为导电材料，并且所述第二摩擦层和第二导电层合二为一；
[0019]优选地，所述第一摩擦层为刚性导电板；
[0020]优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面具有微纳结构，所述微纳结构选自纳米线、纳米棒、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，或由上述一种或几种结构形成的阵列；
[0021]优选地，所述第一摩擦层和第二摩擦层的形状与大小均相同，并且在所述定子与转子相接触时，所述第一摩擦层和第二摩擦层完全重合；
[0022]优选地，所述第一导电层和第二导电层选自金属、导电氧化物、掺杂的半导体以及导电有机物；
[0023]优选地，所述金属选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；所述导电氧化物为铟锡氧化物ITO;所述导电有机物选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺或聚噻吩；
[0024]优选地，所述定子在沿所述转轴来回旋转的两个方向上的两个侧面均依次向外设有所述第一导电层和所述第一摩擦层；和/或，所述转子在沿所述转轴来回旋转的两个方向上的两个侧面均依次向外设有所述第二导电层和第二摩擦层；
[0025]优选地，所述定子还包括基板，用于支撑所述第一导电层和第一摩擦层；
[0026]优选地，所述基板为有机玻璃板、聚乙烯板、聚氯乙烯板或泡沫塑料板；
[0027]优选地，所述第一导电层和第一摩擦层的大小与形状与所述基板的外侧面相同；
[0028]优选地，所述基板沿所述转轴来回旋转方向上的两个外侧面朝向所述转轴方向的延长线相交；
[0029]优选地，所述定子能够在所述转轴旋转方向上发生转动；[0030]优选地，所述定子支撑件为刚性框架，所述定子位于所述框架内远离所述转轴的
一端;
[0031]优选地，所述框架为矩形的；
[0032]优选地，所述定子支撑件由轻质刚性材料构成，所述轻质刚性材料选自有机玻璃、聚乙烯或聚氯乙烯；
[0033]优选地，包括2个以上所述定子支撑件及其上连接的所述定子，所述定子支撑件以所述转轴为圆心均匀分布，和/或，包括2个以上所述转子支撑件及其上连接的所述转子，所述转子支撑件以所述转轴为圆心均匀分布；
[0034]优选地，所述转子支撑件为柔性片材，在其远离转轴一端的至少一个侧面上贴合有所述转子；
[0035]优选地，所述转子支撑件选自聚四氟乙烯、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、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、丁二烯丙烯共聚物、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、派瑞林、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩和聚酰胺尼龙；
[0036]优选地，所述动力收集部件位于所述转轴的一端；
[0037]优选地，所述动力收集部件为由若干杯状物、桶状物或叶片组成的风车或水车；
[0038]优选地，所述风杯为抛物锥空杯，并且所有风杯的凹面都顺向同一方向；
[0039]优选地，所述转轴的外侧面为导电材料，并且所述第二导电层与所述转轴的外侧面电连接；
[0040]优选地，所述转轴为金属棒；
[0041]优选地，所述转轴为中空结构，所述第二导电层与外电路相连的导线通过所述中空结构穿出；
[0042]优选地，还包括全桥整流器。
[0043]本发明还提供一种风力发电方法，其特征在于:将上述任一款旋转静电发电机置于有气流产生的环境中，所述动力收集部件为由若干风杯或叶片组成的风车，并将所述第一导电层和第二导电层与能量存储设备相连，调整所述风车的方向，使其能够在气流的驱动下发生旋转。
[0044]本发明还提供一种水力发电方法，其特征在于:将上述任一款旋转静电发电机置于有水流产生的环境中，所述动力收集部件为由若干叶片或涡轮桨组成，并将所述第一导电层和第二导电层与能量存储设备相连，调整所述动力收集部件的方向，使其能够在水流的驱动下发生旋转。
[0045]本发明还提供一种流体流速测量装置，其特征在于包括上述任一种旋转式静电发电机和电流检测装置，所述第一导电层和第二导电层与所述电流检测装置形成回路。
[0046]与现有技术相比，本发明的旋转静电发电机具有下列优点:[0047]1、本发明所述的旋转静电发电机通过结构的精巧设计，实现了对旋转动力的收集，并且首次将摩擦纳米发电机与传统的风力、水力发电技术结合，实现了对微小自然能源的闻效利用。
[0048]2、本发明所述的旋转静电发电机可以通过桥式整流电路，提供直流电流输出，该电流输出既可作为电源直接驱动电子器件(如LED、LCD等)或者给能量存储设备(如锂电池、电容器等)充电。
[0049]3、本发明所述的旋转静电发电机不仅可以用作旋转动力发电、风力、水力发电，亦可用于实时转速或风速、水流速度的探测。
[0050]4、本发明的旋转静电发电机，制备方法简便、成本低廉、能量转换效率高、既可做成大型发电设备，亦可作为小型便携式电子器件的电源装置，是一种应用范围广泛的静电发电机，可以设置在旅游景点、广场、或者环境条件恶劣的空旷地方，在风力的驱动下，可使本发明的发电机发电，用来探测风速、驱动指示灯或者为蓄电池供电。
【专利附图】

【附图说明】
[0051]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。
[0052]图1为本发明旋转式静电发电机的一种典型结构示意图；
[0053]图2为本发明旋转式静电发电机的工作原理示意图；
[0054]图3为本发明旋转式静电发电机的发电原理示意图；
[0055]图4为本发明旋转式静电发电机的另一种典型结构示意图；
[0056]图5为本发明旋转式静电发电机的另一种典型结构示意图；
[0057]图6为本发明旋转式静电发电机的另一种典型结构示意图；
[0058]图7为本发明旋转式静电发电机的另一种典型结构示意图；
[0059]图8为实施例1的发电机工作点亮164盏LED灯的实时照片；
[0060]图9为实施例2的发电机结构示意图；
[0061]图10为实施例2的发电机上第二摩擦层表面微结构的扫描电镜图；
[0062]图11为实施例2的发电机的开路电压和短路电流测试结果；
[0063]图12为实施例3的发电机在不同风速条件下的开路电压和短路电流测试结果；
[0064]图13为实施例3的发电机在单位时间的电流脉冲数与风速的关系图；
[0065]图14为实施例4的发电机与全桥整流器的电路连接示意图；
[0066]图15为实施例4的发电机在为电池充电时的电路示意图。
【具体实施方式】
[0067]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
[0068]其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
[0069]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，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦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)与金属材料招箔接触时，招箔带正电，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。
[0070]本发明中所述的“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摩擦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，分布最大深度不过约为10纳米。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。
[0071]图1和图2示出的是本发明旋转式静电发电机的一种典型实施方式，包括:动力收集部件50、定子10、定子支撑件11、转子20、转子支撑件21、转轴30和轴承40 ;动力收集部件50位于转轴30的一端，该部件能够收集外部的机械能，并将其转换为驱动转轴30旋转的动力；转轴30穿过轴承40的通孔安装；转子支撑件21 —端固定在转轴30上，另一端与转子20相连，定子支撑件11的一端与轴承40的外壳相对固定，另一端与定子10相连，使得定子10与转子20之间能形成相对旋转，并且在转子20转到定子10所在的位置时，能与定子10实现至少部分表面的接触；转子支撑件21为柔性的，使得转子20在与定子10接触后仍能跟随转轴30继续旋转并与定子10分离(参见图2);定子10与转子20相接触的表面为第一摩擦层101，第一摩擦层101的背面贴合有第一导电层102 ;转子20与定子10相接触的表面为第二摩擦层201，第二摩擦层201的背面贴合有第二导电层202 ;定子10和转子20在接触与分离的过程中，第一摩擦层101和第二摩擦层201之间发生相对滑动摩擦并且摩擦面积发生变化(参见图2中的局部放大图)，并通过第一导电层102和第二导电层202将由此产生的电信号向外电路输出。
[0072]为了方便说明，以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。
[0073]图3为本发明旋转静电发电机的工作原理示意图，由于本发电机电信号的产生和输出是通过定子10和转子20的接触-分离过程来实现的，因此此处仅以二者接触部位的局部放大图为例来说明发电机的工作原理，使得整个过程更为清楚，具体参见图3。在初始状态(图3-a)，定子10和转子20相互分离，第一摩擦层101和第二摩擦层201也没有接触，无电信号向外输出；当转轴30在动力收集部件50的带动下发生旋转时，转子20上的第二摩擦层201和定子10上的第一摩擦层101相互接触，由于第一摩擦层101的材料与第二摩擦层201的材料在摩擦电极序中存在差异，引发表面电荷转移，即第一摩擦层101与第二摩擦层201接触时，第一摩擦层101带正电，第二摩擦层201带负电。(参见图3-b);在转子20随转轴30继续转动而定子10固定不动的情况下，第二摩擦层201就会被迫与第一摩擦层101之间发生滑动摩擦，为了屏蔽由于错位而残留在第一摩擦层101和第二摩擦层201中表面电荷所形成的电场，第二导电层202中的自由电子就会通过外电路流到第一导电层102上，从而产生一外电流(参见图3-c)。当转子20继续旋转并与定子10分开后，定子10和转子20上的整体电荷保持平衡，没有电信号产生(参见图3-d);当转子20再次旋转至与定子10相接近的位置时，第一摩擦层101、第一导电层102、第二摩擦层201、第二导电层202之间的静电平衡状态受到破坏，由此电子通过外电路从第一导电层102向第二导电层202流动，以平衡整体电势(参见图3-e);直到转子20与定子10完全接触后，第一摩擦层101和第二摩擦层201接触表面的电荷达到平衡，两导电层恢复原状。如此往复，形成交流脉冲电流。
[0074]通过本发明上面提供的工作原理，本领域的技术人员能够清楚地认识到本发明发电机的工作方式，从而能够了解各部件材料的选择原则。以下给出适用本发明中所有技术方案的各部件材料的可选择范围，在实际应用时可以根据实际需要来作具体选择，从而达到调控发电机输出性能的目的。
[0075]第一摩擦层101和第二摩擦层201分别由具有不同摩擦电特性的材料组成，所述的不同摩擦电特性意味着二者在摩擦电极序中处于不同的位置，从而使得二者在发生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。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摩擦层101和第二摩擦层201的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料，可以从中选择不同的材料来制作第一摩擦层101和第二摩擦层201: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。
[0076]相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常和高分子材料相差较大。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦层101或第二摩擦层201的原料。常用的半导体包括硅、锗；第111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II1- V族化合物和I1-VI族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。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，还包括氧化娃、氧化猛、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO2和Y2O3;常用的金属包括金、银、钼、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ΙΤ0、掺杂的半导体和导电有机物。其中，导电有机物一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
[0077]通过实验发现，当第一摩擦层101和第二摩擦层201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，发电机输出的电信号越强。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101和第二摩擦层201，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。当使用导电材料作为摩擦层时，可以将导电层与摩擦层合二为一，这样可以简化制备工序、降低成本，更利于工业上的推广和应用。
[0078]还可以对第一摩擦层101上表面和/或第二摩擦层201下表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微纳结构，以增加第一摩擦层101与第二摩擦层201之间的接触面积，从而增大接触电荷量。所述微纳结构选自纳米线、纳米棒、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,优选为上述结构构成的阵列，构成阵列的微纳结构单元可以是立方体、四棱锥体或其他常见形状。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。也可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。
[0079]也可以对相互接触的第一摩擦层101和/或第二摩擦层201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:
[0080]一种方法是对于相互接触的第一摩擦层101和第二摩擦层201材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子团)，或者在极性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滑动时的转移量，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。
[0081 ] 另外一种方法是在极性为正的摩擦层材料表面弓I入正电荷，而在极性为负的摩擦层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PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶(英文简写为sol-gel)的方法修饰上正硅酸乙酯(英文简写为TE0S)，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。
[0082]第一摩擦层101和第二摩擦层201的形状与大小可根据实际需要进行选择，但要保证在转子旋转到定子所在的位置时，二者至少有部分表面能够接触并发生滑动摩擦，优选两个摩擦层的形状与大小完全相同，结合相对位置的调整，使二者能够完全重合和完全分离，发生相对滑动摩擦的面积最大。第一摩擦层101和第二摩擦层201可以是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响二者之间的滑动摩擦效果，本领域的技术人员可以根据发电机的具体结构和要求进行选择。例如图4所示的发电机中，转子20需要穿过定子10与转轴30之间的空隙才能继续旋转，整个转子20都是柔性的，第二摩擦层201也应该是柔性的；而对于图1和图2所示的结构，定子10和转子20都是硬质的，因为该硬性既可以由摩擦层提供，也可以由导电层提供，还可以由另加的支撑层提供，所以对摩擦层的硬度就没有特别的限定。
[0083]第一导电层102和第二导电层202作为发电机的两个电极，只要具备能够导电的特性即可，可选自金属或导电氧化物，可以为薄板、薄片或薄膜，可以根据对硬度和弹性的具体要求来选择，如图4中的定子外侧面均为导电材料，起到了第一导电层的作用，那么在制备的时候既可以在硬质基板的外侧沉积一层金属薄膜，也可以用一个刚性导电板，例如金属薄板来代替；而对于该实施方式中的第二导电层102需要满足转子整体具备柔性的要求，则应选择厚度较薄的薄层或薄膜更为合适。常用的金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，常用的导电氧化物包括铟锡氧化物ITO和离子掺杂型的半导体。导电层最好与相应的摩擦层表面紧密接触，以保证电荷的传输效率，较好的方式是将导电材料通过沉积的方式在相应摩擦层的表面成膜，膜的形状和尺寸优选与相应的摩擦层相同；具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀。导电层也可以是用蒸镀或溅射等工艺沉积在其他衬底表面的金属膜，例如，用表面沉积有金属膜的有机物衬底代替金属薄膜。
[0084]第一导电层102和第二导电层202与外电路连接的方式可以是通过导线或金属薄膜与外电路连接。例如，转子20中的第二导电层202通过导线与转轴30相连，转轴30则通过电刷、导线等与外电路如电子器件或测试装置相连；定子10上的第一导电层102通过导线等直接与外电路如电子器件或测试装置相连。
[0085]第一摩擦层101和第一导电层102贴合组装形成定子10，第二摩擦层201和第二导电层202贴合组装形成转子20。第一摩擦层101和第二摩擦层201分别位于定子10和转子20的至少一个外侧面上，使得定子10在与转子20相接触时，能够引起第一摩擦层101和第二摩擦层201的相对滑动摩擦，参见图2的局部放大图。优选定子10能够与转子20相接触的2个相对的侧面上均为第一摩擦层101，转子20能够与定子10相接触的2个相对的侧面上均设有第二摩擦层201，这样的结构能够保证无论转子20相对于定子10做逆时针转动还是顺时针转动，二者均能够发生相对滑动摩擦，使发电机有电信号输出。定子和转子的形状和尺寸可以根据实际情况自行选择，但是要保证在二者接触时至少有部分表面能够接触，优选二者的形状和尺寸相同，并且固定的相对位置保证二者能够完全接触，使得摩擦面积最大，效果最好。
[0086]定子10和转子20发生相对滑动摩擦的方向既可以是与转轴30轴向方向一致(参见图5)，也可以是与转轴30的径向方向一致(参见图2)，不同的滑动摩擦方向对发电机的工作效果影响不大，但是对转子20和定子10的硬度及安装方式要求不同，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。一个转动式静电发电机中可以包含2个以上的定子支撑件11和其上连接的定子10，优选这些定子支撑件11及其上所连接的定子10以转轴30为圆心均匀分布，参见图9所示的结构。同理，一个发电机中也可以包含多个转子支撑件21和其上连接的转子20，但由于转子20的转动需要转轴30的旋转来带动，因此如果转子20的数目越多，带动其转动所需的动力也就要越强，导致这种方式对于微小动力的情况可能不是特别适用。
[0087]定子支撑件11用于将定子10固定在轴承40的外壳上，从而在转子转动的过程中能与定子形成周期性的接触和分离，使本发明的发电机能够正常工作。定子支撑件11既可以为硬质的，也可以为柔性的，具体可以根据转子及转子支撑件的形状和性质进行选择，例如转子20和/或转子支撑件21是柔性的(参见图2和图3)，使得转子20在与定子10接触并发生滑动摩擦后，借助转子20和/或转子支撑件21的柔性即可实现与定子10的分离，那么定子支撑件11则可以选择硬质的，当然如果选择柔性的也是可以的；但是，如果转子20、转子支撑件21和定子10都是硬性的，那么为了使发电机正常工作，定子支撑件11则必须是柔性的。同样的道理，定子支撑件11的形状和大小也是与相应的定子10、转子20和转子支撑件21相匹配的，优选采用框架结构，定子10被固定在所述框架内部，更优选被固定在框架内部远离转轴30的一端，更优选为矩形框。材料可以选择塑料、橡胶、聚酯、金属等常规材料，优选为轻质刚性材料，例如有机玻璃、聚乙烯或聚氯乙烯。定子支撑件11与定子10之间可以是单端固定，例如图2和图5所示，也可以是双侧固定，例如图4所示。固定的方式可以选择本领域中最为常用的固定方式，例如粘结、连接件固定、穿孔固定等等，技术人员可以根据实际情况进行选择。
[0088]转子支撑件21用于连接转子20和转轴30，由于转子支撑件21需要带动转子20随着转轴30进行旋转，所以需要具有一定的强度，但不限定必须是硬性或柔性的。如前所述的原理，转子支撑件21的选择要与转子20、定子10和定子支撑件11的性质及形状相匹配:类似于图2所示的结构中，转子20、定子10和定子支撑件11都是硬质材料的情况下，转子支撑件21必须是柔性的才能使发电机正常工作；而对于类似图5所示的结构中，转子20本身的柔性足够使其在与定子10接触后还能够完全分离，那么转子支撑件21可以使用硬性材料。转子支撑件21优选使用绝缘材料或半导体材料来制备，例如聚酯、橡胶；也可以使用导电材料制备，并且该导电性的转子支撑件21还可以同时起到将第二导电层202与外电路进行电连接的作用，例如转轴30是导体的情况下，导电的转子支撑件21可以将第二导电层202与转轴30电连接，而转轴30再通过导线或电刷与外电路连接。转子支撑件21可以与I个转子20相连，例如图2所示的实施方式；也可以同时与多个转子20相连，例如在转子支撑件21的一个侧面上并排连接多个转子20，或者是在转子支撑件21的两个侧面上各连接一个转子20 (参见图4的局部放大图)，这种连接方式的优点在于无论转子沿顺时针旋转还是逆时针旋转，发电机均有信号输出。转子支撑件21与转子20之间可以采用本领域的常规方式进行连接，例如粘结、连接件等。一种比较推荐的方式是用2个转子20将转子支撑件21夹持在中间，通过粘结剂或夹持件将其固定(参见图4的局部放大图)。转子支撑件21可以采用棒状、棍状、片材、框架式等常规构型，优选柔性片材。一个发电机中可以包含多个转子支撑件21及其上所连接的转子20，这些转子支撑件21最好以转轴30为圆心对称分布。
[0089]转轴30和轴承40可以使用本领域的常规部件，二者均可以选择导体，也可以选择绝缘体。优选所述转轴30的外侧面为导电材料，此时第二导电层202可以与转轴30的外侧面形成电连接，再通过转轴30与外电路连接。其中，转轴30既可以是实心柱体，例如铝、铁、铜等金属实心棒体；也可以是空心柱体，与导电层连接的导线可通过柱体的中心孔穿出与外电路相连。转轴30和轴承40的具体形状和尺寸本领域的技术人员可以根据实际需要自行确定，主要考虑的因素是转子20和定子10的相对位置，二者之间能否顺利的发生相对滑动摩擦并分离，附加考虑的因素是导电性以及导线的连接方式，因为为满足上述需求的各种变化都是本领域的一些常规选择，因此这些调整都属于本发明所公开的内容。
[0090]动力收集部件50是用来将外部的机械能转化为能够带动转轴30进行旋转的能量收集转化部件。由于本发明的旋转静电发电机既可以单独使用，也可以与其他部件配合使用，因此该动力收集部件50既可以是能够收集自然界机械能的部件，例如风车、水车等，也可以是与外部旋转部件进行配合连接的齿轮或其他咬合件。其中风车和水车可以是叶片或涡轮桨式的，也可以是由杯状物或桶状物构成的，杯状物优选为抛物锥空杯，并且所有杯的凹面都顺向同一方向(参见图9)。动力收集部件50既可以固定在转轴的一端，也可以根据需要固定在转轴的中间位置，此时可以将多组转子20和定子10均匀分布在动力收集部件50的两侧。
[0091 ] 本发明的旋转式静电发电机还可以包含全桥整流器，将第一导电层和第二导电层直接与全桥整流器的输入端电连接，全桥整流器的输出端作为整个发电机的输出端，使得发电机产生的交流电直接变为直流电输出，可以直接用于直流电器的电源使用。
[0092]图4所示的是本发明另一种典型的实施方式，具体结构包括动力收集部件50、定子10、定子支撑件11、转子20、转子支撑件21、转轴30和2个轴承(第一轴承401、第二轴承402);动力收集部件50位于转轴30的一端，该部件能够收集外部的机械能,并将其转换为驱动转轴30旋转的动力；转轴30穿过第一轴承401和第二轴承402的通孔安装，其中第一轴承401位于转轴30的另一端，第二轴承402位于转轴30的中间靠近动力收集部件50的一侧；转子支撑件21 —端固定在转轴30上，另一端的两个侧面各与一个转子20相连，定子支撑件11的一端与轴承40的外壳相对固定，另一端与定子10相连，使得定子10与转子20之间能形成相对旋转，并且当转子20无论以顺时针的方向或逆时针的方向转到定子10所在的位置时，都能与定子10实现至少部分表面的接触；转子支撑件21和转子均为柔性的，使得转子20在与定子10接触后仍能跟随转轴30继续旋转并与定子10分离；定子10的外表面由导电材料制成，同时承担第一摩擦层101和第一导电层102的作用；转子20与定子10相接触的表面为第二摩擦层201，第二摩擦层201的背面贴合有第二导电层202 ;定子10和转子20在接触与分离的过程中，第一摩擦层101和第二摩擦层201之间发生相对滑动摩擦并且摩擦面积发生变化(参见图4中的局部放大图)，并通过具有导电作用的第一摩擦层101和第二导电层202将由此产生的电信号向外电路输出。该实施方式的优势在于定子10的外表面为导电材料，同时承担了摩擦层和导电层2个功能，简化了制备工艺、降低了成本，同时转子支撑件21的两侧均贴合有一个转子，使得该发电机可以收集不同旋转方向的机械能并产生电信号输出。同样的道理，也可以用导电材料直接制备转子，使第二导电层202和第二摩擦层201合二为一，具体结构此处不再赘述，本领域的技术人员完全可以根据本发明上述的公开内容自行完成。
[0093]图5所示的是本发明的另一种典型实施方式，主要结构与图1所示的实施方式相同，区别仅在于:定子支撑件11和转子支撑件21的结构不同、定子和转子的相对滑动摩擦方向不同。本实施方式中定子支撑件11和转子支撑件21均为刚性结构，并且定子10和转子20之间的滑动摩擦方向与转轴30的轴向相同。这种实施方式的优势在于转子20和定子10接触后的分离相对容易，对转子20的可弯曲程度要求稍低。
[0094]为了提高发电机的灵敏度，实现对微小能量的收集利用，还可以对定子10的固定方式进行调整，具体参见图6所示的实施方式，包括动力收集部件50、定子10、定子支撑件
11、转子20、转子支撑件21、转轴30和轴承40 ;各部件的连接方式与图4所示的实施方式基本相同，区别在于:仅有一个位于转轴30底部的轴承40 ;定子10能够在转轴30旋转的方向上发生角度为Θ的转动，其中Θ的大小由实际结构尺寸决定，该角度的大小应保证第一摩擦层101和第二摩擦层201容易实现接触、转动、分离的过程；定子10由2个第一摩擦层101和夹在2个摩擦层中间的第一导电层102构成，转子20由2个第二摩擦层201和夹在2个摩擦层中间的第二导电层202构成；转子支撑件21与转子的一端相连，而不是夹在2个转子20之间。该实施方式中，当转子20与定子10接触后继续转动时，定子10会在转子20的带动下发生同方向旋转，在一定程度上减少了转子20与定子10的分离阻力，从而降低了对发电机工作的驱动力要求，只要较小的外力就能够驱动定子10和转子20的接触及分离，使发电机能够正常工作。同时，该实施方式通过使用双侧摩擦层的定子和转子，使得该发电机也可以收集不同旋转方向的机械能并产生电信号输出。
[0095]图7示出了另一种减小定子10和转子20分离阻力的实施方式，其中虚线圈内部示出的是沿AA’方向的剖视放大图。本发电机的主要结构与图6所示的实施方式相同，区别在于:定子10相对于定子支撑件11不可转动，并且定子10的内部包含基板103，用于支撑薄层状的第一摩擦层101和第一导电层102，使其具备一定的机械强度，基板103沿所述转轴来回旋转方向上的两个外侧面朝向所述转轴方向的延长线相交，夹角为Θ，其中Θ的大小由实际结构尺寸决定，该角度的大小应保证第一摩擦层101和第二摩擦层201容易实现接触与分尚的过程。
[0096]基板103可以选择各种具有一定机械强度的绝缘材料，例如有机玻璃板、聚乙烯板、聚氯乙烯板、橡胶板或泡沫塑料板，也可以选择具有一定机械强度的导电材料，例如金属板或金属块等。基板103的形状不仅可以是图7中示出的横截面为类似扇形的结构，还可以根据需要进行调整，例如如果发电机被设计成转轴30只朝一个方向旋转，那么基板103就可以仅将与转子接触的那一侧的表面设计成倾斜的，并且仅在这一侧依次向外贴合有第一导电层102和第一摩擦层101即可，而另一侧面的延长线则可与转轴30的径向方向一致或平行，其上也无需设置摩擦层和导电层。虽然图7中第一导电层102和第一摩擦层101的大小与形状与所述基板103的外侧面相同，但在其他实施方式中，却并不一定要如此限定，可以根据所需的电信号的强弱或频率来确定。这些变形都是在本发明公开的原理下很容易得到的，因此应该属于本发明所保护的范围。
[0097]本发明的旋转式静电发电机可以用于对旋转动力、风能或水力能源的收集利用。例如，将本发明的发电机置于有气流产生的环境中，以若干风杯或叶片组成的风车作为动力收集部件50，并将第一导电层102和第二导电层202与能量存储设备相连，再调整所述风车的方向，使其能够在气流的驱动下发生旋转。被吹动的风车带动转轴30发生旋转，从而使转子20与定子10发生周期性的接触和分离，产生交流电信号向外输出。同样的道理，将上述任一款旋转静电发电机置于有水流产生的环境中，所述动力收集部件50由若干叶片或涡轮桨组成，并将第一导电层102和第二导电层202与能量存储设备相连，调整所述动力收集部件50的方向，使其能够在水流的驱动下发生旋转，从而产生电信号向外输出。
[0098]本发明人还发现，本发明的发电机输出的电信号与流体流速具有明显的正相关性，即流速越快，转子20与定子10接触和分离的频率就越高，短路电流的峰值和频率都随之增加。因此本发明的发电机还可以用来测量即时的流体流速，只需将发电机和电流检测装置连接即可，其中第一导电层102和第二导电层202与电流检测装置形成回路。通过分析输出的电流信号，即可获得流速的相关信息。
[0099]实施例1
[0100]本实施例中的旋转式静电发电机结构如图2所示，包括:由20个叶片组成的风车型动力收集部件；由第一摩擦层聚酰亚胺层、第一导电层金属Cu膜形成的定子；由第二摩擦层聚邻苯二甲酸二烯丙酯层、第二导电层Ag膜形成的转子；由聚酯棒形成的定子支撑件；由橡胶薄片制成的柔性转子支撑件；由铜棒做成的转轴；和合金轴承面的接触。用吹风机吹动风车，带动转子发生旋转，当转子旋转到定子所在的位置时，转子上的第二摩擦层与定子上的第一摩擦层接触，此后转子支撑件在转轴的带动下倾向于继续旋转，由于定子的阻挡，转子支撑件发生弯曲，随着转轴的继续旋转，转子支撑件弯曲程度加大、对转子的拉力逐渐增加，当拉力大到足以克服转子与定子之间的摩擦阻力和静电引力的情况下，转子开始相对于定子向下滑动，二者之间产生滑动摩擦，使得二者的接触面积逐渐减小直至完全分离，该过程产生的电流通过第一导电层和第二导电层向外电路输出。此后随着气流带动转轴、转子支撑件以及转子的继续转动，转子和定子重复上述过程发生周期性的接触和分离，发电机向外电路输出电信号。图8为本发电机工作时,输出的电信号点亮164个LED灯泡的实时照片。
[0101]实施例2
[0102]本发电机的结构参见图9，包括:由3个风杯组成的风车50位于转轴30的顶端；2组由Al板制备的定子10分别固定在由聚丙烯酸酯做成的矩形框架式定子支撑件11的内部，为了便于保持平衡，使用了 4个定子支撑件，并且这些定子支撑件以转轴30为中心对称分布，其中的2个用于固定定子，另外的2个仅起到平衡作用；聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作为转子20上的第二摩擦层，在其背后沉积一层金属铜膜作为第二导电层后，再黏附到由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)柔性薄片做成的转子支撑件21上，使得金属铜膜被夹在转子支撑件21和第二摩擦层之间；金属转轴30位于整个发电机的中心，穿过两个轴承40的中心孔固定；为保证发电机工作时的稳固性，在转轴30的底部安装了一个较重的底座60，使得发电机在强风的作用下也能保持不倒。与实施例1的工作原理相同，在气流作用下，风车50带动定子10与转子20发生周期性的接触和分离，从而产生电信号通过两个导电层向外电路输出。
[0103]为了增加两个摩擦层的接触面积、提高摩擦效率，在第二摩擦层PTFE的表面形成微纳结构，具体制备过程如下:在清洁的聚四氟乙烯(Teflon)薄膜表面用溅射仪沉积约10纳米厚的金，之后将聚四氟乙烯(Teflon)薄膜放入电感耦合等离子体刻蚀机中，对沉积有金的一面进行刻蚀，通入02、Ar和CF4气体,流量分别控制在lOsccm、15sccm和30sccm,压强控制在15mTorr，工作温度控制在55°C，用400瓦的功率来产生等离子体，100瓦的功率来加速等离子体，进行约40秒钟的刻蚀，得到基本垂直于绝缘薄膜层的长度约为700纳米的高分子聚四氟乙烯(Teflon)纳米线阵列(参见图10)。在具体实施过程中，聚四氟乙烯(Teflon)薄膜的尺寸和形状可以有多种选择，在此不应限制本发明的保护范围。
[0104]对制得的发电机进行了输出性能测试，具体测试过程为，将测试设备(利用Keithley6514静电计测量电压,利用Stanford Research System的SR570测量电流)的一端接头通过导线与静电发电机的定子上的金属薄膜相连，并将测试设备的另一端接头通过电刷与金属转轴相连，金属转轴通过导线与转子上的金属薄膜相连；然后，利用压缩空气式喷枪吹动发电机的风杯；这样，静电发电机的风杯带动转轴和转子旋转，转子金属薄膜上的高分子薄膜与定子上的金属薄膜发生周期性的接触和分离，形成接触起电以及产生静电荷的不断分离和重合过程，通过测量设备可以测得所述静电发电机的开路电压和短路电流。如图11所示，测得的静电发电机的开路电压(图ΙΙ-a)和短路电流(图ΙΙ-b)可分别高达250伏和0.25毫安，而静电发电机的瞬时输出功率密度可达39瓦/平米。本实施例的静电发电机可以驱动LED、LCD等电子器件工作，亦可以给锂电池、电容器等能量存储设备充电。
[0105]实施例3
[0106]将实施例2的静电发电机用于风速测量。
[0107]如图12所示，在不同风速条件下，即当风速从6.3m/s增加到20.lm/s时，开路电压呈现出先增加而后饱和的趋势，而短路电流呈现出持续增加的趋势。此外，如图13所示，在不同风速条件下，即当风速从6.3m/s增加到20.lm/s时，每两个峰值电流的时间间隔缩短，即单位时间内出现的电流脉冲数增加。因此，在实际应用中，可以通过测量所得的电流电压值以及单位时间内出现的电流脉冲数得到实时风速信息。因此，本发明的静电发电机可用于实时风速测量。
[0108]实施例4
[0109]本发明的静电发电机还可以包括全桥整流器，参见图14，所述全桥整流器P的两个输入端连接实施例1或2中的风能静电纳米发动机M的定子上的第一导电层和转子上的第二导电层，两个输出端为静电发电机的输出端，通过全桥整流电路整理后的峰值电流信号可以驱动LED发光二极管L等电器工作。开关K用来控制LED的工作。
[0110]本实施例中的静电发电机可以作为直流脉冲电源用于为商用手机等便携设备的锂离子电池充电(见图15)。具体的，在充电之前，手机电池G基本耗尽，手机开启之后会立即自动关机；当用静电发电机的全桥整流器P的输出端为手机电池充电之后，手机电池可以驱动手机正常工作，商用手机可以正常开启并拨出电话。开关K用来控制充电的开始和结束。
[0111]上述各实施例中的发电机中各部分采用的材料还可以有多种选择，不限于列出的材料，具有相似性质的材料都可以作为本发明中静电发电机的材料。
[0112]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，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。
【权利要求】
1.一种旋转式静电发电机，包括: 动力收集部件、定子、定子支撑件、转子、转子支撑件、转轴和轴承； 其中，所述动力收集部件固定在所述转轴上，能够在外力的驱动下带动所述转轴旋转; 所述转轴穿过所述轴承的通孔安装； 所述转子支撑件一端固定在所述转轴上，另一端与所述转子相连， 所述定子支撑件的一端与所述轴承的外壳相对固定，另一端与所述定子相连，使得所述定子与所述转子之间能形成相对旋转，并且在所述转子转到所述定子所在的位置时，能与所述定子实现至少部分表面的接触； 所述转子支撑件、转子、定子支撑件和定子中至少一个为柔性的，使得所述转子在与所述定子接触后仍能跟随所述转轴继续旋转并与所述定子分离； 所述定子与所述转子相接触的表面为第一摩擦层，所述第一摩擦层的背面贴合有第一导电层； 所述转子与所述定子相接触的表面为第二摩擦层，所述第二摩擦层的背面贴合有第二导电层； 所述定子和所述转子在接触与分离的过程中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间发生相对滑动摩擦并且摩擦面积发生变化，并通过所述第一导电层和第二导电层将由此产生的电信号向外电路输出。
2.如权利要求1所述的`发电机，其特征在于所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料之间存在摩擦电极序差异。
3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料不同，分别选自聚四氟乙烯、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、派瑞林、玻璃半导体、有机半导体、非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物、金属、铟锡氧化物ITO、掺杂的半导体和导电有机物中的至少一种或几种的组合。
4.如权利要求3所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层的材料选自苯胺甲醛树月旨、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，和/或，所述第二摩擦层的材料选自聚苯乙烯、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。
5.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层为导电材料，并且所述第一摩擦层和第一导电层合二为一；或者，所述第二摩擦层为导电材料，并且所述第二摩擦层和第二导电层合二为一。
6.如权利要求5所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层为刚性导电板。
7.如权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面具有微纳结构，所述微纳结构选自纳米线、纳米棒、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，或由上述一种或几种结构形成的阵列。
8.如权利要求1-7任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦层和第二摩擦层的形状与大小均相同，并且在所述定子与转子相接触时，所述第一摩擦层和第二摩擦层完全重合。
9.如权利要求1-8任一项所述的发电机,其特征在于所述第一导电层和第二导电层选自金属、导电氧化物、掺杂的半导体以及导电有机物。
10.如权利要求9所述的发电机，其特征在于所述金属选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；所述导电氧化物为铟锡氧化物ITO ;所述导电有机物选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺或聚噻吩。
11.如权利要求1-10任一项所述的发电机，其特征在于所述定子在沿所述转轴来回旋转的两个方向上的两个侧面均依次向外设有所述第一导电层和所述第一摩擦层；和/或，所述转子在沿所述转轴来回旋转的两个方向上的两个侧面均依次向外设有所述第二导电层和第二摩擦层。
12.如权利要求ι-ll任一项所述的发电机，其特征在于所述定子还包括基板，用于支撑所述第一导电层和第一摩擦层。
13.如权利要求12所述的发电机，其特征在于所述基板为有机玻璃板、聚乙烯板、聚氯乙烯板或泡沫塑料板。
14.如权利要求12或13所述的发电机，其特征在于所述第一导电层和第一摩擦层的大小与形状与所述基板的外侧面相同。
15.如权利要求12-14任一项所述的发电机，其特征在于所述基板沿所述转轴来回旋转方向上的两个外侧面朝向所述转轴方向的延长线相交。
16.如权利要求1-15任一项所述的发电机，其特征在于所述定子能够在所述转轴旋转方向上发生转动。
17.如权利要求1-16任一项所述的发电机，其特征在于所述定子支撑件为刚性框架，所述定子位于所述框架内远离所述转轴的一端。
18.如权利要求17所述的发电机，其特征在于所述框架为矩形的。
19.如权利要求1-18任一项所述的发电机，其特征在于所述定子支撑件由轻质刚性材料构成，所述轻质刚性材料选自有机玻璃、聚乙烯或聚氯乙烯。
20.如权利要求1-19任一项所述的发电机，其特征在于包括2个以上所述定子支撑件及其上连接的所述定子，所述定子支撑件以所述转轴为圆心均匀分布，和/或，包括2个以上所述转子支撑件及其上连接的所述转子，所述转子支撑件以所述转轴为圆心均匀分布。
21.如权利要求1-20任一项所述的发电机，其特征在于所述转子支撑件为柔性片材，在其远离转轴一端的至少一个侧面上贴合有所述转子。
22.如权利要求1-21任一项所述的发电机，其特征在于所述转子支撑件选自聚四氟乙烯、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、苯胺甲醛树月旨、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、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、丁二烯丙烯共聚物、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、派瑞林、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩和聚酰胺尼龙。
23.如权利要求1-22任一项所述的发电机，其特征在于所述动力收集部件位于所述转轴的一端。
24.如权利要求1-23任一项所述的发电机，其特征在于所述动力收集部件为由若干杯状物、桶状物、叶片或涡轮桨组成的风车或水车。
25.如权利要求24所述的发电机，其特征在于所述风杯为抛物锥空杯，并且所有风杯的凹面都顺向同一方向。
26.如权利要求1-25任一项所述的发电机,其特征在于所述转轴的外侧面为导电材料，并且所述第二导电层与所述转轴的外侧面电连接。
27.如权利要求26所述的发电机,其特征在于所述转轴为金属棒。
28.如权利要求1-27任一项所述的发电机，其特征在于所述转轴为中空结构，所述第二导电层与外电路相连的导线通过所述中空结构穿出。
29.如权利要求1-28任一项所述的发电机，其特征在于还包括全桥整流器。
30.一种风力发电方法,`其特征在于:将权利要求1-29任一项所述的旋转静电发电机置于有气流产生的环境中，所述动力收集部件为由若干风杯或叶片组成的风车，并将所述第一导电层和第二导电层与能量存储设备相连，调整所述风车的方向，使其能够在气流的驱动下发生旋转。
31.一种水力发电方法，其特征在于:将权利要求1-29任一项所述的旋转静电发电机置于有水流产生的环境中，所述动力收集部件由若干叶片或涡轮桨组成，并将所述第一导电层和第二导电层与能量存储设备相连，调整所述动力收集部件的方向，使其能够在水流的驱动下发生旋转。
32.一种流体流速测量装置，其特征在于包括权利要求1-29任一项所述的旋转式静电发电机和电流检测装置，所述第一导电层和第二导电层与所述电流检测装置形成回路。
【文档编号】H02N1/04GK103780129SQ201310201386
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年5月27日 优先权日:2013年5月27日
【发明者】谢燕楠, 王思泓, 王中林 申请人:国家纳米科学中心