摩擦发电和电磁发电的混合发电系统的制作方法

摩擦发电和电磁发电的混合发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，包括：护罩支撑架、定子和转子。定子的内侧壁上开设有至少一个容纳发电机组件的凹槽或通孔，所述发电机组件包括至少一个摩擦发电机以及由线圈和定子磁铁组成的电磁发电机；所述转子包括风翼、旋转轴以及转子磁铁，不同极性的转子磁铁固设在旋转轴上与所述至少一个发电机组件对应的位置；风翼带动旋转轴转动时，不同极性的转子磁铁交替与定子磁铁相互吸引和排斥，实现定子磁铁撞击摩擦发电机，并同时实现线圈切割定子磁铁的磁感线。该混合发电系统实现了摩擦发电和电磁发电间的互补，并有效地降低了现有风力摩擦发电中的能量损失，提高了发电效率。
【专利说明】摩擦发电和电磁发电的混合发电系统

【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及风力发电【技术领域】，特别涉及一种摩擦发电和电磁发电的混合发电系统。

【背景技术】
[0002]风能作为自然界存在的巨大能量和清洁、无污染的可再生能源，由于其不需使用燃料，也不会产生辐射或空气污染的优点，得到了高度关注和广泛应用。
[0003]同时，随着电子产品的丰富和发展，出现了大量新型纳米器件，广泛应用于无线传感网络，微机电系统，移动通信等领域。这些纳米器件的功率密度更高，通过外部电源供电是繁琐不便的。因此，为实现纳米系统的自供电，对高效率，小型化移动电源的需求也不断增加。
[0004]利用风能为纳米系统提供电源是一种可能的方式。传统的微型风力发电机多采用电磁发电的方式，存在输出电流高而输出电压低的缺点，其能量密度也较为低下。
[0005]一些新型的风力发电机中采用了摩擦发电技术，但通常是直接将摩擦发电机暴露在空气中，通过气流对摩擦发电机的吹动来促使摩擦发电机发电，效率十分低下；或者是通过传动装置带动机械部件，例如拨片、弹簧等接触、按压摩擦发电机，然而在传动及按压、接触的过程中依然会损失大量的能量，同样无法高效率地将风能转化为电能，此外，摩擦发电机的输出电流通常较低。


【发明内容】

[0006]本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，用以解决现有技术中风力-电磁、风力-摩擦发电系统中发电效率低下的问题。
[0007]本发明提供的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，包括:
[0008]护罩支撑架、定子和转子；其中
[0009]所述护罩支撑架包括罩体、上盖板和下盖板；所述定子为中空结构的柱体结构，所述定子位于所述罩体内部并与所述罩体同轴设置，定子的底端固定在下盖板上，定子的内侧壁上开设有至少一个容纳发电机组件的凹槽或通孔，所述发电机组件包括由线圈和定子磁铁组成的电磁发电机以及至少一个摩擦发电机；所述转子包括风翼、旋转轴以及转子磁铁，所述旋转轴的一端与所述上盖板衔接并部分暴露于罩体外部，进而与风翼固接，旋转轴位于罩体内部的另一端与下盖板旋转连接；不同极性的转子磁铁固设在旋转轴上与所述至少一个发电机组件对应的位置；所述风翼带动旋转轴转动时，不同极性的转子磁铁交替与定子磁铁相互吸引和排斥，实现定子磁铁撞击摩擦发电机，并同时实现线圈切割定子磁铁的磁感线。
[0010]可选地，所述发电机组件还包括套筒，所述线圈缠绕在所述套筒外周，所述至少一个摩擦发电机固设在套筒内部的一端部或分别固设在套筒内部的两端部，所述定子磁铁位于套筒内部，所述定子磁铁在与不同极性的所述转子磁铁交替相互吸引和排斥的作用下沿着套筒的轴向往复运动。
[0011]所述至少一个发电机组件在所述定子的内侧壁上按照轴向高度分层排列，所述转子磁铁在所述旋转轴上按照轴向高度分层排列，每层发电机组件与对应的一层转子磁铁位于同一径向平面内。
[0012]可选地，每层发电机组件包括奇数个发电机组件。
[0013]可选地，每层发电机组件包括至少一对发电机组件，所述一对发电机组件相对于所述定子的轴线对称设置；每层转子磁铁包括至少一对转子磁铁，一对转子磁铁相对于所述旋转轴的轴线对称设置，所述一对转子磁铁的极性不同。
[0014]可选地，不同层转子磁铁在轴向上按列排布。
[0015]可选地，不同层转子磁铁在轴向上交错排布。
[0016]该混合发电系统还包括:储能装置；所述储能装置包括:与所述至少一个摩擦发电机的输出端和线圈输出端相连的整流器；与所述整流器的输出端相连的滤波电容；与所述滤波电容的输出端相连的DC / DC变换器；以及与所述DC / DC变换器的输出端相连的储能元件。
[0017]本发明提供的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统中，摩擦发电机产生的高电压弥补了传统电磁风力发电系统中输出电流高而输出电压低的缺点，提高了能量密度；同时，通过风翼带动旋转轴转动，使旋转轴上对称设置的转子磁铁交替吸引、排斥定子磁铁往复运动来挤压摩擦发电机，有效地降低了传动及按压、接触的过程中的能量损失，提高了发电效率。这种高密度，高效率的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，适合用于为移动设备，传感网络等供电。

【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1a和图1b分别为本发明实施例提供的摩擦发电和电磁发电混合发电系统的立体结构不意图和分解结构不意图；
[0019]图2为本发明实施例中护罩支撑架的分解结构示意图；
[0020]图3a和图3b分别为本发明实施例中定子的轴向剖面结构示意图和径向剖面结构示意图；
[0021]图4a和图4b分别为本发明实施例中发电机组件的轴向剖面结构示意图和径向俯视结构不意图；
[0022]图5为本发明实施例中转子的具体结构示意图；
[0023]图6为本发明实施例中储能装置的具体结构示意图；
[0024]图7a和图7b分别为本发明实施例中摩擦发电机的第一种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；
[0025]图8a和图8b分别为本发明实施例中摩擦发电机的第二种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；
[0026]图9a和图9b分别为本发明实施例中摩擦发电机的第三种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；
[0027]图1Oa和图1Ob分别为本发明实施例中摩擦发电机的第四种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。

【具体实施方式】
[0028]为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
[0029]图1a和Ib示出了本发明实施例提供的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统的立体结构示意图和分解结构示意图。图1a示出了包括罩体101、上盖板102和下盖板(图中未示出)的护罩支撑架10、与护罩支撑架10的上盖板102衔接并部分暴露于罩体101外部的旋转轴131以及固定于旋转轴131 —端部的呈放射状的风翼132。该混合发电系统的主要发电部件容纳在该护罩支撑架内。图1b示意地示出了该混合发电系统的内部结构，下面结合图1b描述系统整体结构及部件间的连接关系。
[0030]如图1b所示，该混合发电系统内部的发电部件包括定子12和转子13。定子12为中空的柱体结构，定子12位于罩体101内部并与罩体101同轴设置，其底端固定在护罩支撑架10的下盖板上。定子12的内侧壁上设置有多个发电机组件。转子13包括风翼132、旋转轴131以及转子磁铁，其中旋转轴131位于定子12的中空结构内部并与定子12同轴设置，旋转轴131与定子12的内侧壁之间留有空隙。旋转轴131的上端与护罩支撑架10的上盖板102衔接并部分暴露于罩体外部，以连接风翼132，旋转轴131的下端与护罩支撑架10的下盖板的中心旋转连接，使旋转轴131能够在风翼132的带动下自由旋转。旋转轴131的表面上固设有多个转子磁铁。
[0031]图2示出了本发明实施例中护罩支撑架的分解结构。如图2所示，护罩支撑架由罩体101、上盖板102和下盖板103组成，其主要功能是用于支撑，定位内部的定子、转子等发电部件。罩体101为具有一定壁厚的管状结构，以保持内部的发电部件在各种环境条件下能够稳定地工作。上盖板102和下盖板103的尺寸应该与罩体101的内径相匹配，能够与罩体101紧密配合，为内部的定子、转子提供稳固的安装及密封的环境。上盖板102的中心处具有通孔，旋转轴即通过此通孔从上盖板伸出到外部。可选地，下盖板103的中心处也设有通孔，可用于实现旋转轴的旋转连接。安装时，先将旋转轴旋转连接到下盖板103的中心处，然后将上盖板102盖合在罩体101上，旋转轴的上端通过上盖板102的通孔伸出，使旋转轴的上端与上盖板102衔接并部分暴露于罩体101外部。风翼与位于罩体101外部的旋转轴上端固定连接。
[0032]本领域的技术人员应该理解，图2所示的结构仅作为本发明的示例给出。本发明对护罩支撑架的形状不做限制，本领域技术人员可以根据需求做出调整。在本发明中，护罩支撑架可以为中空结构的、任意形状的柱体。
[0033]图3a和图3b分别示出了本发明实施例中定子12的轴向剖面结构和径向剖面结构。如图3a所示，该实施例中的定子12为圆筒状结构，圆筒的中空部分用于容纳转子13。定子筒壁121具有一定的厚度，能够稳固地固定发电机组件，并同时与内部的转子保持合适的间距。定子内侧筒壁上开设有多个通孔，用于容纳发电机组件120。在图3a中，在同一轴向上通孔是间隔开设的，在同一径向上通孔是相对开设的，因此容纳其中的发电机组件120在定子筒壁121上按照轴向高度分层排列。具体地，发电机组件120在每层上的分布情况:每一层发电机组件中包括一对发电机组件120,这一对发电机组件120分别位于同一径向上相对开设的两个通孔中，即这一对发电机组件120相对于定子12的轴线对称设置。
[0034]本领域的技术人员应该理解，图3a和3b所示的结构仅作为本发明的示例给出。本发明对定子12的形状，发电机组件120的设置方式及分布情况不做限制，本领域技术人员可以根据需求做出调整。在本发明中，定子12可以是中空结构的、任意形状的柱体，例如，中空的正四或正六棱柱体。这时,相应地,每一层中的发电机组件120可以设置在相平行的两个内侧面中。或者，每层中的发电机组件120为一对以上，分别设置在定子12不同的相互平行的侧面中。当然，每层中的发电机组件120也可以是奇数个。发电机组件120可以多种方式固定在定子12的内侧壁上，例如，在内侧壁上开设多个凹槽，将发电机组件放置至IJ凹槽中，也可以直接沿圆周方向开设环形的凹槽，将发电机组件放置到凹槽的指定位置。
[0035]图4a和图4b示出了本发明实施例中发电机组件的的轴向剖面结构和径向俯视结构。如图4a所示，发电机组件包括摩擦发电机24以及由线圈22和定子磁铁23组成的电磁发电机。优选地，发电机组件也为圆筒结构，包括外侧的套筒21。线圈22缠绕在套筒21的外周。每个发电机组件中的摩擦发电机可以为一个，固定设置在套筒21内部的一端部，并将套筒21的另一端部密封；或者每个发电机组件中的摩擦发电机为两个，分别固定设置在套筒21内部的两端部。定子磁铁23位于套筒21和摩擦发电机24密封形成的内部空腔中。可选地，定子磁铁23为圆柱形磁铁，其与套筒同轴设置，其长度小于套筒21的长度，直径小于套筒21的内径，能够保证定子磁铁23和内侧壁间较小的摩擦力，以及定子磁铁23与摩擦发电机24间的充分接触，使定子磁铁23能够沿轴向自由地往复运动并充分挤压、撞击两端的摩擦发电机24。作为另一种可选的实施方式，将摩擦发电机形成摩擦界面的两部分层结构分离设置在定子磁铁23和套筒21的一端部，定子磁铁23在套筒21中往复运动时，设置在定子磁铁23上的一部分层结构与设置在套筒21的一端部的另一部分层结构反复接触挤压和分离，从而产生电能。
[0036]本发明实施例中的发电机组件的工作原理是:当定子磁铁23在周期性磁力作用下往复运动时，反复挤压摩擦发电机24以产生电能，同时产生变化的磁场，从而在固定的线圈22中产生电势。这里对摩擦发电机24和电磁发电机的具体设置方式和结构不做限制。在此基础上的各种改进和变型，例如，在套筒21两端的摩擦发电机24内侧设置弹性部件，以使定子磁铁持续、稳定振动；或对定子磁铁23和套筒21的内侧壁进行表面处理，进一步减小摩擦力等，也应在本发明的范围内。
[0037]图5示出了本发明实施例中转子的具体结构。如图5所示，转子13包括:风翼132、旋转轴131以及转子磁铁134。转子13与护罩支撑架10配合时，旋转轴131的上端从护罩支撑架的上盖板中心的通孔中伸出，并与风翼132固接，旋转轴131位于罩体101内部的另一端与护罩支撑架10的下盖板中心旋转连接，使转子13能够在风翼的带动下自由旋转。转子磁铁134固设在旋转轴131的表面。可选地，旋转轴131的两端部133的直径小于其它部分，其目的是便于与其它部件配合连接。旋转轴131的这种结构可以是一体成型的结构，也可以是在一个直径较小的转轴外面设置一层环绕该转轴的旋转柱形成旋转轴，并将转子磁铁固设在旋转柱的表面，旋转柱的设置增大了旋转轴的表面积，适于在需要时能够并列设置多个转子磁铁。转子磁铁134在旋转轴131上的设置位置需对应于定子内侧壁上的发电机组件。如果发电机组件沿定子轴向方向分层排列，则转子磁铁134也以相同的方式在旋转轴上按照轴向高度分层排列，且每层发电机组件与对应的一层转子磁铁134的轴向高度相同，也即每层转子磁铁134和与其对应的发电机组件位于同一径向平面内。
[0038]在本发明实施例中，对应于每层发电机组件，旋转轴131上设置的每层转子磁铁包括一对转子磁铁134，这一对转子磁铁134的极性不同。这时，优选地，极性不同的两个转子磁铁134相对于旋转轴131的轴线对称设置，分别实现对定子磁铁23吸引或排斥，以使定子磁铁23在套筒21和摩擦发电机24密封形成的内部空腔中往复运动，并且可以保证定子磁铁23运动均匀稳定。在实际中，可以根据发电量需求以及发电机组件分布等因素，对转子磁铁134的排布方式做出调整。例如，如果每一层中只包括两个相对的发电机组件，但需要提高发电量，就可以在每层中设置一对以上的转子磁铁134。这时，该一对以上的转子磁铁134沿旋转轴131的圆周方向以不同的极性交替地均匀分布。
[0039]本发明提供的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统的工作原理如下:
[0040]在风力作用下，固定在旋转轴131顶端的风翼132带动旋转轴131转动，则固定在旋转轴131上的转子磁铁134也随之做圆周运动。以图1-图5中示出的结构为例，每一层发电机组件中包括两个相对的发电机组件，对应于一对不同极性的转子磁铁134。这时，稳定的风速条件下，当不同极性的转子磁铁134做圆周运动时，周期性地接近或远离定子上的某一发电机组件，给予其中的定子磁铁23引力或斥力，使定子磁铁23在不同极性的转子磁铁交替相互吸引和排斥的作用下沿着套筒21的轴向做往复运动，从而挤压或撞击套筒21两端的摩擦发电机24产生电流。同时，定子磁铁23的往复运动，产生了周期性变化的磁场，而由于缠绕在套筒21外周的线圈22位置固定，因此通过线圈22的磁通量不断变化，在线圈22中产生电流。
[0041]本领域技术人员可以根据风速、用电需求对发电机组件和转子磁铁的分布做出调整。例如，每层中包括两个以上的发电机组件和相应的两个以上的转子磁铁，以在风力较低的环境中提高发电量；或者在风速较高的环境中，减少每层中发电机组件和转子磁铁的数量，以保证定子磁铁能充分挤压和撞击摩擦发电机。
[0042]另外，还可以通过调整转子磁铁在旋转轴的轴向上的排列方式改变发电的方式。以图3a和3b示出的按列排布的发电机组件为例，可以使不同层的转子磁铁134在轴向上按列排布，即不同层的转子磁铁134在轴向上形成一条直线，如图5所示。在实际工作过程中，一列转子磁铁134在相同时间接近或远离发电机组件，吸引或排斥其中的定子磁铁12，实现间断型发电。或者，使不同层转子磁铁134在轴向上交错分布，例如，不同层的转子磁铁134在圆周方向上互成角度地均匀分布，在实际工作过程中，不同层转子磁铁在不同时间接近或远离发电机组件，当转子磁铁的设置密度足够高或旋转轴的转速足够高时，可实现连续发电。
[0043]同样地，可以以类似的方式调整发电机组件在定子轴向上的分布以实现间断或连续发电。
[0044]进一步地，由于风速、用电需求等存在变化，导致产生的电能可能一时无法用尽，因此有必要对多余的电能进行存储，以备需求过大或发电量不足时使用。对此，该混合发电系统还可以进一步包括储能装置，该储能装置与摩擦发电机的输出端和线圈输出端相连，用于对摩擦发电机发出的电能和线圈输出的电能进行存储。
[0045]由于摩擦发电机24和线圈22中产生的是交流电，无法直接存储，所以要经过一系列处理使其转变为直流电才能存储。如图6所示，储能装置具体包括整流器31、滤波电容32、DC / DC变换器33和储能元件34。其中，整流器31的两个输入端与摩擦发电机24和线圈22的输出端相连，整流器31本质上是一种将交流电能转变为直流电能的电路，其原理是利用二极管的单向导通功能，把交流电转换成单向的直流脉动电压。在整流器31的输出端跨接有滤波电容32，利用该滤波电容32的充放电特性，使整流后的直流脉动电压变成相对比较稳定的直流电压。进一步，将滤波后的直流电压接入DC / DC变换器33，对其进行变压处理，得到适合给储能元件34进行充电的电信号。至此，摩擦发电机24和线圈22中产生的交流电已经转变为可存储的直流电，并最终储存在指定的储能元件34中。储能元件34可以选用锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池或超级电容器等。
[0046]下面介绍该混合发电系统中摩擦发电机的几种可行的结构:
[0047]摩擦发电机的第一种结构如图7a和图7b所示。图7a和图7b分别示出了摩擦发电机的第一种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。该摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极111，第一高分子聚合物绝缘层112，以及第二电极113。具体地，第一电极111设置在第一高分子聚合物绝缘层112的第一侧表面上；且第一高分子聚合物绝缘层112的第二侧表面与第二电极113相对设置。在上述结构中，第一高分子聚合物绝缘层112的第一侧表面与第一电极之间相对固定，第一高分子聚合物绝缘层112的第二侧表面与第二电极之间在受到挤压时接触摩擦并在第二电极113和第一电极111处感应出电荷。因此，在本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层112和第二电极113相对设置的两个面作为摩擦发电机的摩擦界面，上述的第一电极111和第二电极113分别作为摩擦发电机的两个输出端。
[0048]为了提高摩擦发电机的发电能力，在第一高分子聚合物绝缘层112的第二侧表面(即相对第二电极113的面上)可以进一步设置微纳结构120。因此，当摩擦发电机受到挤压时，第一高分子聚合物绝缘层112与第二电极113的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极111和第二电极113处感应出较多的电荷。由于上述的第二电极113主要用于与第一高分子聚合物绝缘层112摩擦，因此，第二电极113也可以称之为摩擦电极。
[0049]上述的微纳结构120具体可以采取如下两种可能的实现方式:第一种方式为，该微纳结构是微米级或纳米级的非常小的凹凸结构。该凹凸结构能够增加摩擦阻力，提高发电效率。凹凸结构能够在薄膜制备时直接形成，也能够用打磨的方法使第一高分子聚合物绝缘层的表面形成不规则的凹凸结构。具体地，该凹凸结构可以是半圆形、条纹状、立方体型、四棱锥型、或圆柱形等形状的凹凸结构。第二种方式为，该微纳结构是纳米级孔状结构，此时第一高分子聚合物绝缘层所用材料优选为聚偏氟乙烯(PVDF)，其厚度为0.5-1.2mm(优选1.0mm)，且其相对第二电极的面上设有多个纳米孔。其中，每个纳米孔的尺寸，即宽度和深度，可以根据应用的需要进行选择，优选的纳米孔的尺寸为:宽度为1-1OOnm以及深度为4_50 μ m。纳米孔的数量可以根据需要的输出电流值和电压值进行调整，优选的这些纳米孔是孔间距为2_30μπ?的均匀分布，更优选的平均孔间距为9μπ?的均匀分布。下面具体介绍一下上述的摩擦发电机的工作原理。当该摩擦发电机受到定子磁铁的挤压或撞击时，该摩擦发电机的各层受到挤压，导致摩擦发电机中的第二电极与第一高分子聚合物绝缘层表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极和第二电极之间的电容发生改变，从而导致第一电极和第二电极之间出现电势差。由于第一电极和第二电极作为摩擦发电机的输出端与外电路连通，从而在外电路中形成电流。当该摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极和第二电极之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极和第二电极之间将再次产生反向的电势差。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流脉冲电信号。
[0050]根据上述摩擦发电机的工作原理，在摩擦发电机工作的过程中，两个摩擦面需要不断的接触摩擦和分离，而一直处于接触状态或者分离状态时，摩擦发电机则不能具有很好的输出性能。因此，为了能够制作出性能优异的摩擦发电机，可以对摩擦发电机的结构进行改进，使摩擦发电机中相对的两个摩擦层中的一个向外拱起形成凸面，以使摩擦发电机在不受挤压时，两个摩擦层间留有一定的间隙。例如，在图7a和7b所示的摩擦发电机中，相互摩擦的是第二电极113与第一高分子聚合物绝缘层112，因此，可以使第二电极113相对于第一高分子聚合物绝缘层112整体向上拱起，以提高输出性能。对下文描述的各种摩擦发电机实施例，都可做类似处理。
[0051]根据发明人的研究发现，金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，因此采用金属电极与高分子聚合物摩擦能够提高能量输出。相应地，在图7a和图7b所示的摩擦发电机中，第二电极由于需要作为摩擦电极(即金属)与第一高分子聚合物绝缘层进行摩擦，因此其材料可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钥、鹤或钥;；合金可以是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。第一电极由于不需要进行摩擦，因此，除了可以选用上述罗列的第二电极的材料之外，其他能够制作电极的材料也可以应用，也就是说，第一电极除了可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钥、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、钨合金、钥合金、铌合金或钽合金之外，还可以选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜等非金属材料。
[0052]由此可见，图7a和图7b所示的摩擦发电机主要通过金属(第二电极)与聚合物(第一高分子聚合物绝缘层)之间的摩擦来产生电信号，主要利用了金属容易失去电子的特性，使第二电极与第一高分子聚合物绝缘层之间形成感应电场，从而产生电压或电流。
[0053]摩擦发电机的第二种结构如图8a和图8b所示。图8a和图8b分别示出了摩擦发电机的第二种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。该摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极211，第一高分子聚合物绝缘层212，第二高分子聚合物绝缘层214以及第二电极213。具体地，第一电极211设置在第一高分子聚合物绝缘层212的第一侧表面上；第二电极213设置在第二高分子聚合物绝缘层214的第一侧表面上；其中，第一高分子聚合物绝缘层212的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层214的第二侧表面在受到挤压时接触摩擦并在第一电极211和第二电极213处感应出电荷。因此，在本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层212和第二高分子聚合物绝缘层214相对设置的两个面作为摩擦发电机的摩擦界面。其中，第一电极211和第二电极213分别作为摩擦发电机的两个输出端。
[0054]为了提高摩擦发电机的发电能力，第一高分子聚合物绝缘层212和第二高分子聚合物绝缘层214相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构220。因此，当摩擦发电机受到挤压时，第一高分子聚合物绝缘层212与第二高分子聚合物绝缘层214的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极211和第二电极213处感应出较多的电荷。上述的微纳结构可参照上文的描述，此处不再赘述。
[0055]图8a和图8b所示的摩擦发电机的工作原理与图7a和图7b所示的摩擦发电机的工作原理类似。区别仅在于，当图8a和图Sb所示的摩擦发电机的各层受到定子磁铁的挤压或撞击时，是由第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的表面相互摩擦来产生静电荷的。因此，关于图8a和图Sb所示的摩擦发电机的工作原理此处不再赘述。
[0056]图8a和图8b所示的摩擦发电机主要通过聚合物(第一高分子聚合物绝缘层)与聚合物(第二高分子聚合物绝缘层)之间的摩擦来产生电信号。
[0057]在图8a和图8b所示的结构中第一电极和第二电极所用材料可以是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属可以是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、猛、钥、鹤或钥;；合金可以是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。可以看出，由于在图8a和图Sb所示的结构中，第二电极不需要作为摩擦电极，因此，第二电极也可以选取非金属材料实现。
[0058]在上述两种结构中，上述的第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层可以分别选自聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、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、纤维(再生)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、甲醛苯酚薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。其中，在第二种结构中，原则上第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层的材质可以相同，也可以不同。但是，如果两层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。因此优选地，第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材质不同。
[0059]除了上述两种结构外，摩擦发电机还可以采用第三种结构实现，如图9a和图9b所示。图9a和图9b分别示出了摩擦发电机的第三种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。从图中可以看出，第三种结构在第二种结构的基础上增加了一个居间薄膜层，即:第三种结构的摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极311、第一高分子聚合物绝缘层312、居间薄膜层310、第二高分子聚合物绝缘层314以及第二电极313。具体地，第一电极311设置在第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；第二电极313设置在第二高分子聚合物绝缘层314的第一侧表面上，且居间薄膜层310设置在第一高分子聚合物绝缘层312的第二侧表面和第二高分子聚合物绝缘层314的第二侧表面之间。可选地，为了提高摩擦效果，居间薄膜层310和第二高分子聚合物绝缘层314相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构320，和/或居间薄膜层310和第一高分子聚合物绝缘层312相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构，关于微纳结构的具体设置方式可参照上文描述，此处不再赘述。
[0060]在本实施例中，居间薄膜层为居间聚合物，其可以直接设置在第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层之间，且与第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间都不固定，这时，居间薄膜层与第一高分子聚合物绝缘层之间形成一个摩擦界面，居间薄膜层与第二高分子聚合物绝缘层之间形成另一个摩擦界面。
[0061]或者，居间薄膜层也可以与第一高分子聚合物绝缘层或第二高分子聚合物绝缘层中的一个相对固定，而与另一个接触摩擦。例如，居间薄膜层的第一侧表面固定在第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面上，且居间薄膜层的第二侧表面与第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面接触。此时，由于居间薄膜层与第二高分子聚合物绝缘层相对固定，因此，当该摩擦发电机受到挤压时，第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与居间薄膜层的第二侧表面接触摩擦并在第一电极和第二电极处感应出电荷。
[0062]在图9a和图9b所不的摩擦发电机中，居间薄膜层310的第一侧表面(即未设有微纳结构的一侧)是固定在第一高分子聚合物绝缘层312的第二侧表面上的，固定的方法可以是用一层薄的未固化的高分子聚合物绝缘层作为粘结层，经过固化后，居间薄膜层310将牢牢地固定于第一高分子聚合物绝缘层312上。居间薄膜层310设有微纳结构的一侧与第二高分子聚合物绝缘层314的第二侧表面接触。
[0063]图9a和图9b所示的摩擦发电机的材质可以参照第二种结构的摩擦发电机的材质进行选择。其中，居间薄膜层也可以选自透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物(LCP)以及聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、中的任意一种。其中，第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材料优选透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET);其中，居间薄膜层的材料优选聚二甲基硅氧烷(PDMS)。上述的第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、居间薄膜层的材质可以相同，也可以不同。但是，如果三层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小，因此，为了提高摩擦效果，居间薄膜层的材质不同于第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层，而第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材质则优选相同，这样，能减少材料种类，使本发明的制作更加方便。
[0064]在图9a和图9b所示的实现方式中，由于居间薄膜层310是一层聚合物膜，因此实质上与图8a和图Sb所示的实现方式类似，仍然是通过聚合物(居间薄膜层)和聚合物(第二高分子聚合物绝缘层)之间的摩擦来发电的。其中，居间薄膜容易制备且性能稳定。
[0065]另外，摩擦发电机还可以采用第四种结构来实现，如图1Oa和图1Ob所示，包括:依次层叠设置的第一电极411，第一高分子聚合物绝缘层412，居间电极层410，第二高分子聚合物绝缘层414和第二电极413 ;其中，第一电极411设置在第一高分子聚合物绝缘层412的第一侧表面上；第二电极413设置在第二高分子聚合物绝缘层414的第一侧表面上，居间电极层410设置在第一高分子聚合物绝缘层412的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层414的第二侧表面之间。可选地，为了提高摩擦效果，第一高分子聚合物绝缘层412相对居间电极层410的面和居间电极层410相对第一高分子聚合物绝缘层412的面中的至少一个面上设置有微纳结构(图未示)；第二高分子聚合物绝缘层414相对居间电极层410的面和居间电极层410相对第二高分子聚合物绝缘层414的面中的至少一个面上设置有微纳结构(图未示)。关于微纳结构的具体设置方式可参照上文描述，此处不再赘述。在这种方式中，通过居间电极层410与第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间的摩擦产生静电荷，由此将在居间电极层410与第一电极411和第二电极413之间产生电势差。在本实施例中，居间电极层410是由能够制作电极的材料制作的。其中，第一电极411和第二电极413串联为摩擦发电机的一个输出端；居间电极层410作为摩擦发电机的另一个输出端。
[0066]在图1Oa和图1Ob所示的结构中，第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第一电极和第二电极的材质可以参照第二种结构的摩擦发电机进行选择。居间电极层410可以选择导电薄膜、导电高分子、金属材料，金属材料包括纯金属和合金，纯金属选自金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钥、钨、钒等，合金可以选自轻合金(铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等)、重有色合金(铜合金、锌合金、猛合金、镍合金等)、低熔点合金(铅、锡、镉、铋、铟、镓及其合金)、难熔合金(钨合金、钥合金、铌合金、钽合金等)。居间电极层410的厚度优选100 μ m-500 μ m,更优选200 μ m。
[0067]在上述混合发电系统中，当摩擦发电机的数量为多个时，多个摩擦发电机可以串联也可以并联。其中，当摩擦发电机并联时可提高电流的输出强度，而摩擦发电机串联时可提高电压的输出大小，从而能够解决单个摩擦发电机输出的电流或电压大小不能满足发电需求的问题。为了同时获得上述优势，也可以考虑将一部分摩擦发电机并联，将另一部分摩擦发电机串联。
[0068]本发明提供的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统中，摩擦发电机产生的高电压弥补了传统电磁风力发电系统中输出电流高而输出电压低的缺点，提高了能量密度；同时，通过风翼带动旋转轴转动，使旋转轴上对称设置的转子磁铁交替吸引、排斥定子磁铁往复运动来挤压摩擦发电机，有效地降低了传动及按压、接触的过程中的能量损失，提高了发电效率。这种高密度，高效率的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，适合用于为移动设备，传感网络等供电。
[0069]最后，需要注意的是:以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，包括:护罩支撑架、定子和转子； 所述护罩支撑架包括罩体、上盖板和下盖板； 所述定子为中空结构的柱体结构，所述定子位于所述罩体内部并与所述罩体同轴设置，所述定子的底端固定在所述下盖板上，所述定子的内侧壁上开设有至少一个容纳发电机组件的凹槽或通孔，所述发电机组件包括由线圈和定子磁铁组成的电磁发电机以及至少一个摩擦发电机； 所述转子包括风翼、旋转轴以及转子磁铁，所述旋转轴的一端与所述上盖板衔接并部分暴露于所述罩体外部，进而与所述风翼固接，所述旋转轴位于所述罩体内部的另一端与所述下盖板旋转连接；不同极性的所述转子磁铁固设在所述旋转轴上与所述至少一个发电机组件对应的位置；所述风翼带动所述旋转轴转动时，不同极性的所述转子磁铁交替与所述定子磁铁相互吸引和排斥，实现所述定子磁铁撞击所述摩擦发电机，并同时实现所述线圈切割所述定子磁铁的磁感线。
2.根据权利要求1所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，所述发电机组件还包括套筒，所述线圈缠绕在所述套筒外周，所述至少一个摩擦发电机固设在所述套筒内部的一端部或分别固设在所述套筒内部的两端部，所述定子磁铁位于所述套筒内部，所述定子磁铁在与不同极性的所述转子磁铁交替相互吸引和排斥的作用下沿着所述套筒的轴向往复运动。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，至少一个发电机组件在所述定子的内侧壁上按照轴向高度分层排列，所述转子磁铁在所述旋转轴上按照轴向高度分层排列，每层发电机组件与对应的一层转子磁铁位于同一径向平面内。
4.根据权利要求3所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，每层发电机组件包括奇数个发电机组件。
5.根据权利要求3所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，每层发电机组件包括至少一对发电机组件，一对发电机组件相对于所述定子的轴线对称设置；每层转子磁铁包括至少一对转子磁铁，一对转子磁铁相对于所述旋转轴的轴线对称设置，所述一对转子磁铁的极性不同。
6.根据权利要求4或5所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，不同层转子磁铁在轴向上按列排布。
7.根据权利要求4或5所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，不同层转子磁铁在轴向上交错排布。
8.根据权利要求1所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，还包括:储能装置；所述储能装置包括:与所述至少一个摩擦发电机的输出端和线圈输出端相连的整流器；与所述整流器的输出端相连的滤波电容；与所述滤波电容的输出端相连的DC / DC变换器；以及与所述DC / DC变换器的输出端相连的储能元件。
9.根据权利要求1-8任一项所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，所述摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，以及第二电极；其中，所述第一电极设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；且所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面朝向所述第二电极设置，所述第一电极和第二电极作为所述摩擦发电机的输出端。
10.根据权利要求9所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和/或第二电极相对的两个面中的至少一个面设有微纳结构。
11.根据权利要求9或10所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，所述摩擦发电机进一步包括:设置在所述第二电极和所述第一高分子聚合物绝缘层之间的第二高分子聚合物绝缘层，则所述第二电极设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；且所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面相对设置。
12.根据权利要求11所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。
13.根据权利要求11所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，所述摩擦发电机进一步包括:设置在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间的居间薄膜层，其中，所述居间薄膜层为聚合物薄膜层，且所述居间薄膜层和第一高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构，和/或所述居间薄膜层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。
14.根据权利要求11所述的摩擦发电和电磁发电的混合发电系统，其特征在于，所述摩擦发电机进一步包括:设置在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间的居间电极层，且所述居间电极层和第一高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构，和/或所述居间电极层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构，所述第一电极和第二电极串联为所述摩擦发电机的一个输出端，所述居间电极层为所述摩擦发电机的另一个输出端。
【文档编号】H02K35/02GK104426419SQ201310400251
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】王竹, 刁海丰, 孙利佳, 赵豪 申请人:纳米新能源（唐山）有限责任公司