一种轮胎式摩擦纳米发电机

1.本发明涉及发电机技术领域，特别是涉及一种轮胎式摩擦纳米发电机。


背景技术：

2.汽车的出现，改变了人们的出行方式。轮胎作为汽车的重要组成部分，无时无刻不在转动，会产生旋转形式的机械能。但目前这部分能量大多都浪费掉了，造成了一定程度上的能源损失，这在面临能源危机的社会背景下显然是十分不合适的。因此，如何收集轮胎转动产生的机械能并加以利用是有待解决的。目前，有三种转换方法收集环境中的能量，即电磁、压电和摩擦电机制。而其中，摩擦纳米发电机又以其环境友好、可持续、制造成本低等优点著称。
3.摩擦纳米发电机(teng)自问世以后，在基础研究和技术应用方面取得了飞速发展，它的工作原理基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合。它可以用来收集不同形式的机械能，包括人体运动、振动、风能、波浪能等。但如何应用于收集旋转形式的机械能还有待解决。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种轮胎式摩擦纳米发电机，以解决上述现有技术存在的问题，能够收集旋转的机械能，并将其转化为电能。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种轮胎式摩擦纳米发电机，包括轮胎和用于支撑所述轮胎的轮毂；所述轮胎内侧设置有环形槽，所述环形槽内用于放置球形摩擦体，所述球形摩擦体滚动设置于所述环形槽内；所述环形槽内壁上固定设置有环形摩擦层，所述球形摩擦体与所述环形摩擦层接触连接；所述环形槽内对称设置有两个电极层，所述电极层位于所述环形槽和所述环形摩擦层之间，两个电极层之间通过导线串行外接有负载，负载为用电器件或电能储存转化部件。本发明可将圆周方向上由旋转产生的机械能转化为电能，通过圆周方向上球形摩擦体与环形摩擦层的接触摩擦产生电荷。本发明轮胎式摩擦纳米发电机的工作原理为，球形摩擦体会与轮胎环形槽内部的环形摩擦层发生摩擦，摩擦过程中产生电荷，从而在两个电极层之间形成电势差，电势差会驱使电极层内部的电荷产生定向移动，从而产生电流。工作过程中，轮胎转动，做顺时针或逆时针方向旋转运动，由于离心力作用，球形摩擦体会在环形槽内做圆周运动，球形摩擦体会与铺设在槽内环形摩擦层发生接触摩擦，摩擦过程中产生电荷，从而在电极层形成电势差，电势差会驱使电极层内部的电荷产生定向移动，从而产生电流。
7.可选的，两个所述电极层分别为第一电极层和第二电极层；所述第一电极层和第二电极层对称布置于所述环形槽所在虚拟圆的直径两侧。
8.可选的，所述球形摩擦体的材质与所述环形摩擦层的材质存在电子得失能力差异，优选二者采用电子得失能力差异大的材料；所述球形摩擦体在所述环形摩擦层表面接
触过程中，表面产生电荷。
9.可选的，所述轮胎采用绝缘材质制成，例如树脂等。
10.可选的，所述球形摩擦体和所述环形摩擦层接触的表面部分或全部设有纳米结构或微米结构。
11.可选的，所述第一电极层和第二电极层均为弧形结构。
12.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
13.本发明提供的轮胎式摩擦纳米发电机，工作过程中，轮胎转动，做顺时针或逆时针方向旋转运动，由于离心力作用，封闭在环形槽内的球形摩擦体会在环形槽内固定轨道上做圆周运动，球形摩擦体会与铺设在槽内的环形摩擦层发生接触摩擦，摩擦过程中产生电荷，从而在左右两个电极层形成电势差，电势差会驱使电极层内部的电荷产生定向移动，从而产生电流。这种将摩擦纳米发电与轮胎结合在一起的发电装置能够利用轮胎旋转的特性，收集圆周方向旋转产生的机械能，并将其转化为电能，保留了摩擦纳米发电机高电压输出的优势，从而弥补摩擦纳米发电机低电流密度输出的缺陷，有效提高能量转换效率。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明提供的轮胎式摩擦纳米发电机的立体结构示意图；
16.图2为本发明提供的轮胎式摩擦纳米发电机的剖面图示意图；
17.图3为本发明提供的轮胎式摩擦纳米发电机中内部结构示意图；
18.图4为本发明提供的轮胎式摩擦纳米发电机中的球形摩擦体的等轴测图；
19.图5为本发明提供的轮胎式摩擦纳米发电机中环形摩擦层的等轴测图；
20.图6为本发明提供的轮胎式摩擦纳米发电机的发电原理图；
21.附图标记说明：1-轮胎；2-环形槽；3-轮毂；4-球形摩擦体；5-环形摩擦层；6-电极层。
具体实施方式
22.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。
23.本发明的目的是提供一种轮胎式摩擦纳米发电机，以解决上述现有技术存在的问题，能够收集旋转的机械能，并将其转化为电能。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.实施例一
26.如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例提供的轮胎式摩擦纳米发电机包括：配
套设置的轮胎1和轮毂3，轮胎1内设置一环形槽2，用于存放球形摩擦体4；轮毂3用于支撑轮胎1旋转；球形摩擦体4封闭于轮胎1内部环形槽2中，可沿环形槽360度运动；摩擦层包括球形摩擦体4、环形摩擦层5；电极层6包括第一电极层、第二电极层。第一电极层贴于环形槽2内中轴线左侧，第二电极层贴于环形槽2内中轴线右侧。
27.球形摩擦体4与环形摩擦层5表面材料存在摩擦电极序差异，在摩擦过程中，球形摩擦体4的表面和环形摩擦层5的表面产生异号电荷，电极层6之间形成电势差，形成电流。通过对汽车行驶过程中，轮胎1旋转机械能的利用，能够有效提高车辆能量的利用率。为了在工作过程中产生更多的电量，球形摩擦体4和环形摩擦层5应选择电极序列差距大的材料作为摩擦层的材料。
28.为了提高轮胎式摩擦纳米发电机的电力输出，可以在环形摩擦层5表面上制造微结构，该微结构为包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构中任意组合的阵列结构，提供大的接触面积，从而在表面上产生更多的摩擦电荷，增强输出的电能。
29.本发明所提出的轮胎式摩擦纳米发电机的工作原理是基于摩擦电效应和静电感应的结合。当球形摩擦体4在环形槽2内滚动时，球形摩擦体4会与环形摩擦层5发生碰撞接触，产生等量的电荷。当球形摩擦体4从左侧电极滚向右侧电极的过程中，负电荷从左电极流向右电极，形成电流。随后，球形摩擦体4从右电极滚动到左电极将驱使负电荷从右电极流回左电极，从而形成反向电流。
30.轮胎式摩擦纳米发电机的原理基于独立层式摩擦纳米发电机的原理，轮胎式摩擦纳米发电机的发电过程参见图6。由于材料的得电子能力不同，摩擦起电会导致球形摩擦体4表面带有正的净电荷，而环形摩擦层5表面带有与其电荷密度相等的负的净电荷，图6中带+或-的小球即为正的净电荷和负的净电荷。由于摩擦电荷仅分布在摩擦层表面，而且摩擦层绝缘性能非常好，因此在一个周期内电荷不会发生泄漏。在初始的位置，球形摩擦体4位于左侧第一电极层的顶部，因此两电极间几乎没有电势差。一旦带正电荷的球形摩擦体4开始运动，两电极层6间将会产生电势差，导致电荷分离。在电势差的驱使下，电子将从左侧第一电极层流向右侧第二电极层，以抵消摩擦电荷产生的电势差。因此，随着转动过程的进行，电荷将不断流动，使分离电荷不断增加。由于球形摩擦体4和环形摩擦层5表面的材料存在摩擦电极序差异，以本发明轮胎式摩擦纳米发电机为例，球形摩擦体4的表面带有正电荷，环形摩擦层5表面带有负电荷。这些电荷都将保持在二者的接触面，在一定时间内几乎不会发生流动或者衰减。
31.本实施例的轮胎式摩擦纳米发电机中，只需要球形摩擦体与环形摩擦层材料存在摩擦电极序差异即可，差异越大，发电量越大。球形摩擦体材料优选为尼龙等，环形摩擦层的材料优选为聚酰亚胺等。
32.由于本发明是利用汽车行驶过程中轮胎旋转机械能实现发电，具有成本低、制作简单，收集由旋转产生的机械能，从而提高发电机的能量收集能力，大大提高了汽车能量的利用率。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。