技术领域
[0001] 本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种转动摩擦发电机及摩擦发电单元。
相关背景技术
[0002] 众所周知，物体和物体之间相互摩擦时会使一方带上负电，另一方带上正电，这种由于物体间摩擦而产生的电叫摩擦电。摩擦电是自然界最常见的现象之一，且摩擦电的产生条件非常宽泛，因此，如果能够将摩擦电应用到发电领域，势必会给人们的生活带来更多的便利。
[0003] 但是，目前根据摩擦发电原理制作出的摩擦发电机工作时的大部分能量用于克服摩擦力做功转化为内能，成为无用功，而只有少部分能量用于克服静电引力做功转化为电能，因此，现有技术中缺少一种通过改变摩擦发电机的接触摩擦方式，减小瞬时接触摩擦面积、降低摩擦阻力，从而提高发电效率的摩擦发电机。
具体实施方式
[0025] 为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种转动摩擦发电机及摩擦发电单元做进一步详细的描述。
[0026] 如图1至图12所示，本发明的转动摩擦发电机包括相对设置的第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200。其中，第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200包括可转动的摩擦体和套设在摩擦体外侧的电极体，摩擦体的外表面经过摩擦易产生电荷，而外表面上带有电荷的摩擦体又可使套设在外侧的电极体上感应出异种电荷。
[0027] 本实施例中，第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中的摩擦体可接触摩擦，且两个摩擦体相互接触的外表面上易产生的电荷的电性相反。此外，第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中的电极体为本发明的转动摩擦发电机的输出电极。
[0028] 故而，本发明的转动摩擦发电机可通过第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中的可转动的摩擦体的接触摩擦，使摩擦体的外表面上分别产生正、负电荷，进而外表面上带有正、负电荷的摩擦体又会使各自外侧的电极体上感应出相应的负、正电荷，由此便可在与第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中的电极体相连的外电路300中产生电流。
[0029] 下面结合图1至图7对本发明的转动摩擦发电机中的各组件的具体结构进行说明。其中，由于第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200的结构相似，故下面主要以第一摩擦发电单元100为例进行详细说明，第二摩擦发电单元200的结构可参照第一摩擦发电单元100设置。
[0030] 如图3和图4所示，第一摩擦发电单元100中的可转动的摩擦体为转动辊110。其中，转动辊110的两端形成有转动轴111，转动辊110的外圆周面上间隔设置有多个接触摩擦面112，接触摩擦面112沿转动辊110的轴向延伸，且接触摩擦面112经过摩擦易产生电荷。优选转动辊110上相邻的接触摩擦面112之间的间距与接触摩擦面112在转动辊110的圆周方向上的宽度相等。应注意的是，本发明中的相邻的接触摩擦面112之间的间隔的形成方式可以是采用横截面为齿轮状结构棱柱体作为转动辊110直接形成(如图3所示)，也可以采用在圆柱体结构的转动辊110上直接贴附接触摩擦面形成的条状凸起形成，此处不做限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择。
[0031] 可选地，本发明的第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面112、212的材料不仅可以为高分子聚合物材料，也可以为其它易摩擦起电的材料，此处不做限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择。当第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面112、212的材料为高分子聚合物材料时，可选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维海绵薄膜、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任意一种。
[0032] 此外，应知悉的是，本实施例中，第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112上易产生的电荷的电性应与相对的第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212上易产生的电荷的电性相反，也即，在静电序列中，第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112所用材料与第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212所用材料要彼此相互远离。例如，第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112上易产生的电荷的电性为正时，与之相对接触的第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212上易产生的电荷的电性则为负，也即，第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112(高分子聚合物材料)要比第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面
212(高分子聚合物材料)更易失去电子；反之亦然。
[0033] 进一步，对第一摩擦发电单元100中的转动辊110上的接触摩擦面112的数目没有限制，可为奇数或偶数。其中，当转动辊110上的接触摩擦面112的数目为奇数时，转动辊110上的多个接触摩擦面112上易产生的电荷的电性应全都相同，即转动辊110上的多个接触摩擦面112要比与其接触摩擦的转动辊210上的多个接触摩擦面212更易得到电子或者更易失去电子；而当转动辊110上的接触摩擦面112的数目为偶数时，转动辊110上的相邻的接触摩擦面112上易产生的电荷的电性可以设置为相反，也即，转动辊110上的多个接触摩擦面112上易产生的电荷的电性为正、负交替设置；另外，转动辊110上的接触摩擦面112的数目为偶数时，转动辊110上的多个接触摩擦面112上易产生的电荷的电性也可以设置为全都相同，即转动辊110上的多个接触摩擦面112要比与其接触摩擦的转动辊210上的多个接触摩擦面212更易得到电子或者更易失去电子。
[0034] 进一步，如图1所示，为保证第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210相互接触摩擦时的准确性和转动的同步性，第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中分别设置有同步齿轮113、213。其中，转动辊110、210上的转动轴111、211分别与同步齿轮113、213相连，且两个同步齿轮113、213相互啮合，由此便可使得第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中的转动辊110、210的转动保持同步，从而保证转动辊110、210上的接触摩擦面112、212相对接触摩擦的准确性。如图3、图
5至图7所示，第一摩擦发电单元100中的套设在摩擦体外侧的电极体为支撑架120。其中，支撑架120上形成有可环绕转动辊110的壳体121，且壳体121的内表面上间隔设置有多个电极板122，电极板122沿壳体121的轴向延伸，转动辊110上带有电荷时的接触摩擦面112可使壳体121内表面上的电极板122感应出异种电荷。应注意的是，本发明中的壳体121内表面上的电极板122的数目与尺寸可根据转动辊110的外圆周面上的接触摩擦面
112的数目与尺寸进行设定。
[0035] 进一步，如图7所示，支撑架120上还设置有固定架123，转动辊110的转动轴111可设置在固定架123上，以使转动辊110的外圆周面上的接触摩擦面112与壳体121内表面上的电极板122之间形成空隙。应注意的是，如图5所示，本实施例中，支撑架120上设置有两个固定架123，且两个固定架123分别设置在支撑架120上的壳体121的两端，固定架123上形成有转轴孔，转动辊110的两个端部的转动轴111可穿过固定架123上的转轴孔设置。
[0036] 其中，本发明的第一摩擦发电单元100和第二摩擦发电单元200中的电极板122、222的材料可选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金中的一种。
[0037] 下面结合图8至图11对本发明的转动摩擦发电机的第一实施例的工作原理进行简要说明。应注意是，第一实施例中是以第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112与第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212的数目为奇数，且第一摩擦发电单元100为顺时针方向转动，第二摩擦发电单元200为逆时针方向转动，第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112上易产生的电荷的电性为正，第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212上易产生的电荷的电性为负进行描述的。此外，本实施例中的外电路300与第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222相连，其连接形式为：第一摩擦发电单元100中的电极板122间隔着连接为一组，第二摩擦发电单元200中的对应位置处的电极板222连接为一组，外电路300的两端分别与上述两组电极板相连。本实施例中，如图8所示，由于转动辊在转动时，与同一个转动辊相对应的几个电极板上会存在相位差，因此给出了两组外电路。
[0038] 1)如图8所示，第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210相对转动(转动辊的转动可由外设的动力源提供动力，如风力、水流、人体运动、机械运动等)。
[0039] 第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112与第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212正对接触摩擦，由于第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112要比第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212更易失去电子，因而第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112上产生正电荷，第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212上产生相应的负电荷。
[0040] 2)如图9所示，第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0041] 第一摩擦发电单元100中的带有正电荷的接触摩擦面112转动到与第一摩擦发电单元100中的电极板122相对的位置，由此，第一摩擦发电单元100中的电极板122上便会相应地感应出负电荷；而第二摩擦发电单元200中的带有负电荷的接触摩擦面212转动到与第二摩擦发电单元200中的电极板222相对的位置，由此，第二摩擦发电单元200中的电极板222上便会相应地感应出正电荷。而且第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222上感应出的电荷量会随着接触摩擦面和电极板正对面积的增大而逐渐增加。
[0042] 由于电荷感应的作用，第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222之间便会出现电势差，当将第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222分别与外电路300连通时，电子就会从第二摩擦发电单元200中的电极板222流向第一摩擦发电单元100中的电极板122，也即会产生由第一摩擦发电单元100中的电极板122流向第二摩擦发电单元200中的电极板222的电流。
[0043] 3)如图10所示，第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0044] 第一摩擦发电单元100中的带有正电荷的接触摩擦面112与第一摩擦发电单元100中的电极板122的正对面积达到最大值，第二摩擦发电单元200中的带有负电荷的接触摩擦面212与第二摩擦发电单元200中的电极板222的正对面积达到最大值。此时，第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222上感应出的电荷量达到最大值。
[0045] 4)如图11所示，第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0046] 随着接触摩擦面和电极板正对面积的逐渐减小，第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222上感应出的电荷量也相应地逐渐减小。由此，电子会从第一摩擦发电单元100中的电极板122流向第二摩擦发电单元200中的电极板222，也即会产生由第二摩擦发电单元200中的电极板222流向第一摩擦发电单元100中的电极板122的电流。
[0047] 5)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动便会重复上述过程。
[0048] 下面结合图12对本发明的转动摩擦发电机的第二实施例的工作原理进行简要说明。应注意是，第二实施例中是以第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112与第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212的数目为偶数，且第一摩擦发电单元100为顺时针方向转动，第二摩擦发电单元200为逆时针方向转动，第一摩擦发电单元100中的相邻的接触摩擦面112上易产生的电荷的电性为正、负交替设置，第二摩擦发电单元200中的相邻的接触摩擦面212上易产生的电荷的电性为负、正交替设置进行描述的。此外，本实施例中的外电路300与第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222相连，其连接形式为：第一摩擦发电单元100中的感应出正电荷的电极板122和第二摩擦发电单元200中的感应出正电荷的电极板222连接为一组，第一摩擦发电单元100中的感应出负电荷的电极板122和第二摩擦发电单元200中的感应出负电荷的电极板222连接为一组，外电路300的两端分别与上述两组电极板相连。本实施例中，如图12所示，由于转动辊在转动时，与同一个转动辊相对应的几个电极板上会存在相位差，因此给出了两组外电路。
[0049] 1)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210相对转动。
[0050] 第一摩擦发电单元100中的易产生的电荷的电性为正的接触摩擦面112与第二摩擦发电单元200中的易产生的的电性为负的接触摩擦面212正对接触摩擦，因而第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112上产生正电荷，第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212上产生相应的负电荷。
[0051] 2)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0052] 第一摩擦发电单元100中的带有正电荷的接触摩擦面112转动到与第一摩擦发电单元100中的电极板122相对的位置，由此，第一摩擦发电单元100中的电极板122上便会相应地感应出负电荷；而第二摩擦发电单元200中的带有负电荷的接触摩擦面212转动到与第二摩擦发电单元200中的电极板222相对的位置，由此，第二摩擦发电单元200中的电极板222上便会相应地感应出正电荷。
[0053] 由于电荷感应的作用，第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222之间便会出现电势差，当将第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222分别与外电路300连通时，电子又会从第二摩擦发电单元200中的电极板222流向第一摩擦发电单元100中的电极板122，也即会产生由第一摩擦发电单元100中的电极板122流向第二摩擦发电单元200中的电极板222的电流。
[0054] 同时，后续的第一摩擦发电单元100中的易产生的电荷的电性为负的接触摩擦面112转动到与第二摩擦发电单元200中的易产生的电荷的电性为正的接触摩擦面212正对接触摩擦，进而第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112上产生负电荷，第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212上产生相应的正电荷。
[0055] 3)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0056] 第一摩擦发电单元100中的带有正电荷的接触摩擦面112与第一摩擦发电单元100中的电极板122的正对面积达到最大值，第二摩擦发电单元200中的带有负电荷的接触摩擦面212与第二摩擦发电单元200中的电极板222的正对面积达到最大值。此时，第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222上感应出的电荷量达到最大值。
[0057] 4)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0058] 随着接触摩擦面和电极板正对面积的逐渐减小，第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222上感应出的电荷量也相应地逐渐减小。由此，电子会从第一摩擦发电单元100中的电极板122流向第二摩擦发电单元200中的电极板222，也即会产生由第二摩擦发电单元200中的电极板222流向第一摩擦发电单元100中的电极板122的电流。
[0059] 5)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0060] 第一摩擦发电单元100中的带有负电荷的接触摩擦面112转动到与第一摩擦发电单元100中的电极板122相对的位置，由此，第一摩擦发电单元100中的电极板122上便会相应地感应出正电荷；而第二摩擦发电单元200中的带有正电荷的接触摩擦面212转动到与第二摩擦发电单元200中的电极板222相对的位置，由此，第二摩擦发电单元200中的电极板222上便会相应地感应出负电荷。
[0061] 第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222之间便会出现电势差，进而电子会从第一摩擦发电单元100中的电极板122流向第二摩擦发电单元200中的电极板222，也即会产生由第二摩擦发电单元200中的电极板222流向第一摩擦发电单元100中的电极板122的电流。
[0062] 同时，后续的第一摩擦发电单元100中的易产生的电荷的电性为正的接触摩擦面112转动到与第二摩擦发电单元200中的易产生的电荷的电性为负的接触摩擦面212正对接触摩擦，进而第一摩擦发电单元100中的接触摩擦面112上产生正电荷，第二摩擦发电单元200中的接触摩擦面212上产生相应的负电荷。
[0063] 6)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0064] 第一摩擦发电单元100中的带有负电荷的接触摩擦面112与第一摩擦发电单元100中的电极板122的正对面积达到最大值，第二摩擦发电单元200中的带有正电荷的接触摩擦面212与第二摩擦发电单元200中的电极板222的正对面积达到最大值。第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222上感应出的电荷量达到最大值。
[0065] 7)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动。
[0066] 随着接触摩擦面和电极板正对面积的逐渐减小，第一摩擦发电单元100中的电极板122和第二摩擦发电单元200中的电极板222上感应出的电荷量也相应地逐渐减小。由此，电子会从第二摩擦发电单元200中的电极板222流向第一摩擦发电单元100中的电极板122，也即会产生由第一摩擦发电单元100中的电极板122流向第二摩擦发电单元200中的电极板222的电流。
[0067] 8)第一摩擦发电单元100中的转动辊110和第二摩擦发电单元200中的转动辊210继续相对转动便会重复上述过程。
[0068] 本发明的转动摩擦发电机通过转动辊上的摩擦面与支撑架内壁上的电极板的电荷感应作用，使得接触摩擦面的一次摩擦可产生多次发电效果，降低了摩擦阻力以及由于摩擦带来的能量损失，提高了发电效率，保证了发电量。
[0069] 此外，应注意的是，本发明中的第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元也可分开使用。例如，一个摩擦发电单元可与一个由摩擦发电材料层、电极材料层组成的构件相对设置，并使摩擦发电单元中的转动辊上的接触摩擦面与该构件中的摩擦发电材料层相互接触摩擦。由此，便可通过使摩擦发电单元中的转动辊上的接触摩擦面与该构件中的摩擦发电材料层相互接触摩擦，以感应出相应的电荷，进而便可在摩擦发电单元中的电极板与该构件中的电极材料层之间产生电流。
[0070] 另外，本发明的摩擦发电单元还可以将多个摩擦发电单元组合在一起使用，此处不做限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择。如上述所述的转动摩擦发电机，是将第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元相对设置，但是，也可以在第一摩擦发电单元的另一侧相对于第二摩擦发电单元对称的位置设置第三摩擦发电单元，使三个摩擦发电单元同时转动接触摩擦。且当为多个摩擦发电单元时，对于摩擦发电单元中的转动辊的大小可以相等也可以不相等，此处不做限定，本领域技术人员可以根据需要进行设计。
[0071] 以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
