[0001] 本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，尤其是涉及一种摩擦纳米发电装置。

[0002] 随着对能源的需求不断增加，清洁、可再生能源的利用成为当今的研究热点；火力发电对环境的危害和能源的消耗是不可逆的，从环境中获取机械能是实现自供电电子设备的一种很有前途的策略；摩擦纳米发电机自问世以后，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；摩擦纳米发电机能在低频环境中有效地收集能量，具有无需外部能源供应和成本低的优点，可以作为传感器的供电元件，可以有效地将环境中的微能量转化为电能输出，特别是低机械频率的能源，如风能、雨滴能或水波能；如专利CN112019083A提供的一种3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机具有扇叶机构、偏心凸块、滑块机构、活动抽替组件和固定抽替组件，扇叶机构、偏心凸块、滑块机构和活动抽替组件依次连接，扇叶机构转动并通过偏心凸块和滑块机构带动活动抽替组件上下往复运动，从而使活动抽替组件上的第一摩擦层与固定抽替组件上的第二摩擦层周期性接触或分离，进而实现摩擦发电；但是该摩擦纳米发电机的运行过程中，当偏心凸块旋转一周，活动抽替组件活动一个往复周期，该摩擦纳米发电机仅完成一次发电，发电效率低。

[0029] 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。

[0030] 本发明的目的是提供一种摩擦纳米发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，利用流体动能发电，节省能源，并能够提升发电效率。

[0031] 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。

[0032] 实施例一

[0033] 本实施例提供一种摩擦纳米发电装置1，请参见图1‑图10，包括壳体10、摩擦发电机构20及能量收集机构30；摩擦发电机构20包括固定摩擦组件21和活动摩擦组件22，固定摩擦组件21固定设置于壳体10上，固定摩擦组件21包括第一固定部211和第二固定部212，第一固定部211和第二固定部212沿第一方向并排设置，第一固定部211和第二固定部212相对的两侧面上均设置有一个固定摩擦单元213，第一固定部211和第二固定部212相对的两个固定摩擦单元213之间具有第一间距214；活动摩擦组件22包括第一活动部221，第一活动部221置于第一间距214内，且第一活动部221在第一方向上相对的两侧面上均设置有一个活动摩擦单元222；能量收集机构30设置于壳体10上，能量收集机构30与活动摩擦组件22连接，能量收集机构30能够在流体的作用下运动并驱动活动摩擦组件22沿第一方向相对于固定摩擦组件21做往复直线运动，使第一活动部221在第一间距214内运动，以使第一活动部221上的两个活动摩擦单元222分别能够与第一固定部211和第二固定部212上的固定摩擦单元213接触或分离并进行发电。

[0034] 摩擦发电机构20的固定摩擦组件21固定设置于壳体10上，能量收集机构30能够在流体的作用下带动活动摩擦组件22的第一活动部221在固定摩擦组件21相对的两个固定摩擦单元213之间的第一间距214内沿第一方向做往复直线运动，由于第一活动部221在第一方向上的两侧面上也均设置有活动摩擦单元222，因此第一活动部221往复直线运动过程中，第一活动部221的两个活动摩擦单元222能够分别与第一固定部211和第二固定部212上的固定摩擦单元213接触或分离进行发电，如此第一活动部221的一个往复周期内，能够进行两次发电，提升流体能的转化发电效率。

[0035] 本实施例的可选方案中，较为优选地，请参见图4和图5，固定摩擦组件21还包括第三固定部215，第三固定部215沿第一方向位于第二固定部212背离第一固定部211的一侧，且第二固定部212和第三固定部215相对的两侧面上也均设置有一个固定摩擦单元213，第二固定部212和第三固定部215相对的两个固定摩擦单元213具有第二间距216；请参见图6和图7，活动摩擦组件22还包括第二活动部223，第二活动部223与第一活动部221沿第一方向并排设置，第二活动部223置于第二间距216内，第二活动部223在第一方向上相对的两侧面上均设置有一个活动摩擦单元222；能量收集机构30能够驱动第一活动部221和第二活动部223沿第一方向做同步往复直线运动，第一活动部221和第二活动部223均具有一个往复运动周期，第一活动部221往复直线运动过程中，第一活动部221的两个活动摩擦单元222能够分别与第一固定部211和第二固定部212上的固定摩擦单元213接触或分离进行发电；第二活动部223在第二间距216内运动，使第二活动部223上的两个活动摩擦单元222分别能够与第二固定部212和第三固定部215上的固定摩擦单元213接触或分离并进行发电；从而进一步提升流体能的转化发电效率。

[0036] 具体地，第一固定部211、第二固定部212、第三固定部215、第一活动部22和第二活动部223可均设置为支撑板。

[0037] 具体地，第一方向沿水平方向。

[0038] 本实施例的可选方案中，较为优选地，请参见图2和图3，能量收集机构30包括旋转部件31和传动组件32，旋转部件31转动连接于壳体10，且旋转部件31与传动组件32连接，传动组件32与活动摩擦组件22连接；旋转部件31用于在流体的作用下相对于壳体10旋转，并能够带动传动组件32运动，且传动组件32用于驱动活动摩擦组件22沿第一方向做往复直线运动，进而使活动摩擦组件22与固定摩擦组件21接触或分离进行发电。

[0039] 本实施例的可选方案中，较为优选地，请参见图2，能量收集机构30还包括过流壳33，过流壳33设置于壳体10上，过流壳33上设置有用于容置旋转部件31的容置槽331，旋转部件31转动设置于容置槽331内，且旋转部件31的转轴一端能够伸出于过流壳33传动组件
32固定连接，过流壳33内具有用于流体通过的过流通道334，过流通道334的两端为进流口
332和出流口333，流体能够通过进流口332进入过流通道334内并能够冲击旋转部件31以使旋转部件31在容置槽331内旋转并带动传动组件32活动；具体地，容置槽331设置为圆柱槽，过流通道334设置于容置槽331下方，容置槽331的内周壁底部设置有能够连通过流通道334的连通孔335，使容置槽331和过流通道334在流通孔335处具有重合部分，因此旋转部件31一部分能够通过连通孔335进入过流通道334内，因此当流体进入过流通道334内，能够通过冲击旋转部件31的周向边缘使旋转部件31在容置槽331内旋转；传动组件32和摩擦发电机构20位于过流壳33的同侧，便于传动组件3和摩擦发电机构20的传动连接。

[0040] 本实施例的可选方案中，较为优选地，请参见图2和图3，传动组件32包括偏心轮321、从动块322和导向部件323，旋转部件31设置为叶轮，叶轮的转轴与过流壳33转动连接，且叶轮的转轴一端伸出于过流壳33与偏心轮321固定连接，具体地，叶轮的转动轴线在水平面内垂直于第一方向，叶轮的转轴固定伸入偏心轮321的轴孔内，叶轮旋转能够带动偏心轮
321偏心旋转；从动块322上设置有活动孔324，偏心轮321置于活动孔324内，且偏心轮321的外壁与活动孔324内壁相接，具体地，活动孔324设置为腰型孔，且腰型孔的长度方向沿竖直方向，偏心轮321的外周壁与腰型孔的两个平面相切，使偏心轮321能够推动从动块322往复运动；活动摩擦组件22与从动块322固定连接，导向部件323固定设置于过流壳33上，活动摩擦组件22与导向部件323活动连接并能够相对于导向部件323沿第一方向做直线运动，过流壳33能够稳定导向部件323、活动摩擦组件22和从动块322竖向上的位置，因此叶轮旋转带动偏心轮321在活动孔324内同步旋转，偏心轮321在活动孔324内偏心旋转能够推动从动块
322和活动摩擦组件22在导向部件323的导向下沿第一方向做往复直线运动。

[0041] 进一步优选地，壳体10包括支撑壳11和盖体12，支撑壳11和盖体12沿旋转部件31的轴向能位于过流壳33的两侧并够拆卸地扣合于过流壳33上，且传动组件32、导向部件323和摩擦发电机构20位于支撑壳11和过流壳33之间，摩擦发电机构20的固定摩擦组件21固定设置于支撑壳11的内壁面上；容置槽331朝向盖体12的一侧为敞口侧，盖体12能够封闭该敞口侧，且旋转部件31的转轴还能够与盖体12绕自身轴线转动连接，即旋转部件31的转轴与过流壳33和盖体12均能够转动连接，能够提升旋转部件31的稳定性；支撑壳11、盖体12和过流壳33均能够拆卸连接，减少制造成本，且便于组装和各部件的拆卸检修。

[0042] 本实施例的可选方案中，较为优选地，导向部件323设置为直线轴承，活动摩擦组件22还包括活动杆224，活动杆224与第一活动部221和第二活动部223均固定连接，活动杆224或靠近从动块322的第二活动部223与从动块322固定连接，活动杆224穿过直线轴承并与直线轴承滑动连接，由于直线轴承固定设置于过流壳33上，因此直线轴承能够通过活动杆224对整个活动摩擦组件22进行直线运动的导向，由于活动摩擦组件22与从动块322固定连接，且活动杆224和直线轴承轴线共线并均沿第一方向，因此直线轴承能够对从动块322和活动摩擦组件22在第一方向进行导向，从而将偏心轮321的旋转转化为活动摩擦组件22的往复直线运动。

[0043] 具体地，第二活动部223与从动块322固定连接，第二活动部223靠近从动块322的侧面上设置有卡接槽225，从动块322能够卡接于卡接槽225内实现固定连接。

[0044] 本实施例的可选方案中，较为优选地，请参见图4、图6和图8，摩擦发电机构20设置为两个，两个固定摩擦组件21沿第一方向固定设置于壳体10上，两个活动摩擦组件22沿第一方向分布且均与能量收集机构30连接；能量收集机构30能够驱动两个活动摩擦组件22沿第一方向做同步往复直线运动，并分别与两个固定摩擦组件21接触或分离进行发电，从而进一步提升转化发电效率。

[0045] 具体地，两个摩擦发电机构20沿旋转部件31的轴线所在的垂直于第一方向的平面对称，能量收集机构30也设置两个关于旋转部件31的轴线所在的垂直于第一方向的平面对称的导向部件323，两个活动摩擦组件22均与从动块322固定连接，且分别与两个导向部件323活动连接，具体的连接方式可参考前文描述。

[0046] 本实施例的可选方案中，较为优选地，请参见图5和图7，各固定摩擦单元213均包括固定电极层2131和固定摩擦层2132，固定电极层2131一侧面固定连接于对应第一固定部211、第二固定部212或第三固定部215，且固定摩擦层2132固定连接于固定电极层2131的另一侧面；各活动摩擦单元222均包括活动电极层2221和活动摩擦层2222，活动电极层2221一侧面固定连接于对应第一活动部221或第二活动部223，且活动摩擦层2222固定连接于活动电极层2221的另一侧面；沿第一方向相对的固定摩擦层2132和活动摩擦层2222能够接触或分离并进行发电，且沿第一方向相对的各固定电极层2131和各活动电极层2221均用于电连接于一个用电设备或一个蓄电设备，实现电能的利用或储存。

[0047] 本实施例的可选方案中，较为优选地，固定摩擦层2132和活动摩擦层2222的侧面上设置有用于增大接触面积的微结构；具体地，微结构可包括：纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米沟槽、纳米锥状结构中任意组合的阵列结构，微结构能够提升接触面积，进而增强输出的电能。

[0048] 具体地，沿第一方向相对的固定摩擦层2132和活动摩擦层2222分别采用具有不同摩擦电极序的材质，使固定摩擦层2132和活动摩擦层2222能够摩擦起电；进一步地，摩擦电极序的差异越大，发电量越大，各固定摩擦层2132材料优选采用聚酰亚胺材质，各活动摩擦层2222采用优选尼龙材质。

[0049] 具体地，本实施例提供的摩擦纳米发电装置1的工作原理是基于摩擦电效应和静电感应的耦合；一个往复运动周期的活动过程发电过程请参见图9和图10；由于固定摩擦层2132和活动摩擦层2222采用不同材质，因此固定摩擦层2132和活动摩擦层2222的得电子能力不同，摩擦起电会导致固定摩擦层2132表面带有负的净电荷，而活动摩擦层2222表面带有与其电荷密度相等的正的净电荷，图10中带有“+”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固定摩擦层2132和活动摩擦层2222表面，而且固定摩擦层
2132和活动摩擦层2222绝缘性能非常好，因此在活动摩擦层2222一个往复周期内电荷不会发生泄漏；在初始位置，固定摩擦层2132没有与活动摩擦层2222接触时，固定电极层2131和活动电极层2221几乎没有电势差，一旦带有正电荷的活动摩擦层2222开始运动，与固定摩擦层2132接触时，固定电极层2131和活动电极层2221将会产生电势差，导致电荷分离，在电势差的驱动下，电子将从活动电极层2221流向固定电极层2131，以抵消摩擦电荷产生的电势差；因此，在活动摩擦组件22杆做往复直线移动时，电荷不断流动，使分离电荷不断增加。

[0050] 具体地，请参见图9和图10，当偏心轮321距转轴最远的一端位于左侧时，即将活动摩擦组件22推至最左侧时，固定摩擦层2132和活动摩擦层2222接触，固定摩擦层2132和活动摩擦层2222接触表面形成符号相反的表面电荷，如图10(A)；在偏心轮321逐渐转动，使偏心轮321距转轴最远的一端靠近中间的过程中固定摩擦层2132和活动摩擦层2222逐渐分开，由于接触起电与静电感应效应，固定摩擦层2132和活动摩擦层2222会产生电荷转移，当固定摩擦层2132和活动摩擦层2222分离时，中间会形成一个小的空气间隙，并固定电极层2131和活动电极层2221之间形成感应电势差，若是将固定电极层2131和活动电极层2221短接，则在分离的时候，固定电极层2131和活动电极层2221之间的电势差会驱动电子从活动电极层2221流向固定电极层2131，形成一个反向的电势差来平衡静电场，如图10(B)；当偏心轮321距转轴最远的一端位于右侧时，即将活动摩擦组件22推至最右侧时，固定摩擦层
2132和活动摩擦层2222充分接触，当固定摩擦层2132和活动摩擦层2222中间的空气间隙闭合时，有摩擦点和形成的电势差消失，电子会发生回流，如图10(C)；偏心轮321继续转动，使偏心轮321距转轴最远的一端靠近中间的过程中固定摩擦层2132和活动摩擦层2222逐渐分开，由于接触起电与静电感应效应，固定摩擦层2132和活动摩擦层2222会产生电荷转移，当固定摩擦层2132和活动摩擦层2222分离时，中间会形成一个小的空气间隙，并固定电极层
2131和活动电极层2221之间形成感应电势差，若是将固定电极层2131和活动电极层2221短接，则在分离的时候，固定电极层2131和活动电极层2221之间的电势差会驱动电子从活动电极层2221流向固定电极层2131，形成一个反向的电势差来平衡静电场，如图10(D)。

[0051] 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。