[0001] 本申请涉及摩擦纳米发电技术领域，特别涉及一种交叉滑动型摩擦纳米发电机。

[0002] 摩擦纳米发电机可以从风能、水能、潮汐能等多种自然能量中收集能量，并将能量转化为电能，以便于为用电器供电。随着全球变暖和气候变化问题的日益严峻，碳中和已经成为全人类的共识，摩擦纳米发电机由于能够收集洁净能量来发电，越来越受到重视。

[0003] 摩擦纳米发电机目前包括四种基本模式：接触‑分离模式，横向滑动模式，单电极模式以及独立层模式。对于横向滑动模式来说，由于其固有特点，在每一个电极后面必须空有至少不少于一个电极大小的空余空间才能保证发电机能够正常有效地工作。然而，当摩擦纳米发电机的空间大小固定时，至少有一半的有效空间是浪费的，非常不利于提高摩擦纳米发电机内部的空间利用率。

[0042] 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。

[0043] 参考图1，图1示出了传统的横向滑动式摩擦纳米发电机的工作原理图。图1中示出了两对摩擦纳米单元，每一对摩擦纳米单元包括正电摩擦薄膜10、正电导电薄膜20、负电摩擦薄膜30以及负电导电薄膜40，其中，正电摩擦薄膜10和负电摩擦薄膜30接触并摩擦产生电荷。在电荷转移的过程中，每一对摩擦纳米单元中的正电摩擦薄膜10与负电摩擦薄膜30之间需要经过接触、分离的过程，因此，相邻两对摩擦纳米单元之间需要留有一定的空间S，以便于正电摩擦薄膜10与负电摩擦薄膜30完全脱离接触。在这种情况下，留出的空间S大于等于一对摩擦纳米单元的占用空间，导致了空间利用率低。

[0044] 基于此，本申请实施例可提供一种交叉滑动型摩擦纳米发电机，用于提高摩擦纳米发电机的内部空间利用率。

[0045] 参考图2和图3，本申请实施例中的交叉滑动型摩擦纳米发电机可包括固定容器100、摩擦发电模组200以及驱动装置300，其中，摩擦发电模组200位于固定容器100中，驱动装置300可用于驱动摩擦发电模组200进行摩擦发电。

[0046] 在一些实施例中，一并参考图3、图4和图5，固定容器100包括壳体110、上盖板120和下盖板130。壳体110相对的两端分别设有开口，上盖板120和下盖板130分别盖合于两端的开口，以使得壳体110的内部呈相对密封的状态，从而避免外部的杂质进入壳体110内，影响摩擦发电模组200正常工作。

[0047] 具体的，如图5所示，上盖板120朝向壳体110的一侧设有第一卡槽121，第一卡槽121的形状与壳体110的开口形状相同，以使得壳体110靠近上盖板120的一端能够与第一卡槽121进行卡合，从而实现上盖板120与壳体110之间的相对固定。类似的，下盖板130朝向壳体110的一侧设有第二卡槽(图中未示出)，第二卡槽的形状与壳体110的开口形状相同，以使得壳体110靠近下盖板130的一端能够与第二卡槽进行卡合，从而实现下盖板130与壳体
110之间的相对固定。

[0048] 下盖板130还可设置多个卡扣(图中未示出)，壳体110的底部设有与多个卡扣一一对应的卡勾。当壳体110与下盖板130组装时，每个卡扣与卡勾对应扣合，从而提高下盖板130与壳体110之间的固定效果。另外，如图4所示，下盖板130位于第二卡槽的两侧还可设置长条形孔131，在实际使用时，本实施例中的交叉滑动型摩擦纳米发电机可通过下盖板130上的长条形孔131与承载结构进行固定，以保证在工作时，摩擦纳米发电机结构稳定。

[0049] 值得注意的是，本实施例中将上盖板120和下盖板130分别设计为与壳体110之间可拆卸式的连接方式，可便于将摩擦发电模组200与固定容器100的组装，也便于后期对摩擦发电模组200的维护。

[0050] 参考图6，摩擦发电模组200包括至少一组摩擦发电模块210，每一组摩擦发电模块210可包括定子板211、动子板212、多个第一摩擦发电单元213以及多个第二摩擦发电单元
214。其中，定子板211和动子板212相对设置，第一摩擦发电单元213可包括第一正电摩擦导电层2131和第一负电摩擦导电层2132，第二摩擦发电单元214可包括第二正电摩擦导电层
2141和第二负电摩擦导电层2142。

[0051] 参考图7，多个第一正电摩擦导电层2131和多个第二负电摩擦导电层2142分别固定于定子板211朝向动子板212的一侧，多个第一正电摩擦导电层2131和多个第二负电摩擦导电层2142分别沿以定子板211的中轴线为轴线的圆周均匀布置。并且，多个第一正电摩擦导电层2131间隔设置，相邻两个第一正电摩擦导电层2131之间设置有一个第二负电摩擦导电层2142，也就是说，多个第一正电摩擦导电层2131和多个第二负电摩擦导电层2142交错设置。

[0052] 参考图8，多个第一负电摩擦导电层2132和多个第二正电摩擦导电层2141分别固定于动子板212朝向定子板211的一侧，多个第一负电摩擦导电层2132和多个第二正电摩擦导电层2141分别沿第一动子板212的中轴线为轴线的圆周均匀分布。并且，多个第一负电摩擦导电层2132间隔设置，以使得相邻两个第一负电摩擦导电层2132之间设有一个第二正电摩擦导电层2141，从而使得多个第一负电摩擦导电层2132和多个第二正电摩擦导电层2141交错设置。

[0053] 在本实施例中，动子板212的轴线与定子板211的轴线重合，并且，动子板212可相对定子板211绕定子板211的轴线转动。当动子板212和定子板211相对转动时，第一正电摩擦导电层2131与第一负电摩擦导电层2132可摩擦起电，第二正电摩擦导电层2141与第二负电摩擦导电层2142可摩擦起电。多个第一正电摩擦导电层2131以及多个第二正电摩擦导电层2141之间可通过导线进行并联，以作为正极，多个第一负电摩擦导电层2132以及多个第二负电摩擦导电层2142之间可通过导线并联，以作为负极，正极和负极分别连接在负载的两端。

[0054] 作为一种可选的实施方案，结合图7和图9，第一正电摩擦导电层2131可包括叠置的第一正极摩擦薄膜21311和第一正极导电薄膜21312，第一正极导电薄膜21312粘贴固定于定子板211，第一正极摩擦薄膜21311粘贴固定于第一正极导电薄膜21312背离定子板211的一侧。第二负电摩擦导电层2142包括叠置的第二负极摩擦薄膜21421和第二负极导电薄膜21422，第二负极导电薄膜21422粘贴固定于定子板211，第二负极摩擦薄膜21421粘贴固定于第二负极导电薄膜21422背离定子板211的一侧。

[0055] 结合图8和图9，第一负电摩擦导电层2132包括叠置的第一负极摩擦薄膜21321和第一负极导电薄膜21322，第一负极导电薄膜21322粘贴固定于动子板212，第一负极摩擦薄膜21321粘贴固定于第一负极导电薄膜21322背离动子板212的一侧。第二正电摩擦导电层2141可包括叠置的第二正极摩擦薄膜21411和第二正极导电薄膜21412，第二正极导电薄膜
21412粘贴固定于动子板212，第二正极摩擦薄膜21411粘贴固定于第二正极导电薄膜21412背离动子板212的一侧。

[0056] 此外，各第一正极导电薄膜21312和各第二正极导电薄膜21412通过导线进行并联，各第一负极导电薄膜21322和各第二负极导电薄膜21422通过导线进行并联。

[0057] 当定子板211与动子板212之间相对转动时，第一正极摩擦薄膜21311与第一负极摩擦薄膜21321产生相对运动，由于摩擦起电或接触起电原理，第一正极摩擦薄膜21311与第一负极摩擦薄膜21321产生相反电荷。第一正极导电薄膜21312和第一负极导电薄膜21322进行感应并进行电荷转移。

[0058] 在本实施方案中，第一正极摩擦薄膜21311和第二正极摩擦薄膜21411的材料均可以为尼龙、乙基纤维素、聚甲醛等具备电正性的材料，第一负极摩擦薄膜21321和第二负极摩擦薄膜21421的材料均可以为聚酰亚胺、聚四氟乙烯等具备电负性的材料。第一正极导电薄膜21312、第二正极导电薄膜21412、第一负极导电薄膜21322以及第二负极导电薄膜21422的材料均可以为铜、铝、金等能够对外输出电能的材料。

[0059] 或者，作为又一种可选的实施方案，本实施例中的第一正电摩擦导电层2131和第二正电摩擦导电层2141的材料均可以为铜、铝或金。由于铜、铝或金既具备电正性，还能够对外输出电能，因此可将正极摩擦薄膜和正极导电薄膜集成于一层结构。

[0060] 值得注意的是，上述实施方案中，第一正极摩擦薄膜21311的大小与第一正极导电薄膜21312的大小相同，第二正极摩擦薄膜21411的大小与第二正极导电薄膜21412的大小相同，第一负极摩擦薄膜21321与第一负极导电薄膜21322的大小相同，第二负极摩擦薄膜21421的大小与第二负极导电薄膜21422的大小相同。并且，第一正极摩擦薄膜21311的大小与第一负极摩擦薄膜21321的大小相同，第二正极摩擦薄膜21411的大小与第二负极摩擦薄膜21421的大小相同。

[0061] 参考图10，图示出了本实施例中的交叉滑动型摩擦纳米发电机工作过程中的电荷转移过程，并示出了以相邻的一对第一摩擦发电单元213和第二摩擦发电单元214为例的结构。在初始状态下，如图10中左上角的状态所示，第一正极摩擦薄膜21311位于第一负极摩擦薄膜21321正上方，第二负极摩擦薄膜21421位于第二正极摩擦薄膜21411的正上方。

[0062] 当动子板212和定子板211相对转动时，第一正极摩擦薄膜21311与第一负极摩擦薄膜21321之间的接触面积减小，第二负极摩擦薄膜21421与第二正极摩擦薄膜21411之间的接触面积减小，从而导致平面内电荷的分离，分离的电荷会导致第一负极导电薄膜21322上的电子流向第一正极导电薄膜21312。这时，可参考图10中右上角的状态。

[0063] 由于外电路是将第一正极导电薄膜21312与第二正极导电薄膜21412连接，将第一负极导电薄膜21322与第二负极导电薄膜21422连接，所以第一负极导电薄膜21322与第二负极导电薄膜21422之间属于同一等势面，第一正极导电薄膜21312与第二正极导电薄膜21412之间属于同一等势面，电流可由第一正极导电薄膜21312、第二正极导电薄膜21412流向第一负极导电薄膜21322、第二负极导电薄膜21422，直至第一负极摩擦薄膜21321完全脱离第一正极摩擦薄膜21311。这时，可参考图10中右下角的状态。

[0064] 随后，当第一负极摩擦薄膜21321重新与第一正极摩擦薄膜21311接触时，随着接触面积的增加，电极上多余的转移电荷会促进电荷通过外部负载从第一负极导电薄膜21322和第二负极导电薄膜21422流回第一正极导电薄膜21312和第二正极导电薄膜21412，以保持电荷平衡。这时，可参考图10中左下角的状态。

[0065] 当第一正极摩擦薄膜21311重新回到与第一负极摩擦薄膜21321完全重叠的位置时，带电表面又达到完全互相接触的状态。这时，可参考图10中左上角的状态。

[0066] 可以理解的，相较于传统的横向滑动式摩擦纳米发电机，本实施例中的交叉滑动型摩擦纳米发电机在相邻两个第一摩擦发电单元213之间的空间设置第二摩擦发电单元214，第二摩擦发电单元214的两个摩擦薄膜的正负极与第一摩擦发电单元213的两个摩擦薄膜的正负极设置相反。在第一负极摩擦薄膜21321从与第一正极摩擦薄膜21311接触到完全分离的过程中，即使第一负极摩擦薄膜21321与第二负极摩擦薄膜21421接触，不会产生电荷。同样地，在第二正极摩擦薄膜21411从与第二负极摩擦薄膜21421接触到完全分离的过程中，即使第二正极摩擦薄膜21411与第一正极摩擦薄膜21311接触，也不会产生电荷。因此，本实施例中的摩擦发电模块210的结构设计，不仅能够保证摩擦纳米发电机的正常工作，还提高了空间利用率。另外，由于相同空间内由原来的一组摩擦发电单元变成布置两组摩擦发电单元，还能够提高摩擦纳米发电机的发电能力。

[0067] 在一些实施例中，再次参考图3，驱动装置300可包括捕能结构320和中心轴310，捕能结构320位于固定容器100的外部，中心轴310穿设于固定容器100。

[0068] 一并参考图3和图5，中心轴310的轴线与定子板211的轴线重合，并且，上盖板120的中部设有用于容纳中心轴310的端部的转动槽122，中心轴310的端部伸入转动槽122内，并可相对转动槽122绕自身轴线转动。中心轴310的另一端与捕能结构320固定连接，捕能结构320可用于收集自然能量，并在自然能量的驱动下转动，从而带动中心轴310绕自身轴线转动。

[0069] 自然能力例如可以是风能、水能或者潮汐能。当自然能力为风能时，则捕能结构320可以是风机。当自然能力为水能，则捕能结构320可以是水轮。

[0070] 定子板211和动子板212分别穿设于中心轴310，并且，动子板212与中心轴310固定连接，以使得中心轴310可带动动子板212同步转动。如图5和图6所示，定子板211的形状可与壳体110的形状相同，例如，若壳体110为方形结构，则定子板211也为方形结构，这时，定子板211的各侧边可分别与壳体110的内壁进行固定连接，从而保证定子板211在工作过程中保持稳定。

[0071] 进一步地，假设垂直于中心轴310的平面为第一平面，则定子板211在第一平面上的正投影覆盖于动子板212在第一平面上的正投影，以便于动子板212能够相对定子板211顺畅地转动。示例性地，动子板212的形状可以为圆形，这时，可使得方形的定子板211的边长大于动子板212的直径。需要注意的是，定子板211可以为矩形或者正方形，当定子板211为矩形时，定子板211的短边的边长大于动子板212的直径。

[0072] 当然，定子板211和动子板212都可以为圆形，这时，定子板211的直径大于动子板212的直径。或者，定子板211也可以为多边形，动子板212也可以为多边形，具体的可根据实际使用需求进行设计，本申请对此不做限定。

[0073] 如图11所示，具体在将动子板212与中心轴310进行固定连接时，可先利用法兰联轴器400固定于中心轴310上，并在动子板212的中心设置通孔，以使得动子板212可通过通孔与法兰联轴器400进行固定，从而实现动子板212与中心轴310的相对固定。可以理解，当通过利用法兰联轴器400将动子板212与中心轴310进行固定时，可保证动子板212与中心轴310同轴设置，从而保证摩擦发电的效果。

[0074] 另外，本实施例中的交叉滑动型摩擦纳米发电机还包括导电滑环500，该导电滑环500套设于中心轴310。具体的，导电滑环500可包括定子结构和动子结构，定子结构与壳体
110之间相对固定，动子结构可相对定子结构绕中心轴310转动。用于连接设置于动子板212上的各导电薄膜的导线可沿动子结构的周向缠绕于动子结构，并固定于定子结构。当动子结构转动时，可相对各导线转动，从而避免导线发生断裂，以此来保证摩擦纳米发电机的正常运行。

[0075] 如前所述，摩擦发电模组200包括至少一组摩擦发电模块210，具体设置时，摩擦发电模组200可包括一组摩擦发电模块210、两组摩擦发电模块210、三组摩擦发电模块210，等等。如图6所示，当设置了两组及以上摩擦发电模块210时，多个摩擦发电模块210可沿中心轴310的轴线方向排列，以便于可通过中心轴310同时驱动多个摩擦发电模块210进行发电。

[0076] 作为一种可选的实施方案，当设置了两组及以上摩擦发电模块210时，相邻的两个摩擦发电模块210可共用一个定子板211。这时，其中一个摩擦发电模块210的第一正电摩擦导电层2131以及第二负电摩擦导电层2142与另一个摩擦发电模块210的第一正电摩擦导电层2131以及第二负电摩擦导电层2142分别固定于定子板211相对的两侧，由于定子板211在工作过程中保持固定，当共用定子板211时，不仅可简化结构，还可进一步提高空间利用率。

[0077] 显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。