一种非接触旋转式摩擦电能量收集器及其使用方法

本发明属于能量转化材料及器件，特别涉及一种非接触旋转式摩擦电能量收集器及其使用方法。

背景技术：

1、基于对全球气候变化和能源危机的担忧，开发可再生、环保的新能源是人类社会发展面临的最紧迫挑战之一。直接从周围环境中获取能源是实现我们日常生活可持续性的一个非常有前景的解决方案。

2、风能作为一种清洁、广泛使用的机械能，越来越受到人们的关注，并可能在未来的电力供应中发挥重要作用。目前收集风能的主流做法是通过叶片将风能转化为旋转的能量，来带动后续能量收集器件。

3、摩擦电纳米发电机(teng)于2012年被发明以后，得到了广泛的研究，并显示出许多优点，包括规模小、成本低、易于制造和便携性。日常生活中浪费的大量机械能，如振动、人体运动、风、流动的水和旋转的轮胎，都可以被不同的teng结构利用。

4、由于传统的接触分离结构teng工作方式单一，只能收集垂直方向运动的能量，因此与目前收集风能的主流方法并不适应，因此有研究人员开发了旋转式的teng。相对于接触分离式teng结构，旋转结构teng能够利用旋转导致的输出电极相对材料带电性质周期性变化，感应出变化的电势，收集旋转的能量。

5、但是，传统旋转式teng依赖摩擦过程中的电荷转移积累电荷，在静电感应过程中输出电流。长期的摩擦过程中会材料产生摩损，破坏材料的表面形貌，降低器件的输出性能，严重影响了器件的使用寿命。

6、因此，有必要针对上述技术提出改进方案。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服上述现有摩擦电器件技术中的不足，提供一种非接触旋转式摩擦电能量收集器及其使用方法。利用该方法制得的产品能实现将摩擦起电与静电感应的过程进行分离，从而延长产品的使用寿命。

2、为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种非接触旋转式摩擦电能量收集器，包括中空盒状的壳体，以及相对布置在壳体内部的定子与转子，两者保持间距通过空气绝缘；定子与壳体的一个端面固定连接，转子通过转轴嵌套安装在设于壳体另一个端面上的轴承中；其中，

4、所述定子包括绝缘底板，在其表面设有金属薄片、金属薄膜或金属镀层形式的第一输出电极和第二输出电极，两者互不连通；第一输出电极和第二输出电极均由若干个沿环向相间布置且依次相连的扇形电极组成，分别从最末端的扇形电极引出接线端子；第一输出电极和第二输出电极的扇形电极数量相等且交替布置在绝缘底板上，共同组成定子表面的圆形电极区域；

5、所述转子包括依次布置的荷电薄膜层、导电粘胶层和绝缘基底；其中，荷电薄膜层包括若干个沿环向交替布置的扇形的ptfe薄膜和乙基纤维素薄膜，共同组成与定子表面电极区域面积相同的圆形；在荷电薄膜层中，扇形薄膜的总数与所述扇形电极的数量相等；荷电薄膜层通过导电粘胶层固定在绝缘基底表面，后者通过转轴和轴承安装在壳体端面上，所述转轴位于绝缘基底外侧的中央位置。

6、作为本发明的优选方案，所述壳体的径向截面呈方形或圆形；所述接线端子从壳体的端面引出。

7、作为本发明的优选方案，所述定子是印刷电路板，所述绝缘底板是环氧树脂基材；所述第一输出电极和第二输出电极通过刻蚀方式露出于环氧树脂基材表面，并形成定子表面的圆形电极区域；所述接线端子位于壳体的端面外侧，并通过导线接至第一输出电极和第二输出电极中的扇形电极。

8、作为本发明的优选方案，所述导电粘胶层是双面镍胶带，绝缘基底是亚克力基底。

9、作为本发明的优选方案，所述第一输出电极中，各相邻扇形电极之间通过导线依次连接其靠近圆心角的端部；所述第二输出电极中，各相邻扇形电极之间通过导线依次连接其外缘的端部；所述第二输出电极中扇形电极的径向尺寸小于第一输出电极中扇形电极。

10、作为本发明的优选方案，所述第一输出电极和第二输出电极中，分别有16个扇形电极，各扇形电极的圆心角均为11.25°；第一输出电极中的扇形电极径向尺寸为50mm，第二输出电极中的扇形电极径向尺寸为50.5mm，各相邻扇形电极的间距均为0.5mm。

11、作为本发明的优选方案，所述荷电薄膜层中有32个扇形薄膜，扇形薄膜的圆心角为11.25°，径向尺寸为50mm；所述ptfe薄膜和乙基纤维素薄膜的厚度均为100μm。

12、作为本发明的优选方案，所述转子的荷电薄膜层与定子表面的圆形电极区域相对布置且不接触，两者最大间距不超过1mm。

13、作为本发明的优选方案，所述定子的圆形电极区域的圆心位于转子的转轴所处轴线上。

14、本发明进一步提供了前述非接触旋转式摩擦电能量收集器的使用方法，包括：

15、(1)预充电：在进行能量收集器的整体组装之前，先以绝缘夹具固定住转子，使用砂纸沿圆周方向自内向外打磨交替布置的扇形的ptfe薄膜和乙基纤维素薄膜，重复该操作3～5次，使转子表面产生电荷；

16、(2)利用机械传动机构将所述转子的转轴连接至外部转动设备的转轴，通过外部转动设备的旋转运动带动转子相对于定子发生转动；荷电薄膜层与定子表面的圆形电极区域之间产生感应电荷，并通过与定子上两组扇形电极末端相连的接线端子传导至用电负载或储能设备。

17、发明原理描述：

18、摩擦发电效应是摩擦时电荷的转移和静电感应效应的耦合。非接触式摩擦发电机是一个通用的技术概念，与传统摩擦发电机的不同之处在于将电荷转移过程与静电感应过程分离，此类器件依然是由摩擦发电机(teng)发展而来，所以即使工作过程中不存在摩擦层的摩擦，此类发电机依然被归类成摩擦发电机。(advanced functional materials,2023,33(52))

19、本发明采用改进的结构设计，将具有正电性的乙基纤维素和负电性的ptfe交替设置。由于经过充电以后乙基纤维素薄膜带正电，ptfe带负电，旋转过程中带正电乙基纤维素薄膜在电极表面首先感应出了负电荷，旋转一定角度后，同一电极相对的材料从具有正电性的乙基纤维素变成负电性的ptfe，ptfe在电极表面感应出了正电荷，电极电势的变化通过电路传输给了用电器，以此在非接触的情况下实现了旋转能量的收集。

20、本发明采用类似光栅的电极形状和小角度的摩擦层和电极设计，提升了输出频率。在旋转角速度相同的情况下，更小的圆心角代表着电极电势由正向负再变为正的次数越多，产生的电流峰值也越多，从而提升了输出频率，进而提升输出性能；

21、本发明采用预充电的方法，使收集器在工作过程中避免了直接接触磨损，提升了收集器的使用寿命。传统旋转式摩擦电能量收集器为了能让摩擦层材料带有初始电荷采用了接触的结构产生摩擦使电荷发生转移，但在摩擦层材料带电荷之后并没有相互分离，导致器件一直处于摩擦的状态，加速了磨损失效。本发明把电荷转移和静电感应过程分离，采用预充电的方法，使定子和动子两个器件相对布置且不接触的情况下工作，延长了器件的使用寿命。

22、本发明将乙基纤维素薄膜和ptfe薄膜这两种材质间隔布置在双面导电胶带上，其设计目的是，利用双面导电胶带中和两种薄膜背面因预充电产生的感应电荷，防止薄膜因为内电场过强导致的电荷渗漏，使其正面能够携带更多的电荷，从而提升器件的输出性能。

23、相比于现有技术，本发明的技术效果是：

24、(1)本发明的正负电性摩擦材料交替结构制备工艺简单，可重复性高，适合量产。

25、(2)本发明的正负电性摩擦材料交替结构相较传统的摩擦发电机提高了电极在相同时间内电势的变化，提高了电势变化率，进而提高摩擦纳米发电机的输出性能。

26、(3)本发明的电极光栅结构缩短了电极变化相同电势所用时间，提高了电势变化率，进而提高摩擦纳米发电机的输出性能。

27、(4)本发明的电荷储存部分和输出电极部分相分离，克服了传统摩擦发电机的磨损失效问题。