[发明专利]一种堆栈式旋转静电发电机

说明书

本发明一种堆栈式旋转静电发电机，属于微能源系统，包括动力收集组件、轴承座板、固定圆筒、动圆盘组件、静圆盘、连接螺钉组件、油封轴承和旋转轴；动力收集组件固定于所述的旋转轴上，在外力的驱动下带动旋转轴、转轴上固定的动圆盘组件同步旋转，使动圆盘上的驻极体电极与静圆盘上的工作电极的正对面积发生周期性的变化，造成电容值周期性的变化，由此产生电信号并向外电路输出。输出的电能可应用于各类无线传感节点的供电或作为环境流体流速的实时监测。由于采用的是正、负驻极体间隔等间距排列，大大提高了动圆盘表面的荷电效率，提升了发电机的输出功率。

技术领域

本发明属于微能源系统的能量转化领域，具体涉及一种堆栈式旋转静电发电机。

背景技术

随着便携式电子产品在日常生活中的广泛应用，急需寻找一种易于与其结合且可靠性高的供电方法。从环境中收集已存在的机械能量的方法逐渐成为自供电微机电系统的电源系统方案，这种方式也更有利于微机电系统的进一步微型化。可将自然环境广泛存在的如风能、水力能量转换为可以带动发电机工作的旋转运动能量。同等条件下，驻极体发电机相比于传统的电磁式发电机，输出功率要更高，工作频率更低的特点。一种三维堆叠式旋转静电能量采集器具有体积小、易于制造、成本低、易于封装及可靠性高等优点，能适应众多复杂工作环境，且能与无线电子器件融合，因此有着广泛的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，Weiqing Yang等人在“3D Stack IntegratedTriboelectric Nano-generator for Harvesting Vibration Energy”(AdvancedFunctional Materials，2014，24(26)，4090-4096)(中文题目“面向振动能的3D堆叠集成式摩擦纳米发电机”国际期刊：先进功能材料)文章中报道了一种三维多层集成的摩擦纳米发电机，用以收集环境中的振动能量。其在谐振频率40Hz及最佳阻抗为2MΩ处，输出的电能密度为104.6W·m^-2。然而，由于文中结构只能是面内振荡运动，极板相对面积变化率相对较小，且有机械弹簧的缓冲，降低了能量转换的效率，其输出功率相对较小。Yannan Xie等人在“Multi-layered disk triboelectric nanogenerator for harvesting hydropower”(Nano Energy(2014)6,129–136)(中文题目“用于水力发电的多层圆盘摩擦纳米发电机”国际期刊：纳米能源)文章中报道了一种多层集成旋转式摩擦发电机，在1000r/min条件下，该发电机开路电压能够输出460V，功率密度能够最大输出42.6W/m²。然而，由于是基于摩擦发电式的，摩擦层表面纳米结构容易破坏，影响发电效率；而且文中提出的多层叠加方法为D形轴与扇区圆盘中心孔切合的方式，无其余定位连接件，容易松动；并且相邻扇区圆盘之间距离通过螺钉和弹簧控制，容易出现扇区圆盘翘曲的现象，对最后的封装会提出更苛刻的要求。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种堆栈式旋转静电发电机，通过多个栅格圆盘按一定的间距堆叠而成，主要分为动圆盘和静圆盘两大组成部分，实现旋转能量的同步采集输出，减小收集过程中阻尼消耗，最大程度提高发电机结构的空间利用率。动圆盘圆形端面被驻极体薄膜覆盖，通过电晕充电的方式可以将电荷预注入到驻极体薄膜中，使其动圆盘表面形成一个偏置电压。利用驻极体薄膜静电感应的原理，将旋转机械能转换为电能，旋转轴上安装不同形式的收集叶片，可以收集风能、水力能量等。