[发明专利]一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置及方法

说明书

本发明提供一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其包括放电尖端、上定子、转子、下定子、传动杆、固定端面齿轮、转子端面齿轮以及弹簧，放电尖端设置在上定子的上表面，转子设置在上定子与下定子之间，上定子、转子与下定子借助于传动杆进行连接，传动杆与上定子之间设置有固定端面齿轮，传动杆与转子之间设置有转子端面齿轮，传动杆与下定子之间设置有弹簧，固定传动齿轮与传动杆固定连接，转子端面齿轮与转子固定连接并能够在传动杆上滑动，从而能够沿着轴向的位置移动。本发明的的转子驻极与定子介电摩擦结构的接触‑分离过程，可以减少滑动摩擦的发生，在工作过程中减少摩擦阻力，减缓了介电摩擦结构的磨损，提高结构的耐久性。

技术领域

本发明属于环境能量采集技术领域，具体涉及一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置。

背景技术

目前，公知的旋转式摩擦纳米发电机多是利用一个转子上的驻极与定子电极上所附的摩擦材料膜接触起电，并在定子上的两组电极中产生静电感应，随后利用转子上驻极转动造成的电场变化，使两组定子电极之间产生电势差的变化，进而驱动电子通过外电路负载在两组电极之间来回流动，以此完成电荷转移，实现发电的功能。由于转子上驻极的表面电荷密度会随着时间缓慢降低，因此需要驻极与介电摩擦材料的经常性接触和摩擦，而过于频繁的摩擦会降低设备的耐久性。此外，由于摩擦纳米发电机的表面电荷密度与其功率输出的二次方成正比，而常规接触起电方式所能得到的电荷密度较低，很大程度上限制了装置的能量转化效率。

发明内容

为了解决上述现有技术中的缺陷，本公开提供了一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，以进一步提高旋转式摩擦纳米发电机的能量转化效率和耐久性。

本发明提供一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其包括放电尖端、上定子、转子、下定子、传动杆、固定端面齿轮、转子端面齿轮以及弹簧，

所述放电尖端设置在所述上定子的上表面，所述转子设置在所述上定子与下定子之间，所述上定子、转子与下定子借助于所述传动杆进行连接，所述传动杆与所述上定子之间设置有所述固定端面齿轮，所述传动杆与所述转子之间设置有所述转子端面齿轮，所述传动杆与所述下定子之间设置有所述弹簧，所述固定端面齿轮和转子端面齿轮之间相互啮合，所述固定传动齿轮与所述传动杆固定连接，所述转子端面齿轮与所述转子固定连接并能够在所述传动杆上滑动，从而能够沿着轴向的位置移动；

所述上定子包括上基板、第一上电极组、第二上电极组、介电材料薄膜，所述上基板为中心设置有通孔的环状结构，所述第一上电极组及第二上电极组分别包括多个上电极，两组上电极交替排列并各自呈环形的围绕设置在所述上基板的下表面，所述介电材料薄膜设置在所述第一上电极组及第二上电极组的表面上；

所述转子包括上驻极、转子基板以及下驻极，所述上驻极和下驻极分别呈环形的围绕设置在所述转子基板的上表面和下表面；

所述下定子包括介电摩擦材料薄膜、第一下电极组、第二下电极组和下基板，所述下基板为中心设置有通孔的环状结构，所述介电摩擦材料薄膜设置在所述下基板的内环端面上，所述第二下电极组设置在所述下基板的上表面，所述第一下电极组及第二下电极组分别包括多个下电极，两组下电极组交替排列并分别呈环形的围绕设置在所述下基板的上表面，所述介电材料薄膜设置在所述第一下电极组及第二下电极组的表面上；

所述弹簧的第一端固定于所述传动杆上，所述弹簧的第二端与所述转子接触并提供一定的初始压力，使所述固定端面齿轮与所述转子端面齿轮在角加速度小于设定阈值时充分啮合，当所述传动杆的角加速度高于设定阈值时，固定端面齿轮对转子端面齿轮的作用力沿传动杆轴向的分力将大于弹簧所提供的初始压力，此时，转子端面齿轮与转子发生轴向的位置移动，实现转子的下驻极与所述介电摩擦材料薄膜之间的接触起电；