摩擦发电

原理：
• 摩擦电是自然界中最常见的一种现象之一，无论是梳 头、穿衣还是走路、开车都能遇到。但摩擦电又很难 被收集和利用，因此往往被所忽视。由美国佐治亚理 工学院教授王中林领导的研究小组，开发出了一种透 明的柔性摩擦电发电机，借助柔性高分子聚合物材料 成功地将摩擦转化成为了可供使用的电力。 • 摩擦电发电机依靠摩擦点电势的充电泵效应，通过聚 酯纤维薄片与聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄片的摩擦来 产生电力。借助一种分离技术，当摩擦发生时，两层 聚合物薄膜之间产生电荷分离并形成电势差，经由外 部电路即可形成电流。在摩擦中，聚酯纤维产生电子， 聚二甲基硅氧烷则负责接收电子。此外，外部的按压 产生的机械形变也能使它们发生摩擦产生电力。
• 16. 振动式摩擦发电机：振动式摩擦发电机是基于摩擦起 电和静电感应原理，通过弹簧连接两种摩擦材料，在环境 振动的作用下实现材料的接触和分离，从而产生脉冲式电 流输出。振动式摩擦发电机可以采集建筑物、车辆、甚至 生物体的振动能，连续的为低功耗、便携式电子设备或植 入式医疗器件提供能量来源。 • 17. 大功率摩擦发电机：大功率摩擦发电机是由平面化的 圆形定子和转子两部分组成，其相互接触的材料表面由一 圈呈放射性密排的微小扇形组成。在相互滑动的过程中， 电极之间的电荷转移量可以通过材料表面有序图案化得到 极大提高，使摩擦发电机的输出功率产生了质的飞跃。 • 18. 脚踏式摩擦发电机：脚踏式摩擦发电机的原理基于按 压式摩擦起电效应，夹层并联式的结构，使得输出电流能 在空间范围的情况下增大一倍。中间波浪式的夹层不仅能 够作为并联摩擦发电机的摩擦面，也可以起到接受外界应 力之后恢复到原始位置的作用，从而实现器件的连续工作。 脚踏式摩擦发电机可用于收集人走路时按压地面产生的能 量，用以驱动电子器件或能量存储。
• 4. 自供能光束调节器：自供能光束调节器由摩擦发电机和压 电纤维片组成。通过两个摩擦电性相反的材料产生摩擦而输 出的高电压来驱动压电片的弯曲变形，实现对入射光束的调 节。该光束调节器无需高压电源，在外力的作用下即可将采 集的能量直接用于驱动压电片，实现宏观机械运动对微观致 动的远程控制，具有高效节能的特点，适用于自驱动系统。 • 5.自供能电子浮漂：电子浮漂在海洋科学，环境监测中具有 重要应用。但是现在市场上的电子浮漂都是使用电池供电， 造成能源的浪费。本电子浮漂通过摩擦发电机的接触分离， 产生电能给LED灯供能。并且可以作为震动和位置传感器， 精确判定海浪大小，充分利用了海洋机械能，具有广阔的应 用前景。 • 6. 自供能发光拍手器：发光拍手器是晚会、演唱会等娱乐 场合的常用商品，但目前市面上的发光拍手器都是使用电池 供电，这不仅是一种资源浪费，还对环境有潜在威胁。本发 光拍手器采用摩擦发电机代替电池给LED供电，不仅成本低 廉，节能环保，且更具趣味性，有利于推广摩擦发电机在玩 具领域的应用，具有广阔的市场前景。
• 19. 碟式宽频摩擦发电机：碟式宽频摩擦发电机的原理基 于滑动式摩擦起电效应，摩擦电序不同的两种薄膜材料分 别固定于两个尺寸不同的圆盘上，实现充分接触的相对滑 动，并通过三个弹簧，使每次相对滑动之后，两圆盘上的 摩擦材料均可恢复到初始状态。碟式宽频摩擦发电机可用 于收集各种震动频率的机械能，用于电子器件的供电或给 储能元件充电。 • 20. 阵列式摩擦发电机 ：阵列式纳米发电机的原理是基于 摩擦发电机的自驱动动/静态的压力测试与成像系统。将 摩擦发电机阵列式排布，任何一个像素点受到压力后，会 在相应位置有电压和电流输出，电压输出用以表征器件受 到的静态压力变化，电流输出用以表征器件受到的动态压 力变化。其次，电压输出与压力的大小呈线性关系，故该 自驱动压力测试与成像系统还具有高灵敏度、响应速度快 的压力测试功能。
• 10. 水滴发电装置：本装置能将水滴（雨滴）下落过程 中与空气摩擦产生的静电能有效的收集并储存起来，具 有结构简单、成本低廉、无毒无污染等优点，是一种收 集广泛自然界能源的有效途径。 • 11. 地毯地位装置：地毯定位装置采用单电极模式。行人 鞋上带有的电荷，通过静电感应现象，使摩擦发电机感 应出极性相反的电荷。这些电荷和地之间存在着电势差， 从而驱动电子在外电路中流动。该地毯定位装置不仅可 以精确的判断出行人的具体位置，还可以收集行人走路 的机械能。 • 12. 潮汐能收集装置：海洋约占地球面积的71%，其存 在着大量的能源有待我们去开发利用。潮汐作为海洋中 的自然现象，其存在的能量长期以来都无法得到利用， 造成能源的浪费。潮汐能收集装置依靠海浪的拍打，促 使摩擦面的接触分离，将机械能转化为电能，实现能量 的收集。此装置成本低廉，利于产业化生产，有着广发 的应用前景。
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应用：
• 1. 按压式/滑动式摩擦发电机：按压式/滑动式摩擦发电机的 原理基于接触/滑动摩擦起电，采用两个摩擦电性相反的材料 作为摩擦面，通过按压或滑动的方式，使得两个材料的表面 分别带有极ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ相反的电荷。摩擦电荷导致电势差，驱动电子 在外电路中往复流动，直接对电子器件供电或给储能元件充 电。 • 2. 风力摩擦发电装置：风力摩擦发电装置是一种将风能转化 为电能的装置，基于接触分离式和滑动式摩擦的结合，通过 风吹动转子的转动带动多个摩擦板连续工作，产生高频输出 的交流电，通过整流桥直接连续的用于对电子器件供电或给 储能元件充电。 • 3. 旋转式直流摩擦发电机：旋转式直流摩擦发电机的原理基 于摩擦起电和静电感应现象，采用两个转盘和两对碳纤维柔 性电刷，通过旋转机械能驱动下的滑动摩擦和电极切换，产 生连续输出的直流电。旋转式直流摩擦发电机可以作为恒定 的电流源，直接连续的用于对电子器件供电或给储能元件充 电。
• 13. 声波传感装置：声波传感器采用的是有机聚合物薄膜 和金属电极双层结构，聚合物薄膜表面用微加工的方法制 作各种规则的微型阵列结构，以此增强摩擦效应从而提高 传感器的灵敏度。薄膜在声波的作用下作受迫振动，与金 属电极产生摩擦，产生感应电荷，从而输出电学信号。此 传感器可以用在大气和液体环境中，用于声音记录和声源 定位等。 • 14. 单电极摩擦发电球：基于摩擦起电和静电感应现象， 三维球形摩擦发电机可以有效的收集周围全空间的振动能 量。该系统采用单电极模式，在接触分离和滑动摩擦两种 形式下，金属电极失去电子，从而带正电荷，导致与接地 端产生电势差，驱动外电路中电子的流动。 • 15. 柔性透明摩擦发电机：柔性透明摩擦发电机采用的是 全透明的聚合物基底和电极，聚合物薄膜表面用微加工的 方法制作各种规则的微型阵列结构，以此增强摩擦效应从 而提高纳米发电机的输出效率，3cm×3cm的柔性器件即 可同时点亮50多盏LED灯。兼具柔性和透明特性的纳米发 电机在光学器件、电子显示器件、个人电子设备等领域具 有广阔的应用前景。
• 7. 自驱动无线触摸报警器：自驱动无线触摸报警器将摩擦 发电机与功率调控电路相结合，通过电容阵列的串并联切 换实现降低发电机输出电压、提高输出电荷总量。同时， 由于发电机的放电时间缩短，其输出电流和功率得以大幅 提高。因此，发电机受按压后产生的电信号可直接通过红 外发射管激发红外信号，为自驱动传感技术奠定了基础。 • 8. 纺织品摩擦发电手套：纺织品摩擦发电机采用尼龙、涤 纶等常见纺织品作为摩擦面，使用导电性较好的碳纤维布 或银纤维布作为电极材料，单次摩擦可产生几百甚至上千 伏的电压，发电效果显著。这种摩擦发电机柔性较好，将 来可用作服装面料，收集人们日常活动所产生的能量，给 各种便携式电子设备供电。而使用本摩擦发电机制成的发 电手套，可以用作中小学物理实验器材、魔术道具、玩具 等领域。 • 9. 刹车发电模拟装置：本刹车片模拟装置，利用静电感应 原理，收集车轮在日常转动过程中刹车片与车轮相对运动 而产生的电能，为车载电子器件、灯具等提供电能，并在 刹车瞬间获得高达数瓦的电能输出。
摩擦发电
物业管理一班
大家都知道哪些发电方式？
火力发电——内能转化为电能 核电厂发电——核能转化为电能
风力发电——机械能转化为电能
太阳能发电——光能转化为电能
潮汐能发电 ——机械能转化为电能
摩 擦 发 电 电 机

创始人：王中林 华裔美籍物理学博士 微型发电机 在2012年1月成功研发世界首台摩擦发电机。 能依靠摩擦点电势的充电泵效应，把极其 微小的机械能转化为电能。 此种发电机在电子产品、环境监测以及医 疗设备制造等领域具有巨大的应用潜力。 这种微型发电机制造工艺简单，成本低廉， 能很方便地进行大规模生产的应用。同时 它还具有极好的耐久性和可加工性，可轻 松融入其他产品的设计当中。
技术进展：
• 王中林在2012年1月成功研发世界首台摩擦发电机。并 发明了一种摩擦发电机，可以将握手、走路、潮汐等 摩擦和静电产生的电能收集和利用起来。 • 2014年3月18日，科研人员展示声波传感装置。只要人 对着手中的设备说话，薄膜在声波的作用下受迫振动， 与金属电极摩擦，产生感应电荷，输出电学信号。 • 摩擦发电机的动力源既可以是风力、水力、海浪等， 也可以是人的行走、手的触摸、下落的雨滴等环境随 机能源，甚至可以是车轮的转动、机器的轰鸣等垃圾 能源，哪怕说话也行。 • 一个4厘米见方的薄膜材料，通过导线与LED灯相连。 只要用手捏一下这个薄膜材料，LED灯就会亮起。