CN104022677B - 收集生物运动能量的摩擦式发电机及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于摩擦起电及静电感应原理，用于收集生物运动能量及监测生物运动的摩擦式发电机，它包括脚底或生物体、贴于人体或生物体上的导电电极、普通地面、地或导体。所述的脚底为人脚底或生物体的脚掌，生物体为人或动物的身体，贴于人体或生物体上任意部位的导电电极作为生物体电极，从其引出导线通过负载与地或导体相连。本发明与传统的能量采集器相比，不需使用额外的功能材料、器件和导电电极，且有相当高的电压输出和很强的充电能力。本发明提出的制造方法简单、成本低、易于制作、可用性高，并且易于与传统电子器件集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于摩擦起电的发电机，具体涉及一种基于摩擦起电及静电感应原理，用于收集生物运动能量及监测生物运动的摩擦式发电机。
背景技术
从生活环境中采集能量，被广泛视为实现绿色能源和能源可持续发展的有效途径，将有望在无线传输系统、植入式医疗器件、乃至消费类电子的供能中发挥重要作用。而生物体本身就是充满了各种形式的能量，包括机械能、化学能等，以人体为例，科学研究表明，人体一天消耗的能量相当于800个2500mAh的电池，可供手机正常消耗3年。
近年来，基于摩擦生电原理的摩擦式发电机引起了研究人员极大的兴趣，摩擦型发电机利用不同材料得失电子能力的差异，通过摩擦使不同材料表面带有异种电荷，当不同表面产生相对运动时，由于两表面间电容值的变化，外电路中会有电荷流动，从而达到发电的效果。通过拱形结构使两表面迅速分离[Wang,S.,Lin,L.andWang,Z.L.NanoLetters,vol.12,pp.6339,2012]，可以得到高电压输出的摩擦型纳米发电机，其输出电压峰值高达几百伏，但是摩擦型发电机虽然输出很高，但用于收集生物体运动能的形式还比较少，应用范围也受到一定的限制。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于生物体摩擦的发电机及其制备和使用方法，利用人或其他动物行走时生物体与周围环境在摩擦时得失电子的差异，当在地面走动时或者与做出其他动物时形成相对的得失电子，利用生物体是一个良导体的特性，在生物体任何部位贴上电极即可形成发电机，并提供高达几百伏的电压输出，并可实时监测生物体的运动。
为达到上述目的，以人体为能量采集对象为例，本发明提供了收集生物运动能量的摩擦式发电机，需要说明的是，该发明并不局限于人体能量采集，其他动物、家禽也可用此方法采集能量或检测运动。
本发明一种收集生物运动能量的摩擦式发电机，包括脚底、贴于人体或生物体上的导电电极、普通地面、地或导体。所述的脚底位于地面上，贴于人体或生物体上任意部位的导电电极作为生物体电极，从其引出导线通过负载与地或导体相连。
本发明的优点在于：
1、本发明提出的基于生物体运动时与周围环境摩擦的能量采集器，与传统的电磁式、压电式能量采集器相比，不需使用额外的功能材料与器件，与之前摩擦式能量采集器相比，不需使用额外的导电电极，不需要产生形变，且有相当高的电压输出和很强的充电能力。
2、本发明利用生物体做电极，利用生物体阻抗远小于摩擦发电机匹配阻抗的特点，使本发电机的输出可以在生物体的任何部位获得，极大的便利了本发明的使用
3、本发明由于自身可以提供相当量的电能，且与生物体运动密切相关，可作为自驱动生物体运动检测器，与现有设备相比，本发明可以监测更多的运动形式，且不需要辅助的驱动电路。
4、本发明提出的制造方法简单、成本低、易于制作、可用性高，并且易于与传统电子器件集成。
附图说明
图1为本发明的基于脚底摩擦的发电机结构示意图。
图2为本发明操作原理示意图。
图3为本发明输出电压波形示意图。
图4为人走路时单步充电能力示意图。
图5为人不同动作时该发电机输出波形图。
图中：
1.导电电极，2.脚底，3.地或导体，4.地面，5.负载。
具体实施方式
下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制。
本发明提供了收集生物运动能量的摩擦式发电机，需要说明的是，该发明并不局限于人体能量采集，其他动物、家禽也可用此方法采集能量或检测运动。
下面结合附图1-图5阐述本发明提供的基于脚底摩擦的发电机及其制备和使用方法的具体步骤，需要说明的是本发明不仅可用于收集人或动物走路的能量，其他运动形式比如坐下等也可以。
图1为本发明的发电机结构示意图，其结构包括：脚底2、贴于人体或生物体上的导电电极1、普通地面4、地或导体3。下面利用图2的原理示意图，以收集人体运动能量为例作具体说明：人脚底2开始时位于地面4上，贴于人体任意部位的导电电极1作为生物体电极，从其引出导线通过负载5与地或导体3相连。当人走动时，由于人脚底2与地得失电子能力的不同，人脚底2会与地面4有相对电子的得失，从而在人脚上感应出相应电子，这会在人体与地或导体3之间形成电位差，这个电位差通过导电电极1驱动电子在负载5和地或导体3中流动，形成电流回路，从而将人运动时的机械能转化为电能。
所述的脚底2底部带有修饰材料EVA泡棉、塑料、橡胶等与地面摩擦时得失电子能力差别较大的材料，也可是导电材料如铜、铝、铁等。
所述导电电极1为有较强导电能力(电阻率小于1Ω·m)的金属如铝、铜、银、金或半导体材料如铟锡金属氧化物(ITO)等。
所述的生物体为人或动物的身体；脚底2为人脚底或生物体的脚掌。
所述导体3为能容纳一定电荷的设备或者电子器件如线圈、其他人体及生物体等。
所述的负载5的阻值为1MΩ-100GΩ。
所述生物体电极是指人体任一部位都可以作为电极输出。
本发明还提供该收集生物运动能量的摩擦式发电机的使用方法，包括以下步骤：
a、在人或动物的脚掌底上贴一层与地面得失电子能力差别很大的材料；
b、在需要能量或者生物运动数据的电子设备引出电极贴到人体或生物体上作为生物体电极，另一电极与地或者一块导体相连；
c、通过物理化学方法对脚掌底上材料表面层进行修饰；
d、人或动物在地面上行走。
上述收集生物运动能量的摩擦式发电机使用方法中：
步骤a中所述材料为与地面得失电子能力差别大的材料，如绝缘材料聚EVA泡棉，塑料，橡胶等，也可是导电材料如铜、铝、铁等。
步骤b中所述导电电极为有较强导电能力(电阻率小于1Ω·m)的金属如铝、铜、银、金或半导体材料如铟锡金属氧化物(ITO)等。
步骤b中所述导体为能容纳一定电荷的设备或者电子器件如线圈、其他人体及生物体等。
步骤c中所述方法为能增加材料表面粗糙度或者改变材料表面能的方法，如氟碳等离子体处理等。
以上所述制备步骤，其制备流程并非固定不变，根据实际需要可调整顺序或删减步骤。
图3为人在普通大理石地面上走动时的输出波形，从图3可以看出，当人在地上走动时，便形成交流的信号的输出，运动速度不同，输出信号也不相同，从而可以用于探测人的运动。图4为人普通地面上单步运动时，一步输出对一个77.8nF充电波形，可以看出本发明提供发电地面有很好的充电能力。图5为人在不同运动方式时，输出波形，可以看出，人的运动方式不同，输出波形不同，从而本发明可以用做一个自驱动传感器。
本发明所提供的摩擦式发电机可以应用于以下领域：
1、该摩擦式发电机基于人或其他小动物运动时，生物体与周围环境的摩擦生电，因此可用于收集生物体运动能量，为可穿戴电子设备与植入式电子设备供电。
2、以收集人体运动能量为例，该摩擦式发电机电量来源于人体的主动与被动运动，且不同运动方式有不同的输出特征，因此可用于监测人运动的形式，作为自驱动的人运动的监测器。
3、通过合理的电路设计，本发电机输出信号可与常用TTL和CMOS电路信号兼容，选用适当电子器件，可与智能手机等设备构成一种健康监测设备
以上对本发明提出的一种基于生物体运动的摩擦发电机及其制备方法进行了详细说明，并通过实例对本发明的原理及实施方式进行了具体诠释，以帮助理解本方面的核心原理及方法。本发明并不限于上述实施方式，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员在不背离本发明的实质内容的前提下，所做的任何改进、替换等均属于本发明范围内。
Claims (7)
1.一种收集生物运动能量的摩擦式发电机，其特征在于：包括脚底(2)、贴于人体或生物体上的导电电极(1)、普通地面(4)、地或导体(3)；脚底(2)位于地面(4)上，贴于人体或生物体上任意部位的导电电极(1)作为生物体电极，从其引出导线通过负载(5)与地或导体(3)相连；所述的脚底(2)底部带有修饰材料EVA泡棉、塑料或橡胶；或是导电材料：铜、铝或铁。
2.根据权利要求1所述的摩擦式发电机，其特征在于：所述导电电极(1)为有较强导电能力的金属铝、铜、银或金。
3.根据权利要求1所述的摩擦式发电机，其特征在于：所述导电电极(1)为半导体材料铟锡金属氧化物。
4.根据权利要求1、2或3所述的摩擦式发电机，其特征在于：所述导体(3)为能容纳一定电荷的设备或者电子器件或其他人体及生物体。
5.根据权利要求4所述的摩擦式发电机，其特征在于：所述的导体(3)是线圈。
6.一种收集生物运动能量的摩擦式发电机的使用方法，包括以下步骤：
a、在人或动物的脚掌底上贴一层与地面得失电子能力差别很大的材料；
b、在需要能量或者生物运动数据的电子设备引出电极贴到人体或生物体上作为生物体电极，另一电极与地或者导体相连；
c、通过物理化学方法对脚掌底上材料表面层进行修饰；
d、人或动物在地面上行走。
7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：
步骤a中所述与地面得失电子能力差别大的材料为：绝缘材料聚EVA泡棉，塑料或橡胶；或是导电材料：铜、铝或铁；
步骤b中所述电子设备引出电极为金属铝、铜、银或金，或是半导体材料铟锡金属氧化物；
步骤b中所述导体为能容纳一定电荷的设备或者电子器件：线圈；或者所述导体为人体及生物体；
步骤c中所述方法为能增加材料表面粗糙度或者改变材料表面能的方法：氟碳等离子体处理。
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