CN104485836B - 一种叠片式摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叠片式摩擦发电机，包括若干叠放在一起的金属弹片，金属弹片包括第一金属弹片和上下面均贴有PTFE膜的第二金属弹片，第一金属弹片和第二金属弹片相间叠放，从下到上金属弹片的长度递减，所有金属弹片的一端对齐，并通过固定件夹在一起，所有第一金属弹片夹持端引一根导线，所有第一金属弹片的导线相连构成M电极，所有第二金属弹片的夹持端也引一根导线，所有第二金属弹片的导线相连构成P电极。本发明独特的叠片式结构不仅有效实现能量转存，还极大扩大了发电机的应用范围，有着类似翻书的运动物体均可作为能量源，无论运动幅度的大小，此外叠片式结构具有较高的发展变种空间，具有收集振动，滑动，转动等能量潜质。

Description

一种叠片式摩擦发电机

技术领域

本发明涉及一种叠片式摩擦发电机，属于摩擦电纳米发电机领域。

背景技术

纳米发电机在2006年被首次提出以来，就受到了广泛关注，不仅可给微型器件提供动力，还满足了可持续发展社会对能源的需求，越来越多的研究人员投身其中，人们利用压电效应、摩擦电效应、热释电效应制备了各式各样的纳米发电机，其中摩擦电效应以其简单高效而备受青睐，利用摩擦电效应的摩擦电纳米发电机(TENG)人们成功收集了生活环境中富存的各式各样的机械能，诸如气流，水流，振动，滑动，转动，甚至声能和生物能。可见TENG是一种高效、低成本的收集周边环境能量的器件。然而，对之前的一系列的发电机，要获得可观输出，往往需要高速度(线速度或者角速度)的运动，或者幅度较大的运动，很明显，日常生活中的诸如门的开关，水龙头的旋转，抽屉的拉推既没有高速的运动和长时远距的持续性，难以通过常规摩擦电发电机产生有效输出，使得以收集周边环境能量著称的摩擦电发电机的应用受限，有必要对TENG进行改进，使其能更好地应用到日常生活中。

发明内容

针对现有的问题，本发明的目的在于提供一种能在日常生活中使用的叠片式摩擦发电机。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种叠片式摩擦发电机，其特征在于：包括若干叠放在一起的金属弹片，所述金属弹片包括第一金属弹片(1)和上下面均贴有PTFE膜的第二金属弹片(2)，所述第一金属弹片(1)和第二金属弹片(2)相间叠放，从下到上金属弹片的长度递减，所有金属弹片的一端对齐，并通过固定件(3)夹在一起，所述固定件(3)与金属弹片之间绝缘，所有第一金属弹片(1)夹持端引一根导线，所有第一金属弹片(1)的导线相连构成M电极，所有第二金属弹片(2)的夹持端也引一根导线，所有第二金属弹片(2)的导线相连构成P电极。

采用上述方案，本发明的叠片式结构的设计使得发电机收集日常生活中诸如转动，平动，振动多种形式能量，只要能实现从上到下刮金属弹片(如将两个叠片式摩擦发电机相背安装在门框上，两个发电机之间加上PVC作为绝缘材料，避免相互影响，在门开和门关的过程中，分别能实现从上到下刮两个摩擦发电机的金属弹片，从而能用该发电机产生的电能点亮LED灯。或者如用风扇扇叶的旋转从上到下刮金属弹片，产生的电也能点亮LED灯，还能为充电器充电)。金属弹片的引入使得发电机能将低速物体的动能暂存并积攒为弹性势能，瞬间释放的弹性势能使金属弹片有高速度，因而有高输出电流。

此叠片式摩擦发电机的输出性能是多种因素共同作用的结果(金属弹片长度、金属弹片数量、刮片频率，刮片位置、弹片厚度等)，目前得到的最佳输出短路电流和开路电压分别可达205μA，470V，最大功率密度达9.68W/m²(金属弹片有效长度6cm，刮片位置1.5cm，片数11片，频率2.5HZ,弹片厚度0.08mm)，超越了以往同类型发电机输出性能。应用上，我们使用其点亮了上百盏LED，在30s内将47μF的电容器从0V充电至4.2V，并成功应用到了自驱动门监视器。该器件将低速运动通过弹性势能转换为高速运动，可以提高发电机的应用范围。所制作的叠片式摩擦发电机具有可弯曲、轻巧便携、高输出功率密度特点，展现出叠片式摩擦发电机在智能家居，传感检测、国防工业、个人电子设备等方面有着应用前景，在纳米发电机应用到实际生活上迈出了一步。

作为优选：所述金属弹片的长度从下到上金属弹片的长度等额递减。

在上述方案中：所述固定件(3)为夹子，所述固定件(3)上贴有绝缘胶带。从而实现固定件与金属弹片之间的绝缘性。

在上述方案中：所述金属弹片由弹簧钢制成，洛氏硬度HRC为55-58，先经过乙醇喷雾清洗除去表面油污，然后干燥后使用。

在上述方案中：所述第二金属弹片(2)的PTFE膜通过双面胶粘贴。这样粘贴更方便。

本发明的有益效果是：本发明的叠片式结构的设计新颖、合理，制作简单、成本低廉、独特的叠片式结构不仅有效实现能量转存，还极大扩大了发电机的应用范围，有着类似翻书的运动物体均可作为能量源，无论运动幅度的大小，此外叠片式结构具有较高的发展变种空间，具有收集振动，滑动，转动等能量潜质。该器件将低速运动通过弹性势能转换为高速运动，可以提高发电机的应用范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为11片的NTEG在刮片位置为1.5cm有效长度为6cm及刷频率为2.5Hz下的短路电流输出，插图为同条件下点亮两百多盏LED。

图3为图2条件下给47微法的电容器充电示意图。

图4为用两个叠片式摩擦发电机背靠背制作的自驱动门监视器。；

图5为不同频率刮叠片式摩擦发电机的电流输出结果示意图；

图6为在外接电阻为101M欧姆的时候的电压输出图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述：

应用例1-驱动商业LED

M电极的制作：M电极为裸露金属弹片(第一金属弹片1)，所使用的金属弹片材质为弹簧钢(1.6195M)材料，洛氏硬度HRC为55-58，具有平整度好，高弹性，光洁度好,抗疲劳等特点。一卷商业弹簧垫片(宽：25mm，长：5000mm，厚：0.08mm)手工剪断成长度分别为90mm、94mm、98mm、102mm、106mm、110mm、的长条，并通过乙醇喷雾处理去除表面油污，然后于40摄氏度干燥，各片金属弹片末端加一导线。

P电极的制作：同M电极将相同金属弹片剪成长度分别为92mm、96mm、100mm、104mm、108mm的长条，乙醇喷雾清洗并置于40摄氏度干燥，各金属弹片在上下两面平整地贴上双面胶(厚度约为0.1mm)，然后上下面贴上商业未经进一步处理的PTFE膜(聚四氟乙烯膜，厚度0.1mm)作为驻极体，修剪整齐边缘多余部分。各片末端均割掉多余PTFE(25mm*10mm)，并用蘸了乙醇的干净布条擦掉残余双面胶得到第二金属弹片2，第二金属弹片2末端加一根导线。

第一金属弹片1和第二金属弹片2相间叠放，从下到上金属弹片的长度递减，相邻两片长度差距为2mm，所有金属弹片的末端对齐，并通过固定件3夹在一起，固定件3为长尾票夹，夹持部的长度为4cm，固定件3与金属弹片之间绝缘，即在长尾票夹的内表面贴有绝缘胶带，使得固定件3与金属弹片之间绝缘。金属弹片的前端形成梯田状，夹持位置的一侧到前端的梯田状中心称为为有效长度，即位于中间的金属弹片扣除4cm夹持部后的有效长度为6cm，所有第一金属弹片1的导线相连构成M电极，所有第二金属弹片2的导线相连构成P电极。器件内M电极和P电极各导线均用绝缘透明胶带保护而不相连。此实施例中扇叶叶片前端位置到最短金属片末端(夹持端)的距离称为刮片位置。此实施例中为1.5cm，刮片频率2.5HZ,输出性能通过使用斯坦福低噪声电流放大器(Model SR570)和数据采集卡测量。

为测试电源的能力，我们使用该发电机直接驱动商业LED，可见输出可达到205μA，如图2所示。图5为不同频率刮叠片式摩擦发电机的结果示意图，a1-a3刮片频率约为0.1HZ,b1-b3刮片频率约为1.5HZ,其中刮片频率约2HZ见c1-c3,d1-d3为刮片频率2.5HZ左右。图6为在外接电阻为101M欧姆的时候的电压输出图，(a)刮片频率1.5HZ，(b)2HZ,(c)2.5HZ。

实施例2—为商业电容器充电

用实施例1制得的电容器充电的同时点亮2盏LED，从0V冲到4.2V用时30秒。如图3所示。

实施例3—用作自驱动门监视器

收集多种形式能量对于收集周边日常生活环境能量驱动微型器件著称的摩擦电纳米发电机尤为重要，如门的开关，水龙头的旋转，抽屉的拉推。我们的叠片式摩擦发电机不但能收集转动风叶的机械能，还能收集平动和振动物体的能量，为证实此能力，我们选用频繁开关的门作为能量来源因其开关有如类似平动和振动的特征，且成功应用到了完全自驱动门监视器，通过监视器可以实时知道门的开关动作。实验中，我们将两个叠片式摩擦发电机相背叠放，中间加上PVC作为绝缘材料避免其相互影响，两叠片式摩擦发电机末端固定并置于门框，使得门作为刷子,两叠片式摩擦发电机的导线经远程输送到门监视电路。当门打开或关闭时，门刷过对应叠片式摩擦发电机,产生相应的脉冲电流，电流经整流和电容器的充放电点亮对应的LED。图4是工作状态实物图，可见门监视器在无需外部电源的情况下，LED实时快速正确指示门的开关动作。

应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。如金属弹片的片数还可以为除11片以外的其它片数，在有效长度、刮片位置、刮片频率等也可以变化，该叠片式摩擦发电机是多种因素共同作用的结果(金属弹片长度、金属弹片数量、刮片频率，刮片位置、弹片厚度等)，目前得到的最佳输出短路电流和开路电压分别可达205μA，470V，最大功率密度达9.68W/m²(金属弹片有效长度6cm，刮片位置1.5cm，片数11片，频率2.5HZ,弹片厚度0.08mm)，已经超越了以往同类型发电机输出性能。应用上，我们使用其点亮了上百盏LED，在30s内将47μF的电容器从0V充电至4.2V，但是这并不代表是本发明的叠片式摩擦发电机的最佳状态，通过参数的不断调整，我们并不否认还能得到更多更好的叠片式摩擦发电机。总之，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种叠片式摩擦发电机，其特征在于：包括若干叠放在一起的金属弹片，所述金属弹片包括第一金属弹片(1)和上下面均贴有PTFE膜的第二金属弹片(2)，所述第一金属弹片(1)和第二金属弹片(2)相间叠放，从下到上金属弹片的长度递减，所有金属弹片的一端对齐，并通过固定件(3)夹在一起，所述固定件(3)与金属弹片之间绝缘，所有第一金属弹片(1)夹持端引一根导线，所有第一金属弹片(1)的导线相连构成M电极，所有第二金属弹片(2)的夹持端也引一根导线，所有第二金属弹片(2)的导线相连构成P电极，所述金属弹片的长度从下到上金属弹片的长度等额递减。

2.根据权利要求1所述叠片式摩擦发电机，其特征在于：所述固定件(3)为夹子，所述固定件(3)上贴有绝缘胶带。

3.根据权利要求2所述叠片式摩擦发电机，其特征在于：所述金属弹片由弹簧钢制成，洛氏硬度HRC为55-58，先经过乙醇喷雾清洗除去表面油污，然后干燥后使用。

4.根据权利要求3所述叠片式摩擦发电机，其特征在于：所述第二金属弹片(2)的PTFE膜通过双面胶粘贴。