CN105429503B - 一种基于驻极体的折叠式振动发电机及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于驻极体的折叠式振动发电机及其发电方法。本发明采用在柔性的基底上相对的面设置金属极板，并且在相邻且相对的金属极板上设置相反电性的驻极体层，从而相邻的金属极板间产生感应电荷并形成电容；发生振动折叠的基底进行周期性的拉伸和压缩，相邻的金属极板间的正对面积发生周期性变化，造成电容值周期性的改变，金属极板间的感应电荷因此发生周期性变化，向电源管理电路输出交变的电流，振动能转换为电能；本发明在目前微风力MEMS发电技术中展现高发电密度的特性，同时具有尺寸和体积小、轻质、高集成度等优点，可广泛应用于物联网中的各类无线传感网络节点的供电，如便捷式可穿戴设备、无人值守的无线智能系统中。

Description

一种基于驻极体的折叠式振动发电机及其发电方法

技术领域

本发明涉及折叠式发电技术，具体涉及一种基于驻极体的折叠式振动发电机及其发电方法。

背景技术

微电源是MEMS技术最重要的研究方向之一，是近年来世界各国研究的热点。我们针对某些分布式系统、无线通信、交通、航空航天、战地侦查、灵巧炸弹等对微能源的迫切需求，研究设计一种在理论上可以无限期使用的将外界环境振动能转换为电能的折叠式驻极体微型发电机，具有重要的理论意义和迫切的应用需求。

传统的能源供应装置逐渐不能满足MEMS技术发展的需求，很难为各种微型便携式微系统装置或自主式微系统提供能量，而机械能是环境里最为广泛的能源之一，折叠式发电机通过拾振装置将外部的振动机械能转换成电能，可以应用于某些存在微振动的环境中。近年来科学工作者开展了对基于将外界环境振动能转换为电能的微型发电机探索研究，研究表明在无法实现电池充电或燃料更换等使用条件受限的情况下，这种折叠式微型发电机具有巨大的应用前景。微型折叠式发电机是利用电磁、静电、压电等效应，通过拾振装置将外部的机械振动转换成电能。折叠式微型发电机按原理的不同分为电磁式、静电式和压电式等。基于MEMS技术的微能源已成为当前国内外研究的热点之一。已有的微型折叠式发电机多为刚性材料，不可折叠，且材料不易得，本设计所得的驻极体折叠式振动发电机具有柔性可折叠和材料易得的优势。

发明内容

针对以上现有发电方法在MEMS领域中存在的问题，本发明提供了一种基于驻极体的折叠式振动发电机及其发电方法，将生活中的振动能转换为电能。

本发明的一个目的在于提出一种基于驻极体的折叠式振动发电机。

本发明的基于驻极体的折叠式振动发电机包括：基底、金属极板、驻极体层和电源管理电路；其中，基底采用柔性绝缘有机材料；在基底上沿直线均匀分布有2N块金属极板；在每一块金属极板上粘接有一层驻极体层；所有第(2i-1)驻极体层上分布有同种电荷，所有第2i驻极体层上分布有与所有第(2i-1)驻极体层相异的电荷；所有第(2i-1)金属极板通过一根导线串联，所有第2i金属极板通过另一根导线串联，分别连接至电源管理电路的两端；在基底上，每相邻的两块金属极板之间具有折痕，沿折痕将基底折叠成截面的形状为三角波或者梯形波；从而，第(2i-1)驻极体层与第2i驻极体层，与原基底所在的平面具有倾斜角，二者相对且不互相接触，分别具有异性的电荷，由于电荷感应，紧贴驻极体层下的第(2i-1)金属极板与第2i金属极板分别产生异性的感应电荷，形成电容；当发生振动，折叠的基底进行周期性的拉伸和压缩，相对的第(2i-1)金属极板与第2i金属极板之间的倾斜角发生变化，从而二者的正对面积发生周期性变化，形成电容值周期性的改变；相对的金属极板之间的感应电荷发生周期性变化，进而在导线中产生感应的交变电流；导线将交变的电流传输至电源管理电路，将交变的电流转化为直流并储存起来；其中，N和i均为自然数，且i∈{1、……、N}。

驻极体的材料采用派瑞林(Parylene)、特氟龙(Teflon)和二氧化硅等驻极体材料中的一种。

电源管理电路包括桥式整流电路、匹配电阻、电能存储单元、变电器和输出端口；其中，所有第(2i-1)金属极板与所有第2i金属极板分别通过导线电学连接在桥式整流电路的两端；桥式整流电路与后端的匹配电阻、电能存储单元和变电器在电学上并联；输出端口包括电源线和地线，分别连接至外部接口。

本发明的另一个目的在于提供一种基于驻极体的折叠式振动发电方法。

本发明的基于驻极体的折叠式振动发电方法，包括以下步骤：

1)在柔性的基底上沿直线均匀分布2N块金属极板，在每一块金属极板上粘接一层驻极体层，其中，N为自然数；

2)将所有第(2i-1)驻极体层充上同种电荷，所有第2i驻极体层充上与所有第(2i-1)驻极体层相异的电荷，其中，i为自然数，且i∈{1、……、N}；

3)所有第(2i-1)金属极板通过一根导线串联，所有第2i金属极板通过另一根导线串联，分别连接至电源管理电路的两端；

4)沿基底上相邻的两块金属极板之间的折痕，将基底折叠成截面的形状为三角波或者梯形波，第(2i-1)驻极体层与第2i驻极体层，与原基底所在的平面具有倾斜角，从而二者相对且不互相接触，分别具有异性的电荷，由于电荷感应，紧贴驻极体层下的第(2i-1)金属极板与第2i金属极板分别产生异性的感应电荷，形成电容；

5)当发生振动，折叠的基底进行周期性的拉伸和压缩，相对的第(2i-1)金属极板与第2i金属极板的倾斜角发生变化，从而二者之间的正对面积发生周期性变化，形成电容值周期性的改变；

6)相对的金属极板之间的感应电荷发生周期性变化，进而在导线中产生感应的交变电流；

导线将交变的电流传输至电源管理电路，将交变的电流转化为直流并储存起来。

其中，在步骤2)中，对驻极体层的充电方法采用电晕充电，或者紫外线充电，或者α射线、β射线、γ射线的充电手段；充电时施加的偏置电压绝对值超过300伏。

在步骤6)中，所有第(2i-1)金属极板与所有第2i金属极板分别通过导线电学连接在桥式整流电路的两端；桥式整流电路将感应的交变电流转化为直流，继而在匹配电阻形成直流电压并存储在电能存储单元上，在需要供能时通过外部接口向外部传感器供电。

本发明的优点：

本发明采用在柔性的基底上相对的面设置金属极板，并且在相邻且相对的金属极板上设置相反电性的驻极体层，从而相邻的金属极板间产生感应电荷并形成电容；基底折叠时，相邻的金属极板间的正对面积发生周期性变化，造成电容值周期性的改变，金属极板间的感应电荷因此发生周期性变化，向电源管理电路输出交变的电流；本发明在目前微风力MEMS发电技术中展现高发电密度的特性，同时具有尺寸和体积小、轻质、高集成度等优点，可广泛应用于物联网中的各类无线传感网络节点的供电，如便捷式可穿戴设备、无人值守的无线智能系统中。

附图说明

图1为本发明的基于驻极体的折叠式振动发电机的基板未折叠的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为正视图；

图2为本发明的基于驻极体的折叠式振动发电机的基板折叠后的正视图，其中，(a)为两块金属极板之间具有两条折痕形成的梯形波，(b)为两块金属极板之间具有一条折痕形成的三角波；

图3为本发明的基于驻极体的折叠式振动发电机的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例本发明的基于驻极体的折叠式振动发电机包括：基底、金属极板、驻极体层和电源管理电路；其中，基底1采用柔性绝缘有机材料，如绸布或纸，为长条形；在基底1上沿直线均匀分布有6块金属极板2；在每一块金属极板上粘接有一层驻极体层3；第1、3和5驻极体层上分布正电荷，第2、4和6驻极体层上分布有负电荷。在基底上，每相邻的两块金属极板之间具有两条折痕5。

金属极板为边长3cm的正方形，驻极体层的尺寸稍大于金属极板。

如图2(a)所示，沿折痕将基底折叠成截面的形状为梯形波；从而，具有正电荷的第一、三和五驻极体层分别与其相邻的具有负电荷的第二、四和六驻极体层相对，由于电荷感应，紧贴驻极体层下的金属极板形成异性的感应电荷。当发生振动时，折叠的基底进行周期性的拉伸和压缩，相对的两金属极板之间的正对面积发生周期性变化，形成电容值周期性的改变；相对的金属极板之间的感应电荷发生周期性变化，进而在导线中产生感应的交变电流，将振动能转化为电能；导线将交变的电流传输至电源管理电路，将交变的电流转化为直流并储存起来。每相邻的两块金属极板之间具有一条折痕，沿折痕折叠后的截面的形状为三角波，如图2(b)所示。

如图3所示，第一、三和五金属极板通过一根导线4串联，所有第二、四和六金属极板通过另一根导线4串联，分别连接至电源管理电路的两端。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于驻极体的折叠式振动发电机，其特征在于，所述折叠式振动发电机包括：基底、金属极板、驻极体层和电源管理电路；其中，所述基底采用柔性绝缘有机材料；在基底上沿直线均匀分布有2N块金属极板；在每一块金属极板上粘接有一层驻极体层；所有第(2i-1)驻极体层上分布有同种电荷，所有第2i驻极体层上分布有与所有第(2i-1)驻极体层相异的电荷；所有第(2i-1)金属极板通过一根导线串联，所有第2i金属极板通过另一根导线串联，分别连接至电源管理电路的两端；在基底上，每相邻的两块金属极板之间具有折痕，沿折痕将基底折叠成截面的形状为三角波或者梯形波；从而，第(2i-1)驻极体层与第2i驻极体层，与原基底所在的平面具有倾斜角，二者相对且不互相接触，分别具有异性的电荷，由于电荷感应，紧贴驻极体层下的第(2i-1)金属极板与第2i金属极板分别产生异性的感应电荷，形成电容；当发生振动，折叠的基底进行周期性的拉伸和压缩，相对的第(2i-1)金属极板与第2i金属极板之间的倾斜角发生变化，从而二者的正对面积发生周期性变化，形成电容值周期性的改变；相对的金属极板之间的感应电荷发生周期性变化，进而在导线中产生感应的交变电流；导线将交变的电流传输至电源管理电路，将交变的电流转化为直流并储存起来；其中，N和i均为自然数，且i∈{1、……、N}。

2.如权利要求1所述的折叠式振动发电机，其特征在于，所述驻极体的材料采用派瑞林、特氟龙和二氧化硅的驻极体材料中的一种。

3.如权利要求1所述的折叠式振动发电机，其特征在于，所述电源管理电路包括桥式整流电路、匹配电阻、电能存储单元、变电器和输出端口；其中，所有第(2i-1)金属极板与所有第2i金属极板分别通过导线电学连接在桥式整流电路的两端；所述桥式整流电路与后端的匹配电阻、电能存储单元和变电器在电学上并联；输出端口包括电源线和地线，分别连接至外部接口。

4.如权利要求1所述的折叠式振动发电机，其特征在于，每相邻的两块金属极板之间具有两条折痕，沿折痕折叠后的截面的形状为梯形波；每相邻的两块金属极板之间具有一条折痕，沿折痕折叠后的截面的形状为三角波。

5.如权利要求1所述的折叠式振动发电机，其特征在于，所述基底采用绸布或纸，为长条形。

6.如权利要求1所述的折叠式振动发电机，其特征在于，所述驻极体层的尺寸大于金属极板。

7.一种基于驻极体的折叠式振动发电方法，其特征在于，所述折叠式振动发电方法包括以下步骤：

1)在柔性的基底上沿直线均匀分布2N块金属极板，在每一块金属极板上粘接一层驻极体层，其中，N为自然数；

2)将所有第(2i-1)驻极体层充上同种电荷，所有第2i驻极体层充上与所有第(2i-1)驻极体层相异的电荷，其中，i为自然数，且i∈{1、……、N}；

3)所有第(2i-1)金属极板通过一根导线串联，所有第2i金属极板通过另一根导线串联，分别连接至电源管理电路的两端；

4)沿基底上相邻的两块金属极板之间的折痕，将基底折叠成截面的形状为三角波或者梯形波，第(2i-1)驻极体层与第2i驻极体层，与原基底所在的平面具有倾斜角，从而二者相对且不互相接触，分别具有异性的电荷，由于电荷感应，紧贴驻极体层下的第(2i-1)金属极板与第2i金属极板分别产生异性的感应电荷，形成电容；

5)当发生振动，折叠的基底进行周期性的拉伸和压缩，相对的第(2i-1)金属极板与第2i金属极板的倾斜角发生变化，从而二者之间的正对面积发生周期性变化，形成电容值周期性的改变；

6)相对的金属极板之间的感应电荷发生周期性变化，进而在导线中产生感应的交变电流；导线将交变的电流传输至电源管理电路，将交变的电流转化为直流并储存起来。

8.如权利要求7所述的折叠式振动发电方法，其特征在于，在步骤2)中，对驻极体层的充电方法采用电晕充电，或者紫外线充电，或者α射线、β射线、γ射线的充电手段；充电时施加的偏置电压绝对值超过300伏。

9.如权利要求7所述的折叠式振动发电方法，其特征在于，在步骤6)中，所有第(2i-1)金属极板与所有第2i金属极板分别通过导线电学连接在桥式整流电路的两端；桥式整流电路将感应的交变电流转化为直流，继而在匹配电阻形成直流电压并存储在电能存储单元上，在需要供能时通过外部接口向外部传感器供电。