CN107408900B

CN107408900B - 利用摩擦起电能量收集装置

Info

Publication number: CN107408900B
Application number: CN201680015814.XA
Authority: CN
Inventors: 李尚珉; 郑芝薰; 李秀敬; 文学成; 龙炯锡; 金泰勋; 金盘石
Original assignee: Industry Academic Cooperation Foundation of Chung Ang University
Current assignee: Industry Academic Cooperation Foundation of Chung Ang University
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: KR101728472B1; CN107408900A; US11496068B2; US20180083552A1; WO2017074073A1

Abstract

本发明涉及一种利用摩擦起电收集能量装置。本发明可包括内部形成收容空间的外壳；在上述外壳内部卷起来收容的起电带；位于上述外壳内，提供弹力使上述起电带卷到上述外壳内的弹性体；及位于上述起电带或起电带周边，在上述起电带拉伸或卷起时通过摩擦使上述起电带起电的电极部。

Description

利用摩擦起电能量收集装置

技术领域

本发明涉及一种利用摩擦起电能量收集装置，更详细就是只输入一次就引起上下接触及分离、滑动、叠加等产生摩擦起电，可多重发电使摩擦起电效率极大化，具有这种结构的利用摩擦起电能量收集装置。

背景技术

随着煤、石油等化石能源的使用在增加，多种多样技术的出现使得能源需求急增，化石能源的枯竭已在预料之中。过多化石能源的使用带来能源枯竭及环境问题，使得确保未来能源及绿色能源的开发在全世界成了主要课题。

在这种背景下，最近利用周边环境中浪费能量的绿色能源系统之一的能量收集(Energy harvesting)技术正在受到瞩目。随着光能的收集、磁场变化引起的能量收集、摩擦起电能量收集等在周边能收集到能量的形态及环境，能量收集的结构及其性能也在增加。

现有能量收集装置的发展方式是上下接触及分离方式、滑动方式、叠加方式等多种方式进行，并利用一次输入得到一次输出的方式，但这种方式在提高摩擦起电效率上有其限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明利用一次输入发生上下接触及分离、滑动、叠加，产生摩擦起电得到多重输出，提供具有可最大化摩擦起电效率结构的利用摩擦起电收集能量装置。

技术方案

根据本发明一实施例，本发明利用摩擦起电能量收集装置可包括：内部形成收容空间的外壳；在上述外壳内部卷起来收容的起电带；位于上述外壳内，提供弹力使上述起电带卷到上述外壳内的弹性体；及位于上述起电带或起电带周边，在上述起电带拉伸或卷起时通过摩擦使上述起电带起电的电极部。

上述外壳可制作成圆桶状，中央可设置连接上述起电带后端部的旋转轴。

上述外壳的一侧可形成上述起电带移到上述外壳内外部的开口部。

上述起电带的线端可设置比上述起电带更厚的厚带部。

上述起电带可多层卷到上述旋转轴收起。

上述起电带可由特氟纶(Teflon)材质制成。

上述电极部可位于上述外壳内壁。

上述电极部可位于上述旋转轴的外面。

上述电极部可在上述起电带以图案形成。

上述电极部可位于上述外壳内壁及上述旋转轴的外面。

有益效果

根据本发明实施例，利用一次输入发生上下接触及分离、滑动、叠加产生摩擦起电得到多重输出，可最大化摩擦起电效率。

附图说明

图1为图示本发明一实施例利用摩擦起电收集能量装置的立体图。

图2为图示利用上下接触及分离方式收集摩擦起电能量的示例图。

图3为图示利用滑动方式收集摩擦起电能量的示例图。

图4为图示利用叠加方式收集摩擦起电能量的示例图。

图5为图示根据本发明另一实施例利用摩擦起电收集能量装置的立体图。

图6为图示根据本发明又一实施例利用摩擦起电收集能量装置的立体图。

图7为图示根据本发明又一实施例利用摩擦起电收集能量装置的立体图。

图8为图示利用摩擦起电收集能量装置多种输出结果的图表。

图9为图示随着起电带动作变化的电力输出图表。

图10为起电带分析用高速摄影照片。

图11为掌握起电带叠加影响的模拟实验结果。

图12为图示随着起电带叠层数的输出变化的图表。

图13为图示随内部电极部位置的电压及电流的图表。

图14为图示通过电极部图案化电能收集量提高的图表。

具体实施方式

本发明可包括多种变形并具有多种实施例，在此图示并详细说明特定实施例，但这并不把本发明限定于特定实施形态，应理解为包括从属于本发明思想及技术范围的所有变形、等同物及代替物。在说明本发明时，有关公知技术的具体说明有可能模糊本发明要点的，省略其详细说明。

第1，第2等用语可用作说明多种组件，但上述组件并非限定于上述用语，上述用语只用作把一个组件与另一个组件区分。

本申请中使用用语只是用作说明特定实施例，并不意图限定本发明。单数形式一般包括复数形式，除了在上下文明确表示不同。在本申请中，“包括”或“具有”等应理解为用来指定明细上记载的特征、数字、阶段、动作、组件、配件或它们组合的存在，并不事前排除一个或以上其他特征、数字、阶段、动作、组件、配件或它们组合的存在或附加可能性。

以下，参照附图详细说明本发明利用摩擦起电能量收集装置一实施例，在参照附图说明时，同一或对应组件附于同一图面符号，对此省略重复说明。

图1为图示本发明一实施例利用摩擦起电收集能量装置的立体图，图2为图示利用上下接触及分离方式收集摩擦起电能量的示例图，图3为图示利用滑动方式收集摩擦起电能量的示例图，图4为图示利用叠加方式收集摩擦起电能量的示例图。

如图所示，本发明利用摩擦起电能量收集装置可包括：外壳10，其内部形成收容空间的；起电带20，其在上述外壳10内部卷起地收容；弹性体30，其位于上述外壳10内，提供弹力使上述起电带20卷到上述外壳10内；及电极部40，其位于上述起电带20或起电带20周边，在上述起电带20拉伸或卷起时通过摩擦使上述起电带20起电。

外壳10是形成摩擦起电收集能量装置的外观，如图1所示，可制作成中空的圆桶状。这只是提示外壳10的一例，外壳10不只是圆桶状，也可具有四角形状等多种形状，只要在内部能形成收容空间可卷进起电带20，可作成任意形状。

外壳10的一侧可形成上述起电带20移到上述外壳10内外部的开口部12。开口部12以切开中空圆桶壁一部的形状形成，当起电带20被拉伸或卷起时会通过开口部12。

起电带20在被拉伸或卷起的过程中与电极部40摩擦起电，起收集电能的作用。起电带20可使用容易(-)极起电的材料，比如可使用特氟纶(Teflon)材质制成。此外，起电带20也可由容易(-)极起电的聚甲基硅氧烷(PDMS:polydimethysiloxane)、聚氯乙烯(PVC:Polyvinyl Chloride)、聚酰亚胺(polyimide)等材料制成。

起电带20如上所述可使用任意可容易卷进外壳10内部的材质，起电带20后端部(位于最里面的端部)连接位于外壳10内部中央的旋转轴14。因此，起电带20因弹性体的弹性卷进去缠到旋转轴14。

另外，起电带20的线端部(位于最外面的端部)形成比起电带20更厚的厚带部22可易于拉伸起电带20。厚带部22从剖面看时，可具有圆形、四角形等多种形状。

弹性体30位于旋转轴，提供弹力使起电带20卷进外壳10内。当用户把起电带20向外壳10外拉伸时，弹性体30储存弹性能量，当用户放开起电带20时，弹性体提供弹力使起电带20卷进外壳10内。此时，起电带20通过与电极部的摩擦起电产生电能。关于起电带20发生摩擦起电的方式以下更详细说明。本实施例中弹性体30使用发条弹簧，只要能给起电带20施加弹力，可采用任何材料。

外壳10内壁形成电极部40。电极部40通过与起电带20的摩擦起电收集电能。电极部40位于外壳10内壁，临接于起电带20移动部分，起电带20与电极部40之间存在细微的间隙，当起电带20卷进的过程中反复与电极部40上下接触及分离。

以下参照图2至图4说明本发明利用摩擦起电收集能量装置收集能量。

参照图2(上下接触及分离方式)，如a，当起电带20接近电极部40时，电极部40因静电感应现象带与起电带相反的(+)极。此时，如b，电极部40与电位基准场所(ground)之间发生电子的移动产生电流。此后，起电带20与电极部40接触，如c，维持平衡状态，当起电带20与电极部40如d互相远离时，电极部40为了恢复平衡状态，电极部40与ground之间与接触时相反方向发生电子移动产生电流。

如上所述的上下接触及分离方式在起电带20卷进外壳10内的过程中，可因高强弹力颤振电极部40的过程中发生。

参照图3(滑动方式)，滑动方式与上下接触及分离方式同等原理，只差在起电带20与电极部40之间面积变化不在垂直方向而在水平方向。即起电带20与电极部40如a最大面积接触时，电极部40的表面带着与起电带20相反的极性。此后，起电带20水平移动，与电极部40的接触面积起变化，静电感应效果范围也起变化，电极部40为了维持平衡在电极部40与ground之间通过电子移动产生电流。

以下，如c，当起电带20完全分离到不对电极部40产生影响的范围时，电极部40表面维持没有带电电荷的状态。此后，起电带20重新在水平方向移动与电极部40的接触面积增大时，电极部40为了带相反极性，通过从ground的电子移动产生相反方向的电流。

如上所述滑动方式可在起电带20颤振卷进过程中，起电带20擦刷电极部40一定距离时发生。

参照图4(叠加方式)，叠加方式与上述上下接触及分离方式、滑动方式不同原理收集电能。叠加方式受到起电带20多层叠加的影响，带电电荷量增多，导致静电感应现象影响范围及程度逐渐增大，电极部40表面带电电荷差产生电流。在a,b,c，起电带20相隔一定间距，渐渐层层重叠，受到叠加的影响在电极部40发生带电电荷量的变化。充分带电的起电带20积层时静电感应效果程度增加，因电位差在电极部40与ground之间发生电子移动产生电流。

此后，如d，起电带20积层数达到一定程度以上，积层的起电带20极性达到电极部40表面产生的影响程度很微小，吸收电极部40的带电量。

如上所述的叠加方式在起电带20卷进过程中看其剖面，可由多重叠加的起电带20产生。

本发明利用摩擦起电收集能量装置利用一次输入可同时产生3种发电方式多重输出，在外壳10内适当安排摩擦起电所需组件，具有可发挥出色空间利用率的优点。

再来，以下查看本发明利用摩擦起电收集能量装置的另一实施例。

图5为图示根据本发明另一实施例利用摩擦起电收集能量装置的立体图，图6为图示根据本发明又一实施例利用摩擦起电收集能量装置的立体图，图7为图示根据本发明又一实施例利用摩擦起电收集能量装置的立体图。

图5至图7所示的实施例与图1所示的实施例具有类似的构成，但在电极部40的位置、起电带20的构成等存在差异。

首先，参照图5，电极部40位于旋转轴14的外面而不是位于外壳10内壁。根据如此构成，当起电带20卷进去时会产生接触，尤其是还有利用叠加方式发生电能的效果。

参照图6，具有起电带20上电极部40成图案的形状。根据如此构成，当起电带20卷进去时与各电极部40上下接触及分离、滑动及叠加方式同时发生作用，具有可多重输出产生电能的效果。

参照图7，包括上述所有形态的构成。即，外壳10内壁及旋转轴14外面各自形成电极部40，起电带20上也有电极部40成图案状。因此，具有一次输入(拉伸)就可由各个电极部40多重输出产生电能的效果。

再来，以下说明利用具有上述结构的利用摩擦起电收集能量装置的实验结果。

图8为图示利用摩擦起电收集能量装置多种输出结果的图表。参照图8，每个实验中测量的电压如图8中可确认，输出范围在0～25V各不相同，但测量电压的波形形状都相似。因此，通过波形的分析，解开多种输出结果的原理，分析对输出产生影响的因子进行提高输出的实验。

图9为图示随着起电带动作变化的电力输出图表。

参照图9，为了了解多种输出结果的原理，从拉起电带20到放开后开始卷进的瞬间为一个周期测量了电压。如图9中可确认，波形可分为3个部分。

首先，在0～0.6秒之间拉开起电带20时，被测电压为交流状态的拉伸(Pulling)区间和以后放开起电带20时起电带20卷起时发生的运动引起的释放(Releasing)区间。释放区间，起电带20因旋转轴14在弹性体30中储存的弹力卷进，在0.7～0.95秒之间起电带20卷进并产生叠加(Stacking)发生电位差产生交流电能，在1.0～1.2秒之间起电带20颤振叠加(Stacking+Fluttering)，产生更大的交流电能。

图10为起电带分析用高速摄影照片。

参照图10，如图10中a所示，在拉伸(Pulling)运动中起电带20两侧产生负荷限制起电带20的动作，可发现贴近旋转轴14旋转。此后放开起电带20时，如b中所示，在起电带20卷进的释放(Releasing)运动中可确认双重动作。

可观察到在初期因弹性能量旋转轴14旋转，贴附于此的起电带20在静止状态开始动作，贴近旋转轴14卷进去的叠加(Stacking:b-1,2)现象，与此后弹性能量几乎都耗尽时，卷进的起电带20因惯性法则，起电带20动作速度比旋转轴14的旋转速度更快在内部产生颤振的叠加+颤振(Stacking+Fluttering:b-3,4,5)现象，此时，高速垂直接触及分离、滑动导致如图9所示的电压的急剧增加。

如上所述，在拉伸区间与释放区间初期起电带20与电极部40之间不产生相对的距离变化，当被拉伸的起电带20卷起时产生的叠加影响产生电能。为了掌握这种叠加影响的程度并比较、分析进行了如图11及图12所示的程序模拟实验。

图11为掌握起电带叠加影响的模拟实验结果。

为了了解叠加的影响，先了解了模拟程序中虚拟的容易起(-)电物质与虚拟电极部40上下接触、分离时，电位差随着易起(-)电物质的层数变化电能收集量是否也有变化。为了达到电气平衡，一层时易起电物质表面电荷量设置为-1μC/m²，把电极部40表面电荷量设置为1μC/m²。双层时同样也为了达到电气平衡，把电极部40表面电荷量变形设置为2μC/m²。图12的(1)～(2)过程图示了一层易起电物质与电极部40接触、分离时发生的电位差，(3)～(4)过程图示了双层易起电物质与电极部40接触、分离时发生的电位差。如上图所示，可以了解到跟(1)～(2)相比，(3)～(4)过程中发生更多的电位差。

图12为图示随着起电带20叠层数的输出变化的图表。

参照此，容易起(-)电的起电带20表面各个起电后分层叠加，利用单一电极形状的加震器(shaker)通过上下接触-分离的方式测量各摩擦起电效果电压。

实验结果可以看出起电带20层数增加，测量电压也有增加的倾向。这是因为相对容易起(-)电的起电带20叠加时表面起电电荷量随着叠加，对电极的静电感应效果程度也增加，随之电位差也在增加。

图13为图示随内部电极部位置的电压及电流的图表

如前所述结果是最基本形状的能量收集装置，随着电极部40与起电带20的图案化与否可提高效率。首先，在本能量收集装置内部粘贴多重电极部40根据测量位置的电气输出并图示到图13中。

如图13中可确认在本能量收集装置内都可收集电能，在(1)号位置的电极部，因起电带20的颤振与电极部40接触、分离，产生滑动动作显示高电压值。并且，(2)号位置的电极部40中起电带20的颤振也起一定的影响。(3)及(4)号位置的电极部40中相距过多起电带20颤振相对影响不大，大部分以叠加的原理收集电能。因此，在本收集装置中收集电能时，内部任何地方都可生产电能，连接这些电能就可提高效率。

图14为图示通过电极部图案化提高电能收集量的图表。

参照此图表，通过在起电物质上把电极部40图案化就可提高收集电能的收集量。在基本形状，除起电带在内部作颤振动作的区间，只通过叠加效果收集电能。但是，在起电物质上把电极部40图案化并把它连接起来，在电极部上起电带20与电极部40交叉通过，通过摩擦起电效果可产生更多的交流电能。

上述说明参照了本发明特定实施例，具有本发明所属技术领域常识的从业者可以理解，在不超过下述申请专利范围记载的本发明思想及领域的范围内可做出多种修改及变形。

Claims

1.一种利用摩擦起电收集能量装置，包括：

外壳，其内部形成收容空间；

起电带，其在上述外壳内部卷起地收容，且能够向外壳的外部被拉伸；

弹性体，其位于上述外壳内，提供弹力使能够向外壳的外部被拉伸的上述起电带卷到上述外壳内；及

电极部，其位于上述起电带或起电带周边，在上述起电带被拉伸或卷起时通过摩擦使上述起电带起电。

2.根据权利要求1所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述外壳成圆桶状，中央具备连接上述起电带后端部的旋转轴。

3.根据权利要求1所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述外壳的一侧形成上述起电带移到上述外壳内外部的开口部。

4.根据权利要求1所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述起电带的线端设置比上述起电带更厚的厚带部。

5.根据权利要求2所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述起电带多层卷到上述旋转轴地收起。

6.根据权利要求1所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述起电带由特氟纶材质制成。

7.根据权利要求2所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述电极部位于上述外壳内壁。

8.根据权利要求2所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述电极部位于上述旋转轴的外面。

9.根据权利要求2所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述电极部在上述起电带以图案形成。

10.根据权利要求9所述的利用摩擦起电收集能量装置，其特征在于，

上述电极部位于上述外壳内壁及上述旋转轴的外面。