CN107528497A

CN107528497A - 一种收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统

Info

Publication number: CN107528497A
Application number: CN201710205950.1A
Authority: CN
Inventors: 王珏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-12-29

Abstract

本发明公开了一种收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，此系统基于摩擦发电技术，利用人体、鞋底和地面构建人体发电装置，从而解决现有人体发电装置复杂的问题；同时基于人体穿戴的鞋子和日常活动，实现对低频行走能量的收集，实现可穿戴设备的自驱动供电。

Description

一种收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统

技术领域：

本发明涉及一种发电机，特别涉及将人体行走的机械能转化为电能的可穿戴式摩擦发电机和利用该摩擦发电机的自驱动供电系统。

背景技术：

1、作为一种可移动、绿色的、持久的能源，人体运动产生的机械能是一种可为移动电子设备提供有效电力供应的可再生能源。日常生活过程中，人体随时作用于周围环境，如运动时大量发热，行走时压击路面等等，这些能量至少有1/3被白白浪费掉。为了寻求新的人力发电技术和应用方法，人力发电装置的研制和人体机械能的应用成为人们关注的焦点。

2、摩擦起电是自然界中常见的一种现象，无论是梳头、穿衣还是走路、开车都能发生摩擦，但摩擦所起的电荷又很难被收集和利用，因此常常被忽视。近年来，王中林院士研究团队发明的摩擦发电机提供了一种收集机械能发电的新方法，其原理基于摩擦起电和静电感应现象，不仅能够驱动微纳电子器件工作，还可以给便携式电子设备和家用电器供电，收集电磁感应发电机不容易获取的低频机械能，比如海浪能、机械振动等，将有可能成为与电磁感应发电机同等重要的发电技术。

3、目前，对于人体运动能的收集利用技术不断进入人们的视野，并且开始改变人们的生活，也是新能源技术的有力补充。从能源角度，利用人体机械能是变废为宝，在发展替代化石燃料的可再生能源领域具有重要位置；从电子器件移动化角度，可穿戴设备是直接穿在身上，或是整合到衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备的快速发展，提出了对供电系统的可穿戴性能要求。

发明内容：

为了解决现有技术中的上述问题，本发明公开了一种用于收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统。与现有的技术相比，本发明利用摩擦发电机收集人体运动机械能实现自驱动供电具有以下优点：

1.可穿戴摩擦发电机的构建；本发明公开的是一种新型的可穿戴摩擦发电机，即利用穿戴鞋子的鞋底和任意行走表面作为摩擦层，人体充当电极，依靠人体行走就能发电。

2.静电感应电极的创新；本发明公开的是一种可穿戴自驱动供电系统，即利用摩擦发电机收集人体行走机械能，去除了传统金属电极，便于与可穿戴设备连接。

3.鞋底充当摩擦材料；本发明公开的是利用人体日常穿戴鞋子的鞋底，以及任意行走表面作为摩擦层，便于收集人体行走机械能。

4.对可穿戴设备的自驱动充电；本发明公开的是基于人体已有鞋子的鞋底和日常活动，实现对低频行走能量的收集，并用于可穿戴设备的自驱动供电。

5.此可穿戴自驱动供电系统价格低廉，结构简单；摩擦发电机所用的材料是高分子材料，利用的初始能源为人体行走机械能，因此成本非常低廉。

此可穿戴自驱动供电系统包括：

发电机，

用电设备。

其中发电机具有如下特点：

1)所述发电机为摩擦发电机，包括摩擦部件和地线；

2)所述摩擦部件为摩擦层，用于累积摩擦部件层与任意行走表面触碰产生的感应电荷；

3)所述摩擦层为鞋底和任意行走表面。

4)所述鞋底材料为能够摩擦起电的材料，可以是高分子聚合物，可以是合金，可以是半导体，可以是陶瓷，但不限于这些材料。

5)所述任意行走表面可以是大地，可以是地板，可以是地面砖，可以是地革，但不限于这些；

6)所述地线用于传导感应电荷并构成用电电路。

其中用电设备具有如下特点：

1)所述用电设备是可以储存电能或需要电能驱动的电子器件，

2)所述用电设备是可以直接穿在身上，或是可以整合到人体衣服或配件上的便携式设备，但不限于这些。

附图说明：

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中提到的可穿戴自驱动供电系统的典型结构示意图；

图2是本发明实施例中提到的可穿戴自驱动供电系统点亮LED灯的实物照片；

图3是本发明实施例中提到的可穿戴自驱动供电系统结合登山杖的实物照片；

图4是本发明实施例中提到的能量收集的工作原理图。

附图标记说明：

1、用电器；2、地线；3、鞋底；4、任意行走表面。

具体实施方式：

为使本发明的实用目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本实施例提出一种用于收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其组成如图1所示，系统包括：人体、用电器、接地线、鞋底和任意行走表面。

图2所示为本发明中可穿戴自驱动供电系统点亮LED灯的实物照片。

其中的人体为实验人员，用电器是串联的多只LED灯，地线为导线，鞋底为橡胶薄片，任意行走表面为瓷砖。当橡胶薄片与瓷砖发生接触分离时，由于它们得失电子能力不同，因此两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上电荷从一种材料表面转移至另一种材料表面；当两个摩擦表面分离时，通过人体电极产生感应电荷，在导线和LED灯组成的用电部分中会产生交流电，进而点亮LED灯。

图3所示为本发明中可穿戴自驱动供电系统结合登山杖的实物照片。

其中的地线由登山杖充当或者与导线结合，用电器是串联的多只LED灯，鞋底为橡胶薄片，任意行走表面为瓷砖。其中体现了摩擦发电机部分的特殊结构，即利用人体充当感应电极，可以与包括登山杖等生活中常用的器件进行很好的整合。

可穿戴自驱动供电系统的工作原理如图4所示：a为鞋底与任意行走表面接触，由于鞋底与任意行走表面的摩擦电性质不同，二者之间存在得失电子能力的差异，以鞋底得电子能力较强为例，二者接触后接触表面的微结构之间会产生微小的挤压，从而形成摩擦产生表面电荷，其中鞋底表面带有负电荷，而任意行走表面则带有正电荷；b为两者分开，打破了鞋底和任意行走表面之间表面电荷的平衡，人体和任意行走表面之间就会产生电子流动，从而电路中的用电器就可以得到电能；c为鞋底与任意行走表面完全分离后，电荷达到平衡没有电子流动；d为鞋底再次向任意行走表面靠近，导致电子向相反方向流动，也可以使电路中的用电器得到电能。本发明中涉及的材料摩擦电性质是指一种材料与其他材料发生摩擦或接触过程中显示出来的得失电子能力。通过实验发现，当鞋底材料与任意行走表面之间得电子能力相差越大时，摩擦发电机输出的电信号越强。

本发明利用将人体行走机械能转化为电能的可穿戴式摩擦发电机和利用该摩擦发电机的自驱动供电系统，可以实现对低频行走能量很好的收集利用，环保节能；同时利用人体充当感应电极，便于供电系统与用电设备的集成，方法非常简单。

本发明应用范围广泛，可以用于可穿戴装备，也可以应用于科普类模型和教学教具模型，但不限于这些方面的应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了更进一步的详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，包括：

发电机，

用电设备，

所述发电机用于将人体行走与地面产生的机械能转化为电能，同时为用电设备供电；所述用电设备用于储存或使用发电机产生的电能。

2.根据权利要求1所述的收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，

所述发电机为摩擦发电机，包括摩擦部件和地线；

所述摩擦部件用于累积摩擦层触碰产生的感应电荷；

所述地线用于传导感应电荷并构成用电电路。

3.根据权利要求2所述的收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，

所述摩擦发电机为可穿戴式摩擦发电机；

所述摩擦层为鞋底和任意行走表面。

4.根据权利要求1所述的收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，

所述供电系统包括摩擦发电机和用电设备；

所述摩擦发电机包括感应电极、鞋底、地线和与任意行走表面(包括大地)；

所述用电设备包括储存或使用发电机产生电能的可穿戴器件。

5.根据权利要求3所述的收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，所述可穿戴式摩擦发电机通过鞋底与任意行走表面摩擦，利用感应电极来产生交流电信号；

所述感应电极为人体，人体和任意行走表面之间能够产生电子流动。

6.根据权利要求3所述的收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，所述鞋底与任意行走表面的摩擦电性质不同，二者接触后接触表面的微结构之间会产生微小的挤压，从而形成摩擦产生表面电荷。

7.根据权利要求3所述的收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，所述鞋底材料为能够摩擦起电的材料，可以是高分子聚合物，可以是合金，可以是半导体，可以是陶瓷，但不限于这些材料。

8.根据权利要求3所述的收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，所述任意行走表面可以是大地，可以是地板，可以是地面砖，可以是地革，但不限于这些。

9.根据权利要求4所述的收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，所述可穿戴式器件包括可以储存电能或需要电能驱动的电子器件，可以直接穿在身上，可以整合到人体衣服或配件上，但不限于这些。

10.一种收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，其特征在于，应用权利要求1-9中任一所述的供电系统，包括：

发电机，

用电设备；

基于摩擦发电技术，收集低频行走能量，构建可穿戴自驱动供电系统用于解决现有人体发电装置复杂和自驱动供电系统可穿戴性的问题；此自驱动供电系统可以用于可穿戴装备，也可以应用于科普模型和教学教具模型，但不限于这些方面的应用。