CN107911041A - 一种风力复合自驱动传感技术及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力复合自驱动传感技术及应用，基于摩擦纳米发电和电磁发电原理，结合高效复合式风能收集装置，可充分收集自然环境中的风能和振动能量并将其转化为电能和传感电信号，实现了发电和传感的合二为一，具体包括：摩擦电自驱动传感装置、风力复合发电装置、中央接收处理模块(管理电路、无线发射装置、储能装置)等。其中，摩擦电自驱动传感装置主要用于自驱动传感，监测振动情况；风力复合发电装置为自驱动传感、中央接收处理模块提供所需的电能，并通过储能装置将余量电能储存起来；中央接收处理模块负责接收、处理、发射信号及储能。另外，本发明设计思路先进，灵敏度高，制备工艺简单，成本低廉，应用范围广，特别涉及自驱动传感、微纳能源转化等新能源领域。

Description

一种风力复合自驱动传感技术及应用
技术领域：
一种风力复合自驱动传感技术及应用，尤其是一种基于摩擦纳米发电和电磁发电原理的复合发电装置及自驱动传感装置，可广泛用于无线监测等领域。
背景技术：
随着工业4.0和物联网的全面铺开，具备监测、报警及定位等智能化的移动终端逐步递增，同时对其供电系统提出了新的更高的要求。现有小型的供电系统多为风力发电技术或太阳能发电技术，然而受到自然环境和工作条件的限制，仍无法满足移动终端(尤其是高速移动)“自驱动供电系统”要求。
2012年，王中林教授提出并开发摩擦纳米发电机(TENG)，其基本原理是利用摩擦在材料表面产生电荷，并使两者分离，从而产生极高的电势，驱动外电路的电子发生定向移动，将环境中收集微弱的机械能(转动、振动等)并转换为电能。
本专利通过将摩擦纳米发电(TENG)与传统的电磁发电(EG)技术相结合，提供了一种收集风能的涡轮式复合发电装置及移动终端自供电应用技术。实现了只要移动终端受到气流的作用(冲击、振动等)，本专利发电装置即可将其捕获并转化为电能，尤其是涡轮式的叶片设计结构，能够最大限度的收集高速气流带来的机械能量，叶片在转动过程中同时利用摩擦发电与传统电磁发电技术，实现了小型化、微型化、质量轻、高输出的复合发电技术。然而，在实现本发明的过程中，申请人发现目前未出现一种基于自驱动传感的无线监测装置及移动终端应用技术，尤其是基于摩擦纳米发电原理的独特的、高灵敏度的传感装置和应用技术。
发明内容：
本发明的目的是提供一种风力复合自驱动传感技术及应用，尤其是一种基于摩擦纳米发电和电磁发电原理的复合发电及自驱动传感装置，能够充分收集自然环境中的风能、振动能量并将其转化为电信号和电能，实现了发电和传感的合二为一，特别涉及自驱动传感、微纳能源转化等新能源领域。
摩擦电自驱动传感技术
(1)该技术包括：装置外壳；吸振模块，能够与被测物形成共振；振动悬臂梁，传递振动信息和能量；振动质量块，该方形质量块撞击摩擦纳米发电机，引发其工作；装置材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等，内部为方形结构；吸振模块的结构可为质量弹簧、U型、薄膜及上述任意组合，材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等：振动悬臂梁的结构可为圆柱形、方形，材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等。
(2)摩擦纳米发电模块，包括：4组摩擦纳米发电机，4组输出端及与之相对应弹簧结构；分别位于装置内壁；每个发电机由1个活动导电层、1个固定导电层和1个摩擦层；所述摩擦纳米发电模块的工作方式可为接触分离式、单电极式；所述摩擦纳米发电机可为方形、三角形、四边形及多边形的层状结构；所述摩擦纳米发电模块的导电层厚度为0.01-1000um，材质可为铜、铝、金、银、铂等导电金属材料，石墨、碳纳米材料、石墨烯等含碳导电材料，及无机(ITO)和有机导电材料等；所述摩擦纳米发电模块的摩擦层厚度为0.1-1000um，材质可为高分子聚合物和无机材料等；
风力复合发电技术
(1)本专利实现了摩擦发电和电磁发电结合的复合发电技术，能量转化效率进一步提高，该技术充分利用气流促使涡轮叶片转动，并通过弹簧和磁铁组合将叶片转动的能量转化为振动能量，为风力复合发电提供动力；
(2)材质：涡轮式发电装置外壳为价格低廉的PVC、PMMA等有机物或钢、铝合金、镁合金等，叶片和摩擦层材料可为FEP、PTFE、Kapton、PDMS和PVC等有机材料；根据工作方式，金属电极采用单栅格和双栅格组合的方式，材质为Cu、Al及其它耐磨导电薄片；电磁感应发电模块材质与结构与传统相近；
(3)摩擦发电模块分为两部分：一是涡轮叶片内部滑动发电部分，将摩擦材料和金属电极固定在涡轮叶片内壁和移动滑块之上，形成独立滑动式的摩擦纳米发电机；二是叶片尖端与汽缸内壁间接触分离发电部分，将柔性摩擦材料和金属电极固定在涡轮叶片尖端和汽缸内壁之上，形成接触分离式的摩擦纳米发电机；
(4)电磁感应发电模块采用轴向尺寸较小、多组缠绕式永磁发电机；
(5)涡轮叶片用于收集气流产生的能量，装置前后两端的分风栅格用于控制气流方向；单向弹簧和磁铁薄片的组合结构，可将气流转化为持续振动能量推动TENG和EG工作，且通过调整弹簧和磁铁能够有效振动速度与位置，实现了持续的、稳定的电能输出，确保了电能输出的质与量；
(6)复合发电机可单独使用，也可多个组合在一起形成“多级复合发电装置”；风力复合发电装置外壳前后加装扩口装置，提高收集气流数量；加装固定端口，用于涡轮式发电装置的固定；
中央接收处理模块负责接收、处理、发射信号及储能，模块及储能装置置于主轴内部。
应用技术
(1)与传统风力发电叶片相比，涡轮叶片的尺寸大幅缩小，且不受气流流动的速度速、方向的限制，可直接装配在移动终端上，不需要昂贵的高支撑体；发电装置可大可小，尤其是能够满足小型化、高功率、持续输出的要求；可采用固定式(大型和超大型)、移动式(小型和微型)两种工作方式，并可设计成不同的圆形、方形等外观结构；实现了移动终端无论静止或运动，只要气流通过发电装置即可输出电能；
(2)复合发电可用于固定、移动终端的监测、报警、定位，并实现数据信息的接收、管理和无线传输的电能供给；自驱动传感装置通过内置的吸振模块与被监测物发生共振，由悬臂梁将共振能量传递给振动质量块，质量块撞击并促使摩擦纳米发电机工作，输出电信号及电能。应用技术具体包括：
货运，具体为公路、铁路和海运中的货物、集装箱等；
移动终端的监测，具体如无人机等；
固定位置的监测，具体如环境中的噪声、及其它振动监测等；
还应包括组合使用时通过共振频率对比，实现对整个系统的安全监测、报警、无线传输等，如火车转向架4个车轮同时装配时，可对超载、偏载、车轮温度、车轮损坏等实时监测；以及飞机3个轮胎的监测等，本专利可广泛用于工业4.0、物联网、遥感等领域。
附图说明：
图1为摩擦发电自驱动传感装置结构示意图
图2为风力复合发电装置结构示意图
图3为风力复合自驱动传感技术及应用图解
具体实施方式：
为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚明白，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。
1、本发明提供的一种风力复合自驱动传感技术及应用，实施例为一种风力自驱动传感的无线监测装置及应用技术。该装置利用摩擦发电和电磁发电原理，通过收集风能、微弱的振动能量并将其转化为电能和电信号，实现了自驱动智能监测和数据无线传输；
2、本发明的一个示例性实施例中，提供了一种风力复合自驱动传感技术及应用，吸振模块能够与被测物形成共振，通过悬臂梁传递到振动质量块之上，使之形成共振；
3、本发明的一个示例性实施例中，提供了一种风力复合自驱动传感技术及应用。图1为摩擦发电自驱动传感装置结构示意图，参照附图1a本发明装置具体包括：1-，2-，3-，4-输出端，5-弹簧结构，6-振动质量块，7-，11-摩擦纳米发电机，8-装置外壳，9-吸振模块，10-振动悬臂梁。以下分别对上述各个部分进行详细说明；
4、本发明的一个示例性实施例中，4组摩擦纳米发电机组合方式及位置见附图1b，其中每个发电机由1个活动导电层、1个固定导电层和1个摩擦层，分别位于装置4个内壁；
5、本发明的一个示例性实施例中，附图1c为摩擦纳米发电机工作过程及原理的示意图。振动质量块撞击摩擦纳米发电机顶部探针，并通过弹簧结构使之同步振动，1个振动周期完成图中a，b，c，d四个步骤，为摩擦纳米发电机1个工作周期，通过输出端输出电能和电信号；
6、本发明的一个示例性实施例中，风力复合发电装置外壳材料为PVC材质，规格Φ10cm，壁厚2mm，两个对称放置的分风栅格为PVC材质，由2个及以上的栅格组成，中间可转动的涡轮叶片外壳同样为PVC材质，风力复合发电装置的外壳结构见附图2a；
7、本发明的一个示例性实施例中，风力复合发电装置涡轮叶片内部结构见附图2a，包括涡轮气缸主体、分风栅格、转动涡轮叶片、扩展进气口、排气口、TENG电流收集装置和转动主轴、电磁发电机；
8、本发明的一个示例性实施例中，涡轮式发电装置内部结构正面如见附图2a，包括涡轮气缸主体、4个分风栅格、4片转动涡轮叶片、1个主进气口、1对侧进气口(每对2个)；
9、本发明的一个示例性实施例中，基于摩擦发电原理的有机摩擦材料为聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，厚度0.2mm；
10、本发明的一个示例性实施例中，涡轮叶片内部独立滑动式摩擦纳米发电机的组合方式见附图2b，叶片内壁金属栅格电极采用双栅格组合的方式，材质为Cu导电薄片，厚度为0.1mm；
11、本发明的一个示例性实施例中，叶片尖端与气缸内壁间接触分离式摩擦纳米发电机的组合方式见附图2c，气缸内壁金属栅格电极采用单栅格方式，材质为Cu导电薄片，厚度为0.1mm；
12、本发明的一个示例性实施例中，由弹簧与磁片组合方式分别见附图2b所示，静止磁片和转动磁片的N极性面对放置，厚度为1mm；
13、本发明的一个示例性实施例中，复合发电装置的电路管理模块和电流收集装置固定在转动主轴处，见附图2a；
14、本发明的一个示例性实施例中，12组涡轮式复合发电装置的组合方式及外观结构见附图2d，包括1个涡轮气缸主体、13组分风栅格(每组4个栅格)、12组转动涡轮叶片(每组4片)、1个主进气口、1个排气口、12对侧进气口(每对2个)、12组电磁发电机、相应的匹配电路管理模块和电流收集装置；
15、本发明的一个示例性实施例中，图3为自驱动传感的无线监测装置应用示意图。该图中火车转向架4个车轮同时装配本发明装置，结合中央接收处理模块，通过对比4个车轮的共振频率，可实现对火车的超载、偏载、车轮温度、车轮损坏等实时监测、报警，并通过能量转化实现自驱动监测和数据无线传输。图3中的中央接收处理模块具体包括管理电路部分(用于电信号的接收、管理、放大、处理、传输等)、储能电容部分(用于自驱动供电)、定位器、无线发射装置和天线部分；
16、至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种风力复合自驱动传感技术及应用有了清楚的认识；
17、此外，上述各模块、部件、电路元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状和方式方法；
18、综上所述，本发明提供了一种风力复合自驱动传感技术及应用，利用摩擦发电技术作为传感和自驱动能量来源，结合电磁发电及储能系统，可充分收集自然环境中的风能、振动能量并将其转化为电信号和电能，特别涉及自驱动传感、微纳能源转化等新能源领域。该装置结构简单、实现方便、成本低廉，可以单一或多个组合使用，尤其适用于移动终端自供电领域，如：火车、公路运输和海洋货物运输过程中的监测、报警及定位等。

Claims (4)

1.一种风力复合自驱动传感技术及应用，其特征在于，包括：
摩擦电自驱动传感装置：装置外壳；吸振模块，能够与被测物形成共振；振动悬臂梁，传递振动信息和能量；振动质量块，该方形质量块撞击摩擦纳米发电机(TENG)，引发其工作；摩擦纳米发电模块，包括：4组摩擦纳米发电机，4组输出端及与之相对应的弹簧结构，分别位于装置内壁；每个发电机由1个活动导电层、1个固定导电层和1个摩擦层；
风力复合发电装置：基于摩擦纳米发电(TENG)和电磁发电(EG)的涡轮式复合发电装置具体包括，发电装置外壳；涡轮叶片内部发电部分和叶片尖端与汽缸内壁间摩擦部分；电磁发电部分；固定中轴；前后两端的分风栅格；
中央接收处理模块：包括管理电路、无线发射装置、储能装置；
应用技术，可用于定点、移动终端的监测、报警、定位等领域，实现了自驱动传感与无线传输。
2.根据权利要求1所述的一种风力复合自驱动传感技术及应用，摩擦电自驱动传感装置特征在于：
摩擦电自驱动传感装置内部为方形结构，材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等；
吸振模块的结构可为弹簧、U型弹片、薄膜及上述任意组合，材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等；
振动悬臂梁的结构可为圆柱形、方形，材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等；
所述摩擦纳米发电模块的工作方式可为接触分离式、单电极式；
所述摩擦纳米发电模块可为方形、三角形、四边形及多边形的层状结构；
所述摩擦纳米发电模块的导电层厚度为0.01-1000um，材质可为铜、铝、金、银、铂等导电金属材料，石墨、碳纳米材料、石墨烯等含碳导电材料，及无机(ITO)和有机导电材料等；
所述摩擦纳米发电模块的摩擦层厚度为0.1-1000um，材质可为高分子聚合物和无机材料等。
3.根据权利要求1所述的一种风力复合自驱动传感技术及应用，风力复合发电装置特征在于：
风力复合发电装置包括：摩擦纳米发电部分和电磁发电部分，实现了摩擦发电和电磁发电结合的复合发电技术，能量转化效率进一步提高；包含气缸外壳、涡轮复合叶片(空心涡轮叶片、弹簧、复合摩擦材料、导线、金属电极、磁片等)、主轴、分风栅格等部分；
摩擦纳米发电部分包括：轮叶片内部滑动发电和叶片尖端与气缸外壳内壁间接触分离发电；
涡轮叶片用于收集气流产生的能量，装置前后两端的分风栅格用于控制气流方向；
单向弹簧和磁铁薄片的组合结构，可将气流转化为持续振动能量推动TENG和EG工作，且通过调整弹簧和磁铁能够有效振动速度与位置，实现了持续的、稳定的电能输出，确保了电能输出的质与量；
电磁感应发电模块采用传统盘式永磁发电机，将涡轮叶片转动转化为电能，发电机的轴向尺寸较小，外形像圆盘一样，非常适合小型化、微型化的需求；
复合发电装置外壳为价格低廉的PVC、PMMA等有机物或钢、铝合金、镁合金等，叶片和摩擦层材料可为FEP、PTFE、Kapton、PDMS和PVC等有机材料或复合有机材料；根据工作方式，金属电极采用单栅格和双栅格组合的方式，材质为Cu、Al及其它耐磨导电薄片；
TENG和EG复合发电可单独使用，也可多个组合在一起形成“多级复合发电装置；TENG管理电路模块及电流收集装置置于主轴内部；涡轮式发电装置外壳前后加装扩口装置，提高收集气流数量；加装固定端口，用于涡轮式发电装置的固定。
4.根据权利要求1所述的一种风力复合自驱动传感技术及应用，其应用技术特征在于：
所述应用技术领域包括货运，具体为公路、铁路和海运中货物、集装箱的监测、定位等；
所述应用技术领域包括移动终端的监测，具体如无人机等；
所述应用技术领域包括固定位置的监测，具体如环境中的噪声、及其它振动监测等；
所述应用技术领域，包括组合使用时通过共振频率对比，实现对整个系统的安全监测、报警、无线传输等，如火车转向架4个车轮同时装配时，可对超载、偏载、车轮温度、车轮损坏等实时监测；以及飞机3个轮胎的监测等；
基于自驱动传感的无线监测装置通过内置的吸振模块与被监测物发生共振，由悬臂梁将共振能量传递给振动质量块，质量块撞击并促使摩擦纳米发电机工作，输出电信号及电能。本专利可广泛用于工业4.0、物联网、遥感等领域。
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