CN107947568A - 一种基于介电弹性体的发电地板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于介电弹性体的发电地板，包括：结构单元，顶板、底板、上支撑柱、上支撑板、下支撑板等；一个堆栈式换能单元，它由多个介电弹性体换能元件叠加而成，每个换能元件的都由介电弹性体绝缘介质、柔性电极、引线组成，介电弹性体换能元件由固定外框、中心绝缘板组成；一个直流偏置电源，用于为换能元件预充电；一个变流模块，它与换能元件的引线相连；一个储能模块，它与变流模块相连，并连接外部接口。本发明的基于介电弹性体的发电地板结构简单，便于调试和安装。

Description

一种基于介电弹性体的发电地板

技术领域

本发明涉及一种基于介电弹性体的发电地板，属于新能源领域。

背景技术

环境中存在着大量的能量耗散，其中压力所产生的能量是非常典型的一种环境能量 损耗。目前已有基于电磁原理和压电原理的发电地板问世，但这些发电地板对较小外力激励 不敏感，或不适应低频能量源的发电场合，且长期使用后易老化。而本发明提出了一种基于 介电弹性体材料的新型结构的发电地板，本发明结构简单、便于安装、能量转换率高。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于介电弹性体的发电地板，该发电地板是基于介电 弹性体材料制作而成，利用人体踩踏、步行、跳跃以及各种车辆行驶而产生的机械能转换为 电能的发电地板。本发电地板中的换能单元外框固定、中心绝缘板承受压力，在外力作用使 得中心绝缘板向下移动时带动介电弹性体薄膜拉伸变形。将收集到的能量经过变流单元、储 能单元后为负载供电。下支撑板的高度可调，通过调节下支撑板的高度可以调节换能单元最 大形变量的极限位置。本发明的结构最大限度地发挥的介电弹性体元件的伸缩性，并有效地 对换能单元起到有效的保护作用。

上述目的通过以下的技术方案实现。

基于介电弹性体的发电地板，所述的发电地板由结构单元(顶板、底座、侧固定板、上支撑柱、上支撑板、下支撑柱、下支撑板、限位)、换能单元、触点开关、直流偏置电源、 变流单元、储能单元组成；所述换能单元由多个介电弹性体换能元件和绝缘层叠加组成，所述介电弹性体换能元件由固定外框、介电弹性体薄膜、绝缘板、孔、柔性电极组成；所述触点开关连接至换能单元、直流偏置电源、变流单元；所述变流单元与储能单元连接；

基于介电弹性体的发电地板，所述的结构单元由顶板、底座、侧固定板、上支撑柱、上支撑 板、下支撑柱、下支撑板、限位组成，所述的顶板下安装了上支撑柱，所述的上支撑柱底部 安装上支撑板，所述的底座位于顶板的下方，所述的底座上方安装有下支撑柱，所述的下支 撑柱的长度可调，所述的下支撑柱上方安装有下支撑板，所述的下支撑板上安装有限位开关， 所述的上支撑板与所述的下支撑板之间有空隙，所述的换能单元两端由侧固定板装夹固定悬 空并位于所述的上支撑板和所述的下支撑板之间的空隙之间；

基于介电弹性体的发电地板，所述的换能单元包括数个堆叠在一起的介电弹性体换能元件， 每个所述的介电弹性体换能元件之间都有绝缘层，每个所述的介电弹性体换能元件都包含介 电弹性体绝缘介质和正负两个柔性电极，所述的每个正柔性电极都引出一根导线连接在一起 并接入到触点开关模块上，所述的每个负柔性电极都引出一根导线连接在一起并接入到触点 开关模块上。

基于介电弹性体的发电地板，所述的介电弹性体换能元件由固定外框、介电弹性体 薄膜、绝缘板、孔、柔性电极组成，所述的介电弹性体薄膜边缘被固定外框装夹固定，所述 的介电弹性体薄膜中心有绝缘板，所述的绝缘板中间有孔，所述的介电弹性体薄膜正反两面 均有柔性电极，各个所述的柔性电极均有导体引出。

基于介电弹性体的发电地板，所述的介电弹性体换能元件的介电弹性体薄膜正反两 面存在凹槽，所述的柔性电极内置于所述凹槽内。

基于介电弹性体的发电地板，所述的直流偏置电源接到触点开关上。

基于介电弹性体的发电地板，所述的变流单元为两端端口，所述的变流单元一端接 入到触点开关上且另一端接到储能单元上。

有益效果：本发明的能量收集装置，将纵向施加的压力变成了介电弹性体横向拉伸 的形变，使得介电弹性体薄膜变形时的电容量增大，从而增大发电量；本发明的下支撑板高 度可调，当压力过大时由下支撑板来限制介电弹性体薄膜的形变量，起到保护换能单元增加 元件寿命的作用。

附图说明

图1是本发明实施例的基于介电弹性体发电地板的主视图示意图。

图1a是本发明实施例的基于介电弹性体发电地板受力变形时的主视图示意图。

图2是基于介电弹性体发电地板的介电弹性体换能元件的方形结构示意图。

图2a是基于介电弹性体发电地板的介电弹性体换能元件的圆形结构示意图。

图3是图1所示的基于介电弹性体发电地板的换能单元示意图。

图4是本发明实施例的基于介电弹性体发电地板的触点开关连接示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相 同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同类似功能的元件。需要注意的是，实施例 中的电源管理模块中包含了变流单元、储能单元、直流偏置电源。下面通过参考附图描述的 实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

根据本发明实施例的基于介电弹性体的发电地板，可以包括：至少一个顶板3、上支 撑柱2、上支撑板4、侧固定板1、换能单元9、触点开关5、限位6、下支撑板7、下支撑 柱8、变流单元、储能单元。其中如图1所示，本发明实例的基于介电弹性体发电地板，顶 板3下表面安装了上支撑柱2，上支撑柱2最底部安装上支撑板4；底座位于最底部，下支 撑柱8置于底座上，下支撑柱8最上方安装了下支撑板7，下支撑板上安装限位6，其中下 支撑柱高度可调；换能单元9固定于侧固定板1上，悬空位于上支撑板4和下支撑板7之间； 触点开关5置于限位6的最中间顶部。需要说明的是，本领域技术人员还可以根据需要灵活 在基于介电弹性体发电地板的合适位置添加固定附件以及固定的各个部件。

如图2所示，介电弹性体换能元件具体包括：柔性电极12、介电弹性体薄膜14、外固定框11、中心绝缘板13。介电弹性体薄膜14反面均有柔性电极12。介电弹性体薄膜14 表面上均有凹槽，柔性电极12于凹槽内，并通过引线引出。绝缘板11位于介电弹性体薄膜 14的中部，并中心留有孔位。

如图3所示，换能单元9具体包括：介电弹性体换能元件、绝缘层、引线。每个介 电弹性体换能元件间都具有一个绝缘层，每个介电弹性体换能元件都引出两根引线，将所有正极引线连接至一起引出，将所有负极引线连接至一起引出。

如图4所示，触点开关5的公共端COM接换能单元，a端与直流偏置单元连接，b 端连接变流模块、储能模块。

为了使本领域更好地理解本发明，下面对本发明实施例的基于介电弹性体的发电地 板工作过程如下介绍：

基于介电弹性体的发电地板受力时，顶板下移，换能单元上的绝缘板受到上支撑板的作用下 移，介电弹性体薄膜14受力拉伸，面积变大，当触及底支撑板上的触点开关时，接通a端， 断开b端，使得直流偏置电源对换能模块充电。

将压力撤除时，介电弹性体薄膜14恢复原状，绝缘板回到原位，触点开关松开，接通b端，断开a端，此时电容量变小，电荷量不变，因此电压量增加，切换到变流单元、储 能单元，将电能输出。

在本发明的一个实施例中，介电弹性体薄膜14的材料可以为硅橡胶、丙烯酸。硅橡胶、丙烯酸是典型的电子型电致活性聚合物材料。与传统典型的电活性聚合物相比，具有显著的优异性能，包括电致形变量大、能量密度高、响应时间短、粘弹滞后损耗小、柔韧性好、转换效率高等优点。

本发明的一个实施例中，介电弹性体薄膜14的厚度约为1.01mm。换能单元9的厚度约为30mm。

在本发明的实施例中，介电弹性体薄膜14的能量密度为690kJ/m³。

在本发明的实施例中，介电弹性体薄膜14的弹性极限大于5Mpa。该实施例的基于介电弹性体的发电地板在运动过程中耐用性好。

在本发明的实施例中选用的介电弹性体薄膜14材料具有尽可能薄、直流偏置电源尽 可能高、弹性极限尽可能高的特性。并将多个介电弹性体换能元件叠加并联使用，以增加电 能输出。

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述。

在本发明的一个是实施例中基于介电弹性体的发电地板的介电弹性体薄膜14采用硅 橡胶制作。

介电弹性体薄膜14的厚度为1.01mm，10个介电介电弹性体换能元件叠加后并联形成换能单元9。硅橡胶的杨氏模量为0.9，弹性极限为5Mpa，相对介电常数为3。整个换能 单元9的厚度约为20mm，底面积为20cm²。如图4所示。加上的直流偏置电源为50V，在 顶板上施加压力，电压增量约为16V,电能增量为1.72x10^-6J。如果压力施加的频率为1～2Hz， 则基于介电弹性体的发电地板的输出功率可达1.72x10^-6W～3.44x10^-6W。若偏置直流电压足 够，则产生能产生足够的输出功率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、 “顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是知识或暗示所指的装置或 元件必须的特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅英语描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含地包含一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另又明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等属于硬做广义理解，例如，可以固定连接，也可以拆卸连接，或成一体；可以机械连接， 也可以电连接；可以直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的联通或两个元件的互相作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述 属于在本发明的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等描述意志结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明中，对于上述属于的适宜性标书不必须针对的 是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或多 个实施例或示例中以适合的方式结合。此外，本领域的专业人员可以将本说明说中的描述的 不同实施例或示例进行结合和组合。

尽管上面已经使出和描述了本发明的实施例，但可以理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实 施例进行变化、修改、替换和变形。

Claims (5)

1.一种基于介电弹性体的发电地板，其特征是：所述发电地板是由结构单元(顶板、底座、侧固定板、上支撑柱、上支撑板、下支撑柱、下支撑板、限位)、换能单元、触点开关、直流偏置电源、变流单元、储能单元组成；所述换能单元由多个介电弹性体换能元件和绝缘层叠加组成，所述介电弹性体换能元件由固定外框、介电弹性体薄膜、绝缘板、孔、柔性电极组成；所述触点开关连接至换能单元、直流偏置电源、变流单元；所述变流单元与储能单元连接。

2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的发电地板，其特征是：所述的结构单元由顶板、底座、侧固定板、上支撑柱、上支撑板、下支撑柱、下支撑板、限位组成，所述的顶板下安装了上支撑柱，所述的上支撑柱底部安装上支撑板，所述的底座位于顶板的下方，所述的底座上方安装有下支撑柱，所述的下支撑柱的长度可调，所述的下支撑柱上方安装有下支撑板，所述的下支撑板上安装有限位开关，所述的上支撑板与所述的下支撑板之间有空隙，所述的换能单元两端由侧固定板装夹固定悬空并位于所述的上支撑板和所述的下支撑板之间的空隙之间。

3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的发电地板，其特征是：由固定外框、介电弹性体薄膜、绝缘板、孔、柔性电极组成，所述的介电弹性体薄膜边缘被固定外框装夹固定，所述的介电弹性体薄膜中心有绝缘板，所述的介电弹性体薄膜正反两面均有柔性电极，各个所述的柔性电极均有导体引出。

4.根据权利要求2所述的基于介电弹性体的发电地板，其特征是：所述的介电弹性体薄膜为厚度1mm以内的圆形或方形的薄膜，所述的介电弹性体薄膜正反两面均涂抹柔性电极，所述的介电弹性体薄膜的材料采用硅橡胶或丙烯酸等介电弹性体材料。

5.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的发电地板，其特征是：所述的顶板采用软质材料，或所述顶板由弹簧支撑。