CN108347198A - 驻极体自发电装置及驻极体自发电智能鞋 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种驻极体自发电装置及智能鞋。该驻极体自发电装置包括：弹性基底载体，其内部具有空腔；硬质载体，与弹性基底载体相对设置；驻极体薄膜，固定设置在弹性基底载体与硬质载体之间；下电极，设置在弹性基底载体上，与驻极体薄膜的一表面相对；上电极，设置在硬质载体上，与驻极体薄膜的另一表面相对；其中，在外力作用下，弹性基底载体发生形变，挤压空腔使其发生相应的形变，由此上、下电极与驻极体薄膜之间的电场发生变化，从而将机械能转换为电能。本发明能够充分利用人体在行走或跑步等运动过程中产生的机械能，将其转化为电能，解决供电问题；电压、电流及动能到电能的转换效率有很大的提高，便于可携带的智能设备使用。

Description

驻极体自发电装置及驻极体自发电智能鞋
技术领域
本发明涉及可穿戴智能设计领域，尤其涉及一种驻极体自发电装置及驻极体自发电智能鞋。
背景技术
随着社会的不断进步，可穿戴移动互联网设备正逐渐成为现实，智能鞋应运而生。目前，常见的智能发电鞋大多采用磁电式发电，或者需要在鞋底电路中安装小的锂电池，不仅结构复杂、成本高，而且电池不能更换。另外，鞋底的压电材料也是一种常用的发电方式，但其发电量很小，难以被利用。通过摩擦发电将走路时产生的机械能转换为电能收集并存储起来，也可对走路时产生的机械能进行了合理的利用，但是该方式下长期使用会导致发电材料的磨损，从而降低其有效性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种驻极体自发电装置及驻极体自发电智能鞋，充分利用人体在行走或跑步等运动过程中产生的机械能，将其转化为电能，实现了机械能到电能的有效转换，解决了智能鞋等相关智能电子器件长期供电的能量收集问题；电压、电流及动能到电能的转换效率有很大的提高，便于人体的可携带的智能设备使用。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种驻极体自发电装置包括：弹性基底载体，其内部具有空腔；硬质载体，与所述弹性基底载体相对设置；驻极体薄膜，固定设置在所述弹性基底载体与硬质载体之间；下电极，设置在所述弹性基底载体上，与所述驻极体薄膜的一表面相对；以及上电极，设置在所述硬质载体上，与所述驻极体薄膜的另一表面相对；其中，在外力作用下，所述弹性基底载体发生形变，挤压所述空腔使其发生相应的形变，由此所述上、下电极与驻极体薄膜之间的电场发生变化，从而将机械能转换为电能。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述驻极体薄膜为单种电荷极化方式的驻极体薄膜或驻极体薄膜的一表面上形成有驻极体薄膜电极。
优选地，本发明驻极体自发电装置还包括：薄膜支撑架，其设置在所述驻极体薄膜两侧，用于支撑所述驻极体薄膜。
优选地，所述上、下电极与驻极体薄膜之间的电场强度发生变化，从而产生相应的高压感应，其感应电荷会发生相应变化，从而实现驻极体自发电。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述空腔为空腔矩阵，所述感应电荷会随着空腔的形变增大而增大。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述驻极体薄膜电极的材料选自于铝、金、铜或银，厚度为1nm-2μm。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述下电极的电极材料沉积在柔性薄膜材料基底上。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述驻极体薄膜与所述上、下电极的空间距离为10μm～100mm。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述弹性基底载体的材质为橡胶、硅胶或PDMS。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述弹性基底载体的厚度为0.2mm-5mm，宽度为1cm-5cm，长度为1cm-5cm。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述驻极体薄膜的材质为聚丙烯、聚偏二氟乙烯、左旋聚乳酸、聚四氟乙烯及聚全氟乙丙烯中的至少其中之一。
优选地，本发明驻极体自发电装置中，所述硬质载体的宽度为0.5cm-5cm，长度为0.5cm-10cm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种驻极体自发电智能鞋，其包括所述驻极体自发电装置。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明驻极体自发电装置及驻极体自发电智能鞋至少具有以下有益效果其中之一：
(1)现有的发电装置主要依据压电原理、摩擦发电、电磁原理发电，其发电电压、电流小，不易被智能设备利用；本发明提供的驻极体发电装置，相较于现有的发电装置，其结构简单，产生的电压(115V)及电流(1μA)也有了很大的提高，而且更稳定，便于人体的可携带的智能设备使用；
(2)驻极体自发电装置通过设置硬质载体，能够在外力作用过程中有效的缓冲和保护所述驻极体薄膜；
(3)采用薄膜支撑架作为缓冲结构，实现了对所述驻极体薄膜的有效支撑，避免驻极体薄膜在外力作用过程中的损坏及不期望的变形；
(4)提供的两种充电方式的驻极体自发电装置，充分利用的空腔结构及弹性结构，极大的提高了机械能到电能的转换效率；
(5)智能鞋采用驻极体进行自发电，充分利用人体行走、跑步等运动过程中产生的机械能，将其转化为电能，实现了机械能到电能的有效转换，该转换收集的能量可用于智能鞋的持续供电；解决了智能鞋长期供电的能量收集问题。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明第一实施例的单种电荷驻极体自发电装置及对应的智能鞋的结构示意图。
图2为本发明第一实施例的单种电荷驻极体自发电装置空腔示意图。
图3为本发明第二实施例的正常驻极体自发电装置及对应的智能鞋的结构示意图。
图4为本发明第二实施例的正常驻极体自发电装置闭环电流测试曲线。
图5为本发明第二实施例的正常驻极体自发电装置开环电压测试曲线。
【本发明主要元件符号说明】
1,12-弹性基底载体；
2,13-下电极；
3,5,14,16-薄膜支撑架；
4,15-驻极体薄膜；
6,17-上电极；
7,18-硬质载体；
8,19-空腔；
9,10,20,22-导线
11,23-鞋体；
21-驻极体薄膜电极；
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种驻极体自发电装置及驻极体自发电智能鞋，充分利用人体在行走、跑步等运动过程中产生的机械能，将其转化为电能，实现了机械能到电能的有效转换，解决了智能鞋等相关智能电子器件长期供电的能量收集问题；电压、电流及动能到电能的转换效率有很大的提高，便于人体的可携带的智能设备使用。
一、第一实施例
本发明第一实施例提供了一种单种电荷驻极体自发电装置及单种电荷驻极体自发电智能鞋，即只有单一正电荷或者负电荷(Monocharge)的充电驻极体自发电智能鞋。以下结合图1-2来详细介绍本发明第一实施例中提供的驻极体自发电智能鞋。
图1中(a)图为本发明第一实施例的单种电荷驻极体自发电装置的结构示意图。请参照图1中(a)图，本发明第一实施例提出的单种电荷驻极体自发电装置包括：
弹性基底载体1，其内部具有空腔8；
硬质载体7，与所述弹性基底载体相对设置；
单种电荷极化方式的驻极体薄膜4，固定设置在所述弹性基底载体与硬质载体之间；
下电极2，设置在所述弹性基底载体上，与所述驻极体薄膜的一表面相对；以及
上电极6，设置在所述硬质载体上，与所述驻极体薄膜的另一表面相对；
其中，在外力作用下，所述弹性基底载体发生形变，挤压所述空腔使其发生相应的形变，由此所述上、下电极与驻极体薄膜之间的电场发生变化，所述驻极体薄膜两侧的上、下电极上的感应电荷会发生相应变化，从而将机械能转换为电能。
图1中(b)图为本发明第一实施例的单种电荷驻极体自发电智能鞋的结构示意图。请参照图1中(b)图，本发明第一实施例提出的单种电荷驻极体自发电智能鞋包括所述单种电荷驻极体自发电装置；其中，所述单种电荷驻极体自发电装置设置于智能鞋的鞋体11靠下侧，所述硬质载体、驻极体薄膜及弹性基底载体沿所述鞋体由上而下设置。
具体的，采用弹性基底载体上形成空腔结构，是为了提供智能鞋踩踏方向的弹性，空腔则是为了提供悬空结构；所述空腔优选为空腔矩阵结构。本发明驻极体薄膜可通过电晕极化充电，使其内产生基于空气的偶极子并产生高压表面电荷以及表面高电压，其可通过静电感应对其周围空间电极形成对应表面电荷。所述下电极与上电极用于为驻极体薄膜提供静电场闭环回路。
为了对所述驻极体薄膜起支撑作用，避免驻极体薄膜在人运动过程中的损坏及不期望的变形，在所述驻极体薄膜两侧还分别设置薄膜支撑架3、5作为缓冲结构。
优选的，为了便于弯曲，所述下电极的电极材料沉积在柔性薄膜材料基底上。
所述单种电荷驻极体自发电智能鞋的工作原理为：当人体在行走或跑步等运动时，踩踏力作用于智能鞋鞋体(如鞋底)里的自发电装置，使弹性基底载体发生形变，挤压空腔使其发生相应的形变，依据静电感应效应，所述上、下电极与驻极体薄膜之间的电场发生变化，从而产生相应的高压感应，所述上、下电极上的感应电荷会发生相应变化，感应电荷会随着空腔的形变增大而增大，这些感应电荷可作为电能将通过导线9、10输出，从而实现驻极体智能鞋的自发电，可解决人体的相关智能器件长期不间断供电。
二、第二实施例
本发明第二实施例提供了一种正常驻极体自发电装置和应用该自发电装置的智能鞋，即单面镀电极驻极体自发电智能鞋。以下结合图3-5来详细介绍本发明第二实施例中提供的正常驻极体自发电装置和智能鞋。
图3中(a)图为本发明第二实施例的正常驻极体自发电装置结构示意图。请参照图3中(a)图，本发明第二实施例提出的正常驻极体自发电装置包括：
弹性基底载体12，其内部具有空腔；
硬质载体18，与所述弹性基底载体相对设置；
驻极体薄膜15，固定设置在所述弹性基底载体与硬质载体之间，所述驻极体薄膜的其中一表面上形成有驻极体薄膜电极21，即正常驻极体薄膜；
下电极13，设置在所述弹性基底载体上，与所述驻极体薄膜的一表面相对；以及
上电极17，设置在所述硬质载体上，与所述驻极体薄膜的另一表面相对；
其中，在外力作用下，所述弹性基底载体发生形变，挤压所述空腔使其发生相应的形变，由此所述上、下电极与驻极体薄膜之间的电场发生变化，所述上、下电极与驻极体薄电极上的感应电荷会发生相应变化，从而将机械能转换为电能。
图3中(b)图为本发明第二实施例的正常驻极体自发电智能鞋的结构示意图。请参照图3中(b)图，本发明第二实施例提出的正常驻极体驻极体自发电智能鞋包括所述正常驻极体自发电装置；其中，所述正常驻极体自发电装置设置于智能鞋的鞋体23靠下侧，所述硬质载体、驻极体薄膜及弹性基底载体沿所述鞋体由上而下设置。
具体的，采用弹性基底载体上形成空腔19结构，是为了提供智能鞋踩踏方向的弹性，空腔则是为了提供悬空结构；所述空腔优选为空腔矩阵结构。本发明驻极体薄膜可通过电晕极化充电，使其内产生基于空气的偶极子并产生高压表面电荷以及表面高电压。所述下电极与上电极用于为驻极体薄膜提供静电场闭环回路。
为了对所述驻极体薄膜起支撑作用，避免驻极体薄膜在人运动过程中的损坏及不期望的变形，在所述驻极体薄膜两侧还分别设置薄膜支撑架14、16作为缓冲结构。
所述正常驻极体自发电智能鞋的工作原理为：当人体行走或跑步运动时，踩踏力作用于智能鞋鞋体(如鞋底)里的自发电装置，使弹性基底载体发生形变，挤压空腔使其发生相应的形变，依据静电感应效应，所述上、下电极与驻极体薄膜之间的电场发生变化，从而产生相应的高压感应，所述上、下电极以及驻极体薄膜电极上的感应电荷会发生相应变化，感应电荷随着空腔形变的增大而增大，这些感应电荷可作为电能将通过导线输出，产生相应高压电荷作为电能将通过导线20、22输出，从而实现驻极体智能鞋自发电，解决人体的相关智能传感器长期不间断供电。相比较前一种设计，该设计为正常极化驻极体，易于在工艺上实现且表面电荷更为稳定。
为了便于弯曲，优选的，所述下电极的电极材料沉积在柔性薄膜材料基底上。
图4是对图3所示的正常驻极体自发电智能鞋进行测试，获得的智能鞋闭环电流曲线，从图4可以看出，智能鞋闭环电流大于0.5μA，相较于现有的智能鞋，其闭环电流相对较高；图5是对图3所示的正常驻极体自发电智能鞋进行开环电压测试，得出的开环电压曲线，从图5可以看出，智能鞋开环电压接近90V，相较于现有的智能鞋，其开路电压相对较高，更易于在工艺上实现且表面电荷更为稳定。
本发明提供两类驻极体自发电装置及智能鞋，单种电荷驻极体与正常驻极体自发电装置及智能鞋，都是依据驻极体的静电感应，当驻极体薄膜两边的电极空间位置发生变化时，对应的电极2、6、13、17、21表面电荷及表面电压都会发生相应变化，产生相应高压电荷及电压可输出到负载被传感器使用，从而实现智能鞋的自发电。
本发明提供依靠人行走或跑步等运动的机械能，来挤压驻极体自发电智能鞋的空腔。首先，需要通过电晕极化对驻极体薄膜充电，使驻极体膜内产生基于空气的偶极子并产生高压表面电荷以及表面高电压。随着人运动，驻极体自发电智能鞋内的空腔会发生相对应的形变，依据静电感应效应，各电极之间的电场会发生相应的改变，从而产生相应的高压感应，这些感应电荷将作为电能将通过传输导线输出，从而实现驻极体智能鞋的自发电，可解决人体的相关智能器件长期不间断供电。
为了保证智能鞋自发电的效果，本申请第一实施例和第二实施例中，所述驻极体薄膜与上、下电极保持适当的空间距离，优选为10μm-100mm。
本申请第一实施例和第二实施例中，采用韧性及高弹性材料形成所述弹性基底载体，例如橡胶、硅胶、PDMS等。该类材料容易获得，价格便宜。优选的，所述弹性基底载体的厚度为0.2mm-5mm，宽度为1cm-5cm，长度为1cm-5cm。
本申请第一实施例和第二实施例中，所述驻极体薄膜可采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、左旋聚乳酸(PLLA)中的至少其中之一材质形成，其薄膜厚度可为10μm-10mm。所述驻极体薄膜电极的材料可为铝(Al)、金(Au)、铜(Cu)、银(Ag)等，镀电极的方式可采用电子束蒸发或者磁控溅射方式，电极的厚度可为1nm-2μm。
本申请第一实施例和第二实施例中，硬质载体可采用Kapton、PET、硅胶、铝片中的至少其中之一材质形成，其目的是缓冲及保护所述驻极体薄膜。所述硬质载体尺寸宽度优选为0.5cm-5cm，长度优选为0.5cm-10cm。
本申请第一实施例和第二实施例中，在满足智能鞋载体要求下，所述空腔数量越多越好，数量越多，智能鞋发电电流越大；空腔的体积越大越好，直径优选为0.5cm-4cm。所述空腔可为半圆形，方形等立体结构。智能鞋的驻极体自发电装置的电极2、6、13、17可分别与外电路相相连，其中上电极与下电极分别引出导线，作为驻极体自发电智能鞋的电能输出导线。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
至此，已经结合附图对本发明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驻极体自发电装置及驻极体自发电智能鞋有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各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、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)所述空腔也可以为其他形状，均不影响本发明的实现；
(2)本发明驻极体自发电装置除用于智能鞋之外，还可以用于其他可穿戴设备中，同样不影响本发明的实现。
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进一步详细说明，所应理解的是，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 (13)

1.一种驻极体自发电装置，其特征在于，包括：
弹性基底载体，其内部具有空腔；
硬质载体，与所述弹性基底载体相对设置；
驻极体薄膜，固定设置在所述弹性基底载体与硬质载体之间；
下电极，设置在所述弹性基底载体上，与所述驻极体薄膜的一表面相对；以及
上电极，设置在所述硬质载体上，与所述驻极体薄膜的另一表面相对；
其中，在外力作用下，所述弹性基底载体发生形变，挤压所述空腔使其发生相应的形变，由此所述上、下电极与驻极体薄膜之间的电场发生变化，从而将机械能转换为电能。
2.根据权利要求1所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述驻极体薄膜为单种电荷极化方式的驻极体薄膜或驻极体薄膜的一表面上形成有驻极体薄膜电极。
3.根据权利要求1或2所述的驻极体自发电装置，其特征在于，还包括：薄膜支撑架，其设置在所述驻极体薄膜两侧，用于支撑所述驻极体薄膜。
4.根据权利要求1所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述上、下电极与驻极体薄膜之间的电场强度发生变化，从而产生相应的高压感应，其感应电荷会发生相应变化，从而实现驻极体自发电。
5.根据权利要求1所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述空腔为空腔矩阵，所述感应电荷会随着空腔的形变增大而增大。
6.根据权利要求2所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述驻极体薄膜电极的材料选自于铝、金、铜或银，厚度为1nm-2μm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述下电极的电极材料沉积在柔性薄膜材料基底上。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述驻极体薄膜与所述上、下电极的空间距离为10μm～100mm。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述弹性基底载体的材质为橡胶、硅胶或PDMS。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述弹性基底载体的厚度为0.2mm-5mm，宽度为1cm-5cm，长度为1cm-5cm。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述驻极体薄膜的材质为聚丙烯、聚偏二氟乙烯、左旋聚乳酸、聚四氟乙烯及聚全氟乙丙烯中的至少其中之一。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的驻极体自发电装置，其特征在于，所述硬质载体的宽度为0.5cm-5cm，长度为0.5cm-10cm。
13.一种驻极体自发电智能鞋，其包括如权利要求1至12中任一项所述的驻极体自发电装置，其中，所述驻极体自发电装置设置于智能鞋的鞋体靠下侧，所述硬质载体、驻极体薄膜及弹性基底载体沿所述鞋体由上而下设置。
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