CN108418471A - 纳米发电机倍频输出结构及供能器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米发电机倍频输出结构及供能器件，其中，纳米发电机倍频输出结构，包括：振动弦结构，包含：振动弦，具有一平衡位置，在外力的作用下偏离平衡位置发生振动，该振动使得该振动弦最终回到平衡位置；纳米发电机，与振动弦相连接，在振动弦偏离平衡位置发生振动时也随着一起振动，并且该振动作为纳米发电机的驱动，纳米发电机在该驱动的作用下实现电能输出；以及配重，固定于振动弦上，保持纳米发电机在振动过程中的平衡。该纳米发电机倍频输出结构提高了纳米发电机的功率和能量转化效率，实现对外界低频、不规则运动的利用；由纳米发电机倍频输出结构构成的供能器件在清洁能源领域具有广泛的应用前景和实用价值。
Description
技术领域
本公开属于新能源领域，涉及一种纳米发电机倍频输出结构及供能器件。
背景技术
在锂电池供电成为便携移动电器主流供能方式的今天，传统电池对充电环境的依赖无疑成为一大限制，此外，废弃的电池也会给环境带来危害。在此背景下，新一代的供能方式正在被开发出来。
人体运动可以产生大量能量，人类的许多运动，比如行走、跳舞、穿衣等方式都与转化能量联系在了一起。把这些多余的能量收集起来给电子设备供电，在供能器件具有巨大的潜在应用价值和市场。
纳米发电机由于其本身体积小、便于携带的特点备受瞩目。目前主流的纳米发电机有压电式，摩擦式，静电式，电磁感应式。基于柔性驻极体薄膜的纳米发电机尤其适合收集人体运动产生的多余能量，目前的纳米发电机利用人体运动的能量进行交流电能的输出基本都是基于实验上给定一个规律的、高频的振动进行驱动，然后才能持续输出电能；在现实中，除了进行体育锻炼诸如匀速慢跑、竞走、球类运动等对应的人体的运动频率相对较高之外，其他通常情况下人体四肢和其他器官的振动具有低频性和不规则性，诸如突然抬起胳膊、挥一下手、深呼吸、简单的按压动作等，而一般结构的驻极体纳米发电机工作都需要耦合频率略高、方向性更好的振动，因此如何将低频振动、不规则振动转化为方向性较好的高频振动并进行能量的输出是一大难题，而对于低频振动能、无规则振动能的利用也是拓宽纳米发电机的应用场景的一大发展方向，如此一来，有必要提出一种能够将低频振动能、无规则振动能进行收集，并高效地转化为更高频、方向性更好的能量进行输出的结构或器件，从而提高纳米发电机的功率和能量转化效率、拓宽其使用场景，这对于纳米发电机的实际应用具有重要的意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种纳米发电机倍频输出结构及供能器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种纳米发电机倍频输出结构，包括：振动弦结构，包含：振动弦，具有一平衡位置，在外力的作用下偏离平衡位置发生振动，该振动使得该振动弦最终回到平衡位置；纳米发电机，与振动弦相连接，在振动弦偏离平衡位置发生振动时也随着一起振动，并且该振动作为纳米发电机的驱动，纳米发电机在该驱动的作用下实现电能输出；以及配重，固定于振动弦上，保持纳米发电机在振动过程中的平衡。
在本公开的一些实施例中，振动弦的一端固定，另一端与配重和纳米发电机相连接。
在本公开的一些实施例中，振动弦进行振动的频率f1满足：
其中，g为重力加速度；L1为摆长，该摆长等于振动弦固定的一端和与纳米发电机相连的另一端之间的距离。
在本公开的一些实施例中，振动弦的两端均固定并施加有弦上张力，所述纳米发电机和配重均固定于振动弦上。
在本公开的一些实施例中，振动弦进行振动的频率f2满足：
其中，L2为振动弦两端之间的弦长；F为弦上张力；ρ为振动弦的密度。
在本公开的一些实施例中，振动弦的材料包括如下材料中的一种或几种：天然纤维、人工合成纤维、塑料纤维、以及金属；和/或振动弦的长度介于1nm-50cm之间，截面直径介于1nm-1cm之间。
在本公开的一些实施例中，配重的材料包括如下材料中的一种或几种：塑料、金属、玻璃、橡胶、以及陶瓷；和/或配重的质量介于1μg-100g之间；和/或纳米发电机为如下种类中的一种或其组合：电磁感应式发电机、压电式发电机、以及静电式发电机。
在本公开的一些实施例中，振动弦的一端或两端通过固定轴实现固定，在固定轴上缠绕有轴上固定弦，该轴上固定弦与振动弦相连接。
在本公开的一些实施例中，固定轴的材料包括如下材料中的一种或几种：塑料、金属、玻璃、橡胶、以及陶瓷；和/或固定轴的轴长介于1nm-10cm之间，半径介于1nm-1cm之间；和/或轴上固定弦与振动弦一体成型或者轴上固定弦与振动弦的材料相同。
根据本公开的另一个方面，提供了一种供能器件，包括本公开提到的任一种纳米发电机倍频输出结构。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的纳米发电机倍频输出结构及供能器件，具有以下有益效果：
(1)通过将纳米发电机与振动弦结构结合起来，利用外界的一个驱动使振动弦结构偏离平衡状态，则该振动弦结构产生规律、高频的振动，并且该振动又进一步作为纳米发电机的驱动，最终输出更高频、方向性更好的能量，提高了纳米发电机的功率和能量转化效率，实现对外界低频、不规则运动的利用；
(2)通过调控振动弦结构中的振动弦的材料、长度、弦上张力等参数，实现对振动周期或振动频率的调控，为纳米发电机的输出创造更适宜的振动条件；
(3)由于外界的驱动可以是人体的大部分运动，由纳米发电机倍频输出结构构成的供能器件在清洁能源领域具有广泛的应用前景和实用价值。
附图说明
图1为根据本公开第一个实施例所示的纳米发电机倍频输出结构的示意图。
图2为根据本公开第一个实施例所示的纳米发电机倍频输出结构的原理示意图。
图3为根据本公开第二个实施例所示的纳米发电机倍频输出结构的示意图。
图4为根据本公开第二个实施例所示的纳米发电机倍频输出结构的原理示意图。
【符号说明】
101-第一轴上固定弦； 102-第一固定轴；
103-第一振动弦； 104-第一配重；
105-第一纳米发电机； 201-第二轴上固定弦；
202-第二固定轴； 203-第二振动弦；
204-第二配重； 205-第二纳米发电机。
具体实施方式
本公开提供了一种纳米发电机倍频输出结构及供能器件，通过将纳米发电机与振动弦结构结合起来，利用外界的一个驱动使振动弦结构偏离平衡状态，则该振动弦结构产生规律、高频的振动，并且该振动又进一步作为纳米发电机的驱动，最终输出更高频、方向性更好的能量，提高了纳米发电机的功率和能量转化效率，实现对外界低频、不规则运动的利用。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。本公开中，术语“介于之间”包括端点值。
图1为根据本公开第一个实施例所示的纳米发电机倍频输出结构的示意图。图3为根据本公开第二个实施例所示的纳米发电机倍频输出结构的示意图。
结合图1和图3所示，本公开提供了一种纳米发电机倍频输出结构，包括：振动弦结构，包含：振动弦，具有一平衡位置，在外力的作用下偏离平衡位置发生振动，该振动使得该振动弦最终回到平衡位置；纳米发电机，与振动弦相连接，在振动弦偏离平衡位置发生振动时也随着一起振动，并且该振动作为纳米发电机的驱动，纳米发电机在该驱动的作用下实现电能输出；以及配重，固定于振动弦上，保持纳米发电机在振动过程中的平衡。
在本公开的一些实施例中，如图1所示的第一个实施例中，振动弦结构为一单摆结构，该振动弦结构包含：振动弦，其一端固定，另一端与配重和纳米发电机相连接；通过外力作用使该振动弦偏离平衡位置，然后撤去外力，该振动弦结构产生规律、高频的振动，并会带着配重和纳米发电机一起进行振动，该振动又进一步作为纳米发电机的驱动，最终输出更高频、方向性更好的能量。
在本公开的一些实施例中，如图3所示的第二个实施例中，振动弦结构为一固定弦结构，该振动弦结构包含：振动弦，其两端均固定并施加有弦上张力，纳米发电机和配重均固定于振动弦上；通过外力作用使该振动弦偏离平衡位置，然后撤去外力，该振动弦结构产生规律、高频的振动，并会带着配重和纳米发电机一起进行振动，该振动又进一步作为纳米发电机的驱动，最终输出更高频、方向性更好的能量。
下面结合附图，对本公开各实施例的纳米发电机倍频输出结构的各个部分进行详细介绍。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种包含单摆结构的振动弦结构的纳米发电机倍频输出结构。
参照图1所示，本实施例中，该纳米发电机倍频输出结构，包括：振动弦结构，包含：第一固定轴102；第一轴上固定弦101，缠绕于第一固定轴102上；第一振动弦103，一端与第一轴上固定弦101相连接，另一端为自由端；该第一振动弦103具有一平衡位置，在外力的作用下偏离平衡位置发生振动，该振动使得该第一振动弦103最终回到平衡位置；第一纳米发电机105，与第一振动弦103的自由端相连接，在第一振动弦103偏离平衡位置发生振动时也随着一起振动；以及第一配重104，固定于第一振动弦103上，保持第一纳米发电机105在振动过程中的平衡。
本实施例中，第一固定轴102的一端固定于空间某一点，实现固定；第一固定轴102的另一端具有一凸起，该凸起用以约束第一轴上固定弦101与第一振动弦103的长度，由于第一振动弦103在振动过程中要满足一端固定、另一端可以自由振动的特征，通过限制第一轴上固定弦101在第一固定轴102上缠绕的圈数、以及第一振动弦103在第一固定轴102上的长度，从而使得第一振动弦103在振动过程中实现一端固定、另一端自由振动。
参照图1所示，第一振动弦103的两端采用黑色端点进行示意，第一振动弦103与第一轴上固定弦101连接。本实施例中，第一轴上固定弦101均匀缠绕于第一固定轴102上，这里的圈数仅作为示意，第一轴上固定弦101与第一振动弦103缠绕于第一固定轴102上的部分与第一固定轴102紧贴，图1中的示意是为了突出缠绕的效果。
本实施例中，第一振动弦103与第一轴上固定弦101的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：天然纤维、人工合成纤维、塑料纤维、以及金属等，优选的，第一振动弦103与第一轴上固定弦101为同一材料。
本实施例中，第一振动弦103与第一轴上固定弦101的长度介于1nm-50cm之间，截面直径介于1nm-1cm之间。
需要说明的是，本实施例中以第一振动弦103与第一轴上固定弦101进行连接进行示意，在其它实施例中，第一振动弦103与第一轴上固定弦101可以是同一条弦的两个部分，一部分用于固定、另一部分用于振动。
本实施例中，第一固定轴102的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：塑料、金属、玻璃、橡胶、以及陶瓷等。
本实施例中，第一固定轴102的轴长介于1nm-10cm之间，半径介于1nm-1cm之间。
本实施例中，第一配重104，固定于第一振动弦103上，该第一配重104的作用为保持第一纳米发电机105在振动过程中的平衡，不会影响该第一振动弦103的振动周期，第一配重104的具体设置位置可以根据实际需要和方便性进行调整，图1中以第一配重104设置于第一振动弦103的自由端，与第一纳米发电机105紧邻作为示例。
本实施例中，第一配重104的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：塑料、金属、玻璃、橡胶、以及陶瓷等；质量介于1μg-100g之间。
本实施例中，第一纳米发电机105为如下种类中的一种或其组合：电磁感应式发电机、压电式发电机、静电式发电机。
图2为根据本公开第一个实施例所示的纳米发电机倍频输出结构的原理示意图。
下面结合图2来介绍本实施例所示的包含单摆结构的振动弦结构的纳米发电机倍频输出结构的倍频输出原理。
如图2所示，在外力F1的作用下，使第一振动弦103偏离平衡位置，则第一振动弦103发生振动，并带动第一配重104和第一纳米发电机105发生振动，该振动为单摆运动或圆摆运动，取决于外力F1的施加方向，这里仅以单摆运动进行示意，参照图2中虚线所示意的摆动的最大幅度位置和下方的摆动轨迹；由于第一纳米发电机105的厚度很小，可将其忽略，因此这里的摆长为L1，L1为第一振动弦103在运动时的固定端到第一纳米发电机105之间的距离，近似等于第一振动弦103的长度；该振动的频率f1满足：
其中，g为重力加速度；L1为摆长。
此频率为f1的振动作为第一纳米发电机105的驱动，该第一纳米发电机105在此驱动的作用下实现更高频、方向性更好的电能输出，这样一来，人体运动的无规则、瞬时、低频的运动能量便转化为高频、方向性更好的能量进行输出，提高了纳米发电机的功率和能量转化效率，实现对外界低频、不规则运动的利用；并且摆长近似等于振动弦的弦长，通过调整振动弦的弦长，便可以实现对振动频率的调控，从而灵活、方便地调控纳米发电机的输出。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种包含两端固定的振动弦结构的纳米发电机倍频输出结构。
参照图3所示，本实施例中，该纳米发电机倍频输出结构，包括：振动弦结构，包含：两个第二固定轴202；第二轴上固定弦201，缠绕于每个第二固定轴202上；第二振动弦203，两端与两个第二固定轴202上缠绕的第二轴上固定弦201相连，并且拉紧，施加有弦上张力；该第二振动弦203具有一平衡位置，在外力的作用下偏离平衡位置发生振动，该振动使得该第二振动弦203最终回到平衡位置；第二纳米发电机205，固定于第二振动弦203上，在第二振动弦203偏离平衡位置发生振动时也随着一起振动；以及第二配重204，也固定于第二振动弦203上，保持第二纳米发电机205在振动过程中的平衡。
本实施例中，每个第二固定轴202的一端固定于空间某一点，实现固定，另一端具有一凸起，该凸起用以约束第二轴上固定弦201与第二振动弦203的长度、及其在第二固定轴202上缠绕的圈数。
在其它实施例中，只要能够实现振动弦两端固定的结构均可，不局限于本实施例。
本实施例的第二固定轴202、第二轴上固定弦201、第二振动弦203的材料、连接关系、尺寸等与第一个实施例中第一固定轴102、第一轴上固定弦101、第一振动弦103的相同，第二配重204的材料、质量与第一配重104的相同，这里均不再赘述。
本实施例中，第二配重204固定于第二振动弦203上，具体位置的设置可以根据实际需要和方便性进行调整，只要能保持第二纳米发电机205在振动过程中的平衡即可。
本实施例中，第二纳米发电机205为如下种类中的一种或其组合：电磁感应式发电机、压电式发电机、静电式发电机。
图4为根据本公开第二个实施例所示的纳米发电机倍频输出结构的原理示意图。
下面结合图4来介绍本实施例所示的包含两端固定的振动弦结构的纳米发电机倍频输出结构的倍频输出原理。
如图4所示，第二振动弦203的两端固定并拉紧，施加有弦上张力F，弦长为L2。在外力F2的作用下，使第二振动弦203偏离平衡位置，则第二振动弦203发生上下振动，并带动第二配重204和第二纳米发电机205发生振动，该振动为固定弦振动，参照图4中虚线所示意的摆动的最大幅度位置；该振动的频率f2满足：
其中，L2为第二振动弦两端之间的弦长；F为弦上张力；ρ为第二振动弦的密度。
此频率为f2的振动作为第二纳米发电机205的驱动，该第二纳米发电机205在此驱动的作用下实现更高频、方向性更好的电能输出，这样一来，人体运动的无规则、瞬时、低频的运动能量便转化为高频、方向性更好的能量进行输出，提高了纳米发电机的功率和能量转化效率，实现对外界低频、不规则运动的利用；并且通过调整振动弦的弦长、线上张力、改变振动弦的材料便可以实现对振动频率的调控，从而灵活、方便地调控纳米发电机的输出。
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种供能器件，该供能器件包含本公开提到的任一种纳米发电机倍频输出结构。
由于外界的驱动可以是人体的大部分运动，由纳米发电机倍频输出结构构成的供能器件在清洁能源领域具有广泛的应用前景和实用价值。
综上所述，本公开提供了一种纳米发电机倍频输出结构及供能器件，通过将纳米发电机与振动弦结构结合起来，利用外界的一个驱动使振动弦结构偏离平衡状态，则该振动弦结构产生规律、高频的振动，并且该振动又进一步作为纳米发电机的驱动，最终输出更高频、方向性更好的能量，提高了纳米发电机的功率和能量转化效率，实现对外界低频、不规则运动的利用；并通过调控振动弦结构中的振动弦的材料、长度、弦上张力等参数，实现对振动周期或振动频率的调控，为纳米发电机的输出创造更适宜的振动条件；由于外界的驱动可以是人体的大部分运动，由纳米发电机倍频输出结构构成的供能器件在清洁能源领域具有广泛的应用前景和实用价值。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。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，比如：振动弦结构，只要能满足施加以外力使该振动弦结构中的振动弦偏离平衡位置，并且为了最终回到平衡位置而发生振动的其它类似或拓展的弦结构也属于本公开的保护范围。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米发电机倍频输出结构，包括：
振动弦结构，包含：振动弦，具有一平衡位置，在外力的作用下偏离平衡位置发生振动，该振动使得该振动弦最终回到平衡位置；
纳米发电机，与振动弦相连接，在振动弦偏离平衡位置发生振动时也随着一起振动，并且该振动作为纳米发电机的驱动，纳米发电机在该驱动的作用下实现电能输出；以及
配重，固定于振动弦上，保持纳米发电机在振动过程中的平衡。
2.根据权利要求1所述的纳米发电机倍频输出结构，其中，所述振动弦的一端固定，另一端与配重和纳米发电机相连接。
3.根据权利要求2所述的纳米发电机倍频输出结构，其中，所述振动弦进行振动的频率f1满足：
其中，g为重力加速度；L1为摆长，该摆长等于振动弦固定的一端和与纳米发电机相连的另一端之间的距离。
4.根据权利要求1所述的纳米发电机倍频输出结构，其中，所述振动弦的两端均固定并施加有弦上张力，所述纳米发电机和配重均固定于振动弦上。
5.根据权利要求4所述的纳米发电机倍频输出结构，其中，所述振动弦进行振动的频率f2满足：
其中，L2为振动弦两端之间的弦长；F为弦上张力；ρ为振动弦的密度。
6.根据权利要求1所述的纳米发电机倍频输出结构，其中：
所述振动弦的材料包括如下材料中的一种或几种：天然纤维、人工合成纤维、塑料纤维、以及金属；和/或
所述振动弦的长度介于1nm-50cm之间，截面直径介于1nm-1cm之间。
7.根据权利要求1所述的纳米发电机倍频输出结构，其中：
所述配重的材料包括如下材料中的一种或几种：塑料、金属、玻璃、橡胶、以及陶瓷；和/或
所述配重的质量介于1μg-100g之间；和/或
所述纳米发电机为如下种类中的一种或其组合：电磁感应式发电机、压电式发电机、以及静电式发电机。
8.根据权利要求1所述的纳米发电机倍频输出结构，其中，所述振动弦的一端或两端通过固定轴实现固定，在固定轴上缠绕有轴上固定弦，该轴上固定弦与振动弦相连接。
9.根据权利要求8所述的纳米发电机倍频输出结构，其中：
所述固定轴的材料包括如下材料中的一种或几种：塑料、金属、玻璃、橡胶、以及陶瓷；和/或
所述固定轴的轴长介于1nm-10cm之间，半径介于1nm-1cm之间；和/或
所述轴上固定弦与振动弦一体成型或者轴上固定弦与振动弦的材料相同。
10.一种供能器件，包括权利要求1至9中任一项所述的纳米发电机倍频输出结构。
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