CN108429485A - 胶囊式驻极体发电机及供能器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胶囊式驻极体发电机及供能器件，其中，胶囊式驻极体发电机，包括：胶囊式封闭结构，包含：绝缘外壳，以及设置于绝缘外壳两侧的电极或者分别设置于绝缘外壳两侧的单电极和绝缘部；该胶囊式封闭结构具有一内部空间；以及驻极体振子，位于胶囊式封闭结构的内部空间内，可在电极间或单电极与绝缘部之间运动。该胶囊式驻极体发电机为单电极或双电极发电机，相比传统的驻极体发电机，该胶囊式驻极体发电机能有效减少驻极体内电荷的流失、延长驻极体的寿命；且工作温度和环境适应范围广泛、不需要反复充电，是一种清洁的供电器件，且能源来源广泛、有助于推广，具有较大的应用潜力和商业价值。
Description
技术领域
本公开属于新能源与人体工程学领域，涉及一种胶囊式驻极体发电机及供能器件。
背景技术
目前，锂电池供电成为便携移动电器的主流供能方式，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。对于清洁能源的追求一直是研究者的目标，并且提供清洁、高功率、以及性能稳定的供电器件是现在能源需求的一大热点。
驻极体是一种用途广泛的储电功能电介质，随着科学技术的发展，已经逐渐显示出它作为一种重要用途电子材料的潜力，在环境净化、能源、电子工程、以及生物医药等领域都有重要的应用。随着有机化学的进步，更多性能优异的有机高分子材料被科学家合成出来，这其中有很多材料都具有优异的驻极体性质。例如，PTFE(聚四氟乙烯)是一种性能良好的驻极体材料。
近年来有很多科学家试图利用电荷感应来制作微型驻极体发电机。但是目前的驻极体发电机结构普遍存在功率低、驻极体电荷衰减严重、工作环境要求高等问题。
因此，亟需提出一种基于驻极体的清洁的供能器件或发电机结构，具有如下综合性能：不需要反复充电、工作温度和环境适应范围广泛、制造成本低廉、便于携带、且寿命较长。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种胶囊式驻极体发电机及供能器件，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，提供了一种胶囊式驻极体发电机，包括：胶囊式封闭结构，包含：绝缘外壳，以及设置于绝缘外壳两侧的电极或者分别设置于绝缘外壳两侧的单电极和绝缘部；该胶囊式封闭结构具有一内部空间；以及驻极体振子，位于胶囊式封闭结构的内部空间内，可在电极间或单电极与绝缘部之间运动。
在本公开的一些实施例中，胶囊式驻极体发电机，还包括：能量收集和负载电路，与绝缘外壳两侧的电极进行连接或者与设置于绝缘外壳一侧的单电极进行连接，另一端接地。
在本公开的一些实施例中，能量收集和负载电路以宏观电路、薄膜印刷电路或集成电路的方式附着在该胶囊式驻极体发电机的内部或外部；和/或能量收集和负载电路包含两个功能电路，分别为：能量收集电路和负载电路；其中，能量收集电路中包含：整流桥和储能电容，用于将该胶囊式驻极体发电机产生的交流电转化为直流电能进行储存、输出；负载电路，与能量收集电路连接，该负载电路的两端用于外接负载。
在本公开的一些实施例中，绝缘外壳与设置于绝缘外壳两侧的电极连接，形成一内部空间；或者绝缘外壳与分别设置于绝缘外壳两侧的单电极和绝缘部连接，形成一内部空间；或者绝缘外壳的形状为一密封的立体几何形状，绝缘外壳两侧的电极贴附在绝缘外壳的外表面或内壁，或者单电极贴附在绝缘外壳的外表面或内壁。
在本公开的一些实施例中，绝缘外壳的材料包括如下材料中的一种或几种：有机玻璃、塑料、橡胶、纸张、石英、陶瓷、以及树脂；和/或设置于绝缘外壳两侧的电极或者单电极的材料为：金属材料或导电非金属材料。
在本公开的一些实施例中，设置于绝缘外壳两侧的电极或者单电极的形状包括如下形状的一种或其组合：网状、曲面状、以及平面状；和/或设置于绝缘外壳两侧的电极或者单电极的厚度介于10nm-1mm之间，面积介于1μm2-1m2之间。
在本公开的一些实施例中，驻极体振子的形状为中空或实心的球体或者多面体；和/或驻极体振子的材料包括如下材料中的一种或几种：聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、有机玻璃、树脂、以及松香。
在本公开的一些实施例中，驻极体振子为中空或实心的球体，该球体的半径介于1μm-5cm之间。
在本公开的一些实施例中，内部空间为真空或填充有干燥的气体，该气体包括如下气体中的一种或几种：空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫、氦气、氖气、氩气、氪气、以及氙气。
根据本公开的另一个方面，提供了一种供能器件，包括N个串联或并联连接的胶囊式驻极体发电机，N≥2，该胶囊式驻极体发电机为本公开提到的任一种胶囊式驻极体发电机。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的胶囊式驻极体发电机及供能器件，具有以下有益效果：
(1)通过构造胶囊式封闭结构，在胶囊式封闭结构中绝缘外壳的一端或两端设置电极，使驻极体作为内部振子，成为一个单电极或双电极发电机，相比传统的驻极体发电机，该胶囊式驻极体发电机能有效减少驻极体内电荷的流失、延长驻极体的寿命；且工作温度和环境适应范围广泛、不需要反复充电；
(2)对该胶囊式驻极体发电机施加一个外在的力使其产生抖动或振动，使得驻极体振子在绝缘外壳两端振动，从而通过改变电极上感应电荷的响应程度产生电能输出，能够有效利用人体运动产生的抖动，例如走路产生的摆手运动，转变为高频的驻极体振动从而输出电能，是一种清洁的供电器件，且能源来源广泛、有助于推广，具有较大的应用潜力和商业价值；
(3)将多个胶囊式驻极体发电机封装后进行整流，然后以串联或并联的方式连接起来，组成供能器件，可以产生高电压或高电流进行输出，可按照实际需求灵活调整胶囊式驻极体发电机的个数、结构、以及连接方式等实现高功率供能。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的带有双电极的胶囊式驻极体发电机的剖面结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的带有单电极的胶囊式驻极体发电机的剖面结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的多个带有双电极的胶囊式驻极体发电机逐个整流后串联以提高供能器件的输出电压的结构图。
图4为根据本公开一实施例所示的多个带有双电极的胶囊式驻极体发电机逐个整流后并联以提高供能器件的输出电流的结构图。
【符号说明】
101a-第一电极； 101b-第二电极；
102-绝缘外壳； 103-驻极体振子；
104-内部空间； 105-能量收集和负载电路；
106-绝缘部。
具体实施方式
本公开提供了一种胶囊式驻极体发电机及供能器件，通过构造胶囊式封闭结构，在胶囊式封闭结构中绝缘外壳的一端或两端设置电极，使驻极体作为内部振子，成为一个单电极或双电极发电机，相比传统的驻极体发电机，该胶囊式驻极体发电机能有效减少驻极体内电荷的流失、延长驻极体的寿命；且工作温度和环境适应范围广泛、不需要反复充电，是一种清洁的供电器件，且能源来源广泛、有助于推广，具有较大的应用潜力和商业价值。
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。
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，一般人在通常情况下的连续功率是70W左右，训练有素的运动员、武警、公安、军人、保镖等的瞬时突发功率最高可达3kW。在比较剧烈的运动中，例如打篮球时，人消耗的功率约为700W。在更加剧烈的运动情况下，例如在百米赛跑中，一个优秀运动员消耗的功率可达到kW级别。如果可以把这些多余的能量收集起来给电子设备供电，将具有很大的应用潜力和商业价值。
目前的驻极体发电机的结构普遍存在功率低、驻极体电荷衰减严重、工作环境要求高等问题。
将驻极体发电机的结构进行优化，使其利用人体运动产生的能量转化为电能，并且减少驻极体内电荷的流失，成为本公开解决技术问题的一大结合点和突破点。
图1为根据本公开一实施例所示的带有双电极的胶囊式驻极体发电机的剖面结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的带有单电极的胶囊式驻极体发电机的剖面结构示意图。
结合图1和图2所示，本公开提供的胶囊式驻极体发电机，包括：胶囊式封闭结构，包含：绝缘外壳102，以及设置于绝缘外壳102两侧的电极或者分别设置于绝缘外壳102两侧的单电极和绝缘部；该胶囊式封闭结构具有一内部空间104；驻极体振子103，位于胶囊式封闭结构的内部空间104内，可在电极间或单电极与绝缘部之间运动；以及能量收集和负载电路105，与绝缘外壳102两侧的电极进行连接或者与设置于绝缘外壳102一侧的单电极进行连接，另一端接地。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种带有双电极的胶囊式驻极体发电机。
参照图1所示，本实施例中，该带有双电极的胶囊式驻极体发电机，包括：胶囊式封闭结构，包含：绝缘外壳102，以及设置于绝缘外壳102两侧的第一电极101a和第二电极101b，该胶囊式封闭结构具有一内部空间104；驻极体振子103，位于胶囊式封闭结构的内部空间104内，可在第一电极101a和第二电极101b之间运动；以及能量收集和负载电路105，与绝缘外壳102两侧的第一电极101a和第二电极101b进行连接。
本实施例中，以绝缘外壳102为中空柱形进行示例，该绝缘外壳102与第一电极101a和第二电极101b构成一个封闭的内部空间104，该中空柱形的高度介于1μm-20cm之间。
本实施例中，绝缘外壳102的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：有机玻璃、塑料、橡胶、纸张、石英、陶瓷、以及树脂等。
第一电极101a和第二电极101b设置于绝缘外壳102两侧，与绝缘外壳102紧密相连，形成一个与外界环境没有气体交换的封闭的内部空间104。
本实施例中，第一电极101a和第二电极101b的材料为金属材料或导电非金属材料，金属材料包括诸如：金、银、铜、铁、钛、铝等金属，金属化合物，及合金，导电非金属材料包括但不限于如下材料：碳、硅、锗及其化合物，导电玻璃，以及导电有机薄膜等。
本实施例中，第一电极101a和第二电极101b的形状包括但不限于如下形状：网状、曲面状、或平面状等。
本实施例中，第一电极101a和第二电极101b的厚度介于10nm-1mm之间，面积介于1μm2-1m2之间。
需要说明的是，本公开不限制绝缘外壳102与电极之间的连接方式，只要能形成一封闭的内部空间即可，可以根据绝缘外壳与电极的具体材料进行对应的连接方式的选择即可，比如：绝缘外壳的材料为塑料，电极的材料为金属，二者可以采用塑料热铆接技术进行连接，以形成一封闭的内部空间。
另外，绝缘外壳102与电极构成胶囊式封闭结构的方式也可以与本实施例的示例不同，例如：在其它实施例中，绝缘外壳102本身形成一密封的内部空间，第一电极101a和第二电极101b为沉积态薄层电极，贴附在绝缘外壳102的外表面或内壁上，第一电极101a和第二电极101b二者相互隔开设置。此种情况对应的绝缘外壳102的形状为密封的立体几何形状，包括但不限于：中空柱形、中空球形、棱柱状或圆柱状等。
本实施例中，驻极体振子103的形状为中空或实心的球体或者多面体，驻极体振子103的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种材料：聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、有机玻璃、树脂、以及松香等。本实施例中以驻极体振子103为球体进行示例，该驻极体振子103的半径介于1μm-5cm之间。
本实施例中，内部空间104可以为真空或由干燥的空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等气体中的一种或几种混合进行填充。
本实施例中，能量收集和负载电路105以宏观电路、薄膜印刷电路或集成电路等的方式附着在该胶囊式驻极体发电机的内部或外部。该能量收集和负载电路105包含两个功能电路，分别为：能量收集电路和负载电路，其中，能量收集电路中包含整流桥和储能电容，用于将该胶囊式驻极体发电机产生的交流电转化为直流电能进行储存、输出；负载电路，与能量收集电路连接，该负载电路的两端用于外接负载，负载包含：用电器，包括：电容、电感、电阻、二极管、三极管、led、lcd屏幕、微型电机、锂电池等；以及各类敏感元件、传感器等。
参照图1所示，本实施例中，能量收集电路和负载电路105仅以整流桥和负载进行示意，在带有双电极的胶囊式驻极体发电机的两个电极端：第一电极101a和第二电极101b输出交流电，作为整流桥的交流电输入，然后通过整流桥的整流作用，在该整流桥的两个输出端输出直流电，并将负载接在整流桥的两个输出端。
本实施例中，胶囊式驻极体发电机可以利用人体运动产生的抖动，使得驻极体振子在胶囊式封闭结构内发生振动，两个电极会产生感应电荷，随着驻极体振子的振动，其与两个电极之间的距离在动态变化，从而使得两个电极感应出的电荷也随着振动而进行变化，这样由于两个电极上的电荷数量和极性的不同而产生电能输出，构成了双电极发电机。一方面，由于驻极体振子处于胶囊式封闭结构的内部空间中，能有效减少驻极体内电荷的流失、延长驻极体的寿命、不需要反复充电；并且该胶囊式封闭结构的保护作用使得该发电机的工作温度和环境适应范围广泛；另一方面，通过将人体运动的能量转化为电能输出，能源来源广泛，实现了清洁、可持续发展。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种带有单电极的胶囊式驻极体发电机。
参照图2所示，本实施例中，该带有单电极的胶囊式驻极体发电机，包括：胶囊式封闭结构，包含：绝缘外壳102，以及分别设置于绝缘外壳102两侧的第一电极102a和绝缘部106；该胶囊式封闭结构具有一内部空间104；驻极体振子103，位于胶囊式封闭结构的内部空间104内，可在第一电极102a和绝缘部106之间运动；以及能量收集和负载电路105，与第一电极102a进行连接，另一端接地。
本实施例的带有单电极的胶囊式驻极体发电机与第一个实施例的区别在于：将图1所示的第一个实施例中的第二电极101b替换为绝缘部106，通过修改负载电路的接线形式实现电荷转移。本实施例中，将图1所示的与电极101b相连的导线直接接地，可以实现单电极发电的效果。
本实施例中，带有单电极的胶囊式驻极体发电机与第一个实施例所示的带有双电极的胶囊式驻极体发电机的区别之处仅在于：采用绝缘部106替代了第二电极102b，能量收集和负载电路105与电极之间的连接关系发生了变化，其余各个部分的具体形状、材料、连接关系等与第一个实施例的相同，这里不再赘述。
另外，与第一个实施例类似，绝缘外壳102与电极构成胶囊式封闭结构的方式也可以与第一个实施例的示例不同，例如：在其它实施例中，绝缘外壳102本身形成一密封的内部空间，第一电极101a为沉积态薄层电极，贴附在绝缘外壳102的外表面或内壁上；绝缘部106可以贴附在绝缘外壳102的外表面或内壁上，或者省略掉，由绝缘外壳102的一侧充当。
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种供能器件，包括：N个串联或并联连接的胶囊式驻极体发电机，N≥2，其中，该胶囊式驻极体发电机，包括：胶囊式封闭结构，包含：绝缘外壳，以及设置于绝缘外壳两侧的电极或者分别设置于绝缘外壳两侧的单电极和绝缘部；该胶囊式封闭结构具有一内部空间；驻极体振子，位于胶囊式封闭结构的内部空间内，可在电极间或电极与绝缘部之间运动；以及能量收集和负载电路，与绝缘外壳两侧的电极进行连接或者与设置于绝缘外壳一侧的单电极进行连接，另一端接地。
图3为根据本公开一实施例所示的多个带有双电极的胶囊式驻极体发电机逐个整流后串联以提高供能器件的输出电压的结构图。
参照图3所示，在一实施例中，该供能器件包含n个经整流后进行串联的带有双电极的胶囊式驻极体发电机，经过全波整流的多个胶囊式驻极体发电机会在串联中得到相位叠加，每个胶囊式驻极体发电机经整流后输出电压为U0，串联之后得到nU0的输出电压，从而使得该功能器件能够提供更大的输出电压及输出功率，并且可根据实际功率需要进行胶囊式驻极体发电机个数、结构、材料等的灵活选择。
图4为根据本公开一实施例所示的多个带有双电极的胶囊式驻极体发电机逐个整流后并联以提高供能器件的输出电流的结构图。
参照图4所示，在一实施例中，该供能器件包含n个经整流后进行并联的带有双电极的胶囊式驻极体发电机，经过全波整流的多个胶囊式驻极体发电机会在并联中得到相位叠加，每个胶囊式驻极体发电机经整流后输出电压为U0，输出电流为I0，并联之后在干路上的输出电流为nI0，从而使得该功能器件能够提供更大的输出电流及输出功率，并且可根据实际功率需要进行胶囊式驻极体发电机个数、结构、材料等的灵活选择。
综上所述，本公开提供了一种胶囊式驻极体发电机及供能器件，通过构造胶囊式封闭结构，在胶囊式封闭结构中绝缘外壳的一端或两端设置电极，使驻极体作为内部振子，成为一个单电极或双电极发电机，相比传统的驻极体发电机，该胶囊式驻极体发电机能有效减少驻极体内电荷的流失、延长驻极体的寿命；且工作温度和环境适应范围广泛、不需要反复充电；对该胶囊式驻极体发电机施加一个外在的力使其产生抖动或振动，使得驻极体振子在绝缘外壳两端振动，从而通过改变电极上感应电荷的响应程度产生电能输出，能够有效利用人体运动产生的抖动，例如走路产生的摆手运动，转变为高频的驻极体振动从而输出电能，是一种清洁的供电器件，且能源来源广泛、有助于推广，具有较大的应用潜力和商业价值；将多个胶囊式驻极体发电机封装后进行整流，然后以串联或并联的方式连接起来，组成供能器件，可以产生高电压或高电流进行输出，可按照实际需求灵活调整胶囊式驻极体发电机的个数、结构、以及连接方式等实现高功率供能。
需要说明的是，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。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。
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。
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)
1.一种胶囊式驻极体发电机，包括：
胶囊式封闭结构，包含：绝缘外壳，以及设置于绝缘外壳两侧的电极或者分别设置于绝缘外壳两侧的单电极和绝缘部；该胶囊式封闭结构具有一内部空间；以及
驻极体振子，位于胶囊式封闭结构的内部空间内，可在电极间或单电极与绝缘部之间运动。
2.根据权利要求1所述的胶囊式驻极体发电机，还包括：
能量收集和负载电路，与绝缘外壳两侧的电极进行连接或者与设置于绝缘外壳一侧的单电极进行连接，另一端接地。
3.根据权利要求2所述的胶囊式驻极体发电机，其中：
所述能量收集和负载电路以宏观电路、薄膜印刷电路或集成电路的方式附着在该胶囊式驻极体发电机的内部或外部；和/或
所述能量收集和负载电路包含两个功能电路，分别为：能量收集电路和负载电路；
其中，能量收集电路中包含：整流桥和储能电容，用于将该胶囊式驻极体发电机产生的交流电转化为直流电能进行储存、输出；
负载电路，与能量收集电路连接，该负载电路的两端用于外接负载。
4.根据权利要求1所述的胶囊式驻极体发电机，其中：
所述绝缘外壳与设置于绝缘外壳两侧的电极连接，形成一内部空间；或者
所述绝缘外壳与分别设置于绝缘外壳两侧的单电极和绝缘部连接，形成一内部空间；或者
所述绝缘外壳的形状为一密封的立体几何形状，绝缘外壳两侧的电极贴附在绝缘外壳的外表面或内壁，或者单电极贴附在绝缘外壳的外表面或内壁。
5.根据权利要求1所述的胶囊式驻极体发电机，其中：
所述绝缘外壳的材料包括如下材料中的一种或几种：有机玻璃、塑料、橡胶、纸张、石英、陶瓷、以及树脂；和/或
所述设置于绝缘外壳两侧的电极或者单电极的材料为：金属材料或导电非金属材料。
6.根据权利要求1所述的胶囊式驻极体发电机，其中：
所述设置于绝缘外壳两侧的电极或者单电极的形状包括如下形状的一种或其组合：网状、曲面状、以及平面状；和/或
所述设置于绝缘外壳两侧的电极或者单电极的厚度介于10nm-1mm之间，面积介于1μm2-1m2之间。
7.根据权利要求1所述的胶囊式驻极体发电机，其中：
所述驻极体振子的形状为中空或实心的球体或者多面体；和/或
所述驻极体振子的材料包括如下材料中的一种或几种：聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、有机玻璃、树脂、以及松香。
8.根据权利要求7所述的胶囊式驻极体发电机，其中，所述驻极体振子为中空或实心的球体，该球体的半径介于1μm-5cm之间。
9.根据权利要求1所述的胶囊式驻极体发电机，其中，所述内部空间为真空或填充有干燥的气体，所述气体包括如下气体中的一种或几种：
空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫、氦气、氖气、氩气、氪气、以及氙气。
10.一种供能器件，包括N个串联或并联连接的胶囊式驻极体发电机，N≥2，该胶囊式驻极体发电机为权利要求1至9中任一项所述的胶囊式驻极体发电机。
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