CN108649832A - 基于悬挂式振动的接触式摩擦发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于悬挂式振动的接触式摩擦发电装置，包括多层平板，层与层之间通过静电发电单元连接。所述静电发电单元由两个弹性扣件组成，两个弹性扣件的上下两端贴合，中部分离；弹性扣件的内侧壁上涂覆有介电材料层，两个弹性扣件上的介电材料层极性相反。所述弹性扣件由导电材料构成，构成发电装置的正负极。在振动下，两个弹性扣件合拢，内侧壁上的介电材料层接触，产生摩擦电荷；在弹性扣件恢复过程中，摩擦电荷产生感应电场，由导电材料构成的两个弹性扣件之间发生电荷转移，从而产生电能。该装置无需使用燃料能源，仅凭借装置本身就能将振动机械能转化为电能，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置，且能够在很宽的频率范围内工作。

Description

基于悬挂式振动的接触式摩擦发电装置

技术领域

本发明涉及用于一种基于悬挂式振动的接触式摩擦发电装置，主要用于振动能量的采集。

技术背景

振动是一种我们日常生活中最常见的机械运动，它存在于人体运动、公共汽车行驶、桥梁振动，等等。从环境中的机械振动采集能量来给电子器件供电可以广泛应用于健康监测、基础设施的监测以及环境保护和治安监测等。目前振动能的采集主要是基于压电效应、电磁感应效应、静电效应和磁力控制效应，而这些工作模式都需要器件在其共振频率及其很窄的范围内才能有效工作。但是，环境中的振动往往有很宽的频谱分布，甚至很多时候会随着时间的变化而变化，这些因素都会使以前的工作模式不能很好地对环境中的振动能量进行采集。因而，能在低频范围内以及较宽频率范围内有效工作的静电发电装置，有着较好的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于悬挂式振动的接触式摩擦发电装置，能够用于振动能量的收集，将振动机械能转化为电能，同时还具备能量转化效率高、应用范围广的特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于悬挂式振动的接触式摩擦发电装置，包括多层平板，层与层之间通过多个静电发电单元连接。所述静电发电单元由两个内侧壁上涂覆有介电材料层的弹性扣件组成，两个弹性扣件的上下两端贴合，连接于平板，中部分离；两个弹性扣件上的介电材料层极性相反。所述弹性扣件由导电材料构成，分别构成发电装置的正负极。在振动下，两个弹性扣件合拢，内侧壁上的介电材料层接触，产生摩擦电荷；在弹性扣件恢复过程中，摩擦电荷产生感应电场，两个弹性扣件之间形成电势差。

进一步地，所述弹性扣件呈弧形，两个弹性扣件1共同构成环形结构。

进一步地，还包括一壳体，用于约束平板之间的相对水平运动，保证平板仅在竖直方向的运动。

进一步地，还包括电能输送电路，输送电路包括电线与蓄电装置，各个静电发电单元并联后通过电路与蓄电装置相连。

本发明的有益效果是：本发明利用平板材料将摩擦发电约束带连接起来，极大地提高了空间利用率，将环境动荷载引起的振动能量转化为电能，经过该装置中的电能输送电路和蓄电装置将电能利用起来。该装置无需使用燃料能源，仅凭借装置本身就能将振动机械能转化为电能，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置，且能够在很宽的频率范围内工作。

附图说明

图1是静电发电装置的摩擦发电单元的竖直剖面图；

图2是多层多个发电单元的集成结构图。

图3是振动条件下摩擦发电单元初始运动状态示意图。

图4是振动条件下摩擦发电单元约束片摩擦层完全接触的运动状态示意图。

图中标号：1-弹性扣件；2-弹性扣件；3-介电材料层；4-介电材料层；a是装置的振动加速度；l是静止状态下相邻两层平板材料间的间距；Δl是振动状态下摩擦层完全接触时相邻两层平板材料中下层平板材料向下的相对运动距离。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案作进一步详细说明

本发明提供基于悬挂式振动的接触式摩擦发电装置，如图2所示，包括多层平板，层与层之间通过多个静电发电单元连接。所述静电发电单元由两个弹性扣件1和2组成，两个弹性扣件1和2的上下两端贴合，连接于平板，中部分离；弹性扣件的内侧壁上涂覆有介电材料层3和4，弹性扣件1和2上的介电材料层3、4极性相反。所述弹性扣件1和2由导电材料(金属材料)构成，分别构成发电装置的正负极。

在振动下，两个弹性扣件1合拢，内侧壁上的介电材料层3接触，产生摩擦电荷；在弹性扣件1恢复过程中，摩擦电荷产生感应电场，将两个弹性扣件与负载电路连接后，即形成电流。负载电路可以包括电线与蓄电装置，各个静电发电单元并联后通过电路与蓄电装置相连。

所述弹性扣件1和2呈弧形，弹性扣件1和2共同构成环形结构，如图3所示。在受到振动时，在惯性的作用下，弹性扣件1和2合拢，如图4所示；当外力消失时，在弹性扣件的弹力作用下，又恢复至图3所示的环形结构。

还包括一壳体，用于约束平板之间的相对水平运动，保证平板仅在竖直方向的运动。

本发明的悬挂式静电发电机实现发电的原理如下：

以图1所示的静电发电装置的单个发电单元的水平剖面图为例，装置受到的环境荷载方向为竖直方向。初始状态下，相对的介电材料层3和4相互分离，约束带为弧形，如图3所示。当静电发电装置在环境载荷作用下某一时刻，在惯性作用下平板向下移动，相对的介电材料层3和4发生形变相互接触，如图4所示，产生摩擦电荷，在弹性扣件1和2恢复为弧形结构的过程中，位于摩擦层3、4上的极性相反的摩擦电荷产生感应电场，形成电势差，当连接有外部电路时，弹性扣件1和2之间会发生电荷转移，从而产生电流。

其中，对于单个接触式摩擦发电单元，静止状态时，介电材料层3和4间的距离为最大，振动条件下，介电材料层3和4的间距随振动发生变化，y(t,x)为t时刻时介电材料上方连接点往下x距离处的介电材料间的间距。当接触式摩擦发电装置工作时，y(t,x)从最大到0变化。当两种介电材料接触(即y(t,x)＝0)，电极板充电，两个涂有介电材料的电极板的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两种介电材料分离时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为R时，由基尔霍夫定律得控制方程为：

其中，电荷量Q、感应电容C均与y(t,x)存在该函数关系，该一阶微分方程的边界条件为Q(t＝0)＝Q(T＝0)＝0。由此可以得到单个摩擦发电单元的输出电压V(t)。

Claims (5)

1.基于悬挂式振动的接触式摩擦发电装置，其特征在于，包括多层平板，层与层之间通过多个静电发电单元连接。所述静电发电单元由两个内侧壁上涂覆有介电材料层(3)的弹性扣件(1)组成，两个弹性扣件(1)的上下两端贴合，连接于平板，中部分离；两个弹性扣件(1)上的介电材料层(3)极性相反。所述弹性扣件(1)由导电材料构成，分别构成静电发电单元的正负极。在振动下，两个弹性扣件(1)合拢，内侧壁上的介电材料层(3)接触，产生摩擦电荷；在弹性扣件(1)恢复过程中，摩擦电荷产生感应电场，两个弹性扣件之间形成电势差。

2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述弹性扣件(1)呈弧形，两个弹性扣件(1)共同构成环形结构。

3.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，还包括一壳体，用于约束平板之间的相对水平运动，保证平板仅在竖直方向的运动。

4.根据权利要求1所述的发电装置，其特征是，该静电发电装置还包括电能输送电路，输送电路包括电线与蓄电装置，各个静电发电单元并联后通过电路与蓄电装置相连。

5.根据权利要求1所述的发电装置，其特征是，所述弹性扣件(1)由金属材料制成。