CN109194186B - 摩擦发电装置及可穿戴设备 - Google Patents

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    • H02N1/04—Friction generators

Abstract

本发明提供了一种摩擦发电装置及可穿戴设备，属于摩擦发电技术领域。其中，摩擦发电装置，包括：柔性封装层，所述柔性封装层内形成有容纳腔室；位于所述容纳腔室内的柔性导电体；与所述柔性导电体连接的导电走线，用于将所述柔性导电体产生的电荷导出；与所述导电走线连接的电能储能模块，用于将所述导电走线导出的电荷转换为电能并存储。本发明的技术方案提供了一种柔性的摩擦发电装置，能够应用于可穿戴设备中。

Description

摩擦发电装置及可穿戴设备
技术领域
本发明涉及摩擦发电技术领域，特别是指一种摩擦发电装置及可穿戴设备。
背景技术
现有的薄膜摩擦发电机，效率低，并且体积庞大，柔性差，难以被大规模应用在可穿戴设备领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种柔性的摩擦发电装置及可穿戴设备。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，提供一种摩擦发电装置，包括：
柔性封装层，所述柔性封装层内形成有容纳腔室；
位于所述容纳腔室内的柔性导电体；
与所述柔性导电体连接的导电走线，用于将所述柔性导电体产生的电荷导出；
与所述导电走线连接的电能储能模块，用于将所述导电走线导出的电荷转换为电能并存储。
进一步地，所述柔性导电体采用液体导体或固态金属电极。
进一步地，所述液体导体包括氯化钠水溶液和液体金属。
进一步地，所述氯化钠水溶液的浓度为0.8％-0.9％。
进一步地，所述柔性封装层采用透明硅胶。
进一步地，还包括：
位于所述容纳腔室内、与所述柔性导电体相接触的电荷储存层，用于储存所述柔性导电体产生的电荷。
进一步地，所述电荷储存层的厚度为20-150μm。
进一步地，还包括：
设置在所述容纳腔室侧壁上的微纳结构。
进一步地，所述微纳结构为锥状、立方体或线状。
本发明实施例还提供了一种可穿戴设备，包括如上所述的摩擦发电装置，所述可穿戴设备的供电模块与所述电能储能模块连接。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，摩擦发电装置包括柔性封装层、柔性导电体、导电走线和电能储能模块，在所述柔性封装层与外界摩擦时，所述柔性封装层能够产生第一极性的电荷，所述柔性导电体能够产生第二极性的电荷，所述第一极性与所述第二极性相反，导电走线能够将所述柔性导电体产生的电荷导出，电能储能模块能够将所述导电走线导出的电荷转换为电能并存储。本实施例的柔性封装层和柔性导电体均为柔性，因此可以实现柔性的摩擦发电装置，使得摩擦发电装置可以应用在可穿戴设备中，为可穿戴设备提供能量来源。
附图说明
图1为本发明实施例摩擦发电装置的结构示意图；
图2为本发明实施例摩擦发电装置摩擦发电的原理示意图。
附图标记
1 柔性封装层
2 电荷储存层
3 柔性导电体
4 微纳结构
5 电能储能模块
6 皮肤
7 导电走线
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例提供一种柔性的摩擦发电装置，可应用于可穿戴设备中。
本发明的实施例提供一种摩擦发电装置，如图1所示，包括：
柔性封装层1，所述柔性封装层1内形成有容纳腔室；
位于所述容纳腔室内的柔性导电体3；
与所述柔性导电体3连接的导电走线7，用于将所述柔性导电体3产生的电荷导出；
与所述导电走线7连接的电能储能模块5，用于将所述导电走线7导出的电荷转换为电能并存储。
本实施例中，摩擦发电装置包括柔性封装层1、柔性导电体3、导电走线7和电能储能模块5，在所述柔性封装层1与外界摩擦时，所述柔性封装层1能够产生第一极性的电荷，所述柔性导电体3能够产生第二极性的电荷，所述第一极性与所述第二极性相反，导电走线7能够将所述柔性导电体3产生的电荷导出，电能储能模块5能够将所述导电走线7导出的电荷转换为电能并存储。本实施例的柔性封装层1和柔性导电体3均为柔性，因此可以实现柔性的摩擦发电装置，使得摩擦发电装置可以应用在可穿戴设备中，为可穿戴设备提供能量来源。
具体地，所述第一极性的电荷为负电荷，所述第二极性的电荷为正电荷。优选地，所述柔性封装层1的电负性大于人体皮肤的电负性。电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。柔性封装层1的电负性大于人体皮肤的电负性，则在摩擦发电装置应用于可穿戴设备中，摩擦发电装置与皮肤接触时，柔性封装层1能够产生足够多的负电荷。
柔性封装层1可以采用硅胶或聚酰亚胺等高分子聚合物。具体地，所述柔性封装层1可以采用透明硅胶。
所述柔性导电体3的作用是产生诱导电荷，可以采用液体导体或固态金属电极，在柔性导电体3采用固态金属电极时，摩擦发电装置仅包括一个电极，可以简化摩擦发电装置的结构。
进一步地，所述液体导体包括氯化钠水溶液和液体金属，在液体导体采用氯化钠水溶液时，如果柔性封装层也采用透明材料，则可以实现透明柔性的摩擦发电装置，可以进一步扩大摩擦发电装置的应用范围，比如可以将摩擦发电装置设置的显示装置的显示侧。
具体地，所述氯化钠水溶液的浓度为0.8％-0.9％，在氯化钠水溶液的浓度采用上述取值时，能够使得氯化钠水溶液产生足够多的诱导电荷。优选地，所述氯化钠水溶液的浓度可以为0.86％。在制作摩擦发电装置时，可以先制作具有容纳腔室的柔性封装层1，然后采用针管将氯化钠水溶液注射入容纳腔室内。
进一步地，如图1所示，摩擦发电装置还包括：
位于所述容纳腔室内、与所述柔性导电体3相接触的电荷储存层2，用于储存所述柔性导电体3产生的电荷。电荷储存层2可以储存摩擦产生的电荷，使得柔性导电体3产生更多的诱导电荷从而增大输出电流，能够提高摩擦发电装置的功率。电荷储存层2可以采用PI(聚酰亚胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、NY(尼龙)等材料。
电荷储存层2的厚度越大，可以储存的电荷越多，但又会增加摩擦发电装置的厚度，不利于实现摩擦发电装置的柔性，优选地，电荷储存层2的厚度可以为20-150μm，既能够储存足够多的电荷，又能够兼顾摩擦发电装置的柔性。
进一步地，如图1所示，摩擦发电装置还包括：
设置在所述容纳腔室侧壁上的微纳结构4。微纳结构4是指人为设计的、具有微米或纳米尺度特征尺寸、按照特定方式排布的功能结构，微纳结构4用于增加柔性封装层1的表面面积，进而可以增大摩擦产生的电荷，进一步地，所述微纳结构4可以为锥状、立方体或线状。
下面以摩擦发电装置应用于可穿戴设备为例，结合附图对本发明的摩擦发电装置发电的原理进行说明：
如图2所示，在用户佩戴可穿戴设备时，摩擦发电装置会在柔性封装层1与用户的皮肤6接触的第一状态和柔性封装层1与皮肤6分离的第二状态之间切换。
当外力作用于摩擦发电装置，按压摩擦发电装置使得柔性封装层1与皮肤6接触时，皮肤6与柔性封装层1相互摩擦，由于柔性封装层1的电负性大于皮肤6，因此，柔性封装层1将产生负电荷，皮肤6产生正电荷，由于柔性封装层1与柔性导电体3相接触，柔性封装层1诱导柔性导电体3产生正电荷，同时，电荷储存层2储存柔性导电体3产生的正电荷，使得柔性导电体3产生更多的正电荷。
当松开摩擦发电装置，使柔性封装层1与皮肤6分离时，摩擦发电装置整体所带电荷总量为负电荷，因此，产生电荷流动，柔性导电体3的负电荷将经导电走线7流出，达到摩擦发电装置整体的电荷均衡；
当外力再次作用于摩擦发电装置，按压摩擦发电装置使得柔性封装层1与皮肤6接触时，由于皮肤6上存在正电荷，使得柔性封装层1产生负电荷，由于柔性封装层1与柔性导电体3相接触，柔性封装层1诱导柔性导电体3产生正电荷，同时，电荷储存层2储存柔性导电体3产生的正电荷，使得柔性导电体3产生更多的正电荷，为了使摩擦发电装置与皮肤整体达到电荷平衡，产生电荷流动，外界的负电荷将经由导电走线7流入柔性导电体3，之后再次达到电荷平衡。
可以看出，导电走线7先流出负电荷，然后流入负电荷，从而实现柔性导电体3通过导电走线7输出交流电信号，导电走线7与电能储能模块5连接，电能储能模块5能够接收导电走线7产生的交流电信号，将交流电信号转化为电能储存起来。电能储能模块5还可以起到对交流电信号稳压的作用，使得电能储能模块5能够稳定地为外界供能。
本发明实施例还提供了一种可穿戴设备，包括如上所述的摩擦发电装置，所述可穿戴设备的供电模块与所述电能储能模块5连接。可穿戴设备包括但不限于手表、谷歌眼镜、运动手环等。
如图1所示，包括：
柔性封装层1，所述柔性封装层1内形成有容纳腔室；
位于所述容纳腔室内的柔性导电体3；
与所述柔性导电体3连接的导电走线7，用于将所述柔性导电体3产生的电荷导出；
与所述导电走线7连接的电能储能模块5，用于将所述导电走线7导出的电荷转换为电能并存储。
本实施例中，摩擦发电装置包括柔性封装层1、柔性导电体3、导电走线7和电能储能模块5，在所述柔性封装层1与外界摩擦时，所述柔性封装层1能够产生第一极性的电荷，所述柔性导电体3能够产生第二极性的电荷，所述第一极性与所述第二极性相反，导电走线7能够将所述柔性导电体3产生的电荷导出，电能储能模块5能够将所述导电走线7导出的电荷转换为电能并存储。本实施例的柔性封装层1和柔性导电体3均为柔性，因此可以实现柔性的摩擦发电装置，使得摩擦发电装置可以应用在可穿戴设备中，为可穿戴设备提供能量来源。
具体地，所述第一极性的电荷为负电荷，所述第二极性的电荷为正电荷。优选地，所述柔性封装层1的电负性大于人体皮肤的电负性。电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。柔性封装层1的电负性大于人体皮肤的电负性，则在摩擦发电装置应用于可穿戴设备中，摩擦发电装置与皮肤接触时，柔性封装层1能够产生足够多的负电荷。
柔性封装层1可以采用硅胶或聚酰亚胺等高分子聚合物。具体地，所述柔性封装层1可以采用透明硅胶。
所述柔性导电体3的作用是产生诱导电荷，可以采用液体导体或固态金属电极，在柔性导电体3采用固态金属电极时，摩擦发电装置仅包括一个电极，可以简化摩擦发电装置的结构。
进一步地，所述液体导体包括氯化钠水溶液和液体金属，在液体导体采用氯化钠水溶液时，如果柔性封装层也采用透明材料，则可以实现透明柔性的摩擦发电装置，可以进一步扩大摩擦发电装置的应用范围，比如可以将摩擦发电装置设置的显示装置的显示侧。
具体地，所述氯化钠水溶液的浓度为0.8％-0.9％，在氯化钠水溶液的浓度采用上述取值时，能够使得氯化钠水溶液产生足够多的诱导电荷。优选地，所述氯化钠水溶液的浓度可以为0.86％。在制作摩擦发电装置时，可以先制作具有容纳腔室的柔性封装层1，然后采用针管将氯化钠水溶液注射入容纳腔室内。
进一步地，如图1所示，摩擦发电装置还包括：
位于所述容纳腔室内、与所述柔性导电体3相接触的电荷储存层2，用于储存所述柔性导电体3产生的电荷。电荷储存层2可以储存摩擦产生的电荷，使得柔性导电体3产生更多的诱导电荷从而增大输出电流，能够提高摩擦发电装置的功率。电荷储存层2可以采用PI(聚酰亚胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、NY(尼龙)等材料。
电荷储存层2的厚度越大，可以储存的电荷越多，但又会增加摩擦发电装置的厚度，不利于实现摩擦发电装置的柔性，优选地，电荷储存层2的厚度可以为20-150μm，既能够储存足够多的电荷，又能够兼顾摩擦发电装置的柔性。
进一步地，如图1所示，摩擦发电装置还包括：
设置在所述容纳腔室侧壁上的微纳结构4。微纳结构4是指人为设计的、具有微米或纳米尺度特征尺寸、按照特定方式排布的功能结构，微纳结构4用于增加柔性封装层1的表面面积，进而可以增大摩擦产生的电荷，进一步地，所述微纳结构4可以为锥状、立方体或线状。
下面结合附图对本发明的摩擦发电装置发电的原理进行说明：
如图2所示，在用户佩戴可穿戴设备时，摩擦发电装置会在柔性封装层1与用户的皮肤6接触的第一状态和柔性封装层1与皮肤6分离的第二状态之间切换。
当外力作用于摩擦发电装置，按压摩擦发电装置使得柔性封装层1与皮肤6接触时，皮肤6与柔性封装层1相互摩擦，由于柔性封装层1的电负性大于皮肤6，因此，柔性封装层1将产生负电荷，皮肤6产生正电荷，由于柔性封装层1与柔性导电体3相接触，柔性封装层1诱导柔性导电体3产生正电荷，同时，电荷储存层2储存柔性导电体3产生的正电荷，使得柔性导电体3产生更多的正电荷。
当松开摩擦发电装置，使柔性封装层1与皮肤6分离时，摩擦发电装置整体所带电荷总量为负电荷，因此，产生电荷流动，柔性导电体3的负电荷将经导电走线7流出，达到摩擦发电装置整体的电荷均衡；
当外力再次作用于摩擦发电装置，按压摩擦发电装置使得柔性封装层1与皮肤6接触时，由于皮肤6上存在正电荷，使得柔性封装层1产生负电荷，由于柔性封装层1与柔性导电体3相接触，柔性封装层1诱导柔性导电体3产生正电荷，同时，电荷储存层2储存柔性导电体3产生的正电荷，使得柔性导电体3产生更多的正电荷，为了使摩擦发电装置与皮肤整体达到电荷平衡，产生电荷流动，外界的负电荷将经由导电走线7流入柔性导电体3，之后再次达到电荷平衡。
可以看出，导电走线7先流出负电荷，然后流入负电荷，从而实现柔性导电体3通过导电走线7输出交流电信号，导电走线7与电能储能模块5连接，电能储能模块5能够接收导电走线7产生的交流电信号，将交流电信号转化为电能储存起来。电能储能模块5还可以起到对交流电信号稳压的作用，使得电能储能模块5能够稳定地为外界供能。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种摩擦发电装置，其特征在于，包括：
柔性封装层，所述柔性封装层内形成有容纳腔室，所述柔性封装层的电负性大于人体皮肤的电负性；
位于所述容纳腔室内的柔性导电体；
与所述柔性导电体连接的导电走线，用于将所述柔性导电体产生的电荷导出；
与所述导电走线连接的电能储能模块，用于将所述导电走线导出的电荷转换为电能并存储；
位于所述容纳腔室内、与所述柔性导电体相接触的电荷储存层，用于储存所述柔性导电体产生的电荷，所述电荷储存层的厚度为20-150μm。
2.根据权利要求1所述的摩擦发电装置，其特征在于，所述柔性导电体采用液体导体或固态金属电极。
3.根据权利要求2所述的摩擦发电装置，其特征在于，所述液体导体包括氯化钠水溶液和液体金属。
4.根据权利要求3所述的摩擦发电装置，其特征在于，所述氯化钠水溶液的浓度为0.8％-0.9％。
5.根据权利要求1所述的摩擦发电装置，其特征在于，所述柔性封装层采用透明硅胶。
6.根据权利要求1所述的摩擦发电装置，其特征在于，还包括：
设置在所述容纳腔室侧壁上的微纳结构。
7.根据权利要求6所述的摩擦发电装置，其特征在于，所述微纳结构为锥状、立方体或线状。
8.一种可穿戴设备，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的摩擦发电装置，所述可穿戴设备的供电模块与所述电能储能模块连接。
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