CN109756151A - 一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，包括能量回收单元和能量收集单元，其中，所述能量回收单元至少包括一环形件，所述环形件由管材首尾相接构成且形成闭合的通道，所述通道内设置有能够自由滚动的球形质量块，并且所述通道的内壁构造有纳米摩擦发电材料层，以使所述球形质量块在滚动时与所述纳米摩擦发电材料层摩擦从而产生电能；所述能量收集单元包括用于收集电能的能量收集电路。该振动能量收集器能量损失率低，结构紧凑，并且可以收集到多个方向的振动能量。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量收集装置，特别是涉及一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，该振动能量收集器能够将环境中的多方向、无规律的低频振动能量转换为电能。
背景技术
当今社会物联网智能技术快速发展，其中多处用到了传感器。例如，在无人飞行器之中，就存在不同种类的多种无线传感器。在物联网智能穿戴技术中，穿戴设备中也设置有大量的传感器。这些传感器在实现复杂控制和手机更为丰富的环境信息方面起着重要的不可替代的作用。但目前针对大部分无线传感设备的供能是通过电池进行供电。如飞行器，电池在满足无人飞行器的动力之外，也得提供各种无线传感器工作的动力。这在通常情况下使得飞行器的续航里程受到了不小的影响。并且，在电池供电出现故障时，用于控制的传感器或者实施反馈飞行器位置的传感器或者其他可能有助于诊断的传感器都将可能工作不正常。另外，目前针对无线传感器进行更换电池操作也是一个繁琐的过程，需要大量的人力。为了解决无线传感器更换电池的繁琐、解放人力，解决当前智能穿戴中的功能问题，这些微型电子设备的自供电自然成为了人们研究的热点。在智能穿戴领域，已经有学者进行发电皮肤的研究，其原理即王中林教授在2012年提出的纳米发电机，作为一项新型技术，其应用的潜力可以说是巨大的。人们走路的过程可以看作是振动过程，无人飞行器飞行过程中的晃动也可以看作是振动过程。将纳米发电机所使用的材料用在微小振动能量收集之中，是十分值得研究的课题，如何根据这些材料的发电原理设计出好的结构和电路也是一项重大的挑战。
如何收集环境中的振动能量，传统收集方法利用的是环境中的振动带动压电元件的变形，从而产生电量；高效的收集环境中的能量仍然是当今研究的热点问题，要达到最佳收集效率，即要使装置能够有低频共振点；环境中的振动大多处于低频、低幅、无规律，因此很多学者都做了低频低幅多方向能量回收的方向的研究。例如：在中国专利申请CN106849597A中公开了一种多方向滚动摩擦能量回收装置，其明显的缺点是放置于装置之中不够稳定，会发出很大的噪声，其能量收集的原理是利用球体的撞击使得压电材料发生变形，从而产生电量，其大部分的能量都会因为球的撞击而损失掉，收集效率不高。而在中国专利CN206865378U中公开的多方向振动能量回收装置，可以用来收集多方向振动能量，能量损失相比于专利申请CN106849597A要低，原理同样是利用压电片的变形来产生电量，但是其横向纵向空间占比较大，不够紧凑，空间利用率较低。这些先前学者所做的工作，无不是根据压电材料的发电原理来设计出合理的结构，但其缺点也相对较为明显，能量损失率高，结构不够紧凑，因此如何从原理上设计结构，解决低频多方向能量收集仍是重要研究方向。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器。该振动能量收集器能量损失率低，结构紧凑，并且可以收集到多个方向的振动能量。
为了实现上述目的，本发明基于纳米发电机原理设计了一种全新的能量收集器，整个能量收集器不再通过利用压电元件的变形来产生电量，而是通过摩擦纳米摩擦发电材料来产生电量；通过外部环境的不规律晃动，带动球形质量块滚动，进而产生电能，不会因为球形质量块的撞击而损失能量。本申请中的能量收集器的球形质量块会一直滚动，直到动能耗尽，因而转换效率高。
具体地，本发明一个方面提供的一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，包括能量回收单元和能量收集单元，其中，所述能量回收单元至少包括一环形件，所述环形件由管材首尾相接构成且形成闭合的通道，所述通道内设置有能够自由滚动的球形质量块，并且所述通道的内壁构造有纳米摩擦发电材料层，以使所述球形质量块在滚动时与所述纳米摩擦发电材料层摩擦从而产生电能；所述能量收集单元包括用于收集电能的能量收集电路。
在一些实施例中，所述能量回收单元包括多个环形件，多个所述环形件的半径不同的且相互嵌套在一起构成环形件结构体；每个所述环形件相互并联或串联方式电性连接至所述能量收集电路，且每个所述环形件的所述通道内均设置有所述球形质量块。
在一些实施例中，所述能量回收单元由多个所述环形件结构体拼接形成多面体结构。
在一些实施例中，所述多面体结构为便于堆叠的正多面体，所述能量回收单元由多个所述多面体结构矩阵样堆叠而成。
在一些实施例中，构成所述能量回收单元的所述多面体结构为正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体或正二十面体中的一种或多种组合。
在一些实施例中，所述环形件为导电材质制成且其外壁设置有绝缘层。
在一些实施例中，所述球形质量块的直径与所述环形件的所述通道的内径之比为1:2～3:4。
在一些实施例中，所述纳米摩擦发电材料层由聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料所构成。
在一些实施例中，所述球形质量块的表面设置有一附加层，所述附加层的材质为丁腈。
在一些实施例中，所述纳米摩擦发电材料层的厚度与所述球形质量块的半径之比介于1:4～1:3之间。
相比较于现有技术，本发明提供的一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，空间利用率高，结构紧凑，由内而外可以通过自己设定嵌套环形件的半径和数量，充分利用空间；结构中所描述的能量回收单元本身就可以收集前后左右振动的能量，即每一层相互嵌套的环形件都是一种多方向能量收集结构，将这些相互嵌套的环形件装配成本专利的所描述的能量收集结构，可以完美收集到所有方向的低频振动能量。具体优点如下：
1、本发明提供的能量收集器通过摩擦发电，使得能量收集器整体的振动可以转换为球形质量块的动能，进而通过能量回收单元实现动能到电能的转化，直到摩擦力使得球形质量块完全停止滚动才停止发电，转换过程能量损耗较小。
2、结构可拆卸、可堆叠，通过调整构成能量回收单元的环形件的管径和嵌套个数，结构紧凑，可以完美的应用于各种场合。
3、能量收集器本身的环形件也是一种多方向低频能量收集结构，因此即使是单环形件也可以实现动能到电能的转化。
4、能量收集器通过球形质量块的滚动发电，产生的噪声小、装置磨损程度较低，可以应用于智能穿戴领域，如发电背包等。
附图说明
图1为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中能量回收单元的结构示意图(多个环形件嵌套构成正四面体)。
图2为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中环形件结构体的局部剖面视图。
图3为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中环形件结构体的剖面视图。
图4为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中环形件的剖面结构示意图。
图5为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中能量回收单元的结构示意图(多面体结构矩阵样堆叠)。
图6为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器的整体内部结构示意图。
图7为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器的能量收集电路功能示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本申请的具体实施例进行详细的描述，但不作为本申请的限定。
应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。
本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。
下面，将参考附图及下文给出的具体方法步骤对本发明方法做出具体说明。
本发明所针对的现有技术问题是如何利用振动过程产生电量，并进一步将其收集起来足以满足微电子设备的电能需求。为此，本发明提出的解决方案基本构成为环形件，同时在环形件内层设置能够转化机械能的纳米摩擦发电材料层，进而通过球形质量块的运动获得电能并通过电池对获得的电能予以储存，以供用电器接入时进行放电。当然，对于电量在收集、储存和输出时的相关电路的实现，即电源管理模块及整流电路等，并不属于本发明对现有技术做出贡献之处。本领域技术人员根据已有的常规处理手段，均可以实现本发明。以下申请人将针对多方向滚动摩擦能量回收装置整体做更详细的描述：
本发明一个方面提供的一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，包括能量回收单元和能量收集单元，其中，所述能量回收单元至少包括一环形件，如图2和图3所示，所述环形件2由管材首尾相接构成且形成闭合的通道，所述通道内设置有能够自由滚动的球形质量块1，并且所述通道的内壁构造有纳米摩擦发电材料层3，以使所述球形质量块1在滚动时与所述纳米摩擦发电材料层摩擦从而产生电能；所述能量收集单元包括用于收集电能的能量收集电路。
在一些实施例中，所述能量回收单元包括多个环形件，如图2和图3所示，多个所述环形件2的半径不同的且相互嵌套在一起构成环形件结构体，通常，根据实际需要，可设置1～20个环形件相互嵌套构成；每个所述环形件2相互并联或串联方式电性连接至所述能量收集电路，且每个所述环形件2的所述通道内均设置有所述球形质量块1。另请参照图1，在一些实施例中，所述能量回收单元由多个所述环形件结构体拼接形成多面体结构。在这一实施例中，能量回收单元由六个环形件结构体拼接形成正方体，即正面体结构。而在图5和图6所示的具体实施方式中，所述能量回收单元由多个所述多面体结构矩阵样堆叠而成。可以看到，在以这样的方式进行堆叠时，优选地，构成所述能量回收单元的所述多面体结构为正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体或正二十面体中的一种或多种组合。
在一些实施例中，所述环形件为导电材质制成，例如金属导电材质，优选可为，铝、铜或铝镁合金等。且由于所述环形件相互独立的收集不同方向的振动能量，因此每个所述环形件的外壁均设置有绝缘层。
在本申请中，所述球形质量块能够在所述环形件2内部的通道里感知外界振动，并随之滚动。同时由于通道内壁设有纳米摩擦发电材料层，因此，在所述球形质量块在通道内滚动时，会随之产生电量。而这部分电量产生的基本原理是靠纳米摩擦发电材料层的特性来实现。这意味着，在本申请中，所述球形质量块与纳米摩擦发电材料层的接触面积将直接影响机械能到电能的转化效率，当然，相互嵌套的环形件的数量也将影响转化效率。也因此，在实际应用中，可以根据安装要求对不同层的所述嵌套环形件的个数和管径进行调整。例如，在一些实施例中，所述球形质量块的直径与所述环形件的所述通道的内径之比为1:2～3:4。而所述纳米摩擦发电材料层的厚度与所述球形质量块的半径之比介于1:4～1:3之间。
具体地，在一些实施例中，所述纳米摩擦发电材料层由聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料所构成。而对主要与所述纳米摩擦发电材料层接触的所述球形质量块来说，在一些实施例中，优选地，所述球形质量块1的表面设置有一附加层，所述附加层的材质为丁腈。
以下申请人将结合附图针对本申请的具体实施方案做详细说明。实施例1：
如图1所示，图1为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中能量回收单元的结构示意图(多个环形件嵌套构成正四面体)，再如图3所示，图3为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中环形件结构体的剖面视图，结构中每一个环形件的内壁都为聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料所组成的纳米摩擦发电材料(图中未示出)；每个环形件内部都设置有直径与管内径之比为2:3～3:4的可以自由滚动的球形质量块1，球形质量块1的表面贴有丁腈材料，球形质量块1的材料选用大密度材料，如铅合金等；所述纳米摩擦发电材料层的厚度与所述球形质量块的半径之比介于1:4和1:3之间；这一实施例中，主要是以摩擦纳米发电机(TENG)的原理，将球形质量块1与摩擦纳米发电材料(例如聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料)之间的摩擦转化为电能并予以收集。具体地，所述环形件2内层由聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料所构成(图中未示出)，所述环形件2的主体为金属导电材料构成，通过电极引线与外部能量收集电路相连接(图中未示出)，所述球形质量块1在聚二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料表面滚动，由于球形质量块1表面的材料和内壁材料之间的摩擦起电效应，在材料中感应出电荷，从而产生电能，电能通过电极引线输出到能量收集电路。
对于聚二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料如何制作，这里给出聚二甲基硅氧烷及其电极制作流程，聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性类似制作；第一步取出干净烧杯，需用酒精清洁，用电子天平称取空烧杯质量，电子天平清零；第二步，根据需要用量取出聚二甲基硅氧烷(质量高或低一点都没关系)，记住聚二甲基硅氧烷质量m_1；第三步，用滴管吸起硫化剂，缓慢滴入烧杯，直至电子天平质量变为m_1/10(可以按照自己需要滴入硫化剂，30:1也行，最好不要超过40:1)；第四步，用干净玻璃棒搅拌烧杯中混合物，搅拌约3-5分钟；第五步，抽真空，直至烧杯中混合物气泡全部被出，若有少量气泡留在混合物表面，取出，吹少量空气即可；第六步，将混合物倒入模具之中，使材料均匀的铺在模具中；第七步，将模具放入恒温箱中，90度固化10分钟，80度固化20分钟；第八步，取出模具，在固化的聚二甲基硅氧烷表面贴铝膜(电极)，再以同导线引出；第九步，在铝膜电极表面再均匀铺一层聚二甲基硅氧烷；第十步，将模具放入恒温箱固化；第十一步，取出聚二甲基硅氧烷材料及其电极，制作完成。
实施例2：
图2为本发明的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中环形件结构体的局部剖面视图，这里示出为本发明的一种使用特例，该实施例仅由单个环形件2组成。这种结构可以收集前后振动以及左右振动的能量；在具体使用时，每一层环形件2的半径以及每层环形件2嵌套个数都根据具体情况进行调整，如采用4层，每层都有4个嵌套环形件2的结构，或者如图3所示的单层三嵌套环形件2的结构，最简单的结构是单层环形件2结构，这些都可以根据具体情况进行调整。
实施例3：
如图4所示，该实施例由多个实施例1中结构阵列组成，适用于大型空间结构的振动能量收集，如安装在海洋浮标的浮体内部，可以收集海洋波浪能来为海洋浮标供电。利用这种阵列结构，对波浪的各种不规则运动都可以完美收集。
如图5所示，本发明中的能量收集单元阵列结构52结合能量收集电路51，可以作为能量收集器。如图6所示，显示了从能量收集结构到电池过程中，能量收集电路的每部分的具体功能，具体电路设计部分不包括在本专利之中，属于常规的收集电路。能量收集电路可以结合上述3种实施例来使用，用以提升收集器的能量收集效率。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，包括能量回收单元和能量收集单元，其中，所述能量回收单元至少包括一环形件，所述环形件由管材首尾相接构成且形成闭合的通道，所述通道内设置有能够自由滚动的球形质量块，并且所述通道的内壁构造有纳米摩擦发电材料层，以使所述球形质量块在滚动时与所述纳米摩擦发电材料层摩擦从而产生电能；所述能量收集单元包括用于收集电能的能量收集电路。
2.如权利要求1所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述能量回收单元包括多个环形件，多个所述环形件的半径不同的且相互嵌套在一起构成环形件结构体；每个所述环形件相互并联或串联方式电性连接至所述能量收集电路，且每个所述环形件的所述通道内均设置有所述球形质量块。
3.如权利要求2所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述能量回收单元由多个所述环形件结构体拼接形成多面体结构。
4.如权利要求3所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述多面体结构为便于堆叠的正多面体，所述能量回收单元由多个所述多面体结构矩阵样堆叠而成。
5.如权利要求4所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，构成所述能量回收单元的所述多面体结构为正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体或正二十面体中的一种或多种组合。
6.如权利要求1所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述环形件为导电材质制成且其外壁设置有绝缘层。
7.如权利要求1所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述球形质量块的直径与所述环形件的所述通道的内径之比为1:2～3:4。
8.如权利要求1所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述纳米摩擦发电材料层由聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料所构成。
9.如权利要求1所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述球形质量块的表面设置有一附加层，所述附加层的材质为丁腈。
10.如权利要求1所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述纳米摩擦发电材料层的厚度与所述球形质量块的半径之比介于1:4～1:3之间。
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