CN110121792B - 弹性波形能量产生装置 - Google Patents
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Abstract
一种能量产生装置，用于通过装置在三个正交方向中的任何一个方向上的变形来产生能量。装置包括弹性波形基底（10），其包括沿至少一个轴延伸的六个或更多个交替波结构。弹性波形基底（10）能够在三个正交方向上变形和恢复。弹性的能量产生部件（20）安装在弹性波形结构的顶面和底面上。能量产生部件（20）选自压电的和摩擦起电的能量产生部件，并响应三个正交方向中的任何一个方向上的形变而输出电压和电流。一方面，能量产生装置包含在能量采集器之中。另一方面，能量产生装置包含在传感器之中，尤其是用于测量应力的传感器。一方面，杂乱的压电纤维垫包括能量产生部件。能量产生装置是便携式的并且响应于人类活动产生的振动。
Description
技术领域
本发明涉及能量产生装置，并且更具体地涉及在三个正交方向中的任何一个方向上可变形的波形能量产生装置，用于从每个方向上的变形产生能量。能量产生装置可以结合在能量采集器或传感器中。
背景技术
能量可以由压电材料或摩擦起电材料产生。压电材料将机械应力转化为电力，而摩擦起电材料通过与不同的摩擦起电材料的摩擦接触产生电荷。能量采集器利用这些材料特性来产生电力，以供电给电力设备。为了产生足够的电量，许多能量采集器使用一些形式的悬臂结构，其中加重块以共振频率震动。在这种结构中，悬臂一般固定在一端。现在已有许多不同的悬臂结构被采用，还有多种能量采集器的设计可供选择。
随着可携式和可穿戴式的电子设备的广泛使用，接通电源来为个人设备充电的需求增加。备选为电源的能量采集器引人注意。然而，大多数能量采集器的设计不会从人体运动和振动中产生能量，因为这些运动和振动是随机的，也就是说，它们不处于能量采集器的共振频率上。此外，大多数能量采集器都包含了让使用者穿戴不舒服的刚性元件。
人们把注意力从能量采集器的固定在一端的标准悬臂梁形状，转向可替代的形状。例如，US2016/0156287公开了一种使用弯曲部位的能量采集器，该弯曲部为具有固定于其上的半压电陶瓷管，一端连接到振动源。尽管获得较高的输出功率，但整体结构仍然是以与标准悬臂梁相同的方式移动，因此仍然存在共振频率。
本领域需要改进的能量产生装置。特别是，需要便携式且可响应于人类活动所产生的振动的能量产生装置。
发明内容
本发明提供了一种能量产生装置，用于通过装置在三个正交方向中的任何一个方向上的变形来产生能量。装置包括弹性波形基底，其包括沿至少一个轴延伸的六个或更多个交替波结构。弹性波形基底能够在三个正交方向上变形和恢复。弹性的能量产生部件安装在弹性波形结构的顶面和底面上。能量产生部件选自压电的和摩擦起电的能量产生部件，并响应三个正交方向中的任何一个方向上的形变而输出电压和电流。一方面，能量产生装置包含在能量采集器之中。另一方面，能量产生装置包含在传感器之中，尤其是用于测量应力的传感器。
附图说明
图1示意性地示出了根据一种实施方式的能量产生结构；
图2示意性地示出了图1的能量产生结构的一部分；
图3a示出了一个方向上的弯曲程度；图3b示出了两个方向上的弯曲程度；
图4示意性地示出图1的能量产生结构中使用的杂乱纤维垫；
图5示意性地示出了图1的能量产生结构中使用的摩擦起电结构；
图6A和图6B示意性地示出了包含有图1的能量产生结构的单个能量产生装置和堆叠的能量产生装置；
图7示意性地示出了图6的能量产生装置的示例性层结构；
图8a至图8f示意性地示出了根据一种实施方式的能量产生结构的封装方法。
具体实施方式
具体请见附图。图1示出了根据一种实施方式的能量产生结构100。如图1所示，能量产生结构100具有总的波形，其包括沿一轴延伸的六个或更多个交替波。单个波是一个完整的交替形态，就像正弦波那样。因此，图2所示的能量产生结构100的一部分为半波结构，其以极大的放大形式示出，以更容易地观察到基底10以及安装在基底10的顶部和底部的能量产生部件20。对于垂直于表面法线的每个方向，可以定义出曲率。在表面的所有曲率中，最大曲率和最小曲率称为主曲率，它们相互正交，这是可以证明的。当表面波的两个主曲率都不为零时，该波被称为二维波，图3b示出了二维波的一个示例。当两个主曲率中只有一个为零时，该波被称为一维波，如图3a所示。本发明的波形结构10可以使用这两种类型的波。
能量产生结构100在三个正交方向中的每个方向上是可变形的；为此，基底10是弹性基底，并且可以由多种材料制成，包括聚合物、弹性体聚合物、橡胶、织品、金属、合金、以及天然柔性材料如竹子。简而言之，本发明的能量产生结构中的基底材料可以选择这样的任何一种基底材料，其在以交替波结构的方式形成时，可以在三个正交方向中的任何一个方向因受到外力作用而变形，并且可以在去除外力时恢复其原始形状。波形基底可以用任意多种模制技术中的一种形成，包括波形模具中弹性片材的热压、注塑成型、真空成型等；本发明的能量产生结构可以采用任何能够形成弹性波形基底10的技术来产生。
能量产生部件20被安装到弹性基底10的顶面和底面。弹性的能量产生部件20因响应变形而输出电压和电流，该部件选自压电材料或摩擦起电材料。压电材料是一种响应机械应力而输出电荷的材料，而摩擦起电材料是一种因与相反电荷材料的摩擦接触而输出电荷的材料。
能量产生部件20可以使用的压电材料为例如压电聚合物或者有机纳米结构。压电聚合物包括例如基于聚偏氟乙烯（PVDF）的材料，包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物PVDF-HFP或者聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物PVDF-TrFe。有机纳米结构包括例如二苯丙氨酸肽纳米管。一方面，可以使压电材料形成为纤维，并且将该纤维编排为杂乱的纤维垫，如图3所示。在图4中，纤维25杂乱地堆积；以这种方式，三个正交方向中的任何一个方向的变形将产生电荷响应。具体地，堆积的纤维可以是静电纺丝纤维或者纳米纤维。一方面，纤维是基于静电纺丝聚偏氟乙烯的纤维，其通过增加诸如LiCl的锂基添加剂来纺丝。下面的实施例中将详细讨论静电纺丝纤维。
另一方面，弹性压电部件20可以包括嵌入其中的刚性压电颗粒或薄膜。弹性部件20将机械应力传递到刚性压电材料，刚性压电材料响应应力而产生电荷。压电材料种类多样，，包括但不限于钛酸钡（BTO）、钛酸铋、铌酸钠、铁酸铋、石英、钛酸铅、铁钛酸铅、氧化锌、铌酸锂或者铌酸钾，压电材料可以嵌入到弹性层20或弹性纤维25。具体地，基于静电纺丝聚偏氟乙烯的纤维中的钛酸钡颗粒可以用作弹性发电组件20。
摩擦起电材料用于相对正电荷材料和相对负电荷材料的组合中。本实施方式中可以使用的相对正电荷材料包括例如聚氨酯泡沫、尼龙或者丙烯酸，而本实施方式中可以使用的相对负电荷材料包括例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯基或者硅橡胶。图5绘示了摩擦起电结构60，其可以与成对的相对正电荷材料30和相对负电荷材料40一起使用。该结构可作为层20的一部分并入能量产生结构100中。
图6a和图6b绘示了包含图1的能量产生结构100的能量产生装置200和堆叠的能量产生装置300。图7绘示了图6a和图6b的装置的层的示例性结构。图6a和图6b的电连接点70连接到图7的电接触层75。每个半波结构变形时，产生相反的电荷（对每个半波施加指定方向的力时的压缩力与拉伸力）。因此，每个半波点处布置的触点采集的电荷类型相同。电引线77可以连接电池、电容器或者电荷测量装置。粘附层90（见图7）将能量产生部件层20粘附到波形基底10，并有助于将基底10的机械变形应力传递到层20。如以下实施例1所述，能量产生部件层20的每一侧都可以设置电接触层75。对于图6b的堆叠结构，串联连接会得到更高的电压输出，并联连接会得到更高 的电流输出。
由于本发明的能量产生结构可以在三个正交方向中的任何一个方向上变形，因此当人们穿戴着它们进行普通活动时，它们容易像能量采集器那样产生电荷。例如，由能量产生结构构成的袖套可以放置在部或膝盖周围，这些结构将会在各个方向上被反复压迫，从而产生能够存储于电池或电容器中的电荷。因此本发明的结构可以从随机及非反复性运动如频率低于5Hz的运动中产生能量。
对于单个能量产生结构，在基底上使用大量的波形结构可以产生高的压电性能，且电压输出>100V，电流输出>5 µA/cm2。
有利的是，可将波形结构堆叠在一起以构成具有更高电流密度的封装，例如5个结构堆叠在一起的电流密度为>20 µA/cm2。
另一方面，本发明的能量产生结构可用作传感器。输出的电荷与能量产生结构所感到的应力相关。该结构中较大的形变能产生较高的电荷数量，因此该能量产生结构能输出更高的能量。当该能量产生结构被用作传感器时，输出的电压与经历的形变相关。下面的实施例中示出了本发明的其他优点：
实施例1：制作压电纤维
在一种实施方式中，能量产生部件20可以是压电纤维。具体地，可以使用静电纺丝压电纤维。在此处理过程中，将聚合物溶液加入静电纺丝机中的喷丝头，静电纺丝机为例如市售的NANON 01A静电纺丝机。
制备聚合物溶液
将重量比为6:4的溶剂DMF和丙酮混合到任选的添加剂以调节溶液的电导率，磁力搅拌5分钟。然后将基于聚偏氟乙烯的聚合物粉末加入到混合溶液中，PVDF-HFP的典型浓度为12.5wt.%，PVDF-TrFe的典型浓度为15wt.%。为溶解聚合物，将溶液在85℃的水浴中搅拌2小时。聚合物彻底溶解后，将溶液冷却至环境温度进行静电纺丝。
静电纺丝
静电纺丝之前，将相对湿度控制在30%左右，温度控制在25℃左右。将铝箔作为纳米纤维的基底固定在腔室的涡旋件上。参数设置如下（表1）：
表1：基于PVDF的纤维静电纺丝工艺的参数
为了改善压电性能，可以进行以下修改：
1. 将钛酸钡（BTO）纳米颗粒添加到PVDF中可以改进所得到的静电纺丝纳米纤维的晶体结构。
2. 将LiCl加入到PVDF-HFP溶液中，将形成压电纤维，而不需要任何后处理工艺，例如极化工艺以排列电偶极子。PVDF可以采取以下任何一种结晶形式：α、β、γ和δ，其压电性能彼此差异很大。尽管最常见的类型是α型，但其极化密度与β型相比要低得多，β型显示出更好的压电性能。结晶形式与具体的静电纺丝条件相关，例如电压、针与基底距离、蒸发速率、等等。通过调整这些条件，可以得到β型结晶。LiCl可以提高溶液的电导率，提高纺丝过程中电场的均匀性，从而促进PVDF的结晶。
在5Hz的操作频率下，波形结构上随机排列的PVDF-BTO纳米纤维可以产生7.92v /cm2和1.27ua/cm2的特性。
实施例2：封装纤维以形成能量产生装置
电子封装
通过封装静电纺丝纤维垫或任何其他纤维结构可以增强电性能，以及保护纤维免受环境损害和机械损伤。一方面，可以均化纤维结构以与诸如聚合物树脂的基质组分一起形成整体，以更容易地在纤维之间转移应力，以及更容易地从柔性基底向纤维转移应力。特别是，介电聚合物可以充当应力/应变中间体和保护层。环氧树脂（epoxy）、聚氨酯（polyurethane）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride）和聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane）都是具体的例子。
按照以下过程将PDMS应用到PVDF-BTO纤维垫：
PDMS树脂和固化剂以10:1的重量比混合在一起。将PDMS-固化剂混合物涂布到PVDF-BTO纤维垫上（图8a），使结构饱和，填充纤维之间的间隙。将电极沉积在诸如PET的粘接膜上，将浸渍有PDMS的纤维结构置于其上（图8b）；在本实施例中，可以使用银膏，但是也可以使用蒸镀电极膜和其他电极形成技术。在60°C左右下对浸渍有PDMS的纤维垫/PET电极结构进行大约2小时的固化（图8c）。将第二个电极涂覆的片材放置到已固化的PDMS纤维垫结构上（图8d），接着进行热压（图8e）以使该多层结构形成一体。然后通过粘合剂层将电极涂覆的固化结构粘附到波形弹性基底10（图8f）。
在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”或“包含”或其变化形式如“包括”或“包含”或“含有”等，将理解为暗示包含所述的整数或整数组而不是排除任何其他的整数或整数组。还要注意的是，在本公开内容中，尤其是在权利要求和/或段落中，诸如“包括”、“包含”、“含有”等类似术语可以具有美国专利法赋予它们的含义；例如，它们可以表示“包括”、“包含”、“含有”等等；而诸如“基本上由……组成”以及“基本上由……构成”等术语具有美国专利法赋予它们的含义，例如它们允许未明确列举的元素，但排除现有技术中存在的元素或者影响本发明的本质或新颖性的元素。
此外，在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”或其变体形式例如“包含”或“含有”等，将被理解为暗示包含所述的整数或整数组而不是排除任何其他的整数或整数组。
本公开内容不受本申请中描述的特定实施方式的限制，而旨在对各个方面进行说明。对于本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行许多修改和变化。根据前面的描述，除本文列举的那些方法和装置之外，对于本领域技术人员而言，在本公开的范围内的功能上等同的方法和装置将是显而易见的。这样的修改和变化也落入所附权利要求的范围内。本公开内容仅由所附权利要求的特征及这些权利要求特征的等同物的全部范围来限制。应该理解的是，本公开内容不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或者生物结构，它们当然都是可以变化的。还应当理解的是，这里使用的术语仅仅是为了描述特定实施方式的目的，而不是具有限制性的。
Claims (20)
1.一种能量产生装置，通过在三个方向中的任何一个方向上的装置变形来产生能量，其特征在于包括：
弹性波形基底，其包括沿至少一轴延伸的六个或更多个交替波结构，所述弹性波形基底能够在三个正交方向上变形和恢复；
弹性能量产生部件，其安装在所述弹性波形基底的顶面和底面上，所述能量产生部件选自压电能量产生部件和摩擦起电能量产生部件，所述弹性能量产生部件输出电压和电流以响应三个正交方向中任何一个方向上的变形。
2.根据权利要求1所述的能量产生装置，其特征在于，所述弹性能量产生部件是压电纤维。
3.根据权利要求2所述的能量产生装置，其特征在于，所述纤维是以一或多个纤维垫形式安装到所述弹性波形基底的顶面和底面的杂乱的纤维。
4.根据权利要求3所述的能量产生装置，其特征在于，所述纤维垫浸渍有一或多种聚合物树脂而形成的浸渍垫。
5.根据权利要求4所述的能量产生装置，其特征在于，所述聚合物树脂为聚二甲基硅氧烷。
6.根据权利要求2所述的能量产生装置，其特征在于，所述纤维是基于聚偏氟乙烯的纤维。
7.根据权利要求6所述的能量产生装置，其特征在于，所述基于聚偏氟乙烯的纤维包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物或者聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物的一或多种。
8.根据权利要求2所述的能量产生装置，其特征在于，所述压电纤维包括嵌入其中的颗粒。
9.根据权利要求8所述的能量产生装置，其特征在于，所述颗粒是压电颗粒。
10.根据权利要求9所述的能量产生装置，其特征在于，所述压电颗粒选自钛酸钡、钛酸铋、铌酸钠、铁酸铋、石英、钛酸铅、锆钛酸铅、氧化锌、铌酸锂或者铌酸钾。
11.根据权利要求2所述的能量产生装置，其特征在于所述压电纤维是静电纺丝压电纤维。
12.根据权利要求11所述的能量产生装置，其特征在于，所述静电纺丝压电纤维是用包含锂的材料纺丝的基于聚偏氟乙烯的压电纤维。
13.根据权利要求12所述的能量产生装置，其特征在于，所述包含锂的材料是LiCl。
14.根据权利要求1所述的能量产生装置，其特征在于还包括堆叠在所述弹性波形基底上的至少一第二弹性波形基底，所述第二弹性波形基底上安装有弹性能量产生部件，所述弹性波形基底上安装有弹性能量产生部件。
15.根据权利要求1所述的能量产生装置，其特征在于，所述弹性波形基底在两个正交的平面内的方向上具有曲率。
16.根据权利要求1所述的能量产生装置，其特征在于，所述弹性能量产生部件的部分以并联连接结构的方式电连接。
17.根据权利要求1所述的能量产生装置，其特征在于，所述弹性能量产生部件的部分以串联连接结构的方式电连接。
18.一种包括如权利要求1所述的能量产生装置的传感器，其特征在于还包括到所述弹性能量产生部件的电连接，以输出指示所述能量产生装置所受变形量的信号。
19.一种包括如权利要求1所述的能量产生装置的能量采集器，其特征在于还包括到所述弹性能量产生部件的电连接，以接触能量储存装置。
20.如权利要求19所述的能量采集器，其特征在于，所述能量储存装置是电池。
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