CN110432581B - 发电气囊装置及应用该发电气囊的鞋垫或鞋底 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发电气囊装置及应用该发电气囊的鞋垫或鞋底，具体为一种使用液体金属作为电极的单电极接触结构摩擦纳米发电机，在发电的过程中液体金属移动接触气囊实现摩擦发电，克服了现有技术中收集人体脚部运动机械能的摩擦纳米发电机气囊装置机械能收集效率与缓冲效果相互制约的问题，本发明鞋垫中的发电气囊装置作为发电装置，对设备供电的同时还能够作为自驱动运动传感器。

Description

发电气囊装置及应用该发电气囊的鞋垫或鞋底
技术领域
本发明属于微纳能源及摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种用于将人体脚步运动的机械能转化为电能的摩擦纳米发电气囊装置及应用该发电气囊装置的发电气囊鞋垫或鞋底。
背景技术
从某种意义上来说人体类似于一台机器，它时时刻刻都在产生着能量，当你说话时声音引起空气振动产生声能，当你走路时腿部的抬起与落下以及手臂的摆动都能够产生能量。已经有相关文献报导用于收集人体脚步运动机械能的摩擦纳米发电机器件，如CN104426418A，但是现有应用于鞋垫的纳米发电气囊结构为双电极直接触分离式摩擦发电机，且用于发电的高分子聚合物层摩擦发电层与提供脚部缓冲作用的双层气囊结构是独立的两个部分，摩擦发电结构位于双层气囊结构内部，良好的缓冲效果要求双层气囊结构具有较好的抗压性，而较好的发电效率要求双层气囊结构具有较强的回弹性，即抗压性不能太强，太强的抗压性会制约垂直接触分离式摩擦发电机收集脚部运动机械能的效率。如何既满足高缓冲效果又具有较高的机械能收集效率，是目前必须解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中收集人体脚部运动机械能的摩擦纳米发电机气囊装置机械能收集效率与缓冲效果相互制约的问题，提供一种具有高机械能收集效率和高缓冲效果的摩擦纳米发电机气囊装置及应用该发电气囊装置的气囊发电鞋垫。本发明鞋垫中的发电气囊装置作为发电装置，对设备供电的同时还能够作为自驱动运动传感器。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊如图1所示，具体为一种使用液体金属作为电极的单电极接触结构摩擦纳米发电机，在发电的过程中液体金属2移动接触气囊1实现摩擦发电，包括气囊1，气囊中空腔3，位于气囊中空腔中可以自由流动的液体金属2，设置于气囊1内壁中的引出线4，引出线4接地。
液体金属2为镓基液态合金或铟基液态合金。
引出线4通过印刷工艺设置于气囊1内壁层中。
自由流动的液体金属的体积≤中空腔3的体积的1/2，以保证液体金属2在自由流动的过程中存在与气囊1内壁的分离状态。
适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊并联结构，包含两个以上适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊，摩擦纳米发电机的气囊1上外表面具有多个凸起5，下外表面具有多个凹槽(图未示出)，多个凸起5与多个凹槽相互配合，现实多个发电气囊的层叠，多个发电气囊的层叠不仅实现了多个发电结构的并联，且增加了鞋垫的高度，具有增高效果。
优选地，发电气囊的引出线4，前端露出部分电性连接，增加了电能的引出率。
优选地，发电气囊的引出线4材料为银或铜。
优选地，适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊为鞋垫形，作为内增高鞋垫使用。
优选地，适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊并联结构，所述发电气囊为鞋垫形，作为内增高鞋垫使用。
本发明还提供了一种具有收集人体脚部运动机械能的气囊型鞋底，如图2所示，具体为一种使用液体金属作为电极的单电极移动接触结构摩擦纳米发电机，在发电的过程中液体金属移动接触鞋底后跟部气囊的内壁实现摩擦发电，包括后跟部2.1和前脚掌部2.2，后跟部2.2具有一个或多个中空气囊2.3，位于中空气囊2.3中可以自由流动的液体金属2.4，设置于中空气囊2.3内壁层中的引出线2.5。液体金属2.2为镓基液态合金或铟基液态合金。引出线2.5通过印刷工艺设置于中空气囊2.3内壁层的中间。引出线2.5接地，摩擦纳米发电机与外电路2.6电连接。鞋底具有绝缘耐磨垫2.8。鞋底与鞋面2.7连接。
自由流动的液体金属的体积≤中空体积的1/2，以保证液体金属2在自由流动的过程中存在与气囊1内壁的分离状态。
优选地，多个中空气囊层叠设置，一体成型。
优选地，液体金属2.2中掺入荧光粉，使鞋底具有流动的荧光效果。
图3是本发明摩擦纳米发电机原理图，硅胶或橡胶材料构成的气囊结构3.1会与内部的液体金属3.2随着人体运动时能够产生接触和分离，当接触时如状态Ⅰ所示，在液体金属和气囊的两个接触面上会产生等量的相反电荷，气囊由于电负性较强而带负电。当分离时，如状态Ⅱ所示，气囊因为负的摩擦电荷的原因导致其电势降低，当通过一个引出线3.2将气囊接地时，大地被认为零电势点，在气囊与大地之间就会有一个电势差，产生的电势差会引导电子流向大地。随着脚部运动，液体金属与气囊的再次接触，由于液体金属上的正电荷会引起硅胶或橡胶材料构成的气囊结构电势相对增加，为了平衡这种电势的变化，电子又向相反的方向发生流动，一个周期性的工作过程就完成了。随着人体运动时，脚部的抬起和放下，液体金属与气囊结构一次又一次的接触分离就会在外电路中产生一个交流的电信号。
本发明的有益效果是：
本发明的发电气囊装置能够直接作为鞋垫或鞋底使用，克服了现有技术中摩擦纳米发电机气囊装置，人体脚部运动机械能收集效率与脚部缓冲效果相互制约的问题，具有缓冲效果和机械能收集效率相互协同促进的作用，具有高机械能收集效率和高缓冲效果，本发明鞋垫中的发电气囊装置对设备供电的同时还能够作为自驱动运动传感器，本发明的鞋底在人体脚部运动过程中还具有流动的荧光效果。
附图说明
附图1是适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊结构示意图。
附图2是具有收集人体脚部运动机械能的气囊型鞋底结构示意图。
附图3是本发明摩擦纳米发电机原理图。
具体实施方式
下面通过实施进一步详细描述本发明，但这并非是对本发明的限制，根据本发明的基本思想，可以做出各种修改和改进，但只要不脱离本发明的基本思想，均在发明的范围之内。
[实施例1]
适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊，具体为一种使用液体金属作为电极的单电极移动接触结构摩擦纳米发电机，在发电的过程中液体金属移动接触气囊实现摩擦发电，包括气囊，气囊中空腔，位于气囊中空腔中可以自由流动的液体金属，设置于气囊内壁层中的引出线，引出线接地。气囊结构材料为硅胶，液体金属为铟基液态合金。引出线4通过印刷工艺将度银涂层设置于气囊内壁层中。自由流动的液体金属的体积≤中空腔3的体积的1/3。发电气囊的电压输出为34V，短路电流为3μA。
[实施例2]
适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊并联层叠结构，包含两个实施例1所述的适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊，两个发电气囊通改过，其中一个上外表面具有多个凸起，和另一个下外表面具有多个凹槽相互配合，现实发电气囊的层叠。发电气囊并联层叠结构的电压输出为65V，短路电流为5.4μA。
[实施例3]
一种具有收集人体脚部运动机械能的气囊型鞋底，具体为一种使用液体金属作为电极的单电极移动接触结构摩擦纳米发电机，在发电的过程中液体金属移动接触鞋底后跟部气囊的内壁实现摩擦发电，包括后跟部和前脚掌部，后跟部具有一个或多个中空气囊，位于中空气囊中可以自由流动的液体金属，设置于中空气囊内壁层中的引出线。液体金属为镓基液态合金。气囊结构材料为橡胶，引出线通过印刷工艺将镀铜层设置于中空气囊内壁层的中间。引出线接地，摩擦纳米发电机与外电路电连接。鞋底具有绝缘耐磨垫，鞋底与鞋面连接。自由流动的液体金属的体积≤中空体积的1/4。后跟部为一体成型的两个层叠设置的中空气囊，发电气囊的电压输出为71V，短路电流为4.3μA。

Claims (8)

1.一种发电气囊，其特征是，发电气囊包括气囊，气囊中空腔，位于气囊中空腔中自由流动的液体金属，设置于气囊内壁中的引出线，引出线接地，气囊为一种使用液体金属作为电极的单电极接触结构摩擦纳米发电机，在发电的过程中液体金属移动接触气囊实现摩擦发电，自由流动的液体金属的体积满足，液体金属的体积≤中空腔的体积的1/2，以保证液体金属在自由流动的过程中存在与气囊内壁的分离状态。
2.根据权利要求1所述的发电气囊，其特征在于：液体金属为镓基液态合金或铟基液态合金。
3.根据权利要求2所述的发电气囊，其特征在于：引出线通过印刷工艺设置于气囊内壁层中。
4.一种适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊并联结构，包含两个以上权利要求1-3任一所述的发电气囊，摩擦纳米发电机的气囊上外表面具有多个凸起，下外表面具有多个凹槽，多个凸起与多个凹槽相互配合，现实多个发电气囊的层叠，多个发电气囊的层叠不仅实现了多个发电结构的并联，且增加了鞋垫的高度，具有增高效果。
5.根据权利要求4所述的适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊并联结构，其特征在于：发电气囊的引出线，前端露出部分电性连接，增加了电能的引出率。
6.根据权利要求5所述的适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊并联结构，其特征在于：发电气囊的引出线材料为银或铜。
7.根据权利要求6所述的适用于收集常规人体脚部运动机械能的发电气囊并联结构，其特征在于：发电气囊为鞋垫形，作为内增高鞋垫使用。
8.一种具有收集人体脚部运动机械能的气囊型鞋底，其特征是，具体为一种使用液体金属作为电极的单电极移动接触结构摩擦纳米发电机，在发电的过程中液体金属移动接触鞋底后跟部气囊的内壁实现摩擦发电，包括后跟部和前脚掌部，后跟部具有一个或多个中空气囊，位于中空气囊中自由流动的液体金属，设置于中空气囊内壁层中的引出线，液体金属为镓基液态合金或铟基液态合金，引出线通过印刷工艺设置于中空气囊内壁层的中间，引出线接地，摩擦纳米发电机与外电路电连接，鞋底具有绝缘耐磨垫，鞋底与鞋面连接，液体金属的体积≤中空体积的1/2，以保证液体金属在自由流动的过程中存在与气囊内壁的分离状态；液体金属中掺入荧光粉，使鞋底具有流动的荧光效果。
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