CN110932593A - 一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，包括：两侧分别设置的亚克力垫片、设置于所述风屏障顶部/底部的亚克力基板以及发电单元；所述亚克力基板上设置有螺栓的固定孔以及设置在所述固定孔两侧的导线孔。所述发电单元包括：多组并联设置的上基板、上铜电极、全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、下基板以及下铜电极。本发明的风屏障能够在10m/s的风速下实现了为振动传感器的持续供电。从而证明其具备取代桥梁传感器网络远距离输电线供电和电池供电的可能，具有技能和环保的优势。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障

技术领域

本发明涉及自供电的风屏障技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障。

背景技术

当前的桥梁健康监测系统大多采用远距离输电线供电和蓄电池供电，对于传感器数量众多，单个传感器耗电小的传感器网络来说，目前的供电方式成本高且布置较为繁琐。

近几年，基于薄膜颤振形式的摩擦纳米发电机在风能采集领域的应用已经有了很多相关的研究。桥梁和高速铁路两边常设置有挡风墙和风屏障，将摩擦纳米发电机制作成风屏障形式，在保留原有挡风效果的同时，通过有效采集风能来为传感器网络供电，从而实现自功能形式的桥梁监测系统。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障。本发明主要利用实现桥梁和铁路沿线传感器监测网络的自供电，通过摩擦纳米发电机与风屏障的结合，在不影响原有风屏障挡风效果的前提下，收集桥梁和铁路沿线的风能为传感器网络供电。

本发明包含一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征在于，包括：两侧分别设置的亚克力垫片、设置于所述风屏障顶部/底部的亚克力基板以及发电单元；所述亚克力基板上设置有螺栓的固定孔以及设置在所述固定孔两侧的导线孔。

进一步地，所述发电单元包括：多组并联设置的上基板、上铜电极、全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、下基板以及下铜电极。

在上基板与所述下基板分别贴与所述上铜电极及所述下铜电极的两侧并分别连接有导线；所述上基板及所述下基板的一端设有圆柱形的调节薄膜的松弛度的转轴，所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜黏附在所述转轴上，薄膜另一端通过粘附在上基板和下基板中间，并被上基板和下基板夹紧固定；当风吹过所述上基板与所述下基板构成的通道时，带动基板中间的弹性的所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜上下振动，拍打上/下基板上的铜电极；所述转轴通过穿过转轴孔将所述上基板与所述下基板连接并固定。

更进一步地，所述铜电极与所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜带电子能力存在差异，相互接触分离后带上异种电荷，所述铜电极所带的电荷数量存在差异，则周期性地在外电路导线中产生交流电。

进一步地，垂度定义所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜与所述上基板/所述下基板的配合状态，其中L表示薄膜长长度，X表示薄膜自然下垂时最低点距中心线的距离；

SAG＝X/L。

进一步地，所述发电单元中间设置有间隙，将所述亚克力垫片黏附在所述亚克力基板的中间。

更进一步地，所述上基板及下基板通过PLA材料进行3D打印制成。

本发明采用的技术手段如下：

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的风屏障能够在10m/s的风速下实现了为振动传感器的持续供电。从而证明其具备取代桥梁传感器网络远距离输电线供电和电池供电的可能，具有技能和环保的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明发电单元示意图。

图2为本发明发电单元俯视图。

图3为本发明不同垂度对基板的配合状态示意图。

图4为本发明整体结构示意图。

图5(a)(b)(c)分别为本发明10m/s下薄膜不同松弛度sag对应的V、I、Q示意图。

图6为本发明每组间隙不同薄膜垂度试验数据的柱状图。

图7(a)(b)(c)分别为不同进风角度下器件发电性能示意图。

图中：1为上基板；2为上铜电极；3为全氟乙烯丙烯共聚物薄膜；4为转轴；5为转轴孔；6为下铜电极；7为下基板；8为螺栓孔；9为亚克力垫片；10为亚克力基板；11为导线孔；12为螺栓。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-4所示，为本发明一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，包括：风屏障由多个小的发电单元，单个的发电单元两侧分别设置的亚克力垫片9以及设置于所述风屏障顶部/底部的基板10；所述基板10上设置有螺栓12的固定孔以及设置在所述固定孔两侧的导线孔11；

作为一种优选的实施方式，在本实施方式中，所述发电风屏障包括：多组并联设置的上基板1、上电极2、高分子聚合物薄膜3、下基板7以及下铜电极6。

作为优选的实施方式，在上基板1与所述下基板7分别贴与所述上电极2及所述下铜电极6两侧并分别连接有导线；所述上基板1及所述下基板7的一端设有圆柱形的调节薄膜的松弛度的转轴4，所述高分子聚合物3黏附在所述转轴4上，薄膜另一端通过粘附在上基板和下基板中间，并被上基板和下基板夹紧固定；当风吹过所述上基板1与所述下基板7构成的通道时，带动基板中间的弹性的所述高分子聚合物薄膜3上下振动，拍打上/下基板上的铜电极。

作为一种优选的实施方式，所述转轴4通过穿过转轴孔5将所述上电极2与所述下基板7连接并固定。

作为优选的，所述上电极2与所述高分子聚合物3带电子能力存在差异，相互接触分离后带上异种电荷，所述上电极2所带的电荷数量存在差异，则周期性地在外电路导线中产生交流电。

在本实施方式中，垂度定义所述高分子聚合物3与所述上基板2/所述下基板7的配合状态，其中L表示薄膜长长度，X表示薄膜自然下垂时最低点距中心线的距离：

SAG＝X/L。

在本实施方式中，所述发电单元中间设置有间隙，将所述亚克力垫片(9)黏附在所述亚克力基板10的中间。

作为一种优选的实施方式，所述上基板1及下基板7通过PLA材料进行3D打印制成(其他材料也可以，不过实验室阶段采用的是3D打印PLA材料，亚克力板材等)。

6、根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征还在于：单个发电单元通过用亚克力胶水粘附后叠加，通过螺栓孔固定在一起；各组导线通过导线空引出至外部管理电路；所述发电单元产生的交流电通过整流桥整流后并联在一起，。

7、根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征还在于：上下基板电极采用铜贴片，中间薄膜采用全氟乙烯丙烯共聚物外。

实际只要是两种材料极性存在较大差异即可，即带电子能力有很大差异的两种材料，都可以用来组装该种发电风屏障。因为，该种风屏障是基于摩擦起电和静电感应原理工作的。

作为优选的实施方式，所述上基板及下基板通过PLA材料进行3D打印制成。

作为本申请的一种实施例单个10cm长，2cm宽的器件在风速11m/s时可以产生114v开路电压和11μA的短路电流。如图3所示，1状态下薄膜完全绷直，对起振风速要求较高，虽然振动频率较高，但相比于其他的状态下，薄膜较难与上下铜电极充分接触。4状态下，薄膜过于松弛，虽然容易起振，但容易在高风速下失稳。从薄膜的起振、振动的稳定性以及薄膜与铜电极的有效接触面积三个方面综合考虑。薄膜垂度在3号附近时，其与基板的配合状态较为理想。

作为优选的实施方式，如图5(a)-(c)所示，选取的是10x2cm间隙是3mm的器件，在4m/s-11m/s的风速区间下采集相关数据。发现薄膜与基板的配合状态对发电单元输出的稳定性以及输出的开路电压、短路电流、转移电荷量都有很大的影响。如图5，选取的是10m/s下薄膜不同松弛度sag对应的V、I、Q。从图中可以看出，3mm的器件间隙，在薄膜松弛度为1.5mm时(即薄膜刚好接触到下基板)，各输出参数较好。所以，后面在优化器件宽度和间隙大小时，我们均采用该种配合状态进行了实验。

如图6所示，为四组间隙下，每一组间隙不同薄膜垂度试验数据的柱状图，可以得出两个结论：10x2cm器件其间隙在3mm时最好、各组间隙中最佳的配合状态均是薄膜刚好接触下基板时(从而验证了之前的结论)。

如图7(a)-(c)所示关于不同进风角度下，器件发电性能的研究，观察图中数据可以发现，在角度低于17.5°时薄膜较难起振，而薄膜只要可以起振其不同进风角度下的输出差异不大，有效进风度为17.5°-90°

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征在于，包括：风屏障由多个小的发电单元，单个的发电单元两侧分别设置的亚克力垫片(9)以及设置于所述风屏障顶部/底部的基板(10)；所述基板(10)上设置有螺栓(12)的固定孔以及设置在所述固定孔两侧的导线孔(11)；

所述发电风屏障包括：多组并联设置的上基板(1)、上电极(2)、高分子聚合物薄膜(3)、下基板(7)以及下铜电极(6)；

在上基板(1)与所述下基板(7)分别贴与所述上电极(2)及所述下铜电极(6)的两侧并分别连接有导线；所述上基板(1)及所述下基板(7)的一端设有圆柱形的调节薄膜的松弛度的转轴(4)，所述高分子聚合物(3)黏附在所述转轴(4)上，薄膜另一端通过粘附在上基板和下基板中间，并被上基板和下基板夹紧固定；当风吹过所述上基板(1)与所述下基板(7)构成的通道时，带动基板中间的弹性的所述高分子聚合物薄膜(3)上下振动，拍打上/下基板上的铜电极；

所述转轴(4)通过穿过转轴孔(5)将所述上电极(2)与所述下基板(7)连接并固定。

2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征还在于：

所述上电极(2)与所述高分子聚合物(3)带电子能力存在差异，相互接触分离后带上异种电荷，所述上电极(2)所带的电荷数量存在差异，则周期性地在外电路导线中产生交流电。

3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征还在于：

垂度定义所述高分子聚合物(3)与所述上基板(2)/所述下基板(7)的配合状态，其中L表示薄膜长长度，X表示薄膜自然下垂时最低点距中心线的距离；

SAG＝X/L。

4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征还在于：

所述发电单元中间设置有间隙，将所述亚克力垫片(9)黏附在所述亚克力基板(10)的中间。

5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征还在于：所述上基板(1)及下基板(7)通过PLA材料进行3D打印制成。

6.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征还在于：单个发电单元通过用亚克力胶水粘附后叠加，通过螺栓孔固定在一起；各组导线通过导线空引出至外部管理电路；所述发电单元产生的交流电通过整流桥整流后并联在一起，。

7.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的发电风屏障，其特征还在于：上下基板电极采用铜贴片，中间薄膜采用全氟乙烯丙烯共聚物外。

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