CN111146969B - 基于折纸回弹机构的静电俘能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于折纸回弹机构的静电俘能装置，该装置包括折纸结构、固定在所述的折纸结构的表面的介电对和电能输送电路，所述的介电对包括由两层极性相反的介电材料层以及两个金属电极层，所述的折纸结构能沿某一方向压缩和回弹，从而使所述的介电对接触和分离，产生电荷转移，将机械能转化成电能，通过所述电能输送电路进行传输。本发明不仅结构精巧、形式新颖、节能环保，而且在一定的体积下，本发明的周期性折纸结构提供了更大的有效表面积，空间利用率高，能量转换效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种俘能装置，尤其涉及一种基于折纸回弹机构的静电俘能装置。
背景技术
俘能装置解决了某些微型传感器需要电池供电的问题，使得装置的便携性、续航能力以及工作稳定性大大提高；但是传统的俘能装置存在着结构比表面积较小的缺陷，同时俘能装置在完成一个周期的“压缩-回弹”机械运动需要相关结构(如弹簧)来辅助。
新兴的折纸形式Origami是近几十年发展起来的新型空间结构形式，近年来基于刚性折纸结构的可折叠结构在工程和建筑设计中的应用越来越广泛。折纸结构的空间可展性使得结构能够自由的压缩和伸展，设计时运用的镜像处理也使得结构比表面大大增加，在相同大小的空间中能够达到更大的静电效应有效面积。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于折纸回弹机构的静电俘能装置，该装置其折纸结构本身具有一定的弹性，在被压缩之后能够自然回弹，且具有较大的有效面积和较高的能量转换效率。具体技术方案是：
一种基于折纸回弹机构的静电俘能装置，该装置包括折纸结构、固定在所述的折纸结构的表面的介电对和电能输送电路，所述的介电对包括由两层极性相反的介电材料层以及两个金属电极层，其中一个介电材料层和一个电极层固定在所述的折纸结构的一个表面上，另一个介电材料层和另一个电极层固定在折纸结构压缩时与其贴合的面上，且所述的电极层位于所述的介电材料层与所述的折纸结构的表面之间，所述的纸质结构能沿某一方向压缩和回弹，从而使所述的介电对接触和分离，产生电荷转移，将机械能转化成电能，通过所述电能输送电路进行传输。
进一步地，所述的折纸结构为厚板折纸，保证所述的折纸结构的各折叠面的接触分离过程相位一致。
进一步地，所述的折纸结构还包括间隙结构，所述间隙结构通过将所述折纸结构的顶点向内翻折实现，从而增加折纸折痕的数目，增加所述的折纸结构的刚度和回弹性能的同时为所述的介电对提供放置空间。
进一步地，所述折纸结构包括两类顶点，分别为向外凸的凸顶点和向内凹的凹顶点，由某个顶点延伸出来的四条折痕中，其中三条为同一类别，另一条为相对类别；对于所述凸顶点，三条同一类别的折痕为折脊，另一条为折谷，由四条折痕划分的四个区域中，对应角度较小的区域角度为α，对应角度较大的为180°-α；对于所述凹顶点，三条同一类别的折痕为折谷，另一条为折脊，由四条折痕划分的四个区域中，对应角度较小的区域角度为β，对应角度较大的为180°-β；α和β都是锐角，且α＞β。
进一步地，所述电能输送电路包括电线、稳压整流器、蓄电装置与变压装置，所述蓄电装置与所述金属导电层通过所述电线进行连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明将接触-分离式纳米摩擦发电机应用于周期性折纸结构中，周期性折纸结构本身具有一定的弹性，在被压缩之后能够自然回弹，在外界荷载驱动下，结构面表面的介电材料相互接触和分离，将机械能转换为电能；
(2)通过折纸结构顶点处的间隙结构来提高结构整体的刚度，达到适应多种不同刚度要求的工况，具有较好的回弹性能。且在本发明的俘能装置中，间隙结构还能起到为介电对提供放置的空间，从而提高介电对的接触面积，进而提高装置的俘能效率；
(3)通过选择厚板折纸使得保证所述的折纸结构的各折叠面的接触分离过程相位一致，使各介电对的电流不存在相互抵消的情况，从而提高电能输出的功率；
(4)本发明的俘能装置结构精巧、形式新颖、节能环保，而且在一定的体积下，本发明的俘能装置可以通过设置周期性的折纸结构，从而增加有效表面积，提高空间利用率和能量转换效率。
附图说明
图1是本发明的基于折纸结构俘能装置纸基模型试验中半压缩与完全压缩时的示意图。
图2是折纸结构的平面折痕图，其中实线代表折脊，虚线代表折谷，下同。
图3a与图3b分别是折纸结构的凸顶点单元和凹顶点单元详图。
图4是间隙结构的折痕详图。
图5是折纸结构表面电极层和介电材料层粘贴情况示意图。
图6a和图6b分别是折纸结构的的侧视图和俯视图。
图7是图1所示试验得到的电压输出图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的俘能装置包括折纸结构、固定在所述的折纸结构的表面的介电对和电能输送电路，所述的介电对包括由两层极性相反的介电材料层以及两个金属电极层，其中一个介电材料层和一个电极层固定在所述的折纸结构的一个表面上，另一个介电材料层和另一个电极层固定在折纸结构压缩时与其贴合的面上，且所述的电极层位于所述的介电材料层与所述的折纸结构的表面之间，所述的纸质结构能沿某一方向压缩和回弹，从而使所述的介电对接触和分离，产生电荷转移，将机械能转化成电能，通过所述电能输送电路进行传输。
如图2为折纸结构的平面折痕图，其中实线代表折脊，即折叠后折痕处凸起来呈山脊状，虚线代表折谷，即折叠后折痕处凹下去呈山谷状。需要指出的是，折脊与折谷是相对的，从一面看是折脊的折痕在另外一面就是折谷，此处折脊和折谷均按照在面对拱形周期性拱背的情况下确定。平面材料按照折痕折叠后会产生两种顶点，所述折纸结构中有两类顶点，分别为向外凸的凸顶点和向内凹的凹顶点，凸顶点和凹顶点交错排列，其单元折痕图分别见图3a和图3b，由图可见，由某个顶点延伸出来的四条折痕中，其中三条为同一类别，另一条为相对类别；对于所述凸顶点，三条同一类别的折痕为折脊，另一条为折谷，由四条折痕划分的四个区域中，对应角度较小的区域角度为α，对应角度较大的为180°-α；对于所述凹顶点，三条同一类别的折痕为折谷，另一条为折脊，由四条折痕划分的四个区域中，对应角度较小的区域角度为β，对应角度较大的为180°-β；α和β都是锐角，且α＞β。
本发明的折纸结构为带有间隙结构的折纸结构，间隙结构是加在折纸结构的凸顶点和凹顶点上的小型区域结构，其折痕图见图4，间隙结构通过将所述拱形回弹机构的顶点向内翻折实现，它通过增加折痕数目来提升结构回弹性能，调整结构刚度。同时在折叠后，间隙结构将使原本会完全接触的两个面之间留有一定的间隙，给金属电极层和介电材料层的留有放置空间。
按照如图2所示的折痕图折叠平面材料即可得到如图6所示的折纸结构。如图5所示，其中折纸结构的表面由内到外分别附有金属电极层和介电材料层，在折纸结构完全压缩时将会接触的两个表面上所附的介电材料极性相反，如图5中的介电材料一和介电材料二。当折纸结构在半压缩状态(如图1左图)和完全压缩状态(如图1右图)中交替时，介电材料一和介电材料二也将进行分离-接触运动，异号电荷在介电材料层上等量分布，产生相应的电动势和电流，如图7所示。电流通过金属导电层和稳压整流装置后储存在蓄电设备中，从而完成机械能到电能的转化，蓄电设备供给的电流经变压装置后即可为外部用电设备供电。为了提高俘能装置将机械能转换为电能的转换效率，优选折纸结构为厚板折纸，保证所述的折纸结构的各折叠面的接触分离过程相位一致，使各介电对的电流不存在相互抵消的情况，如图7所示，4个介电对的电能输出的相位基本相同，从而提高俘能装置的输出功率。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于折纸回弹机构的静电俘能装置，其特征在于：该装置包括折纸结构、固定在所述的折纸结构的表面的介电对和电能输送电路，所述的介电对包括由两层极性相反的介电材料层以及两个金属电极层，其中一个介电材料层和一个电极层固定在所述的折纸结构的一个表面上，另一个介电材料层和另一个电极层固定在折纸结构压缩时与其贴合的面上，且所述的电极层位于所述的介电材料层与所述的折纸结构的表面之间，所述的折纸结构能沿某一方向压缩和回弹，从而使所述的介电对接触和分离，产生电荷转移，将机械能转化成电能，通过所述电能输送电路进行传输；
所述的折纸结构为厚板折纸，保证所述的折纸结构的各折叠面的接触分离过程相位一致；
所述的折纸结构还包括间隙结构，所述间隙结构通过将所述折纸结构的顶点向内翻折实现，从而增加折纸折痕的数目，增加所述的折纸结构的刚度和回弹性能的同时为所述的介电对提供放置空间；
所述折纸结构包括两类顶点，分别为向外凸的凸顶点和向内凹的凹顶点，由某个顶点延伸出来的四条折痕中，其中三条为同一类别，另一条为相对类别；对于所述凸顶点，三条同一类别的折痕为折脊，另一条为折谷，由四条折痕划分的四个区域中，对应角度较小的区域角度为α，对应角度较大的为180°-α；对于所述凹顶点，三条同一类别的折痕为折谷，另一条为折脊，由四条折痕划分的四个区域中，对应角度较小的区域角度为β，对应角度较大的为180°-β；α和β都是锐角，且α＞β。
2.根据权利要求1所述基于折纸回弹机构的静电俘能装置，其特征在于，所述电能输送电路包括电线、稳压整流器、蓄电装置与变压装置，所述蓄电装置与所述金属电极层通过所述电线进行连接。
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