CN112187093A - 一种基于马术运动的发电装置 - Google Patents

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张竹
张洪宇
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    • H02N1/04—Friction generators

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Abstract

本发明公开了一种基于马术运动的发电装置，其包括柔性摩擦薄膜、柔性接地电极和接地电阻，柔性摩擦薄膜的一面用于覆盖在马匹皮毛上，能够与马匹皮毛摩擦起电获得电子，柔性摩擦薄膜的另一面附着在柔性接地电极上，柔性接地电极通过接地电阻与地相连接，其中，柔性摩擦薄膜与马匹皮毛接触的表面形成有密集排列的微型金字塔结构。该发电装置利用运动或者振动实现柔性摩擦薄膜与马匹皮毛之间的周期性接触、分离，根据摩擦电效应和静电感应原理，柔性摩擦薄膜与马匹皮毛表面之间周期性的距离变化造成柔性接地电极和地之间的电荷转移，驱动电子流过，从而能够利用马匹的运动动能持续提供电能，具有可持续性、成本低、环保等优点。

Description

一种基于马术运动的发电装置
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别是涉及一种基于马术运动的发电装置。
背景技术
随着惯性技术和智能穿戴的发展，惯性传感器的制造体积已经变得较小，因此将惯性传感器放置在人体各个关节部位进行运动分析和动作识别有较多应用，如跑步、游泳、登山等。马术是一项专注于骑师和马之间的互动，要求高度合作的专业和高技巧的运动，具有很高的艺术性和观赏性，但大部分的训练和判断主要还是依赖于教练的经验，缺乏一个直白客观的运动检测系统，所以使用穿戴式惯性传感器来检测马术运动的姿态信息已广泛应用。
然而，惯性传感器需要供电才能使用，现有的供电方式依然采用传统的供能方式，即利用化学电池作为主要的能量供应装置。由于马术运动中，惯性传感器的使用数量多(骑师和马的不同位置都要佩戴惯性传感器)，工作时间长，传统的供能方式已不能适应这样的工作环境以及能量需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于马术运动的发电装置，能够利用马匹的运动动能持续提供电能。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于马术运动的发电装置，包括柔性摩擦薄膜、柔性接地电极和接地电阻，所述柔性摩擦薄膜的一面用于覆盖在马匹皮毛上，能够与马匹皮毛摩擦起电获得电子，所述柔性摩擦薄膜的另一面附着在柔性接地电极上，所述柔性接地电极通过接地电阻与地相连接，其中，所述柔性摩擦薄膜与马匹皮毛接触的表面形成有密集排列的微型金字塔结构。
优选的，所述柔性摩擦薄膜为PDMS薄膜或PTFE薄膜。
优选的，所述柔性接地电极为ITO电极。
优选的，所述微型金字塔结构的平均尺寸在10到100微米之间。
优选的，所述柔性摩擦薄膜的厚度在300μm-500μm之间。
优选的，所述接地电阻的电阻值为10MΩ。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：利用马匹运动时，它的躯干与关节部位发生的运动或者振动，例如，马具的接触、马鞍的颠簸、关节活动、马蹄的冲击等等，实现柔性摩擦薄膜与马匹皮毛之间的周期性接触、分离，根据摩擦电效应和静电感应原理，柔性摩擦薄膜与马匹皮毛表面之间周期性的距离变化造成柔性接地电极和地之间的电荷转移，驱动电子流过，从而能够利用马匹的运动动能持续提供电能，具有可持续性、成本低、环保等优点。
附图说明
图1是本发明实施例的基于马术运动的发电装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的基于马术运动的发电装置的发电过程示意图，其中，图2a是马匹皮毛与柔性摩擦薄膜完全接触时的示意图，图2b是马匹皮毛远离柔性摩擦薄膜较小距离时的示意图，图2c是马匹皮毛远离柔性摩擦薄膜较大距离时的示意图，图2d是马匹皮毛再次靠近柔性摩擦薄膜时的示意图；
图3是本发明实施例的柔性摩擦薄膜的电镜图，其中，图3a是PDMS薄膜的实物照片，图3b是PDMS薄膜的表面电镜图，图3c是PDMS薄膜的侧面电镜图，图2d是PDMS薄膜弯曲后的侧面电镜图；
图4是本发明实施例的基于马术运动的发电装置的电压、电流示意图，其中，图4a是发电装置的开路电压达到-1000V的波形图，图4b是开路电压达到-1000V时对应的短路电流密度的波形图，图4c和4d是当发电装置的柔性接地电极通过一个100MΩ的接地电阻接地时，对应的输出电压和电流密度的波形图；
图5是由本发明的发电装置供电的惯性传感器在马术运动中采集的数据的波形图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的基于马术运动的发电装置包括柔性摩擦薄膜10、柔性接地电极20和接地电阻30，柔性摩擦薄膜10的一面用于覆盖在马匹皮毛上，能够与马匹皮毛摩擦起电获得电子，柔性摩擦薄膜10的另一面附着在柔性接地电极20上，柔性接地电极20通过接地电阻30与地相连接。发电装置可以通过一些储能电路或驱动电路为惯性传感器供电。
根据摩擦电顺序，马匹皮毛易得电子，可作为正电荷端摩擦材料，柔性摩擦薄膜10作为负电荷端摩擦材料。在最初的状态，马匹皮毛和柔性摩擦薄膜10表面彼此紧密接触，从而导致两者之间的电荷转移。
如图2a所示，根据摩擦电顺序，柔性摩擦薄膜10在摩擦过程中相比马匹皮毛更容易获得电子，因而马匹皮毛上的电子注入到柔性摩擦薄膜10，这就是接触带电过程。产生的摩擦电荷电性相反，刚好被彼此平衡/屏蔽掉，因而外电路中没有电流。
如图2b所示，一旦柔性摩擦薄膜10与马匹皮毛发生相对分离，这些摩擦电荷不会被补偿，柔性摩擦薄膜10表面的负电荷能够在柔性接地电极20上感应出正电荷，从而驱动自由电子从柔性接地电极20流到地，这个静电感应过程能产生出电压/电流信号。
如图2c所示，随着马匹皮毛与柔性摩擦薄膜10分离距离的不断增大，当柔性摩擦薄膜10上负的摩擦电荷被柔性接地电极20上感应的正电荷完全屏蔽时，这时将没有电压/电流信号输出。
如图2d所示，当马匹皮毛返回接近到柔性摩擦薄膜10时，电子从地流向柔性接地电极20，同时柔性接地电极20上感应的正电荷减少，从而得到反向的输出电压/电流信号。
柔性摩擦薄膜10与马匹皮毛接触的表面形成有密集排列的微型金字塔结构。微型金字塔结构可以采用刻蚀的方法在柔性摩擦薄膜10表面制备。柔性摩擦薄膜10可以是PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜或PTFE(聚四氟乙烯)薄膜，柔性接地电极20可以为ITO(氧化铟锡)电极。微型金字塔结构的平均尺寸在10到100微米之间，例如为40微米，柔性摩擦薄膜的厚度在300μm-500μm之间，例如为400μm。接地电阻30的电阻值为10MΩ。
如图3a和3d所示，柔性摩擦薄膜10可以任意弯曲，能够与马匹皮毛的外形保持一致。
如图3b和3c所示，柔性摩擦薄膜10表面形成有密集排列的微型金字塔结构。由于带有微型金字塔结构，柔性摩擦薄膜10可以用来感应出较大的摩擦电荷密度，而且带有微型金字塔结构的柔性摩擦薄膜10与水的接触角为131°，明显大于113°，后者为不带有微型金字塔结构的的普通PDMS薄膜与水的接触角。因此，柔性摩擦薄膜10具有聚合物表面的亲疏水性，使得水滴很容易从表面滚下并且带走灰尘和其他污染物，从而能够在马匹运动时避免马匹的汗液和环境中的灰尘带来的影响。
而且进一步的，该发电装置还具有较强的电磁特性。
如图4a所示，当马匹皮毛与柔性摩擦薄膜10快速接触/分离时，其电压能达到-1000V，所获得的电压为负，这是因为柔性摩擦薄膜10表面带的是负电荷。对应的外电路的短路电流密度可到8mA/m2。
如图4b所示。当柔性接地电极20通过一个100MΩ的接地电阻30接地时，对应的输出电压和电流密度分别呈现在图4c和图4d中。接地电阻30产生的输出电压峰值达到180V，电流密度峰值可到2.8mA/m2，因此，其输出功率密度大约为500mW/m2，所产生的电能足够使得惯性传感器正常工作。
本发明的发电装置可以通过电路连接的方式向惯性传感器供电，也可以采用发射电磁波的方式向惯性传感器供电。发电装置可以安装在马鞍或马腿上，本发明优选安装在马鞍上，因为马背在马匹体型结构中处于一个中心的位置，也有利于能量和通信传输，且马鞍尺寸和空间较大，同时，在马术运动中剧烈的颠簸和骑师施予的压力，使得柔性摩擦薄膜10和柔性接地电极20形变产生的机械能转换为电能，进一步提高发电效率。
在一个实际应用中，本发明的发电装置安装在马鞍上，并为惯性传感器供电。惯性传感器采集到的数据情况如图5所示，由图可知，惯性传感器的数据表现吻合马术上下起伏颠簸的运动规律，这也间接表示发电装置产生的电能足够使得惯性传感器正常工作。
通过上述方式，本发明实施例的基于马术运动的发电装置利用马匹运动时，它的躯干与关节部位发生的运动或者振动，例如，马具的接触、马鞍的颠簸、关节活动、马蹄的冲击等等，实现柔性摩擦薄膜与马匹皮毛之间的周期性接触、分离，根据摩擦电效应和静电感应原理，柔性摩擦薄膜与马匹皮毛表面之间周期性的距离变化造成柔性接地电极和地之间的电荷转移，驱动电子流过，从而能够利用马匹的运动动能持续提供电能，具有可持续性、成本低、环保等优点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于马术运动的发电装置，其特征在于，包括柔性摩擦薄膜、柔性接地电极和接地电阻，所述柔性摩擦薄膜的一面用于覆盖在马匹皮毛上，能够与马匹皮毛摩擦起电获得电子，所述柔性摩擦薄膜的另一面附着在柔性接地电极上，所述柔性接地电极通过接地电阻与地相连接，其中，所述柔性摩擦薄膜与马匹皮毛接触的表面形成有密集排列的微型金字塔结构。
2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述柔性摩擦薄膜为PDMS薄膜或PTFE薄膜。
3.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述柔性接地电极为ITO电极。
4.根据权利要求3所述的发电装置，其特征在于，所述微型金字塔结构的平均尺寸在10到100微米之间。
5.根据权利要求4所述的发电装置，其特征在于，所述柔性摩擦薄膜的厚度在300μm-500μm之间。
6.根据权利要求5所述的发电装置，其特征在于，所述接地电阻的电阻值为10MΩ。
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