CN112737397A - 一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，包括发电模块和车灯模块，所述车灯模块固定于所述自行车的坐杆，所述发电模块包括第一固定单元、电能产生单元和电能传输单元，所述电能产生单元包括摩擦滚轮、转轴和定子外壳，所述摩擦滚轮固定于所述转轴的一端，所述摩擦滚轮与所述自行车的轮胎接触，所述电能传输单元设置于转轴的另一端，所述定子外壳套接于所述转轴，所述定子外壳通过所述第一固定单元固定于所述自行车车轮的车架叉，所述电能传输单元与所述车灯模块连接，所述定子外壳的内壁上设有易失电子的第一纳米摩擦块，所述转轴中部设有易得电子的第二纳米摩擦块；上述方案中无需电池供电，续航能力持久，节能环保。

Description

一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯
技术领域
本发明涉及自行车制造的技术领域，具体而言，涉及一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯。
背景技术
自行车尾灯即安装在自行车尾部的发光的灯具,传统的尾灯是用反射器充当,它本身不会发光,而是通过光学原理,在夜里灯光照到的时候,反射光线作为提醒警示，随着社会的发展，路上车辆也越来越多，靠微弱的反光已经不足以引起路过车辆的注意，因此有一些借助电池的能量，以及会发光的LED灯的照明来作为安全警示，以保证更加安全；
目前的自行车尾灯,通常使用干电池,锂电池或钮扣电池作为能源,在通电的情况下,由LED作为光源,发出各种颜色更为醒目的光线主要作用是安全警示,以达到骑行的安全；但是采用蓄电池供电时，受体积限制，其电池容量较低，续航能力差，而且多采用一次电池，使用后丢弃，会造成环境污染。
发明内容
基于此，为了解决自行车尾灯续航差的问题，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其具体技术方案如下：
一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，包括发电模块和车灯模块，所述车灯模块固定于所述自行车的坐杆，所述发电模块包括第一固定单元、电能产生单元和电能传输单元，所述电能产生单元包括摩擦滚轮、转轴和定子外壳，所述摩擦滚轮固定于所述转轴的一端，所述摩擦滚轮与所述自行车的轮胎接触，所述电能传输单元设置于转轴的另一端，所述定子外壳套接于所述转轴，所述定子外壳通过所述第一固定单元固定于所述自行车车轮的车架叉，所述电能传输单元与所述车灯模块连接，所述定子外壳的内壁上设有易失电子的第一纳米摩擦块，所述转轴中部设有易得电子的第二纳米摩擦块。
上述方案中，自行车骑行时，车轮带动摩擦滚轮转动，从而带动转轴在定子外壳内摩擦转动产生电能，产生的电能通过电能传输单元传输给车灯模块，为车灯模块提供电能，无需电池供电，续航能力持久，节能环保。
进一步地，所述第一纳米摩擦块包括：尼龙-66薄膜、第一双面导电铜箔和第一PVC固定夹片，所述第一纳米摩擦块由所述尼龙-66薄膜、第一双面导电铜箔和第一PVC固定夹片粘合而成。
进一步地，所述第一PVC固定夹片是采用聚氯乙烯制备的柔性支撑夹片。
进一步地，所述第二纳米摩擦块包括：聚四氟乙烯薄膜、第二双面导电铜箔和第二PVC固定夹片，所述第二纳米摩擦块由所述聚四氟乙烯薄膜、第二双面导电铜箔和第二PVC固定夹片粘合而成。
进一步的，在所述转轴带动下，第一纳米摩擦块与第二纳米摩擦块相互摩擦，接触面会产生电荷转移，电荷密度逐渐趋向饱和，产生静电感应效应，从而驱动电路中的电子转移，两个电极之间的相对电压差(V)和短路条件下的位移电流密度(JD)可以分别表示为：
Figure BDA0002857857140000021
Figure BDA0002857857140000022
式中：t表时间；z表示极板间距的时间常数；σ1(z,t)表转移电子的累计密度；d1表示所述第一纳米摩擦块的厚度；d2表示所述第二纳米摩擦块的厚度；ε1表示所述第一纳米摩擦块的介电常数ε2表示所述第二纳米摩擦块的介电常数σc表电介质表面电荷密度；ε0表真空中介电常数。
进一步地，所述定子外壳还设有中轴承，所述中轴承与所述定子外壳固定连接，所述转轴穿过所述中轴承。
进一步地，所述电能传输单元包括转子、定子、导电环和电刷，所述定子外表面与外壳内壁连接，所述电刷固定于所述定子，所述导电环固定于所述转子，所述转子固定于所述转轴，所述定子设置于所述转子外侧。
进一步地，所述车灯模块包括LED灯单元和第二固定单元，所述LED灯单元通过第二固定单元固定于所述所述自行车的坐杆。
进一步地，所述LED灯单元包括LED灯、灯座和盖子，所述LED灯内设有整流器，所述LED灯固定于所述灯座，所述LED灯与所述电能传输单元连接，所述盖子卡接于所述灯座。
进一步地，所述第二固定单元包括夹子和橡胶垫，所述夹子的一端与所述灯座连接，所述夹子的另一端通过所述橡胶垫套夹于所述自行车座杆。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的结构示意图；
图2是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的电能产生单元的结构示意图；
图3是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的定子外壳的结构示意图；
图4是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的局部结构示意图；
图5是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的第一纳米摩擦块的结构示意图；
图6是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的第二纳米摩擦块的结构示意图；
图7是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的转子的结构示意图；
图8是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的第一固定单元的结构示意图；
图9是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的车灯模块的结构示意图；
图10是本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯的不同厚度摩擦材料发电电压曲线图；
附图标记说明：1、发电模块；2、车灯模块；3、摩擦滚轮；4、转轴；5、定子外壳；6、第一纳米摩擦块；7、第二纳米摩擦块；8、尼龙-66薄膜；9、第一双面导电铜箔；10、第一PVC固定夹片；11、橡胶垫；12、聚四氟乙烯薄膜；13、第二双面导电铜箔；14、第二PVC固定夹片；15、中轴承；16、转子；17、定子；18、导电环；19、电刷；20、第一固定支架；21、第二固定支架；22、连接杆；23、LED灯；24、灯座；25、盖子；26、夹子。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
如图1～2所示，本发明一实施例中的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，包括发电模块1和车灯模块2，所述车灯模块2固定于所述自行车的坐杆，所述发电模块1包括第一固定单元、电能产生单元和电能传输单元，所述电能产生单元包括摩擦滚轮3、转轴4和定子外壳5，所述摩擦滚轮3固定于所述转轴4的一端，所述摩擦滚轮3与所述自行车的轮胎接触，所述电能传输单元设置于转轴4的另一端，所述定子外壳5套接于所述转轴4，所述定子外壳5通过所述第一固定单元固定于所述自行车车轮的车架叉，所述电能传输单元与所述车灯模块2连接，所述定子外壳5的内壁上设有易失电子的第一纳米摩擦块6，所述转轴4中部设有易得电子的第二纳米摩擦块7。
上述方案中，自行车骑行时，车轮带动摩擦滚轮3转动，从而带动转轴4在定子外壳5内摩擦转动产生电能，产生的电能通过电能传输单元传输给车灯模块2，为车灯模块2提供电能，无需电池供电，续航能力持久，节能环保。
如图3、图5所示，在其中一个实施例中，所述第一纳米摩擦块6包括：尼龙-66薄膜8、第一双面导电铜箔9和第一PVC固定夹片10，所述第一纳米摩擦块6由所述尼龙-66薄膜8、第一双面导电铜箔9和第一PVC固定夹片10粘合而成。尼龙-66：是生活中常用塑料制品的原材料，具有较高熔点、耐油、耐磨损等优点，将其作为产生正电荷的摩擦材料。
如图3、图5所示，在其中一个实施例中，所述第一纳米摩擦块6有五层，第一层为尼龙-66薄膜8、第二层为第一双面导电铜箔9、第三层为第一PVC固定夹片10、第四层为第一双面导电铜箔9、第五层为尼龙-66薄膜8。
在其中一个实施例中，第一PVC固定夹片10是由聚氯乙烯制备的柔性支撑夹片，主要作用是支撑其余四层材料，保证摩擦过程中接触面积最大，五层材料之间由具有一定导电性能的胶黏剂粘合。
在其中一个实施例中，所述第一纳米摩擦块6设有两块。
如图4、图6所示，在其中一个实施例中，所述第二纳米摩擦块7包括：聚四氟乙烯薄膜12、第二双面导电铜箔13和第二PVC固定夹片14，所述第二纳米摩擦块7由所述聚四氟乙烯薄膜12、第二双面导电铜箔13和第二PVC固定夹片14粘合而成。聚四氟乙烯作为耐腐蚀性能极佳的材料，是通过四氟乙烯合成的易得电子含氟聚合物，将其作为产生负电荷的摩擦材料。
在其中一个实施例中，所述第二纳米摩擦块7有五层，第一层为聚四氟乙烯薄膜12、第二层为第二双面导电铜箔13、第三层第二PVC固定夹片14、第四层为第二双面导电铜箔13、第五层为聚四氟乙烯薄膜12。
在其中一个实施例中，在所述转轴4带动下，所述尼龙-66薄膜8与所述聚四氟乙烯薄膜12相互摩擦，接触面会产生电荷转移，电荷密度逐渐趋向饱和，产生静电感应效应，从而驱动电路中的电子转移，两个电极之间的相对电压差(V)和短路条件下的位移电流密度(JD)可以分别表示为：
Figure BDA0002857857140000071
Figure BDA0002857857140000072
式中：t表时间；z表示极板间距的时间常数；σ1(z,t)表转移电子的累计密度；d1表示所述第一纳米摩擦块6的厚度；d2表示所述第二纳米摩擦块7的厚度；ε1表示所述第一纳米摩擦块6的介电常数ε2表示所述第二纳米摩擦块7的介电常数σc表电介质表面电荷密度；ε0表真空中介电常数。
在其中一个实施例中，所述定子外壳5中还设有中轴承15，所述中轴承15与所述定子外壳5固定连接，所述转轴4穿过所述中轴承15。所述中轴承15用于支撑定子外壳5。
在其中一个实施例中，所述转轴4通过中轴承15穿过所述定子外壳5，转轴4和定子外壳5之间密封连接，具有防水作用。
如图7所示，在其中一个实施例中，所述电能传输单元包括转子16、定子17、导电环18和电刷19，所述定子17外表面与所述定子外壳5内壁连接，所述电刷19固定于所述定子17，所述导电环18固定于所述转子16，所述转子16固定于所述转轴4，所述定子17设置于转子16外侧。所述定子17用于来产生磁场，所述转子16随转轴4转动，通过第一纳米摩擦块6和第二纳米摩擦块7摩擦产生的电流时，定子17产生感应电动势，实现电能量转换，所述导电环18用于把转子16上的生成电荷传输到定子17上，所述电刷19将电流汇集后通过导线将电流传输给车灯模块2。
如图8所示，在其中一个实施例中，所述第一固定单元包括第一固定支架20、第二固定支架21和连接杆22，所述第一固定架固定于所述自行车车轮的车架叉上，所述定子外壳5固定于第二固定架，所述第一固定架与所述第二固定架之间通过所述连接杆22连接。
如图9所示，在其中一个实施例中，所述车灯模块2包括LED灯单元和第二固定单元，所述LED灯单元通过第二固定单元固定于所述自行车的坐杆。
在其中一个实施例中，所述LED灯单元包括LED灯23、灯座24和盖子25，所述LED灯23内设有整流器，所述LED灯23固定于所述灯座24，所述整流器与所述电能传输单元连接，所述盖子25卡接于所述灯座24。所述电刷19将电流汇集后通过整流器整流给LED灯23供电，盖子25用于防止LED灯23进水。
在其中一个实施例中，所述第二固定单元包括夹子26和橡胶垫11，所述夹子26的一端与所述灯座24连接，所述夹子26的另一端通过所述橡胶垫11套夹于所述自行车座杆，所述橡胶垫11起到防滑固定作用。
在其中一个实施例中，所述尼龙-66薄膜8的厚度为0.04～0.20mm，所述聚四氟乙烯薄膜12的厚度为0.01～0.20mm。
在其中一个实施例中，由于发电量与摩擦材料本身的厚度有关，通过控制尼龙-66薄膜8和聚四氟乙烯薄膜12的厚度来判断产生电压的大小，实验结果如下表所示；如图10所示，采用MATLAB软件绘制不同厚度摩擦材料发电电压曲线图，图中曲线从上往下分别代表：0.14mm尼龙膜与0.03mm聚四氟乙烯薄膜，0.10mm尼龙膜与0.03mm聚四氟乙烯薄膜，0.06mm尼龙膜与0.03mm聚四氟乙烯薄膜，0.08mm尼龙膜与0.03mm聚四氟乙烯薄膜；由图可知，当尼龙-66薄膜8的厚度为0.14mm，聚四氟乙烯薄膜12厚度为0.03mm时，摩擦材料表面的电荷量最高，产生的交流电压最大。
摩擦起电材料
Figure BDA0002857857140000091
本发明的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，在摩擦过程中，所述转轴4每转一圈，所述第一纳米摩擦块6和所述第二纳米摩擦块7摩擦两次，所述LED灯23将会闪烁两次，当骑车较慢时，LED灯23有闪烁效果，当骑车速度加快时，LED灯23闪烁速度较快，肉眼看到的LED灯处于常亮的状态。
在其中一个实施例中，所述发电模块1和所述车灯模块2均采用防水材料制成，不受雨水侵入影响。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，包括发电模块和车灯模块，所述车灯模块固定于所述自行车的坐杆，所述发电模块包括第一固定单元、电能产生单元和电能传输单元，所述电能产生单元包括摩擦滚轮、转轴和定子外壳，所述摩擦滚轮固定于所述转轴的一端，所述摩擦滚轮与所述自行车的轮胎接触，所述电能传输单元设置于转轴的另一端，所述定子外壳套接于所述转轴，所述定子外壳通过所述第一固定单元固定于所述自行车车轮的车架叉，所述电能传输单元与所述车灯模块连接，所述定子外壳的内壁上设有易失电子的第一纳米摩擦块，所述转轴中部设有易得电子的第二纳米摩擦块。
2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，所述第一纳米摩擦块包括：尼龙-66薄膜、第一双面导电铜箔和第一PVC固定夹片，所述第一纳米摩擦块由所述尼龙-66薄膜、第一双面导电铜箔和第一PVC固定夹片粘合而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，所述第一PVC固定夹片是采用聚氯乙烯制备的柔性支撑夹片。
4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，所述第二纳米摩擦块包括：聚四氟乙烯薄膜、第二双面导电铜箔和第二PVC固定夹片，所述第二纳米摩擦块由所述聚四氟乙烯薄膜、第二双面导电铜箔和第二PVC固定夹片粘合而成。
5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，在所述转轴带动下，第一纳米摩擦块与第二纳米摩擦块相互摩擦，接触面会产生电荷转移，电荷密度逐渐趋向饱和，产生静电感应效应，从而驱动电路中的电子转移，两个电极之间的相对电压差(V)和短路条件下的位移电流密度(JD)可以分别表示为：
Figure FDA0002857857130000021
Figure FDA0002857857130000022
式中：t表时间；z表示极板间距的时间常数；σ1(z,t)表转移电子的累计密度；d1表示所述第一纳米摩擦块的厚度；d2表示所述第二纳米摩擦块的厚度；ε1表示所述第一纳米摩擦块的介电常数ε2表示所述第二纳米摩擦块的介电常数σc表电介质表面电荷密度；ε0表真空中介电常数。
6.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，所述定子外壳中还设有中轴承，所述中轴承与所述定子外壳固定连接，所述转轴穿过所述中轴承。
7.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，所述电能传输单元包括转子、定子、导电环和电刷，所述定子外表面与所述外壳内壁连接，所述电刷固定于所述定子，所述导电环固定于所述转子，所述转子固定于所述转轴，所述定子设置于所述转子外侧。
8.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，所述车灯模块包括LED灯单元和第二固定单元，所述LED灯单元通过第二固定单元固定于所述自行车的坐杆。
9.根据权利要求8所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，所述LED灯单元包括LED灯、灯座和盖子，所述LED灯内设有整流器，所述LED灯固定于所述灯座，所述LED灯与所述电能传输单元连接，所述盖子卡接于所述灯座。
10.根据权利要求9所述的一种基于摩擦纳米发电的自行车尾灯，其特征在于，所述第二固定单元包括夹子和橡胶垫，所述夹子的一端与所述灯座连接，所述夹子的另一端通过所述橡胶垫套夹于所述自行车座杆。
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