CN113098319B - 一种基于绣绷结构的声能收集器 - Google Patents

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    • H02N1/04—Friction generators

Abstract

本发明提出了一种基于绣绷结构的声能收集器，用以解决现有声能捕获摩擦纳米发电机输出性能低，结构复杂，成本较高的技术问题，本发明包括摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括第一电极、第二电极和FEP薄膜，FEP薄膜设置在第一电极和第二电极之间，第一电极和第二电极均通过绣绷组件支撑。本发明受中国传统绣花用具绣绷的启发，用绣绷结构绷紧摩擦纳米发电机的两个电极，设计精巧，结构简单、可移植性强、成本低，且具有优良的电输出性能，可以更好地对声音能量的捕获，非常适用于机场、地铁通道、建筑工地等噪音较大的场合，非常适用于人们日常生活中复杂的外界环境，可以大规模、多地区布置。

Description

一种基于绣绷结构的声能收集器
技术领域
本发明涉及纳米发电的技术领域，尤其涉及一种基于绣绷结构的声能收集器。
背景技术
随着化石燃料的减少和日益严重的环境污染问题，能源危机面临着巨大的挑战，人们迫切希望寻找到新型的、绿色的清洁能源代替化石燃料。声能作为自然界中的绿色能源之一，储量丰富、清洁而且分布广泛，是一种理想的绿色能源。摩擦纳米发电机利用摩擦起电和静电感应的耦合作用可以将环境中的机械能转化为电能，为小型电子设备以及物联网节点供电。但是由于声能收集效率低，近年来人们尝试了多种声能收集技术去捕获声音能量。传统的声能收集技术会使用谐振腔，对于谐振腔来说，一方面只能在一定频率下加强入射声音的压强，使入射声音与谐振器以及器件产生共振。在其他频率下，谐振腔实际上降低了声压。并且谐振腔的形状尺寸需要精确计算，且需要占据较大的空间，应用场景受到限制。因此探究出一款结构简单、高性能输出的声能捕获摩擦纳米发电机迫在眉睫。
发明内容
针对现有声能捕获摩擦纳米发电机输出性能低，结构复杂，成本较高的技术问题，本发明提出一种基于绣绷结构的声能收集器，受中国传统绣花用具绣绷的启发，用绣绷结构绷紧摩擦纳米发电机的两个电极，设计精巧，结构简单，成本低廉，且具有优良的电输出性能，可以更好地对声音能量的捕获。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于绣绷结构的声能收集器，包括摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括第一电极、第二电极和摩擦层，摩擦层设置在第一电极和第二电极之间，第一电极和第二电极均通过绣绷组件支撑。
优选地，所述摩擦纳米发电机的第一电极和第二电极的底部固定在支撑物上，所述支撑物包括圆筒和底座，第一电极和第二电极均固定在圆筒上，圆筒固定在底上。
优选地，所述第一电极和第二电极均包括导电织物，导电织物固定在绣绷组件上。
优选地，所述绣绷组件包括绣绷外圈和绣绷内圈，绣绷内圈设置在绣绷外圈内，导电织物固定在绣绷外圈和绣绷内圈之间。
优选地，所述导电织物的外圆周和FEP薄膜之间设有环形垫片。
优选地，所述环形垫片为Kapton垫片，Kapton垫片的厚度为65µm；所述FEP薄膜的厚度为30µm，导电织物的厚度为80µm。
优选地，所述绣绷外圈上设有固定机构，固定机构包括固定螺丝和固定螺母，固定螺母与固定螺丝相匹配。
优选地，当外部声音驱动摩擦纳米发电机的FEP薄膜、第一电极和第二电极的导电织物时，导电织物和FEP薄膜分别作为电极和摩擦层，电极和摩擦层接触时会产生电荷转移，当电极和摩擦层发生分离时，由于摩擦电荷转移会导致电极和摩擦层之间产生电势差，从而驱动外部电路中电子流动，产生电流；随着电极和摩擦层之间不断的摩擦分离，摩擦纳米发电机的输出端将不断的输出交变的电流信号，从而对外输出电能。
优选地，所述支撑物的圆筒和底座采用3D打印技术来制作。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明基于中国传统绣花用具设计了一种新型声能收集器，结构简单，设计精巧，成本低廉；在不使用谐振腔的情况下提高了摩擦纳米发电机的输出性能。本发明不但为制作结构精巧、输出性能优良的声能捕获摩擦纳米发电机提供了一种简单可靠的办法，还为声能捕获摩擦纳米发电机无谐振腔、小型化做了有益的探索。且本发明结构简单、可移植性强、成本低，非常适用于机场、地铁通道、建筑工地等噪音较大的场合，非常适用于人们日常生活中复杂的外界环境，可以大规模、多地区布置。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的结构示意图。
图2为图1所示摩擦纳米发电机的局部结构示意图。
图3为本发明摩擦纳米发电机的FEP（摩擦层）的扫描电镜图。
图4为本发明摩擦纳米发电机的导电织物（上下电极）的扫描电镜图。
图5为本发明摩擦纳米发电机在110分贝的不同声音频率下的电输出性能测试。
图6为本发明摩擦纳米发电机使用绣绷结构和不使用绣绷结构的电输出性能对比图。
图7为本发明摩擦纳米发电机对不同唱名的频率响应，其中，A为do，B为re，C为mi，D为fa，E为sol，F为la，G为si。
图8为本发明摩擦纳米发电机点亮LED灯的原理图。
图中，1为摩擦纳米发电机，2为支撑物，21为圆筒部分，22为底座。101为固定螺丝，103为绣绷外圈，104为绣绷内圈，105为导电织物，106为垫片，107为FEP薄膜。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付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和图2所示，一种基于绣绷结构的声能收集器，包括摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括第一电极、第二电极和摩擦层，摩擦层为FEP（Fluorinated ethylenepropylene）薄膜107，FEP薄膜107设置在第一电极和第二电极之间，第一电极和第二电极均通过绣绷组件支撑。摩擦纳米发电机固定在绣绷组件上。当外部声音驱动摩擦纳米发电机时能够将声能转化为电能，可以作为电源为小型电子设备和物联网节点供电，缓解当前能源危机与环境污染严重的现状。摩擦纳米发电机1利用括第一电极、第二电极和FEP薄膜107之间的振动用来捕获收集环境中不同频率和不同分贝的声音能量。如图3所示，摩擦纳米发电机中FEP薄膜107的扫描电镜图，可以看出FEP薄膜表面光滑无褶皱，这将有利于摩擦层与第一电极、第二电极的接触分离过程中增大接触面积，从而增大电荷转移量。
摩擦纳米发电机1制作好以后固定在支撑物2上，支撑物2将摩擦纳米发电机1支撑一定的高度，方便摩擦纳米发电机1的移动和固定，同时可以较好地收集外部的声音。所述摩擦纳米发电机1的第一电极和第二电极的底部固定在支撑物2上，所述支撑物2包括圆筒21和底座22，第一电极和第二电极均固定在圆筒21上，圆筒21固定在底座22上，底座22为矩形底座。摩擦纳米发电机安装在支撑物2的圆筒21的顶部，方便固定安装。所述支撑物2的圆筒21和底座22采用3D打印技术来制作。为了方便地固定摩擦纳米发电机1，使用3D打印机制作了由PLA高分子材料制成的支撑物。在支撑物2中，矩形底座22尺寸为110mm×80mm×5mm，圆筒21的外径为40mm、内径为35mm、高度为100mm。最后，将制备好的摩擦纳米发电机1安装在支撑物2上。
如图2所示，所述第一电极和第二电极均包括导电织物105，导电织物105固定在绣绷组件上。摩擦纳米发电机1的发电原理主要是摩擦起电和静电感应的耦合作用，由于摩擦材料电负性的差异，电极和摩擦层接触时会产生电荷转移，当两者发生分离时，由于摩擦电荷转移会导致摩擦层之间产生电势差，从而驱动外部电路中电子流动，产生电流。随着电极和摩擦层之间不断的摩擦分离，摩擦纳米发电机的输出端将不断的输出交变的电流信号，从而对外输出电能。对于电负性强的材料，其得电子能力强，在与电负性弱的材料接触摩擦时倾向于得到电子，而电负性弱的材料倾向于失去电子。因此，在材料选取时应尽量选取电负性差异大的材料作为摩擦层，以提高发电机的输出性能。本发明选择的分别是导电织物与FEP薄膜。所述FEP薄膜107的厚度为30µm，导电织物105的厚度为80µm。如图4所示，摩擦纳米发电机中导电织物105的扫描电镜图，可以观察到它由边长65μm的方形阵列微孔组成，导电织物中的微孔可以促进声波的传播和减轻声能的损耗。
如图2所示，所述绣绷组件包括绣绷外圈103和绣绷内圈104，绣绷内圈104设置在绣绷外圈103内，导电织物105固定在绣绷外圈103和绣绷内圈104之间。绣绷外圈103的直径为100毫米，绣绷内圈104的直径为105毫米。所述绣绷外圈103上设有固定机构，固定机构包括固定螺丝101和固定螺母，固定螺母与固定螺丝101相匹配，从而固定绣绷外圈103。通过固定机构可以调节绣绷外圈103，从而调节导电织物105的张紧程度。
所述导电织物105的外圆周和FEP薄膜107之间设有环形垫片106。环形垫片106实现导电织物105的外圆周和FEP薄膜107的隔离，从而方便振动过程中导电织物105和FEP薄膜107的中部的接触和分离，实现更好地振动，从而进行摩擦起电。所述环形垫片106为Kapton垫片，Kapton垫片的厚度为65µm。
制作时，首先将绣绷组件的绣绷外圈103和绣绷内圈104即内外环分开后，将绣绷内圈104水平放置在桌面上，并在绣绷内圈104上铺设厚度为80µm的导电织物105。绣绷内圈104沿垂直方向贴在绣绷外圈103上。为了使其承受均匀的力，拧紧安装在绣绷外圈103上的固定螺母101，同时拉紧导电织物105。接下来，一个65µm厚的环状垫片106的形状与绣绷组件的绣绷外圈103和绣绷内圈104的结构一样，环状垫片106粘在导电织物105上作为间隔，并遵循相同的过程来制备摩擦纳米发电机的另一个电极，从而实第一电极和第二电极的制作。然后，一块厚度为30µm的商用FEP薄膜107被附着在第一电极和第二电极之间，形成一个类似于三明治的结构即是摩擦纳米发电机1。
当外部声音驱动摩擦纳米发电机1的FEP薄膜107、第一电极和第二电极的导电织物105时，导电织物105和FEP薄膜107分别作为电极和摩擦层，电极和摩擦层接触时会产生电荷转移，当电极和摩擦层发生分离时，由于摩擦电荷转移会导致电极和摩擦层之间产生电势差，从而驱动外部电路中电子流动，产生电流；随着电极和摩擦层之间不断的摩擦分离，摩擦纳米发电机1的输出端将不断的输出交变的电流信号，从而对外输出电能。
考虑到自然环境中声学频率和压力范围较广，因此有必要去用一个振幅和频率可调的扬声器去触发自主设计的声能捕获的摩擦纳米发电机来探究其电输出性能，测试结果如图5所示，通过图5可以发现，从70Hz-170Hz随着频率的增加，开路电压(VOC)、短路电流(ISC)、转移电荷(QSC)也在增加，从170Hz-270Hz随着频率的增加，VOC、ISC、QSC开始下降，在170Hz的时候输出性能达到了最大值，VOC、ISC、QSC分别为500V、124μA、430nC。
为了方便对比，制作了和本发明包含绣绷组件的摩擦纳米发电机大小一致且不使用绣绷结构的声能捕获摩擦纳米发电机，在同样的测试条件下对它的输出性能进行测试，两者的输出性能对比解果，如图6所示，本发明具有绣绷结构的摩擦纳米发电机的电输出性能约是不具有绣绷结构摩擦纳米发电机的4倍，由此可见绣绷结构的使用可以有效的提升摩擦纳米发电机的电输出性能。这是因为，绣绷组件可以绷紧摩擦纳米发电机的电极，使电极各个方向都受力均匀，且处于绷紧状态，增大了摩擦层与电极的接触面积，进而提高了转移电荷量，所以电输出性能增强。
如图7所示，通过扬声器用钢琴演奏不同唱名的旋律，来触发摩擦纳米发电机所产生的电压波形，观察发现本发明设计的摩擦纳米发电机对不同唱名的频率响应也不同，最大开路电压可以达到430V。
如图8所示，本发明摩擦纳米发电机点亮LED灯的原理图，摩擦纳米发电机1作为电源TENG产生的交流电通过整流桥转化为直流可以做电源为小型电子设备即负载LOAD供电，负载LOAD上并联有电容。本发明使用钢琴和弦作为声音资源来驱动摩擦纳米发电机产生电能，然后通过整流桥连接到55个LED，可以轻松的点亮拼写为“HENU”的55个LED灯。
本发明通过使用绣绷组件绷紧摩擦纳米发电机的电极，使得电极各个角度受力均匀且处于绷紧状态，当外部声音能量驱动摩擦纳米发电机时，增大了摩擦层（FEP）与电极（导电织物)的接触面积，转移电荷量增大，所以输出增强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于绣绷结构的声能收集器，包括摩擦纳米发电机（1），其特征在于，所述摩擦纳米发电机（1）包括第一电极、第二电极和摩擦层，摩擦层设置在第一电极和第二电极之间，第一电极和第二电极均通过绣绷组件支撑；
所述绣绷组件包括绣绷外圈（103）和绣绷内圈（104），绣绷内圈（104）设置在绣绷外圈（103）内，第一电极和第二电极的导电织物（105）固定在绣绷外圈（103）和绣绷内圈（104）之间。
2.根据权利要求1所述的基于绣绷结构的声能收集器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机（1）的第一电极和第二电极的底部固定在支撑物（2）上，所述支撑物（2）包括圆筒（21）和底座（22），第一电极和第二电极均固定在圆筒（21）上，圆筒（21）固定在底座（22）上。
3.根据权利要求1或2所述的基于绣绷结构的声能收集器，其特征在于，所述第一电极和第二电极均包括导电织物（105），导电织物（105）固定在绣绷组件上；所述摩擦层为FEP薄膜（107）。
4.根据权利要求3所述的基于绣绷结构的声能收集器，其特征在于，所述导电织物（105）的外圆周和FEP薄膜（107）之间设有环形垫片（106）。
5.根据权利要求4所述的基于绣绷结构的声能收集器，其特征在于，所述环形垫片（106）为Kapton垫片，Kapton垫片的厚度为65µm；所述FEP薄膜（107）的厚度为30µm，导电织物（105）的厚度为80µm。
6.根据权利要求4或5所述的基于绣绷结构的声能收集器，其特征在于，所述绣绷外圈（103）上设有固定机构，固定机构包括固定螺丝（101）和固定螺母，固定螺母与固定螺丝（101）相匹配。
7.根据权利要求6所述的基于绣绷结构的声能收集器，其特征在于，当外部声音驱动摩擦纳米发电机（1）的FEP薄膜（107）、第一电极和第二电极的导电织物（105）时，导电织物（105）和FEP薄膜（107）分别作为电极和摩擦层，电极和摩擦层接触时会产生电荷转移，当电极和摩擦层发生分离时，由于摩擦电荷转移会导致电极和摩擦层之间产生电势差，从而驱动外部电路中电子流动，产生电流；随着电极和摩擦层之间不断的摩擦分离，摩擦纳米发电机（1）的输出端将不断的输出交变的电流信号，从而对外输出电能。
8.根据权利要求2所述的基于绣绷结构的声能收集器，其特征在于，所述支撑物（2）的圆筒（21）和底座（22）采用3D打印技术来制作。
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