CN113107336B - 一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，属于微能源领域；包括发电膜、框架、硬质平行板和驱动结构，发电膜包括第一电极和第二电极；多个硬质平行板相互平行设置于框架内，作为百叶窗的叶片部分，各硬质平行板下边缘处均沿其长度粘贴有若干发电膜；在风力作用下相互振动，能够实现持续发电；驱动结构包括齿条和多个具有相同参数的齿轮，多个齿轮与多个硬质平行板一一对应设置，其中心轴穿过所述框架与硬质平行板连接，通过驱动齿条带动各齿轮旋转，进而带动各硬质平行板转动，实现百叶窗的开合。本发明利用驻极体聚合物薄膜收集风能，体积小、易迁移，而且对风力的要求较低，不需要非常大的风速就可进行能源的收集和转化。
Description
技术领域
本发明属于微能源领域，具体涉及一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，是一种微能源领域的能量转化、多形式多功能复合制备技术。
背景技术
随着社会发展与时代进步，物联网技术和微系统技术作为综合性前沿技术，正在医学、国防、机械生产、环境保护等领域得到越来越广泛的应用。在这种微集成技术支持下制造的电子产品正在成为很多人生活与工作的必要需求，因此，如何为这些产品提供便捷、充足的电能是一个必须得到解决的问题。显然，制造一种自供能的微型能源收集装置，利用自然界随处可见的风能，借助驻极体材料，将因此产生的振动能量转化为可以收集利用的电能，是一种快捷且有效的供能方式。驻极体(electret)，又称“永电体”，是一种特殊的介电材料，在受到高强度电场作用后可产生极化，撤去电场后其表面和内部的电荷可以长时间甚至永久存在。因此，经过极化处理的驻极体可以作为永久带电体，在诸如风电转化的供电系统中反复利用，持续稳定地输出电能。若将驻极体制成薄膜，作为易振动的电容电极，则可基于此制作体积小、成本低、易携带、结构简单的微能源发电结构。其所产生的电力，可用于为微型传感器供电，也可用于解决进入物联网时代后，多种物联网终端的能源供应问题。因此，在如今的背景技术下，该结构有着良好的应用前景。
但是，这种基于驻极体的微风电转化技术在实际生活和工作中的应用并没有理论上那样容易和完美，在制备能量收集器时，有许多问题需要解决。本发明主要参考王中林等人所著《摩擦纳米发电机》，科学出版社，2017年3月出版，236页～245页，章节《基于微颤摩擦起电的风能收集》中提到了第一种基于微颤片的风能摩擦纳米发电机。书中提到基于微颤摩擦起电的非转动式摩擦纳米发电机结构被首先报道于Yang等人的文章上(《Triboelectric nanogenerator for harvesting wind energy and as self-poweredwind vector sensor system》.ACS Nano,2013,7(10):9461-9468)。文中提到的风能发电机是基于两片铝箔和一片具有纳米线表面的全氟乙烯丙烯(FEP)膜之间周期性的接触分离，其利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合，两片铝箔与FEP膜之间的周期性间距变化可以引发两片铝箔对地的电荷转移，从而自由电子输出至外电路成为交流电。这种发电机由在长方体亚克力管中的一个两片铝箔和一片FEP膜构成，铝箔即作为一种摩擦表面，也作为一个电极。FEP膜的一面固定在管底部开端的中间，另一面可以自由移动。在风的驱动下，两个铝箔和FEP膜之间的间距会发生周期性的变化。而该装置的主要技术问题是发电效率受摩擦电荷密度的影响。
除了该技术问题，现有驻极体发电理论在实际的应用中还存在其他问题。其一，除风能以外，太阳能也是许多供电器的能量来源，如果能将两种能源同时收集，复合利用，则发电效率可以得到显著提升。但驻极体薄膜与太阳能电池板不能简单复合，两者往往会相互产生影响导致能量的收集效率低下，我们需要一种合理的结构将两者有效复合，并通过设计电路将其发电量叠加。其二，简单的发电功能并不能匹配极化驻极体的成本投入，如何将能量采集装置与其他功能的产品合理复合，实现驻极体膜的“一材多用”，同样是一个值得研究的问题。本发明针对现有技术的上述不足，设计了一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，将发电膜与百叶窗结合，利用驻极体聚合物薄膜收集风能，与传统的风力发电机相比，不仅体积小、易迁移，而且对风力的要求较低，不需要非常大的风速就可进行能源的收集和转化。
本发明的技术方案是：一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，其特征在于：包括发电膜、框架、硬质平行板和驱动结构，所述发电膜包括第一电极和第二电极，所述第一电极是驻极体聚合物薄膜/镀铜层/液晶聚合物LCP/镀铜层/驻极体聚合物薄膜五层复合结构；所述第二电极是镀铜层/液晶聚合物LCP/镀铜层三层复合结构，即衬底铜箔；
所述框架用于固定支撑整个装置，多个硬质平行板相互平行设置于框架内，作为百叶窗的叶片部分，各硬质平行板下边缘处均沿其长度粘贴有若干发电膜；所述第一电极和第二电极交错布置，即同一硬质平行板上粘贴相同电极，相邻硬质平行板上粘贴不同电极；在风力作用下相互振动，能够实现持续发电；
所述驱动结构包括齿条和多个具有相同参数的齿轮，多个齿轮与多个硬质平行板一一对应设置，其中心轴穿过所述框架与硬质平行板连接，通过驱动齿条带动各齿轮旋转，进而带动各硬质平行板转动，实现百叶窗的开合。
本发明的进一步技术方案是：所述驻极体聚合物薄膜通过尖端放电预先极化，使得电荷在其表面或内部长时间存在。
本发明的进一步技术方案是：所述第一电极和第二电极均为长方形结构。
本发明的进一步技术方案是：所述液晶聚合物LCP层厚度为25微米，镀铜层的厚度为50微米。
本发明的进一步技术方案是：所述硬质平行板上表面铺贴有太阳能电池板。
有益效果
本发明的有益效果在于：
本发明的风力发电部分利用静电感应原理，当驻极体聚合物薄膜在极化后带有电荷量为一定值Q，且单位面积的静电势为V时，两片感应出异种电荷的衬底铜箔所组成的电容器的电容值C便可视为两极间距x的一元函数C(x)，当电极振动时亦即时间的一元函数C(t)。因此，若不考虑太阳能电池板提供的发电功率P0，本发明的风力发电功率P可表示为
其中，k为常数，表示P与该积分值成正比。最终P的取值通常为单对驻极体发电膜在同等风力条件下的N倍，N为百叶窗叶片的数量。经实验，本发明装置在12m/s的气流作用下可以产生最高11V的电压，且大多数时间电压可维持在6V左右，如附图5所示。因此，本发明提出的微纳复合自供能技术，可以极大地提高驻极体发电的效率，充分利用自然环境中被忽视的能源将其转换为高输出的电能。同时，本发明装置在气流作用下工作时，发电膜之间并未相互接触，如附图1所示，因此有效解决了现有技术存在的问题“发电效率受摩擦电荷密度的影响”。
本发明除发电外，还具有静电除尘和隔音等功能。城市的空气中有着许多微小的颗粒，对环境质量造成了较大的影响。本发明的发电膜暴露在空气中，其自身由于静电感应而带有电荷，从而对这些直径很小的颗粒具有吸附作用，可在一定程度上减少空气中的粉尘含量。同时，本发明的百叶窗叶片为硬质的平行板，因此当叶片闭合时，可以起到阻隔声音的作用。
本发明具有体积小、可迁移、转化率高、结构简单常见等优点，并且除发电外还集成了静电除尘和隔音等功能，因此有着非常广泛的应用前景。随着物联网技术和微系统技术的发展，小功率电子产品在我们的生活中正得到越来越广泛的使用，本发明的微纳复合自供能电池属性使得它可以为许多这些微型传感器解决棘手的供能问题。例如，陈伟超等人在“一种用于交通安全的高速公路防护栏”(现代经济信息，2019(14):371)设计了一种依靠双闪警示灯和蜂鸣器提高道路安全性的防护栏，其底部安装有重力传感器。对于这种依赖小型传感器工作的特殊防护栏，本发明可以与之结合应用，在使用百叶窗闭合叶片实现隔音效果的同时，为传感器供电。同时，极化的驻极体聚合物薄膜的电荷对空气中的粉尘等微小颗粒具有静电吸附的效果，可以对过往汽车的排放物进行初步的清理，减少其对周围环境的污染。此外，本发明提出的与百叶窗结合的微纳复合自供能技术在其他实际建筑中也有着非常广泛的应用，例如居民楼的阳台护栏的除尘隔音、城市高建筑物间的风能收集和物联网终端的供电等。
第一，能源收集方式的优势：本发明利用驻极体聚合物薄膜收集风能，与传统的风力发电机相比，不仅体积小、易迁移，而且对风力的要求较低，不需要非常大的风速就可进行能源的收集和转化。无论是公路上车辆行驶引起的气流运动，还是城市建筑物间的低速风，都可以引发电容导体极板的电荷重组，从而收集利用这些传统的大型风力发电机无法收集消纳的微能源。同时，将风力发电和太阳能收集复合利用，也是对能量收集效率的一种有效提高。
第二，所述的衬底铜箔为LCP双面镀铜制成：有效地满足了电极需要同时具备高弹性和高导电性的要求。此外，这种特殊的工程塑胶原料还具有优良的热稳定性，避免了对驻极体聚合物薄膜充电时衬底材料出现因热降解的问题。因此，本发明的核心发电模块有着理想的耐用性。
第三，发电模块与百叶窗结构结合：所述的百叶窗结构构造简单、制作成本低，只需要强度足够的一根齿条和几个相同参数的齿轮就可以完成整体的驱动。这种结构将本发明的几种功能有效复合，白天打开叶片，利用风力和太阳能收集能量；晚上闭合叶片，即可发挥隔音效果。极化的驻极体薄膜可长期保持电荷，因此可随时依靠静电吸附发挥除尘功能。多种实用性功能通过简单的结构有效整合，使得本发明有着良好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明与百叶窗结合的微纳复合自供能装置整体结构示意图。
图2为本发明微纳复合发电结构示意图。
图3为本发明基于风力发电的驻极体能量转换原理示意图。
图4为本发明基于风力发电的电路连接图。
图5为本发明的微纳复合自供能技术在12m/s气流作用下开路电压输出图。
附图标记说明：1.第一电极，2.第二电极，3.衬底铜箔，4.驻极体聚合物薄膜，5.液晶聚合物LCP，6.镀铜层。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1所示，一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，包括发电膜、框架、硬质平行板和驱动结构，所述发电膜包括第一电极1和第二电极2，第一电极1是驻极体聚合物薄膜4/镀铜层6/液晶聚合物LCP5/镀铜层6/驻极体聚合物薄膜4五层复合结构；第二电极是镀铜层6/液晶聚合物LCP5/镀铜层6三层复合结构，即衬底铜箔；
所述框架用于固定支撑整个装置，多个硬质平行板相互平行设置于框架内，作为百叶窗的叶片部分，各硬质平行板下边缘处均沿其长度粘贴有若干发电膜；所述第一电极和第二电极交错布置，即同一硬质平行板上粘贴相同电极，相邻硬质平行板上粘贴不同电极；在风力作用下相互振动，能够实现持续发电；
所述驱动结构包括齿条和多个具有相同参数的齿轮，多个齿轮与多个硬质平行板一一对应设置，其中心轴穿过所述框架与硬质平行板连接，通过驱动齿条带动各齿轮旋转，进而带动各硬质平行板转动，实现百叶窗的开合。
所述的驻极体聚合物薄膜，或称作“高聚物驻极体(polymeric electret)”，通常由如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚四氟乙烯、四氟乙烯－全氟丙烯共聚物等高分子聚合物制备而成，可以含有被冻结的偶极取向或半长久地含有由电极注入的空间电荷。本发明基于后者，为驻极体薄膜注入离子，实现电荷的长期储存，其稳定表面电荷量约为10C/cm量级，与大地形成的稳定静电势可维持在1000V至2500V。
所述的衬底铜箔，由工业化液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer，简称LCP)双面镀铜制成。所用LCP，为全芳香族高分子酯，其拉伸强度高、弯曲模量低，具有很好的弹性性能，因此在受到风力作用时，可在保证强度和刚度的前提下，以较合理的幅度和较高的频率振动，成为电能稳定输出的力学基础。镀铜厚度只有几十微米，可在保证整体弯曲模量较低的同时，具有良好的导电性能，从而使得感应电荷在面内均匀分布，维持发电的稳定性。
所述的驻极体聚合物薄膜，通过尖端放电预先极化，使得电荷在其表面或内部长时间存在。由于静电感应，两片衬底柔性铜箔在驻极体极化失效之前，可感应出等量异种电荷，从而共同维持一种电容器两极的存在形式。与工业上常用的刚性电容器极板不同，这种由薄膜构成的柔性电极不仅具有质量轻、易拆装的优点，而且可以在风力作用下不断相互振动，使得发电可持续、效率高而稳定。
所述的注入电荷，是指通过电晕充电、接触充电、电子枪注入等方式，对驻极体聚合物薄膜施加强电场，使之产生极化。本发明采用电晕充电，并将衬底导体材料与大地导通，将驻极体聚合物薄膜表面和内部的正电荷导走；当驻极体带负电荷量达到使用要求，即薄膜边缘与大地的静电势差达到1000V以上，内部达到2000V左右时，撤去外加电压，电荷即可长时间保留。
所述的百叶窗结构，是指用一根转动轴贯穿一块长条硬质板和一个齿轮，该贯穿为过盈配合，使得硬质板可随齿轮的转动而绕轴旋转，并将若干相同尺寸的上述组合连接到同一基台上，保证各硬质板相互平行，形成与百叶窗相似的结构与运动。
所述的驱动结构，是指用一根齿条与所有齿轮啮合，由于各齿轮具有相同参数且齿条的齿均匀分布，所以各齿轮与齿条的传速比相同。当使用电机驱动某个齿轮转动时，运动便可通过齿条传递到其他齿轮，从而带动各平行板的共同翻转，达到百叶窗叶片开合的效果。
所述的发电膜，可粘贴在长条硬质板的下边沿，并按照相邻硬质板粘贴的发电膜带有异种电荷的原则进行排列，使得所有发电膜同时作为两个柔性电容器的电极，充分利用其表面电荷，极大地提高发电的效率。同时，可在各硬质板的表面复合太阳能电池板，同时利用风力和太阳能进行发电，使得本发明在无风或阴天时，仍可依靠一种发电方式作为备用电池工作。
如图1所示，本实施例的整体结构参照百叶窗，各叶片，即各硬质平行板的下边沿均粘贴有多片发电膜。其中，粘贴在b、d、f叶片下边沿的是长方形柔性铜箔，由工业化液晶聚合物(LCP)双面镀铜制成；粘贴在a、c、e叶片下边沿的为相同的铜箔，且其两面贴有驻极体聚合物(FEP)薄膜，与b、d、f叶片下边沿的铜箔构成双面的电容器。当存在如图中所示方向的气流时，发电薄膜会发生图示摆动，其间距随之变化，导致电容值发生改变，电荷通过外接导线在两极之间移动，从而将机械能转化为电能输出。装置的各叶片下底面有一跟轴，叶片的开合由轴的转动控制。每一根轴都与一个齿轮的中心重合，由齿轮带动其旋转。各齿轮参数相同，在同一平面内呈一直线与同一根齿条啮合，因而具有相同的传速比。当齿条上下移动时，便可带动齿轮旋转，从而通过轴控制叶片的开合。
如图2所示，是本实施例的单个核心发电结构的示意图。复合有太阳能电池板的百叶窗叶片a和b的下边沿粘贴有数量相等的发电膜，各取一片组成一个基本的核心发电结构的两极。电极1由柔性铜箔3双面粘贴FEP薄膜4构成，电极2为柔性铜箔3，与电极1所使用的铜箔相同。本实施例的柔性铜箔3为LCP薄膜5双面镀铜制成的铜箔，LCP层厚度为25微米，所镀铜层6的厚度为50微米。在电极1所盖极化FEP膜的静电感应作用下，铜层6与电极2的铜箔3带有异种电荷，从而使电极1与电极2构成柔性电容器的两极，作为基本的发电结构。
如图3所示，是本实施例基于风力发电的驻极体能量转换原理示意图。图示基底材料在本实施例中为图2中的25微米厚的LCP层5，图示导体在本实施例中为图2中的50微米厚的镀铜层6。在风力的作用下，发电膜不断振动，其局部发生图示过程的循环变化，电荷不断在两极间重组，从而将外界的机械扰动转化为交流电输出。
如果需要输出直流电，则如图4所示，是本实施例的交直流转化电路图。以图2所示的单个核心发电结构为例，电极1和电极2通过导线连接到电桥的上下两端接口，负载则连接在电桥的左右两端。电桥左上臂电路和右下臂电路中的二极管朝向左上方，左下臂电路和右上臂电路中的二极管朝向右下方。当图2的基本发电结构在风力作用下间距发生改变时，依照图3所示原理，电荷将会在电极1和电极2之间循环重组，产生交流电。图4所示电路在两极之间加入二极管整流电桥，当电子由电极1向电极2移动时，由于二极管的单向导通性，将只能通过电桥的左上臂电路，从上端接口移至左端接口，然后通过负载RL移至右端接口，再经电桥的右下臂电路移至下端接口，从而进入电极2；反之电子从电极2向电极1移动时，将只能从下端接口经左下臂电路移至左端接口，然后通过负载RL移至右端接口，再经电桥的右上臂电路移至上端接口，从而进入电极1。因此，负载RL中的电子始终从左向右移动，电流以直流形式输出，且电压几乎没有损失。本实施例为多个核心发电结构的复合装置，因此可将所有与电极1构成相同的电极均连接到电桥的上端，并将所有与电极2构成相同的电极均连接到电桥的下端，使发电量线性叠加。这样，所有被本实施例采集到的风能都能转化为电能输出，保证了转化的效率。
如图5所示，是本实施例与百叶窗结合的微纳复合自供能技术装置在12m/s气流作用下的开路电压输出图。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，其特征在于：包括发电膜、框架、硬质平行板和驱动结构，所述发电膜包括第一电极和第二电极，所述第一电极是驻极体聚合物薄膜/镀铜层/液晶聚合物LCP/镀铜层/驻极体聚合物薄膜五层复合结构；所述第二电极是镀铜层/液晶聚合物LCP/镀铜层三层复合结构，即衬底铜箔；
所述框架用于固定支撑整个装置，多个硬质平行板相互平行设置于框架内，作为百叶窗的叶片部分，各硬质平行板下边缘处均沿其长度粘贴有若干发电膜；所述第一电极和第二电极交错布置，即同一硬质平行板上粘贴相同电极，相邻硬质平行板上粘贴不同电极；在风力作用下相互振动，能够实现持续发电；
所述驱动结构包括齿条和多个具有相同参数的齿轮，多个齿轮与多个硬质平行板一一对应设置，其中心轴穿过所述框架与硬质平行板连接，通过驱动齿条带动各齿轮旋转，进而带动各硬质平行板转动，实现百叶窗的开合；
所述驻极体聚合物薄膜通过尖端放电预先极化，使得电荷在其表面或内部长时间存在。
2.根据权利要求1所述一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，其特征在于：所述第一电极和第二电极均为长方形结构。
3.根据权利要求1所述一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，其特征在于：所述液晶聚合物LCP层厚度为25微米，镀铜层的厚度为50微米。
4.根据权利要求1所述一种与百叶窗结合的微纳复合自供能装置，其特征在于：所述硬质平行板上表面铺贴有太阳能电池板。
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