CN113452278B - 一种纳米摩擦式能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米摩擦式能量收集器，涉及能量收集器技术领域，包括摩擦电阵列以及用于容纳摩擦电阵列的外壳；外壳包括上端盖和下端盖，摩擦电阵列包括多个摩擦单元，所述摩擦单元分别与上端盖及下端盖连接，且摩擦单元与上端盖的夹角为锐角或者钝角。在工作时，当上端盖或者下端盖受到压力时，上端盖与下端盖在垂直方向贴合的同时产生相对移动以使相邻的摩擦单元挤压接触并生电，从而实现了将受到的直线方向的运动动能转换为摩擦电效应产生的电能并收集。由于本申请采用了摩擦电阵列，即设置了多个摩擦单元，能够在一次的受力挤压过程中实现了接触‑分离面积增大的功能，极大地提升了输出功率与功率密度。

Description

一种纳米摩擦式能量收集器

技术领域

本发明涉及能量收集器技术领域，特别是涉及一种纳米摩擦式能量收集器。

背景技术

科技与时代的发展离不开对于能量的使用与开发，人类过去所使用的传统能源虽然实用且广泛，但其中存在着诸多隐患与缺陷，比如传统能源会对环境产生不可逆转的污染与伤害。同时，传统能源的低利用率以及不可再生性，使得对于新能源的需求与日俱增。在这样的时代背景下，为了获得更多的能源供给以及为了建立能源与环境的友好关系，清洁能源的研究与收集成为了十分具有前景的研究方向，清洁能源的能量收集装置的开发与设计也将成为下一个时代的热门。

未来生活中离不开多样的以可穿戴设备为代表的各种各样的电子设备终端，比如智能手表、传感器以及各种各样的体积小、分布广、应用广泛且不便于拆卸的电子设备。这些设备的供能目前采用的都是小型电池等供能装置，而其中存在的问题是：电池在使用结束后的废弃处理十分麻烦，不仅需要专门的垃圾分类，还会对环境产生影响，而且终端装置中的电池拆卸与更换也具有一定难度。

而纳米摩擦发电机(TENG)是一种体积小的能量收集器，它基于麦克斯韦转移电荷的新型能量收集和传感技术，具有工作功率低和功率密度高的特点。因此，纳米摩擦发电机(TENG)很适合用于体积小，供能需求小的可穿戴设备或者不易于更换电池的传感器中。此外，纳米摩擦发电机的电能生成条件简单，结构紧凑，只要使摩擦片单元产生接触-分离便可产能，很适合用于取代传统电池在小型终端的地位。

现有技术中，已有接触摩擦式纳米发电机、滚动式摩擦纳米发电机以及机械压缩调控式摩擦纳米发电机等等，但尚不存在将直线运动的动能转换为电能的纳米摩擦式能量收集器，因此，设计出一款将直线运动的动能转换为电能的纳米摩擦式能量收集器，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米摩擦式能量收集器，以达到将直线运动的动能转换为摩擦电效应产生的电能并收集的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种纳米摩擦式能量收集器，包括摩擦电阵列以及用于容纳所述摩擦电阵列的外壳；

所述外壳包括上端盖和下端盖；

所述摩擦电阵列包括多个摩擦单元；所述摩擦单元分别与所述上端盖及所述下端盖连接，且所述摩擦单元与所述上端盖的夹角为锐角或者钝角；

在工作时，当所述上端盖或者所述下端盖受到压力时，所述上端盖与所述下端盖在垂直方向贴合，同时所述上端盖与所述下端盖发生相对移动，以使相邻的所述摩擦单元挤压摩擦并生电。

可选地，所述摩擦单元包括基底、第一电极件、第二电极件、第一摩擦件以及第二摩擦件；

所述基底的上端面与所述上端盖连接，所述基底的下端面与所述下端盖连接；所述基底的一侧面设置所述第一电极件，所述基底的另一侧面设置所述第二电极件；

所述第一摩擦件设置在所述第一电极件上，所述第二摩擦件设置在所述第二电极件上。

可选地，在工作时，一个摩擦单元的第一摩擦件与另一个摩擦单元的第二摩擦件接触，且所述第一摩擦件的材质与所述第二摩擦件的材质不同。

可选地，所述第一电极件与所述第二电极件上均设置有引线以输出电能。

可选地，所述摩擦单元的数量为10个。

可选地，所述外壳还包括回弹片组；

所述回弹片组的一端与所述上端盖的一端连接，所述回弹片组的另一端与所述下端盖的一端连接；

所述回弹片组，用于：

支撑所述上端盖以及所述下端盖；

在所述上端盖与所述下端盖发生相对移动且所述上端盖或者所述下端盖受到的压力撤离后，进行回弹复位。

可选地，所述回弹片组包括第一回弹片组以及第二回弹片组；

所述第一回弹片组的一端与所述上端盖的一端连接，所述第一回弹片组的另一端与所述下端盖的一端连接；

所述第二回弹片组的一端与所述上端盖的另一端连接，所述第二回弹片组的另一端与所述下端盖的另一端连接，且所述第二回弹片组与所述第一回弹片组对应设置。

可选地，所述第一回弹片组至少包括两个回弹片；所述第二回弹片组至少包括两个回弹片。

可选地，所述摩擦电阵列由多个同向平行放置的所述摩擦单元组成。

可选地，所述上端盖以及所述下端盖上均设置有通槽；所述摩擦单元通过所述通槽分别与所述上端盖和所述下端盖连接，且所述摩擦单元与所述上端盖的连接方式为旋转副。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明包括摩擦电阵列以及用于容纳摩擦电阵列的外壳；其中，摩擦电阵列包括多个摩擦单元，外壳包括上端盖和下端盖。工作时，上端盖或者下端盖受到压力，摩擦单元由于其自身具有一定强度且与外壳的上、下端盖连接，会使得上端盖与下端盖垂直方向贴合的同时产生相对移动；由于上端盖与下端盖发生相对移动，会使得相邻的摩擦单元挤压接触并生电。

此外，由于本申请采用了摩擦电阵列，即设置了多个摩擦单元，能够在一次的受力挤压过程中实现了接触-分离面积增大的功能，极大地提升了输出功率与功率密度。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明纳米摩擦式能量收集器的三维结构图；

图2为本发明纳米摩擦式能量收集器的单个摩擦单元的结构示意图；

图3为本发明纳米摩擦式能量收集器的工作原理图。

符号说明：

1—摩擦电阵列，11—第一摩擦件，12—第一电极件，13—基底，14—第二电极件，15—第二摩擦件，2—上端盖，3—下端盖，41—第一回弹片，42—第二回弹片，43—第三回弹片，44—第四回弹片。

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。

本发明的目的是提供一种纳米摩擦式能量收集器，有效地将收到的直线方向的运动动能转换为摩擦电效应产生的电能并收集。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种纳米摩擦式能量收集器，包括摩擦电阵列1以及用于容纳所述摩擦电阵列1的外壳；所述外壳包括上端盖2和下端盖3，且所述上端盖2与所述下端盖3完全相同；所述摩擦电阵列1包括多个摩擦单元；具体地，所述摩擦单元的数量为10个，也可根据实际情况任意增加与减少。

所述摩擦单元分别与所述上端盖2及所述下端盖3连接，且所述摩擦单元与所述上端盖2的夹角为锐角或者钝角，从而使得摩擦单元在上端盖2及下端盖3之间为倾斜放置，具体倾斜的角度可根据实际情况设置。

在工作时，当所述上端盖2或者所述下端盖3受到压力时，所述上端盖2与所述下端盖3在垂直方向贴合，同时所述上端盖2与所述下端盖3发生相对移动，以使相邻的所述摩擦单元挤压摩擦并生电。

进一步地，所述上端盖2以及所述下端盖3上均设置有通槽；所述摩擦单元通过所述通槽分别与所述上端盖2和所述下端盖3连接，且所述摩擦单元与所述上端盖2的连接方式为旋转副，所述摩擦单元与所述下端盖3的连接方式也为旋转副。

通槽的数量与摩擦单元的数量相同，且为了使外壳所容纳的摩擦电阵列1倾斜设置，通槽开孔为非左右对称设计。

在实际安装过程中，为了实现摩擦电阵列倾斜安装，安装上下端盖时，需要保证用来固定同一摩擦单元的通槽不在同一竖直位置。

在本实施例中，通槽可实现对摩擦单元中的基底13的定位，且通过内贴胶带的方式实现通槽与摩擦单元的固定。

进一步地，多个摩擦单元同向平行放置，即所述摩擦电阵列1由多个同向平行放置的所述摩擦单元组成。

如图2所示，所述摩擦单元包括基底13、第一电极件12、第二电极件14、第一摩擦件11以及第二摩擦件15；所述基底13的上端面与所述上端盖2连接，所述基底13的下端面与所述下端盖3连接；所述基底13的一侧面设置所述第一电极件12，所述基底13的另一侧面设置所述第二电极件14，且所述基底13与所述第一电极件12的连接方式为粘贴连接，所述基底13与所述第二电极件14的连接方式为粘贴连接。所述第一摩擦件11设置在所述第一电极件12上，所述第二摩擦件15设置在所述第二电极件14上，且所述第一摩擦件11与所述第一电极件12的连接方式为粘贴连接，所述第二摩擦件15与所述第二电极件14的连接方式为粘贴连接。

并且，在工作时，一个摩擦单元的第一摩擦件11与另一个摩擦单元的第二摩擦件15接触，且所述第一摩擦件11的材质与所述第二摩擦件15的材质不同。

在本发明具体实施例中，所述第一电极件12与所述第二电极件14上均设置有引线以输出电能。

优选地，所述外壳还包括回弹片组；所述回弹片组的一端与所述上端盖2的一端连接，所述回弹片组的另一端与所述下端盖3的一端连接；所述回弹片组用于支撑所述上端盖2以及所述下端盖3，并在所述上端盖2与所述下端盖3发生相对移动且所述上端盖2或者所述下端盖3受到的压力撤离后，进行回弹复位。

具体地，所述回弹片组包括第一回弹片组以及第二回弹片组；所述第一回弹片组的一端与所述上端盖2的一端连接，所述第一回弹片组的另一端与所述下端盖3的一端连接；所述第二回弹片组的一端与所述上端盖2的另一端连接，所述第二回弹片组的另一端与所述下端盖3的另一端连接，且所述第二回弹片组与所述第一回弹片组对应设置，具体地，如图1所示，所述第一回弹片组与所述第二回弹片组设置于端盖的两侧。所述第一回弹片组至少包括两个回弹片；所述第二回弹片组至少包括两个回弹片。在本实施例中，回弹片组包括第一回弹片41、第二回弹片42、第三回弹片43以及第四回弹片44。

为了能够支撑上端盖2与下端盖3在上下端盖受到压缩时进行回弹，回弹片组需要具有一定弹性，在本实施例中，回弹片组中回弹片的材料采用聚酰亚胺。回弹片以弯曲的初始位置与上下端盖固定连接，具体采用螺栓来连接固定。

进一步地，所述基底13的材料为TENG常用基底材料，具体为聚酰亚胺。所述第一电极件12与所述第二电极件14的材料均为铜。所述第一摩擦件11的材料为尼龙，所述第二摩擦件15的材料为特氟龙。所述上端盖2与所述下端盖3的材料均为铝。

当端盖受到冲击时，由于摩擦单元具有一定强度并且与端盖以旋转副的方式连接，会使得上端盖2与下端盖3在垂直方向贴合的同时，产生水平方向的相对位移，使得相邻摩擦单元的摩擦件接触，摩擦生电。

本发明纳米摩擦式能量收集器的工作原理如图3所示，当受到外部力量F1时，纳米摩擦式能量收集器的上端盖2或者下端盖3受压，而由于纳米摩擦式能量收集器Z字型的特殊结构，上下端盖在竖直靠近的同时也会产生水平相对位移，从而导致摩擦电阵列1中的相邻的摩擦单元产生接触，摩擦生电；而当外界压力F1消失时，两侧的弹性回弹片由于处于受压状态所以会产生反向的力F2，从而使上下端盖回到原来的位置，此时摩擦电阵列1模块中的相邻的摩擦单元产生分离。并且由于摩擦单元接触-分离的过程，纳米摩擦发电机不断产生电能并收集。

相对于现有技术，本发明还具有以下优点：

(1)本发明中采用了摩擦电阵列，特点为与传统TENG相比，在一次的直线压缩中实现了接触-分离面积的增大，极大地提升了输出功率与功率密度。

(2)本发明中采用了端盖与回弹片的机构，使得整体尺寸大幅度缩小，使它可以使用在多种不同的场合进行能量收集，同时精简化设计的结构使得它的稳定性与使用寿命有一定保证。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种纳米摩擦式能量收集器，其特征在于，所述纳米摩擦式能量收集器包括摩擦电阵列以及用于容纳所述摩擦电阵列的外壳；

所述外壳包括上端盖和下端盖；

所述摩擦电阵列包括多个摩擦单元；所述摩擦单元分别与所述上端盖及所述下端盖连接，且所述摩擦单元与所述上端盖的夹角为锐角或者钝角；所述摩擦电阵列由多个同向平行放置的所述摩擦单元组成；

所述上端盖以及所述下端盖上均设置有通槽；所述摩擦单元通过所述通槽分别与所述上端盖和所述下端盖连接，且所述摩擦单元与所述上端盖的连接方式为旋转副；

在工作时，当所述上端盖或者所述下端盖受到压力时，所述上端盖与所述下端盖在垂直方向贴合，同时所述上端盖与所述下端盖发生相对移动，以使相邻的所述摩擦单元挤压摩擦并生电。

2.根据权利要求1所述的纳米摩擦式能量收集器，其特征在于，所述摩擦单元包括基底、第一电极件、第二电极件、第一摩擦件以及第二摩擦件；

所述基底的上端面与所述上端盖连接，所述基底的下端面与所述下端盖连接；所述基底的一侧面设置所述第一电极件，所述基底的另一侧面设置所述第二电极件；

所述第一摩擦件设置在所述第一电极件上，所述第二摩擦件设置在所述第二电极件上。

3.根据权利要求2所述的纳米摩擦式能量收集器，其特征在于，在工作时，一个摩擦单元的第一摩擦件与另一个摩擦单元的第二摩擦件接触，且所述第一摩擦件的材质与所述第二摩擦件的材质不同。

4.根据权利要求2所述的纳米摩擦式能量收集器，其特征在于，所述第一电极件与所述第二电极件上均设置有引线以输出电能。

5.根据权利要求1所述的纳米摩擦式能量收集器，其特征在于，所述摩擦单元的数量为10个。

6.根据权利要求1所述的纳米摩擦式能量收集器，其特征在于，所述外壳还包括回弹片组；

所述回弹片组的一端与所述上端盖的一端连接，所述回弹片组的另一端与所述下端盖的一端连接；

所述回弹片组，用于：

支撑所述上端盖以及所述下端盖；

在所述上端盖与所述下端盖发生相对移动且所述上端盖或者所述下端盖受到的压力撤离后，进行回弹复位。

7.根据权利要求6所述的纳米摩擦式能量收集器，其特征在于，所述回弹片组包括第一回弹片组以及第二回弹片组；

所述第一回弹片组的一端与所述上端盖的一端连接，所述第一回弹片组的另一端与所述下端盖的一端连接；

所述第二回弹片组的一端与所述上端盖的另一端连接，所述第二回弹片组的另一端与所述下端盖的另一端连接，且所述第二回弹片组与所述第一回弹片组对应设置。

8.根据权利要求7所述的纳米摩擦式能量收集器，其特征在于，所述第一回弹片组至少包括两个回弹片；所述第二回弹片组至少包括两个回弹片。

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