CN114244180B - 一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置。该踩踏发电装置，包括弹性底座、支撑板和摩擦纳米发电组件。弹性底座的两侧均设置有支撑板。两块支撑板上开设有曲线滑槽；弹性底座的顶面开设有导向槽；导向槽的长度方向平行于支撑板的侧面。所述的弹性底座上设置有一个或多个摩擦纳米发电组件。摩擦纳米发电组件导向槽滑动连接。摩擦纳米发电组件包括电极板、PTFE隔层、网格板、销轴结构和金属球。本发明利用了摩擦纳米发电技术，对人体运动过程中产生的能量进行收集，再通过整流滤波、电能储存等方法实现对人体振动能量的收集。该设备体积较小，可以放置在鞋跟处，方便对人体产生能量的收集。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，具体为一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置。
背景技术
随着社会经济的发展，人们身上的智能设备也随着日益增多，如智能手机、智能手环、蓝牙耳机等。当前这些设备主要依靠电池供电，而电池的续航一直是一个很大的问题，由于这些设备与人们的日常生活密不可分，而人们日常的运动中会产生大量的能量，如果能将这些能量进行合理的回收，将会很好的解决这些智能设备的供电问题。
目前已有利用电磁装置和压电材料收集人体运动产生的能量的方法，但电磁发电需要线圈和磁铁，体积大，压电材料对微小的振动信号捕捉能量较差，且成本高，难以在智能鞋上进行推广。随着摩擦纳米发电技术的兴起，可以发现摩擦纳米发电技术作为一种新型的能源技术，具制备封装简单、材料便宜易得、易实现微型化、输出功率较高的优点，适合应用于结构低频振动环境的振动机械能收集。
发明内容
本发明目的在于提供了一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置。
第一方面，本发明提供一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，包括弹性底座、支撑板和摩擦纳米发电组件。所述弹性底座的两侧均设置有支撑板。两块支撑板上开设有曲线滑槽；弹性底座的顶面开设有导向槽；导向槽的长度方向平行于支撑板的侧面。所述的弹性底座上设置有一个或多个摩擦纳米发电组件。摩擦纳米发电组件导向槽滑动连接。摩擦纳米发电组件包括电极板、PTFE隔层、网格板、销轴结构和金属球。网格板上开设有呈阵列状的容纳通孔；两个PTFE隔层分别设置网格板的两侧。两块电极板分别设置两个PTFE隔层的相背侧。部分或全部容纳通孔内设置有金属球。金属球能够在容纳通孔内跳动。销轴结构包括设置在网格板两端的销轴；网格板两端的销轴分别伸入两块支撑板上的曲线滑槽。
作为优选，所述的弹性底座包括底板、弹性板和弹簧。弹性板包括连接在一起的水平段和倾斜段。水平段与底板的顶面间隔设置；倾斜段的底部边缘与底板固定在一起。弹性板采用弹性材料，受压能够变形；水平段与底板之间设置有多根弹簧。
作为优选，所述的支撑板与弹性底座的底板固定。所述的支撑板采用铁磁性材料。
作为优选，所述的曲线滑槽呈往复弯曲的波浪线状。
作为优选，支撑板上的曲线滑槽共有多条；各曲线滑槽沿水平方向依次排列。
作为优选，所述金属球的直径为1mm；容纳通道的横截面呈正六边形；容纳通道的高度为2mm。
作为优选，所述电极板和金属球的材质均为铝。
作为优选，两块电极板与整流滤波电路连接；整流滤波电路用于为负载供电或为电池充电。
作为优选，弹性底座上设置有踏板组件；所述的踏板组件包括了踏板和支撑板。支撑板的底部边缘与弹性底座上的弹性板固定；支撑板的顶部边缘与踏板的底面固定。踏板高于支撑板的顶部边缘。
第二方面，本发明提供一种踩踏发电鞋，其包括鞋主体和前述的踩踏发电装置；所述的踩踏发电装置埋设在鞋主体的鞋底后跟内。弹性底座上顶面的导向槽平行与鞋主体的长度方向。弹性底座为使用者提供缓冲。同时，使用者在行走或跑步过程中能够为弹性底座提供振动，使得各金属球反复碰撞两个PTFE隔层，使得两块电极板输出电流。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明利用了摩擦纳米发电技术，对人体运动过程中产生的能量进行收集，再通过整流滤波、电能储存等方法实现对人体振动能量的收集，该设备体积较小，可以放置在鞋跟处，方便对人体产生能量的收集。
2、本发明利用摩擦纳米发电技术，当人体在运动过程中，受到地面压力和人体本身惯性的影响，会带动装置中金属球的上下振动，金属球的上下振动引起与表面的PEFT材料接触、分离，从而产生了能量。且本发明通过网格板划分发生，在网格板内布置了多个金属球，从而增大了振动过程中产生的电量。
3、本发明在两侧支撑板板上开有曲线凹槽，通过人体运动过程中产生的振动可以让摩擦纳米发电模块在曲线凹槽内的上下运动频率增大，从而提升金属球在网格板内的振动频率，增大了整个装置产生的电量。
附图说明
图1为本发明的第一张整体结构示意图。
图2为本发明的第二张整体结构示意图。
图3为本发明中摩擦纳米发电模块的爆炸示意图。
图4为本发明的摩擦纳米发电原理示意图。
具体实施方案
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1和图2所示，一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，包括弹性底座1、支撑板2、踏板组件和摩擦纳米发电组件7。弹性底座包括底板、弹性板和弹簧。弹性板包括连接在一起的水平段和倾斜段。水平段与底板的顶面间隔设置；倾斜段的底部边缘与底板固定在一起。弹性板采用弹性材料(本实施例中，底板和弹性板的材质均为橡胶)，受压能够变形；水平段与底板之间设置有多根弹簧。两块支撑板2分别设置在弹性底座的两侧，并均与底板胶接固定。两块支撑板均开设有沿水平方向依次排列的四条曲线滑槽3；曲线滑槽3呈往复弯曲的波浪线状，且整体沿竖直方向设置。弹性底座的顶面开设有两条导向槽；导向槽的长度方向平行于支撑板2的侧面。本实施例中，支撑板的材质为铁磁性材料，不仅可以起到支撑作用，还可以用来隔绝两边的磁场。
弹性底座上设置有并排设置的两个摩擦纳米发电组件7。摩擦纳米发电组件7的底部设置有两个滑块；两个滑块与两条导向槽分别滑动连接。摩擦纳米发电组件7包括电极板8、PTFE隔层9、网格板10、销轴结构11和金属球12。网格板10上开设有呈阵列状的容纳通孔；两个PTFE隔层9分别设置网格板10的两侧。两块电极板8分别设置两个PTFE隔层9的相背侧。各容纳通孔内均设置有金属球12。金属球12的直径为1mm；容纳通道的横截面呈正六边形；容纳通道的高度为2mm；金属球12能够在容纳通孔内沿轴向跳动。当摩擦纳米发电组件7受到振动时，金属球12在两个PTFE隔层9之间往复碰撞，从而在电极板8上产生电压。
网格板10为蜂窝状的空槽结构，通过3D打印技术得到，材料选择偏中性材料(本实施例中具体为聚乳酸)，网格板10可以在放入多个金属球的同时起到了分隔金属球的作用，通过放入多个金属球增大了振动时摩擦材料接触面积，以此增大发电效率。
销轴结构11包括两两一组的四根销轴；两组销轴分别固定在网格板10的两端。同组的两根销轴相互平行且间隔设置，内端均与网格板10固定。位于网格板10同一端的两根销轴分别伸入对应的支撑板2上的其中两条曲线滑槽3，使得摩擦纳米发电组件7在上下振动时能够沿曲线滑动。两个摩擦纳米发电组件7上相同端的四根销轴与对应的支撑板2上的四条曲线滑槽3分别对应，使得两个摩擦纳米发电组件7的运动互不干涉。电极板8和金属球12的材质均为铝。两块电极板8与整流滤波电路连接；整流滤波电路用于为负载供电或为电池充电。
踏板组件包括了踏板5和支撑板6。支撑板6的底部边缘与弹性底座上的弹性板固定；支撑板6的顶部边缘与踏板5的底面固定。踏板5高于支撑板2的顶部边缘。当使用者踏地时，力量通过踏板5传递至弹性底座上，进而使得摩擦纳米发电组件7发生振动，使得金属球12持续撞击两个PTFE隔层9，实现摩擦发电。
实施例2
一种踩踏发电鞋，包括鞋主体和如实施例1所述的踩踏发电装置；踩踏发电装置埋设在鞋主体的鞋底后跟内。弹性底座能够为使用者提供缓冲，使得使用者穿着更加舒适。同时，使用者在行走或跑步过程中能够为弹性底座提供振动，从而使得各金属球反复碰撞两个PTFE隔层9。
踩踏发电装置在踩踏发电鞋中的发电原理如下：
首先，当人没有运动时，如图3所示金属球12与下层的PTFE隔层9接触，根据摩擦电系列，当金属球接触PTFE隔层9时，电子将通过摩擦电原理从金属球注入到PTFE隔层9表面。因此，金属球上的正摩擦电荷总量与PTFE隔层9上的负摩擦电荷总量相同。
如图4的a部分所示，初始状态下的金属球与底部的PTFE隔层9接触，从而将负电荷吸引到底部电极板8上，留下相同数量的正电荷在顶部电极板8上。当人体运动时，随着脚踏下时，将力传递在踏板5上，通过支撑板6将力传递到弹性底座1上，弹性底座受力下压弹簧4，当脚抬起时，作用在踏板5上的压力撤销，弹性底座会随着弹簧4回弹，带动摩擦纳米发电组件6沿着曲线滑槽3上下运动，同时，摩擦纳米发电组件内部的金属球受到惯性的影响在网格板10内上下振动，如图4的b部分和c部分所示；带正电的金属球向上运动会吸引底部带负电的电极板将电子通过外接电路吸引到上端，当金属球到达顶部的PTFE隔层9时，所有电子转移到顶部的电极板；同理，如图4中的d部分所示，当带正电的金属球下降时也会将顶部带负电的电极将电子通过外接电路吸引到下端，以此产生电能。
在此基础上，曲线滑槽3相比于直线滑槽能够增大摩擦纳米发电组件的滑动范围，以此增加金属球的振动频率，使得人每走一步，发电组件的金属球可以上下往复运动多次，以此增大发电效率。
Claims (8)
1.一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，包括弹性底座（1）、第一支撑板（2）和摩擦纳米发电组件（7）；其特征在于：所述的弹性底座包括底板、弹性板和弹簧；弹性板包括连接在一起的水平段和倾斜段；水平段与底板的顶面间隔设置；倾斜段的底部边缘与底板固定在一起；弹性板采用弹性材料，受压能够变形；水平段与底板之间设置有多根弹簧；
所述弹性底座的两侧均设置有第一支撑板（2）；两块第一支撑板上开设有曲线滑槽（3）；弹性底座的顶面开设有导向槽；导向槽的长度方向平行于第一支撑板（2）的侧面；所述的弹性底座上设置有一个或多个摩擦纳米发电组件（7）；摩擦纳米发电组件（7）导向槽滑动连接；摩擦纳米发电组件（7）包括电极板（8）、PTFE隔层（9）、网格板（10）、销轴结构（11）和金属球（12）；网格板（10）上开设有呈阵列状的容纳通孔；两个PTFE隔层（9）分别设置网格板（10）的两侧；两块电极板（8）分别设置两个PTFE隔层（9）的相背侧；部分或全部容纳通孔内设置有金属球（12）；金属球（12）能够在容纳通孔内跳动；销轴结构（11）包括设置在网格板（10）两端的销轴；网格板（10）两端的销轴分别伸入两块第一支撑板上的曲线滑槽（3）；所述金属球（12）的直径为1mm；容纳通道的横截面呈正六边形；容纳通道的高度为2mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，其特征在于：所述的第一支撑板（2）与弹性底座（1）的底板固定；所述的第一支撑板采用铁磁性材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，其特征在于：所述的曲线滑槽（3）呈往复弯曲的波浪线状。
4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，其特征在于：第一支撑板上的曲线滑槽（3）共有多条；各曲线滑槽（3）沿水平方向依次排列。
5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，其特征在于：所述电极板（8）和金属球（12）的材质均为铝。
6.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，其特征在于：两块电极板（8）与整流滤波电路连接；整流滤波电路用于为负载供电或为电池充电。
7.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，其特征在于：弹性底座上设置有踏板组件；所述的踏板组件包括了踏板（5）和第二支撑板（6）；第二支撑板（6）的底部边缘与弹性底座上的弹性板固定；第二支撑板（6）的顶部边缘与踏板（5）的底面固定；踏板（5）高于第一支撑板（2）的顶部边缘。
8.一种基于摩擦纳米发电技术的踩踏发电装置，其特征在于：包括鞋主体和如权利要求1-7中任意一项所述的踩踏发电装置；所述的踩踏发电装置埋设在鞋主体的鞋底后跟内；弹性底座上顶面的导向槽平行与鞋主体的长度方向；弹性底座为使用者提供缓冲。
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