CN114977887A - 一种复合介质型静电式能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发电技术设备领域，尤其涉及一种复合介质型静电式能量采集装置。复合介质型静电式能量采集装置包括可变电容结构和导向复位结构。可变电容结构包括介质层、第一电极层、第二电极层以及与第二电极层相对设置的介电弹性体膜，第二电极层由导电材料制成，第一电极层由柔性的导电材料制成并覆盖于介电弹性体膜背向第二电极层的表面，介质层位于介电弹性体膜与第二电极层之间，介电弹性体膜沿第一电极层指向第二电极层的方向与第二电极层至少部分重叠。导向复位结构间隔设置有两个，两导向复位结构的一端分别连接介电弹性体膜的两端，并用于引导第一电极层相对第二电极层往复移动。本发明可以提供更大的电容变化量，提高电能输出效率。
Description
技术领域
本发明属于发电技术设备领域，尤其涉及一种复合介质型静电式能量采集装置。
背景技术
目前，能量俘获通常是指小型设备从其工作环境中直接俘获能量。常见的能量源包括太阳能、风能、振动能、旋转能量等，其中振动能量来源广泛、技术方案成熟，因此振动能量俘获技术具有广阔的发展前景。常见的振动能量俘获装置包括压电式俘能器、电磁式俘能器、静电式俘能器以及摩电式俘能器等等，其中静电式俘能器原理结构较为简单，应用广泛。以传统的平行板电容器型静电式俘能器为例，在连续外力作用下，俘能器中电容器两平行板发生相对距离、相对面积的变化，从而使电容发生连续变化。当电容值大时，极化电容器。随着电容值减小(平行板间距增大或面积减小)，附着于两平行极板上的电荷间距减小、电荷密度增大，电荷微观空间上的改变在宏观上表现为电容两极板上电势差的增大，从而产生高电压输出，至此静电式俘能器将外在激励中的机械能转化为电能以完成发电。可见，静电式发电机的发电量由电容变化量所决定，而在传统的平行板电容器模型中，装置电容变化取决于平行板相对面积和板间距离的变化，因此，想要获得高的电容量变化，就势必增大平行板的相对运动，从而增大发电机尺寸，难以应用于无线传感器等小尺度领域。
近年来，研究人员提出以介电弹性体为介电材料的介电弹性体俘能器，一定程度上改善了传统平行板电容器型静电式发电机的上述不足。介电弹性体是一种新型功能材料，具有能量密度高、变形范围大、价格低及机电转换效率高等优点。从基本原理上看，现有的介电弹性体发电机是一种三层结构的可变电容，由介电弹性体薄膜及其上下表面分别涂覆的柔性电极组成。在输入电压条件下，外力作用使薄膜发生形变，进一步引起薄膜电容变化，从而将机械能转化为电能。
目前所已知的介电弹性体能量采集装置主要的结构设计常常需要围绕介电弹性体薄膜进行设计，使得装置结构的发电效率低。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种复合介质型静电式能量采集装置，旨在解决如何提高复合介质型静电式能量采集装置发电效率的问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：
提供一种复合介质型静电式能量采集装置，其包括：
可变电容结构，包括介质层、第一电极层、第二电极层以及与所述第二电极层相对设置的介电弹性体膜，所述第二电极层由导电材料制成，所述第一电极层由柔性的导电材料制成并覆盖于所述介电弹性体膜背向所述第二电极层的表面，所述介质层位于所述介电弹性体膜与所述第二电极层之间，所述介电弹性体膜沿所述第一电极层指向所述第二电极层的方向与所述第二电极层至少部分重叠；以及
导向复位结构，间隔设置有两个，两所述导向复位结构的一端分别连接所述介电弹性体膜的两端，并用于引导所述第一电极层相对所述第二电极层往复移动。
本申请的有益效果在于：通过将介电弹性体膜和第二电极层间隔设置，介质层位于第二电极层和介电弹性体膜之间，介电弹性体膜的上表面涂覆有第一电极层，再通过两导向复位结构分别连接介电弹性体膜的两端，从而形成介电弹性体膜-空气的复合介质结构。通过外接偏置电压，复合介质型静电式能量采集装置可将导向复位结构的上下位移激励转化为电能，而通过介质层占比的变化，能脱离单一考介电弹性体膜形变的限制，从而提高电容的变化量，并产生更大的电能，为各种微小型电子设备提供电能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性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申请的一些实施例，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它的附图。
图1是本申请实施例提供的复合介质型静电式能量采集装置的立体结构示意图；
图2是图1的复合介质型静电式能量采集装置的正视示意图；
图3是图1的复合介质型静电式能量采集装置的剖视示意图。
其中，图中各附图标记：
100、复合介质型静电式能量采集装置；10、可变电容结构；11、第一电极层；12、第二电极层；13、介电弹性体膜；21、导向复位结构；211、压板；212、导向基台；213、导向杆；214、弹性件；216、气囊；30、底座；31、导电片；2121、导向孔；2141、通气流道；41、螺栓；40、配重块；
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”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，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申请的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图3，本申请实施例提供了一种复合介质型静电式能量采集装置100，其包括可变电容结构10和导向复位结构21。
请参阅图1至图3，可变电容结构10包括第一电极层11、第二电极层12、介质层以及与第二电极层12相对设置的介电弹性体膜13。可选地，本实施例中，介质层为位于第二电极层和介电弹性体膜之间的空气，即介质层为空气介质层，其他实施例中，介质层也可以为其他有气体或绝缘液体形成的介质层。介电弹性体膜13可以由相关技术中任意一种介电弹性体材料(Dielectric Elastomer，简称为DE)制成。介电弹性体材料包括但不限于：硅橡胶、硅树脂、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丁晴橡胶、丙烯酸、天然橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯及其复合材料，以及高介电常数填料添加的复合介电弹性体或者微纳米填料添加的复合介电弹性体等。
可选地，所述第一电极层11由柔性导电材料制成并涂覆于介电弹性体膜13背向第二电极层12的表面，即介电弹性体膜13位于第一电极层11和第二电极层12之间。可以理解的是，柔性导电材料可以为石墨烯。第二电极层12也可以由柔性导电材料制成并涂覆于支撑其的结构件上，或第二电极层由金属铜制成，即第二电极层12为金属铜板。
请参阅图1至图3，可选地，介电弹性体膜13位于第一电极层11和第二电极层12之间且第一电极层11涂覆于介电弹性体膜13的上表面。本实施例中，第二电极层12平铺设置，且第一电极层11位于第二电极层12的上方。介电弹性体膜13沿第一电极层11指向第二电极层12的方向与第二电极层12至少部分重叠；即介电弹性体膜13沿竖直方向与第二电极层12至少部分重叠，从而使第一电极层11、介电弹性体膜13、第二电极层12构成电容。第一电极层11附着于介电弹性体膜13上，介质层位于介电弹性体膜13与第二电极层12所重叠的区域内。第一电极层11和第二电极层12至少部分重叠。
可选地，第一电极层11通过涂覆的方式而布置于介电弹性体膜13的上表面，从而可以与介电弹性体膜13同步发生弹性变形。
请参阅图1至图3，导向复位结构21设置有两个，两导向复位结构21的一端分别连接第一电极的两端，并用于引导第一电极层11相对第二电极层12往复移动。可以理解的是，在受到外部周期性的振动激励后，导向复位结构21能够引导第一电极层11朝第二电极层12移动预定距离，并使第一电极层11和第二电极层12之间的距离缩小，复合介质型静电式能量采集装置100的等效介电常数接近介电弹性体膜13的相对介电常数，表现为较高的相对介电常数；导向复位结构21反向驱动第一电极层11沿背离第一电极层11的方向移动预定距离时，第一电极层11和第二电极层12之间的距离增大，位于第一电极层11和第二电极层12之间的空气介质占比增加，复合介质型静电式能量采集装置100的等效介电常数接近空气的相对介电常数，表现为较低的相对介电常数。如此往复，从而使复合介质型静电式能量采集装置100的等效介电常数发生大范围的变化。同时介电弹性体膜13在其自身以及第一电极层11的重力作用下，也会发生一定量的形变，最终使可变电容结构10产生较大的电容变化量。
请参阅图1至图3，通过将介电弹性体膜13和第二电极层12间隔设置，介质层位于第二电极层12和介电弹性体膜13之间，且第一电极层涂覆于介电弹性体膜13的上表面，再通过两导向复位结构21分别连接介电弹性体膜13的两端，从而形成介电弹性体膜-空气的复合介质结构。通过外接偏置电压，复合介质型静电式能量采集装置100可将导向复位结构21的上下位移激励转化为电能，而通过介质层占比的变化，能脱离单一考介电弹性体膜13形变的限制，从而提高电容的变化量，并产生更大的电能，为各种微小型电子设备提供电能。
的电容变化量与介电弹性体膜13的弹性形变以及等效介电常数的变化相关，在外加电压和外部振动激励下，复合介质型静电式能量采集装置100可以提供更大的电容变化量，提高电能输出效率。
在一些实施例中，复合介质型静电式能量采集装置100还包括设置于第一电极层11的配重块40。可以理解的是，在周期性的振动激励下，导向复位结构21引导第一电极层11上下往复移动。配重块40随介电弹性体膜13上下往复移动，由于配重块40的重力和惯性力的作用下，使介电弹性体膜13发生V型形变，提高了介电弹性体膜13的形变量，同时配重块40提高了复合介质型静电式能量采集装置100的等效介电常数的变化量，即配重块40处于第一极限位置时，可以缩短介电弹性体膜13与第二电极层12的距离；配重块40处于第二极限位置时，可以扩大介电弹性体膜13与第二电极层12的间距，从而提高等效介电常数的变化量。
可选地，配重块的第一极限位置位于其第二极限位置的下方。
请参阅图1至图3，可选地，由于第一电极层11和第二电极层12之间空气占比发生变化，以及介电弹性体膜13的面积发生变化，使复合介质型静电式能量采集装置100的等效介电常数发生变化，从而导致电容的变化；最后由于介电弹性体膜13的相对介电常数与其伸长率有关系，配重块40使介电弹性体膜13呈现v型形变时，造成介电弹性体膜13的伸长比的变化，使介电弹性体膜13的相对介电常数发生变化，从而导致电容的变化。介电弹性体膜13的相对介电常数的变化量越大，电容的变化量也越大，从而使复合介质型静电式能量采集装置100可以提供更大的电流，提高了机械能向电能的转化率。
在一些实施例中，配重块40沿其中一导向复位结构21指向另一导向复位结构21的方向间隔布置多个，且各配重块40的重量从第一电极层11的两端朝第一电极层11的中心位置渐增设置。可以理解的是，介电弹性体膜13上越靠近连接导向复位结构21的位置处内应力越大，形变也越大，从而适当依次降低靠近该位置处的配重块40的重量，而介电弹性体膜13中心位置的配重块40重量最大，从而在配重块40处于第一极限位置或第二极限位置时，使介电弹性体膜13整体发生充分的弹性形变。
请参阅图1至图3，在一些实施例中，导向复位结构21包括连接第一电极层11的导向基台212、导向杆213以及具有弹性恢复力的弹性件214，导向基台212开设有导向孔2121，导向杆213的一端滑动收容于导向孔2121，导向杆213的另一端沿背离第一电极层11的方向延伸并固定设置，弹性件214的一端固定设置，弹性件214的另一端沿导向杆213的轴向延伸并连接导向基台212。
可选地，本实施例中，导向杆213的轴向沿竖直方向布置，导向杆213的上端滑动设置于导向孔2121，导向杆213的下端固定设置。配重块40处于第一极限位置时，导向杆213与导向孔2121配合，并引导导向基台212朝下移动，弹性件214处于压缩状态；配重块40处于第二极限位置时，导向杆213与导向孔2121配合，并引导导向基台212朝上移动，弹性件214处于拉伸状态。
请参阅图1至图3，在一些实施例中，弹性件214为外套于导向杆213的管簧，管簧的一端固定设置，管簧的另一端抵接导向孔2121的孔口边缘。可选地，管簧外套导向杆213，有利于复合介质型静电式能量采集装置100整体结构的紧凑。
请参阅图1至图3，在一些实施例中，导向孔2121间隔开设有两个，各导向孔2121内均设置有导向杆213，各导向杆213均对应设置有一弹性件214。两个导向杆213和导向孔2121的配合，可以提高导向基台212上下移动的平稳性和可靠性。
在一些实施例中，复合介质型静电式能量采集装置100还包括气囊216，第二电极层12由柔性导电材料制成，并连接于气囊216的外表面，可以理解的是，气囊216可以是由橡胶材料或硅胶材料制成的气囊216，第二电极层12位于气囊216朝向介电弹性体膜13的表面。可以理解的是，气囊216的体积大小跟其内部的气压相关。
请参阅图1至图3，可选地，导向杆213的一端滑动且密封设置于导向孔2121，可以在导向杆213的周侧面开设密封槽并将密封圈设置于密封槽内，从而实现对导向孔2121的滑动密封，导向杆213的内部中空并具有通气流道2141，通气流道2141沿导向杆213的轴向布置，且通气流道2141的两端分别连通导向孔2121和气囊216的囊腔。导向杆213的下端可以通过柔性材料制成的导气管，而连通气囊216的囊腔。
请参阅图1至图3，可以理解的是，在配重块40处于第一极限位置时，导向杆213收容于导向孔2121内的长度增加，从而导向孔2121的容积减少，导向孔2121内的部分气体通过导向杆213流入气囊216，气囊216内部的气压增高，并驱动气囊216的体积增大，从而驱动第二电极层12朝第一电极层11移动，使第一电极层11和第二电极层12之间距离减少，并使第一电极层11和第二电极层12之间的空气介质占比尽可能减少；在配重块40处于第二极限位置时，导向杆213收容于导向孔2121内的长度减少，从而导向孔2121的容积增大，气囊216内的部分气体通过导向杆213流入导气孔，气囊216内部的气压降低，并驱动气囊216的体积缩小，从而驱动第二电极层12沿背离第一电极层11的方向移动，使第一电极层11和第二电极层12之间距离增大，并使第一电极层11和第二电极层12之间的空气介质占比尽可能增加，最终使等效介电常数的变化量增大，提高了电能的输出。
可以理解的是，气囊216在膨胀过程中或缩小过程中，第二电极层12随气囊216同步发生相应的弹性形变，特别是介电弹性体膜13与第二电极层12之间部分重叠时，可以提高第一电极层11和第二电极层12之间电容的变化量。
请参阅图1至图3，在一些实施例中，导向复位结构21还包括压板211，压板211连接导向基台212，且介电弹性体膜13和第一电极层11的一端压紧于压板211和导向基台212之间。可选地，压板211通过螺纹结构而可拆卸的连接导向基台212，从而方便介电弹性体膜13的安装和拆卸。导向基台212的上表面开设螺纹孔，压板211对应螺纹孔的位置开设通孔，螺栓41的螺纹端穿设通孔并螺锁于螺纹孔内。
请参阅图1至图3，在一些实施例中，复合介质型静电式能量采集装置100还包括底座30，第二电极层12布置于底座30，且两导向复位结构21分别位于底座30的两端。
可选地，气囊216连接底座30的上表面，第二电极层布置于气囊的外表面，并随气囊同步发生形变。
可选地，底座30的上表面设置有支撑板，第二电极层12涂覆于支撑板的上表面。
在一些实施例中，复合介质型静电式能量采集装置100还包括由导电材料制成的导电片31，导电片31设置有两个，两导电片31分别电性连接第一电极层11和第二电极层12。可选地，导电片31可以是由金属铜制成。
请参阅图1至图3，可选地，通过在底板上施加上下的位移激励，在位移激励以及配重块40的作用下，底板的上下位移振动和介电弹性体膜13因自身重力和配重块40的重力而产生上下的位移形变，使第一电极层11和第二电极层12之间的间距发生变化，从而进一步导致介电弹性体膜-空气复合介质间的电容的相对变化，在两导电片31外接偏置电压的情况下，复合介质型静电式能量采集装置100可以实现电能输出。
请参阅图1至图3，可以理解的是，弹簧外套连接底座30的导向杆213，导向基台212和底座30提供弹簧垂直度上的约束，致使弹簧形变发生在垂直方向上而不发生单侧被压缩的情况，有助于提高复合介质型静电式能量采集装置100的可靠度，而弹簧本身提供了弹性势能的储存，使复合介质型静电式能量采集装置100在位移激励过程中，得到一种柔性电极间距恢复与推离的趋势，进一步使得复合介质型静电式能量采集装置100在运行过程中第一电极层11和第二电极层12间距的连续往复变化得到保障，确保复合介质型静电式能量采集装置100电能的持续输出。
请参阅图1至图3，可选地，本实施例提供的复合介质型静电式能量采集装置100可将上下位移激励转化为电能，并显著的提高了复合介质型静电式能量采集装置100电容的变化量，从而可以提高比较大的电能，能为各种微小型电子设备提供电能，并且复合介质型静电式能量采集装置100通过介质层占比的变化，而获得比较大的电容变化，可以脱离仅依靠介电弹性体膜13的形变的限制，拓展了介电弹性体膜13的能量收集方式。
以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于，包括：
可变电容结构，包括介质层、第一电极层、第二电极层以及与所述第二电极层相对设置的介电弹性体膜，所述第二电极层由导电材料制成，所述第一电极层由柔性的导电材料制成并覆盖于所述介电弹性体膜背向所述第二电极层的表面，所述介质层位于所述介电弹性体膜与所述第二电极层之间，所述介电弹性体膜沿所述第一电极层指向所述第二电极层的方向与所述第二电极层至少部分重叠；以及
导向复位结构，间隔设置有两个，两所述导向复位结构的一端分别连接所述介电弹性体膜的两端，并用于引导所述第一电极层相对所述第二电极层往复移动。
2.如权利要求1所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述复合介质型静电式能量采集装置还包括设置于所述第一电极层的配重块。
3.如权利要求2所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述配重块沿其中一所述导向复位结构指向另一所述导向复位结构的方向间隔布置多个，且各所述配重块的重量从所述第一电极层的两端朝所述第一电极层的中心位置渐增设置。
4.如权利要求1-3任意一项所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述导向复位结构包括连接所述第一电极层的导向基台、导向杆以及具有弹性恢复力的弹性件，所述导向基台开设有导向孔，所述导向杆的一端滑动收容于所述导向孔，所述导向杆的另一端沿背离所述第一电极层的方向延伸并固定设置，所述弹性件的一端固定设置，所述弹性件的另一端沿所述导向杆的轴向延伸并连接所述导向基台。
5.如权利要求4所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述弹性件为外套于所述导向杆的管簧，所述管簧的一端固定设置，所述管簧的另一端连接所述导向孔的孔口边缘。
6.如权利要求4所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述导向孔间隔开设有两个，各所述导向孔内均设置有所述导向杆，各所述导向杆均对应设置有一所述弹性件。
7.如权利要求4所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述复合介质型静电式能量采集装置还包括气囊，所述第二电极层由柔性导电材料制成，并连接于所述气囊的外表面，所述导向杆的一端滑动且密封设置于所述导向孔，所述导向杆的内部中空并具有通气流道，所述通气流道沿所述导向杆的轴向布置，且所述通气流道的两端分别连通所述导向孔和所述气囊的囊腔。
8.如权利要求4所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述导向复位结构还包括压板，所述压板连接所述导向基台，且所述第一电极层的一端和所述介电弹性体膜的一端均夹紧于所述压板和所述导向基台之间。
9.如权利要求1-3任意一项所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述复合介质型静电式能量采集装置还包括底座，所述第二电极层布置于所述底座，且两所述导向复位结构分别位于所述底座的两端。
10.如权利要求1-3任意一项所述的复合介质型静电式能量采集装置，其特征在于：所述复合介质型静电式能量采集装置还包括由导电材料制成的导电片，所述导电片设置有两个，两所述导电片分别电性连接所述第一电极层和所述第二电极层。
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- 2022-06-30 CN CN202210755666.2A patent/CN114977887B/zh active Active
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