CN116470788A - 开放式多端口联动自取电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开放式多端口联动自取电设备，至少包括三组互相独立的机械运动感应和电能输出模块以及各自对应的电荷供应模块，每个机械运动感应和电能输出模块均包括感应电极，所有机械运动感应和电能输出模块的感应电极相对分布围成一个空间，且相邻感应电极不接触；每个电荷供应模块包括依次设置的第一电极、第一摩擦层、第二摩擦层和第二电极，在第一摩擦层和第二摩擦层之间边缘处设有至少三个弹性支撑部件；每个电荷供应模块的一端电极与其对应的机械运动感应和电能输出模块的感应电极电气连接；本发明可在外界多种运动模式下联动感应输出电能，能够实现更加自由、更加多元化的运动形式的能量的收集，实现机械能的收集和电能的有效输出。
Description
技术领域
本发明涉及机械能-电能转换技术领域，公开了一种开放式多端口联动自取电设备。
背景技术
机械运动在日常生活和工业生产中无处不在，而如果缺乏有效的机械能收集和转换设备，便无法对其进行充分的利用，这在节能减排和大力寻找清洁能源的大背景下无疑是一种无形但巨大的浪费。摩擦发电器件是一种有效的转换机械能为电能的设备。基于摩擦发电器件的机械能-电能转换模块主要利用极板间的相对运动以改变极板间的电容实现能量输出，其本质是极板间的电场分布由于外界机械运动而发生改变。传统的基于摩擦发电的机械能-电能转换器件能够收集到的机械能仅为相互摩擦的两极板间的相对运动，运动幅度小，受空间限制。这使得传统摩擦发电器件往往仅针对单一场景且重复的机械运动模式，如振动、旋转等，对日常生活中和工业生产中广泛存在的分布式、随机性的运动所产生的机械能无法进行有效的收集。为了克服这一问题，亟需研究一种能够实现更加自由、更加多元化的运动形式的机械能的收集和电能的有效输出技术。
发明内容
本发明提出了一种开放式多端口联动自取电设备，以有效收集日常生活中和工业生产中广泛存在的分布式、随机性的运动所产生的机械能，克服传统机械能-电能转换设备只针对单一且重复的机械运动模式的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
一种开放式多端口联动自取电设备，至少包括三组互相独立的机械运动感应和电能输出模块以及各自对应的电荷供应模块，每个机械运动感应和电能输出模块均包括感应电极(e1或e2或e3)，所有机械运动感应和电能输出模块的感应电极相对分布围成一个空间，且相邻感应电极不接触；每个电荷供应模块包括依次设置的第一电极(a1或a3或a5)、第一摩擦层(b1或b3或b5)、第二摩擦层(b2或b4或b6)和第二电极(a2或a4或a6)，在第一摩擦层和第二摩擦层之间边缘处设有至少三个弹性支撑部件(c1或c2或c3)用于支撑分隔；每个电荷供应模块的一端电极与其对应的机械运动感应和电能输出模块的感应电极电气连接；电极e1与e2之间、电极e2与e3之间、电机e3与e1之间分别作为本发明的开放式多端口联动自取电设备的输出端，用于输出电压和电流。
进一步的，所述机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)的材料为导电的金属材料、合金、导电的高分子材料及其复合材料、石墨烯、银纳米线膜或铟锡氧化物；所述导电的金属为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，所述合金为铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，所述导电的高分子材料为聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物。
进一步的，所有机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)围成的空间的填充介质可为真空或者极性较小的气体，所述极性较小的气体为空气、氮气、氧气、氦气、氩气或二氧化碳。
进一步的，所述电荷供应模块的第一摩擦层和第二摩擦层的厚度范围为10nm-5mm。
进一步的，所述电荷供应模块的第一摩擦层的材料为易得电子的负极摩擦材料，包括高分子材料或金属；所述高分子材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚丙烯腈，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜或铁。
进一步的，所述电荷供应模块的第二摩擦层的材料为易失电子的正极摩擦材料，包括高分子材料或金属；所述高分子材料为聚乙烯醇、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丝绸或ABS，所述金属为镁、金、银、铂、铝、镍、铜或铁。
进一步的，所述电荷供应模块的弹性支撑部件为弹簧或者弹性支撑体。
进一步的，所述电荷供应模块第一电极和第二电极的厚度为10μm-25mm。
进一步的，所述电荷供应模块中第一电极和第二电极的材料为导电的金属材料、合金、导电的高分子材料及其复合材料，石墨烯，银纳米线膜或铟锡氧化物；所述导电的金属材料为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，所述合金为铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，所述导电的高分子材料聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉或聚酞菁及其金属螯合物。
进一步的，所述机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)与对应的电荷供应模块的第一电极或第二电极通过导电结构电气连接，所述导电结构的材料为导电的金属材料、合金、导电的高分子材料及其复合材料，石墨烯，银纳米线膜或铟锡氧化物；所述导电的金属材料为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，所述合金为铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，所述导电的高分子材料为聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物。
另一方面，本发明给出一种开放式多端口联动自取电设备，包括两组各自与一个直线往复电机相固定的电荷供应模块，以及一组悬空垂直固定在平面上的电荷供应模块；这三组电荷供应模块均包括依次设置的第一电极、第一摩擦层、第二摩擦层和第二电极，在所述第一摩擦层和第二摩擦层之间边缘处通过三个弹性支撑部件支撑分隔；三组电荷供应模块的第一电极相对设置围成一个三角形空间，且相邻感应电极不接触，它们同时作为机械运动感应和电能输出模块的感应电极，三组电荷供应模块的第二电极接地；相邻的机械运动感应和电能输出模块的第一电极之间输出电压和电流。
进一步的，所述电荷供应模块的第一电极和第二电极采用边长为7cm方形且厚度为50μm铜箔；两个电荷供应模块的第二摩擦层、第三个电荷供应模块的第一摩擦层均采用边长为5cm的方形且厚度为100μm聚四氟乙烯胶布，两个电荷供应模块的第一摩擦层、第三个电荷供应模块的第二摩擦层均采用边长5cm方形且厚度为1mm的表面金电极沉积的泡沫铜片；所述弹性支撑部件采用不锈钢弹簧支撑分隔。
本发明通过电荷供应模块与机械运动感应和电能输出模块电气连接，使多组机械运动感应和电能输出模块相互独立并形成分布式电容，并可在外界多种运动模式下联动感应输出电能，能够实现更加自由、更加多元化的运动形式的能量的收集，实现机械能的收集和电能的有效输出。适用于可穿戴设备、变电站等多振动源的分布式机械能收集，同时转化成电能进行储存的应用场景。
附图说明
图1为本发明的开放式多端口联动自取电设备的原理结构剖面示意图。
图2为本发明的开放式多端口联动自取电设备的第一实施例的结构剖面图；
图3为本发明的开放式多端口联动自取电设备的第一实施例的开路电压输出结果。其中，(a)～(c)分别为输出端A1、A2、A3的输出电压谱线。
具体实施方式
为了充分说明本发明的目的、特征及功效，下面结合附图及具体实施方式，对本发明做详细说明。此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明的开放式多端口联动自取电设备至少包括三组互相独立的机械运动感应和电能输出模块以及各自对应的电荷供应模块，每个机械运动感应和电能输出模块均包括感应电极(e1或e2或e3)，所有机械运动感应和电能输出模块的感应电极相对分布围成一个空间，且相邻感应电极不接触；每个电荷供应模块包括依次设置的第一电极(a1或a3或a5)、第一摩擦层(b1或b3或b5)、第二摩擦层(b2或b4或b6)和第二电极(a2或a4或a6)，在第一摩擦层和第二摩擦层之间边缘处设有至少三个弹性支撑部件(c1或c2或c3)用于支撑分隔；每个电荷供应模块的一端电极与其对应的机械运动感应和电能输出模块的感应电极电气连接；电极e1与e2之间、电极e2与e3之间、电机e3与e1之间分别作为本发明的开放式多端口联动自取电设备的输出端，用于输出电压和电流。
上述技术方案中，电荷供应模块在外力压缩作用下其第一摩擦层、第二摩擦层互相摩擦或接触产生电荷即使第一电极和第二电极带电，该电荷传递给机械运动感应和电能输出模块的感应电极。当三组机械运动感应和电能输出模块的电极同时带电后，空间可建立起电场，当机械运动感应和电能输出模块在外驱动机械力(如电机)的作用下发生相对运动时，空间电场也随之不停变化，导致三组机械运动感应和电能输出模块的电极的电势发生变化，在机械运动感应和电能输出模块的两两电极之间连接的外电路中形成电流输出。
优选地，机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)的材料为导电的金属材料(如金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒)，合金(如铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金)，导电的高分子材料(如聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物)及其复合材料，石墨烯，银纳米线膜或铟锡氧化物，各机械运动感应和电能输出模块的感应电极的材料可以相同也可以不同，各个机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)会在外界运动作用下发生非接触的相对运动。相对运动方式为可改变各电极间的等效电容的任意方式(相向，平移，相对倾角改变等)，运动幅度不限。
优选地，所有机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)围成的空间的填充介质可为真空，或者极性较小的气体(空气、氮气、氧气、氦气、氩气或二氧化碳)。
进一步地，电荷供应模块的第一摩擦层和第二摩擦层的厚度范围为10nm-5mm。
优选地，电荷供应模块的第一摩擦层的材料为易得电子的负极摩擦材料，包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯腈等高分子材料以及金、银、铂、铝、镍、铜、铁等金属材料。
优选地，前述电荷供应模块的第二摩擦层的材料为易失电子的正极摩擦材料，包括聚乙烯醇、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丝绸、ABS等高分子材料以及镁、金、银、铂、铝、镍、铜、铁等金属材料。
优选地，前述电荷供应模块的弹性支撑部件为弹簧或者弹性支撑体。
优选地，前述电荷供应模块第一电极和第二电极的厚度为10μm-25mm。
优选地，前述电荷供应模块中第一电极和第二电极的材料为导电的金属材料(金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒)，合金(铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金)，导电的高分子材料(聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物)及其复合材料，石墨烯，银纳米线膜或铟锡氧化物。
优选地，前述电荷供应模块中第一电极和第二电极的材料可以相同也可以不同。
进一步地，前述机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)与对应的电荷供应模块的任一电极(第一电极或第二电极)通过导电结构电气连接，导电结构的材料为导电的金属材料(金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒)，合金(铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金)，导电的高分子材料(聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物)及其复合材料，石墨烯，银纳米线膜或铟锡氧化物。导电结构的形状和尺寸不限，可根据结构设计需求调节。
实施例
下面，举出实施例对本发明进一步描述，但本发明并不限于下述实施例。
本实施例的开放式多端口联动自取电设备的结构参见图2，包括两组各自与一个最高800转/分钟的最大行程25mm的直线往复电机(M)相固定的电荷供应模块，以及一组悬空垂直固定在平面上的电荷供应模块。三组电荷供应模块均包括依次设置的第一电极(a1或a3或a5)、第一摩擦层(b1或b3或b5)、第二摩擦层(b2或b4或b6)和第二电极(a2或a4或a6)，在第一摩擦层和第二摩擦层之间通过三个弹性支撑部件(c1或c2或c3)支撑分隔。本实施例中，电荷供应模块的第一电极(a2或a4或a6)相对设置围成一个三角形空间，它们同时作为机械运动感应和电能输出模块的感应电极。相邻的机械运动感应和电能输出模块的第一电极之间(a1与a3，a1与a5，a3与a5)输出电压和电流(A1，A2，A3)。
对于本实施例中的机械能-电能转换设备，需要电荷供应模块的两摩擦层互相接触的表面的材料具有摩擦产生的得失电子能力的差异，这使得在两表面在模态激振器的作用下互相接触分离之后，摩擦层表面带有等量的异种电荷，该电荷通过连通导体传导至机械运动感应和电能输出模块的感应电极，而多端口的感应电极通过互相机械运动改变整体空间电场分布和电势分布，机械运动感应和电能输出模块的感应电极两两之间会改变其等效电容，从而改变电极间的输出电压波形，从而对外输出功率。
本实施例采用方形(7cm×7cm)厚度为50μm铜箔作为电荷供应模块的第一电极(a1或a3或a5)和第二电极材料(a2或a4或a6)，采用方形(5cm×5cm)厚度为100μm聚四氟乙烯胶布作为摩擦起电模块的第一电荷供应模块和第二电荷供应模块的第二摩擦层(b2与b4)，以及第三电荷供应模块的第一摩擦层(b5)，采用方形(5cm×5cm)厚度为1mm的表面金电极沉积的泡沫铜片作为第一电荷供应模块和第二电荷供应模块的第一摩擦层(b1与b3)，以及第三电荷供应模块的第二摩擦层(b6)，第一、第二摩擦层之间用不锈钢弹簧支撑分隔，三组电荷供应模块的第二电极接地。
图3为本发明开放式多端口联动自取电设备在外界10Hz的振动激励下，相邻的机械运动感应和电能输出模块的电极间对外输出的电压波形的谱线。从谱线可以看出，三个电荷供应模块之间两两连接均有电压输出信号。
Claims (12)
1.一种开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，至少包括三组互相独立的机械运动感应和电能输出模块以及各自对应的电荷供应模块，每个机械运动感应和电能输出模块均包括感应电极(e1或e2或e3)，所有机械运动感应和电能输出模块的感应电极相对分布围成一个空间，且相邻感应电极不接触；每个电荷供应模块包括依次设置的第一电极(a1或a3或a5)、第一摩擦层(b1或b3或b5)、第二摩擦层(b2或b4或b6)和第二电极(a2或a4或a6)，在第一摩擦层和第二摩擦层之间边缘处设有至少三个弹性支撑部件(c1或c2或c3)用于支撑分隔；每个电荷供应模块的一端电极与其对应的机械运动感应和电能输出模块的感应电极电气连接；电极e1与e2之间、电极e2与e3之间、电机e3与e1之间分别作为本发明的开放式多端口联动自取电设备的输出端，用于输出电压和电流。
2.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)的材料为导电的金属材料、合金、导电的高分子材料及其复合材料、石墨烯、银纳米线膜或铟锡氧化物；所述导电的金属为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，所述合金为铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，所述导电的高分子材料为聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物。
3.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所有机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)围成的空间的填充介质可为真空或者极性较小的气体，所述极性较小的气体为空气、氮气、氧气、氦气、氩气或二氧化碳。
4.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述电荷供应模块的第一摩擦层和第二摩擦层的厚度范围为10nm-5mm。
5.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述电荷供应模块的第一摩擦层的材料为易得电子的负极摩擦材料，包括高分子材料或金属；所述高分子材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚丙烯腈，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜或铁。
6.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述电荷供应模块的第二摩擦层的材料为易失电子的正极摩擦材料，包括高分子材料或金属；所述高分子材料为聚乙烯醇、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丝绸或ABS，所述金属为镁、金、银、铂、铝、镍、铜或铁。
7.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述电荷供应模块的弹性支撑部件为弹簧或者弹性支撑体。
8.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述电荷供应模块第一电极和第二电极的厚度为10μm-25mm。
9.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述电荷供应模块中第一电极和第二电极的材料为导电的金属材料、合金、导电的高分子材料及其复合材料，石墨烯，银纳米线膜或铟锡氧化物；所述导电的金属材料为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，所述合金为铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，所述导电的高分子材料聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉或聚酞菁及其金属螯合物。
10.如权利要求1所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述机械运动感应和电能输出模块的感应电极(e1或e2或e3)与对应的电荷供应模块的第一电极或第二电极通过导电结构电气连接，所述导电结构的材料为导电的金属材料、合金、导电的高分子材料及其复合材料，石墨烯，银纳米线膜或铟锡氧化物；所述导电的金属材料为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，所述合金为铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，所述导电的高分子材料为聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物。
11.一种开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，包括两组各自与一个直线往复电机相固定的电荷供应模块，以及一组悬空垂直固定在平面上的电荷供应模块；这三组电荷供应模块均包括依次设置的第一电极、第一摩擦层、第二摩擦层和第二电极，在所述第一摩擦层和第二摩擦层之间边缘处通过三个弹性支撑部件支撑分隔；三组电荷供应模块的第一电极相对设置围成一个三角形空间，且相邻感应电极不接触，它们同时作为机械运动感应和电能输出模块的感应电极，三组电荷供应模块的第二电极接地；相邻的机械运动感应和电能输出模块的第一电极之间输出电压和电流。
12.如权利要求11所述的开放式多端口联动自取电设备，其特征在于，所述电荷供应模块的第一电极和第二电极采用边长为7cm方形且厚度为50μm铜箔；两个电荷供应模块的第二摩擦层、第三个电荷供应模块的第一摩擦层均采用边长为5cm的方形且厚度为100μm聚四氟乙烯胶布，两个电荷供应模块的第一摩擦层、第三个电荷供应模块的第二摩擦层均采用边长5cm方形且厚度为1mm的表面金电极沉积的泡沫铜片；所述弹性支撑部件采用不锈钢弹簧支撑分隔。
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