CN202818155U - 一种柔性发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性发电装置，包括：由高分子聚合物绝缘层和沉积在该高分子聚合物绝缘层上表面的第一金属导电层共同组成的第一组件，以及由柔性基底和沉积在该柔性基底上表面的第二金属导电层共同组成，其中第一、第二金属导电层的边缘分别形成有第一和第二电极，所述第一、第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并且高分子聚合物绝缘层的下表面与第二金属导电层的上表面之间相互对置并具备一定间隙。本实用新型还公开了相应的制造方法。本实用新型中通过对用于产生电流的功能元件的材料和工作原理、配套结构及其制造工艺等方面进行改进，相应可获得结构紧凑、低成本、便于加工制造并且具备更高功率输出的发电装置。

Description

一种柔性发电装置

技术领域

本实用新型属于机械能转化为电能的发电技术领域，更具体地，涉及一种具备高电能输出并且结构紧凑、便于加工制造的柔性发电装置。

背景技术

近年来，能源危机愈演愈烈，环保节能的意识已经深入人心，如何充分有效地利用能源及收集能源正成为一个重要的课题。除了常规的火力、风力发电技术之外，对其他发电技术，如光辐射直接转变为电能、应用流体的离子化将热能，特别是直接将动能转变为电能等新技术正获得日益关注。此外，随着现代化制造技术的发展，个人电子产品向着柔性、微型、低功耗、多功能一体化方向的发展成为了一种趋势。这种低功耗的个人电子产品的问世使得通过收集环境中的能量并直接为其供能变得现实可行。在日常生活中存在着大量机械能，如轮胎等工具的转动、人体自身的运动，海浪、空气运动等产生的机械能等。因此，环境中的机械能是一个非常有潜力的能源来源，如果能有效收集环境中的机械能并将其转化成电能，这部分能量足以驱动许多低功耗的个人电子产品。相应地，能够将环境中的机械能有效转换成电能的柔性发电装置已经问世。

传统的柔性发电装置主要是基于压电效应而制作的柔性发电机。例如，已经开发出了一种基于氧化锌、聚四氟乙烯、锆钛酸铅等一维纳米材料的压电效应并呈现多种形式的柔性纳米发电机。但是，此类发电机的制作工艺相当复杂，成本高昂，因此不利于大规模工业生产和推广使用。而且，该压电发电机的输出功率普遍较低，大部分处在微瓦每平方厘米级别，输出电流一般为数微安，输出电压只有几伏，因此并不足以驱动多种类型的个人电子产品。

为了开发出更加简单、廉价和高效的柔性发电机，日常生活中普遍存在的摩擦生电效应得到了关注。美国乔治亚理工大学的王中林教授课题组研究开发出了一种基于摩擦生电效应的柔性摩擦发电机，其利用在摩擦带电效应序列中处于不同位置的两种绝缘聚合物材料之间的摩擦，可成功获得电能，并通过改变材料的表面形貌来进一步提高发电机的性能。这种柔性摩擦发电机由于具备较好的可加工型和耐用性，可应用于譬如触摸屏之类的自驱动系统，或是用作自驱动压力传感器之类的装置。然而，这种基于绝缘体之间的摩擦生电效应的柔性摩擦发电机的输出功率仍然不够高，测试表明其最大输出功率密度为2.34μW/cm²，输出电流0.13μA/cm²，电压为18V，因此仍然不足以直接驱动许多种类的个人电子产品。相应地，本领域中存在着对柔性发电装置的结构及工作原理做出进一步改进，以便获得更高功率输出的新型柔性发电机的技术需求。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷和技术需求，本实用新型的目的在于提供一种柔性发电装置，其通过对用于产生电流的功能元件的材料和工作原理、配套结构等方面进行改进，相应可获得结构紧凑、低成本、便于加工制造并且具备更高功率输出的发电装置。

按照本实用新型，提供了一种柔性发电装置，该柔性发电装置包括：

第一组件，该第一组件由高分子聚合物绝缘层和沉积在该高分子聚合物绝缘层上表面的第一金属导电层共同组成，并且所述第一金属导电层的边缘形成有第一电极；

第二组件，该第二组件由柔性基底和沉积在该柔性基底上表面的第二金属导电层共同组成，并且所述第二金属导电层的边缘形成有第二电极，其中：

所述第一、第二组件在其外侧边缘相联接，并且所述高分子聚合物绝缘层的下表面与所述第二金属导电层的上表面之间相互对置并具备一定间隙。

通过以上构思，当使用该柔性发电装置时，通过从第一、第二电极引线连通并按压第一和第二组件使其高分子聚合物绝缘层与第二金属导电层之间的间隙发生改变，在此弯曲和恢复的过程中，电容也会随着发生变化，并导致电子在电极两端的外部电路中来回振荡，进而形成为交流电流。尤其是，通过较多的试验测试表明，当将按照本实用新型的单个柔性发电装置与譬如50个的商用LED串联时，电输出可达到130V的峰值电压，输出电流33微安，输出功率的峰值密度为0.7毫瓦/平方厘米，其与现有技术相比，大幅度提高了输出功率，并能够直接用于驱动多种低功率的电子产品；此外，该柔性发电装置整体采用柔性材料制成，可以折叠弯曲，便于加工，发电稳定性好，因此适用于在柔性电子学以及其他个人、日常生活等各种场合的广泛应用。

作为进一步优选地，所述高分子聚合物绝缘层由选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯这些材料中的一种构成，所述第二金属导电层由金、银、铜或者铝构成。

通过以上对高分子聚合物绝缘层的具体材质的选择，其在具备良好的耐热性、耐溶剂性以及便于折叠弯曲和沉积加工的同时，还能够在与第二金属导电层之间的间隙发生改变并导致电子在电极两端来回振荡的过程中更好地吸附大量电荷，由此便于形成更大输出功率的交流电流；此外，通过将用于形成第二金属导电层的材质限定为金、银、铜、铝等材料，大量的对比测试结果表明，其能够与以上材质的高分子聚合物绝缘层很好地配合工作，通过简单的按压动作即可产生与现有技术相比更高的输出功率，并可直接为多种电子产品供能及使用。

作为进一步优选地，所述高分子聚合物绝缘层的下表面加工形成有多个微纳米的凹凸结构。

通过在高分子聚合物绝缘层的下表面加工形成有多个微纳米的凹凸结构，可以进一步增加其表面积并提高其吸附电荷的能力，相应地，当这种具有微纳米凹凸结构的高分子聚合物绝缘层与第二金属导电层之间的间隙发生改变时，其能量输出效率会大幅度提高，由此进一步扩大柔性发电装置的适用范围。

作为进一步优选地，形成在高分子聚合物绝缘层下表面的所述凹凸结构的平均尺寸为100~400纳米。

通过将形成在高分子聚合物绝缘层下表面的凹凸结构的尺寸做出以上具体限定，较多的对比测试表明，其一方面能够吸附更多的电荷，并确保柔性发电装置具备符合大多数实际运用场合需求的电能输出效率，另一方面便于以常规方式进行加工，并适于大批量流水线的制造过程。

作为进一步优选地，所述柔性基底由柔性高分子聚合物或者纸质材料构成，所述第一金属导电层由铜、铝或者氧化铟锡构成。

通过将柔性基底的具体材质做成以上限定，加工原料丰富并且能够方便地获得，相应可降低生产成本，同时便于其沉积材料的加工制造，提高加工效率；此外，通过选择采用铜、铝或者氧化铟锡等材料来构成第一金属导电层，其能够较好地执行对所形成交流电的电压和电流输出，同时在按照本实用新型的柔性发电装置与其他元件较好地配合，并实现大输出功率的交流电流。

作为进一步优选地，所述高分子聚合物绝缘层是长宽厚依次为30mm*20mm*0.2mm规格的片状结构；所述柔性基底是长宽厚依次为30mm*20mm*0.22mm规格的片状结构。

通过以上对柔性高分子聚合物绝缘层和柔性基底的尺寸规格的具体限定，一方面经过大量的测试表明能够产生高达0.7毫瓦/平方厘米的峰值功率密度，单次形变或弯曲即可同时驱动50个商用LED灯泡，因此符合多种类别的低功率电子产品的使用；另一方面其整体结构紧凑，便于携带，并能与其他工业制造过程相融合，因此尤其适用于个人、家庭日常等场合下的使用。

总体而言，按照本实用新型的柔性发电装置与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对柔性发电装置用于产生电流的功能元件的材料和工作原理进行研究和改进，能够获得更高的输出功率，并能够直接用于驱动多种低功率的电子产品；

2、通过对该柔性发电装置各个关键组件的材质、具体结构、加工工艺的限定，能够进一步提高能量输出效率，同时具备性能稳定、工作寿命长、低成本、便于大批量加工制造等特点；

3、该柔性发电装置整体采用柔性材料制成，可以折叠弯曲，便于操作，因此尤其适用于在柔性电子学以及其他个人、日常生活等各种场合的广泛应用。

附图说明

图1是按照本实用新型的柔性发电装置的总体结构示意图；

图2a是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在固定激振动子推进距离为1.5毫米时、不同频率下的时间-电流曲线图；

图2b是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在固定激振动子推进距离为1.5毫米时、不同频率下的时间-电压曲线图；

图2c是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在频率固定为3Hz处于不同振幅下的时间-电流曲线图；

图2d是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在频率固定为3Hz处于不同振幅下的时间-电压曲线图；

图3a是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在不同负载电阻下的最大电流-电压曲线图；

图3b是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在不同负载电阻下的输出功率曲线图；

图4a是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在振动频率为4Hz、激振子推进距离为2mm时短路电流通过整流电桥后的时间-电流曲线图；

图4b是用于显示通过整流电桥后继续给一个4.7微法的瓷片电容充电的充电曲线图；

图5a是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置直接驱动LED的电路图；

图5b是对图5a中所示电路进行测量所获得的时间-电压曲线图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一组件2-第二组件11-高分子聚合物绝缘层12-第一金属导电层13-第一电极21-柔性基底22-第二金属导电层23-第二电极

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本实用新型的柔性发电装置的总体结构示意图。如图1中所示，按照本实用新型的柔性发电装置主要包括第一组件1和第二组件2，其中第一组件1由高分子聚合物绝缘层11和沉积在该高分子聚合物绝缘层11一个表面（图中所示为上表面）的第一金属导电层12共同组成，并且在第一金属导电层12的边缘可以形成有第一电极13，该第一电极13通过引线处理即可与外部电路相连通；类似地，第二组件2由柔性基底21和沉积在该柔性基底21一个表面（图中所示为上表面）的第二金属导电层22共同组成，并且在第二金属导电层22的边缘可以形成有第二电极23，该第二电极23同样通过引线处理皆可与第一电极和外部电路相连通。上述第一、第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并且高分子聚合物绝缘层11的下表面与第二金属导电层22的上表面之间相互对置并具备譬如2mm~6mm的一定间隙。

当使用该柔性发电装置时，通过从第一、第二电极引线并与外部电路及其低功耗电子产品相连通，然后按压第一和第二组件使其高分子聚合物绝缘层与第二金属导电层之间的间隙发生改变，在此弯曲和恢复的过程中，电容也会随着发生变化，并导致电子在电极两端的外部电路中来回振荡，进而形成为交流电流。与现有技术的柔性摩擦发电装置明显不同的是，按照本实用新型的柔性发电装置能够获得更高的输出功率，例如，当将按照本实用新型的单个柔性发电装置与譬如50个的商用LED串联时，电输出可达到130V的峰值电压，输出电流33微安，输出功率的峰值密度为0.7毫瓦/平方厘米。此外，它的整体结构采用柔性材质，可折叠弯曲，易加工，发电机的稳定性好，使用寿命长，因此有利于在柔性电子学以及日常生活中的广泛应用。

下面将进一步解释按照本实用新型的柔性发电装置的基本工作原理。

我们知道，按照电容的定义公式：

Q=CU    （公式1）

对公式1的等式两边分别对时间t求微分，即得：

$\frac{\∂Q}{\∂t}=U\frac{\∂C}{\∂t}+C\frac{\∂U}{\∂t}$ （公式2）

此外，根据电流的定义公式可知：

$I=\frac{\∂Q}{\∂t}$ （公式3）

因此根据公式2、3可推导得出：

$I=U\frac{\∂C}{\∂t}+C\frac{\∂U}{\∂t}$ （公式4）

根据上述公式以及推论结果可以看出，当电容发生改变时，电子会在电极两端的外部电路中来回振荡，进而形成交流电压电流。相应地，本实用新型中利用上述原理来对柔性发电装置的功能组件及结构进行改变，由此可获得与现有技术相比输出功率更高、性能更为稳定可靠的柔性发电机。具体而言，由于高分子聚合物绝缘层的下表面与第二金属导电层的上表面之间相互对置并具备一定间隙，当通过譬如按压第一和第二组件的动作来使得高分子聚合物绝缘层与第二金属导电层之间的间隙发生改变时，在此弯曲和恢复的过程中，电容也会随着发生变化，相应导致电子来回振荡形成高功率输出，并适用于更多种类的个人电子产品的供能用途。

在一个优选实施例中，高分子聚合物绝缘层11可以由选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯这些材料中的一种构成，第二金属导电层22可以由金、银、铜、铝或其他类似材料构成。在另外一个优选实施例中，柔性基底21可以由柔性高分子聚合物、纸质或纤维材料构成，第一金属导电层12由铜、铝或者氧化铟锡等材料构成。

通过以上对材质的具体选择，能够在与第二金属导电层之间的间隙发生改变并导致电子在电极两端来回振荡的过程中更好地吸附大量电荷，由此便于形成更大输出功率的交流电流；此外，可以以低成本、高效率，便于大批量生产的方式获得按照本实用新型的柔性发电装置。

此外，为了进一步增加高分子聚合物绝缘层的整体表面积并提高其吸附电荷的能力，可以在其下表面加工形成有多个微纳米的凹凸结构，优选譬如平均尺寸为100~400纳米的凹凸结构。这样，测试表明能够大幅度提高按照本实用新型的柔性发电装置的能量输出效率，具备符合大多数实际运用场合的需求。

下面将具体描述按照本实用新型用于制造柔性发电装置的工艺流程。

首先，可以将选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯这些材料中的一种的柔性高分子聚合物切割成所需尺寸（例如长宽厚分别为30mm*20mm*0.2mm）的片状结构，使用去离子水和酒精清洗处理后用氮气吹干，然后通过磁控溅射或蒸镀法在该片状结构的上表面上沉积形成譬如由金、银、铜或者铝所构成的第一金属导电层，并且该第一金属导电层的边缘被加工形成第一电极并做引线处理，由此获得第一组件；

接着，将由柔性高分子聚合物、纸质或纤维材料构成的柔性基底切割成所需尺寸（例如，长宽厚分别为30mm*20mm*0.22mm）的片状结构，使用去离子水和酒精清洗处理后用氮气吹干，然后通过磁控溅射或蒸镀法在该片状结构的上表面上沉积形成譬如由铜、铝或者氧化铟锡等构成的第二金属导电层，该第二金属导电层的边缘同样被加工形成第二电极并做引线处理，由此获得第二组件；

最后，是第一和第二组件之间的封装步骤。在通过以上步骤所获得的第一、第二组件各自的外侧边缘通过封装工艺予以联接，并使得高分子聚合物片状结构的下表面与第二金属导电层的上表面之间相互对置并具备一定间隙，由此形成了按照本实用新型的柔性发电装置。

在一个优选实施例中，在上述步骤中，可以在由高分子聚合物和第一金属导电层共同组成的第一组件上，沿着加工形成第一电极的边缘在其附近切割掉一块譬如呈矩形的区域，相应地，在后续封装步骤中，可以将该切割后所形成的容纳空间用于放置第二组件的第二电极，由此获得整体结构更为紧凑的产品，并且便于同时对第一、第二电极做引线处理。

在按照以上工艺过程制得柔性发电装置后，下面对其进行多方面的性能测试，并显示其测试结果。

图2a、2b分别是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在固定激振动子推进距离为1.5毫米时、不同频率下的时间-电流曲线图和时间-电压曲线图，图2c、2d分别是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在频率固定为3Hz处于不同振幅下的时间-电流曲线图和时间-电压曲线图。如图中所示，当固定振幅为3Hz时，加大频率则电流电压依次增大；此外当固定频率时，加大振幅电流电压也依次增大。这是由于频率和振幅越大，施加于柔性发电机上的机械能越大，转化成的电能就越大。在振动频率为3赫兹，激动推进距离为1.5毫米时，通过500兆欧姆电阻负载的电流输出为0.62微安，输出电压为310伏特。

图3a、3b分别是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在不同负载电阻下的最大电流-电压曲线图和输出功率曲线图。如图3a和3b中所示，此时振动条件为频率为3赫兹，激振子推进距离为1.5毫米。在外部负载电阻不断增加的情况下，通过外阻的输出电流不断下降，而输出电压却不断上升，体现在输出功率出现上则为在外部负载电阻为300兆欧姆时，柔性发电机的负载输出峰值功率最高，达到了0.23毫瓦。

图4a是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置在振动频率为4Hz、激振子推进距离为2mm时短路电流通过整流电桥后的电流曲线图；图4b是用于显示通过整流电桥后继续给一个4.7微法的瓷片电容充电的充电曲线图。如图4a和4b中所示，通过使用按照本实用新型的柔性发电装置，在120秒的时间内可以将电容的电压增加到5伏特。

图5a是用于显示按照本实用新型的柔性发电装置直接驱动LED的电路图，图5b是对图5a中所示电路进行测量所获得的时间-电流曲线图。图中显示，当采用按照本实用新型的柔性发电装置直接点亮反向并联的一个蓝色和一个红色发光二极管时，当正脉冲通过蓝色发光二极管时其被点亮，当负脉冲通过红色发光二极管时其也被点亮。

由此可见，通过本实用新型的柔性发电装置及其制造方法，其能够基于绝缘体与金属导电层摩擦起电的效应，并适于低成本、便于使用和大规模生产制造。与已有的其它微型能量收集方法相比，本实用新型的柔性摩擦电发电机具有电能输出性能极高的特点，同时它的整体结构采用柔性材质，可折叠弯曲，易加工，发电机的稳定性好，使用寿命长。此外，由于制备的材料为柔性材料，有利于与其他柔性电子产品之间的集成，甚至可直接安装在人体关节部位或其他常规驱动工具上，通过转换机械能为电能来对小型低能耗的电子产品直接功能。该柔性发电装置已展示出它良好的应用前景，并在作为力、压强传感器的敏感基元方面同样具备着巨大的应用潜力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柔性发电装置，其特征在于，该柔性发电装置包括：

第一组件，该第一组件由高分子聚合物绝缘层和沉积在该高分子聚合物绝缘层上表面的第一金属导电层共同组成，并且所述第一金属导电层的边缘形成有第一电极；

第二组件，该第二组件由柔性基底和沉积在该柔性基底上表面的第二金属导电层共同组成，并且所述第二金属导电层的边缘形成有第二电极，其中：

所述第一、第二组件在其外侧边缘相联接，并且所述高分子聚合物绝缘层的下表面与所述第二金属导电层的上表面之间相互对置并具备一定间隙。

2.如权利要求1所述的柔性发电装置，其特征在于，所述高分子聚合物绝缘层由选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯这些材料中的一种构成，所述第二金属导电层由金、银、铜或者铝构成。

3.如权利要求1或2所述的柔性发电装置，其特征在于，所述高分子聚合物绝缘层的下表面加工形成有多个微纳米的凹凸结构。

4.如权利要求3所述的柔性发电装置，其特征在于，形成在高分子聚合物绝缘层下表面的所述凹凸结构的平均尺寸为100~400纳米。

5.如权利要求1或2所述的柔性发电装置，其特征在于，所述柔性基底由柔性高分子聚合物或者纸质材料构成，所述第一金属导电层由铜、铝或者氧化铟锡构成。

6.如权利要求1或2所述的柔性发电装置，其特征在于，所述高分子聚合物绝缘层是长宽厚依次为30mm*20mm*0.2mm规格的片状结构；所述柔性基底是长宽厚依次为30mm*20mm*0.22mm规格的片状结构。

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