CN203431696U - 自供电照明系统 - Google Patents

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张爱华
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Abstract

本实用新型提供了一种基于摩擦发电机的自供电照明系统。该自供电照明系统包括:摩擦发电装置，内部封装了若干个摩擦发电机;整流电路，其两输入端电性连接至摩擦发电装置的两输出端;限流限压电路，其两输入端电性连接至整流电路的两输出端;以及光源负载，其正极和负极分别电性连接至限流限压电路的两输出端;其中，摩擦发电装置将外界的机械能转换为电能，整流电路将摩擦发电装置输出的交流电转换为直流电;限流限压电路将整流电路输出的直流电的电压和电流限制在预设范围内;该电压和电流被限制在预设范围内的直流电驱动光源负载发光。本实用新型从环境即时收集来的能量足够驱动光源负载发光，因而体系中不需要蓄电池，从而降低了制造成本。

Description

自供电照明系统
技术领域
本实用新型涉及照明技术领域，尤其涉及一种基于摩擦发电机的自供电照明系统。
背景技术
2013年，佐治亚理工学院王中林教授在《纳米快报》上发表了平板式滑动摩擦纳米发电机的原理结构。摩擦发电机具有平板结构，利用高分子绝缘层之间的负电性差异，在摩擦导致的相对滑动下产生电流。这种发电机的输出功率足以驱动商用发光二极管LED及小型液晶显示器，功率密度达到了1-10mW/cm3，很可能在驱动自供电系统装置中起到关键性的作用。
目前，随着我国经济的快速发展，社会的进步，对能源的需求出现了大幅增加，能源供需矛盾日渐突出。据统计，光是照明用电量一项就已占我国总用电量的10%-20%。一方面，一些公共场所照明设施数量多、资源浪费严重;另一方面，由于条件所限，在一些如隧道、山区的环境中，则很难架设照明系统。专利号为201210374803的专利公开了一种自供电电路灯，可以将人行走的机械能加以回收转化为电能，节省了大量资源。在该系统中包含了一个蓄电池，使系统制造成本增加。另外，这种系统只能靠地面的震动来收集机械能，因而其潜在应用也较少。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种基于摩擦发电机的自供电照明系统。这种照明系统无需蓄电池，降低了制造成本。另外，其可以收集多种环境能量，包括地面震动及风力产生的能量，因而具有更加广阔的应用前景:(1)可作为矿井中的紧急照明系统:在矿工的衣服中放入摩擦发电装置，而发光装置则放在他们的帽子前端。当遭遇紧急情况时，只需拍打衣服即可获得照明的电力。(2)可以作为自家楼梯或公共人行道的夜间照明系统:将摩擦发电装置铺设在楼梯及人行道中及周围，而发光装置则以地灯的形式埋在楼梯面或地面上。当人行走在摩擦发电装置之上时，机械能将转化为电能，从而提供照明。(3)可作为列车隧道或山区中的长程照明系统:将摩擦发电装置及发光装置安放在隧道的两避上或山区的树上，当火车经过或自然产生风时，风力作用在摩擦发电装置上也将产生电能从而提供照明。本发明解决的关键技术问题为摩擦发电机的封装。根据照明系统用途的不同，封装所用材料、尺寸也有所区别，在下文中将会详细说明。
(二)技术方案
根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于摩擦发电机的自供电照明系统。该自供电照明系统包括:摩擦发电装置，内部封装了若干个摩擦发电机;整流电路，其两输入端电性连接至摩擦发电装置的两输出端;限流限压电路，其两输入端电性连接至整流电路的两输出端;以及光源负载，其正极和负极分别电性连接至限流限压电路的两输出端;其中，摩擦发电装置将外界的机械能转换为电能，整流电路将摩擦发电装置输出的交流电转换为直流电;限流限压电路将整流电路输出的直流电的电压和电流限制在预设范围内;该电压和电流被限制在预设范围内的直流电驱动光源负载发光。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，摩擦发电装置包括:封装外壳，由绝缘材料制备;若干个相互串联的摩擦发电机，封装于封装外壳内。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，摩擦发电机包括上下两层;摩擦发电机的下层包括:由高分子材料制备的第二摩擦层和形成于第二摩擦层下表面的第二电极;摩擦发电机的上层包括:由高分子材料制备的第一摩擦层和形成于该第一摩擦层上的第一电极层，整个上层会向第一摩擦层方向弯曲，从而形成一个拱形的结构;其中，第一摩擦层和第二摩擦层相对设置，制备第一摩擦层和第二摩擦层的材料位于摩擦电极序的不同位置。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，制备第一摩擦层的材料为聚四氟乙烯。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，制备第二摩擦层的材料为聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂或聚甲醛。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，第一电极和第二电极的材料选自于金、银、铜或铂。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，封装外壳为:有机硅;或软塑料;或内外两层，内层是硅胶缓冲层，外层是刚性材料。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，整流电路为桥型整流器。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，限流限压电路包括:第一电容，其第一端和第二端分别电性连接至整流电路的两输出端;第二电容，其第一端通过第一电阻电性连接至第一电容的第一端，其第二端电性连接至第一电容的第一端。
优选地，本实用新型自供电照明系统中，光源负载为串联的若干个LED灯;该若干个LED灯中，第一个灯的正极及最后一灯的负极分别与限流限压电路的两输出端电性连接。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本实用新型基于摩擦发电机的自供电照明系统具有以下有益效果:
(1)摩擦发电机的机械能-电能转化效率很高，仅仅用手轻拍发电机，所提供的功率就能够达到0.5mw/cm2。照明系统从环境即时收集来的能量足够驱动LED发光，因而体系中不需要蓄电池，从而降低了制造成本。
(2)摩擦发电机可以从多种机械运动(如震动，风力)中收集环境能量，因而本照明系统具有更加广阔的应用前景，如矿井中的紧急照明系统、人行道及楼梯的夜间照明系统、以及隧道和山区中的长程照明系统。
附图说明
图1为本实用新型实施例自供电照明系统的结构示意图;
图2为图1所示自供电照明系统中摩擦发电装置的结构示意图;
图3为图2所示摩擦发电装置中摩擦发电机的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分部使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本实用新型提供的基于摩擦发电机的自供电照明系统，其中，摩擦发电机的结构，所用材料及制备方法已发表在了《纳米能源》杂志上，这种摩擦发电机能够在手指轻拍的情况下提供4.125mW的功率，驱动50个串联的商用LED灯同时发亮。然而在《纳米能源》杂质所发表的研究中，只对新型的摩擦发电机的输出及应用做了简单演示，并没有对其进行封装。
在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦发电机的自供电照明系统。如图1所示，该自供电照明系统包括:摩擦发电装置，内部封装了若干个相互串联的摩擦发电机;整流电路，其两输入端电性连接至摩擦发电装置的两输出端;限流限压电路，其两输入端电性连接至整流电路的两输出端;LED光源负载，其正极和负极分别电性连接至限流限压电路的两输出端。其中，摩擦发电装置将外界的机械能转换为电能，整流电路将摩擦发电装置输出的交流电转换为直流电;限流限压电路将整流电路输出的直流电的电压和电流限制在预设范围内;该电压和电流被限制在预设范围内的直流电驱动LED光源负载发光。
以下分别对本实施例自供电照明系统的各个组成部分进行详细说明。
请参照图1，整流电路将摩擦发电装置输出的交流电转换为直流电，典型地为四个二极管整流电路组成的桥型整流电路。该桥型整流电路的A端及B端分别与摩擦发电装置的正极及负极电性连接。其中，该桥型整流电路的最大额定电压为600V，最大额定电流为35A。
需要说明的是，虽然本实施例采用桥型整流电路，但本发明并不以此为限。本领域技术人员可以根据需要选择其他类型的整流电路，只要能将摩擦发电装置所输出的交流电转换为直流即可。
请参照图1，限流限压电路，用于将整流电路输出的直流电的电压和电流限制在预设范围内，包括:第一电容，其第一端和第二端分别电性连接至整流电路的两输出端(C端和D端);第二电容，其第一端通过第一电阻电性连接至第一电容的第一端，其第二端电性连接至第一电容的第一端。其中，第一电容、第二电容为两个大小约为100μF的低压电容器。第一电阻的阻值为500MΩ，他们共同将电路内的电压及电流控制在一个比较窄的范围内，例如:1V～10V。
需要说明的是，虽然本实施例采用由两电容和一电阻组成的限流限压电路，但本发明并不以此为限。本领域技术人员可以根据需要选择其他类型的限流限压电路，只要能将电流和电压限制在预设范围之内，在保证安全的前提下，不对LED光源负载造成损害即可。
本实施例中，LED光源负载可以是串联排列的若干个LED灯，第一个灯的正极及最后一灯的负极分别与限流限压电路中第二电容的第一端和第二端电性连接。每一LED灯的功率介于50mW～100mW之间。
根据自供电照明系统的用途，摩擦发电装置的尺寸，封装所用的材料及尺寸部会有不同程度的差别，然而自供电照明系统的基本结构是一致的。
请参照图2，摩擦发电装置包括:绝缘材料构成的封装外壳，及位于该绝缘外壳内的多个串联排列的摩擦发电机。
图3给出了单个摩擦发电机的结构。请参照图3，摩擦发电机的长约为3.5厘米，宽约为2.5厘米，而厚度约为20毫米，分为上层结构和下层结构。
所述摩擦发电机的上层结构呈拱形，包括了一个聚四氟乙烯(PTFE)的薄膜，在薄膜上沉积了一层铜作为顶端的正极。因为PEFE与铜的热膨胀系数差别较大，整个上层结构会向高分子层方向弯曲，从而形成一个拱形的结构。
所述摩擦发电机的下层结构与上层结构不同，没有弯曲，保持平整。为平整结构，该下层结构是一个沉积了银的聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯(PTE)薄膜，银在PTE薄膜底端，作为负极。
在组装成摩擦发电机之前，PTFE薄膜要经过预先的充电过程使之带负电。所述第一电极和第二电极的材料选自于金、银、铜或铂
当摩擦发电装置受到外力，如风力、行人的踩踏力，或震动作用时，PTFE及PTE薄膜间的相对距离将发生改变，在铜及银电极上的电荷分布会随之改变从而产生电流:当PTFE薄膜与PTE薄膜的距离减小时，外电路中将产生一个由铜电极流向银电极的电流;而当两薄膜间的距离增大时则反之，外电路产生一个由银电极流向铜电极的电流。通过这种机理，摩擦发电装置可将外界不规则的机械能转化为电能从而驱动光源发亮。
根据照明装置用途的不同，封装外壳所用的材料及结构也有所不同，例如:
(1)用在矿井中作为紧急照明系统时，纳米发电装置要放在矿工的衣服内，因而封装外壳的材料要为柔软的绝缘体，且对人体没有毒性，如有机硅。发电装置中包含4个发电机，形状为长8厘米、宽6厘米，厚30毫米，负责为矿工头盔上的一个光源供电;
(2)作为自家楼梯或公共人行道的夜间照明系统时，纳米发电装置要铺在路面或地面上承受行人的踩踏和车辆的碾压，因纳米发电机主体比较脆弱，为保证纳米发电机在承受行人踩踏和车辆的碾压时不会损坏，可以用两层不同的材料对纳米发电机进行封装:贴近纳米发电机的内层材料是硅胶的缓冲层，这层材料可以有效的保护纳米发电机处于过量形变之下;在内层材料的外部，再封装一层刚性材料(外层材料)，如硬塑料，这层材料可以有效避免踩踏和碾压所造成的破坏性形变，保护纳米发电机不受损坏。发电装置的形状为矩形，放在楼梯上的发电装置为40厘米×20厘米×30毫米大，内含4个发电机，每隔2-3阶楼梯放置一个，为旁边的若干个LED灯供电;相同的发电装置也可均匀的铺设在人行道上，为两侧的LED地灯供电;
(3)作为列车隧道或山区的长程照明系统时，封装材料选取软塑料以便于收集风力及微小震动产生的机械能。发电装置的形状为矩形，10厘米×6厘米×25毫米大，内含5个纳米发电机。每20-30米放置一个，为旁边的照明设备供电。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型基于摩擦发电机的自供电照明系统有了清楚的认识。
上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状和方法，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如:
(1)根据申请号为201210160542.6及201220483972.7的摩擦发电机的相关专利，摩擦发电机中下层高分子薄膜所用的材料，除了以上实施方式中采用的聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯薄膜之外，还可以采用聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、及聚甲醛薄膜等;
(2)为了使回路中的电流、电压控制在一个较窄的范围内，还可以用有载抽头的变换器与电抗器串联使用来代替整流桥及电路中的两个电容及电阻组成的限流限压电路;
(3)光源负载可以是一支LED灯，也可以是若干个LED灯串联起来的阵列，或是其他类型的低功率光源，此处并不对光源类型做任何限制。
综上所述，本发明为一种多用途的自供电照明系统，其可将环境中不规则的机械能，如风能或震动能，转化为电能从而为照明系统供电。这种照明系统既可以作为应急照明系统应用在矿井中、深夜的楼梯及人行道上，又可作为列车隧道及山区的长程照明系统。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自供电照明系统，其特征在于，包括:
摩擦发电装置，内部封装了若干个摩擦发电机;
整流电路，其两输入端电性连接至所述摩擦发电装置的两输出端;
限流限压电路，其两输入端电性连接至所述整流电路的两输出端;以及
光源负载，其正极和负极分别电性连接至所述限流限压电路的两输出端；
其中，摩擦发电装置将外界的机械能转换为电能，整流电路将摩擦发电装置输出的交流电转换为直流电;限流限压电路将整流电路输出的直流电的电压和电流限制在预设范围内;该电压和电流被限制在预设范围内的直流电驱动光源负载发光。
2.根据权利要求1所述的自供电照明系统，其特征在于，所述摩擦发电装置包括:
封装外壳，由绝缘材料制备;
若干个相互串联的摩擦发电机，封装于所述封装外壳内。
3.根据权利要求2所述的自供电照明系统，其特征在于，所述摩擦发电机包括上下两层;
所述摩擦发电机的下层包括:由高分子材料制备的第二摩擦层和形成于第二摩擦层下表面的第二电极;
所述摩擦发电机的上层包括:由高分子材料制备的第一摩擦层和形成于该第一摩擦层上的第一电极层，整个上层会向第一摩擦层方向弯曲，从而形成一个拱形的结构;
其中，所述第一摩擦层和第二摩擦层相对设置，制备所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料位于摩擦电极序的不同位置。
4.根据权利要求3所述的自供电照明系统，其特征在于，制备所述第一摩擦层的材料为聚四氟乙烯。
5.根据权利要求3所述的自供电照明系统，其特征在于，制备所述第二摩擦层的材料为聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂或聚甲醛。
6.根据权利要求3所述的自供电照明系统，其特征在于，所述第一电极和第二电极的材料选自于金、银、铜或铂。
7.根据权利要求2所述的自供电照明系统，其特征在于，所述封装外壳为:
有机硅;或
软塑料;或
内外两层，内层是硅胶缓冲层，外层是刚性材料。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的自供电照明系统，其特征在于，所述整流电路为桥型整流器。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的自供电照明系统，其特征在于，所述限流限压电路包括:
第一电容，其第一端和第二端分别电性连接至整流电路的两输出端;
第二电容，其第一端通过第一电阻电性连接至第一电容的第一端，其第二端电性连接至第一电容的第一端。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的自供能照明系统，其特征在于，所述光源负载为串联的若干个LED灯;
该若干个LED灯中，第一个灯的正极及最后一灯的负极分别与限流限压电路的两输出端电性连接。
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