CN204131203U - 一种无线传感器网络节点的自供电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种无线传感器网络节点的自供电装置，所述自供电装置包括：振动发电装置、摩擦发电装置和储能装置；所述振动发电装置采用双层磁弹簧结构，包括：聚四氟乙烯层、铝箔层和磁体；铝箔层上设置有电极，所述电极与所述储能装置相连；所述摩擦发电装置包括：PET基盘、可与所述PET基盘上表面相摩擦的发电盘，以及设置于所述PET基盘下表面的电极盘。本实用新型可以直接采集环境中的振动能量和风能，电能输出稳定，造价低廉，适合大规模推广使用。

Description

一种无线传感器网络节点的自供电装置

技术领域

本实用新型涉及供电技术，具体涉及一种无线传感器网络节点的自供电装置，属于自动发电设备制造技术领域。 

背景技术

无线传感器网络日益广泛地应用于大型基础设施的健康监测中，但是，现有技术中，给无线传感器网络中的节点供电的电源都是普通的电池。由于普通电池的使用寿命非常有限，电池更换时不仅要耗费巨大的人力，经济成本高，尤其是在环境恶劣或其它人类无法到达的场合时，电池的更换就会变得尤为困难，有时甚至是不可能的。因此，现有技术中亟待解决的问题就是如何利用自然环境中的能源有效地为无线传感器网络中的节点提供能量，以此代替传统的电池供电。 

实用新型内容

本实用新型提供一种体积小巧、可持续产生电能、无需维护和更换电池的无线传感器网络节点的自供电装置。所述自供电装置包括：振动发电装置、摩擦发电装置和储能装置。 

所述振动发电装置包括： 

所述振动能量发电装置采用双层磁弹簧结构，其中， 

圆筒形的外壳内具有上层的第一磁铁、中层的第二磁铁、下层的第三磁铁；所述第一磁铁和第三磁铁与外壳固定连接，第二磁铁能够在外壳内进行上下方向的往复运动； 

第一磁铁的下侧面连接有柱状的第一泡沫材料层，所述第一泡沫材料层的下侧面覆盖第一导电金属材料层； 

第二磁铁的上下两侧分别连接有柱状的第二泡沫材料层和第三泡沫材料层；所述第二泡沫材料层的上侧面覆盖有第二导电金属材料层，且在所述第二导电金属材料层的上侧面覆盖有第一电负性材料层；所述第三泡沫材料层的下侧面覆盖有第三导电金属材料层，且在所述第三导电金属材料层的下侧面覆盖有第二电负性材料层； 

第三磁铁的上侧面连接有柱状的第四泡沫材料层；所述第四泡沫材料层的上侧面覆盖第四导电金属材料层； 

所述第一导电金属材料层与第一电负性材料层之间具有第一间隙，第二电负性材料层与第四导电金属材料层之间，具有第二间隙； 

所述磁铁、泡沫材料层、导电金属材料层和电负性材料层的直径与圆筒形外壳的内径相匹配。 

优选地，所述导电金属材料层为铝箔。 

优选地，所述电负性材料层为薄片状聚四氟乙烯(PTFE)。 

优选地，所述第一间隙和第二间隙为5mm左右。 

所述摩擦发电装置包括： 

风帽、传动方轴，所述风帽由风力驱动旋转，并带动所述传动方轴转动； 

发电盘，所述发电盘以方孔圆盘为基盘，并在所述方孔圆盘的两面贴附有多个互不相连的扇形的聚四氟乙烯片； 

PET基盘，所述PET基盘的上表面可与发电盘相摩擦； 

电极盘，所述电极盘以圆孔圆盘为基盘，并在所述圆孔圆盘的两面贴附有多个互不相连的扇形的电极片，所述电极盘与所述储能装置相连， 

其中，多个所述聚四氟乙烯片绕圆心对称排布在所述发电盘上； 

其中，多个所述电极片绕圆心对称排布在所述电极盘上； 

其中，所述发电盘上聚四氟乙烯片的数量，为所述电极盘上电极片的数量的一半，且每个所述聚四氟乙烯片的面积与每个所述电极片的面积相同。 

其中，所述电极片为金属铝辐射电极。 

其中，所述储能装置为超级电容和/或蓄电池。 

其中，所述自供电装置还包括：整流装置；所述振动发电装置和所述摩擦发电装置分别通过所述整流装置与所述储能装置相连。 

本实用新型基于纳米摩擦发电原理，通过振动发电装置和摩擦发电装置回收集振动能和风能，解决了与无线网络节点的供能相关的一系列问题，实现了自供电。此外，由于采用振动和摩擦发电，本实用新型体积小巧，便于携带、部署，即使在恶劣的环境中依然可以保持正常工作，省去了人工维护和监测的成本，大大方便了无线网络节点的使用和安装。 

附图说明

图1是无线网络节点的自供电装置的整体框架图； 

图2是无线网络节点的自供电装置的振动发电装置原理图； 

图3是无线网络节点的自供电装置的振动发电装置结构图； 

图4是无线网络节点的自供电装置的摩擦发电装置原理图； 

图5是无线网络节点的自供电装置的发电盘结构示意图； 

图6是无线网络节点的自供电装置的摩擦发电装置结构图。 

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行描述，显然，所描述的仅仅是本实用新型一部分实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 

如图1所示，本实用新型的无线网络节点的自供电装置包括：振动发电装置1、摩擦发电装置2和储能装置3。储能装置3用于给无线节点5持续供电。在本实施例中，储能装置3优先采用超级电容和/或蓄电池。所属自供电装置还可以包括：整流装置4；整流装置4用于对振动发电装置1和摩擦发电装置2产生的电路进行调节和处理，以便于储能装置3能够有效吸收和利用。振动发电装置1和摩擦发电装置2分别通过整流装置4与储能装置3相连。 

如图2所示，导电金属材料和电负性材料之间发生相对位移变化或者摩擦时，由于电负性得电子能力的差别，导电金属材料a表面感应出正电荷，电负性材料b表面感应出电负荷。由于静电感应与间距有关，间距越小，静电感应就越强，感应出的电荷越多。导电金属材料a和电负性材料b的间距沿虚实箭头方向变化时，就会在电负性材料b和导电金属材料a之间产生持续不断的电动势，通过导线连接，便能产生电流。 

如图3所示，所述振动发电装置采用双层磁弹簧结构，具体地说，其包括：所述振动能量发电装置受到振动激励时，第二磁铁8由于惯性会在外壳1内做上下方向的往复运动，并带动第二磁铁8上覆盖的第一电负性材料层5和第二电负性材料层11同时运动。这样，第一电负性材料层5和第一导电金属材料层4不断地接触又分离，第二电负性材料层11和第四导电金属材料层13不断地接触又分离，使第一间隙16和第二间隙17不断发生变化，此过程满足摩擦发电原理。因此，在第一导电金属材料层4和第一电负性材料层5之间、在第四导电金属材料13和第二电负性材料11之间产生电动势，产生电流。重复上述过即可持续发电。 

如图4所示，聚四氟乙烯片210沿实心箭头方向运动时，聚四氟乙烯与PET之间发生摩擦，由于他们负电性的不同和静电感应，聚四氟乙烯(PTFE)表面带负电荷，PET表面带正电荷。由于转动盘21上聚四氟乙烯片210的数量为电极盘20上电极片的数量的一半，且每个聚四氟乙烯片210的面积与每个电极片的面积相同，因此，每个聚四氟乙烯片210经过两个铝电极时，其面积只对应两个铝电极总面积的一半，所以在两个相邻的铝电极上分别感应出正电荷和负电荷，由于自锁作用，不会有电流；随着四氟乙烯片210与PET基盘22的相对位置变化，会引起相邻两个铝电极上感应的电荷发生转移，产生电流。 

当聚四氟乙烯片210沿虚线箭头方向运动时，其产生电路的原理与上述方式一致，只是电流方向相反。 

如图5所示，多个聚四氟乙烯片210绕圆心(此圆心一般为传动轴的轴心)对称排布在方孔圆盘上以形成发电盘21；同时，电极盘20由多个绕圆周排布且互不相连的电极片组成。电极片采用金属铝辐射电极。 

如图6所示，所述摩擦发电装置2包括：传动方轴250和用于驱动发电盘21的风帽25；风帽25通过传动方轴250与发电盘21相连。风帽25优选采用垂直轴风帽。风帽能够感知和吸收任意方向的风能，受到风作用时会带动传动方轴250转动。传动方轴250不通过其它转化装置而直接同发电盘21相连接来摩擦发电，这样不仅使结构更加紧凑同时更进一步提高了转化效率。 

当发电盘21在风帽25的驱动下转动时，发电盘21与PET基盘22产生电荷感应，从而使设置于PET基盘22下表面的电极盘20上的相邻电极片产生电流，以此实现了持续性的摩擦发电。 

实际应用中，PET基盘22、发电盘21和电极盘20之间在竖直方向上间距为0.5mm左右。而且，每个相邻的PET基盘22、转动盘21和电极盘20构成一个摩擦发电单元29，一个风轮25可以同时驱动多个摩擦发电单元29，以最大化的利用风能发电。 

本实用新型以纳米摩擦发电为发电原理，主体发电材料为价格低廉的PTFE与铝箔，发电结构简单，具有较强的可推广性，可以直接收集周围环境中的振动能量和风能，针对如桥梁上既有风能又有振动能量的环境，风能和振动能复合的供电装置可以更好的使用，并改善了电能输出的稳定性。本实用新型有效利用了环境中本将浪费的能量，解决了野外无线传感网络节点供电难的问题，由于摆脱了传统的电池供电，同时还能改善部分传感网络节点中难以回收的废旧电池污染问题。 

以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，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 (6)

1.一种无线传感器网络节点的自供电装置，其特征在于，所述自供电装置包括：振动发电装置、摩擦发电装置和储能装置；

所述振动发电装置包括：三块间隙排布的磁体，端磁体的磁极同向设置，中间磁体的磁极与端磁体的磁极反向设置，两个端磁体的位置固定；

四个铝箔层，其通过泡沫层分别固定到所述中间磁体的两侧面，以及所述两个端磁体的内侧面；

两个聚四氟乙烯层，其分别覆盖在所述中间磁体侧面的两个铝箔层上；

所述端磁体的内表面上的铝箔层设置有电极，所述电极与所述储能装置相连；

所述摩擦发电装置包括：PET基盘、可与所述PET基盘上表面相摩擦的发电盘，以及设置于所述PET基盘下表面的电极盘；所述电极盘与所述储能装置相连；传动方轴和用于驱动所述发电盘的风帽；所述风帽通过传动方轴与所述发电盘相连。

2.根据权利要求1所述的自供电装置，其特征在于，所述发电盘是在方孔圆盘上的两面贴附多个圆周排布且互不相连的的扇形的聚四氟乙烯片而构成的，所述电极盘是在圆孔圆盘上的两面贴附多个圆周排布且互不相连的扇形的电极片而构成的，相邻的两个电极片通过导线与所述储能装置相连。

3.根据权利要求2所述的自供电装置，其特征在于，所述发电盘上聚四氟乙烯片的数量，为所述电极盘上电极片的数量的一半；且每个所述聚四氟乙烯片的面积与每个所述电极片的面积相同。

4.根据权利要求3所述的自供电装置，其特征在于，所述电极片为金属铝辐射电极。

5.根据权利要求1-4任一所述的自供电装置，其特征在于，所述储能装置为超级电容和/或蓄电池。

6.根据权利要求1-4任一所述的自供电装置，其特征在于，还包括整流装置，所述振动发电装置和所述摩擦发电装置分别通过所述整流装置与所述储能装置相连。