CN219249796U

CN219249796U - 一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫及储能系统

Info

Publication number: CN219249796U
Application number: CN202223050125.4U
Authority: CN
Inventors: 周桃; 孙立群; 蒋锐; 成会明
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2032-11-16

Abstract

本实用新型公开了一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫及储能系统，发电地垫包括：地垫顶层、地垫底座以及防滑垫。地垫顶层设置有若干腔室，每一个腔室内设置有发电单元，发电单元为摩擦纳米发电机。地垫底座设置在地垫顶层的下方，且与地垫顶层密封连接，地垫底座上设置有发电单元的摩擦电极，摩擦电极与摩擦起电层之间因外力驱动产生接触或者分离时输出交流电。防滑垫设置在地垫底座的下方，地垫顶层的底部设置有密封塞；地垫底座的顶部上设置有防水凹槽，密封塞位于防水凹槽内。本实用新型的发电地垫采用摩擦纳米发电机作为发电单元，可以有效提高发电效率，并且，通过设置密封塞与防水凹槽可有效实现防水防潮的效果。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫及储能系统

技术领域

本实用新型涉及能量回收利用技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫及储能系统。

背景技术

在碳达峰碳中和背景下，能源问题越来越引起关注。如果能将生活中人体走路、跑步等的机械能转换为电能存储起来，将在一定程度上减少化石能源的消耗。地垫是室内外防滑、装饰、保护地面常见的产品，往往大面积铺设。如果能够在地垫内部嵌入发电单元，当人们行走时，就可以通过踩压地垫来发电。

但是，现有技术中的发电地垫基本都是采用压电陶瓷发电机或者电磁感应发电机作为发电单元，发电效率低。并且，目前的发电地垫均未考虑防水问题。

因此，现有技术还有待改进和提高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫及储能系统，旨在解决现有技术中的发电地垫发电效率低以及未考虑防水的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

第一方面，本实用新型提供一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其中，所述发电地垫包括：

地垫顶层，所述地垫顶层设置有若干腔室，每一个所述腔室内设置有发电单元，所述发电单元为摩擦纳米发电机；

地垫底座，所述地垫底座设置在所述地垫顶层的下方，且与所述地垫顶层密封连接，所述地垫底座上与所述腔室的对应位置处设置有所述发电单元的摩擦电极，其中，所述摩擦电极与所述摩擦起电层之间因外力驱动产生接触或者分离时输出交流电；

防滑垫，所述防滑垫设置在所述地垫底座的下方；

其中，所述地垫顶层的底部设置有密封塞，所述密封塞沿着所述地垫顶层的外缘轮廓设置；所述地垫底座的顶部上与所述密封塞的对应位置处设置有防水凹槽，所述密封塞位于所述防水凹槽内。

在一种实现方式中，所述腔室的内壁为所述发电单元的所述摩擦起电层。

在一种实现方式中，所述摩擦电极包括：第一摩擦电极以及第二摩擦电极，所述第一摩擦电极与所述第二摩擦电极通过所述发电单元的输出端导线连接。

在一种实现方式中，所述第一摩擦电极的底部为导电电极，表面覆盖一层驻极体薄膜材料；所述第二摩擦电极为导电材料。

在一种实现方式中，所述地垫底座上设置有整流电路，所述整流电路与每一个所述发电单元的所述输出端导线连接。

在一种实现方式中，所述地垫底座上设置有输出端，所述输出端位于所述地垫底座的外缘轮廓的侧面上，且所述输出端通过导线与所述整流电路连接。

在一种实现方式中，所述地垫底座上设置有拼接柱与拼接孔，所述拼接柱与所述拼接孔分别位于所述地垫底座的外缘轮廓的不同侧面上，且所述拼接柱与所述拼接孔对称设置。

在一种实现方式中，所述地垫底座上设置有定位孔，所述定位孔用于实现所述地垫底座与地垫顶层之间的定位。

在一种实现方式中，所述地垫顶层采用柔软材料，所述地垫底座采用硬质塑料材质。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种基于上述任一项所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫组成的储能系统，其中，所述储能系统包括：由若干个所述发电地垫拼接而成的地垫组件、稳压充电电路以及充电电池；其中，所有的所述发电地垫的输出端并联，并与稳压充电电路连接；所述充电电池与用电设备连接。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型提供了一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫，所述装置包括：地垫顶层、地垫底座以及防滑垫。所述地垫顶层设置有若干腔室，每一个所述腔室内设置有发电单元，所述发电单元为摩擦纳米发电机。所述地垫底座设置在所述地垫顶层的下方，且与所述地垫顶层密封连接，所述地垫底座上与所述腔室的对应位置处设置有所述发电单元的摩擦电极，其中，所述摩擦电极与所述摩擦起电层之间因外力驱动产生接触或者分离时输出交流电。所述防滑垫设置在所述地垫底座的下方。其中，所述地垫顶层的底部设置有密封塞，所述密封塞沿着所述地垫顶层的外缘轮廓设置；所述地垫底座的顶部上与所述密封塞的对应位置处设置有防水凹槽，所述密封塞位于所述防水凹槽内。本实用新型的发电地垫采用摩擦纳米发电机作为发电单元，可以有效提高发电效率，并且，通过设置密封塞与防水凹槽可有效实现防水防潮的效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于摩擦纳米发电机的发电地垫的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的基于摩擦纳米发电机的发电地垫的发电单元的工作原理。

图3为本实用新型实施例提供的基于摩擦纳米发电机的发电地垫的发电单元开路电压的输出曲线以及短路电流的输出曲线。

图4为本实用新型实施例提供的储能系统中发电地垫的拼接方式示意图。

图5为本实用新型实施例提供的储能系统的工作原理示意图。

标号说明：

地垫顶层	1	腔室	2
				密封塞3	3	地垫底座	4
防水凹槽	5	拼接孔	6
				定位孔	7	拼接柱	8
第一摩擦电极	9	第二摩擦电极	10
				输出端导线	11	整流电路	12
导线	13	输出端	14
				防滑垫	15

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫，如图1中所示，本实施例的发电地垫包括从上至下依次设置的地垫顶层1、地垫底座4以及防滑垫15。在本实施例中，地垫顶层1设置有多个腔室2，比如，图1中的地垫顶层1上设置有四个腔室2，使得地垫顶层1形成田字结构。每一个腔室2内设置有发电单元。而在本实施例中，地垫底座4设置在所述地垫顶层1的下方，且与所述地垫顶层1密封连接。并且，地垫底座4上与所述腔室2的对应位置处设置有所述发电单元的摩擦电极。从图1可以看出，当地垫底座4与地垫顶层1密封连接后，发电单元就密封在对应的腔室2内，从而有利于实现对发电单元的防水效果。本实施例中的发电单元采用摩擦纳米发电机。从物理效应来看，摩擦纳米发电机是基于两种材料的接触摩擦，产生静电感应并对外输出电流。摩擦纳米发电机具有高电压、低电流、在低频下发电效率高的特点，非常适合于收集环境中的微机械能。在本实施例，所述地垫顶层1采用柔软材料，所述地垫底座4采用硬质塑料材质。每个发电单元都是一个摩擦纳米发电机。当人们在地垫上行走时，踩压地垫，地垫会在自身弹性的作用下恢复原位，这个过程可以带动发电单元输出一个交流电。因此，本实施例中摩擦电极与所述摩擦起电层之间因外力驱动产生接触或者分离时输出交流电。

由于摩擦纳米发电机(TENG)的发电效率受环境湿度的影响，当下雨或者潮湿时，摩擦起电效应会相对减弱，从而大大影响摩擦纳米发电机的性能。此外，当发电材料频繁摩擦时，易发生磨损，从而造成TENG损坏或发电效率降低。为此，本实施例的地垫顶层1的底部设置有密封塞3，所述密封塞3沿着所述地垫顶层1的外缘轮廓设置；所述地垫底座4的顶部上与所述密封塞3的对应位置处设置有防水凹槽5，所述密封塞3位于所述防水凹槽5内。从图1可以看出，本实施例的发电地垫的整体形状为正方形，因此地垫顶层1与地垫底座4均为正方形，在设置密封塞3时，可将密封塞3沿着地垫顶层1的四边进行设置，同样地，在设置防水凹槽5时，也可将防水凹槽5沿着地垫底座4的四边进行设置。此外，本实施例的防水凹槽5与密封塞3可采用具有一定弹性的材料制成，这样就可以方便密封塞3卡进防水凹槽5，并且也有利于实现更好的防水防潮湿的效果。

本实施例中发电单元包括摩擦起电层、摩擦电极以及发电单元的输出端导线11组成。具体地，本实施例的摩擦起电层为腔室2的内壁，并且摩擦起电层为EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、PVC(聚氯乙烯)、硅胶等柔软材质。本实施例中的所述摩擦电极包括：第一摩擦电极9以及第二摩擦电极10，所述第一摩擦电极9与所述第二摩擦电极10通过所述发电单元的输出端导线11连接。所述第一摩擦电极9的底部为导电电极，表面覆盖一层驻极体薄膜材料，如PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(可熔性聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)、Teflon-FEP(聚全氯乙丙烯)等；所述第二摩擦电极10为导电材料，如铜、铝等。所述地垫底座4上设置有整流电路12，所述整流电路12与每一个所述发电单元的所述输出端导线11连接。所述地垫底座4上设置有输出端14，所述输出端14位于所述地垫底座4的外缘轮廓的侧面上，且所述输出端14通过导线13与所述整流电路12连接。

如图2所示，当在地垫上行走时，摩擦起电层会与第一摩擦电极9和第二摩擦电极10完全接触，假设二者事先都不带电，由于摩擦起电效应，当第一摩擦电极9表面的驻极体材料与摩擦起电层接触时，摩擦起电层会失电子，第一摩擦电极9表面会得电子；而当第二摩擦电极10与摩擦起电层接触时，第二摩擦电极10表面会失电子，摩擦起电层会得电子；因此会产生如图2(a)所示的电荷分布；当摩擦起电层在自身弹性作用下回弹时，由于静电感应效应，电子会通过外电路从第一摩擦电极9流向第二摩擦电极10，图2中的外电路以负载R示意，电流流向以黑色箭头示意，从而形成一个由第二摩擦电极10流向第一摩擦电极9的电流i，如图2(b)所示；当摩擦起电层完全弹回时，电子会停止流动，此时外电路(负载R)上没有电流，如图2(c)所示；随后，当摩擦起电层在外力的驱动下再一次向第一摩擦电极9和第二摩擦电极10靠近时，由于静电感应效应，电子会通过外电路(负载R)从第二摩擦电极10流回第一摩擦电极9，形成一个从第一摩擦电极9流向第二摩擦电极10的电流i，如图2(d)所示；当摩擦起电层第一摩擦电极9第二摩擦电极10在外力的驱动下再一次完全接触时，如图2(a)所示，此时所有的感应电荷都已经被中和掉了，因此外电路(负载R)上没有电流。周期性地重复上述过程，就会在外电路(负载R)上产生一个交变的电流输出。

本实施例对该发电地垫的一个发电单元的实际发电效果进行了测试，其开路电压V_OC可达约80V(如图3A所示)，短路电流I_SC为幅值约±4μA的交流电(如图3B所示)。该发电地垫的每一个发电单元的输出端14均接入一个整流桥，将交流电变为直流电。地垫底座4上的整流电路12通过4个整流桥将4个发电单元的直流输出端14全部并联起来，经导线13连接至发电地垫输出端14。此外，本实施例的地垫底座4上设置有定位孔7，所述定位孔7用于实现所述地垫底座4与地垫顶层1之间的定位。在具体应用时，本实施例的定位孔7可设置成通孔，并且在地垫顶层1以及防滑垫15上可在定位孔7对应的位置处设置定位柱，在安装地垫顶层1与防滑垫15时，可将定位柱安装至地垫底座4的定位孔7内，这样就可以实现地垫顶层1、地垫底座4以及防滑垫15三者之间的准确定位。

在一种实现方式中，本实施例的地垫底座4上设置有拼接柱8与拼接孔6，所述拼接柱8与所述拼接孔6分别位于所述地垫底座4的外缘轮廓的不同侧面上，且所述拼接柱8与所述拼接孔6对称设置。比如，如图1中所示，由于地垫底座4是设置成正方形的，因此在正方形外缘轮廓的相邻两个侧面上分别设置拼接柱8与拼接孔6，然后再对称在对应的侧面上设置拼接柱8与拼接孔6，这样，正方形的地垫底座4上，外缘轮廓的四个侧面中，有两个侧面上设置拼接柱8，另外两个侧面设置拼接孔6，且拼接孔6与拼接柱8位于相邻的侧面上。本实施例的中拼接孔6与拼接柱8是匹配的，也就是说，拼接柱8是可以插入至拼接孔6内，这样就可以实现多个发电地垫的拼接。发电地垫的拼接方案如图4所示，按黑色箭头的方向将拼接孔6和拼接柱8连接起来即可。每块发电地垫的输出端14通过对应的拼接孔6并联起来，从而形成更大面积发电地垫。并且，本实施例采用拼接柱8和拼接孔6来实现拼接的方式还达到了方便拆卸的效果，当发生故障时，只需检测出具体哪一块地垫发生了故障，对其进行维修或更换即可。在一种实现方式中，拼接柱8和发电地垫的输出端14可设置成一体结构，即使得发电地垫的输出端14可以直接充当拼接柱8来与拼接孔6连接。

基于上述实施例，本实用新型还提供一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫组成的储能系统，该储能系统包括：由若干个所述发电地垫拼接而成的地垫组件、稳压充电电路以及充电电池；其中，所有的所述发电地垫的输出端14并联，并与稳压充电电路连接；所述充电电池与用电设备连接。如图5所示，该储能系统中的每个发电单元均接入一个整流桥，每个整流桥的直流输出端14并联起来，接入稳压充电电路，给充电电池充电，充满后可以为各种用电设备供电，该电能可用于环境照明或者为手机、耳机、手表、充电宝等小型用电设备充电。本实施例中的多个发电地垫在进行拼接时，可采用图4中的拼接方式，将各个发电地垫的拼接孔6和拼接柱8连接起来即可。

由此可见，本实施例使用摩擦纳米发电机作为发电单元，其工作原理与以往的电磁感应发电机和压电陶瓷发电机有本质区别，结构简单，原材料广泛，成本低廉，能量转换效率高，易大规模生产。本实施例的发电地垫无弹簧和复杂的机械结构，减少了生产和安装工序，降低了成本，提高了稳定性，减少了故障率。本实施例的发电地垫的电路系统结构简单，电子元器件较少，节约了成本，减少了资源浪费。本实施例的发电地垫增加了防水防潮的结构设计，在室内地面积水/潮湿、室外雨雪天气，均不会造成电路故障，也不会影响发电效果。本实施例的发电地垫设计了可拼接的结构，可用于室内外大面积铺设。与一体式的发电地垫相比，可拼接的结构更利于日常维护，当发生故障时，只需检测出具体哪一块地垫发生了故障，对其进行维修或更换即可。

综上，本实用新型提供了一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫，所述装置包括：地垫顶层、地垫底座以及防滑垫。所述地垫顶层设置有若干腔室，每一个所述腔室内设置有发电单元，所述发电单元为摩擦纳米发电机。所述地垫底座设置在所述地垫顶层的下方，且与所述地垫顶层密封连接，所述地垫底座上与所述腔室的对应位置处设置有所述发电单元的摩擦电极，其中，所述摩擦电极与所述摩擦起电层之间因外力驱动产生接触或者分离时输出交流电。所述防滑垫设置在所述地垫底座的下方。其中，所述地垫顶层的底部设置有密封塞，所述密封塞沿着所述地垫顶层的外缘轮廓设置；所述地垫底座的顶部上与所述密封塞的对应位置处设置有防水凹槽，所述密封塞位于所述防水凹槽内。本实用新型的发电地垫采用摩擦纳米发电机作为发电单元，可以有效提高发电效率，并且，通过设置密封塞与防水凹槽可有效实现防水防潮的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其特征在于，所述发电地垫包括：

地垫底座，所述地垫底座设置在所述地垫顶层的下方，且与所述地垫顶层密封连接，所述地垫底座上与所述腔室的对应位置处设置有所述发电单元的摩擦电极，其中，所述腔室的内壁为所述发电单元的摩擦起电层，所述摩擦电极与所述摩擦起电层之间因外力驱动产生接触或者分离时输出交流电；

防滑垫，所述防滑垫设置在所述地垫底座的下方；

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其特征在于，所述摩擦电极包括：第一摩擦电极以及第二摩擦电极，所述第一摩擦电极与所述第二摩擦电极通过所述发电单元的输出端导线连接。

3.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其特征在于，所述第一摩擦电极的底部为导电电极，表面覆盖一层驻极体薄膜材料；所述第二摩擦电极为导电材料。

4.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其特征在于，所述地垫底座上设置有整流电路，所述整流电路与每一个所述发电单元的所述输出端导线连接。

5.根据权利要求4所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其特征在于，所述地垫底座上设置有输出端，所述输出端位于所述地垫底座的外缘轮廓的侧面上，且所述输出端通过导线与所述整流电路连接。

6.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其特征在于，所述地垫底座上设置有拼接柱与拼接孔，所述拼接柱与所述拼接孔分别位于所述地垫底座的外缘轮廓的不同侧面上，且所述拼接柱与所述拼接孔对称设置。

7.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其特征在于，所述地垫底座上设置有定位孔，所述定位孔用于实现所述地垫底座与地垫顶层之间的定位。

8.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫，其特征在于，所述地垫顶层采用柔软材料，所述地垫底座采用硬质塑料材质。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的基于摩擦纳米发电机的发电地垫组成的储能系统，其特征在于，所述储能系统包括：由若干个所述发电地垫拼接而成的地垫组件、稳压充电电路以及充电电池；其中，所有的所述发电地垫的输出端并联，并与稳压充电电路连接；所述充电电池与用电设备连接。