CN103944443A - 一种震动发电机及其级联结构发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种震动发电机及其级联结构发电机。本震动发电机包括拱形摩擦单元1、拱形摩擦单元2，拱形摩擦单元1内侧凹形表面与拱形摩擦单元2内侧凹形表面分别作为摩擦面相对放置，拱形摩擦单元1、2的外侧凸形表面分别设有一电极兼支撑材料层。本级联结构发电机包括多个所述震动发电机，若干组与所述震动发电机的电极兼支撑材料层匹配的第一几何互补形摩擦单元、第二几何互补形摩擦单元；连接两所述震动发电机的第一几何互补形摩擦单元以及与其连接的电极兼支撑材料层、第二几何互补形摩擦单元以及与其连接的电极兼支撑材料层构成一与所述震动发电机互补的震动发电机。本发明大大提高发电机的输出电压，有效提高对环境能量的收集和利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种震动发电机及其级联结构发电机，为物联网、植入式医疗器件和便携式电子设备等提供自供能的解决方案，即利用静电感应原理，采集日常生活中的机械运动、震动、碰撞和摩擦等能量的发电机设计和应用方案。
背景技术
近年来，物联网概念被提出，这需要将大量的传感器分布于各地，如何为这些散布网点的传感器供电，将是实现这项技术的一大难点；医疗技术中，往往需要向生物体植入芯片，如何为这些植入芯片持续供能，也是阻碍植入式治疗技术发展的一大障碍；除此之外，如何为人们日常常用的便携式电子设备，如ipad、iphone、电子书、笔记本电脑等，在断电后，提供一种应急的充电方案，也被产业界广泛关注。随着自采能、自供能(self-powered)新概念的提出，以上的问题有了解决的希望。目前，很多的研究工作都集中于此，包括基于光电(参考文献：Park，S.H. et al.Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching100％.Nature Photonics3，297-302(2009)；Chen，H.Y.etal.Polymer solar cells with enhanced open-circuit voltage and efficiency.Nature Photonics3，649-653(2009))、压电(参考文献：Wang，Z.L. and Song，J.H. Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays.Science312，242-246(2006).；YangR.，Qin Y.，Dai L.M.and Wang Z.L.，Power generation with laterally packaged piezoelectric fine wires.Nature Nanotechnology4，34-39(2009).；Chang，C.，Tran，V.H.，Wang，J.B.，Fuh，Y.K.and Lin，L.W.Direct-write piezoelectric polymeric nanogenerator with high energy conversion efficiency.Nano Lett10，726-731(2010).)和热电(参考文献：Hochbaum，A.I.et al.Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires.Nature451，163-167(2008).；Snyder，G.J.and Toberer，E.S.Complex thermoelectric materials.Nature Materials7，105-114(2008))效应的纳米发电机被提出。
近来，一种基于静电感应原理的发电机也被报道(参考文献：Fan，F.R.，Tian，Z.Q.，Wang，Z.L. Nano Energy1，328-334(2012).；Fan，F.R.et al.Transparent triboelectric nanogenerators and self-powered pressure sensors based on micropatterned plastic films.Nano Letters12，3109-3114(2012).；Zhu，G. et al.Triboelectric-generator-driven pulse electrodeposition for micropatterning.Nano Letters12，4960-4965(2012).；Wang，S.，Lin，L. and Wang，Z.L.Nanoscaletriboelectric-effect-enabled energy conversion for sustainably powering portable electronics.Nano Letters12，6339-6346(2012).)。借助拱形结构(参考文献：Wang，S.，Lin，L. and Wang，Z.L.Nanoscale triboelectric-effect-enabled energy conversion for sustainably powering portable electronics.Nano Letters12，6339-6346(2012))，这种摩擦发电机可以输出230伏的电压，输出功率可到9mW(合3.56mW/cm2)(见图1所示)。不过在实际应用中，拱形结构不利于充分吸收外界输入的能量。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供了一种基于静电感应，针对环境中的机械运动、震动、碰撞和摩擦等能量进行采集的发电机。
本发明的技术方案为：
一种震动发电机，其特征在于包括拱形摩擦单元1、拱形摩擦单元2，所述拱形摩擦单元1内侧凹形表面与所述拱形摩擦单元2内侧凹形表面分别作为摩擦面相对放置，所述拱形摩擦单元1的外侧凸形表面设有一电极兼支撑材料层，所述拱形摩擦单元2的外侧凸形表面设有一电极兼支撑材料层。
一种震动发电机，其特征在于包括拱形摩擦单元1、拱形摩擦单元2，所述拱形摩擦单元1外侧凸形表面与所述拱形摩擦单元2外侧凸形表面分别作为摩擦面相对放置，所述拱形摩擦单元1的内侧凹形表面设有一电极兼支撑材料层，所述拱形摩擦单元2的内侧凹形表面设有一电极兼支撑材料层。
进一步的，所述拱形摩擦单元1通过绝缘粘结层与所述电极兼支撑材料层连接；所述拱形摩擦单元2通过绝缘粘结层与所述电极兼支撑材料层连接。
进一步的，所述电极兼支撑材料层为一金属电极板；所述绝缘粘结层为胶粘剂。
进一步的，所述拱形摩擦单元1的摩擦表面具有微纳米图形结构或为光滑表面；所述拱形摩擦单元2的摩擦表面具有微纳米图形结构或为光滑表面。
进一步的，所述拱形摩擦单元1的材料为聚二甲基硅氧烷；所述拱形摩擦单元2的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述电极兼支撑材料层为铝电极板。
一种级联结构发电机，其特征在于包括多个如权利要求1所述震动发电机，若干组与所述震动发电机的电极兼支撑材料层匹配的第一几何互补形摩擦单元、第二几何互补形摩擦单元；其中，多个所述震动发电机之间分别通过一组所述第一几何互补形摩擦单元、第二几何互补形摩擦单元连接；连接两所述震动发电机的第一几何互补形摩擦单元以及与其连接的电极兼支撑材料层、第二几何互补形摩擦单元以及与其连接的电极兼支撑材料层构成一与所述震动发电机互补的震动发电机。
进一步的，所述第一互补形摩擦单元通过绝缘粘结层与所述电极兼支撑材料层连接；所述第二互补形摩擦单元通过绝缘粘结层与所述电极兼支撑材料层连接。
进一步的，所述第一互补形摩擦单元与所述第二互补形摩擦单元相对的表面具有微纳米图形结构或为光滑表面；所述第二互补形摩擦单元与所述第一互补形摩擦单元相对的表面具有微纳米图形结构或为光滑表面。
进一步的，多个所述震动发电机通过连接带或连接线相对固定在一起。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明改进了单层发电机。原有发电机利用聚酰亚胺和氧化硅间的应力差形成拱形结构，再在拱形结构的两面分别添加摩擦层和电极。本发明利用预弯曲的铝箔，直接作电极层和拱形，简化了多次制模的工艺步骤，把支撑层的材料选择分离出来，可以选择更合适的材料，为发电机提供更好的弹性和可靠性，同时还可实现对发电机的封装；
本发明提出了新型的互补单层发电机，与原有的拱形形成了良好的几何互补，同时还保持了单层发电机的优异性能；
本发明提出叠式弹簧结构的发电机，比单层发电机能更有效的吸收外界的能量冲击，从而将更多的能量用于对外输出；通过互补式几何叠加，比通过对原有单层发电机进行简单堆叠形成发电机的性能提高了两倍，从而提高了单位面积、单位体积的能量输出，同时还节省了材料和加工成本。本发明在只有双叠层的情况下，输出电压已高达760伏，输出功率为38mW(合10.1mW/cm2)，远高于其他微型发电技术。利用工业技术，叠层数量还可以大量增加，从而使得发电机的输出大大提高，并最终应用到实际的生产生活中，促进和实现对环境能量的有效收集和利用。
这项技术将是能源领域的革命性技术，将发展成一个重要的新产业。随着现有电子设备功耗的进一步降低，这项技术会彻底改变手持电子设备的能源供给方式并永久性解决长期待机问题，也可在其它需要长期供电的低能耗设备和相关领域获得广泛应用：
1、手持电子设备的电能补充：可给智能手机、平板电脑、电子书等手持设备的电池充电，使手持电子设备超长待机或免充电。举例如下：
a)制成透明薄膜与触屏结合，当触动屏幕时产生电量，给屏幕供电，多余的电量可以给自身电池充电，平常状态下感受外界震动产生电能给自身电池充电；
b)制成手机充电后盖与手机充电电路连接，直接给手机充电；
c)制成独立的手机充电外壳或扁平充电模块粘贴到手机后面，给手机充电；
2、便携机的供电，举例如下：
a)制成透明薄膜与触屏结合，当触动屏幕时产生电量，给屏幕供电，多余的电量可以给便携机的电池充电，在平常状态下，感受外界震动产生电能给自身电池充电；
b)在便携机键盘下方放置这种微型震动能量采集器，并与相应的充电电路连接，敲击键盘的同时实现为便携机充电；
c)制成独立的键盘膜，保护键盘的同时，接受敲击，并给便携机充电；
3、物联网领域：举例如下：
a)利用环境中的地面或主体的运动、空气或水的流动产生的震动，为各种物联网传感器的供电(例如动物放养跟踪、田间管理、洋流/水系监测、气象探测、环境监控等)，从而免去了更换电池带来的耗时耗力的后果；
b)利用本发明中的发电机作为主动测量传感器，从而直接克服了能量需求，将所测物理量直接转换为电学量进行收集分析；
c)制成RFID，在发电机上接入不同的电感，实现自供能的射频身份识别，具有极大的应用前景。
4、医疗领域，举例如下
a)利用发电机产生的高电压脉冲，在行走的过程中，刺激按摩人体的相应穴位、器官，实现日常行走中的医疗保健，同时存储记录相应的反馈信号，成为人体护理管家；
b)针对各类植入式器件的供能要求，借助环境震动提供能量来源，免除定期手术更换电池的危险；
c)新概念心脏起搏器，心脏跳动引起电压脉冲，再将产生的电压通过相应处理后，反作用于心脏，建立一个稳定的反馈机制，维持心脏的正常、持续跳动。
5、其它领域，还包括发电地板、自加热坐垫、自供电玩具、TPMS(胎压检测)等。
附图说明
图1为现有发电机结构图；
图2为单个静电感应式发电机示意图和其输出；
(a)为结构图，(b)为摩擦单元结构图，(c)电压输出图，(d)电压输出图；
图3为双叠式静电感应式发电机示意图及其输出；
(a)为结构图，(b)电压输出图，(c)电压输出图，(d)电压输出图；
图4为三叠式静电感应发电机示意图及其连续输出；
(a)为结构图，(b)电压输出图，(c)电压输出图；
图5为单个互补形静电感应式发电机示意图和其输出：
(a)为结构图，(b)为摩擦单元结构图，(c)电压输出图；
其中，1-摩擦单元1，2-摩擦单元2，3-电极层和支撑层(即电极兼支撑材料层)，4-单层发电机，5-互补单层发电机。
具体实施方式
此处以拱形堆叠为例，除了拱形，还可以针对其他各种几何形状进行堆叠；级联的数目也不限于所给附图3、4中的2个或3个发电机级联，可以是多个发电机级联。
图2为单个拱形式静电感应发电机示意图
1.图2(a)中的1为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，作为摩擦单元1，同时可用微加工的方法在摩擦单元1上做出微纳米图形，如图2(b)，例如金字塔、栅槽等；
2.摩擦单元2为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，摩擦单元2上也可以用微加工方法做出微纳米图形等；
3.金属电极板3为金属材料，同时也是结构支撑层，电极板3材料选择不同的材料可以对发电机的劲度系数和可靠性有调节、改良作用；
4.1和3，2和3之间可通过胶黏剂粘合，相比于现有公知技术，加工工艺非常简单；
5.另外，相比于现有公知设计，电极和摩擦材料的分离，可以更好的选择相应材料，从摩擦效率、发电机劲度系数和可靠性等不同方面分别对发电机进行优化，图2(c)、(d)分别是器件输出，可以看到器件的最高输出电压为518.4V，内阻约为10Mohm，所以器件的最大输出功率为6.7mW(合1.77mW/cm2)。
图5为单个反拱形式静电感应发电机示意图
1.图5(a)中的1为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，作为摩擦单元1，同时可用微加工的方法在摩擦单元1上做出微纳米图形，如图5(b)，例如金字塔、栅槽等；
2.摩擦单元2为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，摩擦单元2上也可以用微加工方法做出微纳米图形等；
3.金属电极板3为金属材料，同时也是结构支撑层，电极板3材料选择不同的材料可以对发电机的劲度系数和可靠性有调节、改良作用；
4.1和3，2和3之间可通过胶黏剂粘合，目前尚无该种结构的发电机；
5.图5(b)、(c)分别是器件输出，可以看到器件的最高输出电压为450V，内阻约为9Mohm，最大输出功率为5.6mW(合1.5mW/cm2)。
图3为双叠式静电感应发电机示意图
1.这里的双叠式结构是由两个拱形和一个反拱形共同组成，如图3(a)所示，摩擦单 元1为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，摩擦单元2为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，这两种材料可根据摩擦起电的序列来选出最大的摩擦配对组合，同时还可用微加工的方法做出微纳米图形，例如金字塔、栅槽等，金属电极板3为金属材料，同时也是结构支撑层，每个发电机的输出电压通过与电极板连接的引线输出，1和3，2和3之间可通过胶黏剂粘合；
2.两个堆叠的拱形通过连接带或线相对固定在一起；
3.经测试，相较于单个发电机，其输出能力明显提高，如图3(b)～(d)所示，最高输出电压为740V，内阻约为3.6Mohm(减小为单个发电机的三分之一)，所以最大输出功率为38.0mW(合10.1mW/cm2)(增大为单个发电机的6倍)。
图4为三叠式静电感应发电机示意图；
1.三叠式发电机的结构类似于双叠式，由三个拱形和两个反拱形构成，如图4(a)所示，同理摩擦单元1为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，摩擦单元2为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，这两种材料可根据摩擦起电的序列来选出最大的摩擦配对组合，同时还可用微加工的方法做出微纳米图形，例如金字塔、栅槽等，金属电极板3为金属材料，同时也是结构支撑层，1和3，2和3之间可通过常用胶黏剂粘合，每个发电机的输出电压通过与电极板连接的引线输出，再并联连接输出，如此可延伸至多叠式静电发电机；其输出电压如图4(b)所示。
2.多个堆叠的拱形通过连接带或线相对固定在一起。
3.多叠式发电机的另一个巨大优势就是输出电压时长更长，因此可以实现连续能量输出。如图4(c)所示，发电机在外界3Hz的敲击作用下，连续输出幅值高达12V的连续方波电压信号。
Claims (14)
1.一种震动发电机，其特征在于包括拱形摩擦单元1、拱形摩擦单元2，所述拱形摩擦单元1内侧凹形表面与所述拱形摩擦单元2内侧凹形表面分别作为摩擦面相对放置，所述拱形摩擦单元1的外侧凸形表面设有一电极兼支撑材料层，所述拱形摩擦单元2的外侧凸形表面设有一电极兼支撑材料层。
2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述拱形摩擦单元1通过绝缘粘结层与其外侧的所述电极兼支撑材料层连接；所述拱形摩擦单元2通过绝缘粘结层与其外侧的所述电极兼支撑材料层连接。
3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于所述电极兼支撑材料层为一金属电极板；所述绝缘粘结层为胶粘剂。
4.如权利要求1或2或3所述的发电机，其特征在于所述拱形摩擦单元1的内侧摩擦表面具有微纳米图形结构或为光滑表面；所述拱形摩擦单元2的内侧摩擦表面具有微纳米图形结构或为光滑表面。
5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于所述拱形摩擦单元1的材料为聚二甲基硅氧烷；所述拱形摩擦单元2的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述电极兼支撑材料层为铝电极板。
6.一种震动发电机，其特征在于包括拱形摩擦单元1、拱形摩擦单元2，所述拱形摩擦单元1外侧凸形表面与所述拱形摩擦单元2外侧凸形表面分别作为摩擦面相对放置，所述拱形摩擦单元1的内侧凹形表面设有一电极兼支撑材料层，所述拱形摩擦单元2的内侧凹形表面设有一电极兼支撑材料层。
7.如权利要求6所述的发电机，其特征在于所述拱形摩擦单元1通过绝缘粘结层与其内侧的所述电极兼支撑材料层连接；所述拱形摩擦单元2通过绝缘粘结层与其内侧的所述电极兼支撑材料层连接。
8.如权利要求7所述的发电机，其特征在于所述电极兼支撑材料层为一金属电极板；所述绝缘粘结层为胶粘剂。
9.如权利要求6或7或8所述的发电机，其特征在于所述拱形摩擦单元1的外侧摩擦表面具有微纳米图形结构或为光滑表面；所述拱形摩擦单元2的外侧摩擦表面具有微纳米图形结构或为光滑表面。
10.如权利要求9所述的发电机，其特征在于所述拱形摩擦单元1的材料为聚二甲基硅氧烷；所述拱形摩擦单元2的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述电极兼支撑材料层为铝电极板。
11.一种级联结构发电机，其特征在于包括多个如权利要求1所述震动发电机，若干组与所述震动发电机的电极兼支撑材料层匹配的第一几何互补形摩擦单元、第二几何互补形摩擦单元；其中，多个所述震动发电机之间分别通过一组所述第一几何互补形摩擦单元、第二几何互补形摩擦单元连接；连接两所述震动发电机的第一几何互补形摩擦单元以及与其连接的电极兼支撑材料层、第二几何互补形摩擦单元以及与其连接的电极兼支撑材料层构成一与所述震动发电机互补的震动发电机。
12.如权利要求11所述的级联结构发电机，其特征在于所述第一互补形摩擦单元通过绝缘粘结层与所述电极兼支撑材料层连接；所述第二互补形摩擦单元通过绝缘粘结层与所述电极兼支撑材料层连接。
13.如权利要求11或12所述的级联结构发电机，其特征在于所述第一互补形摩擦单元与所述第二互补形摩擦单元相对的表面具有微纳米图形结构或为光滑表面；所述第二互补形摩擦单元与所述第一互补形摩擦单元相对的表面具有微纳米图形结构或为光滑表面。
14.如权利要求11或12所述的级联结构发电机，其特征在于多个所述震动发电机通过连接带或连接线相对固定在一起。
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