CN111313741B - 一种可拉伸发电的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拉伸发电的发电装置，以使发电装置的应用场景更广泛。该发电装置，包括：基体，设置于基体中的摩擦起电层以及静电感应层，摩擦起电层与静电感应层被基体隔开，其中：摩擦起电层，包括与基体的延伸方向相同，且并排设置的储液室和可开闭腔室，储液室与可开闭腔室通过连接通道连通，储液室填充有起电液体；当基体沿延伸方向被拉伸时，可开闭腔室为开启腔室状态，起电液体流至开启腔室，当基体被释放回缩时，可开闭腔室为闭合腔室状态，起电液体回流至储液室；静电感应层，包括与储液室相对设置的第一电极，以及与可开闭腔室相对设置的第二电极。

Description

一种可拉伸发电的发电装置

技术领域

本发明涉及能源收集设备技术领域，特别是涉及一种可拉伸发电的发电装置。

背景技术

随着柔性电子器件的飞速发展以及可穿戴电子设备的普及，对传统的供能装置提出了新的要求：柔性，可拉伸性，形状自适应性等。由于摩擦电发电机利用摩擦起电效应和静电感应原理，可将机械能转化为电能，同时具有柔性，低成本，高输出的特性，因此成为一种极有潜力的供能装置。

目前，已经有可拉伸的摩擦电发电机的相关报道，但是这些可拉伸的摩擦电发电机大多属于单电极类型的摩擦电发电机，在实际应用中，通常需要与另一物体发生接触分离来进行发电，同时还需要接地，对环境湿度较为敏感，因此在应用时会受到许多环境条件的限制。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种可拉伸发电的发电装置，以使发电装置的应用场景更广泛。

本发明实施例提供了一种可拉伸发电的发电装置，包括：基体，设置于所述基体中的摩擦起电层以及静电感应层，所述摩擦起电层与所述静电感应层被所述基体隔开，其中：

所述摩擦起电层，包括与所述基体的延伸方向相同，且并排设置的储液室和可开闭腔室，所述储液室与所述可开闭腔室通过连接通道连通，所述储液室填充有起电液体；当所述基体沿延伸方向被拉伸时，所述可开闭腔室为开启腔室状态，所述起电液体流至所述开启腔室，当所述基体被释放回缩时，所述可开闭腔室为闭合腔室状态，所述起电液体回流至所述储液室；

所述静电感应层，包括与所述储液室相对设置的第一电极，以及与所述可开闭腔室相对设置的第二电极。

在本发明实施例中，可选的，所述基体设置有容置槽，所述容置槽中具有多个弹性材料块，所述弹性材料块包括与所述容置槽的槽壁相固定的固定面，以及与相邻所述弹性材料块相抵接的抵接面；

所述基体的材料的杨氏模量小于所述弹性材料块的材料的弹性模量，当所述基体沿延伸方向被拉伸时，相邻的两个所述弹性材料块相分离，所述抵接面与所述容置槽的槽壁形成所述开启腔室，所述起电液体流至所述开启腔室；当所述基体被释放回缩时，相邻两个所述弹性材料块相抵接形成所述闭合腔室，所述起电液体回流至所述储液室。

在本发明任一实施例中，可选的，所述储液室垂直于其延伸方向的尺寸d1，小于所述可开闭腔室垂直于其延伸方向的尺寸d2。

在本发明实施例中，可选的，所述连接通道沿其延伸方向的尺寸L1满足：1/3d2≤L1≤d2。

在本发明任一实施例中，可选的，所述摩擦起电层与所述静电感应层之间的间隔为100μm～2mm；和/或，所述摩擦起电层和所述静电感应层周侧的基体厚度设置为500μm～3mm。

在本发明实施例中，可选的，所述储液室在所述第一电极上的投影落入所述第一电极的边界范围内，所述可开闭腔室在所述第二电极上的投影落入所述第二电极的边界范围内。

在本发明任一实施例中，可选的，所述基体的材质为硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、聚氨酯弹性体、氟橡胶、聚硫橡胶、丙烯酸酯橡胶、天然橡胶，或乳胶。

在本发明实施例中，可选的，所述起电液体为去离子水，或离子溶液。

在本发明任一实施例中，可选的，所述静电感应层的电极材料为离子导电溶液，液态导电金属，导电材料掺杂聚合物弹性体，或导电水凝胶。

在本发明实施例中，可选的，当所述静电感应层的电极材料为离子导电溶液时，所述离子导电溶液的浓度为1～8mol/L。

在本发明任一实施例中，可选的，所述静电感应层的电极厚度h1，与所述储液室的深度h2之间满足：h1≤1/2h2。

在本发明实施例中，可选的，所述发电装置还包括与所述第一电极相连的第一导线，以及与所述第二电极相连的第二导线。

采用本技术方案的可拉伸发电的发电装置，当发电装置受到一个沿基体的延伸方向的机械牵引时，摩擦起电层内的可开闭腔室开启，成为一个个开启腔室，在负压的作用下，起电液体由储液室自发流入开启腔室。由于摩擦电效应，在起电液体流动的过程中，底部的基体表面产生感应电荷。与此同时，由于静电感应原理，静电感应层的两个电极可以感知上方感应电荷的变化，从而在两个电极之间产生一个电势差，为了屏蔽这个电势差，电子可经外部电路从一个电极流向另一个电极，从而产生一个电流信号。当牵引力释放后，开启腔室随机体的回缩而自发关闭形成闭合腔室，起电液体被挤回储液室，感应电荷再次发生变化，从而产生一个反向电流。当周期性的施加一个机械牵引时，将会有持续的交变电信号产生。

与现有技术相比，本技术方案的可拉伸发电的发电装置采用摩擦起电层和静电感应层上下双层结构的摩擦电发电形式，可以消除之前大多数可拉伸的摩擦电发电装置只能以单电极工作模式进行发电的限制，无需接地，同时还可在潮湿甚至液体环境中进行正常工作，在实际应用时具有更广泛的应用场景。另外，在非潮湿环境中，本技术方案中的发电装置同样可以以单电极模式进行发电，即与目标物体通过接触分离进行发电，由于单电极发电模式已有许多研究工作报道，故在本技术方案中不再赘述。

基于相同的发明构思，本发明还提供了一种可穿戴设备，包括如前任一项所述的可拉伸发电的发电装置。

在本技术方案的可穿戴设备中，通过采用摩擦起电层和静电感应层上下双层结构，以及利用起电液体的往复运动进行发电的特性，其与现有技术相比，即使是潮湿及液体环境也不会对该可穿戴设备的可拉伸发电的发电装置产生较为明显的影响。因此，该穿戴设备可更广泛地应用于潮湿及水下相关应用场景，如潜水员运动信号监测，水下运动能量采集等，其应用范围更广。

附图说明

图1为本发明实施例的可拉伸发电的发电装置未拉伸状态下的结构示意图；

图2为图1所示可拉伸发电的发电装置的一侧视图；

图3为图1所示可拉伸发电的发电装置的另一侧视图；

图4为图1所示可拉伸发电的发电装置的又一侧视图；

图5为本发明实施例的可拉伸发电的发电装置拉伸状态下的结构示意图；

图6为图5所示可拉伸发电的发电装置的一侧视图；

图7为图5所示可拉伸发电的发电装置的另一侧视图；

图8为图5所示可拉伸发电的发电装置的又一侧视图；

图9为本发明实施例的可拉伸发电的发电装置的工作流程示意图；

图10为本发明实施例的可拉伸发电的发电装置的工作原理示意图。

附图标记：

1-基体；

2-摩擦起电层；

201-储液室；

202-可开闭腔室；

2021-开启腔室；

2022-闭合腔室；

203-连接通道；

3-静电感应层；

301-第一电极；

302-第二电极；

4-弹性材料块；

5-第一导线；

6-第二导线。

具体实施方式

为使发电装置的应用场景更广泛，本发明实施例提供了一种可拉伸发电的发电装置。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。

当本申请提及“第一”、“第二”、“第三”或者“第四”等序数词时，除非根据上下文其确实表达顺序之意，否则应当理解为仅仅是起区分之用。

如图1至图10所示，本发明实施例提供了一种可拉伸发电的发电装置，包括：基体1，设置于基体1中的摩擦起电层2以及静电感应层3，摩擦起电层2与静电感应层3被基体1隔开，其中：

摩擦起电层2，包括与基体1的延伸方向相同，且并排设置的储液室201和可开闭腔室202，储液室201与可开闭腔室202通过连接通道203连通，储液室201填充有起电液体；当基体1沿延伸方向被拉伸时，可开闭腔室202为开启腔室2021状态，起电液体流至开启腔室2021，当基体1被释放回缩时，可开闭腔室202为闭合腔室2022状态，起电液体回流至储液室201；

静电感应层3，包括与储液室201相对设置的第一电极301，以及与可开闭腔室202相对设置的第二电极302。

采用本技术方案的可拉伸发电的发电装置，如图9和图10所示，当发电装置受到一个沿基体1的延伸方向的机械牵引时，摩擦起电层2内的可开闭腔室开启202，成为一个个开启腔室2022，在负压的作用下，起电液体由储液室201自发流入开启腔室2022。由于摩擦电效应，在起电液体流动的过程中，底部的基体1表面产生感应电荷。与此同时，由于静电感应原理，静电感应层3的两个电极可以感知上方感应电荷的变化，从而在两个电极之间产生一个电势差，为了屏蔽这个电势差，电子可经外部电路从一个电极流向另一个电极，从而产生一个电流信号。当牵引力释放后，开启腔室2022随基体1的回缩而自发关闭形成闭合腔室2021，起电液体被挤回储液室201，感应电荷再次发生变化，从而产生一个反向电流。当周期性的施加一个机械牵引时，将会有持续的交变电信号产生。

与现有技术相比，本技术方案的可拉伸发电的发电装置采用摩擦起电层2和静电感应层3上下双层结构的摩擦电发电形式，可以消除之前大多数可拉伸的摩擦电发电装置只能以单电极工作模式进行发电的限制，无需接地，同时还可在潮湿甚至液体环境中进行正常工作，在实际应用时具有更广泛的应用场景。另外，在非潮湿环境中，本技术方案中的发电装置同样可以以单电极模式进行发电，即与目标物体通过接触分离进行发电，由于单电极发电模式已有许多研究工作报道，故在本技术方案中不再赘述。

如图1至图8所示，在本发明实施例中，可选的，基体1设置有容置槽(图中未示出)，容置槽中具有多个弹性材料块4，弹性材料块4包括与容置槽的槽壁相固定的固定面，以及与相邻弹性材料块4相抵接的抵接面；

基体1的材料的杨氏模量小于弹性材料块4的材料的弹性模量，当基体1沿延伸方向被拉伸时，相邻的两个弹性材料块4相分离，抵接面与容置槽的槽壁形成开启腔室2022，起电液体流至开启腔室2022；当基体1被释放回缩时，相邻两个弹性材料块4相抵接形成闭合腔室2021，起电液体回流至储液室201。

杨氏弹性模量(Young's modulus)是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量，也是材料力学中的名词。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。

在本技术方案实施例中，由于基体1的材料的杨氏模量小于弹性材料块4的材料的弹性模量，二者在被拉伸时具有不同的形变量。这样，在基体1沿延伸方向被拉伸时，相邻的两个弹性材料块4相分离，抵接面与容置槽的槽壁形成开启腔室2022；当基体1被释放回缩时，相邻两个弹性材料块4相抵接形成闭合腔室2021，起电液体被挤压回流至储液室201。

以基体1为硅胶基体，弹性材料块4为聚二甲基硅氧烷层为例对可开闭腔室202的一种构建方式进行说明。首先，在基体1上开设一容置槽；然后，在容置槽中填充聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷在固化过程中可与容置槽的硅胶槽壁自发交联固定；最后，将固态的聚二甲基硅氧烷进行切断，使切断处在拉伸时可随底部硅胶拉伸展开，从而形成一个个空腔，由此可构建出多个可开闭的腔室202。

在本发明任一实施例中，可选的，储液室201垂直于其延伸方向的尺寸d1，小于可开闭腔室202垂直于其延伸方向的尺寸d2。

通过将储液室201垂直于其延伸方向的尺寸d1，小于可开闭腔室202垂直于其延伸方向的尺寸d2，例如，可使其满足1/4d2≤d1≤1/2d2。这样可以使障储液室201内的起电液体尽可能多的流进开启腔室2022内，从而有效的提高发电效率。

如图3和图7所示，在本发明实施例中，可选的，连接通道203沿其延伸方向的尺寸L1满足：1/3d2≤L1≤d2。

在本技术方案中，由于摩擦起电层2中储液室201，可开闭腔室202，以及连接通道203的尺寸都随发电装置的整体尺寸的变化而相应扩大或缩小。因此，通过使连接通道203长度控制在可开闭腔室202宽度的二分之一至三分之二间，可确保将储液室201以及可开闭腔室202隔离开。

如图3、图4、图7和图8所示，在本发明任一实施例中，可选的，摩擦起电层2与静电感应层3之间的间隔为100μm～2mm；和/或，摩擦起电层2和静电感应层3周侧的基体1厚度设置为500μm～3mm。

在本技术方案各实施例中，基体1同时起连接和绝缘封装作用，因此，将摩擦起电层2和静电感应层3之间的基体1间隔层设置为100μm～2mm；将摩擦起电层2和静电感应层3外周的基体厚度控制在500μm～3mm间。

继续参照图3、图4、图7和图8，在本发明实施例中，可选的，储液室201在第一电极301上的投影落入第一电极301的边界范围内，可开闭腔室202在第二电极302上的投影落入第二电极302的边界范围内。

通过使储液室201以及可开闭腔室202落在电极的边界范围内，可使电极最大程度的感知感应电荷的变化，从而可有效的提高发电效率。

在本发明任一实施例中，可拉伸发电的发电装置的主要基体材料需要选用具有一定弹性和可拉伸性能的柔性材料。优选的，基体的材质为硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、聚氨酯弹性体、氟橡胶、聚硫橡胶、丙烯酸酯橡胶、天然橡胶，或乳胶等弹性材料。

在本发明实施例中，可选的，起电液体为去离子水，或离子溶液。

为最大化实现摩擦起电效应，需要选用与聚合物基体电负性差异最大的液体作为起电液体。优选的，起电液体为去离子水；此外，起电液体还可以为离子溶液，或乙醇，乙二醇，四氯化碳，油等各种极性不同的有机溶液。

在本发明任一实施例中，静电感应层的电极材料可选为氯化锂，氯化钠溶液等离子导电溶液；或，镓铟锡等液态导电金属；或，碳纳米管，银纳米线等导电材料掺杂聚合物弹性体；或聚丙烯酰胺氯化锂水凝胶等导电水凝胶。

进一步的，当静电感应层的电极材料为离子导电溶液时，离子导电溶液的浓度为1～8mol/L。以使电极较大程度的感知感应电荷的变化，从而进一步提高发电效率。

在本发明任一实施例中，可选的，静电感应层的电极厚度h1，与储液室的深度h2之间满足：h1≤1/2h2。

当静电感应层的电极材料为离子导电溶液时，静电感应层的电极厚度h1选择为上述范围可在形成静电感应层的电极时，实现导电离子溶液的顺利填充。

当静电感应层的电极为液体金属，银纳米线，碳纳米管等材料时，在保证电极导电性的情况下对其厚度不作要求，可以很薄。

如图1至图8所示，在本发明实施例中，可选的，发电装置还包括与第一电极301相连的第一导线5，以及与第二电极302相连的第二导线6。

在本技术方案各实施例中，通过使两根导线分别与对应的电极连接，可有效的简化可拉伸发电的发电装置的结构。

基于相同的发明构思，本发明还提供了一种可穿戴设备，包括如前任一项所述的可拉伸发电的发电装置。

在本技术方案的可穿戴设备中，如图3、图4、图7和图8所示，通过采用摩擦起电层2和静电感应层3上下双层结构，以及利用起电液体的往复运动进行发电的特性，其与现有技术相比，即使是潮湿及液体环境也不会对该可穿戴设备的发电装置产生较为明显的影响。因此，该可穿戴设备可更广泛地应用于潮湿及水下相关应用场景，如潜水员运动信号监测，水下运动能量采集等，其应用范围更广。

在本技术方案一个具体的实施例中，如图1至图8所示，是一种用于可穿戴设备的柔性可拉伸发电的发电装置，其包含5个可开闭腔室202和连接通道203，整个可拉伸发电的发电装置的尺寸为10cm×6cm×8mm，摩擦起电层2和静电感应层3的厚度均为4mm，摩擦起电层2中储液室201的深度为2mm，静电感应层3中作为柔性电极的离子导电溶液的深度为0.5mm，摩擦起电层2和静电感应层3间的间隔层厚度为0.5mm，上下弹性聚合物基体作为绝缘封装层的厚度均为2.5mm。储液室201中的起电液体采用的为去离子水，静电感应层3中的离子导电溶液采用的1mol/L的氯化钠溶液。包含有该可拉伸发电的发电装置的可穿戴式设备固定于人体关节处，在人体运动时，随关节处的伸展发生拉伸形变，产生相应输出，因此，该可拉伸发电的发电装置可作为一种穿戴式的能源收集装置。同时，因为器件良好的机械响应特性，该可拉伸发电的发电装置还可应用于人体运动传感装置，用于监测人体关节处的运动情况。

并且，由于本技术方案中的可拉伸发电的发电装置采用摩擦起电层2以及静电感应层3的上下双层结构设计，并利用起电液体的往复运动进行发电的特性，区别于传统单电极模式的可拉伸发电的发电装置，潮湿及液体环境对本技术方案的可拉伸发电的发电装置的影响不明显，该发电装置在水下也有着良好的工作性能，因此可更广泛地应用于潮湿及水下相关应用场景，如潜水员运动信号监测，水下运动能量采集等。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种可拉伸发电的发电装置，其特征在于，包括：基体，设置于所述基体中的摩擦起电层以及静电感应层，所述摩擦起电层与所述静电感应层被所述基体隔开，其中：

所述摩擦起电层，包括与所述基体的延伸方向相同，且并排设置的储液室和可开闭腔室，所述储液室与所述可开闭腔室通过连接通道连通，所述储液室填充有起电液体；当所述基体沿延伸方向被拉伸时，所述可开闭腔室为开启腔室状态，所述起电液体流至所述开启腔室，当所述基体被释放回缩时，所述可开闭腔室为闭合腔室状态，所述起电液体回流至所述储液室；

所述静电感应层，包括与所述储液室相对设置的第一电极，以及与所述可开闭腔室相对设置的第二电极。

2.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述基体设置有容置槽，所述容置槽中具有多个弹性材料块，所述弹性材料块包括与所述容置槽的槽壁相固定的固定面，以及与相邻所述弹性材料块相抵接的抵接面；

所述基体的材料的杨氏模量小于所述弹性材料块的材料的弹性模量，当所述基体沿延伸方向被拉伸时，相邻的两个所述弹性材料块相分离，所述抵接面与所述容置槽的槽壁形成所述开启腔室，所述起电液体流至所述开启腔室；当所述基体被释放回缩时，相邻两个所述弹性材料块相抵接形成所述闭合腔室，所述起电液体回流至所述储液室。

3.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述储液室垂直于其延伸方向的尺寸d1，小于等于所述可开闭腔室垂直于其延伸方向的尺寸d2。

4.如权利要求3所述的发电装置，其特征在于，所述连接通道沿其延伸方向的尺寸L1满足：1/3d2≤L1≤d2。

5.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述摩擦起电层与所述静电感应层之间的间隔为100μm～2mm；和/或，所述摩擦起电层和所述静电感应层周侧的基体厚度设置为500μm～3mm。

6.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述储液室在所述第一电极上的投影落入所述第一电极的边界范围内，所述可开闭腔室在所述第二电极上的投影落入所述第二电极的边界范围内。

7.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述基体的材质为硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、聚氨酯弹性体、氟橡胶、聚硫橡胶、丙烯酸酯橡胶、天然橡胶，或乳胶。

8.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述起电液体为去离子水，或离子溶液。

9.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述静电感应层的电极材料为离子导电溶液，液态导电金属，导电材料掺杂聚合物弹性体，或导电水凝胶。

10.如权利要求9所述的发电装置，其特征在于，当所述静电感应层的电极材料为离子导电溶液时，所述离子导电溶液的浓度为1～8mol/L。

11.如权利要求10所述的发电装置，其特征在于，所述静电感应层的电极厚度h1，与所述储液室的深度h2之间满足：h1≤1/2h2。

12.如权利要求1～11任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括与所述第一电极相连的第一导线，以及与所述第二电极相连的第二导线。

13.一种可穿戴设备，其特征在于，包括如权利要求1～12任一项所述的可拉伸发电的发电装置。

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