基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，包括两个由柔性平板折叠成连续的W形结构的基板，两个柔性基板相互穿插，使得两个基板的折痕相互垂直，形成一个弹簧状结构。基板两侧都布有一层介电材料层。同一块基板两侧的介电材料的极性相同，不同基板的介电材料极性相反。在振动下，整体结构先成合拢趋势，此时相邻的不同基板上的介电材料层接触，产生摩擦电荷；在弹性结构恢复的过程中，摩擦电荷产生感应电场，并由相邻的不同基板上的金属导体层之间发生电荷移动，从而产生电能。该装置无需使用燃料能源，仅凭借装置本身就能将振动机械能转化为电能，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置，且能够在很宽的频率范围内工作。

Contact Friction Power Generation Energy Collection Device Based on Origami Spring Structure

The invention provides a contact friction power generation energy collection device based on origami spring structure, which comprises two substrates folded by flexible plates into continuous W-shaped structures. The two flexible substrates interpenetrate each other, so that the folds of the two substrates are perpendicular to each other, forming a spring-shaped structure. A dielectric layer is arranged on both sides of the substrate. The polarity of dielectric materials on both sides of the same substrate is the same, but the polarity of dielectric materials on different substrates is opposite. Under vibration, the whole structure first closes, when the dielectric layers on the adjacent different substrates contact, friction charges are generated; in the process of elastic structure recovery, friction charges generate induced electric field, and charge movement occurs between the metal conductor layers on the adjacent different substrates, resulting in electric energy. The device does not need to use fuel energy. It can convert vibration mechanical energy into electric energy only by means of the device itself. It is a device with less restriction, high efficiency and environmental protection, and can work in a wide frequency range.

【技术实现步骤摘要】
基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置
本专利技术涉及用于一种基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，主要用于振动能量的采集。技术背景振动是一种我们日常生活中最常见的机械运动，它存在于人体运动、公共汽车行驶、桥梁振动，等等。从环境中的机械振动采集能量来给电子器件供电可以广泛应用于健康监测、基础设施的监测以及环境保护和治安监测等。目前振动能的采集主要是基于压电效应、电磁感应效应、静电效应和磁力控制效应，而这些工作模式都需要器件在其共振频率及其很窄的范围内才能有效工作。但是，环境中的振动往往有很宽的频谱分布，甚至很多时候会随着时间的变化而变化，这些因素都会使以前的工作模式不能很好地对环境中的振动能量进行采集。因而，能在低频范围内以及较宽频率范围内有效工作的静电发电装置，有着较好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，能够用于振动能量的收集，将振动机械能转化为电能，同时还具备能量转化效率高、应用范围广的特点。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，由第一柔性基板和第二柔性基板组成，两个基板均是由柔性平板折叠成连续的W形结构，两个柔性基板相互穿插，使得两个基板的折痕相互垂直，形成一个弹簧状结构。两个柔性基板的两面均具有介电材料层，同一基板上的两面介电材料极性相同，两个基板上的介电材料极性相反；整体结构中，任意两个相对的面组成一个发电单元，所述的介电材料层与基板之间具有一金属电极层。折纸弹簧结构在振动时被压缩或拉伸，当被压缩时，任意两个相对的面接触，该发电单元分别在两个面上产生摩擦电荷；在弹性结构恢复的过程中，摩擦电荷产生感应电场，形成电势差。进一步地，所述基板可以由橡胶板制成。进一步地，还包括一壳体，用于约束折纸弹簧结构的运动方向，使之只发生伸缩运动。进一步地，所述接触式摩擦发电能量收集装置还包括电能输送电路，输送电路包括电线与蓄电装置，各个静电发电单元通过金属电极层实现串联或并联，串并联后通过电线与蓄电装置相连。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过将两个具有连续的W形结构的柔性基板穿插，形成类似于纸弹簧的结构。通过该方法巧妙地提高了TENG的有效面积，增大电流输出的能力，同时又极大地提高了空间利用率。该装置将环境动荷载引起的振动能量转化为电能，经过该装置中的电能输送电路和蓄电装置将电能利用起来。该装置无需使用燃料能源，仅凭借装置本身就能将振动机械能转化为电能，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置，且能够在很宽的频率范围内工作。附图说明图1是静电发电装置的摩擦发电单元的示意图；图2是多个发电单元的集成结构图和实物图。图3是振动条件下摩擦发电单元初始运动状态示意图。图4是振动条件下摩擦发电单元的介电材料层完全接触时的运动状态示意图。图中标号：1-介电材料层；2-金属电极层；3-介电材料层；4-基板；介电材料层1和3极性相反。L(t,x,y,z)-为t时刻时位于坐标(x,y,z)处的介电材料层与相对面上的介电材料层上与该点相对应的点之间的距离，所谓的对应的点，为当结构完全合拢时，与(x,y,z)相重合的点，该两点分别位于两个相对面上。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方案作进一步详细说明本专利技术提供基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，如图2所示，包括由第一柔性基板和第二柔性基板组成，两个基板均是由柔性平板折叠成连续的W形结构，两个柔性基板相互穿插，使得两个基板的折痕相互垂直，形成一个弹簧状结构。该整体结构具有一定的弹性，能够在被压缩后外力撤除时恢复原状。两个柔性基板的两面均具有介电材料层1，同一基板上的两面介电材料极性相同，两个基板上的介电材料极性相反；整体结构中，任意两个相对的面组成一个发电单元，所述的介电材料层1与基板4之间具有一金属电极层2。如图1所示。在振动下，整体结构先成合拢趋势，如图3所示；逐渐结构中相对面上的介电材料层接触，产生摩擦电荷，如图4所示；后弹性结构恢复，直至图3所示状态，在这过程中，摩擦电荷产生感应电场，并在相对面上的金属导体层之间形成电势差。负载电路可以包括电线与蓄电装置，各个静电发电单元通过金属电极层实现串联或并联，串并联后通过电线与蓄电装置相连。还包括一壳体，用于约束折纸弹簧结构的运动方向，使之只发生伸缩运动。本专利技术的悬挂式静电发电机实现发电的原理如下：以图1所示的静电发电装置的单个发电单元的示意图为例，装置受到的环境振动的影响，外力促使整体模型发生合拢。初始状态下，相对的介电材料层1和3相互分离，如图3所示。当静电发电装置在环境载荷作用下某一时刻，在惯性作用下发生合拢，相对的介电材料层1和3发生形变相互接触，如图4所示，产生摩擦电荷，在弹性基板恢复的过程中，位于介电材料层1和3上的极性相反的摩擦电荷产生感应电场，形成电势差，当连接有外部电路时，相对面上的相邻金属导体层2之间会发生电荷转移，从而产生电流。其中，对于单个接触式摩擦发电单元，静止状态时，介电材料层1和3间的距离为最大，振动条件下，介电材料层1和3的间距随振动发生变化，L(t,x,y,z)为t时刻时位于坐标(x,y,z)处的介电材料层与相对面上的介电材料层上与该点相对应的点之间的距离，所谓的对应的点，为当结构完全合拢时，与(x,y,z)相重合的点，该两点分别位于相对面上。当接触式摩擦发电装置工作时，L(t,x,y,z)从最大到0变化。当两种介电材料接触(即L(t,x,y,z)＝0)，电极板充电，两个涂有介电材料的电极板的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两种介电材料分离时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为R时，由基尔霍夫定律得控制方程为：其中，电荷量Q、感应电容C均与L(t,x,y,z)存在该函数关系，该一阶微分方程的边界条件为Q(t＝0)＝Q(T＝0)＝0。由此可以得到单个摩擦发电单元的输出电压V(t)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，其特征在于，由第一柔性基板和第二柔性基板组成，两个基板均是由柔性平板折叠成连续的W形结构，两个柔性基板相互穿插，使得两个基板的折痕相互垂直，形成一个弹簧状结构。两个柔性基板的两面均具有介电材料层(1)，同一基板上的两面介电材料极性相同，两个基板上的介电材料极性相反；整体结构中，任意两个相对的面组成一个发电单元，所述的介电材料层(1)与基板(4)之间具有一金属电极层(2)。折纸弹簧结构在振动时被压缩或拉伸，当被压缩时，任意两个相对的面接触，该发电单元分别在两个面上产生摩擦电荷；在弹性结构恢复的过程中，摩擦电荷产生感应电场，形成电势差。

【技术特征摘要】
1.基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置，其特征在于，由第一柔性基板和第二柔性基板组成，两个基板均是由柔性平板折叠成连续的W形结构，两个柔性基板相互穿插，使得两个基板的折痕相互垂直，形成一个弹簧状结构。两个柔性基板的两面均具有介电材料层(1)，同一基板上的两面介电材料极性相同，两个基板上的介电材料极性相反；整体结构中，任意两个相对的面组成一个发电单元，所述的介电材料层(1)与基板(4)之间具有一金属电极层(2)。折纸弹簧结构在振动时被压缩或拉伸，当被压缩时，任意两个相对的面接触，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹤，全力威，汪华钢，徐诚侃，骆季奎，董树荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33