一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，包括能量回收单元和能量收集单元，其中，所述能量回收单元至少包括一环形件，所述环形件由管材首尾相接构成且形成闭合的通道，所述通道内设置有能够自由滚动的球形质量块，并且所述通道的内壁构造有纳米摩擦发电材料层，以使所述球形质量块在滚动时与所述纳米摩擦发电材料层摩擦从而产生电能；所述能量收集单元包括用于收集电能的能量收集电路。该振动能量收集器能量损失率低，结构紧凑，并且可以收集到多个方向的振动能量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器
本专利技术涉及一种能量收集装置，特别是涉及一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，该振动能量收集器能够将环境中的多方向、无规律的低频振动能量转换为电能。
技术介绍
当今社会物联网智能技术快速发展，其中多处用到了传感器。例如，在无人飞行器之中，就存在不同种类的多种无线传感器。在物联网智能穿戴技术中，穿戴设备中也设置有大量的传感器。这些传感器在实现复杂控制和手机更为丰富的环境信息方面起着重要的不可替代的作用。但目前针对大部分无线传感设备的供能是通过电池进行供电。如飞行器，电池在满足无人飞行器的动力之外，也得提供各种无线传感器工作的动力。这在通常情况下使得飞行器的续航里程受到了不小的影响。并且，在电池供电出现故障时，用于控制的传感器或者实施反馈飞行器位置的传感器或者其他可能有助于诊断的传感器都将可能工作不正常。另外，目前针对无线传感器进行更换电池操作也是一个繁琐的过程，需要大量的人力。为了解决无线传感器更换电池的繁琐、解放人力，解决当前智能穿戴中的功能问题，这些微型电子设备的自供电自然成为了人们研究的热点。在智能穿戴领域，已经有学者进行发电皮肤的研究，其原理即王中林教授在2012年提出的纳米发电机，作为一项新型技术，其应用的潜力可以说是巨大的。人们走路的过程可以看作是振动过程，无人飞行器飞行过程中的晃动也可以看作是振动过程。将纳米发电机所使用的材料用在微小振动能量收集之中，是十分值得研究的课题，如何根据这些材料的发电原理设计出好的结构和电路也是一项重大的挑战。如何收集环境中的振动能量，传统收集方法利用的是环境中的振动带动压电元件的变形，从而产生电量；高效的收集环境中的能量仍然是当今研究的热点问题，要达到最佳收集效率，即要使装置能够有低频共振点；环境中的振动大多处于低频、低幅、无规律，因此很多学者都做了低频低幅多方向能量回收的方向的研究。例如：在中国专利申请CN106849597A中公开了一种多方向滚动摩擦能量回收装置，其明显的缺点是放置于装置之中不够稳定，会发出很大的噪声，其能量收集的原理是利用球体的撞击使得压电材料发生变形，从而产生电量，其大部分的能量都会因为球的撞击而损失掉，收集效率不高。而在中国专利CN206865378U中公开的多方向振动能量回收装置，可以用来收集多方向振动能量，能量损失相比于专利申请CN106849597A要低，原理同样是利用压电片的变形来产生电量，但是其横向纵向空间占比较大，不够紧凑，空间利用率较低。这些先前学者所做的工作，无不是根据压电材料的发电原理来设计出合理的结构，但其缺点也相对较为明显，能量损失率高，结构不够紧凑，因此如何从原理上设计结构，解决低频多方向能量收集仍是重要研究方向。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器。该振动能量收集器能量损失率低，结构紧凑，并且可以收集到多个方向的振动能量。为了实现上述目的，本专利技术基于纳米发电机原理设计了一种全新的能量收集器，整个能量收集器不再通过利用压电元件的变形来产生电量，而是通过摩擦纳米摩擦发电材料来产生电量；通过外部环境的不规律晃动，带动球形质量块滚动，进而产生电能，不会因为球形质量块的撞击而损失能量。本申请中的能量收集器的球形质量块会一直滚动，直到动能耗尽，因而转换效率高。具体地，本专利技术一个方面提供的一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，包括能量回收单元和能量收集单元，其中，所述能量回收单元至少包括一环形件，所述环形件由管材首尾相接构成且形成闭合的通道，所述通道内设置有能够自由滚动的球形质量块，并且所述通道的内壁构造有纳米摩擦发电材料层，以使所述球形质量块在滚动时与所述纳米摩擦发电材料层摩擦从而产生电能；所述能量收集单元包括用于收集电能的能量收集电路。在一些实施例中，所述能量回收单元包括多个环形件，多个所述环形件的半径不同的且相互嵌套在一起构成环形件结构体；每个所述环形件相互并联或串联方式电性连接至所述能量收集电路，且每个所述环形件的所述通道内均设置有所述球形质量块。在一些实施例中，所述能量回收单元由多个所述环形件结构体拼接形成多面体结构。在一些实施例中，所述多面体结构为便于堆叠的正多面体，所述能量回收单元由多个所述多面体结构矩阵样堆叠而成。在一些实施例中，构成所述能量回收单元的所述多面体结构为正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体或正二十面体中的一种或多种组合。在一些实施例中，所述环形件为导电材质制成且其外壁设置有绝缘层。在一些实施例中，所述球形质量块的直径与所述环形件的所述通道的内径之比为1:2～3:4。在一些实施例中，所述纳米摩擦发电材料层由聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷与聚四氟乙烯共混改性材料所构成。在一些实施例中，所述球形质量块的表面设置有一附加层，所述附加层的材质为丁腈。在一些实施例中，所述纳米摩擦发电材料层的厚度与所述球形质量块的半径之比介于1:4～1:3之间。相比较于现有技术，本专利技术提供的一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，空间利用率高，结构紧凑，由内而外可以通过自己设定嵌套环形件的半径和数量，充分利用空间；结构中所描述的能量回收单元本身就可以收集前后左右振动的能量，即每一层相互嵌套的环形件都是一种多方向能量收集结构，将这些相互嵌套的环形件装配成本专利的所描述的能量收集结构，可以完美收集到所有方向的低频振动能量。具体优点如下：1、本专利技术提供的能量收集器通过摩擦发电，使得能量收集器整体的振动可以转换为球形质量块的动能，进而通过能量回收单元实现动能到电能的转化，直到摩擦力使得球形质量块完全停止滚动才停止发电，转换过程能量损耗较小。2、结构可拆卸、可堆叠，通过调整构成能量回收单元的环形件的管径和嵌套个数，结构紧凑，可以完美的应用于各种场合。3、能量收集器本身的环形件也是一种多方向低频能量收集结构，因此即使是单环形件也可以实现动能到电能的转化。4、能量收集器通过球形质量块的滚动发电，产生的噪声小、装置磨损程度较低，可以应用于智能穿戴领域，如发电背包等。附图说明图1为本专利技术的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中能量回收单元的结构示意图(多个环形件嵌套构成正四面体)。图2为本专利技术的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中环形件结构体的局部剖面视图。图3为本专利技术的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中环形件结构体的剖面视图。图4为本专利技术的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中环形件的剖面结构示意图。图5为本专利技术的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器中能量回收单元的结构示意图(多面体结构矩阵样堆叠)。图6为本专利技术的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器的整体内部结构示意图。图7为本专利技术的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器的能量收集电路功能示意图。具体实施方式下面，结合附图对本申请的具体实施例进行详细的描述，但不作为本申请的限定。应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，包括能量回收单元和能量收集单元，其中，所述能量回收单元至少包括一环形件，所述环形件由管材首尾相接构成且形成闭合的通道，所述通道内设置有能够自由滚动的球形质量块，并且所述通道的内壁构造有纳米摩擦发电材料层，以使所述球形质量块在滚动时与所述纳米摩擦发电材料层摩擦从而产生电能；所述能量收集单元包括用于收集电能的能量收集电路。

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，包括能量回收单元和能量收集单元，其中，所述能量回收单元至少包括一环形件，所述环形件由管材首尾相接构成且形成闭合的通道，所述通道内设置有能够自由滚动的球形质量块，并且所述通道的内壁构造有纳米摩擦发电材料层，以使所述球形质量块在滚动时与所述纳米摩擦发电材料层摩擦从而产生电能；所述能量收集单元包括用于收集电能的能量收集电路。2.如权利要求1所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述能量回收单元包括多个环形件，多个所述环形件的半径不同的且相互嵌套在一起构成环形件结构体；每个所述环形件相互并联或串联方式电性连接至所述能量收集电路，且每个所述环形件的所述通道内均设置有所述球形质量块。3.如权利要求2所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述能量回收单元由多个所述环形件结构体拼接形成多面体结构。4.如权利要求3所述的基于纳米摩擦发电的可堆叠式多方向振动能量收集器，其特征在于，所述多面体结构为便于堆叠的正多面体，所述能量回收单元由多个所述多面体结构矩阵样堆...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓华夏，叶敬昌，杜宇，马孟超，张进，钟翔，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34