基于菱形网格基底的接触式摩擦发电装置的制作方法

本发明涉及用于一种基于菱形网格基底的接触式摩擦发电装置，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。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于菱形网格基底的接触式摩擦发电装置，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。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于菱形网格基底的接触式摩擦发电装置，包括四个以上的平板状静电发电单元和四个以上的连接件，所述的连接件包括四根直杆，四根直杆通过铰接件铰接形成一菱形结构；所述平板状发电单元包括基板，基板的正反面均依次涂布有的金属导体层和介电材料层；基板的侧壁与直杆固定；四个基板通过四个连接件连接形成一个用于发电的菱形小格；该用于发电的菱形小格中，相邻的基板上的介电材料层的极性相反，相对侧的基板上的介电材料层的极性相同。在周期性往复振动下，菱形小格合拢，此时相邻两边的介电材料层接触，产生摩擦电荷；之后菱形小格受力逐渐张开，内侧壁逐渐分离，从而由摩擦电荷产生感应电场，形成电势差。又将金属导电层与负载电路连接形成回路后，正负电极之间通过外电路转移电荷以平衡感应电势差，即形成电流。

进一步地，所述的连接件中的直杆的长度等于一块基板与其上的两层金属电极层和两层介电材料层的厚度之和。且直杆需要通过粘接剂与每一侧构件的短边相连。直杆用绝缘材料制成。

进一步地还包括一壳体，用于约束整体菱形结构平面外的运动，保证其只发生平面内的变形。

进一步地，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电线与蓄电装置相连。

本发明的有益效果是：本发明巧妙的提高了teng的有效面积，并将各个静电发电单元串并联起来，从而极大地提高了电流输出的功能。又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是单个静电发电单元的竖直剖面图；

图2是基于菱形网格基底的接触式摩擦发电装置的结构示意图。

图3是振动条件下(当外力背向菱形结构时)摩擦发电单元起始运动状态示意图和完全接触状态示意图。

图4是振动条件下(当外力指向菱形结构时)摩擦发电单元起始运动状态示意图和完全接触状态示意图。

图5是连接件的结构示意图。

图6为四个以上平板状静电发电单元的结构示意图，其中的数字编号表示平板状静电发电单元的序号。

图中标号：1-菱形支架；2-介电材料层；3-连接件；4-铰接件；5-直杆；y(t，x)-t时刻时x处的介电材料层与-x处的的介电材料层之间的距离(当结构上下的介电材料层接触时，定义x轴的方向为向下，o点位于上下对称线处；当结构左右的介电材料层接触时，定义x轴的方向为向右，o点位于左右对称线处)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案作进一步详细说明

基于菱形网格基底的接触式摩擦发电装置，如图2所示，包括四个以上的平板状静电发电单元和四个以上的连接件，所述的连接件3包括四根直杆5，四根直杆通过铰接件4铰接形成一菱形结构；所述平板状发电单元包括基板1，基板的正反面均依次涂布有的金属导体层和介电材料层2；基板的侧壁与直杆5固定；四个基板通过四个连接件3连接形成一个用于发电的菱形小格；该用于发电的菱形小格中，相邻的基板上的介电材料层2的极性相反，相对侧的基板上的介电材料层2的极性相同。在周期性往复振动下，菱形小格合拢，此时相邻两边的介电材料层2接触，产生摩擦电荷；之后菱形小格受力逐渐张开，内侧壁逐渐分离，从而由摩擦电荷产生感应电场，形成电势差。又将金属导电层与负载电路连接形成回路后，正负电极之间通过外电路转移电荷以平衡感应电势差，即形成电流。

菱形小格在周期性振动作用下，当作用力背向构件时，构件合拢的状态如图3；当作用力指向构件时，构件的合拢状态如图4。

由于基板的正反面均依次涂布有的金属导体层和介电材料层2，而位于中心处的基板可同时属于两个菱形小格，如图6中的2、13、5、10号基板，因此，基板的两侧均可获得电势差，用于发电。作为优选的方案，同一基板两侧的介电材料层极性相同，相变引线导出。

还包括一壳体，用于约束整体菱形结构平面外的运动，保证其尽发生平面内的变形。

且所述的连接件中的直杆的长度等于一块基板与其上的两层金属电极层和两层介电材料层的厚度之和。且直杆需要通过粘接剂与每一侧构件的短边相连。直杆用绝缘材料制成。

本发明的组装型接触式摩擦发电的原理如下：

以图1所示的静电发电装置的单个发电单元组的水平剖面图为例，装置受到的环境荷载方向为水平方向或者竖直方向。初始状态下，相邻边上的介电材料层2相互分离，如图3的上侧图例所示。当静电发电装置在环境载荷作用下某一时刻，在惯性作用下相邻边的介电材料层2接触，如图3的下侧图例所示，从而接触产生摩擦电荷。之后单元组受到反向作用力，促使介电材料层2分离，该过程中，位于相邻边的介电材料层2上的极性相反的摩擦电荷产生感应电场，形成电势差，再将金属导电层与负载电路连接形成回路后，正负电极之间通过外电路转移电荷以平衡感应电势差，即形成电流。

其中，对于单个接触式摩擦发电单元组，静止状态时，相邻边的介电材料层2间的距离为最大，振动条件下，相邻边的介电材料层2的间距随振动发生变化，y(t，x)为t时刻时x处的介电材料层与-x处的的介电材料层之间的距离(当结构上下的介电材料层接触时，定义x轴的方向为向下，o点位于上下对称线处；当结构左右的介电材料层接触时，定义x轴的方向为向右，o点位于左右对称线处)。当接触式摩擦发电装置工作时，y(t，x)从最大到0变化。当两种介电材料接触(即y(t，x)＝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y(t，x)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)。