滚筒型发电机、摩擦滚筒型发电机及压电滚筒型发电机的制作方法

本实用新型涉及一种聚四氟乙烯驻极体和聚左旋乳酸压电薄膜，具体涉及一种滚筒型发电机。

背景技术：

聚乳酸(pla)具有生物可降解性、优良的热塑性以及较高的机械强度。因此聚乳酸广泛应用于服装、纺织、食品包装、医疗等领域。合成的聚乳酸可以分为左旋聚乳酸(plla)、右旋聚乳酸(pdla)、外消旋聚乳酸(pdlla)和内消旋聚乳酸(meso-pla)。其中聚左旋乳酸由于其聚合单元具有手性中心，因此聚左旋乳酸分子长链趋向于螺旋结构排列。聚左旋乳酸分子链空间结构是右手螺旋结构，聚右旋乳酸分子链空间结构是左手螺旋结构。

聚乳酸分子链在受到和分子链旋转轴方向成45度的切向应力时，由于螺旋结构空间具有手性不对称性。由于碳氧双键(c＝o)的极性以及与螺旋结构中的120°夹角，会导致其偶极子在垂直于螺旋链方向的偶极子互相抵消，而产生水平方向的偶极子分量。该偶极子分量在电场下的相变而导致聚左旋乳酸材料产生剪切向的形变。聚乳酸分子链的螺旋结构也决定了其另一个不同于pvdf等压电聚合物的特点，即制备具有压电性能的聚乳酸材料只需要拉伸处理就能得到。而目前广泛使用的摩擦发电机由于滑动摩擦会使得接触层产生磨损，进而使发电机的使用寿命降低。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供的一种滚筒型发电机，至少用于解决压电薄膜制备工艺复杂，滑动摩擦导致的接触层磨损等问题。

(二)技术方案

本实用新型提供了一种滚筒型发电机，包括：压电薄膜1、摩擦层2、第一电极3、第二电极4、衬底5、至少两个滚筒6以及传送带7；传送带7以及摩擦层2缠绕于至少两个滚筒6上，且摩擦层2设置于传送带7与至少两个滚筒6之间；传送带7背向至少两个滚筒6的表面上依次接触设置衬底5、压电薄膜1；传送带7面向至少两个滚筒的表面上设置第一电极3，且第一电极3设置于传送带7与摩擦层2之间；摩擦层2面向至少两个滚筒6的表面上设置有第二电极4；压电薄膜1构成压电发电部分；摩擦层2以及传送带7构成摩擦发电部分。

可选地，压电薄膜1为柔性可弯曲材料。

可选地，压电薄膜1的厚度范围为5μm-20μm。

可选地，摩擦层2为驻极体膜；驻极体膜的表面通过等离子体清洗制备纳米结构以增加表面积，还通过高压电弧极化驻入电荷。

可选地，两个相邻的第一电极3的距离为滚筒6周长的二分之一。

可选地，第一电极3的长度为滚筒6周长的二分之一。

可选地，两个相邻的滚筒6的轴心距离为滚筒6周长的二分之一。

可选地，发电机还包括：轴承8以及轴承架9；滚筒6通过轴承8固定于轴承架9上。

可选地，滚筒6的数量为至少两个。

本实用新型还提供一种摩擦滚筒型发电机，包括：摩擦层2、第一电极3、第二电极4、至少两个滚筒6以及传送带7；传送带7以及摩擦层2缠绕于至少两个滚筒6上，且摩擦层2设置于传送带7与至少两个滚筒6之间；第一电极3设置于传送带7上，还设置于传送带7与摩擦层2之间；第二电极4设置于摩擦层2上，还设置于摩擦层2与至少两个滚筒6之间。

本实用新型还另提供一种压电滚筒型发电机，包括：压电薄膜1、衬底5、至少两个滚筒6以及传送带7；传送带7缠绕于至少两个滚筒6上；传送带7背向至少两个滚筒6的表面依次接触设置衬底5以及压电薄膜1。

(三)有益效果

1、通过本实用新型提供的滚筒型发电机通过压电薄膜的弯曲和伸直的状态更替产生压电感应电流；

2、通过本实用新型提供的设置于传送带上的第一电极与摩擦层接触面积的改变产生摩擦感应电流，并避免了滑动摩擦生电时产生的接触损耗。

附图说明

图1示意性示出了本实用新型实施例中摩擦-压电耦合滚筒型发电机的结构图；

图2示意性示出了本实用新型实施例中摩擦滚筒型发电机的结构图；

图3示意性示出了本实用新型实施例中压电滚筒型发电机的结构图；

图4中的(a)示意性示出了本实用新型实施例中压电滚筒型发电机中通过压电薄膜产生的电流信号图，图4中的(b)示意性示出了本实用新型实施例中摩擦滚筒型发电机中通过摩擦发电产生的电流信号图，图4中的(c)示意性示出了本实用新型实施例中摩擦-压电耦合滚筒型发电机产生的电流信号图；

图5中的(a)示意性示出了本实用新型实施例中压电滚筒型发电机的电压信号图，图5中的(b)示意性示出了本实用新型实施例中压电滚筒型发电机的电流信号图，图5中的(c)示意性示出了本实用新型实施例中摩擦滚筒型发电机的电压信号图，图5中的(d)示意性示出了本实用新型实施例中摩擦滚筒型发电机的电流信号图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

参阅图1，图1示意性示出了本实用新型实施例中滚筒型发电机的结构图。其中，图1中为摩擦-压电耦合滚筒型发电机。该摩擦-压电耦合滚筒型发电机包括：压电薄膜1、摩擦层2、第一电极3、第二电极4、衬底5、至少两个滚筒6以及传送带7；传送带7以及摩擦层2缠绕于至少两个滚筒6上，且摩擦层2设置于传送带7与至少两个滚筒6之间；传送带7背向至少两个滚筒6的表面上依次接触设置衬底5、压电薄膜1；传送带7面向至少两个滚筒的表面上设置第一电极3，且第一电极3设置于传送带7与摩擦层2之间；摩擦层2面向至少两个滚筒6的表面上设置有第二电极4；压电薄膜1构成压电发电部分；摩擦层2以及传送带7构成摩擦发电部分；并且，图1中的发电机还包括轴承8以及轴承架9；滚筒6通过轴承8固定于轴承架9上。

该摩擦-压电耦合滚筒型发电机的工作原理为：滚动6带动传送带7转动，在传送带7的转动过程中，设置于传动带7上的第一电极3与摩擦层2的接触面积发生改变，再结合第二电极4，产生感应电流。该产生感应电流的原理参见下文：

摩擦层2为驻极体膜，该驻极体膜的材料例如可以为聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，ptfe)、含氟橡胶以及聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)；该驻极体膜的厚度例如可以为10-200μm；且该驻极体膜的表面通过等离子体清洗制造纳米结构增加以表面积，还通过高压电弧极化驻入电荷来增加摩擦感应电荷，进而提高摩擦发电效率。并且，两个相邻的第一电极3的距离为滚筒周长的二分之一，第一电极3的长度为滚筒6周长的二分之一，两个相邻的滚筒6的轴心距离为滚筒周长的二分之一，使得传动带7转动时，设置于传送带7上的第一电极3和摩擦层2的接触面积会发生改变，进而产生感应电流，通过电路收集感应电流达到能量收集的目的。

同时，压电薄膜1随传送带7转动时会经过滚筒6，又由于本实用新型实施例中的压电薄膜1为柔性可弯曲材料，使得该压电薄膜1能够随着滚筒6的转动而发生弯曲以及伸直的形变；本实用新型实施例中的压电薄膜1的材料例如可以为聚左旋乳酸(plla)，选择plla的目的在于plla分子链在受到和分子链旋转轴成45°的切向应力时，该分子链中的碳氧双键(c＝o)的极性以及分子链中螺旋结构的120°夹角这两种因素会导致偶极子在垂直于螺旋链方向的偶极子相互抵消，然后产生水平方向的偶极子分量。该偶极子分量在电场下的相变会导致plla材料产生剪切向的形变。使得plla分子链通过弯曲或者拉伸等动作产生的形变即能够具有压电性能，进而产生感应电荷。更进一步地，本实用新型实施例中的plla压电系数d14为10.1pc/n，通过单轴拉伸得到的plla压电薄膜的压电系数要远小于锆钛酸铅系压电陶瓷的压电系数，pvdf的压电系数小于25pc/n，本实用新型实施例中的plla的压电系数甚至比压电聚合物聚偏氟乙烯(pvdf)的压电系数也要小，较小的压电系数使得plla具有较高的压电性能；并且plla的制备过程比pvdf和压电陶瓷的制备过程简单，不需要通过高压电场极化处理既能得到具有压电效应的压电薄膜1，因此使用plla作为压电薄膜将给聚左旋乳酸工艺大规模工业生产和商业上的应用带来了基础。

本实用新型实施例中的压电薄膜1的材料例如还可以选择聚右旋乳酸、聚偏氟乙烯以及电子束辐照共聚物(p(vdf-trfe))。本实用新型实施例中压电薄膜1的厚度范围为5μm-20μm，该厚度能够使得该压电薄膜应用于本实用新型实施例中后的压电性能处于最高状态。

本实用新型实施例中的滚筒发电机的滚筒6的数量例如可以为至少两个，使得该滚筒发电机的发电性能能够随着实际的应用需求来增加发电单元或减少发电单元，进而达到最高的实用效率。

本实用新型实施例中的衬底5的材料例如可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneglycolterephthalate，pet)、聚酰亚胺(polyimide，pi)、氨基甲酸酯(polyurethane，pu)。

上文已阐明，通过滚动6带动传送带7转动，在传送带7的转动过程中，设置于传动带7上的第一电极3与摩擦层2的接触面积发生改变，再结合第二电极4，产生感应电流。因此，本实用新型实施例中还提供了一种摩擦滚筒型发电机，参阅图2，图2示意性示出了本实用新型实施例中摩擦滚筒型发电机的结构图。

参阅图2，本实用新型实施例中的摩擦滚筒型发电机的结构包括：摩擦层2、第一电极3、第二电极4、至少两个滚筒6以及传送带7；传送带7以及摩擦层2缠绕于至少两个滚筒6上，且摩擦层2设置于传送带7与至少两个滚筒6之间；第一电极3设置于传送带7上，还设置于传送带7与摩擦层2之间；第二电极4设置于摩擦层2上，还设置于摩擦层2与至少两个滚筒6之间；滚筒6通过轴承8固定于轴承架9上。本实用新型实施例中的摩擦滚筒型发电机的发电原理与上述摩擦-压电耦合滚筒型发电机中的摩擦发电原理相同，在此不再赘述。

上文还已阐明，该压电薄膜1能够随着滚筒6的转动而发生弯曲以及伸直的形变，进而产生感应电荷，因此，本实用新型实施例中还提供一种压电滚筒型发电机。参阅图3，图3示意性示出了本实用新型实施例中压电滚筒型发电机的结构图。

参阅图3，本实用新型实施例中的压电滚筒型发电机包括：压电薄膜1、衬底5、至少两个滚筒6以及传送带7；传送带7缠绕于至少两个滚筒6上；传送带7背向至少两个滚筒6的表面依次接触设置衬底5以及压电薄膜1。该压电滚筒型发电机还包括轴承8以及轴承架9，其中，滚筒6通过轴承8固定于轴承架9上。本实用新型实施例中压电滚筒型发电机的压电发电原理与上述摩擦-压电耦合滚筒型发电机中的压电发电原理相同，在此不再赘述。

参阅图4，图4中的(a)示意性示出了本实用新型实施例中压电滚筒型发电机中通过压电薄膜产生的电流信号图，图4中的(b)示意性示出了本实用新型实施例中摩擦滚筒型发电机中通过摩擦发电产生的电流信号图，图4中的(c)示意性示出了本实用新型实施例中摩擦-压电耦合滚筒型发电机产生的电流信号图；其中，图4中的(a)、(b)以及(c)中的电流信号均为置入了整流桥后的电流信号。图4中的(a)中加入整流桥后的电流信号中，在整流桥的作用下，电流信号从交流电信号转换为直流电信号；并且从图4中的(a)中可以看出，压电薄膜1产生8微安左右的直流电流，从图4中的(b)中可以看出通过摩擦可以产生3微安左右的直流电流，从图4中的(c)中可以看出通过摩擦-压电耦合发电可以产生11微安左右的直流电流。

参阅图5，图5中的(a)示意性示出了本实用新型实施例中压电滚筒型发电机的电压信号图，图5中的(b)示意性示出了本实用新型实施例中压电滚筒型发电机的电流信号图，图5中的(c)示意性示出了本实用新型实施例中摩擦滚筒型发电机的电压信号图，图5中的(d)示意性示出了本实用新型实施例中摩擦滚筒型发电机的电流信号图。其中，从图5中的(a)可以看出，以压电薄膜1为plla材料时的压电滚筒型发电机产生的电压信号约为30v；从图5中的(b)可以看出，plla压电薄膜产生的电流信号约为10微安；从图5中的(c)可以看出，摩擦滚筒型发电机产生100v左右的电压信号；从图5中的(d)可以看出plla压电薄膜产生4微安左右的电流信号。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。