一种耦合发电装置、发电鞋垫和发光鞋的制作方法

一种耦合发电装置、发电鞋垫和发光鞋
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2021年01月13日提交的名称为“power-generating insole and light emitting shoe based oncoupled power generation devices”的美国临时专利申请序列号63/136,890的专利优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
3.本发明涉及纺织服装、能源技术领域，尤其涉及一种耦合发电装置、发电鞋垫和发光鞋。


背景技术：

4.随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们对于服装的时尚感和科技感的要求也越来越高，因此，各种类型的发电鞋垫与发光鞋应运而生。目前，市场上发电鞋垫与发光鞋的发展大致经历了两个阶段。第一个阶段是采用化学电池供电，比如纽扣电池。这类电池的优点是可以持续给发电鞋垫与发光鞋供电同时输出的电流都比较高，点灯的效果都比较理想，深受人们特别是小朋友的喜爱。然而，这类电池普遍存在着使用寿命短、需要频繁更换且更换难度大等缺点。为克服上述缺点，发电鞋垫与发光鞋进入了第二个发展阶段。在该阶段，一些新型的发电方式被利用起来，比如摩擦式纳米发电，压电式纳米发电。其中摩擦式纳米发电由于其输出电压大，性能相对稳定，制作工艺简单，原材料便宜等优点而被应用。其基本原理是将人体运动所产生的机械能转换成电能。人们在走路和跑步时，会不断地踩踏鞋的底部，产生大量的机械能，而这些机械能可以通过摩擦效应和静电感应被转化为电能，从而给发电鞋垫与发光鞋供电。但是其显著缺点就是输出电流偏低。同时这些发电装置制造工艺复杂，电学性能不稳定，体积偏大，笨重。


技术实现要素：

5.本发明实施例旨在提供一种耦合发电装置、发电鞋垫和发光鞋，该发电装置具有使用寿命长、输出电流大、电学性能稳定、体积小巧的优点，将该发电装置应用在发光鞋中，可使得发光鞋能持久发亮，而且体积小巧。
6.为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：
7.一方面，本发明提供一种耦合发电装置，所述装置包括空心柱形壳体、设置在所述空心柱形壳体外壁的至少一组磁感应线圈、设置在所述空心柱形壳体内腔的至少一个可移动的柱形磁铁、分别设置在所述空心柱形壳体两端的两个摩擦纳米发电单元。
8.可选地，所述摩擦纳米发电单元包括壳体封装板、电极层和绝缘层，所述电极层设置于所述壳体封装板靠近所述柱形磁铁的一侧，所述绝缘层与所述电极层紧密结合。
9.可选地，所述空心柱形壳体的横截面形状为方形或圆形，所述柱形磁铁的横截面形状与所述壳体的横截面形状一致。
10.可选地，所述柱形磁铁与所述空心柱形壳体内壁保持大于0mm且小于或等于0.5mm
的距离。
11.可选地，所述柱形磁铁的两端设置有导电织物或者导电聚合物。
12.可选地，所述导电织物为导电银布或铜镍合金布。
13.可选地，所述磁感应线圈紧密缠绕在所述壳体外壁的中间位置，所述壳体外壁的两端未缠绕所述磁感应线圈。
14.可选地，所述壳体封装板为表面平滑的聚合物板。
15.可选地，所述空心柱形壳体的横截面尺寸和所述磁感应线圈的线径之和、与所述磁感应线圈的匝数和所述绝缘层的厚度之和的比值小于或等于0.004，或者大于或等于0.0085。
16.另一方面，本发明提供一种发电鞋垫，其特征在于，所述发电鞋垫内包括至少一个上述任一项所述的耦合发电装置。
17.再一方面，本发明提供一种发光鞋，所述发光鞋包括基底和电子单元，所述基底为发电鞋垫或发光鞋底空腔，所述发电鞋垫或发光鞋底空腔内包括至少一个上述任一项所述的耦合发电装置，所述电子单元至少包括控制电路和led灯，所述电子单元与所述耦合发电装置的磁感应线圈的两端相连，以及所述电子单元与位于所述耦合发电装置的两端的电极层相连。
18.可选地，所述耦合发电装置在所述基底中水平放置且与所述基底的轴线保持平行。
19.可选地，所述电子单元包括两个led灯，所述两个led灯并联连接，且其中一个led灯的正极和负极分别连接另一个led灯的负极和正极。
20.本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供的耦合发电装置，包括空心柱形壳体、设置在所述空心柱形壳体外壁的至少一组磁感应线圈、设置在所述空心柱形壳体内腔的至少一个可移动的柱形磁铁、分别设置在所述空心柱形壳体两端的两个摩擦纳米发电单元。采用磁感应发电和摩擦纳米发电相结合，使得发电装置具有使用寿命长、输出电流大、电学性能稳定的优点，通过空心柱形壳体将磁感应线圈、可移动的柱形磁铁和两个摩擦纳米发电单元组合在一起形成的耦合发电装置，设计紧凑；将该发电装置应用在发光鞋中，可使得发光鞋能持久发亮，而且体积小巧。
附图说明
21.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制，也不代表本发明中耦合发电装置的实际尺寸及形状。
22.图1为本发明基于方柱形壳体的耦合发电装置的发光鞋示意图；
23.图2为本发明基于方柱形壳体的耦合发电装置的发电鞋垫侧面示意图；
24.图3为本发明基于方柱形壳体的耦合发电装置的发电鞋垫俯视示意图；
25.图4为本发明基于方柱形壳体的耦合发电装置(一组磁感应线圈)的结构示意图；
26.图5为本发明基于方柱形壳体的耦合发电装置(两组磁感应线圈)的结构示意图；
27.图6为本发明基于圆柱形壳体的耦合发电装置的发光鞋示意图；
28.图7为本发明基于圆柱形壳体的耦合发电装置在发光鞋中的位置排列示意图；
29.图8为本发明基于圆柱形壳体的耦合发电装置(一组磁感应线圈)的结构示意图；
30.图9为本发明基于圆柱形壳体的耦合发电装置(两组磁感应线圈)的结构示意图；
31.图10为本发明摩擦式纳米发电机(以圆柱形壳体为例)的结构示意图；
32.图11为本发明耦合发电装置(以圆柱形壳体为例)与电子单元连接示意图；
33.图12为本发明壳体的横截面尺寸和磁感应线圈的线径之和与磁感应线圈的匝数和所述摩擦纳米发电单元绝缘层的厚度之和的比值对耦合发电装置电学性能的影响。
34.图13为说明本发明的(a)人走路示意图；(b)相应的耦合发电装置的感应电压波动图；以及(c)发光鞋的led灯电路连接示意图。
35.图14为感应电压的峰值随壳体轴线与鞋底轴线夹角的变化关系图。
36.图15为耦合发电装置的感应电压在两种形状磁铁下的波动图：(a)球形磁铁；(b)圆柱形磁铁。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.本发明提供一种耦合发电装置、基于耦合发电装置的发电鞋垫和发光鞋。
40.实施例1
41.如图1-3所示，所述基底为发电鞋垫1；所述基底1设置有一个或者若干个所述耦合发电装置2；所述耦合发电装置2在基底1中水平放置并与鞋底轴线1-1保持平行。如图4-5所示，所述发电装置采用空心柱形壳体2-1；所述壳体2-1外壁的中间位置设置有至少一组若干匝相同线径的磁感应线圈2-2；所述壳体2-1的内腔设置有若干个可移动的柱形磁铁2-3；所述柱形磁铁2-3与壳体2-1内壁保持大于0mm小于等于0.5mm的距离；所述发电装置中的柱形磁铁2-3在壳体2-1内运动时，其磁场方向保持不变，并且与壳体2-1的轴线2-4始终保持平行。
42.根据本实施例，所述耦合发电装置2在所述基底1中平行排列。
43.所述空心柱形壳体2-1的横截面形状为方形，因此，又可以称为“方柱形壳体”。
44.所述壳体2-1的材料为具有一定硬度的内表面光滑的不被磁铁吸附的材料，例如聚合物材料、不被磁铁吸附的金属材料等。优选地，可以采用聚丙烯，聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。
45.所述磁感应线圈2-2紧密缠绕在所述壳体2-1外壁的中间位置；所述壳体2-1外壁的两端不缠绕所述磁感应线圈2-2。
46.根据本实施例，图4所示的磁感应线圈2-2的组数为一组，且均匀缠绕在壳体2-1外壁；图5所示的磁感应线圈2-2的组数为两组：2-2(1)和2-2(2)，且均匀缠绕在壳体2-1外壁。
47.根据本发明，所述磁感应线圈2-2由漆包铜绕制，所述漆包铜为市面上常见的漆包
铜。
48.根据本实施例，所述柱形磁铁2-3为市场上常见的强磁铁，优选地，采用钕铁硼n52或者n35型强力磁铁；所述柱形磁铁2-3的横截面形状与所述壳体2-1的横截面形状一致，为方形；所述柱形磁铁2-3的横截面尺寸略小于所述壳体2-1横截面尺寸，以保证所述柱形磁铁2-3在所述光滑壳体2-1内快速滑动。
49.实施例2
50.如图6和7所示，所述基底为发光鞋底空腔1；所述基底1设置有一个或者若干个所述耦合发电装置2；所述耦合发电装置2在基底1中水平放置并与鞋底轴线1-1保持平行。如图8和9所示，所述发电装置采用空心柱形壳体2-1；所述壳体2-1外壁的中间位置设置有一组若干匝相同线径的磁感应线圈2-2；所述壳体2-1的内腔设置有若干个可移动的柱形磁铁2-3；所述柱形磁铁2-3与壳体2-1内壁保持大于0mm小于等于0.5mm的距离；所述发电装置中的柱形磁铁2-3在壳体2-1内运动时，其磁场方向保持不变，并且与壳体2-1的轴线2-4始终保持平行。
51.根据本实施例，所述耦合发电装置2在所述基底1中平行排列。
52.所述空心柱形壳体2-1的横截面形状为圆形，因此，又可以称为“圆柱形壳体”。
53.所述壳体2-1的材料为具有一定硬度的内表面光滑的不被磁铁吸附的材料，例如聚合物材料、不被磁铁吸附的金属材料等。优选地，可以采用聚丙烯，聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。
54.所述磁感应线圈2-2紧密缠绕在所述壳体2-1外壁的中间位置；所述壳体2-1外壁的两端不缠绕所述磁感应线圈2-2。
55.根据本实施例，图8所示的磁感应线圈2-2的组数为一组，且均匀缠绕在壳体2-1外壁；图9所示的磁感应线圈2-2的组数为两组：2-2(1)和2-2(2)，且均匀缠绕在壳体2-1外壁。
56.根据本发明，所述磁感应线圈2-2由漆包铜绕制，所述漆包铜为市面上常见的漆包铜。
57.根据本实施例，所述柱形磁铁2-3为市场上常见的强磁铁，优选地，采用钕铁硼n52或者n35型强力磁铁；所述柱形磁铁2-3的横截面形状与所述壳体2-1的横截面形状一致，为圆形；所述柱形磁铁2-3的横截面尺寸略小于所述壳体2-1横截面尺寸，以保证所述柱形磁铁2-3在所述光滑壳体2-1内快速滑动。
58.以圆柱形壳体为例，如图10所示，所述柱形磁铁2-3的两端设置有导电织物或者导电聚合物3；所述壳体2-1的两端各设置有一个摩擦纳米发电单元4；所述摩擦纳米发电单元4包括壳体封装板4-1、电极层4-2和绝缘层4-3；所述壳体封装板4-1的尺寸与所述壳体2-1的横截面尺寸相同；所述电极层4-2设置于所述壳体封装板4-1靠近柱形磁铁2-3的一侧；所述绝缘层4-3为具有一定厚度的表面绝缘的高分子聚合物材料；所述绝缘层4-3与所述电极层4-2紧密结合；所述电子单元5与所述磁感应线圈2-2和所述电极层4-2相连，如图11所示。
59.根据本发明，所述导电织物3为导电银布或铜镍合金布，导电银布可以采用机织银布，也可以采用针织银布。
60.所述壳体封装板4-1为表面平滑的聚合物板，优选地，可以是聚丙烯板，聚氯乙烯板和聚甲基丙烯酸甲酯。
61.所述电极层4-2为导电织物或者导电聚合物。
62.所述电子单元5包括控制电路、led灯、蓝牙或者gps定位装置。
63.通过调节壳体2-1的横截面尺寸和磁感应线圈2-2的线径之和与磁感应线圈2-2的匝数和所述摩擦纳米发电单元绝缘层4-3的厚度之和的比值，用以调节和控制耦合发电装置2的电学性能，包括电压和电流。
64.如图12所示，根据本发明，以耦合发电装置2的电流性能为例，设壳体2-1的横截面尺寸为“d”，磁感应线圈2-2的线径为“d”，匝数为“n”，摩擦纳米发电单元绝缘层4-3的厚度为“h”，“d+d”代表所述壳体2-1的横截面尺寸和所述磁感应线圈2-2的线径之和，“n+h”代表所述磁感应线圈2-2的匝数和所述摩擦纳米发电单元绝缘层4-3的厚度之和。图中横坐标表示所述壳体2-1的横截面尺寸和磁感应线圈2-2的线径之和与磁感应线圈2-2的匝数和所述摩擦纳米发电单元绝缘层4-3的厚度之和的比值；纵坐标表示耦合发电装置2的电学性能变化率，单位为％。电学性能变化率的概念是，以起点“(d+d)*1000/(n+h)＝3”时的电学性能(比如电流)作为对照基准，其电学性能变化率为0％。当“(d+d)*1000/(n+h)”逐渐增大时，耦合发电装置2电学性能变化率呈现出非线性关系，即先增大后减小的趋势。从图12中可看出，当“(d+d)*1000/(n+h)≤4”，或者“(d+d)*1000/(n+h)≥8.5”时，耦合发电装置2电学性能变化率较小。
65.如图13(a)所示，人在走路过程中，大致可以分为三个阶段：抬脚、平移和落脚。根据本发明，在抬脚阶段，壳体2-1内的柱形磁铁2-3受自身重力和人体运动的影响，沿壳体2-1的内壁向人走路方向移动，快速切割磁感应线圈2-2，产生感应电压和感应电流。同理，在落脚阶段，柱形磁铁2-3快速回落到原始位置，再次切割磁感应线圈2-2，再次产生感应电压和感应电流。而在平移过程中，柱形磁铁2-3不发生移动，因此，不会产生感应电压和感应电流。如图13(b)所示，根据本实施例，以感应电压为例，在人走路的一个周期内，抬脚时，柱形磁铁2-3切割磁感应线圈2-2，产生波峰(1)和波谷(2)两个幅值；落脚时，柱形磁铁2-3再次切割磁感应线圈2-2，产生波谷(3)和波峰(4)两个幅值。故而在人走路的一个周期内，可以产生四个波峰波谷的幅值。图13(c)展示了led灯的电路连接方式。根据本发明，led灯1和led灯2采用正负电极交替并联的连接方式。当一个波峰达到led灯1的启动电压(1.9v)时，则led灯1被点亮，而led灯2不亮；当一个波谷达到led灯2的启动电压(1.9v)时，则led灯2被点亮，而led灯1不亮。
66.人在走路过程中led灯亮的次数与线圈2-2端面与壳体2-1端面之间距离和线圈2-2本身的长度的比值密切相关。通过控制两者之间的相对大小，可以控制相邻四个波峰波谷的幅值(包括电压和电流)，使得至少一对正负幅值大于led灯的启动电压(即1.9v)，同时电流至少4ma.这样在人走路的一个周期内，led灯至少可以亮两次；也可以控制相邻四个波峰波谷的幅值(包括电压和电流)，使得两对正负幅值都大于led灯的启动电压(1.9v)，同时电流至少4ma.这样在人走路的一个周期内，led灯可以亮四次。
67.根据本发明，led灯1和led灯2采用同一颜色的led灯，可以达到视觉上持续亮灯的效果；采用两种不同颜色的led灯，可以实现两种颜色交替闪亮的酷炫效果。
68.如图14所示，随着壳体轴线2-4与鞋底轴线1-1的夹角增大，感应电压峰值逐渐降低。当夹角为0
°
时，电压峰值最大。因此，人在走路的过程中壳体轴线2-4与鞋底轴线1-1相对静止，且壳体轴线2-4与鞋底轴线1-1的夹角必须始终为零，即壳体轴线2-4和鞋底轴线1-1必须始终保持平行。
69.本发明研究了磁场方向对感应电压的影响。当人走路时，球形磁铁在壳体2-1中自由滚动，磁场方向任意变换，而柱形磁铁的磁场方向相对固定。图15(a)和(b)分别展示了人走路三个周期时球形磁铁和柱形磁铁的电压值。球形磁铁电压值小于柱形磁铁，但是在人走路的一个周期内，产生了较多的波峰波谷。这主要是因为球形磁铁的磁场方向是任意变化的，在人走路的一个周期内，变化的磁场做切割磁感应线运动，磁场强时，感应电压大，相反，感应电压小。而柱形磁铁的磁场方向是固定不变的，在人走路的一个周期内，柱形磁铁以磁场最强的位置切割磁感线，产生了最大的感应电压。因此，人在走路的过程中，柱形磁铁2-3的磁场方向相对壳体轴线2-4必须始终不变，且柱形磁铁2-3的磁场方向始终沿着与壳体轴线2-4平行的方向。
70.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。