一种基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器

1.本发明涉及能量收集和发电设备技术领域，特别是涉及一种基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器。


背景技术：

2.摩擦纳米发电装置通过摩擦起电将各种类型的机械能转换为电能，其原理为：当两种不同材料相接触时，他们的表面由于接触起电作用会产生正负静电荷，而当两种材料由于机械力的作用分离时，接触起电产生的正负电荷也发生分离，电荷分离会相应地在材料的上下电极上产生感应电势差，如果在两个电极上接入负载或处于短路状态，感应电势差会驱动电子通过外电路在两个电极间流动。摩擦纳米发电装置具有制造简单、重量轻、成本低和转换效率高等优点。近年来，摩擦纳米发电广泛应用于能源采集、传感和交互等各个领域。摩擦纳米发电瞬时能源转化效率高、发电材料灵活、稳定且能量收集范围广，但现有技术中对如何将低频机械能转化为高频振动，利用摩擦纳米发电原理实现高效能量转换的研究十分欠缺，因此，急需一种能够将低频机械能转化为高频振动，利用摩擦纳米发电原理实现高效能量转换的装置。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器，以解决上述现有技术存在的问题，具备小阻抗、大输出的发电效果，且具有制造简单、重量轻、成本低和转换效率高的优点。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器，包括竖直导轨、滑动支撑组件和自激振动组件，所述自激振动组件和所述滑动支撑组件均沿着竖直方向能够滑动地设置于所述竖直导轨上，所述自激振动组件上能够产生自激振动的部分结构上固定设置有第一电极片，所述滑动支撑组件上固定设置有第二电极片，所述第二电极片与所述第一电极片相对设置，所述自激振动组件自所述竖直导轨顶端向下滑动的过程中，所述自激振动组件能够产生自激振动并带动所述第一电极片上下振动，所述第一电极片在振动过程中与所述第二电极片反复接触与分离。
6.优选的，所述自激振动组件远离所述竖直导轨一端的结构为共振质量块，所述共振质量块的底面和顶面上均固定设置有一所述第一电极片，所述滑动支撑组件上固定设置有两个所述第二电极片，两个所述第二电极片分别位于所述共振质量块的正上方和正下方。
7.优选的，所述自激振动组件包括弹簧振动片和所述共振质量块，所述弹簧振动片垂直于所述竖直导轨设置，所述弹簧振动片的一端开设有第一滑动孔，另一端与所述共振质量块固定连接，所述弹簧振动片通过所述第一滑动孔滑动设置于所述竖直导轨上。
8.优选的，所述滑动支撑组件包括滑动组件、中间连接件和两个接触支撑板，所述滑
动组件包括上滑套和下滑套，所述上滑套和所述下滑套上下相对设置，所述弹簧振动片一端被夹持于所述上滑套和所述下滑套之间，所述上滑套和所述下滑套之间设有同轴线的第二滑动孔，所述滑动支撑组件通过所述第二滑动孔滑动连接在所述竖直导轨上，所述中间连接件的一端与所述滑动组件固定连接，另一端与两个所述接触支撑板固定连接，两个所述接触支撑板分别位于所述共振质量块的上下两侧，两个所述第二电极片分别固定贴设于两个所述接触支撑板朝向所述共振质量块的一侧。
9.优选的，所述共振质量块通过螺栓固定在所述弹簧振动片上。
10.优选的，所述竖直导轨呈圆柱形，所述第一滑动孔和所述竖直导轨间隙配合。
11.优选的，所述第二滑动孔和所述竖直导轨间隙配合。
12.优选的，还包括下基板、上顶板和连接板，所述下基板和所述上顶板上下相对设置，所述连接板的两端分别与所述下基板和所述上顶板的同一侧的边沿固定连接，所述竖直导轨固定设置于所述下基板和所述上顶板之间，且所述竖直导轨的两端分别与所述下基板和所述上顶板固定连接。
13.优选的，所述第一电极片和所述第二电极片分别为尼龙和特氟龙材料制成。
14.优选的，上方的所述接触支撑板与所述共振质量块之间的设计间距采用如下公式计算：
15.a1＝l*sin[θ+(mgb/2μk1)]；
[0016]
下方的所述接触支撑板与所述共振质量块之间的设计间距采用如下公式计算：
[0017]
a2＝l*sin[-θ+(mgb/2μk1)]；
[0018]
公式中，l为所述弹簧振动片的长度，b为所述上滑套和所述下滑套的厚度之和，k1为所述弹簧振动片的刚度，m为所述滑动支撑组件和所述自激振动组件的质量和，μ为所述上滑套和所述下滑套与所述竖直导轨间的静摩擦因数，θ为所述上滑套和所述下滑套的内壁相对于所述竖直导轨的最大夹角。
[0019]
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0020]
本发明提供了一种基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器，当外部低频振动对能量收集器激励时，能量收集器的滑动支撑组件会由于与竖直导轨之间的摩擦力发生变化而发生滑动，自激振动组件会在装置的重力诱导下发生自激振动带动第一电极片上下振动并与第二电极片反复进行接触和分离，此时滑动支撑组件和自激振动组件会处于自激共振状态；自激振动组件上的第一电极片和第二电极片采用不同的摩擦材料制成，第一电极片和第二电极片接触分离时会产生感应电动势，从而实现产生感应电压，实现由重力
→
机械能
→
电能的转换；能量收集器设置的接触支撑板在系统共振过程中阻碍共振质量块的行程，以达到幅值截断的目的，进而使能量收集器由于碰撞产生瞬间的高频振荡，进而实现减小装置阻抗、增大瞬间输出功率的目的。因此，本发明提供的方案通过幅值截断达到小阻抗、大输出的发电效果，通过重力诱导的自激振动实现低频振动的升频，通过接触分离式摩擦发电的方式实现电能的转换和收集，具有制造简单、重量轻、成本低和转换效率高的优点。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]
图1为本发明提供的基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器的结构示意图；
[0023]
图2为本发明中发电基底组件的结构示意图；
[0024]
图3为本发明中滑动支撑组件的结构示意图；
[0025]
图4为本发明中自激振动组件的结构示意图；
[0026]
图5为滑动支撑组件和自激振动组件在振动过程中简化受力示意图。
[0027]
图中：1、基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器；2、发电基底组件；3、滑动支撑组件；4、自激振动组件；5、发电底座；6、竖直导轨；7、上滑套；8、下滑套；9、中间连接件；10、接触支撑板；11、第二电极片；12、弹簧振动片；13、第一电极片；14、共振质量块。
具体实施方式
[0028]
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，所描述的实施例仅仅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。
[0029]
本发明的目的是提供一种基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器，以解决上述现有技术存在的问题，能够将通过重力诱导产生自激振动提高收集器的振动频率，进而利用摩擦纳米发电原理实现能量转换，并且通过幅值截断的方式实现高能量输出。
[0030]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0031]
本发明提供一种基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器1，如图1～图5所示，包括竖直导轨6、滑动支撑组件3和自激振动组件4，自激振动组件4和滑动支撑组件3均沿着竖直方向能够滑动地设置于竖直导轨6上，自激振动组件4上能够产生自激振动的部分结构上固定设置有第一电极片13，滑动支撑组件3上固定设置有第二电极片11，第二电极片11与第一电极片13相对设置，自激振动组件4自竖直导轨6顶端向下滑动的过程中，自激振动组件4能够产生自激振动并带动第一电极片13上下振动，第一电极片13在振动过程中与第二电极片11反复接触与分离。
[0032]
当外部低频振动对能量收集器激励，能量收集器的滑动支撑组件3会由于与竖直导轨6之间的摩擦力发生变化而发生滑动，自激振动组件4会在装置的重力诱导下发生自激振动带动第一电极片13上下振动并与第二电极片11反复进行接触和分离，此时滑动支撑组件3和自激振动组件4会处于自激共振状态；自激振动组件4上的第一电极片13和第二电极片11采用不同的摩擦材料制成，第一电极片13和第二电极片11接触分离时会产生感应电动势，从而实现产生感应电压，实现由重力
→
机械能
→
电能的转换；能量收集器设置的接触支撑板10在系统共振过程中阻碍共振质量块14的行程，以达到幅值截断的目的，进而使能量收集器由于碰撞产生瞬间的高频振荡，进而实现减小装置阻抗、增大瞬间输出功率的目的。因此，本发明提供的方案通过幅值截断达到小阻抗、大输出的发电效果，通过重力诱导的自
激振动实现低频振动的升频，通过接触分离式摩擦发电的方式实现电能的转换和收集，具有制造简单、重量轻、成本低和转换效率高的优点。
[0033]
于一个具体的实施例中，自激振动组件4远离竖直导轨6一端的结构为共振质量块14，共振质量块14的底面和顶面上均固定设置有一第一电极片13，滑动支撑组件3上固定设置有两个第二电极片11，两个第二电极片11分别位于共振质量块14的正上方和正下方，共振质量块14带动第一电极片13向下移动时与其下方的第二电极片11接触，共振质量块14带动第一电极片13向上移动时与其上方的第二电极片11接触，本实施例提供的方案设置有两个第一电极片13以及两个第二电极片11，这就相当于提高了一倍的能量储存或发电效率。
[0034]
于一个具体的实施例中，自激振动组件4包括弹簧振动片12和共振质量块14，弹簧振动片12垂直于竖直导轨6设置，弹簧振动片12的一端开设有第一滑动孔，另一端与共振质量块14固定连接，弹簧振动片12通过第一滑动孔滑动设置于竖直导轨6上，在另一个优选的实施例中，竖直导轨6呈圆柱形，为了提高自激振动的效果，将第一滑动孔和竖直导轨6设置为间隙配合。
[0035]
于一个具体的实施例中，滑动支撑组件3包括滑动组件、中间连接件9和两个接触支撑板10，弹簧振动片12与中间连接件9的弹性不同，滑动组件包括上滑套7和下滑套8，上滑套7和下滑套8上下相对设置，弹簧振动片12一端被夹持于上滑套7和下滑套8之间，上滑套7和下滑套8之间设有同轴线的第二滑动孔，滑动支撑组件3通过第二滑动孔滑动连接在竖直导轨6上，中间连接件9的一端与滑动组件固定连接，另一端与两个接触支撑板10固定连接，两个接触支撑板10分别位于共振质量块14的上下两侧，两个第二电极片11分别固定贴设于两个接触支撑板10朝向共振质量块14的一侧，两个接触支撑板10起到支撑第二电极片11以及阻碍共振质量块14进行大幅度振动的效果，本实施例提供的方案中，自激振动组件4设置于滑动支撑组件3之间，并由滑动支撑组件3带动在竖直导轨6上进行同步滑动，以实现两个第二电极片11始终位于两个第一电极片13的上下两侧，进而实现接触和分离。
[0036]
于一个具体的实施例中，共振质量块14通过螺栓固定在弹簧振动片12上，共振质量块14优选为方形结构。
[0037]
于一个具体的实施例中，第二滑动孔和竖直导轨6间隙配合，且第二滑动孔与竖直导轨6之间的配合间隙和第一滑动孔与竖直导轨6之间的配合间隙大小相同。
[0038]
于一个具体的实施例中，基于重力诱导的自激振动式摩擦纳米能量收集器1还包括下基板、上顶板和连接板，下基板和上顶板上下相对设置，连接板的两端分别与下基板和上顶板的同一侧的边沿固定连接，竖直导轨6固定设置于下基板和上顶板之间，且竖直导轨6的两端分别与下基板和上顶板固定连接，竖直导轨6底端螺纹连接在下基板上，竖直导轨6顶端通过螺母固定在上顶板上。
[0039]
下基板、上顶板和连接板共同组成发电底座5，发电底座5和竖直导轨6共同组成发电基底组件2。
[0040]
于一个具体的实施例中，第一电极片13和第二电极片11分别为尼龙和特氟龙材料制成。
[0041]
于一个具体的实施例中，上方的接触支撑板10与共振质量块14之间的设计间距采用如下公式计算：
[0042]
a1＝l*sin[θ+(mgb/2μk1)]
[0043]
下方的接触支撑板10与共振质量块14之间的设计间距采用如下公式计算：
[0044]
a2＝l*sin[-θ+(mgb/2μk1)]
[0045]
公式中，l为弹簧振动片12的长度，b为上滑套7和下滑套8的厚度之和，k1为弹簧振动片12的刚度，m为滑动支撑组件3和自激振动组件4的质量和，μ为上滑套7和下滑套8与竖直导轨6间的静摩擦因数，θ为上滑套7和下滑套8相对于竖直导轨6的最大夹角。
[0046]
本发明提供的装置的使用过程大体如下：
[0047]
首先将滑动支撑组件3和自激振动组件4手动或采用其他方式提升至竖直导轨6的顶端，将装置放于振动环境中(例如手动使得共振质量块14产生振动)，装置受到外部环境中的振动激励，滑动支撑组件3会开始进行滑动，带动自激振动组件4在重力的诱导下产生自激振动，装置会处于共振状态，滑动支撑组件3将带动自激振动组件4向下滑动，直至达到竖直导轨6底端。通过自激振动组件4的自激振动，第一电极片13可以同时获得共振质量块14的高频振动，振动时第一电极片13与第二电极片11反复接触分离，使得两种材料间产生感应电动势。
[0048]
本发明将重力作为能量收集器维持运动的能源，由库伦摩擦激发自激振动，弹簧振动片12产生的自激振动更有利于获得更高的振动频率，本发明将特氟龙固定在接触支撑板10上，将尼龙固定在共振质量块14上，保证两种材料可以在自激振动的过程中进行高频的接触分离并产生感应电动势，接触支撑板10起到截断共振质量块14的作用，以提高瞬间输出功率，降低装置的阻抗。本发明可根据使用需求加装能量储存器具来收集产生的能量，具有高频、转化效率高、结构简单且易实现的优点。
[0049]
本发明提供的方案中滑动支撑组件3和弹簧振动片12因刚度的不同，在共振过程中会有很大的相对位移产生，所以共振质量块14和接触支撑板10会产生碰撞。
[0050]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。