CN111092564B - 一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁感应发电领域，公开了一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机及其制备方法，包括发电单元，和与之配合的电极组成；当人体肢体运动时，柔性电磁材料自身发生形变，或者柔性电磁材料产生切割电磁场的行为，从而在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流，用于给其他可穿戴器件充电；这种结构的柔性发电机是一种十分高效的通过将机械能转化为电能来实现充电的发电机设计。本发明实现了将人体因运动产生的机械能转化为电能，用于为可穿戴器件提供电源的功能。

Description

一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机及其制备方法

技术领域

本发明属于电磁感应发电领域，尤其涉及一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机及其制备方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

微电子技术，无线电子技术的飞速发展以及各种微小型电子设备，微机电系统在工业、通讯以及家庭生活领域的广泛应用，极大地丰富和方便了人们的生活和工作。但在能量供给方面，依然采用传统的供给方式，主要依靠化学电池。化学电池尽管因其方便的优点而被广泛应用，但其实其自身有很大的局限性，如环境污染性、能源损耗性等。并且随着科技的发展，一些传统的供给方式已不能满足现在的需要，因此人们迫切希望找到一种新型的供能方式，用以适应现代技术发展的变化，促进电子信息相关产业的发展。

柔性发电机是一种将柔性基材物理变化引起的机械能转化为电能的装置，目前主要有三种类型：光伏式、压电式和摩擦电式。光伏式柔性发电机是将有机/无机光伏电池制备在柔性基底上，使用过程中必须在太阳光或者强光源环境中才能将光能转化为电能。此外工作寿命问题也是光伏式柔性发电机的弱点之一。压电式纳米发电机主要是2006年美国佐治亚理工学院王中林教授等人(1]D.Choi,M.Y.Choi,W.M.Choi,H.J.Shin,H.K.Park,J.S.Seo,J.Park,S.M.Yo on,S.J.Chae,Y.H.Lee,S.W.Kim,J.Y.Choi,S.Y.Lee,J.M.Kim.Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on GrapheneElectrodes[J].Advanced Materials,2010,22(19):2187；[2]J.O.Hwang,D.H.Lee,J.Y.Kim,T.H.Han,B.H.Kim,M.Park,K.No,S.O.Kim.Ver tical ZnO nanowires/graphenehybrids for transparent and flexible field emission[J].Journal Of MaterialsChemistry,2011,21(10):3432-3437)提出。工作原理是以ZnO纳米线作为柔性纳米压电材料作为柔性发电机。摩擦电式柔性发电机的基本原理是利用极性相差较大的两种柔性摩擦材料间相互摩擦产生静电荷结合静电效应诱导极板上产生相反电荷，通过外电路实现电荷的转移产生电流，从而实现将周围环境中的机械能转化为电能，人体运动、水流、气流、声音等产生的微小振动均可以驱动摩擦发电机工作。

电磁转换效应指导了法国人毕克西在1832年发明了手摇式直流发电机。其原理是通过转动永磁体使磁通发生变化而在线圈中产生感应电动势，并把这种电动势以直流电压形式输出。这种发电机通常由刚性的定子、转子、端盖及轴承等部件构成。这些刚性的发电机零件通常是铁或者不锈钢材料，通过铸塑等加工工艺制备，具有尺寸大，硬度高等特点，不适应于为人体可穿戴器件提供电源。如果能够将发电机的零件用柔性材料制备，将得到柔性的发电机。但是，目前没有研究小组或个人报道基于电磁转换效应的柔性发电机。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术中，柔性发电机发电原理主要是基于摩擦电式的，没有基于电磁转换效应的柔性发电机；

(2)现有的基于电磁转换效应的发电机为硬质刚性发电机，无法佩戴到人体表面，有效地将人体因运动产生的机械能转化为电能，用于为可穿戴器件提供电源。

解决上述技术问题的意义：

柔性电磁材料的设计与应用，将直接导致基于电磁转换效应的柔性发电机的发明，本发明是对现有技术专利的延伸专利，设计出可穿戴的基于电磁转换效应的柔性发电机为其他可穿戴设备提供电源，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机及其制备方法。本发明目的主要是将人体因运动产生的机械能转化为电能，用于为可穿戴器件提供电源。现有技术中，困难就是柔性电磁材料的设计，但最主要的是没有人发明过这种器件，所以本发明是第一个基于电磁转换效应的柔性发电机。

本发明是这样实现的，

一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机，所述基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机包括发电单元、与发电单元配合的电极层；

当生物体自身移动时，基于柔性电磁材料的发电单元发生形变，在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流；将产生的电压/电流通过电极输出出去。

进一步，所述基于柔性电磁材料的发电单元长度为0.1mm-100cm，宽度为0.1mm-10cm，厚度为0.1mm-2cm。此种尺寸小的柔性电磁材料能与人体皮肤相贴合紧密，便于捕捉并转化人体机械能为电能。

进一步，所述发电单元与外界发生接触或滑动摩擦的表面进行物理(表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构)或化学改性(表面改性引入导电化学基团)。

进一步，发电单元发电方式中，包括：

1)柔性电磁材料本身形变式发电；

2)柔性电磁材料包括柔性电材料和柔性磁材料，通过柔性电材料和柔性磁材料两者相对运动切割磁感线发电式。

发电单元周期化结构、阵列化结构分布于衣物/纺织物基底上。

进一步，发电单元至少为2个；2个或2个以上的发电单元并联或串联；

多个发电单元的相对位置与外界的移动轨迹相匹配。

进一步，与发电单元连接的电极层为铝、铜、金、银中的一种或两种以上的混合物；

电极层厚度为0.01-1000微米。

进一步，所述发电单元与电极层的连接方式为接触式或非接触感应式。

进一步，用于放至发电单元阵列的基底为聚酯，聚酯包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯、聚间苯二甲酸二烯丙酯、聚对苯二甲酸环己垸对二甲酯、聚萘二甲酸丁二酯、聚己二酸丙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯、聚羟基丁酸酯；

基底或为聚丙烯酸，包括聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸正丁酯、聚a-氯代丙烯酸甲酯；

基底或为聚酰胺，包括聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚癸二酸癸二胺；

基底或为聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯醇縮丁醛、聚氧化乙烯聚合物；所述聚合物为均聚物，或为共聚物。

本发明的另一目的在于提供一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的制备方法包括：

步骤一，将基于柔性电磁材料的发电单元与两侧电极连接。

步骤二，将连接电极的发电单元通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在衣物/纺织物基底上，如附图2所示。

步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将发电单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化捕捉并转化人体机械能为电能。

所述基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的制备方法进一步包括：

步骤一，将柔性电磁材料的电学部分通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在裤腿衣物/纺织物基底上，如附图3所示。

步骤二，将柔性电磁材料的磁学部分通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在另一支裤腿衣物/纺织物基底上，如附图3所示。

步骤三，人体行走带动两支裤腿相对运动，从而驱动柔性电磁材料的电学部分和磁学部分相对运动，将人体机械能为电能。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

当人体肢体运动时，使用柔性发电机第一种工作原理，柔性电磁材料自身发生形变，输出电压在0.5-32伏之间。使用柔性发电机第二种工作原理，柔性电磁材料产生切割电磁场的行为，从而在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流，输出电压在1-30伏之间。这种输出电压可给其他可穿戴器件充电。因此，这种结构的柔性发电机是一种十分高效的通过将机械能转化为电能来实现充电的发电机设计。

本发明实现了将人体因运动产生的机械能转化为电能，用于为可穿戴器件提供电源的功能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机示意图。

图中：1、发电单元；2、电极层。

图2是本发明实施例提供的基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的第一种工作原理图。

图3是本发明实施例提供的基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的第二种工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的电磁转换效应发电机不能有效将人体因运动产生的机械能转化为电能，用于为可穿戴器件提供电源。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

如图1，本发明实施例提供的基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机，包括发电单元1、与发电单元配合的电极层2；

当人体自身移动时，基于柔性电磁材料的发电单元发生形变，在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流；将产生的电压/电流通过电极输出出去。

作为本发明的优选实施例，所述基于柔性电磁材料的发电单元长度为0.1mm-100cm，宽度为0.1mm-10cm，厚度为0.1mm-2cm。

作为本发明的优选实施例，所述发电单元与外界发生接触或滑动摩擦的表面进行物理或化学改性，表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。

作为本发明的优选实施例，发电单元发电方式中，包括：

1)柔性发电机第一种工作原理：柔性电磁材料本身形变式发电；

2)柔性发电机第二种工作原理：柔性电磁材料包括柔性电材料和柔性磁材料，通过柔性电材料和柔性磁材料两者相对运动切割磁感线发电式。

作为本发明的优选实施例，发电单元周期化、阵列化分布于基底上；

所述周期性结构的重复单元的尺寸和形状相同。

作为本发明的优选实施例，发电单元至少为2个；2个或2个以上的发电单元并联或串联；

多个发电单元的相对位置与外界的移动轨迹相匹配。

作为本发明的优选实施例，与发电单元连接的电极层为铝、铜、金、银中的一种或两种以上的混合物；

电极层厚度为0.01-1000微米。

作为本发明的优选实施例，所述发电单元与电极层的连接方式为接触式或非接触感应式。

作为本发明的优选实施例，用于放至发电单元阵列的基底为聚酯，聚酯包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯、聚间苯二甲酸二烯丙酯、聚对苯二甲酸环己垸对二甲酯、聚萘二甲酸丁二酯、聚己二酸丙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯、聚羟基丁酸酯；

基底或为聚丙烯酸，包括聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸正丁酯、聚a-氯代丙烯酸甲酯；

基底或为聚酰胺，包括聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚癸二酸癸二胺；

基底或为聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯醇縮丁醛、聚氧化乙烯聚合物；所述聚合物为均聚物，或为共聚物。

本发明的另一目的在于提供一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的制备方法包括：

步骤一，将基于柔性电磁材料的发电单元与两侧电极连接。

步骤二，将连接电极的发电单元通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在衣物/纺织物基底上，如附图2所示。

步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将发电单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化捕捉并转化人体机械能为电能。

所述基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的制备方法进一步包括：

步骤一，将柔性电磁材料的电学部分通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在裤腿衣物/纺织物基底上，如附图3所示。

步骤二，将柔性电磁材料的磁学部分通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在另一支裤腿衣物/纺织物基底上，如附图3所示。

步骤三，人体行走带动两支裤腿相对运动，从而驱动柔性电磁材料的电学部分和磁学部分相对运动，将人体机械能为电能。

下面结合具体实施例对本发明的应用作进一步描述。

实施例1

柔性发电机第一种工作原理：

步骤一，将基于柔性电磁材料的发电单元与两侧铜电极连接。

步骤二，将连接电极的发电单元通过物理缝纫的方法固定在聚对苯二甲酸丁二酯衣物/纺织物基底上，如附图2所示。

步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将发电单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化捕捉并转化人体机械能为电能，输出电压为12伏。

实施例2

柔性发电机第一种工作原理：

步骤一，将基于柔性电磁材料的发电单元与两侧金电极连接。

步骤二，将连接电极的发电单元通过化学粘附的方法固定在聚己二酸丙二醇酯衣物/纺织物基底上，如附图2所示。

步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将发电单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化捕捉并转化人体机械能为电能，输出电压为17伏。

实施例3

柔性发电机第二种工作原理：

步骤一，将柔性电磁材料的铜电学部分通过物理缝纫的方法固定在裤腿衣物/纺织物基底上，如附图3所示。

步骤二，将柔性电磁材料的钐钴磁体磁学部分通过物理缝纫的方法固定在另一支裤腿衣物/纺织物基底上，如附图3所示。

步骤三，人体行走带动两支裤腿相对运动，从而驱动柔性电磁材料的电学部分和磁学部分相对运动，将人体机械能为电能，输出电压为10伏。

实施例4

柔性发电机第二种工作原理：

步骤一，将柔性电磁材料的金电学部分通过化学粘附的方法固定在裤腿衣物/纺织物基底上，如附图3所示。

步骤二，将柔性电磁材料的铁氧体磁学部分通过化学粘附的方法固定在另一支裤腿衣物/纺织物基底上，如附图3所示。

步骤三，人体行走带动两支裤腿相对运动，从而驱动柔性电磁材料的电学部分和磁学部分相对运动，将人体机械能为电能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机，其特征在于，所述基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机包括发电单元、与发电单元配合的电极层；

当生物体自身移动时，基于柔性电磁材料的发电单元发生形变，在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流；将产生的电压/电流通过电极输出；

发电单元发电方式包括：柔性电磁材料本身形变式发电、相对运动切割磁感线发电两种发电；

柔性电磁材料包括柔性电材料和柔性磁材料，通过柔性电材料和柔性磁材料两者相对运动切割磁感线发电式；柔性电材料通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在裤腿衣物/纺织物基底上；柔性磁材料通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在另一只 裤腿衣物/纺织物基底上；

发电单元周期化结构、阵列化结构分布于衣物/纺织物基底上；

发电单元至少为2个；2个或2个以上的发电单元并联或串联；

多个发电单元的相对位置与外界的移动轨迹相匹配；

与发电单元连接的电极层为铝、铜、金、银中的一种或两种以上的混合物；

电极层厚度为0.01-1000微米；

所述发电单元与电极层的连接方式为接触式或非接触感应式。

2.如权利要求1所述的基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机，其特征在于，所述基于柔性电磁材料的发电单元长度为0.1mm-100cm，宽度为0.1mm-10cm，厚度为0.1mm-2cm；

所述发电单元与外界发生接触或滑动摩擦的表面进行物理或化学改性。

3.如权利要求1所述的基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机，其特征在于，

用于放至发电单元阵列的基底为聚酯，聚酯包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯、聚间苯二甲酸二烯丙酯、聚对苯二甲酸环己垸对二甲酯、聚萘二甲酸丁二酯、聚己二酸丙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯、聚羟基丁酸酯；

基底或为聚丙烯酸，包括聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸正丁酯、聚a-氯代丙烯酸甲酯；

基底或为聚酰胺，包括聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚癸二酸癸二胺；

基底或为聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯醇縮丁醛、聚氧化乙烯聚合物；所述聚合物为均聚物，或为共聚物。

4.一种如权利要求1所述的基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的制备方法，其特征在于，所述基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的制备方法包括：

步骤一，将基于柔性电磁材料的发电单元与两侧电极连接；

步骤二，将连接电极的发电单元通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在衣物/纺织物基底上；

步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将发电单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化捕捉并转化机械能为电能。

5.如权利要求4所述的基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的制备方法，其特征在于，所述基于柔性电磁材料的可穿戴式发电机的制备方法进一步包括：

步骤一，将柔性电磁材料的电学部分通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在裤腿衣物/纺织物基底上；

步骤二，将柔性电磁材料的磁学部分通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在另一只裤腿衣物/纺织物基底上；

步骤三，人体行走带动两支裤腿相对运动，驱动柔性电磁材料的电学部分和磁学部分相对运动，将机械能转换为电能。

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