[发明专利]一种风力复合自驱动传感技术及应用

说明书

技术领域：

一种风力复合自驱动传感技术及应用，尤其是一种基于摩擦纳米发电和电磁发电原理的复合发电装置及自驱动传感装置，可广泛用于无线监测等领域。

背景技术：

随着工业4.0和物联网的全面铺开，具备监测、报警及定位等智能化的移动终端逐步递增，同时对其供电系统提出了新的更高的要求。现有小型的供电系统多为风力发电技术或太阳能发电技术，然而受到自然环境和工作条件的限制，仍无法满足移动终端(尤其是高速移动)“自驱动供电系统”要求。

2012年，王中林教授提出并开发摩擦纳米发电机(TENG)，其基本原理是利用摩擦在材料表面产生电荷，并使两者分离，从而产生极高的电势，驱动外电路的电子发生定向移动，将环境中收集微弱的机械能(转动、振动等)并转换为电能。

本专利通过将摩擦纳米发电(TENG)与传统的电磁发电(EG)技术相结合，提供了一种收集风能的涡轮式复合发电装置及移动终端自供电应用技术。实现了只要移动终端受到气流的作用(冲击、振动等)，本专利发电装置即可将其捕获并转化为电能，尤其是涡轮式的叶片设计结构，能够最大限度的收集高速气流带来的机械能量，叶片在转动过程中同时利用摩擦发电与传统电磁发电技术，实现了小型化、微型化、质量轻、高输出的复合发电技术。然而，在实现本发明的过程中，申请人发现目前未出现一种基于自驱动传感的无线监测装置及移动终端应用技术，尤其是基于摩擦纳米发电原理的独特的、高灵敏度的传感装置和应用技术。

发明内容：

本发明的目的是提供一种风力复合自驱动传感技术及应用，尤其是一种基于摩擦纳米发电和电磁发电原理的复合发电及自驱动传感装置，能够充分收集自然环境中的风能、振动能量并将其转化为电信号和电能，实现了发电和传感的合二为一，特别涉及自驱动传感、微纳能源转化等新能源领域。

摩擦电自驱动传感技术

(1)该技术包括：装置外壳；吸振模块，能够与被测物形成共振；振动悬臂梁，传递振动信息和能量；振动质量块，该方形质量块撞击摩擦纳米发电机，引发其工作；装置材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等，内部为方形结构；吸振模块的结构可为质量弹簧、U型、薄膜及上述任意组合，材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等：振动悬臂梁的结构可为圆柱形、方形，材质可为金属、高分子聚合物和无机材料等。

(2)摩擦纳米发电模块，包括：4组摩擦纳米发电机，4组输出端及与之相对应弹簧结构；分别位于装置内壁；每个发电机由1个活动导电层、1个固定导电层和1个摩擦层；所述摩擦纳米发电模块的工作方式可为接触分离式、单电极式；所述摩擦纳米发电机可为方形、三角形、四边形及多边形的层状结构；所述摩擦纳米发电模块的导电层厚度为0.01-1000um，材质可为铜、铝、金、银、铂等导电金属材料，石墨、碳纳米材料、石墨烯等含碳导电材料，及无机(ITO)和有机导电材料等；所述摩擦纳米发电模块的摩擦层厚度为0.1-1000um，材质可为高分子聚合物和无机材料等；

风力复合发电技术

(1)本专利实现了摩擦发电和电磁发电结合的复合发电技术，能量转化效率进一步提高，该技术充分利用气流促使涡轮叶片转动，并通过弹簧和磁铁组合将叶片转动的能量转化为振动能量，为风力复合发电提供动力；

(2)材质：涡轮式发电装置外壳为价格低廉的PVC、PMMA等有机物或钢、铝合金、镁合金等，叶片和摩擦层材料可为FEP、PTFE、Kapton、PDMS和PVC等有机材料；根据工作方式，金属电极采用单栅格和双栅格组合的方式，材质为Cu、Al及其它耐磨导电薄片；电磁感应发电模块材质与结构与传统相近；

(3)摩擦发电模块分为两部分：一是涡轮叶片内部滑动发电部分，将摩擦材料和金属电极固定在涡轮叶片内壁和移动滑块之上，形成独立滑动式的摩擦纳米发电机；二是叶片尖端与汽缸内壁间接触分离发电部分，将柔性摩擦材料和金属电极固定在涡轮叶片尖端和汽缸内壁之上，形成接触分离式的摩擦纳米发电机；

(4)电磁感应发电模块采用轴向尺寸较小、多组缠绕式永磁发电机；

(5)涡轮叶片用于收集气流产生的能量，装置前后两端的分风栅格用于控制气流方向；单向弹簧和磁铁薄片的组合结构，可将气流转化为持续振动能量推动TENG和EG工作，且通过调整弹簧和磁铁能够有效振动速度与位置，实现了持续的、稳定的电能输出，确保了电能输出的质与量；

(6)复合发电机可单独使用，也可多个组合在一起形成“多级复合发电装置”；风力复合发电装置外壳前后加装扩口装置，提高收集气流数量；加装固定端口，用于涡轮式发电装置的固定；