[发明专利]一种摩擦纳米发电机及试验装置

说明书

本发明实施例提供一种摩擦纳米发电机及试验装置，该发电机应用于铁道系统的轨道和道床板之间，安装在每两个相邻轨枕之间的轨段中点，所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。通过收集列车驶过时轨道和道床板振动产生的机械能，将该机械能转化为电能进行存储或直接为铁道相关用电设备供电。该发明的试验装置可以研究摩擦纳米发电机在不同轨道振动条件、以及不同摩擦对间隙设计情况下的电信号输出性能。

技术领域

本发明实施例涉及一种摩擦纳米发电机，尤其涉及一种摩擦纳米发电机及试验装置，尤其应用于地铁轨道和轨道板之间。

背景技术

随着我国地下轨道交通建设的发展，地铁运营里程和运量快速提升，相关的运营安全问题也日益凸显。轨道交通健康监测系统可实时监控地铁运营状态，但监测系统中包含有大量的传感器及相关采集设备，其供能问题尚存在很大挑战：若采用传统的有线供能形式，由于供电电源与部分传感器的距离较远，容易产生电缆受损；若采用电池供电，一则其需要频繁更换电池，大大增加了人力成本，二则电池的大量使用也加剧了对环境和人体的潜在危害。为此，能够收集环境能量并将其转化为电能的俘能技术得到了广泛关注，但由于地下运营环境的限制，太阳能、风能等俘能设备并不适用于地铁系统。

国家纳米科学中心王中林教授在2012年提出的摩擦纳米发电机(公开CN103368447A)是一种收集环境机械能的高效手段。但目前，该摩擦纳米发电机仅作为概念机，无法适用于复杂环境，要将其应用于地下轨道交通系统，还存在以下不足：

1、该摩擦纳米发电机的摩擦对之间的初始间隙在制备时已经固定，当外力施加的变形幅值小于固定间隙时，摩擦对无法接触产生电荷交换；幅度远大于间隙时，摩擦对将受到极大的外力作用，必然会受到破坏，因此不能灵活应用于多种工况。实际上，轨道的振动受到车速、车重、扣件刚度等几十种车轨参数的影响，其振动幅值在各种工况下有较大的差异，因此传统摩擦纳米发电机难以直接应用于地铁轨道振动俘能。

2、该摩擦纳米发电机设置了支撑体为两个绝缘材料分离提供回复力，对于外力可以使得摩擦纳米发电机自动回复的应用场景，例如轨道的往复竖向运动使其可以直接回复，该支撑体结构实际上阻碍了摩擦对平整地完全接触，降低了发电机输出性能。

3、该摩擦纳米发电机未设置缓冲层，当外力所提供的变形大于初始间隙时，则绝缘材料和电极材料将会受到巨大的外力作用，产生额外变形，容易受到破坏，特别是在轨道系统中，多变的轨道位移使得摩擦纳米发电机的变形区间较大，当轨道位移大于摩擦对初始间隙时，容易压坏摩擦纳米发电机。

4、未对摩擦纳米发电机进行合理的绝缘封装处理，应结合应用场景加以考虑，特别是轨道中复杂的环境。

5、其俘能效率和输出功率等未针对应用场景设计专门的试验装置进行测试和验证。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供一种摩擦纳米发电机及试验装置，解决了摩擦纳米发电机能通过设置缓冲层而能灵活应用于轨道的不同振动幅值工况，从而通过收集轨道振动能为轨道中用电设备供能的问题。

本发明实施例解决技术问题的技术方案是：

本发明实施例提供一种摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。

进一步地，所述摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层之间保留有初始间隙。

进一步地，所述上电极层和下电极层为铜箔片，分别粘接于所述顶部介电材料层的上表面和所述底部介电材料层的下表面，所述铜箔片上连接有导线，用于输出电流。