用于人体运动能量收集的能量收集器及装置及方法

1.本发明属于新能源器件技术领域，特别涉及用于人体运动能量收集的能量收集器及装置及方法。


背景技术：

2.人体是一个巨大的能量宝库，当人走路时脚踩地产生冲击能量，说话时会有声能，睡觉时的心脏跳动也产生振动能量。如果我们把这些能量合理收集起来，为低功耗无线传感节点供电，可以给我们的生活带来很大的便利。人体能量的收集方法有三种，分别是电磁式、压电式和摩擦电式。然而现有的人体能量收集器的能量收集方法往往为一种，在输出性能方面均存在一定缺陷，如何设计高效收集人体能量的能量收集器成为挑战。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供用于人体运动能量收集的能量收集器及装置及方法，本发明将电磁式、压电式和摩擦电式的人体能量收集方法相结合来收集人体产生的能量。系统耦合了电磁、压电和摩擦电三种集能机制，三种发电机优势互补，提高了能量收集器的工作效率，丰富了能量收集器的输出特性。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.用于人体运动能量收集的能量收集器，包括弹性基底、电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机，所述弹性基底的形状为环形；
6.电磁发电机包括第一载体封装盒和第二载体封装盒，第一载体封装盒和第二载体封装盒分别设置于弹性基底内表面且上下正对，第一载体封装盒和第二载体封装盒分别设有磁铁和带铁芯线圈，磁铁和带铁芯线圈相对设置；
7.摩擦发电机包括金属层、电极层和介电层，电极层设置于第一载体封装盒的下表面，介电层设置于电极层的下表面，金属层设置于第二载体封装盒的上表面，金属层与介电层之间具有空隙；
8.压电发电机包括第一压电单晶片和第二压电单晶片，第一压电单晶片和第二压电单晶片分别对称设置于弹性基底左右两侧的内壁。
9.优选的，所述磁铁设置若干个，所述带铁芯线圈的数量与磁铁的数量相同，所述磁铁与所述带铁芯线圈一一正对设置。
10.优选的，第一压电单晶片和第二压电单晶片均采用pvdf压电单晶片。
11.优选的，所述第一载体封装盒和第二载体封装盒的材质为亚克力。
12.优选的，所述弹性基底的材质为pet。
13.优选的，所述金属层和电极层均采用镍膜。
14.优选的，所述介电层采用硅胶薄膜。
15.优选的，还包括用于交直流转换的整流桥，所述电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机的输出端口均连接有整流桥。
16.优选的，电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机输出端口连接的整流桥串联、并联或混连。
17.本发明还提供了用于人体运动能量收集的方法，该方法采用本发明如上所述的用于人体运动能量收集的能量收集器进行，包括如下过程：
18.当按压所述用于人体运动能量收集的能量收集器时，所述摩擦发电机的介电层与金属层发生摩擦产生电荷；与此同时，第一压电单晶片和第二压电单晶片受到弯曲，在压电层的上下两表面产生相反电荷；磁铁向下运动，并在带铁芯线圈中产生感应电荷；将电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机产生的电荷进行收集。
19.本发明具有如下有益效果：
20.本发明用于人体运动能量收集的能量收集器将电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机相结合，能够将这三种不同的发电方式对单一方向的运动进行收集，在收集人体运动能量时有良好的收集效果；采用的混合能量收集器，可以根据发明需求灵活设计尺寸，增强发电性能和增加人体穿戴的舒适感；采用带铁芯的线圈，铁芯对磁铁有吸引力，当按压该结构时，带铁芯的线圈受到磁铁吸引从而在接触面产生额外的加速冲击，可极大提升摩擦发电机和电磁发电机的输出性能；并且环形的弹性基底上的压电单晶片也受到额外的加速冲击从而可极大提高压电发电机的输出性能；当按压完该结构之后，弹性基底复位，电磁发电机和摩擦发电机的上下结构分离，由于压电单晶片设置于环形弹性基底上，可提高弹性基底的刚度，使按压完结构的弹性基底复位的加速度增加，进而提升摩擦发电机和电磁发电机在接触面分离时的输出性能；本发明可以直接给可穿戴设备或传感器进行供电，在电路管理中增加超级电容组成自供能系统后，直接收集人体动能，简化了电路管理，能够持续不断地驱动各种人体可穿戴设备。
21.进一步的，本发明中可将电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机这三个发电单元通过导线串联、并联或混连连接组成发电系统，从而极大地提高能量收集效率。
附图说明
22.图1为本发明能量收集器的示意图；
23.图2为本发明能量收集器的实施例样机照片；
24.图3为本发明能量收集器的实施例样机电磁发电输出信号与采用无铁芯线圈的电磁-压电-摩擦电混合能量收集器样机电磁发电输出信号对比图；
25.图4为本发明能量收集器的实施例样机压电发电输出信号与采用无铁芯线圈的电磁-压电-摩擦电混合能量收集器样机压电发电输出信号对比图；
26.图5为本发明能量收集器的实施例样机摩擦电发电输出信号与采用无铁芯线圈的电磁-压电-摩擦电混合能量收集器样机摩擦电发电输出信号对比图；
27.图6为本发明能量收集器的三发电机输出串联电路示意图。
28.图中：1为弹性基底，2-1为线圈载体框架、2-2为磁铁载体框架，3-1为线圈载体盖板、3-2为磁铁载体盖板，4-1为第一磁铁、4-2为第二磁铁、4-3为第三磁铁、4-4为第四磁铁，5-1为第一带铁芯线圈、5-2为第二带铁芯线圈、5-3为第三带铁芯线圈、5-4为第四带铁芯线圈，6-1为第一pvdf压电单晶片、6-2为第二pvdf压电单晶片，7为金属层，8为电极层，9为介电层。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
30.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。
31.参照图1和图2，用于人体运动能量收集的能量收集器，包括弹性基底1、电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机，弹性基底1的形状为环形、材质为pet，如图1所示，具体形状可为椭圆环；电磁发电机包括亚克力材质的第一载体封装盒和第二载体封装盒，第一载体封装盒和第二载体封装盒分别设置于弹性基底1内表面且上下正对，第一载体封装盒和第二载体封装盒分别设有磁铁和带铁芯线圈，磁铁和带铁芯线圈相对设置；摩擦发电机包括金属层7、电极层8和介电层9，电极层8设置于第一载体封装盒的下表面，介电层9设置于电极层8的下表面，金属层7设置于第二载体封装盒的上表面，金属层7与介电层9之间具有空隙，金属层7和电极层8均导电且采用镍膜，介电层8采用硅胶薄膜，介电层9与金属层7摩擦后可产生电荷；压电发电机包括第一压电单晶片和第二压电单晶片，第一压电单晶片和第二压电单晶片均采用pvdf压电单晶片，第一压电单晶片和第二压电单晶片分别对称设置于弹性基底1左右两侧的内壁。具体的，如图1和图2所示，磁铁设置四个，如图1中所示的第一磁铁4-1、第二磁铁4-2、第三磁铁4-3和第四磁铁4-4，带铁芯线圈设置四个，如图1中所示的第一带铁芯线圈5-1、第二带铁芯线圈5-2、第三带铁芯线圈5-3和第四带铁芯线圈5-4，四个磁铁和四个带铁芯线圈均呈2
×
2矩阵形式布置，磁铁与带铁芯线圈一一正对设置。将四个磁铁主对角线呈相同极性，副对角线呈另一相同极性。该结构较容易装入载体框架中。本发明中，采用带铁芯的线圈，铁芯对磁铁有吸引力，当按压该结构时，受到磁铁吸引从而在接触面产生额外的加速冲击，从而可极大提升摩擦发电机和电磁发电机的输出性能，并且环形弹性基底上的压电层也受到额外的加速冲击从而可极大提高压电发电机的输出性能；由于压电层设置于环形弹性基底上，可提高环形弹性基底的刚度，使按压完结构的环形弹性基底复位的加速度增加，进而又可提升摩擦发电机和电磁发电机在接触面分离时的输出性能，采用带铁芯线圈与无铁芯线圈的发电机输出性能对比参照图3、图4和图5。
32.本发明用于人体运动能量收集的能量收集器在使用时，在电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机的输出端口均连接整流桥，并且根据需求，可以将电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机输出端口连接的整流桥串联(如图6所示)、并联或混连。通过设置整流桥，能够使得本发明的能量收集器直接收集到直流电，便于直接使用。
33.作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，载体框架采用有四个圆柱空心的长方体亚克力或有四个圆柱空心的正方体亚克力，或选用其他质量轻且强度较高的材料。将四个磁铁和四个线圈放入该结构的圆柱空心中。该结构制作起来相对简单。第一载体封装盒包括磁铁载体框架2-2和磁铁载体盖板3-2，磁铁载体框架2-2设置在弹性基底1内表面的上端，磁铁载体盖板3-2设置在磁铁载体框架2-2的下端，磁铁载体框架2-2和磁铁载体盖板3-2将四个磁铁固定封装，电极层8设置于磁铁载体盖板3-2的下表面；第二载体封装盒包括线圈载体框架2-1和线圈载体盖板3-1，线圈载体框架2-1设置在弹性基底1内表面的下端，线圈载体盖板3-1设置在线圈载体框架2-1的下端，线圈载体框架2-1和线圈载体盖板3-1将
四个带铁芯线圈固定封装，金属层7设置于线圈载体盖板3-1的上表面；封装好的磁铁载体与带铁芯线圈载体分别固定在基底的上表面中心与下表面中心。
34.基于上述用于人体运动能量收集的能量收集器，本发明用于人体运动能量收集的能量收集器的方法包括如下过程：
35.当按压所述用于人体运动能量收集的能量收集器时，所述摩擦发电机的介电层9与金属层7发生摩擦产生电荷，所述介电层9表面带负电荷，所述金属7层表面带正电荷；与此同时，第一压电单晶片和第二压电单晶片受到弯曲，在压电层的上下两表面产生相反电荷；磁铁向下运动，通过带铁芯线圈的磁通量随时间变化，并在带铁芯线圈中产生感应电荷；将电磁发电机、压电发电机和摩擦发电机产生的电荷进行收集。三个发电机的输出电流可分别整流后再串联，从而实现发电电压的叠加和发电功率的提升。
36.按照本实施例的上述方案，制备了如图2所示的能量收集器，其中，为了便于制备，四个磁铁尺寸相同，四个带铁芯线圈尺寸相同，两个pvdf压电单晶片尺寸相同，线圈载体框架和磁铁载体框架的厚度尺寸不同、长宽尺寸相同，线圈载体盖板和磁铁载体盖板的尺寸相同，两载体框架和两载体盖板厚度尺寸不同、长宽尺寸相同，金属层、电极层、介电层和两载体盖板的长宽尺寸相同，其各部分尺寸如表1所示。
37.表1
[0038][0039][0040]
本实施例能量收集器样机发电输出信号如图3、图4和图5所示，三张图的结果表明了本发明采用带铁芯线圈的电磁-压电-摩擦电混合能量收集器在单一运动方向上具有较好的能量收集效果。
[0041]
综上，本发明能量收集器中，由于三个发电机设置于一个基底上，结构非常紧凑，封装体积小，系统耦合了电磁、压电和摩擦电三种集能机制，三个发电机优势互补，提高了能量收集器的工作效率，丰富了能量收集器的输出特性。三个发电机整流后串联输出电压叠加，输出功率高。该结构可安装于足底用于收集人体足底能量，方便为可穿戴设备自供电。