一种卷尺式压电纳米发电机

1.本发明涉及压电能量转换领域，特别是涉及一种卷尺式压电纳米发电机。


背景技术：

2.目前，主要用两种方式来采集环境中的机械能：摩擦纳米发电机(teng)和压电纳米发电机(peng)，两者均能将机械能转化为电能。teng通过摩擦不同材料产生电能，来收集机械能，具有输出电压高、体积质量小、成本低廉等优点，但电流相对较小、受环境影响较大，限制了其应用。peng具有能量输出大、使用寿命长、制造方便、设计简单、输出相对稳定等优点。压电纳米发电机(peng)由于能从空气流动、机械振动和人体运动等环境中获取能量，受到了广泛的关注。用具有纳米结构的压电材料制备的能将外部的机械能转化为电能的能量收集器件叫做压电纳米发电机。
3.聚偏氟乙烯(pvdf)是一种化学稳定性优良的压电聚合物材料，频响范围宽、能抗化学和油性腐蚀，柔韧性好，可加工成大面积和复杂形状的膜使用，且具有良好的热电、压电和铁电性，在很多领域有着重要的应用。自pvdf问世以来，其研究和应用都有了很大的发展，但总的来看目前还处于起步阶段，仍有许多问题值得继续研究与探讨。目前的关于pvdf薄膜应用的材料利用率不高，如何提高pvdf薄膜的材料利用率的问题还有待解决。


技术实现要素：

4.为解决以上技术问题，本发明提供一种卷尺式压电纳米发电机，提高了pvdf薄膜的材料利用率。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种卷尺式压电纳米发电机，包括外壳、开关、中心轴、套筒、发条弹簧、pvdf薄膜、第一压电电极层和第二压电电极层，所述外壳的一侧设置有开口，所述外壳一侧的外部设置有滑槽，所述滑槽位于所述开口的上方，所述开关滑动安装于所述滑槽中，且所述开关的下端能够穿过所述外壳伸至所述开口中；所述pvdf薄膜包裹于所述发条弹簧的外部，所述中心轴固定于所述外壳中，所述套筒转动套设于所述中心轴上，所述发条弹簧的一端绕设于所述套筒上，所述发条弹簧的另一端通过所述开口伸至外部；所述第一压电电极层和所述第二压电电极层均固定于所述外壳中靠近所述开口的一端，所述第一压电电极层和所述第二压电电极层分别设置于所述发条弹簧的上方和下方，所述第一压电电极层和所述第二压电电极层均与所述pvdf薄膜相接触。
7.优选地，所述开关包括滑块和固定于所述滑块下端的压板，所述外壳的一侧设置有连通孔，所述连通孔连通所述滑槽和所述开口，所述滑块滑动安装于所述滑槽中，所述压板能够穿过所述连通孔伸至所述开口中。
8.优选地，所述外壳包括第一壳体、第二壳体和连接组件，所述第一壳体和所述第二壳体通过所述连接组件连接，所述中心轴的两端分别固定于所述第一壳体和所述第二壳体的内壁上，所述第一压电电极层的两端分别固定于所述第一壳体和所述第二壳体的内壁
上，所述第二压电电极层的两端分别固定于所述第一壳体和所述第二壳体的内壁上。
9.优选地，所述连接组件包括两个螺钉和两个螺纹套筒，两个所述螺纹套筒分别固定于所述第二壳体的内壁上，各所述螺钉穿过所述第一壳体螺纹安装于一个所述螺纹套筒中。
10.优选地，还包括倒u形卡片，所述倒u形卡片固定于所述第一壳体的外部。
11.优选地，所述套筒包括中间圆筒和两个分别设置于所述中间圆筒两端的端部圆筒，所述端部圆筒的外径大于所述中间圆筒的外径，所述发条弹簧的一端绕设于所述中间圆筒上。
12.优选地，所述第一压电电极层和所述第二压电电极层分别连接整流电路的正极和负极。
13.优选地，所述外壳采用绝缘材质，所述发条弹簧的材质为55simnvb、55simnmov、60crmn、60crmnb、302或316牌号的扁钢带。
14.优选地，所述pvdf薄膜的厚度为30μm～500μm，所述第一压电电极层和所述第二压电电极层的厚度均为20nm～10mm。
15.优选地，所述第一压电电极层和所述第二压电电极层均采用金属、金属合金或金属氧化物材质，所述第一压电电极层和所述第二压电电极层均采用磁控溅射法制成。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.本发明的卷尺式压电纳米发电机，包括外壳、开关、中心轴、套筒、发条弹簧、pvdf薄膜、第一压电电极层和第二压电电极层，工作过程中，将外壳上的开关推下，使其接触发条弹簧，拉动发条弹簧的头部，使发条弹簧不断从外壳内伸出，外壳上的开关会与发条弹簧上包裹的pvdf薄膜发生挤压，即给pvdf薄膜一个垂直方向的载荷，由于pvdf薄膜的压电性，在拉动发条弹簧的过程中pvdf薄膜经过开关处时受到载荷作用产生电荷，从而在第一压电电极层和第二压电电极层之间形成电势差，电势差会驱使压电电极层内部的电荷产生定向移动，从而产生电流。本发明中将压电纳米发电与卷尺结合在一起的发电装置能够利用卷尺的特性，使得发条弹簧上的整块pvdf薄膜都有与开关接触的机会，提高了pvdf薄膜的材料利用率。
附图说明
18.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。
19.图1为本发明提供的卷尺式压电纳米发电机的立体结构图；
20.图2为本发明提供的卷尺式压电纳米发电机的侧视图；
21.图3为本发明提供的卷尺式压电纳米发电机的内部结构示意图；
22.图4为本发明提供的卷尺式压电纳米发电机中套筒的结构示意图；
23.图5为本发明提供的卷尺式压电纳米发电机中发条弹簧的结构示意图；
24.图6为本发明提供的卷尺式压电纳米发电机的工作示意图；
25.图7为本发明提供的卷尺式压电纳米发电机的发电原理图。
26.附图标记说明：100、卷尺式压电纳米发电机；1、第一壳体；2、第二壳体；3、中心轴；4、套筒；41、中间圆筒；42、端部圆筒；5、发条弹簧；6、第一压电电极层；7、第二压电电极层；8、开口；9、滑槽；10、滑块；11、压板；12、螺纹套筒；13、螺钉；14、倒u形卡片；15、pvdf薄膜。
具体实施方式
27.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。
28.本发明的目的是提供一种卷尺式压电纳米发电机，提高了pvdf薄膜的材料利用率。
29.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。
30.如图1-图7所示，本实施例提供一种卷尺式压电纳米发电机100，包括外壳、开关、中心轴3、套筒4、发条弹簧5、pvdf薄膜15、第一压电电极层6和第二压电电极层7，外壳的内部形成容纳腔，外壳的一侧设置有开口8，开口8与容纳腔连通，外壳一侧的外部设置有滑槽9，滑槽9位于开口8的上方，开关滑动安装于滑槽9中，且开关的下端能够穿过外壳伸至开口8中；pvdf薄膜15包裹于发条弹簧5的外部，中心轴3固定于外壳中，套筒4转动套设于中心轴3上，发条弹簧5的一端绕设于套筒4上，发条弹簧5的另一端通过开口8伸至外部，具体地，发条弹簧5的最内端固定于套筒4上；第一压电电极层6和第二压电电极层7均固定于外壳中靠近开口8的一端，第一压电电极层6和第二压电电极层7分别设置于发条弹簧5的上方和下方，第一压电电极层6和第二压电电极层7均与pvdf薄膜15相接触。
31.如图3所示，开关包括滑块10和固定于滑块10下端的压板11，外壳的一侧设置有连通孔，连通孔连通滑槽9和开口8，滑块10滑动安装于滑槽9中，压板11能够穿过连通孔伸至开口8中，压板11能够向pvdf薄膜15施加挤压力。
32.外壳包括第一壳体1、第二壳体2和连接组件，第一壳体1和第二壳体2通过连接组件连接，中心轴3的两端分别固定于第一壳体1和第二壳体2的内壁上，第一压电电极层6的两端分别固定于第一壳体1和第二壳体2的内壁上，第二压电电极层7的两端分别固定于第一壳体1和第二壳体2的内壁上。具体地，第一壳体1和第二壳体2结构相同且对称设置。
33.如图2和图3所示，连接组件包括两个螺钉13和两个螺纹套筒124，两个螺纹套筒124分别固定于第二壳体2的内壁上，各螺钉13穿过第一壳体1螺纹安装于一个螺纹套筒124中。
34.如图2所示，本实施例中还包括倒u形卡片14，倒u形卡片14固定于第一壳体1的外部，进而便于携带该卷尺式压电纳米发电机100。
35.如图4所示，套筒4包括中间圆筒41和两个分别设置于中间圆筒41两端的端部圆筒42，端部圆筒42的外径大于中间圆筒41的外径，发条弹簧5的一端绕设于中间圆筒41上。具体地，发条弹簧5的最内端固定于中间圆筒41上，通过两个端部圆筒42对发条弹簧5的两侧进行限位。本实施例中发条弹簧5的最外端形成弯折部，进而便于握住弯折部将发条弹簧5拉出，同时在发条弹簧5收缩卷起时进行限位。
36.具体地，第一压电电极层6和第二压电电极层7分别连接整流电路的正极和负极。
37.于本具体实施例中，外壳采用绝缘材质，发条弹簧5的材质为55simnvb、55simnmov、60crmn、60crmnb、302或316牌号的扁钢带。
38.于本具体实施例中，pvdf薄膜15的厚度为30μm～500μm，第一压电电极层6和第二压电电极层7的厚度均为20nm～10mm。
39.于本具体实施例中，第一压电电极层6和第二压电电极层7均采用金属、金属合金或金属氧化物材质，第一压电电极层6和第二压电电极层7均采用磁控溅射法制成。
40.压电纳米发电机的基本原理是：压电材料在受到外加载荷时发生形变，内部产生极化现象，在材料体表面出现符号相反的电荷，产生的电荷密度与外载荷的大小成正比。当纳米线在外载荷下动态拉伸或压缩时，纳米线中产生压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡纳米能级，从而产生电能。
41.如图6和图7所示，工作过程中，将外壳上的开关推下，使其接触发条弹簧5，拉动发条弹簧5的头部，使发条弹簧5不断从外壳内伸出，外壳上的开关会与发条弹簧5上包裹的pvdf薄膜15发生挤压，即给pvdf薄膜15一个垂直方向的载荷，由于pvdf薄膜15的压电性，在拉动发条弹簧5的过程中pvdf薄膜15经过开关处时受到载荷作用产生电荷，从而在第一压电电极层6和第二压电电极层7之间形成电势差，电势差会驱使压电电极层内部的电荷产生定向移动，从而产生电流。本实施例中将压电纳米发电与卷尺结合在一起的发电装置能够利用卷尺的特性，使得发条弹簧5上的整块pvdf薄膜15都有与开关接触的机会，提高了pvdf薄膜15的材料利用率。将整个发条弹簧5由壳体中拉出之后，可以向上推动开关，使其不再向发条弹簧5施加压力，松开发条弹簧5后，发条弹簧5会自动收缩卷起，之后将开关推下接触发条弹簧5，即可重复将发条弹簧5拉出实现发电。
42.本说明书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。