一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置，所述自供電裝置包括：振動(dòng)發(fā)電裝置、摩擦發(fā)電裝置和儲(chǔ)能裝置；所述振動(dòng)發(fā)電裝置采用雙層磁彈簧結(jié)構(gòu)，包括：聚四氟乙烯層、鋁箔層和磁體；鋁箔層上設(shè)置有電極，所述電極與所述儲(chǔ)能裝置相連；所述摩擦發(fā)電裝置包括：PET基盤、可與所述PET基盤上表面相摩擦的發(fā)電盤，以及設(shè)置于所述PET基盤下表面的電極盤。本實(shí)用新型可以直接采集環(huán)境中的振動(dòng)能量和風(fēng)能，電能輸出穩(wěn)定，造價(jià)低廉，適合大規(guī)模推廣使用。
【專利說明】一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及供電技術(shù)，具體涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置，屬于自動(dòng)發(fā)電設(shè)備制造【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)日益廣泛地應(yīng)用于大型基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測中，但是，現(xiàn)有技術(shù)中，給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)供電的電源都是普通的電池。由于普通電池的使用壽命非常有限，電池更換時(shí)不僅要耗費(fèi)巨大的人力，經(jīng)濟(jì)成本高，尤其是在環(huán)境惡劣或其它人類無法到達(dá)的場合時(shí)，電池的更換就會(huì)變得尤為困難，有時(shí)甚至是不可能的。因此，現(xiàn)有技術(shù)中亟待解決的問題就是如何利用自然環(huán)境中的能源有效地為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供能量，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電池供電。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型提供一種體積小巧、可持續(xù)產(chǎn)生電能、無需維護(hù)和更換電池的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置。所述自供電裝置包括:振動(dòng)發(fā)電裝置、摩擦發(fā)電裝置和儲(chǔ)能裝置。
[0004]所述振動(dòng)發(fā)電裝置包括:
[0005]所述振動(dòng)能量發(fā)電裝置采用雙層磁彈簧結(jié)構(gòu)，其中，
[0006]圓筒形的外殼內(nèi)具有上層的第一磁鐵、中層的第二磁鐵、下層的第三磁鐵；所述第一磁鐵和第三磁鐵與外殼固定連接，第二磁鐵能夠在外殼內(nèi)進(jìn)行上下方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；
[0007]第一磁鐵的下側(cè)面連接有柱狀的第一泡沫材料層，所述第一泡沫材料層的下側(cè)面覆蓋第一導(dǎo)電金屬材料層；
[0008]第二磁鐵的上下兩側(cè)分別連接有柱狀的第二泡沫材料層和第三泡沫材料層；所述第二泡沫材料層的上側(cè)面覆蓋有第二導(dǎo)電金屬材料層，且在所述第二導(dǎo)電金屬材料層的上側(cè)面覆蓋有第一電負(fù)性材料層；所述第三泡沫材料層的下側(cè)面覆蓋有第三導(dǎo)電金屬材料層，且在所述第三導(dǎo)電金屬材料層的下側(cè)面覆蓋有第二電負(fù)性材料層；
[0009]第三磁鐵的上側(cè)面連接有柱狀的第四泡沫材料層；所述第四泡沫材料層的上側(cè)面覆蓋第四導(dǎo)電金屬材料層；
[0010]所述第一導(dǎo)電金屬材料層與第一電負(fù)性材料層之間具有第一間隙，第二電負(fù)性材料層與第四導(dǎo)電金屬材料層之間，具有第二間隙；
[0011]所述磁鐵、泡沫材料層、導(dǎo)電金屬材料層和電負(fù)性材料層的直徑與圓筒形外殼的內(nèi)徑相匹配。
[0012]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電金屬材料層為鋁箔。
[0013]優(yōu)選地，所述電負(fù)性材料層為薄片狀聚四氟乙烯(PTFE)。
[0014]優(yōu)選地，所述第一間隙和第二間隙為5mm左右。
[0015]所述摩擦發(fā)電裝置包括:
[0016]風(fēng)帽、傳動(dòng)方軸，所述風(fēng)帽由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)所述傳動(dòng)方軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0017]發(fā)電盤，所述發(fā)電盤以方孔圓盤為基盤，并在所述方孔圓盤的兩面貼附有多個(gè)互不相連的扇形的聚四氟乙烯片；
[0018]PET基盤，所述PET基盤的上表面可與發(fā)電盤相摩擦；
[0019]電極盤,所述電極盤以圓孔圓盤為基盤，并在所述圓孔圓盤的兩面貼附有多個(gè)互不相連的扇形的電極片，所述電極盤與所述儲(chǔ)能裝置相連，
[0020]其中，多個(gè)所述聚四氟乙烯片繞圓心對稱排布在所述發(fā)電盤上；
[0021]其中，多個(gè)所述電極片繞圓心對稱排布在所述電極盤上；
[0022]其中，所述發(fā)電盤上聚四氟乙烯片的數(shù)量，為所述電極盤上電極片的數(shù)量的一半，且每個(gè)所述聚四氟乙烯片的面積與每個(gè)所述電極片的面積相同。
[0023]其中，所述電極片為金屬鋁輻射電極。
[0024]其中，所述儲(chǔ)能裝置為超級電容和/或蓄電池。
[0025]其中，所述自供電裝置還包括:整流裝置；所述振動(dòng)發(fā)電裝置和所述摩擦發(fā)電裝置分別通過所述整流裝置與所述儲(chǔ)能裝置相連。
[0026]本實(shí)用新型基于納米摩擦發(fā)電原理，通過振動(dòng)發(fā)電裝置和摩擦發(fā)電裝置回收集振動(dòng)能和風(fēng)能，解決了與無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供能相關(guān)的一系列問題，實(shí)現(xiàn)了自供電。此外，由于采用振動(dòng)和摩擦發(fā)電，本實(shí)用新型體積小巧，便于攜帶、部署，即使在惡劣的環(huán)境中依然可以保持正常工作，省去了人工維護(hù)和監(jiān)測的成本，大大方便了無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用和安裝。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置的整體框架圖；
[0028]圖2是無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置的振動(dòng)發(fā)電裝置原理圖；
[0029]圖3是無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置的振動(dòng)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖4是無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置的摩擦發(fā)電裝置原理圖；
[0031]圖5是無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置的發(fā)電盤結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖6是無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置的摩擦發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行描述，顯然，所描述的僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0034]如圖1所示，本實(shí)用新型的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置包括:振動(dòng)發(fā)電裝置1、摩擦發(fā)電裝置2和儲(chǔ)能裝置3。儲(chǔ)能裝置3用于給無線節(jié)點(diǎn)5持續(xù)供電。在本實(shí)施例中，儲(chǔ)能裝置3優(yōu)先采用超級電容和/或蓄電池。所屬自供電裝置還可以包括:整流裝置4 ;整流裝置4用于對振動(dòng)發(fā)電裝置I和摩擦發(fā)電裝置2產(chǎn)生的電路進(jìn)行調(diào)節(jié)和處理，以便于儲(chǔ)能裝置3能夠有效吸收和利用。振動(dòng)發(fā)電裝置I和摩擦發(fā)電裝置2分別通過整流裝置4與儲(chǔ)能裝置3相連。
[0035]如圖2所示，導(dǎo)電金屬材料和電負(fù)性材料之間發(fā)生相對位移變化或者摩擦?xí)r，由于電負(fù)性得電子能力的差別，導(dǎo)電金屬材料a表面感應(yīng)出正電荷，電負(fù)性材料b表面感應(yīng)出電負(fù)荷。由于靜電感應(yīng)與間距有關(guān)，間距越小，靜電感應(yīng)就越強(qiáng)，感應(yīng)出的電荷越多。導(dǎo)電金屬材料a和電負(fù)性材料b的間距沿虛實(shí)箭頭方向變化時(shí)，就會(huì)在電負(fù)性材料b和導(dǎo)電金屬材料a之間產(chǎn)生持續(xù)不斷的電動(dòng)勢，通過導(dǎo)線連接，便能產(chǎn)生電流。
[0036]如圖3所示，所述振動(dòng)發(fā)電裝置采用雙層磁彈簧結(jié)構(gòu)，具體地說，其包括:所述振動(dòng)能量發(fā)電裝置受到振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，第二磁鐵8由于慣性會(huì)在外殼I內(nèi)做上下方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)第二磁鐵8上覆蓋的第一電負(fù)性材料層5和第二電負(fù)性材料層11同時(shí)運(yùn)動(dòng)。這樣，第一電負(fù)性材料層5和第一導(dǎo)電金屬材料層4不斷地接觸又分離，第二電負(fù)性材料層11和第四導(dǎo)電金屬材料層13不斷地接觸又分離，使第一間隙16和第二間隙17不斷發(fā)生變化，此過程滿足摩擦發(fā)電原理。因此，在第一導(dǎo)電金屬材料層4和第一電負(fù)性材料層5之間、在第四導(dǎo)電金屬材料13和第二電負(fù)性材料11之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，產(chǎn)生電流。重復(fù)上述過即可持續(xù)發(fā)電。
[0037]如圖4所示，聚四氟乙烯片210沿實(shí)心箭頭方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，聚四氟乙烯與PET之間發(fā)生摩擦，由于他們負(fù)電性的不同和靜電感應(yīng)，聚四氟乙烯(PTFE)表面帶負(fù)電荷，PET表面帶正電荷。由于轉(zhuǎn)動(dòng)盤21上聚四氟乙烯片210的數(shù)量為電極盤20上電極片的數(shù)量的一半，且每個(gè)聚四氟乙烯片210的面積與每個(gè)電極片的面積相同，因此，每個(gè)聚四氟乙烯片210經(jīng)過兩個(gè)鋁電極時(shí)，其面積只對應(yīng)兩個(gè)鋁電極總面積的一半，所以在兩個(gè)相鄰的鋁電極上分別感應(yīng)出正電荷和負(fù)電荷，由于自鎖作用，不會(huì)有電流；隨著四氟乙烯片210與PET基盤22的相對位置變化，會(huì)引起相鄰兩個(gè)鋁電極上感應(yīng)的電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流。
[0038]當(dāng)聚四氟乙烯片210沿虛線箭頭方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生電路的原理與上述方式一致，只是電流方向相反。
[0039]如圖5所示，多個(gè)聚四氟乙烯片210繞圓心(此圓心一般為傳動(dòng)軸的軸心)對稱排布在方孔圓盤上以形成發(fā)電盤21 ;同時(shí)，電極盤20由多個(gè)繞圓周排布且互不相連的電極片組成。電極片采用金屬鋁輻射電極。
[0040]如圖6所示，所述摩擦發(fā)電裝置2包括:傳動(dòng)方軸250和用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電盤21的風(fēng)帽25;風(fēng)帽25通過傳動(dòng)方軸250與發(fā)電盤21相連。風(fēng)帽25優(yōu)選采用垂直軸風(fēng)帽。風(fēng)帽能夠感知和吸收任意方向的風(fēng)能，受到風(fēng)作用時(shí)會(huì)帶動(dòng)傳動(dòng)方軸250轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)方軸250不通過其它轉(zhuǎn)化裝置而直接同發(fā)電盤21相連接來摩擦發(fā)電，這樣不僅使結(jié)構(gòu)更加緊湊同時(shí)更進(jìn)一步提聞了轉(zhuǎn)化效率。
[0041]當(dāng)發(fā)電盤21在風(fēng)帽25的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)電盤21與PET基盤22產(chǎn)生電荷感應(yīng)，從而使設(shè)置于PET基盤22下表面的電極盤20上的相鄰電極片產(chǎn)生電流，以此實(shí)現(xiàn)了持續(xù)性的摩擦發(fā)電。
[0042]實(shí)際應(yīng)用中，PET基盤22、發(fā)電盤21和電極盤20之間在豎直方向上間距為0.5mm左右。而且，每個(gè)相鄰的PET基盤22、轉(zhuǎn)動(dòng)盤21和電極盤20構(gòu)成一個(gè)摩擦發(fā)電單元29，一個(gè)風(fēng)輪25可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)摩擦發(fā)電單元29，以最大化的利用風(fēng)能發(fā)電。
[0043]本實(shí)用新型以納米摩擦發(fā)電為發(fā)電原理，主體發(fā)電材料為價(jià)格低廉的PTFE與鋁箔，發(fā)電結(jié)構(gòu)簡單，具有較強(qiáng)的可推廣性，可以直接收集周圍環(huán)境中的振動(dòng)能量和風(fēng)能，針對如橋梁上既有風(fēng)能又有振動(dòng)能量的環(huán)境，風(fēng)能和振動(dòng)能復(fù)合的供電裝置可以更好的使用，并改善了電能輸出的穩(wěn)定性。本實(shí)用新型有效利用了環(huán)境中本將浪費(fèi)的能量，解決了野外無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電難的問題，由于擺脫了傳統(tǒng)的電池供電，同時(shí)還能改善部分傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中難以回收的廢舊電池污染問題。
[0044]以上所述的【具體實(shí)施方式】，對本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電裝置，其特征在于，所述自供電裝置包括:振動(dòng)發(fā)電裝置、摩擦發(fā)電裝置和儲(chǔ)能裝置； 所述振動(dòng)發(fā)電裝置包括:三塊間隙排布的磁體，端磁體的磁極同向設(shè)置，中間磁體的磁極與端磁體的磁極反向設(shè)置，兩個(gè)端磁體的位置固定； 四個(gè)鋁箔層，其通過泡沫層分別固定到所述中間磁體的兩側(cè)面，以及所述兩個(gè)端磁體的內(nèi)側(cè)面； 兩個(gè)聚四氟乙烯層，其分別覆蓋在所述中間磁體側(cè)面的兩個(gè)鋁箔層上； 所述端磁體的內(nèi)表面上的鋁箔層設(shè)置有電極，所述電極與所述儲(chǔ)能裝置相連； 所述摩擦發(fā)電裝置包括=PET基盤、可與所述PET基盤上表面相摩擦的發(fā)電盤，以及設(shè)置于所述PET基盤下表面的電極盤；所述電極盤與所述儲(chǔ)能裝置相連；傳動(dòng)方軸和用于驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電盤的風(fēng)帽；所述風(fēng)帽通過傳動(dòng)方軸與所述發(fā)電盤相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自供電裝置，其特征在于，所述發(fā)電盤是在方孔圓盤上的兩面貼附多個(gè)圓周排布且互不相連的的扇形的聚四氟乙烯片而構(gòu)成的，所述電極盤是在圓孔圓盤上的兩面貼附多個(gè)圓周排布且互不相連的扇形的電極片而構(gòu)成的，相鄰的兩個(gè)電極片通過導(dǎo)線與所述儲(chǔ)能裝置相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自供電裝置，其特征在于，所述發(fā)電盤上聚四氟乙烯片的數(shù)量，為所述電極盤上電極片的數(shù)量的一半；且每個(gè)所述聚四氟乙烯片的面積與每個(gè)所述電極片的面積相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自供電裝置，其特征在于，所述電極片為金屬鋁輻射電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的自供電裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)能裝置為超級電容和/或蓄電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的自供電裝置，其特征在于，還包括整流裝置，所述振動(dòng)發(fā)電裝置和所述摩擦發(fā)電裝置分別通過所述整流裝置與所述儲(chǔ)能裝置相連。
【文檔編號】H02J7/32GK204131203SQ201420547138
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】余兆烜, 趙乘, 唐志強(qiáng), 王浩歡, 郭抒, 卿紹偉 申請人:重慶大學(xué)