CN113630040A - 一种基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，包括基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器和压电能量收集电路；所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器包括由宏观石墨烯膜和柔性压电膜交错堆叠设置构成的压电发电单元和柔性基底；所述压电能量收集电路包括整流电桥和储能元件。本发明所提供的基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统利用了石墨烯组装膜特有的高导电性和负泊松比效应，有利于获得高的能量采集效率；同时，该压电能量收集系统具有良好的柔性，能够在不同频率下长期稳定工作，适合于在可穿戴式电子设备中应用。
Description
技术领域
本发明涉及压电能量收集技术领域，具体涉及基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统。
背景技术
压电效应是指拉伸或按压一种材料会导致其产生电压，该材料被称为压电材料，压电材料在受到机械力时，能够分离正电荷和负电荷并产生压差，因此压电材料可以将机械能转换为电能。压电材料是当前最理想的新能源材料之一，将柔性材料与传统压电材料相结合，可以实现其在受到大幅度弯曲或拉拽时产生电压/电流。压电能量收集器基于材料的压电效应原理可以稳定高效地把环境中复杂多变的机械能转化成电能利用起来。相比于其它形式的环境机械能收集技术，如静电式、电磁感应式、摩擦电式等，压电式能量收集具有器件结构简单紧凑、能量转换效率高、电能输出稳定性好、易于柔性化、易于与电子器件集成等诸多优点。随着科技进步，可穿戴带智能电子产品拥有广阔的市场前景，适配于可穿戴设备的柔性压电式集电器也展现出巨大的发展潜力。
目前大多数柔性压电能量收集器件的电输出性能仍然较低，尚不能满足大多数电子设备的能耗需求，其原因之一即是器件的力学结构尚不是最优，压电材料的性能未被充分发挥利用。除了对压电材料性能进行优化外，对压电式集电器拓扑构型的设计与优化也是提升柔性压电能量收集器件，电输出性能的有效途径。压电发电器件输出的是与外界激励相关的交流电，不便于直接为电子器件供能，因此需要与整流电路和储能元件集成起来形成压电能量收集系统，以实现稳定连续的电输出。针对于负泊松比石墨烯的压电发电器件而言，目前还没有这样的系统，阻碍了实际应用。
负泊松比材料是一种较为特殊的材料，即材料在受到单轴拉伸时会向横向扩展。基于这种特性，可以将压电材料与负泊松比材料结合，这样材料在受到拉伸时，比一般材料的变形程度更大。合理地利用材料的负泊松比效应可使压电器件的性能得以提升。将石墨烯应用于柔性压电能量收集器，并且对石墨烯组装膜进行负泊松比结构设计，来改变整体的杨氏模量与泊松比，从而提高压电能量收集器的电输出性能，这将对高性能柔性压电能量收集器的开发，以及促进其在可穿戴电子的应用具有重大的意义。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，包括基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器和压电能量收集电路，所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器包括压电发电单元和柔性基底，所述压电能量收集电路包括整流电路和储能元件。
进一步的，所述压电发电单元由石墨烯组装膜和柔性压电膜交错叠层构成。
进一步的，所述石墨烯组装膜为具有微褶皱的石墨烯片层堆叠而成，厚度10～50μm，其面内表观泊松比为负值，杨氏模量1～5GPa。
进一步的，所述柔性压电膜材料为以PVDF为主要成分的压电聚合物，厚度10～50μm，经充分预极化处理。
进一步的，所述柔性基底为PET薄板。
进一步的，所述整流电路为桥式整流电路。
进一步的，所述储能元件由若干个储能电容构成。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，将石墨烯基柔性压电能量收集器件与能量采集电路和储能元件集成，获得稳定连续的电输出；此外，该压电能量收集系统利用了石墨烯组装膜良好的导电性、柔性和特有的负泊松比效应，有利于获得高的能量采集效率，且能够在不同频率下长期稳定工作，适合于在可穿戴式电子设备中应用。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统原理结构示意图；
图2为本发明实施例一基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统使用的压电能量收集器件；
图3为本发明实施例二石墨烯组装膜的显微照片；
图4为本发明实施例二石墨烯组装膜的力学性能测试结果；
图5为本发明实施例二基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器件负载特性测试结果；
图6为本发明实施例三基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器件在不同频率机械变形下的开路电压输出波形；
图7为本发明实施例三基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器件在不同频率机械变形下的短路电流输出波形；
图8为本发明实施例三基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器件在较长时间机械变形反复作用下的开路电压输出波形；
图9为本发明实施例三基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器件在较长时间机械变形反复作用下的短路电流输出波形；
图标：1-基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器；2-压电能力收集电路；11-石墨烯组装膜；12-柔性压电膜；13-柔性基底；21-整流电路；22-储能元件。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的压电能量收集系统包括基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器1和压电能力收集电路2两部分。所述的压电能量收集器1，包括石墨烯组装膜11、柔性压电膜12和柔性基底13，石墨烯组装膜11和柔性压电膜12交错放置形成压电单元固定于柔性基底13上。压电能量收集电路2包括整流电路21和储能元件22两部分。
实施例一：将柔性压电能量收集器产生的能量用于点亮小灯泡。
将图2所示的压电能量收集器固定到手指上，通过手指活动带动石墨烯薄膜产生拉伸变形，引起柔性压电膜在纵向和横向产生拉伸变形，从而产生电压/电流信号输出，此信号输出为交流电信号，不可直接给用电器供电。
结合图1，将压电能量收集器1作为电源，按照压电能力收集电路2设置电路，利用桥式整流电路，以四个二极管对压电发电单元产生的交变电流进行整流，使压电能量收集器产生的交流电变为直流电，以0.1uF电容作为滤波电容，使整流后的直流电输出更为平滑，用0.22F的电容收集三层压电发电单元产生的能量，并以此电容作为储电单元，为小灯泡的发亮提供能量。在本实例中，柔性压电能量收集器可固定于人体任意关节部位，具有较强的可穿戴应用的潜力。
实施例二：
采用尺寸为28×12mm，压电膜厚度为20微米的柔性压电能量收集器。石墨烯膜在微观上结构上如图3所示，是由褶皱的石墨烯片层堆叠而成，所以在宏观上具有很好的柔性。对石墨烯膜进行力学性能测试，图4为石墨烯组装膜的力学性能测试结果，在只受到单侧拉应力条件下，纵向和横向的应变均为正，石墨烯组装膜的泊松比为负值。对石墨烯组装膜进行负载特性测试，结果如图5所示，在负载为200MΩ时为最优负载，最大输出功率约为0.0000003w。
实施例三：采用尺寸为28×12mm，压电膜厚度为30微米的柔性压电能量收集器。通过使基底反复弯曲，带动固定于其上的叠层结构压电发电单元发生拉伸变形，从而产生电压/电流信号输出，采用静电计对器件在反复弯曲过程中产生的电压/电流信号输出进行检测。图6为基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器在不同频率机械变形下的开路电压输出波形，图7为不同频率机械变形下的短路电流输出波形。由图6-7的结果显示基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器在不同频率下都可以进行良好工作。图8-9的结果显示基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器在较长时间机械变形反复作用下的开路电压与电流输出波形显示柔性压电能量收集器可以长期稳定工作。
Claims (8)
1.一种基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，包括基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器和压电能量收集电路，所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器包括石墨烯组装膜、压电膜和柔性基底，所述压电能量收集电路包括整流电路和储能元件。
2.根据权利要求1所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集器中，石墨烯组装膜分别粘贴于柔性压电膜的上下两面形成叠层结构，叠层结构两端固定于柔性基底之上。
3.根据权利要求1所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，所述柔性压电能量收集器，其工作方式是通过柔性基底弯曲，带动其上固定的石墨烯组装膜和压电膜叠层结构发生拉伸形变。
4.根据权利要求1所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，所述石墨烯组装膜为具有微褶皱的石墨烯片层堆叠而成，厚度10～50μm，其面内表观泊松比为负值，杨氏模量1～5GPa。
5.根据权利要求1所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，所述柔性压电膜材料为以PVDF为主要成分的压电聚合物，厚度10～50μm，经充分预极化处理。
6.根据权利要求1所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，所述柔性基底为PET薄板。
7.根据权利要求1所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，所述整流电路为桥式整流电路。
8.根据权利要求1所述基于石墨烯组装膜的柔性压电能量收集系统，其特征在于，所述储能元件由若干个储能电容构成。
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