CN106685258B - 一种利用噪音及机械振动的发电隔音玻璃 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电摩擦领域、玻璃技术领域，特指一种利用噪音及机械振动的发电隔音玻璃。所述发电隔音玻璃包含隔音玻璃、摩擦外壳、电压转换电路三部分。所述隔音玻璃是在原有隔音玻璃的基础上将材质换成ITO玻璃材料，该并用导线连接且引出；所述摩擦外壳内表面均匀地间隔分布直径为2mm的微柱，所述电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路。本发明充分利用噪音所产生的声波能和环境中的机械振动，根据静电摩擦生电和静电感应的复合原理，有效地将声波能及机械振动所产生的机械能转换为电能，通过电压转换电路与负载连接，实现对负载供电。

Description

一种利用噪音及机械振动的发电隔音玻璃

技术领域

本发明涉及静电摩擦领域、玻璃技术领域，特指应用于玻璃的发电装置。

背景技术

自1882年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机开始，静电摩擦生电这个无处不在的能量不断被人们所重视和广泛关注。在王中林团队等众多科学团队不断努力下得出了大量的研究成果。其中基于摩擦电效应以及静电感应原理的静电摩擦发电机已经成功地用来收集机械能。本发明承接了该研究理念，巧妙地将其应用于发电隔音玻璃的设计中。

另外随着国民经济的不断发展，城乡建设日新月异，而随着社会的发展，车辆的增多，城市噪音日趋严重，目前我们对于噪音的处理方式是采用一定的手段进行防止，而对于能源短缺的现代社会，噪音也可以作为一种能量来收集，对此我们想到将隔音玻璃与静电摩擦发电机结合进行设计，这样既可以防止噪音的污染，又可以收集并利用噪音进行发电。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种收集高速公路噪音及机械振动，并将其转化为电能的发电装置，用来取代目前高速公路居民区的普通声障屏。在该发电装置的设计中充分利用噪音所产生的声波能和环境中的机械振动，根据静电摩擦生电和静电感应的复合原理，有效地将声波能及机械振动所产生的机械能转换为电能，通过电压转换电路与负载连接，实现对负载供电。

发电隔音玻璃的特征在于：所述发电隔音玻璃包含隔音玻璃、摩擦外壳、电压转换电路三部分。所述隔音玻璃是在原有隔音玻璃的基础上将材质换成ITO玻璃材料，该并用导线连接且引出；所述摩擦外壳采用高分子聚合物材料利用注塑的方式制成(如图1所示)，其形状和市场上手机硅胶外壳一样，其特征在于内表面均匀地间隔分布直径为2mm的微柱，为延长摩擦外壳的使用寿命，在制备工艺中在高分子聚合物材料中添加人工纤维；所述电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路。

该发电隔音玻璃是利用摩擦外壳的塑性变形，将上述隔音玻璃的ITO玻璃两端表面完全包囊如图2所示，由于该摩擦外壳内表面均匀地间隔分布直径为2mm的微柱，在没有外界力作用下ITO玻璃的外侧表面只与摩擦外壳内表面的微柱接触，而该摩擦外壳内表面除微柱外的其他面积，由于微柱的支撑作用，有效地与ITO玻璃的外侧表面分离。其工作原理在于：当有噪音或环境中机械振动存在时，摩擦外壳内表面的微柱由于振动产生压缩变形，促使摩擦外壳内表面除微柱外的其他面积有效地与ITO玻璃外侧表面相互接触，此时由于ITO玻璃与摩擦外壳的电负性不同，两者接触时，因摩擦电效应而产生表面电荷，根据摩擦电序列，ITO玻璃外侧表面在此接触过程中更易失电子带正电，摩擦外壳内表面更易得电子带负电，此时ITO玻璃外侧表面与摩擦外壳内表面之间处于电场平衡状态，无电势差产生，外电路无电流输出；当噪音或环境中机械振动逐渐减弱时，摩擦外壳内表面的微柱恢复原有形状，促使ITO玻璃外侧表面与摩擦外壳内表面分离，此时电场的平衡状态被打破，使得ITO玻璃具有较高的电势，由静电感应原理外电路有电子流出，随着噪音或环境中机械振动持续减弱时，感应的电子流将持续直到新的电平衡被建立，重复上述接触-分离模式实现了将声波能和机械振动转换为电能的循环；最后，将发电隔音玻璃产生的电信号导出，并与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于对发电隔音玻璃所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，与移动负载或其他供电系统相连接，对移动负载和其他供电系统充电。

本发明进一步限定的技术方案如下：

前述摩擦外壳所采用的高分子聚合物材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯或聚己二酸乙二醇酯，这些聚合物材料具有弹性好、电负性高、透明等特点。

前述摩擦外壳的除微柱以外的内表面为了增强摩擦效应提高发电的输出效率，采用微加工的方法制作各种规则的微结构阵列，由前期研究结果可知具有微结构阵列表面的发电器件其能量输出效率要远远高于光滑无结构器件发电的输出效率，其微结构阵列为纳米方块、纳米棒或纳米锥等结构。

前述纳米方块、纳米棒或纳米锥等结构通过阳极氧化、光刻蚀或离子刻蚀制备。

前述摩擦外壳为了增强其韧性及工作寿命，在其制备过程中将人工纤维加入高分子聚合物材料中。

前述摩擦外壳和ITO玻璃在选择材料时，根据摩擦电序列的排列，选择两者排列顺序差异越大越好。

摩擦外壳内表面微柱的数量，根据摩擦外壳内表面面积大小而定，摩擦外壳内表面面积越大，微柱的数量越多。各微柱之间的间距根据实际应用中摩擦外壳内表面与ITO玻璃接触/分离过程的实现效果而定，确保在声波和机械振动条件下，摩擦外壳内表面与ITO玻璃之间能够实现接触/分离过程，且接触面积大小理想。当摩擦外壳厚度为2mm，内表面长为100mm，宽为100mm时，其内表面上均匀地分布直径为2mm、高度为2mm、间距为20mm的微柱结构。微柱的高度由摩擦外壳与隔音玻璃安装的预留距离而定，确保摩擦外壳安装在隔音玻璃上以后，摩擦外壳内表面的微柱刚好与ITO玻璃外表面接触且不发生形变。

附图说明

图1所述为发电隔音玻璃的摩擦外壳的三维结构示意图。

图2所述为发电隔音玻璃摩擦外壳安装在ITO玻璃上的结构示意图。

图3所述为发电隔音玻璃的电路示意图。

图中：1、摩擦外壳，2、微柱，3、ITO玻璃

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

本发明提供的发电隔音玻璃包含隔音玻璃、摩擦外壳1、电压转换电路三部分。所述隔音玻璃在原有隔音玻璃的基础上，将材质换成ITO玻璃的材料，并用导线连接且引出；所述摩擦外壳1采用高分子聚合物材料利用注塑的方式制成(如图1三维结构示意图所示)，其形状和市场上手机硅胶外壳一样，其特征在于内表面均匀地间隔分布直径为2mm的微柱2，为延长摩擦外壳的使用寿命，在制备工艺中在高分子聚合物材料中添加人工纤维。

如图2所示该发电隔音玻璃是利用摩擦外壳1的塑性变形，将隔音玻璃的ITO玻璃3两端表面完全包囊，由于该摩擦外壳1内表面均匀地间隔分布直径为2mm的微柱2，在没有外界力作用下ITO玻璃3的外侧表面只与摩擦外壳1内表面的微柱2接触，而该摩擦外壳1内表面除微柱2外的其他面积，由于微柱2的支撑作用，有效地与ITO玻璃3的外侧表面分离。其工作原理在于：当有噪音或环境中机械振动存在时，摩擦外壳1内表面的微柱2由于振动产生压缩变形，促使摩擦外壳1内表面除微柱2外的其他面积有效地与ITO玻璃3外侧表面相互接触。此时由于ITO玻璃3与摩擦外壳1的电负性不同，两者接触时，因摩擦电效应而产生表面电荷，根据摩擦电序列，ITO玻璃3外侧表面在此接触过程中更易失电子带正电，摩擦外壳1内表面更易得电子带负电，此时ITO玻璃3外侧表面与摩擦外壳1内表面之间处于电场平衡状态，无电势差产生，外电路无电流输出。当噪音或环境中机械振动逐渐减弱时，摩擦外壳1内表面的微柱2恢复原有形状，促使ITO玻璃3外侧表面与摩擦外壳1内表面分离，此时电场的平衡状态被打破，使得ITO玻璃3具有较高的电势，由静电感应原理外电路有电子流出，随着噪音或环境中机械振动持续减弱时，感应的电子流将持续直到新的电平衡被建立，重复上述接触-分离模式实现了将声波能和机械振动转换为电能的循环。

如图3所示电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路。图3所示电信号输出端与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于对发电车轮所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，与移动负载和自身供电系统相连接，对移动负载和自身供电系统的充电。

实施例1

在市场上购买100×100×2.1mm的ITO玻璃，取出其中一片ITO玻璃，使用异丙醇和去离子水将ITO玻璃进行清洁处理，在氮气环境中吹干，在ITO玻璃的其中一面贴上5×5mm的铜胶带并用铜导线引出；利用Solidworks和CAD软件构建壁厚2mm，高度为3.2mm，长度为100mm，宽度为100mm，内表面微柱孔间距20mm，直径2mm，高度为2mm摩擦外壳模具的三维模型和二维图，并加工成型，使用异丙醇和去离子水将成型的模具进行清洁处理，在氮气环境中吹干；取PDMS和固化剂按质量比为10:1混合均匀，在真空干燥箱中脱气10min后放入模具中，在真空干燥箱中脱气10min后，将模具放入真空干燥箱中固化24h，固化温度为60℃，将固化好的PDMS从模具中取出，获得摩擦外壳；再将摩擦外壳安装到没有铜胶带的ITO玻璃一侧上，利用夹具将安装好的玻璃加紧竖立放置于工作台上；在工作台上放置一台喇叭和振动器对玻璃进行有规律的声波震动或机械振动。最后，将电信号输出端连接于电压转换电路，测试声波震动过程中产生的电信号。

本实施例测试结果：关掉振动器，打开喇叭，当喇叭调试到90分贝时，测得的开路电压为10V，短路电流为3μA。关掉喇叭，打开振动器，当机械振动频率为90HZ时，测得的开路电压23V，电流为15μA。

实施例2

本实施例的实验方法和实例1完全相同，控制喇叭的音量，关掉振动器，打开喇叭，当喇叭调试到120分贝时，测得的开路电压为15V，短路电流为6μA。关掉喇叭，打开振动器，当机械振动频率为100HZ时，测得的开路电压45V，电流为20μA。

实施例3

本实施例的实验方法和实例1完全相同，控制喇叭的音量，关掉振动器，打开喇叭，当喇叭调试到150分贝时，测得的开路电压为63V，短路电流为32μA。关掉喇叭，打开振动器，当机械振动频率为110HZ时，测得的开路电压65V，电流为32μA。

Claims (5)

1.一种利用噪音及机械振动的发电隔音玻璃，所述发电隔音玻璃包含隔音玻璃、摩擦外壳、电压转换电路三部分，其特征在于：所述隔音玻璃采用ITO玻璃，用导线连接ITO玻璃并引出，与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接；所述电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路；所述摩擦外壳内表面均匀地间隔分布有微柱，该发电隔音玻璃是利用摩擦外壳的塑性变形，将上述隔音玻璃的ITO玻璃两端表面完全包囊，由于该摩擦外壳内表面均匀地间隔分布微柱，在没有外界力作用下ITO玻璃的外侧表面只与摩擦外壳内表面的微柱接触，而该摩擦外壳内表面除微柱外的其他面积，由于微柱的支撑作用，有效地与ITO玻璃的外侧表面分离；所述摩擦外壳采用高分子聚合物材料利用注塑的方式制成，为延长摩擦外壳的使用寿命，在制备过程中在高分子聚合物材料中添加人工纤维；摩擦外壳内表面微柱的数量，根据摩擦外壳内表面面积大小而定，摩擦外壳内表面面积越大，微柱的数量越多；微柱的高度由摩擦外壳与隔音玻璃安装的预留距离而定，确保摩擦外壳安装在隔音玻璃上以后，摩擦外壳内表面的微柱刚好与ITO玻璃外表面接触且不发生形变；摩擦外壳和ITO玻璃在选择材料时，根据摩擦电序列的排列，选择两者排列顺序差异越大越好。

2.如权利要求1所述的一种利用噪音及机械振动的发电隔音玻璃，其特征在于：摩擦外壳所采用的高分子聚合物材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯或聚己二酸乙二醇酯；摩擦外壳的除微柱以外的内表面为了增强摩擦效应提高发电的输出效率，采用微加工的方法制作各种规则的微结构阵列，其微结构阵列为纳米方块、纳米棒或纳米锥结构。

3.如权利要求2所述的一种利用噪音及机械振动的发电隔音玻璃，其特征在于：纳米方块、纳米棒或纳米锥等结构通过阳极氧化、光刻蚀或离子刻蚀制备。

4.如权利要求1所述的一种利用噪音及机械振动的发电隔音玻璃，其特征在于：当摩擦外壳厚度为2mm，内表面长为100mm，宽为100mm时，其内表面上均匀地分布直径为2mm、高度为2mm、间距为20mm的微柱结构。

5.如权利要求1所述的一种利用噪音及机械振动的发电隔音玻璃，其特征在于：当有噪音或环境中机械振动存在时，摩擦外壳内表面的微柱由于振动产生压缩变形，促使摩擦外壳内表面除微柱外的其他面积有效地与ITO玻璃外侧表面相互接触，此时由于ITO玻璃与摩擦外壳的电负性不同，两者接触时，因摩擦电效应而产生表面电荷，根据摩擦电序列，ITO玻璃外侧表面在此接触过程中更易失电子带正电，摩擦外壳内表面更易得电子带负电，此时ITO玻璃外侧表面与摩擦外壳内表面之间处于电场平衡状态，无电势差产生，外电路无电流输出；当噪音或环境中机械振动逐渐减弱时，摩擦外壳内表面的微柱恢复原有形状，促使ITO玻璃外侧表面与摩擦外壳内表面分离，此时电场的平衡状态被打破，使得ITO玻璃具有较高的电势，由静电感应原理外电路有电子流出，随着噪音或环境中机械振动持续减弱时，感应的电子流将持续直到新的电平衡被建立，重复上述接触分离模式实现了将声波能和机械振动转换为电能的循环；最后，将发电隔音玻璃产生的电信号导出，并与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于对发电隔音玻璃所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，与移动负载或其他供电系统相连接，对移动负载和其他供电系统充电。