發電鞋的製作方法
2023-05-31 00:55:56 1
發電鞋的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種發電鞋，用以解決現有技術中的發電鞋結構複雜、發電效率低、穿起來不舒適的問題。該發電鞋包括：設置在所述發電鞋的鞋底部位的納米摩擦發電機，用於將機械能轉化為電能；以及與所述納米摩擦發電機相連的蓄電裝置，用於對所述納米摩擦發電機產生的電能進行存儲。
【專利說明】發電鞋【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電路領域，特別涉及一種發電鞋。
【背景技術】
[0002]目前，常見的發電鞋大多是採用磁式發電，相當於在鞋底安裝一個小型發電機，不僅結構複雜、成本高、容易出現問題，而且發電效率低，且鞋底發生較大變形，走路時容易產生不適感。
[0003]而且，平時在走路的過程中，腳掌通過鞋子對路面產生壓力，從而產生機械能。一個成年人在走路的過程中通過鞋子所產生的機械能是非常可觀的(例如，可產生60瓦的能量)，但是，目前的發電鞋並沒有將這部分機械能利用起來，使其白白浪費掉了。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種發電鞋，用以解決現有技術中的發電鞋結構複雜、發電效率低、穿起來不舒適、且沒有對走路產生的機械能加以利用的問題。
[0005]一種發電鞋，包括:設置在所述發電鞋的鞋底部位的納米摩擦發電機，用於將機械能轉化為電能；以及與所述納米摩擦發電機相連的蓄電裝置，用於對所述納米摩擦發電機產生的電能進行存儲。
[0006]本發明實施例中，無需設置小型發電機，只需通過納米摩擦發電機將走路時產生的機械能轉換為電能就可以為蓄電裝置充電，從而由蓄電裝置將納米摩擦發電機產生的電能收集並存儲起來，因而對走路時產生的機械能進行了合理的利用。其中，蓄電裝置收集的電能可用於為外部電器(如隨身攜帶的手機、mp3)供電，這樣，用戶無需隨身攜帶充電器或電池，通過該發電鞋就可以將走`路過程中產生的機械能轉化為外部電器需要的電能，解決了用戶外出時充電的難題。該發電鞋結構簡單、成本較低，且納米摩擦發電機不像常見的發電鞋內部的小型發電機那樣材質堅硬，所以還提高了用戶的舒適度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1示出了本發明實施例提供的發電鞋的結構示意圖；
[0008]圖2a示出了本發明實施例中的發電鞋內部的多個納米摩擦發電機平鋪設置時的結構示意圖；
[0009]圖2b示出了本發明實施例中的發電鞋內部的多個納米摩擦發電機層疊設置時的結構示意圖；
[0010]圖3示出了本發明實施例提供的發電鞋內部的蓄電裝置通過有線方式供電時的一種結構不意圖；
[0011]圖4示出了本發明實施例提供的發電鞋內部的蓄電裝置通過有線方式供電時的另一種結構不意圖；
[0012]圖5示出了本發明實施例提供的發電鞋內部的蓄電裝置通過無線方式供電時的結構示意圖；
[0013]圖6為本發明實施例提供的發電鞋內部的納米摩擦發電機一種【具體實施方式】的立體示意圖；
[0014]圖7為本發明圖6納米摩擦發電機的剖面示意圖；
[0015]圖8為本發明實施例提供的發電鞋內部的納米摩擦發電機另一種【具體實施方式】的立體示意圖；
[0016]圖9為本發明圖8納米摩擦發電機的剖面示意圖；
[0017]圖10為本發明生長有氧化鋅納米線的矽基底示意圖；
[0018]圖11為本發明塗覆PVDF的矽基底示意圖；
[0019]圖12為本發明基底分離示意圖；
[0020]圖13為本發明實施例提供的發電鞋內部的納米摩擦發電機又一種【具體實施方式】的立體示意圖；
[0021]圖14為本發明圖14納米摩擦發電機的剖面示意圖；
[0022]圖15為本發明實施例提供的發電鞋內部的納米摩擦發電機再一種【具體實施方式】的立體示意圖；
[0023]圖16為本發明圖15納米摩擦發電機的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0024]為充分了解本發明之目的、特徵及功效，藉由下述具體的實施方式，對本發明做詳細說明，但本發明並不僅僅限於此。
[0025]本發明提供了一種發電鞋，用以解決現有技術中的發電鞋結構複雜、發電效率低、穿起來不舒適、且沒有對走路產生的機械能加以利用的問題。
[0026]圖1示出了本發明實施例提供的發電鞋，包括:設置在發電鞋的鞋底部位的納米摩擦發電機61，用於將機械能轉化為電能；以及與納米摩擦發電機61相連的蓄電裝置62，用於對納米摩擦發電機61產生的電能進行存儲。
[0027]為了便於放置納米摩擦發電機和蓄電裝置，可以在鞋底內部設置一個或多個空腔，將納米摩擦發電機和蓄電裝置放入空腔內。在圖1所示的發電鞋中，分別在鞋底的腳掌和腳底部位放置了兩處納米摩擦發電機，由於在走路時，腳掌和腳底部位與地面的接觸更加充分，因此，這樣的設置方式能夠提高發電效率。另外，在圖1中，將蓄電裝置設置在了鞋底的腳心部位，由於足弓的存在，導致腳心部位與地面之間往往會有少許空隙，因此，將蓄電裝置設置在腳心部位，可以在走路時將蓄電裝置對穿著者的影響降到最低。
[0028]圖1所示的納米摩擦發電機和蓄電裝置的位置只是示意性的，本領域技術人員也可以根據實際需要，將納米摩擦發電機和蓄電裝置設置在發電鞋的其他位置上。
[0029]另外，為了提高發電效率，該發電鞋中的納米摩擦發電機的數量可以為多個，多個納米摩擦發電機通過串聯或並聯方式連接，以增大輸出的電流或電壓。具體地，當納米摩擦發電機的數量為多個時，多個納米摩擦發電機可以通過平鋪方式設置，也可以通過層疊方式設置。
[0030]當多個納米摩擦發電機通過平鋪方式設置時，如圖2a所示。在圖2a中，多個納米摩擦發電機中的每一個納米摩擦發電機所佔用的面積比較小，因而可以在同一水平面內以平鋪方式設置多個納米摩擦發電機，例如，在圖2a中，在腳底部位設置了九個納米摩擦發電機，這九個納米摩擦發電機分為三行三列進行設置。採用平鋪方式進行設置時，由於多個納米摩擦發電機均位於同一水平面內，不會顯著增加鞋底的厚度，因此，發電鞋的厚度與普通鞋相差不大，更加適合一般用戶的需求。
[0031]當多個納米摩擦發電機通過層疊方式設置時，如圖2b所示。在圖2b中，多個納米摩擦發電機中的每一個納米摩擦發電機所佔用的面積相同。並且，與圖2a中的方式相比，圖2b中的每個納米摩擦發電機所佔用的面積通常較大，且各個納米摩擦發電機層疊設置，即不同層的納米摩擦發電機位於同一豎直方向上，但分別處於不同的水平面內。採用層疊方式進行設置時，由於多個納米摩擦發電機均位於同一豎直方向上，會顯著增加鞋底的厚度，因此，發電鞋的厚度與普通鞋相比通常更厚，適合於特殊用戶(例如喜歡穿厚底鞋的用戶)的需求。另外，當多個納米摩擦發電機通過層疊方式設置時，為了避免各個發電機之間相互影響，還可以在兩層發電機之間設置能起到支撐作用的支撐層。
[0032]上述的納米摩擦發電機均為高功率的納米摩擦發電機，關於該高功率的納米摩擦發電機的具體結構將在後面單獨進行詳細地描述。
[0033]下面先介紹一下本發明實施例中的蓄電裝置的實現方式。
[0034]蓄電裝置62的主要目的是為了對納米摩擦發電機所產生的電能進行儲存，並在需要時提供給外部電器(例如手機、mp3等)進行供電。為了實現供電的目的，蓄電裝置62除了儲存電能之外，還需要對納米發電機產生的電能進行必要的轉換，以便適合於外部電器的需求。其中，蓄電裝置62為外部電器供電時主要可通過有線供電和無線供電這兩種方式進行。
[0035]下面首先介紹一下有線供電的方式:
[0036]當蓄電裝置62通過有線供電方式為外部電器供電時，蓄電裝置62的內部結構示意圖如圖3所示。蓄電裝置62包括:降壓變壓器621、交直流轉換器622、儲能元件623以及升壓變壓器624。其中，降壓變壓器621的輸入端與納米摩擦發電機61的輸出端相連，用於對納米摩擦發電機61產生的電能進行降壓處理，由於納米摩擦發電機61為高功率的納米摩擦發電機，因此，產生的電能的電壓通常比較高，因此，需要由降壓變壓器621進行降壓，經降壓變壓器621處理後的電信號依然為交流電信號。降壓變壓器621的輸出端與交直流轉換器622相連，交直流轉換器622主要用於將降壓變壓器621處理後的交流電轉換為直流電，以便於儲能元件623存儲。儲能元件623中存儲的是直流電能，為了將該直流電能提供給外部電器供電，還需要由升壓變壓器624對儲能元件中存儲的電能進行升壓處理。升壓變壓器輸出的電壓可以由外部電器的額定電壓決定。例如，通常的外部電器的額定電壓包括6V、3V等，升壓變壓器的輸出電壓也可以相應地為6V、3V。為了能夠適應更多類型的外部電器，該升壓變壓器可以具有多個輸出端，每個輸出端用於輸出不同的電壓，以便適應不同用電器的需求。
[0037]上述的交直流轉換器622進一步包括:整流電路6221、濾波電路6222以及穩壓電路6223。其中，整流電路6221用於對降壓變壓器621輸出的交流電能進行整流，從而把大小和方向都隨時間變化的交流電轉變為方向不隨時間變化，大小隨時間變化的單相脈動直流電。濾波電路6222，用於將整流電路6221輸出的單相脈動直流電中剩餘的交流分量濾除，從而得到相對比較穩定的直流電。穩壓電路6223，用於對濾波電路6222輸出的比較穩定的直流電進一步進行穩壓處理，得到恆定的電壓信號。具體地，整流電路6221、濾波電路6222和穩壓電路6223的具體電路器件和參數可根據需要進行靈活地設計。
[0038]上述的儲能元件623可以靈活選用鋰電池、鎳氫電池、超級電容等元件實現，只要能夠實現儲能的目的即可。
[0039]為了使蓄電裝置62中存儲的電能能夠方便地提供給外部電器，該蓄電裝置62還可以進一步設置一個充電接口 625，如圖4所示。該充電接口 625的一端與升壓變壓器624的輸出端相連，另一端用於連接外部電器並為外部電器供電。其中，充電接口 625可以是各種數字接口，例如，可以為普通USB接口、miniUSB接口等，只要能夠實現通信目的即可。另夕卜，充電接口 625的數量也可以是多個，多個充電接口 625的類型可以相同也可以不同，以方便用戶的使用。
[0040]其中，充電接口 625可以是凹陷的插孔，通過數據線將充電接口 625與外部電器相連接，這時，蓄電裝置62可以固定在發電鞋內部，然後將該充電接口 625設置在用戶可以接觸到的位置上，這樣，用戶無需取下蓄電裝置62，直接通過數據線就可以完成對外部電器的充電。為了避免暴露的插孔受到粉塵等異物的汙染，還可以進一步在插孔外部設置防護套。
[0041]充電接口 625也可以是凸起的插頭(類似優盤插頭)，這時，可以將蓄電裝置62設計為可拆卸的。需要充電時，將蓄電裝置62從發電鞋上取下，並通過充電接口 625為外部電器充電。
[0042]下面再介紹一下無線供電的方式:
[0043]當蓄電裝置62通過無線供電方式為外部電器供電時，蓄電裝置62的結構示意圖如圖5所示。蓄電裝置62包括:無線發射器81和無線接收存儲器82。其中，無線發射器81設置在發電鞋內部，與納米摩擦發電機61相連，用於將納米摩擦發電機61產生的電能通過無線方式傳輸給無線接收存儲器82。無線接收存儲器82獨立於發電鞋，可由用戶隨身攜帶，用於接收並存儲無線發射器81傳輸的電能。
[0044]其中，無線發射器81包括:調製器811、放大電路812、升壓變壓器813以及發射線圈(或發射天線)814。調製器811與納米摩擦發電機61的輸出端相連，用於對納米摩擦發電機61輸出的交流信號進行調製，為了傳輸更遠的距離，可以選取頻率較高的信號作為載波信號，通過載波信號對納米摩擦發電機61輸出的交流信號(即基帶信號)進行調製後，得到高頻的已調信號。然後，放大電路812對調製器811輸出的已調信號進行初級放大，並傳送給升壓變壓器813，由升壓變壓器813對放大電路812輸出的電信號進行進一步的放大，即升壓(例如可升至幾千伏)。最後，由發射線圈(或發射天線)814將升壓後的電信號發射給無線接收存儲器82。
[0045]無線接收存儲器82包括:接收線圈(或接收天線)821、降壓變壓器822、解調器823、交直流轉換器824、儲能元件825以及升壓變壓器826。接收線圈(或接收天線)821用於接收來自發射線圈(或發射天線)814的電信號。降壓變壓器822對接收到的電信號進行降壓處理，其中，由於調製器811輸出的已調信號經過了放大器812以及升壓變壓器813的二級放大過程，因此，降壓變壓器822的主要作用在於將接收到的電信號恢復到放大前的已調信號的幅度。然後，由解調器823對降壓變壓器822輸出的已調信號進行解調，得到原始的基帶信號，該基帶信號為交流信號。交直流轉換器824用於將交流的基帶信號轉換為直流的電信號，並傳送給儲能元件825存儲。為了將儲能元件825中存儲的直流電能提供給外部電器供電，還需要由升壓變壓器826對儲能元件825中存儲的電能進行升壓處理。升壓變壓器826輸出的電壓可以由外部電器的額定電壓決定。例如，通常的外部電器的額定電壓包括6V、3V等，升壓變壓器的輸出電壓也可以相應地為6V、3V。為了能夠適應更多類型的外部電器，該升壓變壓器可以具有多個輸出端，每個輸出端用於輸出不同的電壓，以便適應不同用電器的需求。
[0046]上述的交直流轉換器824的具體結構可參照有線供電方式中的結構，例如包括整流電路、濾波電路以及穩壓電路，此處不再贅述。上述的儲能元件825可以靈活選用鋰電池、鎳氫電池、超級電容等元件實現，只要能夠實現儲能的目的即可。
[0047]上述的無線接收存儲器82可以與外部電器連接，以便為外部電器充電。為了使無線接收存儲器82中存儲的電能能夠方便地提供給外部電器，該無線接收存儲器82還可以進一步設置一個充電接口(圖中未示出)。該充電接口的一端與升壓變壓器826的輸出端相連，另一端用於連接外部電器並為外部電器供電。其中，充電接口可以是各種數字接口，例如，可以為普通USB接口、miniUSB接口等，只要能夠實現通信目的即可。另外，充電接口的數量也可以是多個，多個充電接口的類型可以相同也可以不同，以方便用戶的使用。其中，充電接口可以是凹陷的插孔，通過數據線將充電接口與外部電器相連接；或者，充電接口也可以是凸起的插頭(類似優盤插頭)，直接通過充電接口進行充電。
[0048]當蓄電裝置62採用無線供電方式時，無線發射器81能夠將納米摩擦發電機61產生的電能發射給無線接收存儲器82，由無線接收存儲器82通過充電接口為外部電器供電。採用無線通信的方式，由於不需要數據線的連接，也不需要將蓄電裝置62取下來進行充電，所以，用戶可以在走路的同時，利用隨身攜帶的無線接收存儲器為身邊的電器(例如手機、mp3等)充電，這樣，步行、充電兩不誤，為用戶提供了很大的方便。
[0049]另外，還可以在蓄電裝置62內部設計一個開關電路，用以控制電能的發射。例如，該開關電路可以設計在無線發射器的內部，這樣，當用戶不需要充電，也不需要對納米摩擦發電機產生的電能進行存儲時，可以關閉無線發射器的開關，這時，無線發射器停止向無線接收存儲器發射電信號，以避免電磁輻射對人體的影響。或者，該開關電路也可以設計在無線接收存儲器的內部，這樣，當用戶不需要充電，也不需要對納米摩擦發電機產生的電能進行存儲時，可以關閉無線接收存儲器的開關，這時，無線接收存儲器停止接收電信號。可選地，無線接收存儲器的內部開關電路可以設置在接收線圈(或接收天線)821、降壓變壓器822之間。由於無線接收存儲器可隨身攜帶，因此，將開關電路設置在無線接收存儲器上更便於用戶的操作。
[0050]上面描述的蓄電裝置62的兩種供電方式(有線供電方式和無線供電方式)僅為示意性的描述，本領域技術人員還可以採用其他的方式來實現蓄電裝置收集電能並進行供電的目的。另外，蓄電裝置62內部的結構也可以根據需要進行適當的調整，例如，當納米摩擦發電機產生的電壓較低時，也可以省去降壓變壓器。
[0051]通過上面描述的幾種方式，就可以通過蓄電裝置62實現對外部電器的自給供電。上述的幾種方式各有優勢，例如，有線供電方式中的電量傳輸比較穩定，不會受到外界環境的影響；無線供電方式的傳輸方式非常靈活，不受空間限制，也無需數據線的纏繞，可以實現邊走路邊充電的效果。
[0052]在本發明實施例提供的發電鞋中，納米摩擦發電機是最核心的部件，正是由於本實施例中的納米摩擦發電機採用了高功率的納米摩擦發電機，才得以實現對外部電器的供電。
[0053]下面詳細介紹一下本發明實施例提供的發電鞋中的納米摩擦發電機的具體結構。
[0054]本發明實施例提供的發電鞋中的納米摩擦發電機是一種高功率納米摩擦發電機，當該摩擦發電機的各層向下彎曲時，摩擦發電機中的摩擦電極層與高分子聚合物層表面相互摩擦產生靜電荷，靜電荷的產生會使第一電極和摩擦電極層之間的電容發生改變，從而導致第一電極和摩擦電極層之間出現電勢差。由於第一電極層和摩擦電極層之間電勢差的存在，自由電子將通過外電路由電勢低的一側流向電勢高的一側，從而在外電路中形成電流。當該摩擦發電機的各層恢復到原來狀態時，這時形成在第一電極層和摩擦電極層之間的內電勢消失，此時已平衡的第一電極層和摩擦電極層之間將再次產生反向的電勢差，則自由電子通過外電路形成反向電流。通過反覆摩擦和恢復，就可以在外電路中形成周期性的交流電信號。
[0055]本發明的發電鞋中的納米摩擦發電機採用具有多個納米孔的高分子聚合物層與摩擦電極層進行摩擦，由於設置的納米孔使得高分子聚合物層表面粗糙度增加，增加了摩擦電量；另外，每一個納米孔相當於一個微型電容，能夠起到存儲電荷的作用，避免了摩擦電在瞬間釋放，從而增加了第一電極層和摩擦電極層之間的電勢差，電壓和電流輸出高，實現了摩擦發電機的高能量輸出。
[0056]如圖6和7所示，本發明一種【具體實施方式】的高功率納米摩擦發電機，包括依次層疊設置的第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3 ;高分子聚合物層2的相對摩擦電極層3的面上設有多個納米孔4 ;其中，摩擦電極層3包括摩擦薄膜層31和第二電極層32，所述摩擦薄膜層31相對高分子聚合物層2設置。所述高分子聚合物絕緣層2與摩擦薄膜層31的相對表面接觸摩擦，並在第一電極層I和第二電極層32處感應出電荷；所述第一電極層I和第二電極層32為摩擦發電機的電壓和電流輸出電極，即摩擦發電機的輸出端。
[0057]第一電極層I和第二電極層32對所用材料沒有特殊規定，能夠形成導電層的材料都在本發明的保護範圍之內，例如是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或釩；合金是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鎢合金、鑰合金、鈮合金或鉭合金。本發明優選的第一電極層I和第二電極層32材料是銅或鋁，厚度為0.05-0.2mm。
[0058]在本實施方式中，高分子聚合物層2所用材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，其厚度為0.5-1.2mm (優選1mm)，且其相對摩擦電極層3的面上設有多個納米孔4。每個納米孔4的尺寸，即寬度和深度，可以根據應用的需要進行選擇，優選的納米孔4的尺寸為:寬度為IO-1OOnm以及深度為4_50 μ m。這些多個納米孔4可以均勻也可以不均勻的分布在摩擦電極層3的面上，優選納米孔4均勻的分布在摩擦電極層3的面上，納米孔4的數量可以根據需要的輸出電流值和電壓值進行調整，優選的這些多個納米孔4是孔間距為2-30 μ m的均勻分布，更優選的平均孔間距為9 μ m的均勻分布。
[0059]摩擦薄膜層31所用材料可以是纖維薄膜(紙)或聚氯乙烯(PVC)等，厚度為0.2-1.5_。摩擦薄膜層31所用材料優選銅版紙或牛皮紙等，市售的各種規格的銅版紙或牛皮紙均可應用於本發明，更優選的是規格100-250g/m2的銅版紙和規格80?120g/m2的牛皮紙。採用纖維薄膜(紙)作為摩擦薄膜層31，使得整個摩擦發電機的成本得到了極大的降低。
[0060] 根據發明人的研究發現，要提高納米摩擦發電機的能量輸出，相互接觸的摩擦層的兩種材料的配對是一種非常重要的影響因素。例如，紙與聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)摩擦時，輸出的功率和電壓高。
[0061 ] 如圖8和9所示，本發明另一種【具體實施方式】的高功率納米摩擦發電機,包括依次層疊設置的第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3 ;高分子聚合物層2的相對摩擦電極層3的面上設有多個納米孔4。所述高分子聚合物絕緣層2與摩擦電極層3的相對表面接觸摩擦，並在第一電極層I和摩擦電極層3處感應出電荷；所述第一電極層I和摩擦電極層3為摩擦發電機的電壓和電流輸出電極。
[0062]第一電極層I對所用材料沒有特殊規定，能夠形成導電層的材料都在本發明的保護範圍之內，例如是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或釩；合金是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、鈮合金或鉭合金。本發明優選的第一電極層I材料是銅或鋁，厚度為0.05-0.2mm。
[0063]在本實施方式中，高分子聚合物層2所用材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，其厚度為0.5-1.2mm(優選1.0mm)，且其相對摩擦電極層3的面上設有多個納米孔4。其中，每個納米孔4的尺寸，即寬度和深度，可以根據應用的需要進行選擇，優選的納米孔4的尺寸為:寬度為IO-1OOnm以及深度為4-50 μ m。這些多個納米孔4可以均勻也可以不均勻的分布在摩擦電極層3的面上，優選納米孔4均勻的分布在摩擦電極層3的面上，納米孔4的數量可以根據需要的輸出電流值和電壓值進行調整，優選的這些多個納米孔4是孔間距為2-30 μ m的均勻分布，更優選的平均孔間距為9 μ m的均勻分布。
[0064]根據發明人的研究發現，金屬與高分子聚合物摩擦，金屬更易失去電子，因此採用金屬電極與高分子聚合物摩擦也能提高能量輸出。因此，優選的摩擦電極層3所用材料是金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或釩；合金是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、銀合金或鉭合金,更優選的摩擦電極層3材料是銅或鋁，厚度為0.05-0.2mm。
[0065]下面詳細說明上述高功率納米摩擦發電機的製備方法。該方法包括如下步驟:
[0066]( I)製備具有納米線的基底
[0067]在基底的一個表面上垂直生長氧化鋅納米線，得到具有納米線的基底。
[0068]本發明可以使用的基底可以是矽基底，鍍金或鍍鉻的玻璃基底等。
[0069]本發明採用常規水熱法生長氧化鋅納米線陣列，例如採用環六亞甲基四胺(HMTA)和硝酸鋅六水合物(ZnN03.6 (H20))的混合物作為培養液，在適當的溫度例如80_95°C下，在矽基底上生長氧化鋅納米線陣列。具體的，在一個【具體實施方式】中，採用常規噴射濺鍍在矽基底的一個面上生成一個厚度30-50nm的氧化鋅種子層。採用0.lmol/L濃度的由等摩爾的環六亞甲基四胺(HMTA)和硝酸鋅六水合物(ZnN03.6 (H20))組成的培養液，將矽基底的生成有氧化鋅種子層的面朝下，放在培養液頂部，在85°C下在機械對流加熱爐(型號:Yama to DKN400，加利福尼亞，聖克拉拉)中生長，用去離子水衝洗生長有氧化鋅納米線的矽基底並在空氣中乾燥，得到氧化鋅納米線陣列。本發明對氧化鋅納米線的斷面形狀沒有特殊要求，規則矩形、六邊形、圓形或正方形等均可以應用於本發明。如圖10所示，是生長有圓形斷面的氧化鋅納米線的矽基底的示意圖。應當理解的是，本領域技術人員容易根據需要的氧化鋅納米線的寬度，深度以及間距，調整納米氧化鋅線的生長工藝條件，例如培養液濃度，生長溫度和時間，使得所得氧化鋅納米線陣列優選的均勻分布，且滿足使用要求，例如延長生長時間改變氧化鋅納米線的寬度和長度。
[0070](2)製備具有納米孔的高分子聚合物薄膜
[0071]將聚合物材料的溶液塗覆於生長有氧化鋅納米線的基底上，固化成高分子聚合物膜，然後分離基底，去除氧化鋅納米線，得到具有納米孔的高分子聚合物薄膜。
[0072]本發明所述固化是指:將聚合物材料溶液中的溶劑揮發掉，形成聚合物薄膜。常規乾燥，加熱蒸發(例如水浴加熱)的方法均可以應用於本發明。
[0073]具體的，將PVDF用二甲基甲醯胺(DMF)溶解PVDF，然後超聲處理，直至PVDF全部溶解；將上述配好的PVDF溶液通過旋轉塗覆均勻地直接塗覆在步驟(I)製備的矽基底表面，塗覆完畢後真空乾燥。圖11所示是塗覆有聚合物材料的矽基底(生長有氧化鋅納米線)示意圖。
[0074]乾燥後，將矽基底移除，圖12所示是基底分離示意圖。然後採用酸蝕刻法將氧化鋅納米線酸蝕掉，具體的，採用稀鹽酸、稀硫酸或稀硝酸等常規無機酸，將氧化鋅納米線腐蝕掉，得到具有多個納米孔的高分子聚合物薄膜。
[0075]( 3 )製成納米摩擦發電機
[0076]將步驟(2)所得的具有納米孔的高分子聚合物薄膜作為高分子聚合物層，依次層疊設置第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3，得到納米摩擦發電機。將該摩擦發電機的邊緣用普通膠布密封。
[0077]可以採用常規現有技術在高分子聚合物層2上設置第一電極層1，例如在高分子聚合物層2上粘貼第一電極層1，或者通過化學沉積或物理沉積的方法(例如射頻濺鍍，蒸鍍等方法)在高分子聚合物層2上沉積第一電極層I。
[0078]當摩擦電極層3包括層疊設置的摩擦薄膜層31和第二電極層32時，在摩擦薄膜層31上設置第二電極層32的方法也可以是粘貼，化學沉積或物理沉積等方法。
[0079]根據納米摩擦發電機的工作原理，在發電機工作的過程中，兩個摩擦面需要不斷的接觸摩擦和分離，而一直處於接觸狀態或者分離狀態時，發電機則不能具有很好的輸出性能。因此，為了能夠製作出性能優異的發電機，發明人對發電機的結構進行了改進。如圖13和14所示的拱形的高功率納米摩擦發電機，包括依次層疊設置的第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3 ;高分子聚合物層2的相對摩擦電極層的面上設有多個納米孔4 ;摩擦電極層3包括摩擦薄膜層31和第二電極層32，所述摩擦薄膜層31相對高分子聚合物層2設置。其中，所述摩擦電極層3作為一個整體相對高分子聚合物層2向外拱起形成凸面，並在摩擦電極層3與高分子聚合物層2之間形成間隙，使兩個摩擦面在不受力的情況下能夠自動彈起。除摩擦電極層3形成凸面外，圖13和14所示的高功率納米摩擦發電機的各層結構與圖6所示的高功率納米摩擦發電機相同，因此第一電極層I，高分子聚合物層2，摩擦電極層3以及納米孔4各層的適用選擇可以參考上文，這裡不再贅述。
[0080]如圖15和16所示的拱形結構高功率納米摩擦發電機，其包括依次層疊設置的第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3 ;高分子聚合物層2的相對摩擦電極層的面上設有多個納米孔4。其中，所述摩擦電極層3相對高分子聚合物層2向外拱起形成凸面，並在摩擦電極層3與高分子聚合物層2之間形成間隙，使兩個摩擦面在不受力的情況下能夠自動彈起。圖15和16所示的高功率納米摩擦發電機的各層結構與圖8所示的高功率納米摩擦發電機相同，因此第一電極層I，高分子聚合物層2，摩擦電極層3以及納米孔4各層的適用選擇可以參考上文，這裡不再贅述。
[0081]雖然上文僅示例性描述了摩擦電極層3向外拱起的拱形的高功率納米摩擦發電機，應當理解的是，基於本發明的優選實施方式，本領域技術人員根據很容易實現高分子聚合物層2相對摩擦電極層3向外拱起形成凸面，並在摩擦電極層3與高分子聚合物層2之間形成間隙，使兩個摩擦面在不受力的情況下能夠自動彈起。因此，本發明的保護範圍是摩擦電極層和高分子聚合物層中的至少一個向外拱起形成凸面，使得摩擦電極層與高分子聚合物層之間形成間隙。在一個【具體實施方式】中，依照高分子聚合物層2與摩擦電極層3的長度比為21:20或20:21，得到了拱形的高功率納米摩擦發電機。
[0082]下面詳細說明拱形結構高功率納米摩擦發電機的製備方法，步驟(I)製備具有納米線的基底與步驟製備具有納米孔的高分子聚合物薄膜(2)與上文所述相同，這裡不再贅述，下面僅詳細說明步驟(3):
[0083]a.將第一電極層I設置到高分子聚合物層2上，形成第一電極層1_高分子聚合物
層2的層疊體。
[0084]b.將摩擦電極層3放置到步驟a所得層疊體的高分子聚合物層2上，並且將所述層疊體與摩擦電極層3的一端固定。
[0085]具體的，例如所述層疊體與摩擦電極層3是矩形時，採用膠布粘貼或者熱封的方法將層疊體與摩擦電極層3的短邊端中的其中一個固定。
[0086]c.將摩擦電極層3拱起，然後將層疊體與摩擦電極層3的固定端的相對端進行固定。
[0087]具體的，例如所述層疊體與摩擦電極層3是矩形時，將層疊體與摩擦電極層3的另一個短邊端固定。
[0088]下面通過具體的實施例來闡述本發明提供的發電鞋中的納米摩擦發電機的方法的實施，本領域技術人員應當理解的是，這不應被理解為對本發明權利要求範圍的限制。
[0089]實施例1
[0090]如圖6和7所示，本實施例高功率納米摩擦發電機尺寸為4.5cm (長度)X 1.2cm(寬度)，其包括依次層疊設置的第一電極層I (0.1mm厚的鋁層)，高分子聚合物層2 (Imm厚的聚偏氟乙烯)，以及摩擦電極層3。摩擦電極層3包括摩擦薄膜層31 (1.0mm厚的銅版紙(規格200g/m2))和第二電極層32 (0.1mm厚的銅層)，所述摩擦薄膜層31相對高分子聚合物層2設置。高分子聚合物層2的相對摩擦電極層3的面上設有多個納米孔4 (寬度約為60nm,深度約為8μηι,以及孔間距平均為9μπι)。所述第一電極層I和第二電極層32為摩擦發電機的電壓和電流輸出電極。
[0091]下面詳細說明該高功率納米摩擦發電機的製備方法。
[0092]( I)製備具有納米線的基底
[0093]採用常規噴射濺鍍在矽基底的一個面上生成厚度40nm的氧化鋅種子層。採用0.lmol/L濃度的由等摩爾的環六亞甲基四胺(HMTA)和硝酸鋅六水合物(ZnNO3.6 (H2O))組成的培養液，將娃基底的生成有氧化鋅種子層的面朝下，放在培養液頂部，在85°C下在機械對流加熱爐(型號:Yama to DKN400，加利福尼亞，聖克拉拉)中生長6小時，用去離子水衝洗生長有氧化鋅納米線的矽基底並在空氣中乾燥，得到的氧化鋅納米線陣列。
[0094](2)製備具有納米孔的高分子聚合物薄膜
[0095]將PVDF放入燒杯中，然後將二甲基甲醯胺(DMF)加入到燒杯中溶解PVDF，得到濃度11.7wt%的PVDF溶液。然後將燒杯用保鮮膜封住，超聲處理30min，PVDF全部溶解，然後待用。
[0096]將上述配好的PVDF溶液通過旋轉塗覆均勻地直接塗覆在步驟(1)製備的矽基底的生長有納米氧化鋅線的表面，塗覆完畢後在80°C進行真空乾燥。
[0097]乾燥完成後，將矽基底移除。然後採用濃度3wt％的稀鹽酸將氧化鋅納米線酸蝕掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中該薄膜一個表面上具有的納米孔為:寬度約為60nm，深度約為8 μm,以及孔間距平均為9 μm。
[0098]( 3 )製成納米摩擦發電機
[0099]將步驟(2)所得的具有納米孔的高分子聚合物薄膜作為高分子聚合物層，將0.1mm厚的鋁層粘貼在高分子聚合物層2上，得到第一電極層1-高分子聚合物層2的層疊體；將0.1mm厚的銅層粘貼在銅版紙上，得到摩擦電極層3。按照高分子聚合物層2相對銅版紙，將摩擦電極層3放置到上述層疊體上，然後邊緣用普通膠布密封，得到納米摩擦發電機1#。
[0100]該摩擦發電機1#在I-V (電流-電壓)的測量中表現出典型的開路特徵。使用周期振蕩(0.33Hz和0.13%的形變)的步進電機使摩擦發電機1#發生周期的彎曲和釋放，摩擦發電機1#的最大輸出電壓和電流信號分別達到了 800V和750 μ A。
[0101]實施例2-3
[0102]實施例2和3採用與實施例1基本相同的方法進行製備，不同之處列於下表:
[0103]表1
【權利要求】
1.一種發電鞋，其特徵在於，包括: 設置在所述發電鞋的鞋底部位的納米摩擦發電機，用於將機械能轉化為電能；以及與所述納米摩擦發電機相連的蓄電裝置，用於對所述納米摩擦發電機產生的電能進行存儲。
2.如權利要求1所述的發電鞋，其特徵在於，所述蓄電裝置包括: 與所述納米摩擦發電機的輸出端相連的降壓變壓器；與所述降壓變壓器相連的交直流轉換器；與所述交直流轉換器相連的儲能元件；以及與所述儲能元件相連的升壓變壓器。
3.如權利要求2所述的發電鞋，其特徵在於，所述蓄電裝置進一步包括:充電接口，其一端與所述升壓變壓器的輸出端相連，另一端用於連接外部電器並為所述外部電器供電。
4.如權利要求1所述的發電鞋，其特徵在於，所述蓄電裝置包括:無線發射器和無線接收存儲器，其中，所述無線發射器用於將納米摩擦發電機產生的電能傳輸給無線接收存儲器，所述無線接收存儲器用於接收並存儲所述無線發射器傳輸的電能。
5.如權利要求4所述的發電鞋，其特徵在於，所述無線發射器包括: 與所述納米摩擦發電機的輸出端相連的調製器；與所述調製器相連的放大電路；與所述放大電路相連的升壓變壓器；以及與所述升壓變壓器相連的發射線圈或發射天線， 所述無線接收存儲器包括: 接收線圈或接收天線；與所述接收線圈或接收天線相連的降壓變壓器；與所述降壓變壓器相連的解調器；與所述解調器相連的交直流轉換器；與所述交直流轉換器相連的儲能元件；以及與所述儲能元件相連的升壓變壓器。
6.如權利要求5所述的發電鞋，其特徵在於，所述無線接收存儲器進一步包括:` 充電接口，其一端與所述升壓變壓器的輸出端相連，另一端用於連接外部電器並為所述外部電器供電。
7.如權利要求1所述的發電鞋，其特徵在於，所述納米摩擦發電機為多個並聯連接的納米摩擦發電機，其中，所述多個並聯連接的納米摩擦發電機通過平鋪方式或層疊方式設置。
8.如權利要求1所述的發電鞋，其特徵在於，所述納米摩擦發電機包括:依次層疊設置的第一電極層，高分子聚合物層，以及摩擦電極層；高分子聚合物層的相對摩擦電極層的面上設有多個納米孔；所述第一電極層和摩擦電極層為摩擦發電機的電壓和電流輸出電極。
9.根據權利要求8所述的發電鞋，其特徵在於，所述高分子聚合物層所用材料是聚偏氟乙烯。
10.根據權利要求9所述的發電鞋，其特徵在於，所述高分子聚合物層表面上設置的納米孔寬度為IO-1OOnm以及深度為4-50 μ m。
11.根據權利要求8所述的發電鞋，其特徵在於，所述摩擦電極層所用材料選自金屬或合金，厚度為0.05-0.2mm ;其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或IJi ;合金是招合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、銀合金或鉭合金；所述摩擦電極層所用材料優選銅或鋁。
12.根據權利要求8-11任一項所述的發電鞋，其特徵在於，所述摩擦電極層包括層疊設置的摩擦薄膜層和第二電極層，所述摩擦薄膜層相對高分子聚合物層設置。
13.根據權利要求12所述的發電鞋，其特徵在於，所述摩擦薄膜層所用材料是纖維薄膜或聚氯乙烯，優選銅版紙或牛皮紙；所述第二電極層所用材料選自銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或IJi ;合金是招合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、銀合金或鉭合金。
14.根據權利要求8所述的發電鞋，其特徵在於，所述摩擦電極層和高分子聚合物層中的至少一個向外拱起形成凸面，使得摩擦電極層與高分子聚合物層之間形成間隙。
15.根據權利要求8所述的發電鞋，其特徵在於，所述第一電極層所用材料是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、猛、鑰、鶴或鑰;；合金是招合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合`金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、銀合金或鉭合金。
【文檔編號】H02N1/04GK103859688SQ201210545388
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月14日 優先權日:2012年12月14日
【發明者】徐傳毅, 王中林 申請人:納米新能源（唐山）有限責任公司