本發(fā)明涉及靜電摩擦領(lǐng)域、玻璃技術(shù)領(lǐng)域，特指應(yīng)用于玻璃的發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

自1882年，英國(guó)維姆胡斯創(chuàng)造了圓盤(pán)式靜電感應(yīng)起電機(jī)開(kāi)始，靜電摩擦生電這個(gè)無(wú)處不在的能量不斷被人們所重視和廣泛關(guān)注。在王中林團(tuán)隊(duì)等眾多科學(xué)團(tuán)隊(duì)不斷努力下得出了大量的研究成果。其中基于摩擦電效應(yīng)以及靜電感應(yīng)原理的靜電摩擦發(fā)電機(jī)已經(jīng)成功地用來(lái)收集機(jī)械能。本發(fā)明承接了該研究理念，巧妙地將其應(yīng)用于發(fā)電隔音玻璃的設(shè)計(jì)中。

另外隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)日新月異，而隨著社會(huì)的發(fā)展，車(chē)輛的增多，城市噪音日趨嚴(yán)重，目前我們對(duì)于噪音的處理方式是采用一定的手段進(jìn)行防止，而對(duì)于能源短缺的現(xiàn)代社會(huì)，噪音也可以作為一種能量來(lái)收集，對(duì)此我們想到將隔音玻璃與靜電摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣既可以防止噪音的污染，又可以收集并利用噪音進(jìn)行發(fā)電。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種收集高速公路噪音及機(jī)械振動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，用來(lái)取代目前高速公路居民區(qū)的普通聲障屏。在該發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)中充分利用噪音所產(chǎn)生的聲波能和環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)，根據(jù)靜電摩擦生電和靜電感應(yīng)的復(fù)合原理，有效地將聲波能及機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路與負(fù)載連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載供電。

發(fā)電隔音玻璃的特征在于：所述發(fā)電隔音玻璃包含隔音玻璃、摩擦外殼、電壓轉(zhuǎn)換電路三部分。所述隔音玻璃是在原有隔音玻璃的基礎(chǔ)上將材質(zhì)換成ITO玻璃材料，該并用導(dǎo)線(xiàn)連接且引出；所述摩擦外殼采用高分子聚合物材料利用注塑的方式制成(如圖1所示)，其形狀和市場(chǎng)上手機(jī)硅膠外殼一樣，其特征在于內(nèi)表面均勻地間隔分布直徑為2mm的微柱，為延長(zhǎng)摩擦外殼的使用壽命，在制備工藝中在高分子聚合物材料中添加人工纖維；所述電壓轉(zhuǎn)換電路包括降壓變壓器和交直流轉(zhuǎn)換器兩部分，其中交直流轉(zhuǎn)換器包括依次連接的整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。

該發(fā)電隔音玻璃是利用摩擦外殼的塑性變形，將上述隔音玻璃的ITO玻璃兩端表面完全包囊如圖2所示，由于該摩擦外殼內(nèi)表面均勻地間隔分布直徑為2mm的微柱，在沒(méi)有外界力作用下ITO玻璃的外側(cè)表面只與摩擦外殼內(nèi)表面的微柱接觸，而該摩擦外殼內(nèi)表面除微柱外的其他面積，由于微柱的支撐作用，有效地與ITO玻璃的外側(cè)表面分離。其工作原理在于：當(dāng)有噪音或環(huán)境中機(jī)械振動(dòng)存在時(shí)，摩擦外殼內(nèi)表面的微柱由于振動(dòng)產(chǎn)生壓縮變形，促使摩擦外殼內(nèi)表面除微柱外的其他面積有效地與ITO玻璃外側(cè)表面相互接觸，此時(shí)由于ITO玻璃與摩擦外殼的電負(fù)性不同，兩者接觸時(shí)，因摩擦電效應(yīng)而產(chǎn)生表面電荷，根據(jù)摩擦電序列，ITO玻璃外側(cè)表面在此接觸過(guò)程中更易失電子帶正電，摩擦外殼內(nèi)表面更易得電子帶負(fù)電，此時(shí)ITO玻璃外側(cè)表面與摩擦外殼內(nèi)表面之間處于電場(chǎng)平衡狀態(tài)，無(wú)電勢(shì)差產(chǎn)生，外電路無(wú)電流輸出；當(dāng)噪音或環(huán)境中機(jī)械振動(dòng)逐漸減弱時(shí)，摩擦外殼內(nèi)表面的微柱恢復(fù)原有形狀，促使ITO玻璃外側(cè)表面與摩擦外殼內(nèi)表面分離，此時(shí)電場(chǎng)的平衡狀態(tài)被打破，使得ITO玻璃具有較高的電勢(shì)，由靜電感應(yīng)原理外電路有電子流出，隨著噪音或環(huán)境中機(jī)械振動(dòng)持續(xù)減弱時(shí)，感應(yīng)的電子流將持續(xù)直到新的電平衡被建立，重復(fù)上述接觸-分離模式實(shí)現(xiàn)了將聲波能和機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能的循環(huán)；最后，將發(fā)電隔音玻璃產(chǎn)生的電信號(hào)導(dǎo)出，并與電壓轉(zhuǎn)換電路的降壓變壓器的輸入端相連接，用于對(duì)發(fā)電隔音玻璃所產(chǎn)生的交流電信號(hào)進(jìn)行降壓處理，再將降壓變壓器的輸出端與交直流轉(zhuǎn)換器相連，將降壓后的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電，與移動(dòng)負(fù)載或其他供電系統(tǒng)相連接，對(duì)移動(dòng)負(fù)載和其他供電系統(tǒng)充電。

本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下：

前述摩擦外殼所采用的高分子聚合物材料為聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹(shù)脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯或聚己二酸乙二醇酯，這些聚合物材料具有彈性好、電負(fù)性高、透明等特點(diǎn)。

前述摩擦外殼的除微柱以外的內(nèi)表面為了增強(qiáng)摩擦效應(yīng)提高發(fā)電的輸出效率，采用微加工的方法制作各種規(guī)則的微結(jié)構(gòu)陣列，由前期研究結(jié)果可知具有微結(jié)構(gòu)陣列表面的發(fā)電器件其能量輸出效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光滑無(wú)結(jié)構(gòu)器件發(fā)電的輸出效率，其微結(jié)構(gòu)陣列為納米方塊、納米棒或納米錐等結(jié)構(gòu)。

前述納米方塊、納米棒或納米錐等結(jié)構(gòu)通過(guò)陽(yáng)極氧化、光刻蝕或離子刻蝕制備。

前述摩擦外殼為了增強(qiáng)其韌性及工作壽命，在其制備過(guò)程中將人工纖維加入高分子聚合物材料中。

前述摩擦外殼和ITO玻璃在選擇材料時(shí)，根據(jù)摩擦電序列的排列，選擇兩者排列順序差異越大越好。

摩擦外殼內(nèi)表面微柱的數(shù)量，根據(jù)摩擦外殼內(nèi)表面面積大小而定，摩擦外殼內(nèi)表面面積越大，微柱的數(shù)量越多。各微柱之間的間距根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中摩擦外殼內(nèi)表面與ITO玻璃接觸/分離過(guò)程的實(shí)現(xiàn)效果而定，確保在聲波和機(jī)械振動(dòng)條件下，摩擦外殼內(nèi)表面與ITO玻璃之間能夠?qū)崿F(xiàn)接觸/分離過(guò)程，且接觸面積大小理想。當(dāng)摩擦外殼厚度為2mm，內(nèi)表面長(zhǎng)為100mm，寬為100mm時(shí)，其內(nèi)表面上均勻地分布直徑為2mm、高度為2mm、間距為20mm的微柱結(jié)構(gòu)。微柱的高度由摩擦外殼與隔音玻璃安裝的預(yù)留距離而定，確保摩擦外殼安裝在隔音玻璃上以后，摩擦外殼內(nèi)表面的微柱剛好與ITO玻璃外表面接觸且不發(fā)生形變。

附圖說(shuō)明

圖1所述為發(fā)電隔音玻璃的摩擦外殼的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2所述為發(fā)電隔音玻璃摩擦外殼安裝在ITO玻璃上的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3所述為發(fā)電隔音玻璃的電路示意圖。

圖中：1、摩擦外殼，2、微柱，3、ITO玻璃

具體實(shí)施方式

為充分了解本發(fā)明之目的、特征及功效，借由下述具體的實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提供的發(fā)電隔音玻璃包含隔音玻璃、摩擦外殼1、電壓轉(zhuǎn)換電路三部分。所述隔音玻璃在原有隔音玻璃的基礎(chǔ)上，將材質(zhì)換成ITO玻璃的材料，并用導(dǎo)線(xiàn)連接且引出；所述摩擦外殼1采用高分子聚合物材料利用注塑的方式制成(如圖1三維結(jié)構(gòu)示意圖所示)，其形狀和市場(chǎng)上手機(jī)硅膠外殼一樣，其特征在于內(nèi)表面均勻地間隔分布直徑為2mm的微柱2，為延長(zhǎng)摩擦外殼的使用壽命，在制備工藝中在高分子聚合物材料中添加人工纖維。

如圖2所示該發(fā)電隔音玻璃是利用摩擦外殼1的塑性變形，將隔音玻璃的ITO玻璃3兩端表面完全包囊，由于該摩擦外殼1內(nèi)表面均勻地間隔分布直徑為2mm的微柱2，在沒(méi)有外界力作用下ITO玻璃3的外側(cè)表面只與摩擦外殼1內(nèi)表面的微柱2接觸，而該摩擦外殼1內(nèi)表面除微柱2外的其他面積，由于微柱2的支撐作用，有效地與ITO玻璃3的外側(cè)表面分離。其工作原理在于：當(dāng)有噪音或環(huán)境中機(jī)械振動(dòng)存在時(shí)，摩擦外殼1內(nèi)表面的微柱2由于振動(dòng)產(chǎn)生壓縮變形，促使摩擦外殼1內(nèi)表面除微柱2外的其他面積有效地與ITO玻璃3外側(cè)表面相互接觸。此時(shí)由于ITO玻璃3與摩擦外殼1的電負(fù)性不同，兩者接觸時(shí)，因摩擦電效應(yīng)而產(chǎn)生表面電荷，根據(jù)摩擦電序列，ITO玻璃3外側(cè)表面在此接觸過(guò)程中更易失電子帶正電，摩擦外殼1內(nèi)表面更易得電子帶負(fù)電，此時(shí)ITO玻璃3外側(cè)表面與摩擦外殼1內(nèi)表面之間處于電場(chǎng)平衡狀態(tài)，無(wú)電勢(shì)差產(chǎn)生，外電路無(wú)電流輸出。當(dāng)噪音或環(huán)境中機(jī)械振動(dòng)逐漸減弱時(shí)，摩擦外殼1內(nèi)表面的微柱2恢復(fù)原有形狀，促使ITO玻璃3外側(cè)表面與摩擦外殼1內(nèi)表面分離，此時(shí)電場(chǎng)的平衡狀態(tài)被打破，使得ITO玻璃3具有較高的電勢(shì)，由靜電感應(yīng)原理外電路有電子流出，隨著噪音或環(huán)境中機(jī)械振動(dòng)持續(xù)減弱時(shí)，感應(yīng)的電子流將持續(xù)直到新的電平衡被建立，重復(fù)上述接觸-分離模式實(shí)現(xiàn)了將聲波能和機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能的循環(huán)。

如圖3所示電壓轉(zhuǎn)換電路包括降壓變壓器和交直流轉(zhuǎn)換器兩部分，其中交直流轉(zhuǎn)換器包括依次連接的整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。圖3所示電信號(hào)輸出端與電壓轉(zhuǎn)換電路的降壓變壓器的輸入端相連接，用于對(duì)發(fā)電車(chē)輪所產(chǎn)生的交流電信號(hào)進(jìn)行降壓處理，再將降壓變壓器的輸出端與交直流轉(zhuǎn)換器相連，將降壓后的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電，與移動(dòng)負(fù)載和自身供電系統(tǒng)相連接，對(duì)移動(dòng)負(fù)載和自身供電系統(tǒng)的充電。

實(shí)施例1

在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)100×100×2.1mm的ITO玻璃，取出其中一片ITO玻璃，使用異丙醇和去離子水將ITO玻璃進(jìn)行清潔處理，在氮?dú)猸h(huán)境中吹干，在ITO玻璃的其中一面貼上5×5mm的銅膠帶并用銅導(dǎo)線(xiàn)引出；利用Solidworks和CAD軟件構(gòu)建壁厚2mm，高度為3.2mm，長(zhǎng)度為100mm，寬度為100mm，內(nèi)表面微柱孔間距20mm，直徑2mm，高度為2mm摩擦外殼模具的三維模型和二維圖，并加工成型，使用異丙醇和去離子水將成型的模具進(jìn)行清潔處理，在氮?dú)猸h(huán)境中吹干；取PDMS和固化劑按質(zhì)量比為10:1混合均勻，在真空干燥箱中脫氣10min后放入模具中，在真空干燥箱中脫氣10min后，將模具放入真空干燥箱中固化24h，固化溫度為60℃，將固化好的PDMS從模具中取出，獲得摩擦外殼；再將摩擦外殼安裝到?jīng)]有銅膠帶的ITO玻璃一側(cè)上，利用夾具將安裝好的玻璃加緊豎立放置于工作臺(tái)上；在工作臺(tái)上放置一臺(tái)喇叭和振動(dòng)器對(duì)玻璃進(jìn)行有規(guī)律的聲波震動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)。最后，將電信號(hào)輸出端連接于電壓轉(zhuǎn)換電路，測(cè)試聲波震動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電信號(hào)。

本實(shí)施例測(cè)試結(jié)果：關(guān)掉振動(dòng)器，打開(kāi)喇叭，當(dāng)喇叭調(diào)試到90分貝時(shí)，測(cè)得的開(kāi)路電壓為10V，短路電流為3μA。關(guān)掉喇叭，打開(kāi)振動(dòng)器，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)頻率為90HZ時(shí)，測(cè)得的開(kāi)路電壓23V，電流為15μA。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)例1完全相同，控制喇叭的音量，關(guān)掉振動(dòng)器，打開(kāi)喇叭，當(dāng)喇叭調(diào)試到120分貝時(shí)，測(cè)得的開(kāi)路電壓為15V，短路電流為6μA。關(guān)掉喇叭，打開(kāi)振動(dòng)器，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)頻率為100HZ時(shí)，測(cè)得的開(kāi)路電壓45V，電流為20μA。

實(shí)施例3

本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)例1完全相同，控制喇叭的音量，關(guān)掉振動(dòng)器，打開(kāi)喇叭，當(dāng)喇叭調(diào)試到150分貝時(shí)，測(cè)得的開(kāi)路電壓為63V，短路電流為32μA。關(guān)掉喇叭，打開(kāi)振動(dòng)器，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)頻率為110HZ時(shí)，測(cè)得的開(kāi)路電壓65V，電流為32μA。