[發(fā)明專利]能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201680058090.7
• 申請日: 2016-10-04
• 公開（公告）號: CN108141151B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: N·F·茹瓦;M·T·約翰遜;H·克勒斯;L·C·格哈特;M·范利羅普
• 申請（專利權(quán)）人: 皇家飛利浦有限公司
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;B81B3/00;B81B5/00
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 王英;劉炳勝

一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括響應(yīng)于運動而生成電力的發(fā)電機，其中，所述發(fā)電機包括在能量生成模式中生成能量的第一元件和第二元件。在一些示例中，可以由驅(qū)動機構(gòu)使它們彼此接觸和脫離接觸，使得能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有(例如)間歇充電模式和能量生成模式，在所述充電模式中，由所述驅(qū)動機構(gòu)使所述第一元件與所述第二元件5接觸，在所述能量生成模式中，所述第一元件與所述第二元件脫離接觸。在所述能量生成模式期間控制所述第一元件與所述第二元件的相對速度，所述第一元件與所述第二元件之間的間隔，或所述第一元件與所述第二元件的相對取向或位置，以減小所述發(fā)電機的輸出功率或電壓的變化。該系統(tǒng)在能量生成模式期間控制所述發(fā)電機的元件的物理位置或運動10，以實現(xiàn)更恒定的功率或電壓生成。這使得任何所需的功率轉(zhuǎn)換電路得以簡化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于將機械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及能量轉(zhuǎn)換的方法。

背景技術(shù)

將機械能轉(zhuǎn)換成電能的這樣的系統(tǒng)的一個范例是摩擦電能生成系統(tǒng)。摩擦電效應(yīng)(也稱為摩擦生電)是一種接觸感應(yīng)帶電，其中材料在通過摩擦與不同材料接觸之后帶電。摩擦發(fā)電基于通過將摩擦電效應(yīng)與靜電感應(yīng)耦合的方法將機械能轉(zhuǎn)化為電能。已經(jīng)提出通過捕獲(來自諸如走路，隨機身體運動，吹風(fēng)，振動或海浪等來源的)否則會浪費的機械能來利用摩擦發(fā)電來為諸如傳感器和智能手機的可穿戴設(shè)備提供動力(參見例如：Wang,Sihong,Long Lin和Zhong Lin Wang的“Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors”Nano Energy 11(2015):436-462 436-462)。

摩擦電效應(yīng)基于根據(jù)各種材料獲得電子(變成負(fù)電荷)或失去電子(變?yōu)閹д?的趨勢對其進行排列的系列。這個系列例如在AFA.F.Diaz和R.M.Felix-Navarro的a semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials:the influence ofchemical structure and properties,Journal of Electrostatics 62(2004)277–290中公開。創(chuàng)建靜電的材料的最佳組合來自正電荷列表中的一個和負(fù)電荷列表中的一個(例如，PTFE對銅，或FEP對鋁)。利用毛皮摩擦玻璃或梳子通過頭發(fā)是生活日常生活中眾所周知的摩擦的例子。

在其最簡單的形式中，摩擦發(fā)電機因此使用兩片不同的材料，一種是電子供體，另一種是電子受體。當(dāng)材料接觸時，電子從一種材料交換到另一種材料。這只是摩擦電效應(yīng)。如果片材被分離，則每個片材都保持電荷(極性不同)，由它們之間的間隙隔開。如果電負(fù)載被連接于放置在兩個表面的外邊緣處的電極之間，則片材之間任何進一步的橫向或垂直位移都將作為響應(yīng)而引起兩個電極之間的電流。這只是靜電感應(yīng)的一個例子。隨著兩個板的各個電荷中心之間的距離增加，使得跨過間隙的兩個板之間的吸引電場減弱，導(dǎo)致兩個外部電極之間的電勢差增加，因為經(jīng)由負(fù)載的電荷吸引開始克服跨越間隙的靜電吸引力。

在其最簡單的形式中，摩擦發(fā)電機因此使用兩片不同的材料，一種是電子供體，另一種是電子受體。一種或多種材料可以是絕緣體。其他可能的材料可以包括半導(dǎo)體材料，例如包含天然氧化物層的硅。當(dāng)使材料接觸時，電子從一種材料交換到另一種材料。這就是摩擦電效應(yīng)。如果片材被分離，則每張片材保持(不同極性的)電荷，由它們之間的間隙隔離，并建立電勢。如果電負(fù)載連接在放置在兩個材料表面背面的電極之間，則任何進一步的橫向或垂直位移都將響應(yīng)兩個電極之間的電流而引起響應(yīng)。這只是靜電感應(yīng)的一個例子。隨著兩個板的各個電荷中心之間的距離增加，使得跨過間隙的兩個板之間的吸引電場減弱，導(dǎo)致兩個外部電極之間的電勢差增加，因為經(jīng)由負(fù)載的電荷吸引開始克服跨越間隙的靜電吸引力。

以此方式，摩擦發(fā)電機通過兩個主要物理機制之間的耦合將機械能轉(zhuǎn)換為電能：接觸帶電(摩擦生電)和靜電感應(yīng)。