[發明專利]能量生成系統和方法

有效

• 申請號: 201680070346.6
• 申請日: 2016-12-01
• 公開（公告）號: CN108292898B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: K·阿魯蘭杜;N·F·茹瓦;A·J·戴維;P·范德爾夫特;M·T·約翰遜
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦有限公司
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02N1/04
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 孟杰雄;王英

一種系統包括用于生成電力的發電機和用于降壓轉換所述發電機的輸出電壓的開關電容器轉換器。所述開關電容器轉換器包括電容器組和開關布置。控制器用于基于來自所述發電機的反饋信號來控制開關。這提供了對所述開關電容器轉換器的自動控制，從而簡化了總體控制電路并提高了效率。

技術領域

本發明涉及一種用于將機械能轉換成電能的電能生成器以及能量生成方法。

背景技術

將機械能轉換成電能的這種系統的一個范例是摩擦電能生成系統。摩擦帶電效應(也被稱為摩擦帶電)是一種接觸感應式起電，其中，材料在通過摩擦與不同材料接觸后帶電。摩擦發電的基礎是通過將摩擦帶電效應與靜電感應耦合的方法將機械能轉換成電能。已經提出通過捕獲來自諸如步行、隨機身體運動、吹風、振動或海浪等來源的一般被浪費掉的機械能，利用摩擦發電為諸如傳感器和智能手機的移動可穿戴設備供電。例如，參見：Wang、Sihong、Long Lin和Zhong Lin Wang的“Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors”(Nano Energy 11，2015年，第436-462頁)。

摩擦帶電效應基于根據其獲得電子(變成帶負電)或失去電子(變為帶正電)的趨勢對各種材料進行排序的系列。這個系列例如在A.F.Diaz和R.M.Felix-Navarro的“Asemi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials:the influenceof chemical structure and properties”(Journal of Electrostatics 62，2004年，第277-290頁)中進行了公開。產生靜電的材料的最佳組合是來自正電荷列中的一種材料與來自負電荷列表中的一種材料(例如，PTFE對銅或者FEP對鋁)。用毛皮摩擦玻璃或者梳子梳理頭發是摩擦電在日常生活中眾所周知的范例。

在最簡單的形式中，摩擦發電機因此使用兩片不同的材料，一片是電子供體，另一片是電子受體。這些材料中的一種或多種材料能夠是絕緣體。其他可能的材料可以包括半導體材料，例如，包含天然氧化物層的硅。當材料接觸時，電子從一種材料交換到另一種材料。這就是摩擦帶電效應。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。如果在兩個材料表面的背面沉積/放置的電極之間連接有電負載，則會響應于兩個電極之間的電流而引發任何進一步的橫向或垂直位移。這只是靜電感應的一個范例。隨著兩個板的各個電荷中心之間的距離增加，在間隙兩端的兩個電極之間的吸引電場減弱，從而引起兩個外部電極之間的電勢差增加，這是因為經由負載的電荷吸引開始克服在間隙兩端的靜電吸引力。

通過這種方式，摩擦發電機通過兩種主要物理機制(接觸起電(摩擦帶電)和靜電感應)之間的耦合將機械能轉換成電能。

通過循環地增加和減少板的電荷中心之間的相互分離，能夠作為響應而感應出電流在板之間來回流動，從而在負載兩端生成交流電。因此，摩擦發電機設備能夠被認為是電荷泵。

通過將微米級樣式應用于聚合物片材能夠增加功率輸出。樣式化有效地增加了接觸面積，從而提高了電荷轉移的有效性。

最近，已經開發出一種利用這種效應的用于發電(能量收集)和功率轉換的新興材料技術，如在Wang，Z.L.的“Triboelectric nanogenerators as new energy technologyfor self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors”(ACSnano 7.11，2013年，第9533-9557頁)中所公開的。基于這種效應，已經開發出所謂的摩擦發電機(“TEG”)的若干設備配置。