[发明专利]电力生成设备和电力生成方法

说明书

本发明提供了一种包括至少两个生成装置的电力生成设备，每个生成装置适于通过两个受到同等或不同地带电的生成元件的相对运动来生成电压输出，所述生成元件具有一定的分离距离(可以是零或非零的)。所述装置被协作地配置为使得其各自的元件之间的分离距离是互反相关的：一个分离距离的增大导致另一分离距离的相关的减小。通过对这两个信号输出进行组合，可以由所述设备以自我调节的方式提供单个电压输出、电流输出或功率输出，其幅度基本上独立于两装置中的任一装置的元件之间的分离距离的任何变化或变动。

技术领域

本发明涉及电力生成设备和方法；具体涉及适于将机械能转换为电能的设备和方法。

背景技术

将小规模的机械能源收集或转换为可用形式的电能是近年来受到重点关注的领域，并且作为技术领域已经经历了快速并且显著的发展。

具体地，已经成为更多关注的焦点的一个领域是摩擦电能生成的领域。摩擦起电效应(也被称为摩擦起电)是接触诱发的起电，其中，在一种材料与一种不同的材料通过摩擦相接触之后，所述材料变得带电。摩擦生电基于：通过使摩擦起电效应与静电感生相结合的方法，使机械能转换为电能。已经提出了利用摩擦生电对诸如传感器和智能电话的可佩带设备进行供电，其方式是从诸如走路、随机身体运动、风吹、振动或海浪的来源中获取否则将被浪费的机械能(例如，参考Wang，Sihong、Long Lin和Zhong Lin Wang在NanoEnergy，11(2015)：436-462上的“Triboelectric nanogenerators as self-poweredactive sensors”)。

在其最简单的形式中，摩擦电(triboelectric)生成器使用两片异质材料，一片为电子供体，另一片为电子受体。所述材料中的一种或多种材料能够是绝缘体。其他可能的材料可以包括半导体材料，例如，包括天然氧化物层的硅。当使所述材料发生接触时，电子被从一种材料交换到另一种材料，从而在这两种材料上感生出互反(reciprocal)电荷。这是摩擦起电效应。

如果之后将两个片分开，每个片都保持(不同极性的)电荷，并且通过其之间的空隙而被隔离，并且建立电势。如果在两个材料表面上设置电极，并且在电极之间设置电负载，那么各片的任何侧向或垂直的进一步位移将在这两个电极之间感生作为响应的电流。这是电感生的范例。随着两个板的相应电荷中心之间的距离增大，两个板之间的跨所述间隙的相互吸引的电场将减弱，从而导致两个外侧电极之间的增加的电势差，因为电荷的经由所述负载的电吸引力开始克服跨所述间隙的静电吸引力。

以这种方式，摩擦电生成器通过以下两种主要物理机制之间的耦合来将机械能转换为电能：接触起电(摩擦起电)和静电感生。

通过周期性地增大和减小各板的电荷中心之间的相互分离，作为响应能够感生电流在板之间来回流动，由此生成跨所述负载的交变电流。

最近，已经开发出了一种利用这种效应的用于功率生成(能量收集)和功率转换的新兴材料技术，如Wang,Z.L,.在ACS nano 7.11(2013)：9533-9557上的“Triboelectricnanogenerators as new energy technology for self-powered systems and asactive mechanical and chemical sensors”一文中所公开的。基于这种效应，已经开发了若干种设备配置：所谓的摩擦电生成器(“TEG”)或摩擦电纳米生成器(“TENG”)。摩擦电纳米生成器构成了摩擦电生成器的一个子集，其特征在于生成器板的特定特异性表面特性。

自从2012年首次对其进行报导之后，TEG的输出功率密度已经得到了极大改善。体积功率密度可以达到400千瓦每立方米以上，并且已经展现出～60％的效率(出处同上)。除了高输出性能之外，TEG技术还具有诸多其他优点，诸如低生产成本、高可靠性和鲁棒性以及低环境影响。