[发明专利]能量转换系统和方法

说明书

一种能量转换系统包括响应于运动而生成电力的发电机，其中，所述发电机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，可以由驱动机构使它们彼此接触和脱离接触，使得能量转换系统具有(例如)间歇充电模式和能量生成模式，在所述充电模式中，由所述驱动机构使所述第一元件与所述第二元件5接触，在所述能量生成模式中，所述第一元件与所述第二元件脱离接触。在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压的变化。该系统在能量生成模式期间控制所述发电机的元件的物理位置或运动10，以实现更恒定的功率或电压生成。这使得任何所需的功率转换电路得以简化。

技术领域

本发明涉及用于将机械能转化为电能的能量转换系统以及能量转换的方法。

背景技术

将机械能转换成电能的这样的系统的一个范例是摩擦电能生成系统。摩擦电效应(也称为摩擦生电)是一种接触感应带电，其中材料在通过摩擦与不同材料接触之后带电。摩擦发电基于通过将摩擦电效应与静电感应耦合的方法将机械能转化为电能。已经提出通过捕获(来自诸如走路，随机身体运动，吹风，振动或海浪等来源的)否则会浪费的机械能来利用摩擦发电来为诸如传感器和智能手机的可穿戴设备提供动力(参见例如：Wang,Sihong,Long Lin和Zhong Lin Wang的“Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors”Nano Energy 11(2015):436-462 436-462)。

摩擦电效应基于根据各种材料获得电子(变成负电荷)或失去电子(变为带正电)的趋势对其进行排列的系列。这个系列例如在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中公开。创建静电的材料的最佳组合来自正电荷列表中的一个和负电荷列表中的一个(例如，PTFE对铜，或FEP对铝)。利用毛皮摩擦玻璃或梳子通过头发是生活日常生活中众所周知的摩擦的例子。

在其最简单的形式中，摩擦发电机因此使用两片不同的材料，一种是电子供体，另一种是电子受体。当材料接触时，电子从一种材料交换到另一种材料。这只是摩擦电效应。如果片材被分离，则每个片材都保持电荷(极性不同)，由它们之间的间隙隔开。如果电负载被连接于放置在两个表面的外边缘处的电极之间，则片材之间任何进一步的横向或垂直位移都将作为响应而引起两个电极之间的电流。这只是静电感应的一个例子。随着两个板的各个电荷中心之间的距离增加，使得跨过间隙的两个板之间的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的电势差增加，因为经由负载的电荷吸引开始克服跨越间隙的静电吸引力。

在其最简单的形式中，摩擦发电机因此使用两片不同的材料，一种是电子供体，另一种是电子受体。一种或多种材料可以是绝缘体。其他可能的材料可以包括半导体材料，例如包含天然氧化物层的硅。当使材料接触时，电子从一种材料交换到另一种材料。这就是摩擦电效应。如果片材被分离，则每张片材保持(不同极性的)电荷，由它们之间的间隙隔离，并建立电势。如果电负载连接在放置在两个材料表面背面的电极之间，则任何进一步的横向或垂直位移都将响应两个电极之间的电流而引起响应。这只是静电感应的一个例子。随着两个板的各个电荷中心之间的距离增加，使得跨过间隙的两个板之间的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的电势差增加，因为经由负载的电荷吸引开始克服跨越间隙的静电吸引力。

以此方式，摩擦发电机通过两个主要物理机制之间的耦合将机械能转换为电能：接触带电(摩擦生电)和静电感应。