[发明专利]电力生成设备及生成方法

说明书

本发明提供了一种用于生成电力的设备(和方法)，包括被配置为使用电荷感应来生成输出电流的电力生成器。负载电容器用于响应于经整流的输出电流而存储电荷，其中，负载电容器具有随着电压而增加的电容。这意味着存储在负载电容上的电压当其被充电和放电时变得更平坦；在相对放电状态下，电容减小，从而基于所存储的电荷给出相对较大的电压，并且在相对充电状态下，电容增加，从而基于所存储的电荷给出相对较小的电压。这改进了从生成器朝向存储元件(非线性电容器)的初始能量传输并且使得输出电压更平坦且更易于实际使用。

技术领域

本发明涉及用于生成电力的设备，并且具体而言，涉及用于借助于适于将机械能转换为电能的能量生成器来生成电流的设备。

背景技术

将小规模的机械能量源收集或转换成可用形式的电能是近年来引起极大关注的领域，并且作为一个技术领域已经经历了快速和实质性的发展。

具体而言，已经为大量关注的焦点的一个领域是摩擦电能生成领域。摩擦电效应(也称为摩擦电充电)是接触感应起电，其中，材料在其与不同材料接触后通过摩擦被充电。摩擦电生成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，通过捕获来自诸如步行、随机身体运动、吹风、振动或海浪的源的在其他情况下会被浪费的机械能，利用摩擦电生成来为诸如传感器和智能手机的可穿戴设备供电(参见例如：Wang，Sihong、Long Lin和Zhong Lin Wang的“Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors。”(Nano Energy，11(2005)：436-462)。

摩擦电效应是基于根据其获得电子(变为带负电)或失去电子(变为带正电)的趋势对各种材料进行排列的系列的。这种系列例如在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)277-290)中所公开。创建静电的材料的最佳组合是来自正电荷列表的一种和来自负电荷列表的一种(例如PTFE对铜或FEP对铝)。将玻璃与毛皮摩擦、或通过头发的梳子是摩擦电的来自日常生活中的公知的范例。

在其最简单的形式中，摩擦电式生成器使用两个这种不同材料的片材，一个是电子供体，另一个是电子受体。材料中的一种或多种能够是绝缘体。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。当将材料接触时，电子从一种材料交换到另一种材料，从而在两种材料上感应相互电荷。这就是摩擦电效应。

如果片材然后被分离，则每个片材保持(不同极性的)电荷，由它们之间的间隙隔离，并且建立了电势。如果电极被设置在两种材料表面上，并且电负载连接在它们之间，则片材的任何另外的位移(横向或垂直)将作为响应感应两个电极之间的电流。这仅仅是静电感应的范例。随着两个极板的相应的电荷中心之间的距离增加，因此跨间隙的两者之间的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的增加的电势差，因为经由负载的电荷的电吸引开始克服跨间隙的静电吸引力。

以这种方式，摩擦电式生成器通过在两个主要物理机制之间的耦合将机械能转换为电能：接触起电(摩擦起电)和静电感应。

通过周期性地增加和减少极板的电荷中心之间的相互分离，因此作为响应能够感应出在板之间来回流动的电流，从而生成跨负载的交流电流。