[发明专利]电力生成或者转换系统

说明书

一种摩擦电式能量生成器(1)包括第一生成元件(8)和第二生成元件(10)。所述第一生成元件包括第一静电材料(9)并且所述第二生成元件包括第二静电材料(13)。由于所述摩擦电效应，因而所述第二生成元件相对于所述第一生成元件的移动实现输出电压。止动器(7)被配置为限制所述第二生成元件的旋转，使得所述第二生成元件仅可以旋转通过期望的角度。

技术领域

本发明涉及用于将机械能转换为电能的能量转换系统和能量转换的方法。

背景技术

由此机械能可以转换为电能的这样的系统的一个范例是摩擦电式能量生成系统。摩擦电效应(还被称为摩擦电充电)是接触感应的起电，其中，材料在其通过摩擦与不同的材料接触时变得带电。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换为电能。已经提出利用摩擦电生成通过从诸如步行、随机身体运动、刮风、振动或海浪的源捕获在其它情况下浪费的机械能对可穿戴设备(诸如传感器和智能电话)进行供电。(参见例如：Wang,Sihong,Long Lin和Zhong Lin Wang.Triboelectric nanogeneratorsas self-powered active sensors(Nano Energy 11(2015):436-462))。

摩擦电效应基于根据其获得电子(变为带负电荷的)或失去电子(变为带正电荷的)的趋势对各种材料排列的系列。该系列例如在A.F.Diaz和R.M.Felix-Navarro,A semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials:the influence ofchemical structure and properties(Journal of Electrostatics 62(2004)277-290)中被公开。创建静电的材料的最好组合是来自正电荷列表的一个和来自负电荷列表的一个(例如，对着铜的PTFE或对着铝的FEP)。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。当材料接触时，电子从一个材料交换到另一个。这简单地是摩擦电效应。如果板然后被分离，则每个板保持电荷(不同的极性)，由它们之间的间隙隔离。如果在被放置在两个表面的外边缘处的电极之间连接电负载，则板的任何进一步的位移(要么横向地要么垂直地)将作为反应感应两个电极之间的电流。这简单地是静电感应的范例。随着两个板之间的相应的电荷中心之间的距离增加，两片板之间的穿过间隙的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的电势差增加，这是因为经由负载的电荷吸引开始克服跨间隙的静电吸引力。

以其最简单的形式，摩擦电式生成器因此使用两片不相似的材料，一个是电子供体，另一个是电子受体。材料中的一个或多个可以是绝缘体。其他可能材料可以包括半导体材料，例如包括本征氧化层的硅。当使材料接触时，电子从一个材料交换到另一个材料。这简单地是摩擦电效应。如果板然后被分离，则每个板保持电荷(不同的极性)、由它们之间的间隙隔离，并且电势被建立。如果在被沉积/被放置在两个材料表面的背面处的电极之间连接电负载，则板的任何进一步的位移(要么横向地要么垂直地)将作为反应感应两个电极之间的电流。这简单地是静电感应的范例。随着两个板之间的相应的电荷中心之间的距离增加，两片板之间的穿过间隙的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的电势差增加，这是因为经由负载的电荷吸引开始克服跨间隙的静电吸引力。

这样，摩擦电式生成器通过两个主要物理机构之间的耦合将机械能转换为电能：接触起电(摩擦充电)和静电感应。

通过周期地增加和减小板的电荷中心之间的相互分离，因此可以感应出电流作为响应在板之间来回地流动，从而跨负载生成交流电。功率输出可以通过将微米级图案应用到聚合物板来增加。图案化有效地增加接触面积并且从而增加电荷转移的有效性。