[发明专利]一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法。

背景技术

长期以来，利用环境中的机械能被认为是关键的研究课题，近年来，基于摩擦生电和静电感应出现的摩擦电纳米发电机在机械能量收集方面是很有前景的技术，特别是在便携式电子设备和自供电元件上。类似于CMOS集成电路和系统的发展，完全集成的能量收集系统包括摩擦电纳米发电机、电源管理电路、信号处理电路、能量储存元件和负载电路，这些对于摩擦电纳米发电机的实际应用都至关重要。理论仿真对于分析理解摩擦电纳米发电机系统的工作机制和输出性能有十分重要的作用，这为未来的设计和优化系统铺平了道路。然而，先前的研究只关注与摩擦电纳米发电机系统本身或者是带有线性电阻负载电路，在实际应用中，具有任意数量的线性或者非线性元件不可能通过之前的方法来实现。

在本发明中，推出了摩擦电纳米发电机系统的等效模型，以便加深对其的认识并且辅助其仿真过程，搭载了负载调节电路，通过改变负载调节电路功率开关的占空比，调节电路的输出功率。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法。

在本发明中，一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，包括：步骤1，建立摩擦电纳米发电机的等效电路模型；步骤2，改变负载电阻和电容，分析摩擦电纳米发电机搭载电源管理电路时输出功率的变化；步骤3，通过改变负载调节电路功率开关占空比与负载电阻大小，调节电路的输出功率。

所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，所述等效电路模型包括：

摩擦电纳米发电机的等效电路模型可以从其控制方程中给出，式中的C_TENG

和V_OC可以由等效电路模型中的两个电路元件表示，第一个是电容项，它来源于两个电极之间的电容，可以用电容(C_TENG)来表示。另一个是开路电压项，其来源于极化摩擦电荷的分离，并且可以由理想电压源(V_OC)表示。结合这两个元件，整个等效电路模型可以由理想电压源和电容器的串联连接来表示。

从该等效电路模型中，C_TENG和负载电阻间的阻抗匹配是固有的。摩擦电纳米发电机的固有电容会指出交流电压源V_OC的阻抗。任何会增加该固有电容的结构参数将降低该阻抗，从而降低匹配电阻。提高运动速度相当于增加交流电压源V_OC的频率，因此匹配的电阻也将降低。C_TENG的阻抗与摩擦电荷密度是相互独立的，匹配的负载电阻也不受摩擦电荷密度的影响。

所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，所述步骤2包括：

搭载电阻器的平行板接触式摩擦电纳米发电机，该摩擦电纳米发电机的顶板设置为如下所述的简谐谐振模式移动，结合摩擦电纳米发电机和电阻器的整

个系统的控制方程为：

由于固有的电容特性，摩擦电纳米发电机只能提供不稳定的交流电压/电流输出。电源管理系统中包括二极管桥式整流器，所述二极管桥式整流器一端接滤波电容一端，所述二极管桥式整流器另一端接滤波电容另一端，所述负载电阻一端接滤波电容一端，所述负载电阻另一端接滤波电容另一端。

其输出的周期性电压信号是稳态输出信号，含有直流分量VDC和纹波分量，输出的直流分量取决于负载电阻，VDC几乎与滤波电容无关，当RL较小时，直流分量随着RL的增加而迅速增加。当RL足够大时，直流分量VDC达到饱和，存在最佳负载电阻，此时所传递的能量达到最大。输出的纹波系数由负载电阻和滤波电容的乘积决定，增加其中任何一个可以减小纹波因数，但是大电容将导致更长的过渡状态。

所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，其特征在于，所述步骤3包括：

所述集成摩擦电纳米发电机系统搭载负载调节电路，包括电压源、第一整流器、第一电容、第二电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一电感、第一电阻。