CN104767376B - 纳米发电机的变压变荷电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于纳米发电机的变压变荷电路和方法，所述变压变荷电路包括一个电容阵列，电容阵列由至少两个电容组成，各电容之间的连接方式能够被可控地改变，使得电容阵列连接至纳米发电机的输出端时，电容阵列中的各个电容以串联方式连接；当电容阵列连接至外部负载时，电容阵列中的各个电容以并联方式连接。本发明更适合于输出信号为周期性脉冲信号的纳米发电机，且本发明的变压变荷电路还可包括整流电路。本发明将纳米发电机的高电压和低电荷输出特性转变为低电压和高电荷输出特性，从而为纳米发电机与传统应用电路的结合打下了坚实的基础。

Description

纳米发电机的变压变荷电路及方法

技术领域

本发明涉及能源、发电机技术领域，具体涉及一种纳米发电机的变压变荷电路及方法，本发明可应用于各种纳米发电机的供电电路中，包括压电纳米发电机和摩擦纳米发电机。

背景技术

2006年，美国佐治亚理工学院王中林教授等成功的在纳米尺度范围内将机械能转换为电能，研制出世界上最小的发电机——压电纳米发电机。其基本原理是：当纳米线在外力下动态拉伸或压缩时，纳米线中产生压电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。2012年，王中林教授又提出并开发摩擦纳米发电机。其基本原理是利用摩擦在材料表面产生电荷，并使两者分离，从而产生极高的电势，驱动外电路的电子发生定向移动，产生电能。总的来说，两种纳米发电机能够从环境中收集微弱的机械能并转换为电能。

这两种纳米发电机都具有高电压(100～1000伏)，低电荷(10^-9～10^-7库仑)的输出特性，尤其是摩擦式发电机。如果直接应用于现有传统电路，将极大的受限于电流，从而导致高电压的特性无法得到充分的利用。因此如何将纳米发电机的高输出电压降低，相应的把输出的电荷量增多，或电流增大是推动纳米发电机在现有电子技术中得以广泛应用的瓶颈和挑战。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明将解决现有纳米发电机因为高电压低电荷的输出特性而与传统电路无法有效结合的技术瓶颈，提出一种将高电压变为低电压，同时将电荷量相应增大的变压变荷电路及方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于纳米发电机的变压变荷电路，所述纳米发电机输出脉冲信号，并通过该变压变荷电路向外部负载输出电能，所述变压变荷电路包括一个电容阵列，该电容阵列由至少两个电容组成，各电容之间的连接方式能够被可控地改变，使得：所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端时，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；所述电容阵列连接至所述外部负载时，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接。

根据本发明的一种具体实施方式，所述纳米发电机输出一个周期性脉冲信号，该脉冲信号由交替的输出期间和空闲期间构成；当所述纳米发电机的所述输出信号处于所述输出期间时，所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；当所述纳米发电机的所述输出信号至少处于一个所述空闲期间时，所述电容阵列连接至所述外部负载，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接。

根据本发明的一种具体实施方式，所述纳米发电机的输出信号的输出期间包括正输出期间和负输出期间，正输出期间和负输出期间交替产生。

根据本发明的一种具体实施方式，还包括一个整流电路，该整流电路位于所述电容阵列和纳米发电机之间，用于使所述纳米发电机的输出信号的正输出期间和负输出期间的其中之一反相。

根据本发明的一种具体实施方式，所述整流电路是由两个分别连接于所述纳米发电机的两个输出端的单刀双掷开关构成，或者由四个二极管组成桥式整流电路构成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电容阵列还包括分别连接于所述多个电容的两端的多个单刀双掷开关，并且，当各单刀双掷开关处于第一连接位时，所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接至所述纳米发电极的输出端；当各单刀双掷开关处于第二连接位时，所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接至所述外部负载。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电容阵列还包括分别连接于所述多个电容的两端的多个单刀双掷开关，所述多个单刀双掷开关分为两组，并且当第一组单刀双掷开关闭合且第二组单刀双掷开关断开时，电容阵列中的各电容以串联方式连接并连接到纳米发电机的输出端；当第一组单刀双掷开关断开且第二组单刀双掷开关闭合时，电容阵列中的各电容以并联方式连接并连接到负载的两端。

根据本发明的一种具体实施方式，所述纳米发电机在发电过程中自动触发所述电容阵列进行所述连接方式的切换。

根据本发明的一种具体实施方式，所述纳米发电机为摩擦纳米发电机，其在发电过程中会产生与输出信号同步的运动，所述电容阵列的连接方式的切换由该摩擦纳米发电机的运动自动触发。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电容阵列中的所有电容的电容量相同。

此外，本发明还提出一种纳米发电机的变压变荷方法，所述纳米发电机输出一个周期性脉冲信号，该输出信号由交替的输出期间和空闲期间构成，所述变压变荷方法包括：构造一个电容阵列，该电容阵列由至少两个电容组成；控制所述电容阵列的各电容之间的连接方式，以使得：当所述纳米发电机的所述输出信号处于所述输出期间时，所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；当所述纳米发电机的所述输出信号至少处于一个所述空闲期间时，所述电容阵列连接至所述外部负载，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接。

根据本发明的一种具体实施方式，所述纳米发电机的输出信号的输出期间中正输出期间和负输出期间交替产生。

根据本发明的一种具体实施方式，该方法还包括步骤：使所述纳米发电机的输出信号的正输出期间和负输出期间的其中之一反相。

根据本发明的一种具体实施方式，所述纳米发电机在发电过程中自动触发所述电容阵列进行所述连接方式的切换。

根据本发明的一种具体实施方式，所述纳米发电机为摩擦纳米发电机，其在发电过程中会产生与输出信号同步的运动，所述电容阵列的连接方式的切换由该摩擦纳米发电机的运动自动触发。

(三)有益效果

本发明利用电容的串并联切换，将纳米发电机的高电压和低电荷输出特性，转变为低电压和高电荷的输出特性，从而为纳米发电机与传统应用电路的结合打下了坚实的基础。

附图说明

图1是纳米发电机输出的周期性脉冲信号的示意图；

图2是本发明的第一实施方式的用于纳米发电机的一周期两次输出的变压变荷电路图；

图3显示了用单刀单掷开关代替图2中单刀双掷开关的实施方式；

图4是本发明的第二实施方式的用于纳米发电机的一周期一次输出的利用机械开关的变压变荷电路图；

图5是本发明的第三实施方式的用于纳米发电机的一周期一次输出的基于整流桥的电子开关的变压变荷电路图；

图6A至图6E是本发明的一个实施例的变压器的工作原理示意图；

图7A至图7D是本发明的一个实施例的变压器的工作性能测试结果显示图，其中，图7A是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机在不同外接电阻下的输出电压，图7B是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机在不同外接电阻下的输出电荷量，图7C是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机对一个10μF电容的输出电荷量，图7D是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机将10μF电容充电至5V所花的时间。

具体实施方式

本发明提供了一种利用电容串并联切换实现纳米发电机的变压变荷电路和方法，利用该电路和方法可用来调节纳米发电机的能量输出。本发明所基于的纳米发电机的输出电压/电流信号可以是具有任意波形的信号，包括连续的或不连续的振荡信号。但是，从有效利用电能的角度，本发明更适合于具有零电平期间的周期性信号，即周期性脉冲信号。图1是一种周期性脉冲信号的示意图，如图1所示，该脉冲波形的一个周期包括一个正波形和一个负波形，正波形与负波形之间存在一定的时间间隔。在图1所示的信号中，第一个周期中正波形的起始时间为t₀，该正波形的终止时间为t₁，第一个周期中的负波形的起始时间为t₂，终止时间为t₃。第二个周期的起始时间为t₄。上述各时间点满足t₀<t₁<t₂<t₃<t₄，并且由此可知，该脉冲信号的周期T＝t₄-t₀。为了描述方便，我们在此将纳米发电机向外输出的脉冲信号的正波形阶段称为正输出期间，将脉冲信号的负波形阶段称为负输出期间，将正输出期间与负输出期间统称为输出期间，将正输出期间与负输出期间之间的间隔称为空闲期间。

实际上，纳米发电机的输出信号受到所受机械外力的作用，其输出信号可以为图1所示的断续的交流信号，也可以为连续的交流信号。本发明的变压变荷电路也可以应用在纳米发电机的输出信号为连续输出的情况，例如图1中的t₁＝t₂，t₃＝t₄。下面的实施方式中仅以不连续的方式进行说明，以更加清楚地体现本发明的原理和特点，但这并不意味着对本发明保护范围的限定。对于纳米发电机的上述输出脉冲信号，本发明提出一种变压变荷电路，该变压变荷电路包括一个电容阵列，该电容阵列由多个电容组成，各电容之间的连接方式能够被可控地改变，以至于：当纳米发电机的输出信号处于输出期间时，该电容阵列连接至纳米发电机的输出端，且其中的各个电容以串联方式连接；当纳米发电机的输出信号处于空闲期间时，该电容阵列连接至外部负载，且其中的各个电容以并联方式连接。

所述电容阵列中各电容的连接方式的切换可通过本领域内已知的任意方式来实现，例如通过机械开关或电子开关的通断操作等。

图2显示了本发明的变压变荷电路的第一实施方式的线路连接图。如图2所示，该实施方式的变压变荷电路包括一个电容阵列，该电容阵列由n个电容组成(n为整数且n≥2)。为表述方便，各电容分别称为第一电容、第二电容、……、第n电容，在图中用附图标记C₁、C₂、…、C_n表示。图中的“①”和“②”分别表示各个元件的第一端和第二端。每个电容的的两端均连接有一个单刀双掷开关。每个单刀双掷开关均具有两个连接位，当各单刀双掷开关处于第一连接位时，使得各电容串联后连接至纳米发电机的输出端，当各单刀双掷开关处于第二连接位时，使得各电容并联后连接至外部负载。

下面就一个脉冲周期中情况对该第一实施方式进行具体说明。

当纳米发电机处于正输出期间时，其输出端的第一端输出正电荷，第二端输出负电荷，各单刀双掷开关均处于第一连接位，纳米发电机的第一端与第一电容C₁的第一端连接，第一电容C₁的第二端与第二电容C₂的第一端连接，第二电容C₂的第二端与第三电容C₃的第一端连接，……，依次类推，第n-1电容C_n-1的第二端与第n电容C_n的第一端连接，第n电容C_n的第二端与纳米发电机的输出端的第二端连接，由此构成一个电路回路。

当纳米发电机的正输出期间结束并进入空闲空间，所述各单刀双掷开关切换至第二连接位，由此将第一电容C₁、第二电容C₂、……、第n电容C_n的第一端全部连接至外部负载的第一端，同时将第一电容C₁、第二电容C₂、……、第n电容C_n的第二端全部连接至该外部负载的第二端，从而实现对负载供电。

当纳米发电机处于负输出期间，其输出端的第一端输出负电荷，第二端输出正电荷，各单刀双掷开关均重新切换回第一连接位，纳米发电机的第一端重新与第一电容C₁的第一端连接，第一电容C₁的第二端与第二电容C₂的第一端连接，第二电容C₂的第二端与第三电容C₃的第一端连接，……，依次类推，第n-1电容C_n-1的第二端与第n电容C_n的第一端连接，第n电容C_n的第二端与纳米发电机的第二端连接，重新构成与上述正输出期间时相同的电路回路。

当纳米发电机的负输出期间结束并进入空闲空间，所述各单刀双掷开关再次切换至第二连接位，由此再次将第一电容C₁、第二电容C₂、……、第n电容C_n的第一端全部连接至外部负载的第一端，同时将第一电容C₁、第二电容C₂、……、第n电容C_n的第二端全部连接至外电路的负载的第二端，从而再次实现对外部负载供电。注意，此时电流的方向与第一次供电的电流方向相反。

上述第一实施方式在纳米发电机输出的一个周期内，由于纳米发电机输出信号是交流信号，通过电容阵列对负载进行了两次方向不同的供电，即对外部负载输出的是一个交流信号。如果纳米发电机输出的是只有正波形或只有负波形的直流信号，则其对外部负载输出的也是直流信号。

在该实施方式中，所述的单刀双掷开关通过在两个连接位之间切换，起到了改变电容阵列的连接关系的作用。相同的功能也可以由其它器件实现，如单刀单掷开关等。

图3给出了使用单刀单掷开关的变换实施方式，其中用单刀单掷开关代替单刀双掷开关，可以同样起到连接方式切换的作用。在该实施方式中，包括两组单刀单掷开关，当第一组单刀单掷开关闭合且第二组单刀单掷开关断开时，电容阵列中的各电容以串联方式连接并连接到纳米发电机的输出端；当第一组单刀单掷开关断开且第二组单刀单掷开关闭合时，电容阵列中的各电容以并联方式连接并连接到负载的两端。

上述实施方式中的单刀双掷开关或单刀单掷开关是以机械开关为例进行说明，但本发明不限定此，利用诸如二极管等电子器件，同样可以实现开关的功能。

更进一步的，根据本发明，通过在电容阵列和纳米发电机之间增加一个整流电路，以使纳米发电机的输出信号的正输出期间和负输出期间的其中之一进行反相。也就是说，使发电机的输出端的第一端和第二端在第二个半周期中交换，从而实现对负载的直流输出供电。该整流装置可以是机械开关或电子开关，电子开关例如是二极管等电子器件构成的电路等。图4和图5分别显示了使用机械开关和二极管构成的桥式整流电路作为整流电流的第二和第三实施方式。

第二实施方式的电容阵列的构成与第一实施方式类似，因此不再详述。所不同的是，在第二实施方式中，在电容阵列的第一端和第二端分别连接一个第一单刀双掷机械开关和第二单刀双掷机械开关，这两个单刀双掷开关均具有两个连接位，第一连接位使得所述电容阵列与纳米发电机的输出端的第一端连接，第二连接位使得电容阵列与纳米发电机的输出端的第二端连接。由此，当第一单刀双掷开关处于第一连接位而第二单刀双掷开关处于第二连接位时，纳米发电机的第一端连接至电容阵列的第一端，纳米发电机的第二端连接至电容阵列的第二端；当第一单刀双掷开关处于第二连接位而第二单刀双掷开关处于第一连接位时，纳米发电机的第一端连接至电容阵列的第二端，纳米发电机的第二端连接至电容阵列的第一端。

这样，当纳米发电机处于正输出期间时，使第一单刀双掷开关处于第一连接位而第二单刀双掷开关处于第二连接位，并且，当纳米发电机处于负输出期间时，使第一单刀双掷开关处于第二连接位而第二单刀双掷开关处于第一连接位时，可以使电容阵列的第一端始终接收正电荷，第二端始终接收负电荷。由此，在纳米发电机处于正输出期间和负输出期间都可以对电容阵列中的电容进行相同方向的充电，这样，当电容阵列放电时，其放电电流也是同一方向，从而实现直流供电。

应说明的是，该实施方式中的单刀双掷开关以机械开关为例进行了说明，但本领域技术人员应当理解，也可以采用电子开关来实现单刀双掷开关。

在该第二实施方式中，电容阵列中的电容的切换时间点可以和第一实施方式中相同，即在正输出期间和负输出期间结束后均切换电容阵列中电容的连接方式。这样，在纳米发电机的一个输出周期内，可以实现对负载的两次供电脉冲信号的输出。然而，作为另一种实施方式，也可以仅在正输出期间结束后，或者，仅在负输出期间结束后，电容阵列才进行连接方式的切换，这样，电容阵列中的电容在纳米发电机的一个输出周期内进行了两次充电，而只进行一次放电，对外部负载的供电脉冲信号也只有一次输出。

根据本发明，也可以在累积了任意数量的输出期间(包括正输出期间和负输出期间)之后，电容阵列进行连接方式的切换。也就是说，可以进行任意多次充电后进行一次放电。

图5显示了第三实施方式的电路。第三实施方式与第二实施方式类似，只不过用一个桥式整流电路替换了第二实施方式中的第一、第二单刀双掷开关。该桥式整流电路由四个二极管桥接构成，桥式整流电路的两个输入端连接至纳米发电极的两个输出端，桥式整流电路的两个输出端连接至电容阵列的第一端和第二端。

在本发明的上述实施方式中，纳米发电机的变压变荷电路的应用均对应与纳米发电机的输出信号的输出期间包括正输出期间和负输出期间，在正输出期间和负输出期间还包括一个无电信号输出的空闲时间，参见图1。如前所述，实际上，纳米发电机的输出信号受到所受机械外力的作用，其输出信号可以为图1所示的断续的交流信号，也可以为连续的交流信号。本发明的变压变荷电路也可以应用在纳米发电机的输出信号为连续输出的情况，例如图1中的t₁＝t₂，t₃＝t₄。在纳米发电机的输出无空闲期间的情况下，可以任意时刻改变电容阵列中电容的连接方式，只要使改变后的连接方式持续一段时间。但是需要保证的是：当该电容阵列连接至纳米发电机的输出端时，其中的各个电容以串联方式连接；当该电容阵列连接至外部负载时，其中的各个电容以并联方式连接。这样在电容阵列连接至外部负载时，纳米发电机的输出信号不能被电容阵列储存，会浪费一定的电能，但是，同样可以实现将纳米发电机的高电压和低电荷输出特性，转变为低电压和高电荷的输出特性。

此外，对于连续的输出信号，更适合于采用包括上述第二、第三实施方式中的整流电路的方案，因为这样可以防止在电容阵列充电时，输出信号由于正输出期间和负输出期间的信号相反而相互抵销。

实施例

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体一个实施例，并参照附图6A至图6E，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，本实施例是以纵向接触-分离的摩擦纳米发电机为例，通过4路的单刀双掷机械开关，并利用2个电容构成的电容阵列对负载实现供电，纳米发电机的一个输出周期内对负载输出一个直流的脉冲信号。

该实施例提供了一种基于纵向接触-分离工作模式的摩擦纳米发电机的2倍变压变荷和电源管理的设计方案，该摩擦纳米发电机在发电过程中能够自动触发电容阵列进行所述连接方式的切换。参见附图6A至图6E。

如图6A所示，纳米发电机由上到下包括上电极层1、第一摩擦材料层2、第二摩擦材料层3、下电极层4。变荷变压电路包括四个单刀双掷机械开关组成的阵列5和集成电路板6。单刀双掷开关阵列位于发电机的下电极层，并能够被纳米发电机下电极层的纵向移动而触发。电路板6上集成了附图4中所示的桥式整流电路B和两个电容C₁、C₂，以及所述的四个单刀双掷机械开关组成的阵列5。该两个电容构成所述的电容阵列。上电极层1和第一摩擦材料层2构成第一部件、第二摩擦材料层3和下电极层4构成第二部件，两个部件在外部压力下会相互紧密接触，并在外部压力撤去时相互分离。

其工作原理如下：

如图6A所示，当纳米发电机的第一部件被按压到最底端与第二部件接触后，第一电容C₁和第二电容C₂并联对外放电。

如图6B所示，当发电机的第一部件被释放，第一摩擦材料层2与第二摩擦材料3相对分离，两个电容的连接从并联切换为串联，而发电机驱动电荷发生移动，并通过整流电路B对串联起来的两个电容充电。

如图6C所示，当第一部件的第一摩擦材料层2与第二部件的第二摩擦材料3完全分开后，半个周期结束，此时两个电容仍处于串联状态；

如图6D当外界的压力开始按压该纳米发电机的第一部件使之与靠近第二部件时，第一摩擦材料层2与第二摩擦材料3相对靠近，发电机驱动电荷反向移动，并通过整流电路B对串联的两个电容进一步充电，直到第一摩擦材料2和第二摩擦材料3完全接触。此时发电机无法再驱动电荷移动，充电结束。

如图6E所示，当进一步按压第一部件，则发电机整体发生纵向移动，由此触发发电机下端的两个机械开关，从而使得电容由串联改为并联，并与发电机断开连接，同时与外电路的负载连通，由此实现对外电路负载的直流供电。

经计算可知，开关切换前，发电机对外输出电荷Q₀，电容两端的电压为V₀，由于两个电容C₁、C₂串联，因此每个电容上的电荷为Q₀，两端电压为V₀/2，开关切换后，这两个电容并联，因此对外输出的电压为V₀/2，但对外输出的总电荷量为2Q₀。因此，通过这种方法，可以有效利用纳米发电机的高电压特性，将高电压降低，将输出电荷总量变高，从而提高其充电能力和驱动负载的能力。

从以上实施例可以看出，根据本发明的电路，可以实现纳米发电机输出的电荷与电压的变换，通过本发明，当构成电容阵列的电容的容量相同且电容个数为n时，可以使通过外部负载两端的电荷总量是纳米发电机输出电荷的n倍，而负载两端的电压降为纳米发电机输出电压(平均值)的1/n。电容的电容量的范围可以从几个皮法(pF)至几个微法(μF)，优选为500pF-2000pF。

该实施例中通过摩擦纳米发电机在发电过程中的运动自动触发电容阵列进行了连接方式的变换。但是本发明并不局限于这种触发方式，任何机械、电子、光学等触发方式同样可以为本发明所利用。

图7A至图7D列出了根据上述实施例的摩擦纳米发电机的输出电压和输出电荷与经过本发明的变压变荷电路处理后对外部负载供电时的电压和电荷对比图。其中，图7A是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机在不同外接电阻下的输出电压，图7B是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机在不同外接电阻下的输出电荷量，图7C是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机对一个10μF电容的输出电荷量，图7D是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机将10μF电容充电至5V所花的时间。

在图7A至图7D中，TENG代表原摩擦纳米发电机，T2、T4、T8分别代表电容数量为2、4、8、电容量分别为500pF、1000pF和2000pF的变压变荷系统。测试结果表明，随着电容数量的增加，输出电压也成倍降低，但输出的电荷量成倍增加，与原摩擦纳米发电机的输出电荷量相比，后三者的输出电荷量分别是其2、4和8倍(如图7B和图7C所示)，因此，若将10μF的电容充电至5V，所需的时间也相应的缩短为1/2、1/4、1/8(如图7D所示)。

本发明的变荷变压电路可适用于各种纳米发电机，不局限于摩擦式和压电式，纳米发电机的工作模式也不局限于是纵向接触-分离，也可以是横向滑动或感应式等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于纳米发电机的变压变荷电路，所述纳米发电机输出脉冲信号，并通过该变压变荷电路向外部负载输出电能，其特征在于，

所述变压变荷电路包括一个电容阵列，该电容阵列由至少两个电容组成，各电容之间的连接方式能够被可控地改变，使得：

所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端时，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；

所述电容阵列连接至所述外部负载时，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接；

所述纳米发电机输出一个周期性脉冲信号，该脉冲信号由交替的输出期间和空闲期间构成，其中，输出期间包括正输出期间与负输出期间，正输出期间与负输出期间之间的间隔为空闲期间；

当所述纳米发电机的所述输出信号处于所述输出期间时，所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；

当所述纳米发电机的所述输出信号至少处于一个所述空闲期间时，所述电容阵列连接至所述外部负载，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接。

2.如权利要求1所述的用于纳米发电机的变压变荷电路，其特征在于，

所述纳米发电机的输出信号的输出期间包括正输出期间和负输出期间，正输出期间和负输出期间交替产生。

3.如权利要求2所述的纳米发电机的变压变荷电路，其特征在于，还包括一个整流电路，该整流电路位于所述电容阵列和纳米发电机之间，用于使所述纳米发电机的输出信号的正输出期间和负输出期间的其中之一反相。

4.如权利要求3所述的纳米发电机的变压变荷电路，其特征在于，所述整流电路是由两个分别连接于所述纳米发电机的两个输出端的单刀双掷开关构成，或者由四个二极管组成桥式整流电路构成。

5.如权利要求1至4中任一项所述的纳米发电机的变压变荷电路，其特征在于，所述电容阵列还包括分别连接于所述各个电容的两端的多个单刀双掷开关，并且，

当各单刀双掷开关处于第一连接位时，所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接至所述纳米发电机的输出端；

当各单刀双掷开关处于第二连接位时，所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接至所述外部负载。

6.如权利要求1至4中任一项所述的纳米发电机的变压变荷电路，其特征在于，所述电容阵列还包括分别连接于所述各个电容的两端的多个单刀单掷开关，所述多个单刀单掷开关分为两组，并且

当第一组单刀单掷开关闭合且第二组单刀单掷开关断开时，电容阵列中的各电容以串联方式连接并连接到纳米发电机的输出端；

当第一组单刀单掷开关断开且第二组单刀单掷开关闭合时，电容阵列中的各电容以并联方式连接并连接到负载的两端。

7.如权利要求1至4中任一项所述的纳米发电机的变压变荷电路，其特征在于，所述纳米发电机在发电过程中自动触发所述电容阵列进行所述连接方式的切换。

8.如权利要求7所述的纳米发电机的变压变荷电路，其特征在于，所述纳米发电机为摩擦纳米发电机，其在发电过程中会产生与输出信号同步的运动，所述电容阵列的连接方式的切换由该摩擦纳米发电机的运动自动触发。

9.如权利要求1-4任一项所述的纳米发电机的变压变荷电路，其特征在于，所述电容阵列中的所有电容的电容量相同。

10.一种用于纳米发电机的变压变荷方法，所述纳米发电机输出一个脉冲信号，其特征在于，所述变压变荷方法包括：

构造一个电容阵列，该电容阵列由至少两个电容组成；

控制所述电容阵列的各电容之间的串并联连接方式，以使得：

所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；

所述电容阵列连接至外部负载，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接；

所述纳米发电机输出一个周期性脉冲信号，该输出信号由交替的输出期间和空闲期间构成，其中，输出期间包括正输出期间与负输出期间，正输出期间与负输出期间之间的间隔为空闲期间，控制所述电容阵列的各电容之间的连接方式，以使得：

当所述纳米发电机的所述输出信号处于所述输出期间时，所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；

当所述纳米发电机的所述输出信号至少处于一个所述空闲期间时，所述电容阵列连接至所述外部负载，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接。

11.如权利要求10所述的用于纳米发电机的变压变荷方法，其特征在于，

所述纳米发电机的输出信号的输出期间中正输出期间和负输出期间交替产生。

12.如权利要求11所述的纳米发电机的变压变荷方法，其特征在于，还包括步骤：

使所述纳米发电机的输出信号的正输出期间和负输出期间的其中之一反相。

13.如权利要求10-11任一项所述的纳米发电机的变压变荷方法，其特征在于，

所述纳米发电机在发电过程中自动触发所述电容阵列进行所述连接方式的切换。

14.如权利要求10-11任一项所述的纳米发电机的变压变荷方法，其特征在于，所述纳米发电机为摩擦纳米发电机，其在发电过程中会产生与输出信号同步的运动，所述电容阵列的连接方式的切换由该摩擦纳米发电机的运动自动触发。