CN104811085A - 基于摩擦发电机的能量收集转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摩擦发电机的能量收集转换装置，包括：印刷电路板、至少一个摩擦发电机、交直流转换模块、触发模块以及储能模块；交直流转换模块、触发模块以及储能模块都固定设置于印刷电路板上；所述交直流转换模块用于将至少一个摩擦发电机产生的交流电能转换为直流电能；触发模块用于控制所述直流电能的输出；储能模块在所述触发模块的控制下与所述交直流转换模块的输出端连接或与负载连接。本装置提供一种将储能器件与能量转换装置一体集成于PCB板上的能量收集转换装置，且能够为耗电量大的器件供能。

Description

基于摩擦发电机的能量收集转换装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种基于摩擦发电机的能量收集转换装置。

背景技术

摩擦起电效应被人类发现至今已有几百年的历史，但是，由于现有摩擦发电机的输出普遍具有高电压、低电流和低电荷量的特点，并且摩擦发电机的能量输出往往是一个可变频率的短脉冲，故很难实现为耗电量大的电子器件，如MCU等持续供电。因此，它需要通过能量转换才能实现对耗电量大的电子器件的驱动。

目前，能量转换电路中一般采用的储能器件为静电电容器、超级电容器、锂离子电池、铅酸电池等。通常，会将电容器作为一级储能单元，锂离子电池等作为二级储能单元，且采用外部集成的方式相结合，即将独立的电容器与储能电路进行连接。

因此，现有技术中缺少一种能够针对摩擦发电机上述能量输出特点进行储能从而为MCU等耗电器件持续供电的能量转换装置，也缺少一种能够将储能器件与上述能量转换装置一体集成于PCB板上的能量转换装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出一种针对摩擦发电机能量输出特点进行储能从而为耗电器件持续供电，且能够将储能器件与上述能量转换装置一体集成于PCB板上的能量收集转换装置。

本发明提供了一种基于摩擦发电机的能量收集转换装置，包括：印刷电路板、至少一个摩擦发电机、交直流转换模块、触发模块以及储能模块；其中，所述交直流转换模块、触发模块以及储能模块都固定设置于所述印刷电路板上；

所述交直流转换模块的输入端与所述至少一个摩擦发电机的输出端相连，用于将所述至少一个摩擦发电机产生的交流电能转换为直流电能；所述触发模块与所述交直流转换模块的输出端相连，控制所述直流电能的输出；

所述储能模块包括至少两个储能元件，所述储能元件的输入/输出端与所述触发模块相连，所述储能模块在所述触发模块的控制下与所述交直流转换模块的输出端连接或与负载连接；

所述触发模块具备两个工作状态，在第一工作状态下：所述触发模块将所述至少两个储能元件之间的连接方式切换为串联，切断所述储能元件与所述负载的连接，并将所述储能元件的输入/输出端与所述交直流转换模块的输出端连接，接收所述直流电能并存储；

在第二工作状态下：所述触发模块将所述至少两个储能元件之间的连接方式切换为并联，切断所述储能元件与所述交直流转换模块的连接，并将所述储能元件的输入/输出端与所述负载相连，输出电能给所述负载供电。

所述触发模块的两个工作状态可自由切换，相应所述能量收集转换装置进行串联存储电能、并联输出电能。

可选的，所述触发模块的两个工作状态通过手动控制切换。

可选的，所述交直流转换模块包括：整流电路模块；所述整流电路模块的输入端与所述至少一个摩擦发电机的输出端相连，用于将所述至少一个摩擦发电机输出的交流脉冲电信号进行整流处理，得到单向脉动的直流电信号。

可选的，所述交直流转换模块还包括：滤波电路模块和稳压电路模块；

所述滤波电路模块的输入端与所述整流电路模块的输出端相连，用于将所述整流电路模块输出的单向脉动的直流电信号进行滤波处理；

所述稳压电路模块的输入端与所述滤波电路模块的输出端相连，用于将所述滤波电路模块输出的滤除干扰杂波后的单向脉动的直流电信号进行稳压处理，得到恒定的直流电信号。

可选的，在所述储能元件与所述负载之间连接有直流/直流转换模块，用于将所述储能元件输出的直流电压转换为与负载的工作电压匹配的直流电压。

可选的，所述至少一个摩擦发电机通过层叠或平铺的方式设置在所述印刷电路板上。

可选的，所述至少一个摩擦发电机为风力摩擦发电机。

可选的，所述储能元件为静电电容器或超级电容器。

可选的，所述储能元件包括至少两个串联连接的静电电容器或至少两个串联连接的超级电容器。

可选的，所述超级电容器为薄膜石墨烯超级电容器，所述薄膜石墨烯超级电容器一体设置在所述印刷电路板上；

可选的，所述触发模块包括自锁按键开关，所述自锁按键开关包括若干个子开关，所述子开关包括一个常开触点与一个常闭触点，所述子开关的数量为所述储能元件的二倍；所述若干个子开关全部接通常开触点时，所述至少两个储能元件串联连接，且串联连接后的所述至少两个储能元件与所述交直流转换模块的输出端连通，所述至少两个储能元件与负载的连接被断开；

所述若干个开关全部接通常闭触点时，所述至少两个储能元件并联连接，且并联连接后的所述至少两个储能元件与所述交直流转换模块的输出端的连接被断开，所述至少两个储能元件与所述负载连通。

本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置将机械能转换为电能输出为负载供电，实现了无源化。在该能量收集转换装置中，由于采用触发模块控制储能模块与交直流转换模块的输出端连接为储能模块进行充电，且又由于采用触发模块控制储能模块与负载连接使储能模块放电，这不仅提高了充放电的效率，也使得本装置实现了为如MCU等耗电量大的器件供能的目的。而且，能量收集转换装置的各个组成部件都设置于PCB板上，该装置是一种将储能器件与能量转换装置一体集成于PCB板上的能量收集转换装置。

附图说明

图1示出了本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置实施例一的功能结构框图；

图2a示出了本发明一个实施例提供的制作在印刷电路板上的薄膜石墨烯超级电容器的结构示意图；

图2b示出了本发明一个优选实施例提供的制作在印刷电路板上的薄膜石墨烯超级电容器的结构示意图；

图3示出了本发明另一个实施例提供的制作在印刷电路板上的薄膜石墨烯超级电容器的结构示意图；

图4a示出了本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置实施例二的电路连接示意图；

图4b示出了图4a所示电路的等效电路示意图；

图5示出了本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置实施例三的等效电路示意图；

图6a示出了本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置实施例四的电路连接示意图；

图6b示出了图6a所示电路的等效电路示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。

图1示出了本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置实施例一的功能结构框图。如图1所示，该能量收集转换装置包括：印刷电路板(图中未示出)(以下简称PCB板)、至少一个摩擦发电机10、交直流转换模块11、触发模块12以及储能模块13。交直流转换模块11、触发模块12以及储能模块13都固定设置于PCB板上。

至少一个摩擦发电机10在外力的作用下，发生机械形变，从而产生电能。可选地，摩擦发电机10可以选用现有技术中已经公开的任意形式的摩擦发电机，本领域技术人员可以根据需要选用，此处不做限定，优选拱形结构的摩擦发电机；在本发明中亦可选择现有技术已经公开的任意形式的风力摩擦发电机，优选具有自由摩擦层的高频风力摩擦发电机。本发明中，摩擦发电机的数量不仅可以为一个，也可以为多个，当为多个摩擦发电机时，多个摩擦发电机可以通过层叠和/或平铺的方式设置在PCB板上，例如：当PCB板的区域足够大时，多个摩擦发电机可以通过平铺的方式进行设置；当PCB板的区域比较小时，多个摩擦发电机可以通过层叠的方式进行设置，此种设置方式的优点是器件集成化，节省空间。在本发明的另外一种实现方式中，摩擦发电机亦可设置在PCB板之外，例如：摩擦发电机设置在衣服上，其输出端通过导线与交直流转换模块连接，此时PCB板及其上设置的各器件与摩擦发电机分体设置，其可置于衣服口袋内等，此种设置方式的优点是使用方便，灵活度高，同时可设置更多的摩擦发电机和更大型的摩擦发电机，摆脱PCB板面积的限制。在本发明的各实现方式中，摩擦发电机的数量和具体的设置方式，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。另外，多个摩擦发电机之间可以采用串联和/或并联的方式进行连接，其具体的连接方式，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。

交直流转换模块11的输入端与至少一个摩擦发电机10的输出端相连，用于将至少一个摩擦发电机10产生的交流电能转换为直流电能。具体地，交直流转换模块11固定设置于PCB板上，其输入端可以通过PCB板上的印制导线与至少一个摩擦发电机10的输出端相连，但并不限于此，本领域技术人员可以根据需要选择其它的连接方式进行连接。可选地，交直流转换模块进一步包括：整流电路模块、滤波电路模块和稳压电路模块。其中，整流电路模块的输入端与至少一个摩擦发电机的输出端相连，用于将摩擦发电机输出的交流脉冲电信号进行整流处理，得到单向脉动的直流电信号；滤波电路模块的输入端与整流电路模块的输出端相连，用于将整流电路模块输出的单向脉动的直流电信号进行滤波处理；稳压电路模块的输入端与滤波电路模块的输出端相连，用于将滤波电路输出的滤除干扰杂波后的单向脉动的直流电信号进行稳压处理，得到恒定的直流电信号。对于交直流转换模块中的整流电路模块、滤波电路模块和稳压电路模块，本领域技术人员可以仅采用整流电路模块，而不采用滤波电路模块和稳压电路模块，且也可以在交直流转换模块中增加其它的电路，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。

储能模块13包括至少两个储能元件(图中未示)，储能元件的输入/输出端与触发模块12相连。具体的，储能模块13的各储能元件固定设置于PCB板上，其输入端可以通过PCB板上的印制导线与触发模块相连，但并不限于此，本领域技术人员可以根据需要选择其它的连接方式进行连接，储能模块13在触发模块12的控制下与交直流转换模块的输出端连接或与负载连接，进行充电和放电。储能元件可以选用电容器，如静电电容器、超级电容器等储能元件，本领域技术人员可以根据设计需要进行选择，此处不做限定。而且，储能元件还可以由多个串联和/或并联的电容器组成，从而提高单个储能元件输出的电能，本领域技术人员可以根据设计需要进行选择，此处不做限定。

触发模块12固定设置于PCB板上，通过PCB板上的印制导线与交直流转换模块11的输出端相连，从而控制交直流转换模块11输出直流电能给储能模块13充电以及控制储能模块13输出电能给负载供电。

应当注意的是，针对摩擦发电机输出电能高电压低电流的特性，为了给储能模块持续充电后，为耗电量较大的器件(如：MCU等)实现持续供电，而触发模块12应具有两个工作状态，第一工作状态为串联充电，第二工作状态为并联放电，所谓串联充电是将储能模块的各储能元件串联连接，并切断储能元件与负载的连接，将交直流转换模块的输出端与串联连接的储能元件连接，输出直流电能给储能元件充电；所谓并联放电是将储能模块的各储能元件并联连接，并切断储能元件与交直流转换模块的连接，将并联连接的储能元件的输出端与负载连接，使储能模块输出电能给负载供电。通过触发模块两个工作状态的相互切换，实现基于摩擦发电机的能量收集转换装置的串联串联充电及并联放电的工作过程，其中串联充电即储能元件串联存储电能，并联放电即储能元件并联输出电能。

本实施中，触发模块12的两个工作状态可以通过手动控制切换，亦可通过设置机械自动切换结构实现自动切换。手动控制切换时，触发模块可选带有自锁功能的按键开关，通过人为的控制按压开关实现本发明技术方案的串联存储电能与并联输出电能，自锁按键开关包括若干个子开关，每个子开关包括一个常开触点与一个常闭触点，子开关的数量为储能元件的二倍；当若干个子开关全部接通常开触点时，至少两个储能元件串联连接，且串联连接后的至少两个储能元件与交直流转换模块的输出端连通，至少两个储能元件与负载的连接被断开；当若干个子开关全部接通常闭触点时，至少两个储能元件并联连接，且并联连接后的至少两个储能元件与交直流转换模块的输出端的连接被断开，至少两个储能元件与所述负载连通。自动控制切换时，本领域技术人员可以选用适当机械机构，结合上述自锁按键开关使用，如通过齿轮与杠杆机构的结合，设置为当摩擦发电机每被触发5次并输出电能后按压自锁按键开关一次，以切换其工作状态实现自动控制切换，其中，本领域技术人员可以根据需要设置不同的机械结构与触发模式，此处不做限定。

可选地，为了使储能模块输出的电压与负载的工作的电压相匹配，在储能元件与负载之间连接直流/直流转换模块(CD/CD转换模块)，用于将储能元件输出的直流电压转换为与负载的工作电压相匹配的直流电压，当然，如果储能元件输出的电压与负载的工作电压相匹配，也可以直接将储能元件输出的电压供给给负载使用，此处不做限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择。

本实施例中，储能元件可以具体为薄膜石墨烯超级电容器，可以将薄膜石墨烯超级电容器直接制备在PCB板上，其输入/输出端通过PCB板上的印制导线与触发模块相连，从而与PCB板形成一体式结构。

下面首先介绍一下在PCB板上制作薄膜石墨烯超级电容器的方法。

步骤一：设计电路，在PCB板上预留制备薄膜石墨烯超级电容器的区域，制作PCB板。

步骤二：在集流体衬底(即PCB板上的焊盘充当集流体衬底)形成的待滴涂区域内滴涂氧化石墨溶液，待干燥成型后，采用激光雕刻的方法使氧化石墨还原成石墨烯。

在滴涂氧化石墨溶液时，可先在集流体衬底处设置厚度为0.1mm-1mm的PET或PMMA亚克力板模型，将氧化石墨溶液滴在模型成膜区，干燥后揭去模型，在进行激光雕刻还原成石墨烯电极。石墨烯电极的形状可以为平行条状或者叉指状等。

步骤三：刷涂导电银漆作为引出电极，然后将雕刻好电极的PCB板置于手套箱中，注入半固态电解液(纳米二氧化硅和1-丁基3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(BMIMNTF2)的混合物)，1g离子液体：0.03g氧化硅(质量比)，氧化硅的用量根据电解质的粘稠度来调，把半固态电解质装在小瓶里，倒立过来，短时间内没有明显的向下流的迹象就行了，然后采用PDMS等进行封装。

应当注意的是，采用激光雕刻法得到的石墨烯电极，其表面的还原效果更好，因此采用导电银漆将还原性最好的石墨烯电极的表面与集流体衬底相连。

步骤四：待电解液充分浸渍电极后，测试薄膜石墨烯超级电容器的电化学性能。

依照上述方法制备而成的薄膜石墨烯超级电容器包括：制作在PCB板上的两个焊盘，分别作为薄膜石墨烯超级电容器的第一集流体衬底和第二集流体衬底；通过激光雕刻还原处理位于第一集流体衬底和第二集流体衬底形成的待滴涂区域内的氧化石墨薄膜制成的图形化的第一石墨烯电极和第二石墨烯电极，其中，氧化石墨薄膜由氧化石墨溶液干燥成型后形成，第一石墨烯电极和第二石墨烯电极为薄膜石墨烯超级电容器的输出端；以及封装结构，封装结构将第一石墨烯电极和第二石墨烯电极封装为薄膜石墨烯超级电容器。

图2a示出了本发明一个实施例提供的制作在印刷电路板上的薄膜石墨烯超级电容器的结构示意图，如图2a所示，薄膜石墨烯超级电容器包括：平行条状的第一石墨烯电极21A和第二石墨烯电极22A，分别位于第一集流体衬底23A和第二集流体衬底24A上；则该实施例中，待滴涂区域为第一集流体衬底23A和第二集流体衬底24A滴涂有氧化石墨溶液的表面；其中，第一集流体衬底23A和第二集流体衬底24A为制作在PCB板上的具有预设尺寸的焊盘；第一集流体衬底23A和第二集流体衬底23B之间留有间距27A，该间距27A通常为0.4mm-1mm，不宜过大或过小，若间距27A小于0.4mm，容易引起第一石墨烯电极21A和第二石墨烯电极22A之间的短路，若间距27A过大，则不利于离子在电极之间的迁移，这会增大薄膜石墨烯超级电容器的充放电时间。可选地，薄膜石墨烯超级电容器还包括：位于第一石墨烯电极21A引出侧的第一导电银漆25A和位于第二石墨烯电极22A引出侧的第二导电银漆26A；第一导电银漆25A与第一石墨烯电极21A和第一集流体衬底23A接触，第二导电银漆26A与第二石墨烯电极22A和第二集流体衬底24A接触。其中，第一石墨烯电极21A引出侧和第二石墨烯电极22A引出侧是指直接接受激光雕刻的一侧。

第一导电银漆25A和第二导电银漆26A主要用于提高电荷收集特性及保证石墨烯与集流体衬底之间良好的电气接触。由于石墨烯本身具有高电导性，可根据情况，选择省略导电银漆。

图2b示出了本发明一个优选实施例提供的制作在印刷电路板上的薄膜石墨烯超级电容器的结构示意图，如图2b所示，第一石墨烯电极21B和第二石墨烯电极22B的尺寸相同，都为4mm×4mm，第一集流体衬底23B和第二集流体衬底24B的尺寸为4mm×6mm，第一集流体衬底23B和第二集流体衬底24B之间的间距为0.4mm，由此可知，形成的薄膜石墨烯超级电容器尺寸为4mm×8.4mm。可选地，在第一集流体衬底23B和第二集流体衬底24B上分别制作有第一导电银漆25B和第二导电银漆26B，第一导电银漆25B将第一石墨烯电极21B与第一集流体衬底23B上未制作石墨烯电极的区域连接，进一步提高了电荷收集能力。

在该优选实施例中，薄膜石墨烯超级电容器的电容大小为8mF，采用的氧化石墨溶液的浓度为5mg/ml。应该理解的是，石墨烯电极及集流体衬底的大小与采用的氧化石墨溶液的浓度有关，这是因为，当氧化石墨溶液浓度变化时，制得的石墨烯的致密程度，比表面积不同。可根据实际情况调整集流体衬底和石墨烯电极的大小。

图2a、2b中未示出薄膜石墨烯超级电容器的封装结构，以及填充的电解液等。具体地，可参考现有技术中的封装方式，例如，采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)进行封装。可选地，在氧化石墨溶液滴涂之前设置的PET模具或PMMA模具保留或部分保留，作为部分封装结构。

本实施例中的电解液可以选用1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐和纳米二氧化硅、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐和纳米二氧化硅、1-丁基-2，3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐和纳米二氧化硅。优选地，本实施例选用电解液为1-丁基3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体和纳米二氧化硅的半固态混合物，其中，1-丁基3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体和纳米二氧化硅的质量比为100:3。

图3示出了本发明另一个实施例提供的制作在印刷电路板上的薄膜石墨烯超级电容器的结构示意图，如图3所示，薄膜石墨烯超级电容器包括：叉指状的第一石墨烯电极31和第二石墨烯电极32，第一石墨烯电极31和第二石墨烯电极32位于第一集流体衬底33和第二集流体衬底34之间的PCB板上，即在该实施例中，所述待滴涂区域为第一集流体衬底33和第二集流体衬底34之间的PCB板；第一集流体衬底33和第二集流体衬底34为制作在PCB板上的具有预设相对位置的两个焊盘；相对位置根据所需薄膜石墨烯超级电容器的尺寸确定。

在本实施例的一种情况中，第一石墨烯电极31、第二石墨烯电极32分别与第一集流体衬底33、第二集流体衬底34接触，这时，可选地，薄膜石墨烯超级电容器还包括：位于第一石墨烯电极31引出侧的第一导电银漆35和位于第二石墨烯电极32引出侧的第二导电银漆36；第一导电银漆35与第一石墨烯电极31和第一集流体衬底33接触，第二导电银漆36与第二石墨烯电极32和第二集流体衬底34接触。

引出侧是指对应于氧化石墨薄膜直接受到激光雕刻还原处理的一侧，即图3中可见的第一、第二石墨烯电极的上表面。

在本发明实施例的另一种情况中，第一石墨烯电极31和第二石墨烯电极32不与第一集流体衬底33、第二集流体衬底34接触，则薄膜石墨烯超级电容器必须包括上述的第一导电银漆35和第二导电银漆36，以收集电荷并建立石墨烯电极与集流体衬底之间的电气连接。

当然，本实例中的第一石墨烯电极31和第二石墨烯电极32也可以分别与第一集流体衬底33和第二集流体衬底34接触，此时，第一导电银漆35和第二导电银漆36为可选部分。

封装结构及电解液选择与上一实施例相同，此处不再赘述。

与上一实施例相比，叉指状的第一石墨烯电极和第二石墨烯电极能够增大薄膜石墨烯超级电容器的电化学表面积，提高存储容量和功率密度。

本发明提供的上述薄膜石墨烯超级电容器具有优良的充放电特性。

下面以图3所示的薄膜石墨烯超级电容器作为储能元件为例来进一步说明本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置的具体电路结构。

图4a示出了本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置实施例二的电路连接示意图，图4b示出了图4a所示电路的等效电路示意图。在该实施例中，交直流转换模块具体为整流桥41(作为整流电路模块)，触发模块具体为12管脚的自锁按键开关42，储能模块包括两个薄膜石墨烯超级电容器43和44。在图4b中，虚线框内示出的为自锁按键开关42内部的多个子开关，其中每个子开关占用自锁按键开关的3个管脚，其中两个管脚分别作为常开触点与常闭触点，这样对应于储能模块包括的两个薄膜石墨烯超级电容器，自锁按键开关具备4个子开关。

如图4a所示，自锁按键开关42通过其12个管脚固定设置于PCB板45上，整流桥41固定设置于PCB板45上，两个薄膜石墨烯超级电容器43、44通过上述方法形成在PCB板45上。摩擦发电机40通过层叠和/或平铺的方式设置在PCB板上(为了更清楚的显示连接关系，图中未按照实际情况示出摩擦发电机的设置位置)。本实施例中，摩擦发电机的数量不仅可以为一个，也可以为多个。

整流桥41的输入端与摩擦发电机40的输出端相连，用于将摩擦发电机40产生的交流电能转换为直流电能。自锁按键开关42的2个管脚通过PCB板45上的印制导线与整流桥41的输出端相连，用于控制整流桥41输出直流电能给两个薄膜石墨烯超级电容器43、44充电以及控制两个薄膜石墨烯超级电容器43、44输出电能给负载46供电。两个薄膜石墨烯超级电容器43、44的输入/输出端通过PCB板45上的印制导线与自锁按键开关42的4个管脚相连。另外，自锁按键开关42的其余6个管脚通过PCB板45上的印制导线按照图4b所示的连接方式进行连接或连接到对应的焊盘47a和47b上，用以连接负载46。

本实施例中，当自锁按键开关42被按压时，自锁按键开关42中4个子开关接通常开触点，使得两个薄膜石墨烯超级电容器43、44串联连接，且串联连接后的两个薄膜石墨烯超级电容器43、44与整流桥41的输出端连通，两个薄膜石墨烯超级电容器43、44与负载46的连接被断开。在这种状态下，摩擦发电机40按压时受到外力的作用发生机械形变，产生电能，输出给整流桥41，整流桥41经整流处理后将输出的直流电能持续提供给两个薄膜石墨烯超级电容器43、44进行充电。

当自锁按键开关42被再次按压使得开关被弹起时，自锁按键开关42中的4个子开关接通常闭触点，使得两个薄膜石墨烯超级电容器43、44并联连接，且并联连接后的两个薄膜石墨烯超级电容器43、44与整流桥41的输出端的连接被断开，两个薄膜石墨烯超级电容器43、44与负载46连通。在这种状态下，两个薄膜石墨烯超级电容器43、44并联在一起输出电能为负载供电。

一般情况下，如负载为选用工作电压为1.8-3.6V的MSP430系列单片机，储能元件选用额定电压为1.8V的薄膜石墨烯超级电容器，使用一个10cm×10cm面积的摩擦发电机供电，其输出脉冲电压一般为数十至上百伏，但是其输出的电能的能量密度极低，明显不能够直接供单片机使用。利用上述能量收集转换装置即可实现单片机的正常工作，其原理为：首先，通过自锁按键开关给薄膜石墨烯超级电容器串联充电，如薄膜石墨烯超级电容器的数量为两个，通过多次按压摩擦发电机将两个薄膜石墨烯超级电容器充满电；然后通过自锁按键开关使薄膜石墨烯超级电容器并联为MSP430系列单片机供电，此时薄膜石墨烯超级电容器的供电电压为1.8V，其供电能量相当于设置单个薄膜石墨烯超级电容器的两倍，通过设置薄膜石墨烯超级电容器的数量可以使供电能量按倍数累计增加；如每个储能元件包括两个串联的薄膜石墨烯超级电容器，可实现供电电压3.6伏，本领域技术人员可以根据需要进行设置。

在上述实施例中，当在基于摩擦发电机的能量收集转换装置切换到并联为负载供电时，由于单个薄膜石墨烯超级电容器的电压较低，这就限制了所述能量收集转换装置的负载供电的应用范围，因此，为了解决这一问题，如图5所示，示出了本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置实施例三的等效电路示意图，将多个薄膜石墨烯超级电容器串联为一组作为一个储能元件后，再连接到电路中，从而提高并联输出的电压。当然，如果采用的电容器的输出电压较高，仅采用如图4a所示的电路即可，此处不做限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择。

图6a示出了本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置实施例四的电路连接示意图，图6b示出了图6a所示电路的等效电路示意图。在该实施例中，交直流转换模块具体为整流桥61(作为整流电路模块)，触发模块具体为48管脚的自锁按键开关62，即包括16个子开关，储能模块包括8个储能元件，8个即薄膜石墨烯超级电容器。在图6b中，虚线框内示出的为自锁按键开关62内部的16个子开关。

如图6a所示，自锁按键开关62通过其24个管脚固定设置于PCB板63上，整流桥61固定设置于PCB板63上，8个薄膜石墨烯超级电容器通过上面所述方法形成在PCB板63上。摩擦发电机60通过层叠和/或平铺的方式设置在PCB板63上(为了更清楚的显示连接关系，图中未按照实际情况示出摩擦发电机的设置位置)。本实施例中，摩擦发电机的数量不仅可以为一个，也可以为多个。

整流桥61的输入端与摩擦发电机60的输出端相连，用于将摩擦发电机60产生的交流电能转换为直流电能。自锁按键开关62的2个管脚通过PCB板63上的印制导线与整流桥61的输出端相连，用于控制整流桥61输出直流电能给8个薄膜石墨烯超级电容器充电以及控制8个薄膜石墨烯超级电容器输出电能给负载64供电。8个薄膜石墨烯超级电容器的输入/输出端通过PCB板63上的印制导线与自锁按键开关42的16个管脚相连。另外，自锁按键开关62的其余30个管脚通过PCB板63上的印制导线按照图6b所示的连接方式进行连接或连接到对应的焊盘65a和65b上，用以连接负载64。

本实施例中自锁按键开关控制薄膜石墨烯超级电容器的充放电的工作原理与图4a和图4b所示的实施例相同，在此不再赘述。

由上述几个实施例的描述可知，本发明基于摩擦发电机的能量收集转换装置中储能元件的个数可根据需要灵活设置，自锁按键开关的管脚数量和型号也可根据需要灵活设置，本发明对此不做限制。

本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置将机械能转换为电能输出为负载供电，实现了无源化。在该能量收集转换装置中，由于采用触发模块控制储能模块与交直流转换模块的输出端连接为储能模块进行充电，且又由于采用触发模块控制储能模块与负载连接使储能模块放电，这不仅提高了充放电的效率，也使得本装置实现了为如MCU等耗电量大的器件供能的目的。而且，能量收集转换装置的各个组成部件都设置于PCB板上，该装置是一种将储能器件与能量转换装置一体集成于PCB板上的能量收集转换装置。进一步的，本发明提供的基于摩擦发电机的能量收集转换装置直接将薄膜石墨烯超级电容器制作于PCB板上，减少了PCB板焊接电子元件工序，缩小了PCB板所占用的空间。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，包括：印刷电路板、至少一个摩擦发电机、交直流转换模块、触发模块以及储能模块；其中，所述交直流转换模块、触发模块以及储能模块都固定设置于所述印刷电路板上；

所述交直流转换模块的输入端与所述至少一个摩擦发电机的输出端相连，用于将所述至少一个摩擦发电机产生的交流电能转换为直流电能；所述触发模块与所述交直流转换模块的输出端相连，控制所述直流电能的输出；

所述储能模块包括至少两个储能元件，所述储能元件的输入/输出端与所述触发模块相连，所述储能模块在所述触发模块的控制下与所述交直流转换模块的输出端连接或与负载连接；

所述触发模块具备两个工作状态，在第一工作状态下：所述触发模块将所述至少两个储能元件之间的连接方式切换为串联，切断所述储能元件与所述负载的连接，并将所述储能元件的输入/输出端与所述交直流转换模块的输出端连接，接收所述直流电能并存储；

在第二工作状态下：所述触发模块将所述至少两个储能元件之间的连接方式切换为并联，切断所述储能元件与所述交直流转换模块的连接，并将所述储能元件的输入/输出端与所述负载相连，输出电能给所述负载供电；

所述触发模块的两个工作状态可自由切换，相应所述能量收集转换装置进行串联存储电能、并联输出电能。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述触发模块的两个工作状态通过手动控制切换。

3.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述交直流转换模块包括：整流电路模块；所述整流电路模块的输入端与所述至少一个摩擦发电机的输出端相连，用于将所述至少一个摩擦发电机输出的交流脉冲电信号进行整流处理，得到单向脉动的直流电信号。

4.根据权利要求3所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述交直流转换模块还包括：滤波电路模块和稳压电路模块；

所述滤波电路模块的输入端与所述整流电路模块的输出端相连，用于将所述整流电路模块输出的单向脉动的直流电信号进行滤波处理；

所述稳压电路模块的输入端与所述滤波电路模块的输出端相连，用于将所述滤波电路模块输出的滤除干扰杂波后的单向脉动的直流电信号进行稳压处理，得到恒定的直流电信号。

5.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，在所述储能元件与所述负载之间连接有直流/直流转换模块，用于将所述储能元件输出的直流电压转换为与负载的工作电压匹配的直流电压。

6.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述至少一个摩擦发电机通过层叠或平铺的方式设置在所述印刷电路板上。

7.根据权利要求6所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述至少一个摩擦发电机为风力摩擦发电机。

8.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述储能元件为静电电容器或超级电容器。

9.根据权利要求8所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述储能元件包括至少两个串联连接的静电电容器或至少两个串联连接的超级电容器。

10.根据权利要求9所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述超级电容器为薄膜石墨烯超级电容器，所述薄膜石墨烯超级电容器一体设置在所述印刷电路板上。

11.根据权利要求1-10任一项所述的基于摩擦发电机的能量收集转换装置，其特征在于，所述触发模块包括自锁按键开关，所述自锁按键开关包括若干个子开关，所述子开关包括一个常开触点与一个常闭触点，所述子开关的数量为所述储能元件的二倍；所述若干个子开关全部接通常开触点时，所述至少两个储能元件串联连接，且串联连接后的所述至少两个储能元件与所述交直流转换模块的输出端连通，所述至少两个储能元件与负载的连接被断开；

所述若干个子开关全部接通常闭触点时，所述至少两个储能元件并联连接，且并联连接后的所述至少两个储能元件与所述交直流转换模块的输出端的连接被断开，所述至少两个储能元件与所述负载连通。