CN107112924B - 摩擦电发电机系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种摩擦电发电机系统使用功率转换器根据摩擦电发电机输出在摩擦电发电机与负载之间提供可控阻抗。这实现了改进的功率转移，即使由摩擦电发电机生成的输出可能是不规则的并随时间波动。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦电发电系统和方法。
背景技术
摩擦电效应基于接触诱发起电，其中材料在它通过摩擦与不同的材料接触之后变得带电。已经提出利用这个电荷流通过捕获来自诸如行走、风吹、振动或海浪之类的源的原本浪费的机械能来给诸如传感器和智能电话之类的移动设备供电。除作为电源使用以外，还提出了摩擦电效应用于在没有外部电源的情况下感测。因为发电机在其被干扰时产生电流，所以它们可以用于测量流速的变化、突然的移动或甚至下落的雨滴。
摩擦电效应基于根据各种材料获得电子（变得带负电）或失去电子（变得带正电）的倾向来对所述各种材料评级的一个系列。例如在A.F. Diaz和R.M. Felix-Navarro的“Asemi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials: theinfluence of chemical structure and properties”（Journal of Electrostatics 62(2004) 277–290）中公开了这个系列。产生静电的材料的最佳组合是来自正电荷列表的材料和来自负电荷列表的材料（例如，PTFE与铜相对，或FEP与铝相对）。摩擦玻璃与毛皮或穿过头发的梳子是摩擦电的来自日常生活的公知的示例。
在其最简单的形式中，摩擦电发电机因此使用不同材料的两个片，一个是电子供体，另一是电子受体。当材料接触时，电子从一种材料流到另一种材料。如果然后所述片被分离，则一个片保持通过它们之间的间隙隔离的电荷。如果电气负载然后连接到放置在两个表面的外边缘处的两个电极，则小电流将流动以使电荷均衡。
通过连续地重复该过程，可产生交变电流。在该技术的变形中，材料-最常见的便宜的柔性聚合物-产生电流，如果它们在分离之前在一起摩擦的话。也提出了产生DC电流的发电机。体积功率密度在超过50%的效率下可达到每立方米超过400千瓦。
可以通过将微米级图案贴附到聚合物片来增加功率输出。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。
最近，开发了用于发电（能量采集）和感测的新兴材料技术，其利用如在Wang, Z.L的“Triboelectric Nanogenerators as New Energy Technology for Self-PoweredSystems and as Active Mechanical and Chemical Sensors”（ACS Nano:131014091722005. doi:10.1021/nn404614z, 2013）中公开的这个效应。
基于这个效应，开发了所谓的摩擦电发电机（“TEG”） 的几种设备配置。一些设备在接触模式中操作，而其它设备在摩擦模式中操作。
特别开发了用于从鞋内底发电的一种配置。这从用户迈出的脚步发电，且所生成的功率可例如用于移动便携式设备的充电。该设备包括在之字形衬底上形成的多层结构。该设备基于由于接触起电所致的表面电荷转移来操作。当压力被施加到所述结构时，之字形状被压缩以创建在不同层之间的接触，且当压力被释放时所述接触被释放。细节可以在Peng Bai等人在ACS Nano 2013 7(4), pp3713-3719中的文章“Integrated MultilayeredTriboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from HumanMotiosn”中找到。
取代使用接触和非接触操作模式的是，TEG可在滑动模式中操作。在Adv. Mater.2014, 26, 2818-2824中的文章“Freestanding Triboelectric-Layer-BasedNanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object of Human Motion inContact and Non-Contact Modes”（中公开了使得能量能够从滑动运动被采集的设计。独立可移动层在一对静态电极之间滑动。该可移动层可被布置成不与静态电极接触（即在静态电极上方的小间距处）或它可以形成滑动接触。
已经开发的另一配置是旋转盘TEG，其可在接触或非接触模式中操作。旋转盘TEG典型地由至少一个转子和一个定子组成，所述转子和定子各自形成为一组间隔开的圆形扇区。扇区重叠并且然后在两个盘相对于彼此旋转时分离。在这样的旋转盘摩擦电发电机中，电力通过两个主要物理机制的组合生成：接触起电之间的耦合（摩擦带电）和旋转静电感应（由于由附近电荷的影响引起的电荷的再分布所致的平面内电荷分离）。
分段地结构化的盘TEG的早期版本的限制在于，旋转的和静止的摩擦电层要求金属电极的沉积和与电引线的连接，导致旋转部分的不方便的操作。此外，紧密接触对实现高效的发电是强制性的，这导致可能的材料磨损、磨损颗粒、输出的不稳定性和TEG的通常有限的寿命。
具有附着到静止盘上的两组图案化电极的盘TEG连同旋转盘上的独立摩擦电层一起可以解决这些问题，如在Long Lin等人的“Noncontact Free-Rotating DiskTriboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor”（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (4), pp 3031–3038）中公开的。
使用这样的结构，没有电极沉积或旋转部分的电连接的必要性，这明显改进了能量采集器的操作便利性。而且，由于这个新发电机构的独特特征，非接触自由旋转盘摩擦电纳米发电机（FRD-TEG）可在初始接触起电之后在没有摩擦的情况下以小的性能损失但优秀的耐用性操作，因为表面摩擦电电荷在绝缘体表面上保存数小时。
存在摩擦电发电机的更进一步的设计，比如基于接触起电的双拱形配置。压力使所述拱形关闭以形成拱形层之间的接触，并且当压力被释放时拱形返回到开放形状。还提出了摩擦电纳米发电机，其被形成为用于从周围振动捕获能量的谐波谐振器。
TEG可以例如生成直到670 W/m2的面积功率密度水平的摩擦电。
将清楚的是，存在TEMG设备的许多不同的设计，每一种设计针对特定的操作模式定制。上文概述并引用了一些示例。一般地，可以识别四种不同的一般操作模式。
第一模式是垂直接触-分离模式，其中两个或更多个板通过外加力置于接触中和脱离接触。这可在鞋中被使用，其中接触来源于由用户步行施加的压力。上面描述和引用的Z字形布置是一个示例。
第二模式是线性滑动模式，其中板被制造成相对于彼此滑动以改变重叠的面积。上面讨论的旋转盘TEG是一个示例。这可在波能量采集系统中使用。
第三模式是单电极模式，其中例如一个表面被接地，例如地板或道路，并且所述移动只影响一个层。
第四模式是独立摩擦电层模式，其被设计用于从没有形成到其的电连接的任意移动物体采集能量。这个物体可以是经过的汽车、经过的火车或鞋。
摩擦电发电机被设计成响应于应用的运动而非常短暂地发电。运动的特性影响所生成的电压或电流，并且吸收能量的最佳负载随着运动而变化。
发明内容
发明人已经认识到，摩擦电发电机的一个问题是，发电的这种混乱（chaotic）性质使得难以在发电侧与负载之间提供负载匹配，负载匹配是所期望的以优化或甚至最大化输送到负载的功率。因此，存在对优化或甚至最大化可从摩擦电发电机获得的电力的需要，而不管所生成的电力的可变性，这取决于用于引起发电的运动。
本发明的目的是至少部分地解决这个功率转移问题。
根据本发明，提供一种摩擦电发电机系统，包括：
摩擦电发电机，其响应于移动生成电功率；
功率转换器，其用于转换来自摩擦电发电机的电功率以用于施加到负载；以及
控制器，其用于控制功率转换器，其中控制器适于控制功率转换器以根据摩擦电发电机输出改变随着时间的过去由功率转换器给予摩擦电发电机的阻抗，从而控制输出功率，
其中控制器适于控制功率转换器以改变在对应于摩擦电发电机的发电的单个脉冲的时间段期间由功率转换器给予摩擦电发电机的阻抗。
这种方法可用于在摩擦电发电机输出与功率转换器之间提供改进的阻抗匹配，并且从而改进到负载的功率转移。输出功率可例如被控制到最大输出功率，虽然也可能控制功率以故意阻止其全功率转移。因此，更一般地，输出功率被控制以被优化，例如考虑到负载的特性。阻抗被控制，以便实现期望功率转移特性，而不是例如简单地为控制功率转换器以实现期望转换比的结果。
在本发明的最基本定义中，负载不是发电机系统或发电方法的部分。然而，它可以是所述系统或方法的发电机部分的部分。
本发明特别地涉及由摩擦电发电机生成的信号的电处理。本发明不依赖于摩擦电发电机的任何特定的配置，且可应用于任何配置。摩擦电发电机可是已知的设计，并且例如生成具有取决于移动的强度的幅度的交变电压波形。可与本发明一起使用的摩擦电发电机的各种设计在本文上面并且也在本文下面被讨论。
许多不同类型的功率转换器可以使用实现输入阻抗的控制的方法来操作。例如，升压转换器具有相对于它的接通时间的大致电阻性I-V曲线。通过调节接通时间，可以实时地调节由功率转换器给予源的阻抗。许多不同的功率转换拓扑允许某种阻抗控制方法。摩擦电应用的挑战是在能量输送循环期间选择正确的阻抗，以便最大化输出功率。
功率转换器可以包括开关模式功率转换器。于是开关循环可以被控制以实现阻抗控制。功率转换器可以例如包括升压转换器。
控制器适于控制功率转换器以改变在对应于摩擦电发电机的发电的单个脉冲的时间段期间由功率转换器给予摩擦电发电机的阻抗。以这种方式，在发电的每个单独脉冲过程期间创建具有期望形状的阻抗函数。注意到，摩擦电发电机一般地输送电功率的这样的脉冲。
在第一组示例中，移动传感器可以被提供用于检测用于生成电功率的移动，其中控制器适于响应于移动传感器输出而控制功率转换器。通过感测移动（其可以是例如位移、速度或加速度的度量），可以推断出所生成的功率信号的性质，从该性质中可以导出给予发电机的最合适的阻抗。
例如，可以提供移动类型和相关联的阻抗函数的数据库，其中控制器适于基于移动传感器输出来选择移动类型。可以用这种方式将所感测的运动解释为落到特定的移动类别中，并且然后可以选择相对于时间的阻抗函数。可替换地，移动的速度、加速度或位移可以直接映射到对应的阻抗值，而无需到移动类型中的任何分类。
在第二组示例中，控制器可以适于分析所生成的电功率并确定移动类型，其中系统再次进一步包括移动类型和相关联的阻抗函数的数据库。
在这种情况下，分析所生成的电功率以确定信号的性质，而不是从所感测的移动推断该性质。举例而言，控制器可以适于分析一般电功率的脉冲的初始电压和/或电流分布，以便确定移动类型。
可以例如分析所生成的电功率的脉冲的初始电压和/或电流的变化率，以便确定移动类型。
在另一组示例中，功率点跟踪系统可以用于调制功率转换器输入阻抗并监控功率转移，以确定适当的功率转换器输入阻抗。
系统可以包括基于鞋或地板的发电系统，其中功率从用户将脚步压力施加到系统生成。由用户迈出的脚步给出相当大的力（例如500N），其因此可以用于生成相当大数量的输出功率，例如用于给照明设备供电或给移动便携式设备供电或充电。
控制器可以例如适于检测脚步频率并应用取决于脚步频率的阻抗设置模式。
根据本发明，还提供一种摩擦电发电方法，包括：
使用摩擦电发电机响应于移动而生成电功率；
转换来自摩擦电发电机的电功率以使它适合于施加到负载；以及
控制功率转换器以根据摩擦电发电机输出改变在对应于摩擦电发电机的发电的单个脉冲的时间段期间随着时间的过去由功率转换器给予摩擦电发电机的阻抗，从而控制输出功率。
可以检测用于生成电功率的移动，并且随后响应于检测到的移动而控制功率控制器。然后可以确定移动类型，并且可以实施从移动类型到相关联的阻抗函数的映射。可替换地，功率转换器输入阻抗可以被调制并且功率转移被监控，以确定适当的功率转换器输入阻抗。这实现了功率点跟踪。
附图说明
现在将参考随附的示意图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出摩擦电发电机系统的第一示例；
图2示出摩擦电发电机系统的第二示例；
图3示出摩擦电发电机系统的第三示例；
图4示出在两种不同的移动类型和相关联的阻抗函数之间的映射；
图5示出摩擦电发电机系统的第四示例；以及
图6示出摩擦电发电方法。
具体实施方式
本发明提供一种摩擦电发电机系统，其使用功率转换器根据摩擦电发电机输出在摩擦电发电机与负载之间提供可控的阻抗。这实现改进的功率转移，即使由摩擦电发电机生成的输出可能是不规则的并随着时间而波动。
图1示出基于用于提供阻抗控制的升压转换器的可能的摩擦电发电机系统的第一示例。
该系统包括响应于移动而生成电功率的摩擦电发电机1。
摩擦电发电机是已知的设计，并且例如生成具有取决于移动的强度的幅度的交变电压波形。上面讨论了摩擦电发电机的各种设计。本发明特别涉及由摩擦电发电机生成的信号的电处理。本发明不依赖于摩擦电发电机的任何特定配置，并可以应用于任何配置。特别地，所有摩擦电发电机提供输出，该输出本质上是脉动的并且一般地不具有随时间的干净的正弦振幅。
功率转换器2用于转换来自摩擦电发电机1的电功率以用于施加到负载3。控制器4用于控制功率转换器2，其中控制器适于控制功率转换器以根据摩擦电发电机输出来改变由功率转换器2给予摩擦电发电机1的阻抗。
功率转换器2包括将整流电压供应到DC-DC升压转换器12的全桥二极管整流器10，DC-DC升压转换器12在控制器4的控制下取决于被给予摩擦电发电机1的所需阻抗水平来提供电压升压。升压转换器输出被提供到负载3。在其它示例中，可以使用半桥整流器，或可替换地，发电机1可以输送DC输出。
升压转换器包括在输入端与第一（回扫）二极管22的阳极之间的电感器20，第一二极管22的阴极连接到第一输出端子23，晶体管24充当连接在第一二极管22的阳极与第二输出端子26之间的控制开关。晶体管24由控制器4切换。图1还示出跨负载3连接的平滑电容器28。
晶体管24的开关以已知的方式控制升压转换器的操作。特别地，通过改变占空比，电压升压因子被控制。占空比还改变升压转换器12的输入阻抗，并且本发明利用功率转换器的控制，主要目标是控制功率转换器2的输入阻抗而不是控制输出电压。
控制器4因此起作用来将指示期望输入阻抗的控制信号29转换成要被应用于晶体管24的所需占空比。
通过在功率转换器2与摩擦电发电机1之间提供阻抗匹配，到负载的功率转移可以被最大化。
升压转换器例如被设计成将电流输送到输出端，该输出端由负载（或附加的存储电容器）的电容保持在稳定电压处。至少在摩擦电发电的脉冲的持续时间的规模处，输出电压保持恒定。特别地，输出电容将保持比在功率输送循环中输送的能量明显更多的能量-使输出电压大致稳定。
电路可以用于将功率提供到各种各样的不同的可能负载。示例包括小电路系统，例如设备的主控制单元（“MCU”）或LED光照。
针对在输入端与输出端之间的适当转换比，选择功率转换器的类型。在给定功率转换器设置（例如接通周期T_on或占空比）处且在存储在大输出电容上的稳定输出电压的情况下，一系列输入电压可以被转换，但它们都将导致提供到负载的不同输入电流。
图1中所示的类型的升压转换器的输入阻抗与输入时间接通的关系为R_in=2L/ton。
L是电感，且ton是主控制晶体管的接通周期。参数ton是升压转换器的典型控制变量。阻抗可以在每个转换循环被有效地控制，其中具有由于输入电容所致的一些延迟。
在10次转换器循环之后具有明显不同的阻抗一般是容易可获得的-所以在100kHz下操作的典型升压转换器可以相当容易地具有在10kHz下或每0.1ms的新阻抗。
这意味着可以创建在单独的发电脉冲的过程期间适应的阻抗分布。例如，由脚步在地板上形成的撞击可以具有大约0.1s的持续时间。基于具有100 kHz循环频率的功率转换器，这实现了在单个发电脉冲的过程期间的1000次阻抗调节。因此，可以创建在发电脉冲的过程期间适应的期望阻抗分布。同样的情况也适用于其它用途，比如跟随波（具有较长的脉冲持续时间）的移动和由经过的汽车（具有较短的脉冲持续时间）引起的压缩。
典型地，在发电脉冲的过程期间阻抗水平被控制至少10次和更多次、优选地至少20次。以这种方式，创建本质上模拟的阻抗函数。发电脉冲典型地具有在1ms（例如汽车以50m/s前进5cm的时间）与10s（例如水波周期）之间的持续时间。
用于生成摩擦电能量的机械移动的性质将确定最合适的功率转换器的类型和细节二者以及还有阻抗函数的分辨率，以及阻抗函数被生成的方式。如从下面的示例将领会的是，可以响应于移动的性质完全实时地创建阻抗函数，要不然移动的性质被用于一组先前确定的阻抗函数中选定的阻抗函数。
其它类型的功率转换器拓扑也依据转换器设置调节它们的输入阻抗。
图1的示例利用升压转换器。然而，相同的方法可以更一般地用于开关模式转换器，例如降压或降压-升压转换器。
如图1所示，控制信号29用于控制功率转换器。这个控制信号取决于来自摩擦电发电机的输出。它可以以用多种不同的方式获得。
在图2中示出第一示例，其中传感器30用于检测由摩擦电发电机用来生成功率的运动。传感器输出充当被输入到控制器4的控制信号29，并因此被用于调整功率转换器以在正确的阻抗下操作。控制器4可以实现在移动的速度或位移与期望阻抗值之间的直接关系，要不然它可以选择一组预定阻抗函数（相对于时间）中的一个阻抗函数。
为了这个目的，控制器4可以包括移动类型和相关联的阻抗函数的数据库32。所感测的移动可以例如被解释为落到特定的移动类别中，并且然后可以选择相对于时间的阻抗函数。
取代使用移动传感器的是，控制器4可以从来自摩擦电发电机的信号输出的特性导出移动类型。在图3中示出这种方法。与图2相比的差异在于，取代移动传感器的是，提供电信号分析器40。这可以跟踪从摩擦电发电机1输出的电压、或电流或功率。
在图3中还示意性示出数据库32的操作。存在所示的数据库条目值，E1至E4。
每个条目例如表示电压的初始变化率的值的特定范围，或在所生成的功率脉冲的开始之后要达到一定电压所需的时间的值的特定范围。
这些条目然后确定若干特征运动中的哪些引起发电。
例如，使携带摩擦电发电机的设备落下可以创建dV/dt的非常高的值，而推进可以创建dV/dt的较慢的值。所确定的特性然后用于选择使用哪个阻抗分布。示出四个这样的阻抗分布，每个包括阻抗（y轴）相对于时间（x轴）的函数。阻抗分布目的在于优化从移动提取的能量。在a轴上的总时间对应由摩擦电发电机输送的能量的单个脉冲的持续时间，其进而对应于循环物理移动的一个脉冲。控制器将期望阻抗分布转换成对应的占空比函数，其然后可以应用于功率转换器的主晶体管。当然，电流或功率分布可以用于选择期望阻抗函数而不是电压分布。
图4示出可能的电压相对于时间的函数的两个示例，其可以响应于不同的移动类型从摩擦电发电机预期。
图4（a）示出当大且快的压力施加到摩擦电发电机时生成的电压波形。它由电压的大初始变化率表征。这被转换成对应的阻抗函数。这可以匹配电压函数的形状，但适于使得它表示可以在实践中通过功率转换器的控制实现的阻抗函数。
图4（b）示出当较小且较慢的压力变化施加到摩擦电发电机时生成的电压波形。它由电压的较低初始变化率表征。这再次被转换成对应的阻抗函数。
用于确定最合适的阻抗函数的可替换方法是使用功率点跟踪。在图5中示出这种方法。与图2相比的差异在于，取代移动传感器的是，提供功率点跟踪系统50。
功率点跟踪已知用于控制施加到太阳能电池以便最大化功率的负载电阻。相同的方法可以应用于摩擦电发电机输出，以便确定要由功率转换器给出的适当负载。
系统50结合控制器4调制功率转换器输入阻抗并监控功率转移，以确定适当的功率转换器输入阻抗。
例如，可以使用正弦波或方波来调制转换器的输入阻抗。引发最大功率的阻抗值可以用于确定应被施加的阻抗水平。
可以通过监控摩擦电发电机的输出并且因而监控转换器输入来测量功率转移。在基本水平处，最高可能的功率是期望的，即I x V。这可以在输入（Iin*Vin）处或在输出（Iout*Vout）处被测量，或可以实施更特定于特定转换器的计算。简单的系统可以改变ton（转换器控制参数）以找到Iin*Vin的最高值。更精细的例程是可能的。
如果生成移动特别快，则ton的值可以在先前观察的图案中随着时间（例如在随后的循环中随着不同的ton值）变化以导致较高的输出功率。这然后避免对实时处理的需要以导出所有阻抗调节。然后这个图案可以变化。
系统的可能使用的一个示例是作为基于鞋或地板的发电系统的部分，其中功率从将脚步压力施加到系统的用户生成。
上面已经讨论和引用了可以用于这种类型的系统的摩擦电发电机的类型的一个示例。一般地，基于鞋或地板的系统将使用设计用于接触、非接触循环的发电机操作。循环的接触部分由脚步压力诱发。这种类型的系统可以例如在舞厅或俱乐部中使用以生成用于照明的功率。摩擦电发电在较高压力下更有效，所以在鞋中或在地毯、垫子或小地毯下的使用是发电系统的有效使用。
如上面解释的，系统可以包括用于不同类型的运动的一个或多个查找表。对于基于鞋或地板的摩擦电发电系统，预期负载分布（和对应的阻抗分布）可以例如默认为与行走相关联的分布，因为这将是占优势的负载情形。
然而可能存在这样的情形：其中用户移动到另一模式（跑步、跳舞等）中且一般地将在延长的时段内维持这个新模式，例如至少几分钟。在这种情况下，如果针对例如2个或更多个步骤检测到新运动，可以例如诱发模式转变。不同的模式可以与具有不同的阻抗函数分布的不同查找表相关联。
也可以考虑到脚步频率来选择阻抗分布。一般地，脚步的速率在行走期间以在跑步期间相比更低。由于这个原因，系统可以学会根据脚步的频率调节模式。这将在基于鞋的系统中最好地工作，因为发电系统与单独的用户而不是与可以在各自可能以不同的方式表现的不同用户之间共享的一般区域相关联。
模式选择也可以取决于相位信息和相应的图案识别。一般地，脚步的速率在行走期间和在跑步期间相当有规律，但在跳舞期间的相位改变（例如对于快步舞，慢、快、快、慢等）。由于这个原因，系统可以学会根据脚步的图案来调节模式。对于快步，系统将潜在地每2步从查找表条目“快”（其中脚的较快撞击被预期）切换到查找表条目“慢”（其中脚的较轻撞击被预期）。
再次，这将在基于鞋的系统中最好地工作，其中一个用户的行为被跟踪。
图6示出可以由上面描述的各种可能的系统设计实现的摩擦电发电方法。该方法包括在步骤60中使用摩擦电发电机响应于移动生成电功率。在步骤62中，来自摩擦电发电机的电功率被转换以用于施加到负载，而在步骤64中，功率转换器被控制以根据摩擦电发电机输出而改变由功率转换器给予摩擦电发电机的阻抗。
如上面解释的，本发明补偿来自摩擦电发电机的能量脉冲的形状。一种通用方法是足够快地提供功率点跟踪以遵循脉冲的形状。另一种通用方法是存储涉及不同的脉冲形状的信息的数据库，其中不同的脉冲形状对应于不同类型的运动。在后一情况下，运动的类型被检测或推断，并且接着从数据库获得对应的信息。该信息然后用于在接收的能量的脉冲期间控制阻抗。
可以例如通过具有存储的模式的数据库但也实现功率点跟踪以重调这些图案或基于功率点跟踪叠加附加的控制来组合这两种方法。
本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现所公开的实施例的其它变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。
总之，本发明涉及一种摩擦电发电机系统，其使用功率转换器根据摩擦电发电机输出在摩擦电发电机和负载之间提供可控制阻抗。这实现了从发电机到负载的改进的功率转移，即使由摩擦电发电机生成的输出可能是不规则的并且随时间波动。
Claims (14)
1.一种用于向负载提供输出功率的摩擦电发电机系统，包括：
摩擦电发电机（1），其用于响应于移动而生成电功率输出；
功率转换器（2），其用于将来自所述摩擦电发电机的所述电功率输出转换成用于施加到所述负载的所述输出功率；以及
控制器（4），其用于控制所述功率转换器，
其中所述控制器适于控制所述功率转换器以根据所述摩擦电发电机电功率输出改变随着时间的过去由所述功率转换器给予所述摩擦电发电机的阻抗，从而控制所述输出功率，
其中所述控制器适于控制所述功率转换器以改变在对应于所述摩擦电发电机的发电的单个脉冲的时间段期间由所述功率转换器给予所述摩擦电发电机的阻抗。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述功率转换器（2）包括开关模式功率转换器。
3.如任一前述权利要求所述的系统，进一步包括用于检测用于生成电功率的所述移动的移动传感器（30），其中所述控制器（4）适于响应于所述移动传感器输出而控制所述功率转换器。
4.如权利要求3所述的系统，进一步包括移动类型和相关联的阻抗函数的数据库（32），其中所述控制器（4）适于基于所述移动传感器输出来选择移动类型。
5.如权利要求1或2所述的系统，其中所述控制器（4）进一步适于分析所生成的电功率并确定移动类型，其中所述系统进一步包括移动类型和相关联的阻抗函数的数据库（32）。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述控制器（4）适于分析所生成的电功率的脉冲的初始电压和/或电流分布，以便确定所述移动类型。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述控制器（4）适于分析所生成的电功率的脉冲的初始电压和/或电流的变化率，以便确定所述移动类型。
8.如权利要求1或2所述的系统，进一步包括功率点跟踪系统（50），所述功率点跟踪系统用于调制所述功率转换器输入阻抗并监控功率转移以确定适当的功率转换器输入阻抗。
9.如权利要求1、2、4、6、7中任一项所述的系统，包括基于鞋或地板的发电系统，其中功率从将脚步压力施加到所述系统的用户生成。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器（4）适于检测脚步频率并且应用取决于脚步频率的阻抗设置模式。
11.一种摩擦电发电方法，包括：
（60）使用摩擦电发电机响应于移动而生成电功率输出；
（62）使用功率转换器将来自所述摩擦电发电机的电功率输出转换成用于施加到负载的输出功率；以及
（64）控制所述功率转换器以根据所述摩擦电发电机电功率输出改变随着时间的过去由所述功率转换器给予摩擦电发电机的阻抗，从而在对应于所述摩擦电发电机的发电的单个脉冲的时间段期间控制所述输出功率。
12.如权利要求11所述的方法，包括检测用于生成电功率输出的移动，以及响应于检测到的移动而控制所述功率转换器。
13.如权利要求11所述的方法，包括检测移动类型，以及从移动类型映射到相关联的阻抗函数。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括调制所述功率转换器输入阻抗并监控功率转移，以确定适当的功率转换器输入阻抗。
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| JP7000369B2 (ja) * | 2018-06-08 | 2022-02-04 | 株式会社東芝 | 電力制御回路及びそれを備えた発電システム |
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| CN109916427B (zh) * | 2019-04-09 | 2021-01-12 | 苏州大学 | 一种基于摩擦电式压力传感器的计步系统 |
| KR102282353B1 (ko) * | 2019-11-29 | 2021-07-27 | 국방과학연구소 | 접촉대전 나노발전부를 위한 저전력 전력 변환 장치 |
| JP7021308B2 (ja) * | 2020-08-19 | 2022-02-16 | 株式会社東芝 | 発電システム |
| CN114765428A (zh) * | 2021-01-13 | 2022-07-19 | 启星投资有限公司 | 一种耦合发电装置、发电鞋垫和发光鞋 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008062377A2 (en) * | 2006-11-24 | 2008-05-29 | Encrea S.R.L. | Miniaturised generator for the production of electrical energy from vibrations |
| CN102832658A (zh) * | 2011-06-17 | 2012-12-19 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 管理电池健康状态差异的成比例主动充电状态平衡方法 |
Family Cites Families (10)
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|---|---|---|---|---|
| US7171331B2 (en) * | 2001-12-17 | 2007-01-30 | Phatrat Technology, Llc | Shoes employing monitoring devices, and associated methods |
| US7558629B2 (en) * | 2006-04-28 | 2009-07-07 | Medtronic, Inc. | Energy balance therapy for obesity management |
| US8519677B2 (en) * | 2009-08-27 | 2013-08-27 | Asteism, Inc. | Electrostatic power harvesting |
| US9063559B2 (en) * | 2010-03-09 | 2015-06-23 | Texas Instruments Incorporation | Battery charger and method for collecting maximum power from energy harvester circuit |
| US20130140896A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-06-06 | Victor Tzinker | Adaptive loading of power sources with high and non-linear output impedance: method, system and apparatus |
| WO2013136691A1 (ja) * | 2012-03-16 | 2013-09-19 | パナソニック株式会社 | 発電装置、およびそれを用いた電気機器 |
| KR102016688B1 (ko) * | 2012-12-10 | 2019-09-02 | 한국전자통신연구원 | 에너지 변환 장치 |
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| KR101691552B1 (ko) * | 2014-11-04 | 2016-12-30 | 삼성전자주식회사 | 에너지 하베스터 |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008062377A2 (en) * | 2006-11-24 | 2008-05-29 | Encrea S.R.L. | Miniaturised generator for the production of electrical energy from vibrations |
| CN102832658A (zh) * | 2011-06-17 | 2012-12-19 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 管理电池健康状态差异的成比例主动充电状态平衡方法 |
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