CN107431447B - 能量生成系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能量生成系统，包括具有带电的相互旋转的板元件的发电机，并且包括用于精确地控制所述板之间的分离距离的集成驱动机构。所述驱动机构提供分离，所述分离根据旋转的速度而变化，因此在所述设备的所述自然操作内同化分离控制。实施例提供了包括自生成轴承的板，流体动力气体和流体轴承和离心调节器固体轴承两者，所述轴承提供所述板之间的支持力，其具有随着板的旋转速度增加而增加的幅度。还提供了能量生成的方法。

Description

能量生成系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于将机械能转换为电能的电能发电机以及能量生成的方法。
背景技术
可以将机械能转换为电能的这样的系统的一个范例是摩擦电能量生成系统。摩擦起电效应(还被称为摩擦电充电)是接触感应的起电，其中，材料在其通过摩擦而与不同的材料接触之后变得被充电。摩擦电生成基于通过将摩擦起电效应与静电感应相耦合的方法而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、风吹、振动或海浪的源采集否则会被浪费的机械能来对移动可穿戴设备(例如传感器和智能电话)进行供电。参见例如：Wang,Sihong,Long Lin,and Zhong Lin Wang的“Triboelectricnanogenerators as self-powered active sensors.”(Nano Energy 11，2015年；436-462页)。
摩擦起电效应基于根据其得到电子(变为带负电荷的)或失去电子(变为带正电荷的)的趋势而对各种材料进行排列的系列。例如在A.F.Diaz和R.M.Felix-Navarro的“Asemi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials:the influenceof chemical structure and properties”(Journal of Electrostatics 62，2004年，277-290页)中公开了这种系列。创建静电的最佳材料组合是来自正电荷列表中的一种与来自负电荷列表中的一种(例如，聚四氟乙烯(PTFE)与铜、或者氟化乙烯丙烯(FEP)与铝)。将毛皮与玻璃摩擦或通过头发的梳子是来自日常生活的摩擦电的众所周知的范例。
以其最简单的形式，摩擦电发电机因此使用两片不相似的材料，一个为电子供体，另一个为电子受体。材料中的一种或多种可以是绝缘体。其他可能的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，电子从一种材料交换到另一种材料。这简单地是摩擦起电效应。如果然后将片分离，则每个片保持(具有不同极性的)电荷，并且将片通过其间的间隙隔离，则建立电势。如果在被沉积/放置在两种材料表面的背面处的电极之间连接电气负载，则所述片的任何进一步位移，不论是横向的还是垂直的，都将作为响应而引起两个电极之间的电流。这简单地是静电感应的范例。随着两个板的各自的电荷中心之间的距离增加，跨越间隙的两板之间的引力(attractive)电场减弱，造成两个外侧电极之间的增加的电势差，这是因为经由负载的电荷的电吸引开始超过跨越间隙的静电引力。
由此，摩擦电发电机通过两种主要物理机制——接触起电(摩擦充电)与静电感应——之间的耦合而将机械能转换为电能。
通过循环地增加和减小板的电荷中心之间的相互分离，因此作为响应能够引起电流在板之间来回地流动，从而在负载两端之间生成交流电。因此，摩擦电发电机设备可以被认为是电荷泵。
可以通过将微米级图样应用到聚合物片来增加功率输出。图样化有效地增加了接触面积并且从而增加电荷转移的有效性。
最近，已经开发出利用该效应的用于功率生成(能量收集)和功率转换的新兴材料技术，如在Wang,Z.L,，“Triboelectric nanogenerators as new energy technology forself-powered systems and as active mechanical and chemical sensors.”(ACS'nano7.11，2013年:9533-9557页)中所公开的。基于该效应，已经开发出具有所谓的摩擦电纳米发电机(“TENG”)的若干设备配置。
自从在2012年对其的首次报告开始，TENG的输出功率密度已经得到很大的改进。体积功率密度可以实现超过400千瓦每立方米，并且已经证明出～60％的效率(ibid.)。除高输出性能之外，TENG技术具有许多其他优势，例如低生产成本、高可靠性和鲁棒性、以及低环境影响。
TENG可以被用作电力发电机(即从例如振动、风、水或随机身体运动收集能量或者甚至将机械可用功率转换为电)。生成的电压是功率信号。
TENG可以被广泛地分为四个主要操作类别，其中的一个以所谓的线性滑动模式操作，其中，引起充电板相对于彼此横向地滑动，以便改变它们之间的交叠的面积。在板的两侧引起电势差，其具有与总交叠面积的变化率成比例的即时幅度。通过重复地使板进出彼此的相互交叠，可以在连接在板之间的负载两侧建立起交流电。
已经开发出的线性滑动模式TENG的一个具体子集是旋转盘TENG，其能够以接触模式(即连续的摩擦充电和静电感应)或非接触模式(即在初始接触起电之后仅静电感应)两者操作。旋转盘TENG典型地包括至少一个转子和一个定子，其每个被形成为一组间隔的圆形扇区(段)。扇区交叠并且然后随着两个盘相对于彼此旋转而分离。如上文所描述的，可以在两个横向滑动-带相反电-的层之间引起电流，其中，幅度与交叠面积的变化率成比例。由于转子的每个连续间隔的扇区进入并且然后离开与给定定子扇区的交叠，因此在两个扇区板之间随着板的交叠的增加而初始地在第一方向上引起电流，并且然后随着板的交叠的减小而在相反方向上引起电流。
分段地结构化的盘TENG的早期版本的局限(Long Lin等人的“SegmentallyStructured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting RotationalMechanical Energy”，Nano Lett.，2013年,13(6)，第2916-2923页)在于，旋转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，这导致旋转部分的操作不方便。而且，强制密切接触以实现高效发电，这导致可能的材料磨损、磨损颗粒、输出的不稳定性、以及TENG的寿命通常有限。
全部两组图案化电极都被附接到固定盘上，并且具有在旋转盘上的独立式摩擦电层的盘TENG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年，6(4)，第3031-3038页中所公开的。
利用这样的结构，针对旋转部分的电极沉积或电气连接不是必要的，这显著提高了能量收集器的操作便利性。
旋转盘TENG，并且实际上通常来说是线性滑动模式TENG，能够以接触模式和非接触模式两者操作。虽然希望接触以对板进行摩擦充电(既是初始地也是后续地，以抵消泄漏)，但(通过其生成电能的)静电感应过程本身不要求板之间的接触，而是在小的板分离(例如近似地0.5mm)的情况下很好地操作。
以接触模式操作——其中，板被维持有持续的摩擦接触——导致较高的功率输出，这是因为板被持续地充电，并且因此对通过泄漏等的电荷损失的持续替换而将所述板持续地保持在某个理论最大充电容量(由双板系统的电容定义)处。可以维持在板上的电荷越大，可以生成的静电感应输出越大，这是因为较大的电荷密度自然引起板中的电子之间较大的静电力。
发明内容
以接触模式操作摩擦发电机本身带来了各种困难，包括产生过度噪声以及通过表面磨损的设备材料的恶化。
因此发明人认识到，理想地，发电机仅间歇地以接触模式操作，以便在需要时补充板上的电荷，并且在剩余的时间中以非接触模式操作，在这期间可以通过静电感应生成电能。
在实现这样的双模式操作时，用于控制接触模式与非接触模式之间的转变和用于精确控制板之间的间隙高度的机构是两个关键的挑战。另外，不仅对于摩擦电发电机，而且对于所有各种感应发电机，对间隙高度的精确控制是重要的问题，例如这是因为静电感应过程期间的板分离距离对所生成的电压和功率输出具有显著影响。即使在不旨在以双模式操作使用所述板的情况下，仔细地控制感应发电机的板之间的分离距离的能力也是高度有利的。
通过图示，图1示出的图形图示了针对包括PTFE转子的范例旋转板TENG的以mm为单位的板分离(x轴10)与以mW为单位的峰值功率输出(y轴12)之间的测得的关系。如上文所讨论的，当板接触(即零板分离)时，功率输出最大，针对图1所测量的范例转子，达到近似0.5mW的峰值输出。当板分离增加时，峰值功率输出非常急剧地下降，其中，仅0.5mm的分离引起接近80％的输出降低，峰值功率下降到仅0.1mW。对于特定旋转盘TENG设备类型，在2mm的分离的情况下，功率输出已经下降到几乎为零。
类似地，图2图示了针对同一范例TENG的、以mm为单位的板分离(x轴16)与以V为单位的输出电压的峰——峰幅值(y轴18)之间的关系。响应于增加的板分离，也观察到急剧的下降，其中，0.5mm的间隙引起近似75％的峰——峰电压降低(从～140V到～35V)。
板分离距离与峰值功率输出之间的这种强大的关系不仅适用于由图1和图2的图形所表示的范例TENG发电机，而且适用于根据相似的静电感应原理生成电力的所有各种发电机。因此，期望能够高度精确地控制板间隙距离，以便不仅稳定地管理双模式操作TENG的接触模式与非接触模式之间的转变，而且高效地管理、控制或调制感应发电机(更普遍地包括TENG)的功率和/或电压输出。
另外，为了将这样的发电机容易地并入到小的消费者电子设备中，希望用于控制板分离的机构尽可能地紧凑、高效并且简单的——理想的是，不需要重的或复杂的机电致动元件。
因此，希望具有这样的发电机系统，其包括用于生成电力的相互旋转的带电元件，其还包括用于精确地控制所述相互旋转的元件之间的分离距离的简单、紧凑且高效的驱动机构，并且其在不给设备增加明显的体积、重量或操作复杂度的情况下做到这些。
本发明旨在提供利用根据本申请的设备和方法来解决上述问题的途径。下文提供了变型的有利的实施例。
因此，根据本发明，提供了一种系统，包括：
-电力发电机，其用于生成电力，所述电力发电机包括：
-第一元件和第二元件，其中的至少一个被配置用于包括电荷，所述第一元件和所述第二元件还被配置为能相对于彼此旋转，以便由此在所述第一元件和所述第二元件中的至少一个包括所述电荷时生成所述电力，
其中，所述系统还包括：
-机构，其被配置用于控制所述第一元件与所述第二元件之间的距离，使得所述距离是根据所述第一元件与所述第二元件之间的旋转的相对速度而被控制的。
因此，本发明的实施例提供了相互旋转的充电板发电机，其具有相关联的驱动机构以精确地控制板分离。控制所述元件之间的距离可以包括引起或生成所述元件之间的分离、维持所述元件之间的给定分离、和/或使所述元件之间的分离的程度变化。由所述机构控制的所述第一元件与所述第二元件之间的所述距离是沿着与所述元件的相互旋转的轴平行的方向的分离的距离。例如，在所述元件包括具有彼此相对的平面表面的平面旋转元件的情况下，所控制的距离是沿着与所述表面法线方向中的一个或两者平行的方向的距离。
根据某些范例，所述元件可以包括圆形盘元件，例如诸如旋转盘摩擦电发电机的圆盘板、或非摩擦电感应发电机的圆盘板、或非感应发电机的圆盘板。然而，根据其他范例，所述元件可以包括具有不同的形状的发电机板，或者可以根本不包括平板状的元件，并且下面的描述中关于发电机元件对“盘”或“板”的引用将不被认为关于那些或任何其他实施例是限制性的。
由于所述分离距离是根据所述元件的旋转的所述相对速度而被控制的，因此实施例提供了用于控制和调制板分离的简单的固有的机构，其中，所述板的速度本身提供用于使自旋元件之间的间隙的高度变化的控制参数。
根据某些范例，所述旋转元件本身可以被提供有固有的特征或属性，所述固有的特征或属性响应于旋转而在所述元件之间自然地生成分离力(例如升力)。这样，所述元件的旋转本身可以自然地提供(固体或流体的)轴承，借助于所述轴承，所述元件可以被支持在分离状态中。而且，所述轴承提供所述元件之间的具有与所述元件的旋转的速度成比例的幅度的分离，由此提供用于精确地控制所述元件的分离的程度的简单且固有的机构。
而且，本发明的某些实施例可以允许关于管理所述相互旋转的元件之间的所述分离距离(转子-定子分离距离)而至少部分地自调制的发电机。这基于以下事实发生，即所述元件之间的所述分离距离是根据所述发电机本身的固有操作参数(即相对旋转速度)而被控制的。取决于所述发电机的旋转速度本身是如何被控制和调制的，所述分离距离的自调制可以根据若干可能方案中的任一个来操作。
通过仅一个非限制性范例，所述板的旋转速度可以例如被控制为与所述发电机的所述输出电压成比例。在该具体情况下，如果所述输出电压开始下降，则板分离距离将开始变窄，并且如果所述输出电压增加，则所述分离距离将变宽。这种自调制的方案例如可以有利于管理上文描述的类型的双模式TENG的充电阶段和非充电阶段。
虽然实施例允许发电机以自调制模式操作，但这不是必要的。本发明的实施例例如可以提供通过手动控制所述元件之间的旋转的相对速度而被关于所述元件分离手动调制的发电机。
在一些情况下，所述驱动机构可以被集成到所述板(即元件)结构本身中，在不需要任何外部机电装置来致动所述板的运动的情况下提供对板分离的精确控制，因此避免了这样的系统和元件典型地可能引起的添加的体积、费用和操作复杂度。
例如，根据一个或多个实施例，所述第一元件和所述第二元件中的至少一个的平面表面可以包括用于响应于旋转的所述相对速度而生成所述第一元件与所述第二元件之间的流体动力的凹槽。由所述凹槽形成的图案使得在所述元件在流体内相对于彼此旋转时，在所述流体中生成泵动作，从而令元件被推开，其中，力的幅度与旋转的所述相对速度有关。例如，如果所述元件经受一些将所述元件朝向彼此推动的小的预加载的力，那么旋转速度的增加将导致所述元件之间的所述分离的成比例(或以其他方式相关的)增加。所述元件的后续变慢导致所述板之间的间隔的随之而来的变窄。
例如，所述凹槽可以朝向所述第一元件和所述第二元件的旋转中心而向内弯曲，例如形成螺旋图案。因此，通过这些实施例提供了一种发电机，其包括集成螺旋凹槽推力轴承(SGB)：自生成的轴承，其自身的旋转建立起将所述发电机的所述板支持在分离状态中所必需的流体动力压力(升力)。
所述凹槽可以具有根据从所述旋转中心测得的径向距离而增大的横截面积。所述凹槽的所述向内弯曲意味着，在旋转时，例如气体受到向内的力导致流体动力压力的随之而来的上升。该压力在相对的板的表面上生成力，由此提供两个板之间的升力。
根据一个或多个备选实施例，所述第一元件或所述第二元件可以包括两个或更多个径向延伸的凹槽，所述两个或更多个径向延伸的凹槽中的每个具有根据从所述第一元件与所述第二元件之间的所述旋转中心测得的径向距离而减小的深度。在这些实施例内，还可以提供被定位在每个径向延伸的凹槽内的至少一个径向移动质量元件。
当所述板被旋转时，由于离心力系统对它们的作用，所述径向移动质量元件将作为响应而受到径向向外的力。由于所述凹槽具有朝向末端变窄的深度，因此所述质量元件将动作以随着其向外移动而将所述板推开。而且，由于所述凹槽在所述板的中心与其边缘之间连续地变窄，因此较大的旋转率将导致较大程度的板分离，这是因为所述质量元件被增加的离心力而进一步受力。
因此，这种布置提供了集成在所述元件的结构内的质量离心调节器，其动作以引起所述元件之间的具有与所述旋转率成比例的幅度的分离。
根据以上述实施例中的任一个，所提供的凹槽可以至少部分地界定相应元件的所述平面表面的摩擦电有效材料部分。如上文所讨论的，旋转盘摩擦电发电机通过摩擦电材料的间隔区域的接连的交叠以及之后的分离来生成电能。根据本发明的某些范例，所述凹槽可以被用于提供摩擦电有效材料的相邻区域部分之间的自然间隔。
在本发明的某些范例中，所述第一元件和所述第二元件中的至少一个的平面表面可以包括第一环形区域和第二环形区域，并且其中，所述第一环形区域包括凹槽的图案，并且所述第二环形区域包括多个摩擦电有效表面区域。根据这些范例，所述(一个或多个)元件提供适于在摩擦电发电机内使用的板，并且其中，凹槽的图案被提供在所述板与被用于能量生成的区域的分离区域上。例如，摩擦电材料的间隔的(部分)扇区可以形成在盘形元件的外部环地周围，例如，同时所述盘的中心区域专用于凹槽(在一些情况下，还有质量元件)以生成升力。
根据本发明的另一组实施例，所述元件中的至少一个包括径向间隔的转子叶片元件。具体而言，所述转子叶片可以包括例如螺旋桨叶片或翼形(机翼)叶片。在这些情况下，响应于旋转，由于机翼形叶片的上表面与下表面之间产生的压力差而生成升力。在某些范例中，所述叶片例如可以包括一层或多层摩擦电材料，使得叶片在相对的盘元件上的旋转产生标准旋转盘TENG的熟悉的静电效应，所述相对的盘元件也包括与所述转子叶片的间隔一致地间隔开的摩擦电材料区域。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：
提供电力发电机，其用于生成电力，所述电力发电机包括：
-第一元件和第二元件，其中的至少一个包括电荷，所述第一元件和所述第二元件还被配置为能相对于彼此旋转，以便由此在所述第一元件和所述第二元件中的至少一个包括所述电荷时生成所述电力，
使所述第一元件和所述第二元件相对于彼此旋转；并且
通过控制所述第一元件与所述第二元件之间的旋转的相对速度来控制所述第一元件与所述第二元件之间的距离。
如上文所解释的，所述分离距离对旋转速度具有固有的依赖性，使得通过令所述旋转速度变化来控制所述分离距离，允许关于所述分离距离的部分自调制模式的发电机操作，其中，所述发电机的“内部”参数本身提供了调制方案的基础。
根据仅一个这样的示范性实施方案，使所述第一元件和所述第二元件旋转包括以根据所述电力发电机的输出电压的旋转的相对速度来旋转。这样的方法例如可以有利于管理之前描述的所述类型的双模式TENG的充电阶段和非充电阶段。
本发明的实施例还允许通过手动控制所述元件之间的旋转的相对速度的对所述元件分离的“手动”调制。再者，关于旋转盘摩擦电发电机的具体范例，对旋转速度的手动控制还可以有利地被用在对一个或全部两个板的充电水平的管理中。
根据某些范例，例如，所述旋转的相对速度可以被控制为将所述第一元件和所述第二元件在充电阶段与发电阶段之间周期性地转变，在所述充电阶段期间所述元件相互接触，在所述发电阶段期间所述元件不相互接触。因此，在这里，可以在两个相对稳定的模式之间进行交替，其中，集成驱动器机构被用于在二者之间进行传递。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的范例，其中：
图1示出了图示针对范例旋转盘摩擦电发电机的峰值功率输出与板分离之间的关系的图形；
图2示出了图示针对范例旋转盘摩擦电发电机的峰——峰输出电压与板分离之间的关系的图形；
图3示出了针对螺旋凹槽推力轴承的第一范例凹槽图案；
图4示出了针对螺旋凹槽推力轴承的第二范例凹槽图案；
图5示出了针对螺旋凹槽推力轴承的第三范例凹槽图案；
图6示出了包括螺旋凹槽图案的旋转盘元件的第一范例；
图7示出了图示在各种旋转速度下第一范例螺旋凹槽轴承的根据板分离的承载能力的图形；
图8示出了图示在各种旋转速度下第二范例螺旋凹槽轴承的根据板分离的承载能力的图形；
图9示出了包括螺旋凹槽图案的旋转盘元件的第二范例；
图10示出了包括螺旋凹槽图案的旋转盘元件的第三范例；
图11示出了包括螺旋凹槽图案的旋转盘元件的第三范例；
图12示出了包括螺旋凹槽图案的旋转盘元件的第四范例；
图13图示了包括径向间隔的转子叶片的旋转盘的范例；
图14示出了可以由发电机旋转盘包括的机翼形转子叶片的范例；并且
图15a和图15b示出了具有用于控制转子-定子分离的集成离心调节器轴承的旋转盘发电机的范例。
具体实施方式
本发明提供一种能量生成系统，包括具有相互带电的相互旋转板元件的发电机，并且包括用于精确地控制所述板之间的分离距离的集成驱动机构。驱动机构提供分离，其根据旋转的速度变化，因此在对所述设备的自然操作内使分离控制同化。实施例提供包括自生成轴承的板，既有流体动力流体(液体或气体)轴承又有和离心调节器固体轴承，轴承提供板之间的支持力，其幅度随着板的旋转速度增加而增加。实施例允许关于转子-定子分离和板的电荷水平的管理的自调制TENG，其中，板旋转的驱动速度与发电机的输出电压相联系。还提供了摩擦电生成的方法。
如上文所解释的，本发明广泛地涉及包括电力发电机的任何系统，其通过两个或更多个相互带电的元件的相互旋转操作，元件要求或受益于可变的相对分离。本发明可以有利地适于的发电机的一个特定种类是摩擦电发电机，特别地旋转盘摩擦电发电机，其如上文所解释的，可以受益于转子-定子间隙，其能被精确调节，既用于对发电机功率和/或电压输出的高效管理，又(在一些但并非所有情况中)用于对操作的接触模式与非接触模式之间的转换的有效且稳定的实施。通过本发明的概念的图示，下面概括了各种实施例，其中具体描述了TENG设备和系统内的本发明的实现方案的详细范例。然而，在每种情况下，TENG发电机和系统的应用将被理解为仅示范性的，并且不限制本发明的总体范围，这是因为存在许多其他有利的应用。通过仅一类范例，即通过静电感应生成电力但不通过相互旋转板的摩擦充电操作的感应发电机，可以利用本发明的实施例有效地管理例如功率或电压输出。本发明可以适于发电机的其他范例，具体适用于通过相互充电元件的相互旋转操作的任何范例。
根据第一简单的实施例组，可以提供所述旋转元件自身，其具有固有特征或性质，其响应于旋转在所述元件之间生成分离力(诸如升力)。这样，提供驱动机构，其被集成到旋转板自身的结构中，其旋转自然地提供(固体或液体)轴承，借助于所述轴承，元件可以被支持在分离的状态中。
特别地，存在所谓的自生成推力轴承的各种可能的范例，其提供相互旋转的负载之间的相对低摩擦的轴承支持。轴承的旋转自身生成保持板分离的所要求的支持力，并且可以通过控制轴承旋转的速度精确地控制分离的程度。
通过第一范例，可以通过本发明的一个或多个实施例提供旋转盘发电机，例如旋转盘TENG，其具有旋转盘元件，出于响应于旋转而生成垂直流体动力升力的目的，其中的一个或多个包括弯曲的交错的凹槽的图案。因此，这些范例提供了TENG或其他发电机，其使所谓的螺旋凹槽推力轴承(SGB)并入其盘元件中的一个或多个中。
螺旋凹槽推力轴承是自动的“无接触”流体轴承，其自身的旋转(在润滑流体内)建立将发电机的板支持在分离的状态中所必要的压力。轴承生成所要求的压力以通过所谓“楔入和抽运(wedging and pumping)”动作维护板表面分离的所要求的压力：螺旋图案使得当轴承的部分关于彼此旋转时，凹槽和隆起的螺旋图案朝向图案化的轴承表面的中心推动润滑流体，这引起压力中的总体上升。足够的旋转速度处的压力中的该上升针对将二者推开的轴承的相对表面施加力。
在这样的轴承系统中，轴承表面在旋转的开始和停止期间进行接触，但是在旋转期间的表面之间存在间隙，其中，间隙大小取决于轴承设计、旋转速度、流体介质的粘度和轴承负载。从接触开始，旋转利用作为承载负载的介质的空气或其他流引起流体动力升力。板之间引起的间隙可以是非常小的，使得相对板上的电极之间的静电耦合足够大以在设备操作(非接触)模式期间产生显著的功率输出。
所生成的流体动力的幅度与旋转的速度有关，使得更快的旋转板引起更大的力幅度。板可以经受一些(小)向内预加载力(或偏置)，例如，使得板速度，以及由此的升力，的增加或减小导致板分离的稳定的增加和减小。在这种情况下，发电机板自身的运动直接地驱动板分离的向内和向外调节。
这样的无接触空气轴承允许对转子-定子间隙高度的非常精确的控制，并且因此可以被用于实现发电机输出电压的仔细调制，避免例如输出中的任何大的摆动。而且，这种类型的轴承极大地降低表面摩擦力，其还极大地降低潜在的噪声产生，因此允许对例如产品或应用内的旋转盘TENG的使用，而不需要特殊噪声保护系统或架构。而且，轴承的“自动的”性质(其中，通过轴承自身的旋转生成流体动力压力)意味着可以提供无接触流体轴承的益处，而不使用更传统的增压气体或液体溶液(其引起归因于泵/真空元件等的添加的体积)。
虽然这样的轴承通常被称为“螺旋凹槽”轴承，但是实际上存在各种各样的可能的特定图案化，其可以被用于生成流体动力效应，包括但不限于人字形和v凹槽图案。
通过图示，在图3-6中示出了这样的图案的小样本。图3示出了标准螺旋图案化的范例，其可以被实现在发电机中以提供自生成的流体轴承功能，其中，x(22)和y(24)表示图案的宽度和长度尺寸(以mm为单位)。在该范例中(图3)，图案被示出为适于圆形盘元件(例如可以由如旋转盘TENG包括的盘元件)。凹槽朝向盘的中心孔径向内弯曲，在“抽运”过程的开始或结束处通过其汲取或排出流体。凹槽随着其朝向中心向内弯曲而变窄。在旋转时(在图3中在顺时针方向上)流体从更宽的外部区域到更窄的内部区域沿着凹槽向内用力，导致流体动力压力随之上升。该压力在相对板的表面上施加力，因此提供两个板之间的升力。
在图4中示出该图案的稍微变型(其中，x(22)和y(24)轴也表示以mm为单位的图案的宽度和长度尺寸)，其中，图案包括“螺旋人字形”布置，以及承载盘的外部区域包括交错的“V”形凹槽的环形图案，每个具有后续地朝向盘的中心向内螺旋的尾部。此外，凹槽随着其接近盘的更中心的区域而变窄。根据该设计，“收敛点”的次级环由V形的顶点提供，其中，在(在逆时针方向上)旋转时，从V的两个叉尖建立流体楔子，引起相遇点处的压力的提高和随之而来的垂直升力。
图5示出了备选的图案布置，其中，V形34的圆形序列被形成在盘元件32的外部边缘周围。与图4的范例的“人字形”V类似，盘的(在顺时针方向上的)旋转引起V的顶点处的流体的建立，这是因为空气从这两个叉尖被强迫到中心相遇点中。这引起压力的建立，其垂直地排出到盘的表面，产生力，两个相对的盘元件可以借助于所述力而相互保持分开。
在图6中示出了摩擦电发电机的旋转盘32内的范例螺旋凹槽图案的可能的实现方案的简图。交错凹槽35的螺旋被形成为盘32的平面，跨越交替的第一材料区域36和第二材料区域38的图案。根据一些范例，交替的第一材料区域36和第二材料区域38可以包括交替的摩擦电有效材料区域和摩擦电无效材料区域。根据其他范例，第一区域和第二区域两者可以都包括摩擦电有效材料，以便形成例如电气隔离的金属电极的图案。例如，金属电极每个可以包括相同的摩擦电有效材料，或者区域36和38可以包括不同的摩擦电有效材料。凹槽可以被形成在摩擦电发电机的转子盘元件上或定子盘元件上。
通过非限制性范例的方式，凹槽图案(根据任何范例实施例)可以通过印刷(例如通过激光作用或蚀刻)到金属化丙烯酸层中而形成在盘元件的表面中。这可以与例如旋转扇区36、38的印刷一致执行。备选地，凹槽可以在金属化之前预成型到丙烯酸中。还可以使用如技术人员将理解的用于形成图案的备选方法。
推力轴承的负载轴承能力取决于凹槽自身的各种属性、螺旋的大小和节距、以及负载承载介质的流体性质(例如粘度)。在图7和图8中示出了图示分别在图3和图4的两个范例螺旋轴承图案的各种旋转速度处，根据板分离44(以μm为单位)的负载轴承能力42(以mN为单位)的图形。对于这两个范例而言，向具有2.5mm的内半径和20mm的外半径的盘提供轴承。
图7示出了针对在具有18.3μPa·s的动态粘度的空气中操作的、包括图3的螺旋轴承图案的板，根据板分离44(以μm为单位)的负载轴承能力42(以mN为单位)。具体测试的轴承包括30个凹槽的图案，每个具有15μm的深度，以及±15°的凹槽角α以及为1的隆起宽度对凹槽隆起比率。
在图7中，六个曲线46-56示出了对应于递增的板旋转速度的板的负载轴承能力。曲线46对应于500rpm的角频率，曲线48对应于1000rpm的频率，曲线50对应于1500rpm，曲线52对应于2000rpm，曲线54对应于2500rpm并且曲线56对应于3000rpm。在3000rpm和375mN的负载处，可以期望20μm的转子-定子分离(即气动升力)。对于相同负载而言，在500rpm处，将期望12μm的分离。
图8示出了针对也在具有18.3μPa·s的动态粘度的空气中操作、包括图4的人字形螺旋图案轴承的板，根据板分离44(以μm为单位)的负载轴承能力42(以mN为单位)。具体测试的轴承包括30个凹槽的图案，每个具有15μm的深度，以及±15°的凹槽角α以及为1的隆起宽度对凹槽宽度比率。人字形V顶点的环形布置具有14.25mm的半径。
在图8中，六个曲线62-72对应于与先前的图形的曲线46-56相同的板旋转速度的累进。具体而言，曲线62对应于500rpm的角频率，曲线64对应于1000rpm，曲线66对应于1500rpm，曲线68对应于2000rpm，曲线70对应于2500rpm，并且曲线72对应于3000rpm。与图3的螺旋轴承图案相比，针对给定的分离距离和旋转速度，人字形轴承的负载轴承能力粗略地为一半大。为了在3000rpm的旋转速度处获得20μm的气动升力44，负载不应该超过大约180mN。
根据一些范例，形成螺旋推力轴承的凹槽额外地可以被用于在要实施在摩擦电发电机内的盘元件的表面上的相邻摩擦电段之间提供界定(图9)。如上文讨论的，旋转盘TENG通过在相对盘的表面上形成的摩擦电材料的间隔区域(段)的接连的摩擦充电、交叠以及之后的分离来操作。因此，在一些范例中，促进轴承的流体动力泵动作(主要功能)的凹槽可以有利地被用于提供相邻的摩擦电材料表面部分之间的自然间隔(电极阵列图案的隔离沟槽)的次要功能。不像图6的范例，在这些情况下，凹槽有效地被集成到TENG盘自身的摩擦电图案化。用于促进板分离控制的驱动机构以及用于生成摩擦电能量的所要求的电极配置(挑选的电极阵列)因此混合在单个简单的盘元件结构内。
图9示出了在其中螺旋或人字形凹槽形成隔离线(或沟槽)76的TENG盘元件32的一个范例，其由此将盘分成具有两个交替的电极部分的阵列图案：第一(连续的)摩擦电材料部分78，在其内排列有一系列顺序间隔的隔离摩擦电材料部分80。隔离区域以相同方式用作更典型的旋转盘TENG设计的交替环形段之间的隔离线，例如图6中所图示的。
图10图示了第二范例盘元件32，其包括将作为盘的发电机构的一部分执行次要作用的螺旋凹槽86。在这种情况下，人字形图案84本身形成两个交替电极中的一个，以及第二个由分离区域86形成。在这种情况下，图案84的凹槽不仅隔离不同的电极区域，而是本身包括区域的集合之一。
根据备选范例(图11和图12)，螺旋凹槽轴承被提供在TENG盘元件与摩擦电有效电极部分的分离区域上：电气元件和板分离驱动元件彼此被刻意地分离。
图11图示了这样的布置的一个范例。根据该范例，盘元件32包括外部环形区域92和内部区域94。向内弯曲的凹槽96的圆形布置阵列被形成在外部环形区域92周围，其在内部区域94的周围处结束。内部区域包括第一材料区域98和第二材料区域100的交替图案。根据一些范例，盘元件32可以包括旋转盘TENG的转子元件，在该情况下，第一材料区域和第二材料区域的图案可以包括由缓冲区域100分离的间隔的摩擦电有效圆形扇区98的图案。根据其他范例，盘元件32可以包括旋转盘TENG的定子盘元件，在该情况下，交替的材料区域可以简单地包括(例如电气隔离的)摩擦电有效电极的圆形布置图案。在一些情况下，材料区域98和100可以包括相同的摩擦电有效材料，但是在其他情况下可以包括不同的摩擦电有效材料。在这些情况中的每一种之中，对应的(相对的)盘元件可以包括类似布置，具有由间隔的电极扇区形成的内部区域或间隔的摩擦电材料扇区，并且外部区域包括补充螺旋轴承图案或者简单的平面表面，盘32的图案可以对所述平面表面施加流体动力以便在板之间生成升力。
图12图示了类似范例布置，但是其中，内部区域94包括螺旋凹槽图案104，并且外部环形区域92包括间隔的第一材料区域98和第二材料区域100。如上所述，在盘元件32包括TENG设备的转子盘的情况下，这些区域可以包括由缓冲器区域100分离的间隔的摩擦电有效圆形扇区98的图案。在盘元件包括TENG设备的定子盘元件的情况下，这些区域可以相反包括(例如电气隔离的)摩擦电有效电极的圆形布置图案。在每种情况下，可以再提供TENG的相反的盘元件，其具有摩擦电表面部分或电极的补充图案，使得当相对盘的外部区域的电极部分102相继地彼此经过时，通过静电感应生成能量。
上文所描述的螺旋凹槽轴承机构表示自动轴承机构的仅一组范例，其可以出于控制旋转盘发电机(例如TENG)中的板分离的目的而被包含在本发明的实施例内。根据另一组范例，盘元件中的一个或多个可以包括多个径向间隔的转子叶片元件，使得在旋转时，盘以与螺旋桨或转子或涡轮类似的方式运行。图13图示了根据这样的实施例的范例盘元件。在这种情况下，盘元件32的结构完全由径向布置的转子叶片元件110形成。在旋转时，叶片110引起定子与转子之间的压力以引起上升。发电机内的相反的共轭盘元件可以包括平面盘元件，由此提供平面表面，由螺旋桨形状的元件32所生成的垂直力可以作用于所述平面表面，以提供板间分离力。叶片可以以增加升力的角度倾斜。叶片元件110包括例如被布置在“下侧”表面部分上的一层或多层摩擦电材料，使得相对盘元件上的叶片的旋转产生与在标准旋转盘TENG的摩擦电生成的类似过程，其中，具有与转子叶片的间隔一致间隔的摩擦电材料区域的相对盘元件。
在具体范例中，转子叶片可以包括螺旋桨叶片(例如图13所示的)，或者可以例如包括翼形(机翼)叶片。图14图示了可以由范例TENG设备的盘元件包括的范例机翼转子叶片。在这些情况下，响应于归因于机翼形状的叶片的上表面与下表面之间产生的压力差，生成升力。相对的(定子)盘112可以提供(例如垂直固定)平面表面，转子的升力可以作用于所述平面表面。
根据这些范例的变型，可以通过所谓的“雪橇”方法在实施例中实现“几乎飞行”效果，其中，转子叶片元件以飞机翼、滑雪板或滑水的方式成形以由此随着旋转速度增加而给出升力。
注意：本领域的技术人员将理解，作为对任何气体的替代，任何非导电流体可以充当上文所提到的实施例中的润滑剂。
在其他实施例中，自动/自调制的轴承可以被包含到发电机的板中，其基于固体而不是流体动力效应操作。图15a和图15b图示了这样的实施例的一个范例，其中，应用质量离心调节器的原理以实现响应于旋转速度的对发电机的飞行高度的修改，并且所述飞行高度具有根据旋转速度的幅度。转子元件122包括两个或更多个径向延伸的凹槽124，每个具有根据距盘中心的径向距离而线性减小的深度。凹槽形成穿过转子主体的通道，通过定子126的平面表面在其基座处为界。布置在每个通道内的是球形质量元件128，其自由地沿着通道的长度滚动并且被夹在转子与定子之间，使得通道124的上和下壁表面保持与球体的表面上的点的连续摩擦接触。
当转子122被旋转时，质量元件128关于中心轴相对于定子126的表面以轨道旋转，并且因此经历在正径向方向(即朝向盘的边缘向外)上对其起作用的离心力。由于球形质量具有沿着通道124的径向范围的旋转自由度，因而该力引起质量作为反应沿着通道向外滚动。由于通道124具有随着径向延伸而线性减小的高度，因而沿着通道的球体的位移使得定子稍微向上升起，该垂直位移由旋转球体在结构上支持。更大的旋转速度引起质量元件的更大的向外位移，以及由此的板之间的更大的分离高度134。
通道124的倾角自然地向球形元件128施加径向向内“恢复力”，其作用以在缺少抵消径向力的情况下朝向轴130向内推动球体。因此，随着板的旋转减慢，并且施加在质量元件上的离心力在幅度上的减小，因此由沟道124的斜顶所提供的抵消向内“恢复力”作用以使球体128以相关的量向内位移返回。因此，系统是完全自我恢复的，并且球体径向位移(以及由此的板分离134)与板旋转的速度直接相关。
在某些变型中，通道124实际上可以包括具有根据径向延伸而减小的高度的连续的圆形“室”。在这种情况下，多个球形质量元件可以被以圆形布置在中心旋转轴130周围的所述室内。
虽然在图15a和图15b的范例中，所提供的质量元件128是球形的，但是在备选范例中，质量元件可以采取任何数目的形状或形式之一，诸如通过非限制性范例，长方形、椭圆形、圆柱形、雪茄形等。对于上文所描述的特定实施例而言，质量元件必须径向地移动，其例如在一些情况下可以包括滚动并且在其他情况下包括滑动。
根据本发明的另一方面，提供了操作上文所描述的实施例中的一个或多个来生成电力并且通过控制它们之间的旋转的相对速度来控制板之间的分离距离的方法。特别地，关于使用本发明的实施例来调制发电机板之间的分离距离，两个广泛的操作方法可以是可能的。
根据第一方法，可以在“手动地”控制板的分离时利用驱动机构：即，盘的旋转的速度由例如一个或多个专用控制电路或由软件(在发电机的)外部控制，以便根据一些(可能)预定的程序或方案在某些时间处引起或保持分离距离。在这种情况下，本发明的实施例提供用于在发电机的操作期间将板分离距离驱动并且维持到高精确度的高度有效的紧密和集成机构。
然而，根据第二方法，本发明的实施例可以被用于实现发电机元件之间的分离距离的至少部分自调制——即，板之间的分离距离被调制并且根据发电机自身的参数而被“内部地”控制。用于控制距离的具体预定方案不适于发电机，而是，对发电机进行适配，使得元件的旋转的相对速度根据发电机本身的一个或多个操作(例如)参数而变化。
存在可以具体实现这些的许多能想到的布置。然而，根据仅一个特定范例，可以对发电机进行适配，使得旋转的速度取决于发电机的输出功率或电压。这样的方法可以例如在管理所述前述章节中所描述的分类的双模式TENG的充电阶段和非充电阶段中是有利的。在这种情况下，随着板上的电荷漏出，在操作的非接触阶段期间，发电机的输出电压(或功率)下降，并且作为反应，旋转的速度被降低到相关程度。因此，板之间的分离变窄。随着电荷变得更小，因此板变得更近，在最后进行摩擦接触之前，在该点处发起板的充电。当板充电时，输出电压再次迅速地上升，并且作为反应，板被(相对地)加速到高速度。该速度的增加又引起板之间的分离，并且非接触能量生成可以重新开始。
还可以通过根据本发明的实施例的板分离调节的一个或多个“手动”模式有利地管理旋转盘TENG的双模式操作。例如，外部控制器电路或计算机模块例如可以根据某些范例被用于使相对旋转速度变化，以便周期性地将板在固定分离充电(非充电)阶段与发电(接触)阶段之间转换。根据该范例，板旋转的速度不与发电机的操作参数(例如输出电压)成比例地连续降低，而是可以在整个发电阶段被保持相对恒定，例如，仅在板的充电状态到达某个较低阈值时被降低。因此在两个相对稳定的模式之间间歇地交替，并且所述集成驱动器机构被用于在所述两者之间的转变。
根据本发明的任何实施例，发电机可以根据一个或多个手动“用户控制”模式操作，其中，分离距离是根据一个或多个用户输入命令而被控制的。实施例可以允许内在自调制模式与一个或多个“手动”模式之间“切换”的发电机。实施例可以提供能在上文描述的自调制模式与手动间歇充电模式之间切换的TENG。
根据上文所描述的实施例中的一个或多个，专用马达可以被提供用于驱动板的旋转。这样，旋转速度可以“在源处”被直接地控制。然而，在备选实施例中，相反，可以使用转子能量的“外部”源(例如风轮机或水轮机)以及动量的振动源、和/或用户的身体运动。在这些情况下，盘旋转的速度在源处是不可控制的，但是可以通过将一些中间阻力应用到供应的旋转负载从而将驱动速度减慢到期望的水平来控制。在这种情况下，最大速度将仍然由马达源确定，但是通过将阻力选择性地应用到该源的机械输出，可以控制对于发电机的能量传递率。
这是盘(相对于彼此)的相对旋转。因此，上文描述的设计可以适用于转子或定子。关于哪一个是转子并且哪一个是定子是任意的。
TENG可以被广泛地分为四个主要操作类别。本发明可以在许多类型的TENG中使用。
操作的第一模式是垂直接触——分离模式，其中，两个或两个以上板通过施加的力周期地进入或脱离接触。这可以被用在鞋中，例如，其中，由用户在其跨步时施加的压力被用于使板进入接触。在Peng Bai等人的文章“Integrated Multilayered TriboelectricNanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motions”(ACSNano，2013年，7(4)，第3713-3719页)中已描述了这样的设备的一个范例。这里，设备包括形成在锯齿形衬底上的多层结构。设备基于归因于接触起电的表面电荷传送操作。当压力被施加到结构时，锯齿形状被压缩以创建不同层之间的接触，并且在压力被释放时，接触被释放。收集的能量可以例如被用于对移动便携式设备充电。
操作的一个模式是线性滑动模式，其中，引起板的相对于彼此的横向滑动，以便改变它们之间交叠的面积。在板两侧引起电势差，其具有与总交叠面积的变化率成比例的即时幅度。通过重复地使板进出彼此的相互交叠，可以在板之间连接的负载两端建立交流电。
在文章“Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators forHarvesting Energy from a Moving Object of Human Motion in Contact and Non-Contact Modes”(Adv.Mater.2014,26,2818-2824)中公开了使得能量能够从滑动运动收集的设计。独立可移动层在一对静态电极之间滑动。可移动层可以被布置为不与静态电极接触(即在静态电极上的小间隔处)或其可以进行滑动接触。
操作的第三模式是单个电极模式，其中，一个表面例如接地——例如地面路线——并且负载被连接在该第一表面与接地之间(例如见Yang,Ya等人的“"Single-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powereddisplacement vector sensor system.”("ACS'nano 7.8，2013年，7342-7351页))。未电气连接到第一表面的第二表面进入与第一表面的接触并且将其摩擦充电。当第二表面接着被从第一表面移开时，第一表面中的超出的电荷被驱动到地，这提供跨负载的电流。因此，仅(在单个层上的)单个电极被使用在操作的该模式中来提供输出电流。
操作的第四模式是独立摩擦电层模式，其被设计用于从没有进行电气连接的任意的移动对象收集能量。例如，该对象可以是经过的汽车、经过的火车或鞋(再者见“Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-poweredsystems and as active mechanical and chemical sensors”."ACS'nano 7.11，2013年:9533-9557)。
通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域的技术人员在实践所主张的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种能量生成系统，包括：
-电力发电机，其用于生成电力，所述电力发电机包括：
-第一元件和第二元件(32)，其中的至少一个被配置用于包括电荷，所述第一元件和所述第二元件还被配置为能相对于彼此旋转，以便由此在所述第一元件和所述第二元件中的至少一个包括所述电荷时生成所述电力，
其中，所述系统还包括：
-机构，其被配置用于控制所述第一元件与所述第二元件之间的距离，使得所述距离是根据所述第一元件与所述第二元件之间的旋转的相对速度而被控制的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一元件和所述第二元件中的至少一个的平面表面包括凹槽(34、76、84、96、104)，所述凹槽用于响应于所述旋转的相对速度而生成所述第一元件与所述第二元件之间的流体动力。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述凹槽(34、76、84、96、104)朝向所述第一元件和所述第二元件的旋转的中心而向内弯曲。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述凹槽(34、76、84、96、104)包括螺旋图案。
5.根据权利要求2-3中的任一项所述的系统，其中，所述凹槽(34、76、84、96、104)具有横截面积，所述横截面积根据从旋转的中心测得的径向距离而增大。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一元件或所述第二元件(32)包括两个或更多个径向延伸的凹槽(124)，所述两个或更多个径向延伸的凹槽中的每个具有根据从所述第一元件与所述第二元件之间的旋转的中心测得的径向距离而减小的深度。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括被定位在每个径向延伸的凹槽(124)内的至少一个径向移动质量元件(128)。
8.根据权利要求2-3中的任一项所述的系统，其中，所述凹槽至少部分地界定相应元件(32)的所述平面表面的摩擦电材料有效部分。
9.根据权利要求2-3中的任一项所述的系统，其中，所述平面表面包括第一环形区域(92)和第二环形区域(94)，并且其中，所述第一环形区域包括凹槽(96、104)的图案，并且所述第二环形区域包括多个摩擦电有效表面区域(98)。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述元件中的至少一个包括径向间隔的转子叶片元件(110)。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述转子叶片(110)包括螺旋桨叶片或翼形叶片。
12.根据权利要求10或11所述的系统，其中，所述叶片(110)包括一层或多层摩擦电材料。
13.一种能量生成方法，包括：
-提供电力发电机，其用于生成电力，所述发电机包括：
-第一元件和第二元件(32)，其中的至少一个包括电荷，所述第一元件和所述第二元件还被配置为能相对于彼此旋转，以便由此在所述第一元件和所述第二元件中的至少一个包括所述电荷时生成所述电力，
-使所述第一元件和所述第二元件相对于彼此旋转；并且
-通过控制所述第一元件与所述第二元件之间的旋转的相对速度来控制所述第一元件与所述第二元件之间的距离。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，使所述第一元件和所述第二元件旋转包括以根据所述电力发电机的输出电压的旋转的相对速度来旋转。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述旋转的相对速度被控制为将所述第一元件和所述第二元件(32)在充电阶段与发电阶段之间周期性地转变，在所述充电阶段期间所述元件相互接触，在所述发电阶段期间所述元件不相互接触。
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