CN108141150A - 电力生成设备和电力生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种包括至少两个生成装置的电力生成设备，每个生成装置适于通过两个受到同等或不同地带电的生成元件的相对运动来生成电压输出，所述生成元件具有一定的分离距离(可以是零或非零的)。所述装置被协作地配置为使得其各自的元件之间的分离距离是互反相关的：一个分离距离的增大导致另一分离距离的相关的减小。通过对这两个信号输出进行组合，可以由所述设备以自我调节的方式提供单个电压输出、电流输出或功率输出，其幅度基本上独立于两装置中的任一装置的元件之间的分离距离的任何变化或变动。
Description
技术领域
本发明涉及电力生成设备和方法；具体涉及适于将机械能转换为电能的设备和方法。
背景技术
将小规模的机械能源收集或转换为可用形式的电能是近年来受到重点关注的领域，并且作为技术领域已经经历了快速并且显著的发展。
具体地，已经成为更多关注的焦点的一个领域是摩擦电能生成的领域。摩擦起电效应(也被称为摩擦起电)是接触诱发的起电，其中，在一种材料与一种不同的材料通过摩擦相接触之后，所述材料变得带电。摩擦生电基于：通过使摩擦起电效应与静电感生相结合的方法，使机械能转换为电能。已经提出了利用摩擦生电对诸如传感器和智能电话的可佩带设备进行供电，其方式是从诸如走路、随机身体运动、风吹、振动或海浪的来源中获取否则将被浪费的机械能(例如，参考Wang，Sihong、Long Lin和Zhong Lin Wang在NanoEnergy，11(2015)：436-462上的“Triboelectric nanogenerators as self-poweredactive sensors”)。
在其最简单的形式中，摩擦电(triboelectric)生成器使用两片异质材料，一片为电子供体，另一片为电子受体。所述材料中的一种或多种材料能够是绝缘体。其他可能的材料可以包括半导体材料，例如，包括天然氧化物层的硅。当使所述材料发生接触时，电子被从一种材料交换到另一种材料，从而在这两种材料上感生出互反(reciprocal)电荷。这是摩擦起电效应。
如果之后将两个片分开，每个片都保持(不同极性的)电荷，并且通过其之间的空隙而被隔离，并且建立电势。如果在两个材料表面上设置电极，并且在电极之间设置电负载，那么各片的任何侧向或垂直的进一步位移将在这两个电极之间感生作为响应的电流。这是电感生的范例。随着两个板的相应电荷中心之间的距离增大，两个板之间的跨所述间隙的相互吸引的电场将减弱，从而导致两个外侧电极之间的增加的电势差，因为电荷的经由所述负载的电吸引力开始克服跨所述间隙的静电吸引力。
以这种方式，摩擦电生成器通过以下两种主要物理机制之间的耦合来将机械能转换为电能：接触起电(摩擦起电)和静电感生。
通过周期性地增大和减小各板的电荷中心之间的相互分离，作为响应能够感生电流在板之间来回流动，由此生成跨所述负载的交变电流。
最近，已经开发出了一种利用这种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Wang,Z.L,.在ACS nano 7.11(2013)：9533-9557上的“Triboelectricnanogenerators as new energy technology for self-powered systems and asactive mechanical and chemical sensors”一文中所公开的。基于这种效应，已经开发了若干种设备配置：所谓的摩擦电生成器(“TEG”)或摩擦电纳米生成器(“TENG”)。摩擦电纳米生成器构成了摩擦电生成器的一个子集，其特征在于生成器板的特定特异性表面特性。
自从2012年首次对其进行报导之后，TEG的输出功率密度已经得到了极大改善。体积功率密度可以达到400千瓦每立方米以上，并且已经展现出～60％的效率(出处同上)。除了高输出性能之外，TEG技术还具有诸多其他优点，诸如低生产成本、高可靠性和鲁棒性以及低环境影响。
TEG可以被用作电力生成器，即，从例如振动、风、水、随机身体运动的能量收集，或者甚至机械可用功率向电力的转换。所生成的电压为电力信号。
TEG可以被宽泛地划分为四种主要的操作类型。
操作的第一模式是垂直接触-分离模式，其中，通过施加的力使两个或更多板周期性地接触或脱离接触。这种模式可以用到鞋内，例如，其中利用用户踏步时所施加的压力使各板相接触。Peng Bai等人在ACS Nano 20137(4)，第3713-3719页上的文章“IntegratedMultilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energyfrom Human Motion”中描述了这样的设备的一个范例。在此，所述设备包括在之字形衬底上形成的多层结构。所述设备基于因接触起电而引起的表面电荷转移来工作。当向所述结构施加压力时，所述之字形受到压缩，以在不同的层之间创建接触，并且当所述压力被释放时，所述接触也被释放。例如，所收集的能量可以被用于对移动便携式设备进行充电。
操作的第二模式是线性滑动模式，其中，诱发各板相对于彼此横向地滑动，以便改变所述板之间的重叠面积。跨所述板感生出电势差，所述电势差具有与总重叠面积的变化率成比例的瞬时幅度。通过反复地使各板相互重叠以及脱离相互重叠，可以建立跨被连接在所述板之间的负载的交变电流。
已经开发出的线性滑动模式TEG的一个具体子集是能够在接触模式(即，连续摩擦起电和静电感生)和非接触模式(即，初始接触起电之后仅静电感生)两者的情况下工作的旋转盘TEG。旋转盘TEG通常包括至少一个转子和一个定子，其中的每个被形成为一组间隔开的圆形扇区(节段)。随着两个盘相对于彼此旋转，各扇区重叠并且然后分离。如上文所描述的，可以在两个横向滑动——带相反电荷的——层之间感生电流，其幅度与重叠的面积的变化率成比例。随着转子的每个相继间隔开的扇区与给定定子扇区重叠并且然后脱离重叠，将因而在这两个扇区板之间感生电流，所述电流初始随着板的重叠的增大而处在第一方向上，而然后随着板的重叠的减小而处在相反方向上。
在Adv.Mater.2014，26，2818-2824上的文章“Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object ofHuman Motion in Contact and Non-Contact Modes”中公开了一种能够从滑移运动中收集能量的设计。一个独立的可移动层在一对静止电极之间滑动。所述可移动层可以被布置为不与所述静止电极发生接触(即，处于静止电极之上的小的间隔处)或者其可以产生滑动接触。
操作的第三模式是单电极模式，其中，一个表面(例如)被接地——例如，地面道路——并且将负载连接于该第一表面与地之间(例如，参见Yang,Ya等人在ACS nano 7.8(2013)：7342-7351上的“Single-electrode-based sliding triboelectricnanogenerator for self-powered displacement vector sensor system”)。使第二表面——未被电连接至第一表面——与第一表面相接触，并且对其摩擦起电。然后，随着移动第二表面使之离开第一表面，第一表面中的过剩电荷被驱动至地，由此提供跨负载的电流。因而在操作的这种模式中仅使用(在单个层上的)单个电极来提供输出电流。
操作的第四模式是独立摩擦电层模式，其被设计用于从未与其电连接的任意移动对象收集能量。例如，该对象可以是经过的车辆、经过的火车或者鞋。(在此地，参见ACSnano 7.11(2013)：9533-9557上的“Triboelectric nanogenerators as new energytechnology for self-powered systems and as active mechanical and chemicalsensors”。)
还存在摩擦电生成器的另外的设计，诸如基于接触起电的双拱形构造。压力使得各拱靠近以使各拱层之间相接触，并且当释放压力时各拱返回到打开形状。也已经提出了被形成为用于从环境振动中捕获能量的谐波共振器的摩擦电生成器。
如所提到的，旋转盘TEG乃至线性滑动模式TEG一般都能够在接触模式和非接触模式两者下工作。尽管期望接触以对各板进行摩擦起电(初始地以及接下来同样地，以对抗泄露)，但是静电感生过程自身(借助于其生成电能)不要求各板之间相接触，而是以小的板分离(例如，大约0.5mm——例如，参见Long Lin等人在Nano Letters，2013，13(6)，2916–2923上的Segmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for HarvestingRotational Mechanical Energy)良好地工作。
以接触模式操作——其中，各板被保持处于连续摩擦接触中——导致更高的功率输出，因为各板被持续地起电，并且因此，通过持续地替换因泄露等损失的电荷而持续地保持在某一理论最大表面电荷密度处。然而，以接触模式操作带来了各种困难，包括：过多的噪声产生以及因表面磨蚀而引起的设备材料(以及继而设备寿命)的劣化。因此，在大多数情况下，优选间歇性地诱发板之间的接触，以用于在必要时进行摩擦起电，并且然后以非接触模式操作，以便克服所描述的噪声、摩擦和设备寿命方面的困难。
然而，这样的双模式操作带来了新的困难，其归因于以下事实：在静电感生期间生成器板之间的分离距离对所生成的电输出的电压和功率幅度有非常强的影响。因此，对各板的间歇起电(其需要在接触布置和分离布置之间频繁地重新定位)在生成器工作的过程中导致不均匀的功率和电压输出。每个摩擦起电阶段的开始将随着使各板相互靠近而导致功率输出的瞬时或短暂的增加，并且每次返回至非接触模式都将导致功率输出的同等的下降。当利用所述生成器驱动电部件时，这样的输出的不均匀性显然不是理想的。
作为例示，图1的曲线图表示对于包括PTFE转子的范例旋转板TEG而言在以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)之间的测量到的关系。如上文所讨论的，当各板相接触(即，零板分离)时功率输出最大，对于图1的范例转子而言达到了测量到的大约0.5mW的峰值输出。随着板分离的增加，峰值功率输出锐减，仅0.5mm的分离就引起接近80％的输出减小，因而峰值功率下降到仅0.1mW。对于特定旋转盘TEG设备类型而言，在2mm的分离处，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TEG而言，在以mm为单位的板分离(x轴16)与以V为单位的输出电压的峰-峰幅度(y轴18)之间的关系。再一次地，响应于板分离增加而观测到急剧下降，其中，1mm的间隙引起大约75％的峰-峰电压的减小(从～140V至～35V)。
板分离距离与峰值功率输出之间的这种强的关系不仅对于由图1和图2的曲线图所表示的范例摩擦电生成器成立，而且对于根据静电感生的类似原理生成电力的所有各种各样的电生成器都成立。各板之间的分离距离的小的变化在所生成的功率输出导致波动，其中各板之间的分离距离的所述小的变化不仅可能是由故意感生的变化所引起的——诸如当对TEG的板进行起电时——而且也可能是由外部环境影响或者由于设备组装误差或不容许的制造偏差(例如，平直度、粗糙度)造成的错位所引起的。
因而，需要提供一种能量生成(或功率转换)设备，其根据这些原理操作，但是其中，该设备被配置为使得所生成的功率输出不那么严格地依赖于移动板元件之间的分离距离。
发明内容
本发明由权利要求定义。
根据本发明的一方面，提供了一种电力生成设备，包括：
电力生成器，其包括第一生成装置和第二生成装置，每个装置被配置为生成输出电压和/或输出电流，并且每个装置至少使用第一生成元件和第二生成元件，所述第一生成元件和所述第二生成元件中的至少一个适于具有带电的状态，并且所述第一生成元件和所述第二生成元件适于能相对于彼此移动，以便生成结果的输出电压和/或输出电流，所述输出电压和/或所述输出电流取决于所述第一生成元件与所述第二生成元件之间的分离距离，
其中，所述生成装置被协作地配置为使得所述第一装置的生成元件之间的分离距离的增大导致所述第二装置的生成元件之间的分离距离的相关的减小，并且反之亦然，并且
其中，所述电力生成器还包括组合器单元，所述组合器单元适于组合所述第一生成装置和所述第二生成装置的输出电压和/或输出电流，以便从所述电力生成器生成组合电输出信号。
因而本发明的实施例提供了一种包括至少两个不同的生成装置的电力生成器，每个生成装置适于通过两个带电的生成元件的相对运动来生成单独的电流输出和/或电压输出，所述生成元件具有一定的分离距离(其可以是零或者非零的)。各装置以一定方式被协作地配置，使得其各自的元件之间的分离距离是互反的关系：一个分离距离的增大导致另一分离距离的相关的减小。
通过对这两个信号输出进行组合，可以提供单个电流输出或电压输出，其幅度基本上独立于两个装置中的任一装置的元件之间的分离距离的任何变化或变动。以这种方式，两个独立的电压的耦合贡献对电压变化进行补偿，并且相加为相对恒定的输出，而不管所述板的分离距离以及所配置的元件相对于彼此的位置如何。
注意，在本发明的语境下，生成元件应当被理解为是意指所述设备的用于在电力生成中使用的元件、部件或构成部分。在范例中，所述生成元件可以包括单个隔离的部分，诸如单个电极或单个表面区段，或者，在另外的范例中，所述生成元件可以包括各部分的集合、布置或组配，诸如各电极或表面部分的图案或分组，其形成用于在所述设备之内的电力生成中使用的集合单元。
此外，在范例中，所述第一生成装置和所述第二生成装置中的每个可以包括单独的一对第一生成元件和第二生成元件以专供其使用，或者可以备选地共享公共的一对第一生成元件和第二生成元件中的一个或两者。
在范例中，可以提供超过两个的生成装置。
根据一组范例实施例，所述电力生成器包括第一生成构件、第二生成构件和第三生成构件，至少所述第三生成构件被配置为能相对于第一生成构件和第二生成构件移动，并且其中，
所述第一生成构件包括所述第一生成装置的第一生成元件，所述第二生成构件包括所述第二生成装置的第一生成元件，并且所述第三生成构件包括所述第一生成装置和所述第二生成装置两者的第二生成元件。
在这些实施例之内，提供了三个生成构件，其中，所述第一生成构件与所述第三生成构件静电地耦合以提供所述第一生成装置，并且所述第二生成构件与所述第三生成构件静电地耦合以提供所述第二生成装置。
在范例中，所述生成构件可以包括生成器板，所述生成器板具有被设置在一个或多个表面上的生成元件。
所述第三生成构件可以被设置在所述第一生成构件与所述第二生成构件之间，并且被配置为能沿着在这两个生成构件之间延伸的轴移动。
在这种情况下，所述第一装置的第一生成元件或第二生成元件可以被设置在所述第三构件的一侧上，并且所述第二装置的第一生成元件或第二生成元件可以被设置在所述第三构件的交替侧上。因此，所述第三构件的运动诱发所述第一生成装置与所述第二生成装置两者的相应生成元件对之间的相对运动。
此外，根据该方案，所述第三构件相对于所述第一构件和所述第二构件的位移在这两者之间具有固有的互反性：移动越靠近其中的一个，则使其越远离另一个。
在范例中，所述第三生成构件沿着所述轴的位置可以根据外力的施加(例如，利用图5/6中的轴承游隙)来控制。
所述第三生成构件可以被耦合至承载体，所述承载体能沿着所述轴的各方向位移，由此允许所述第三构件沿着所述轴在所述第一构件与所述第二构件之间进行移动。例如，所述承载体可以包括轴、杆、主轴或者其他支撑器件。
所述承载体可以具有被布置为与在所述第一构件与所述第二构件之间延伸的轴对准的纵轴。在一些具体范例中，所述承载体可以被布置和调整为使得沿着所述纵轴的方向的力的施加能够诱发所述第三构件沿着在所述第一构件与所述第二构件之间延伸的轴的位移。
所述承载体的位移可以是沿着所述轴在一个方向上被弹簧偏置的。以这种方式，根据一个或多个范例，逆着该方向被施加至所述承载体的任何外力(例如，以诱发位移)被弹性地抵制。另外，所述弹簧偏置在一些情况下可以被配置为使得在所述第一构件或所述第二构件的方向上推动所述第三生成构件。
根据一个或多个实施例，所述第一生成装置和所述第二生成装置中的每个生成装置的生成元件均可以包括各自组的一个或多个能带电表面区域。
在一组范例中，所述第一生成构件、所述第二生成构件和所述第三生成构件包括各自的盘状元件，所述第三生成构件能相对于所述第一生成构件和所述第二生成构件旋转，或者反之亦然，以便由此生成一个或多个输出电压和/或输出电流。
所述设备还可以包括控制器单元，所述控制器单元适于控制所述第三构件沿着在所述第一构件与所述第二构件之间延伸的轴的位置。
例如，所述控制器可以适于在所述第三构件与所述第一构件和/或所述第二构件之间诱发间歇周期的接触，由此诱发所述第一生成装置和/或所述第二生成装置的所述第一生成元件与所述第二生成元件之间的接触。
根据特定的一组范例，所述控制器可以适于使所述第三构件在所述第一构件与所述第二构件之间来回循环地移动。这例如在所提供的电力生成器为摩擦电电力生成器的情况下可以促进摩擦起电的间歇时段。
当所述电力生成器为摩擦电电力生成器时，所述控制器可以方便地被用于诱发并控制对所述生成器的各板的摩擦起电的间歇时段。
所述组合器单元可以适于对两个装置的输出电压和/或输出电流进行加和。
根据本发明的另一方面的范例提供了一种电力生成方法，包括：
操作电力生成器，所述电力生成器包括第一生成装置和第二生成装置，每个装置被配置为生成输出电压和/或输出电流，并且每个装置至少使用第一生成元件和第二生成元件，所述第一生成元件和所述第二生成元件中的至少一个适于具有带电的状态，并且所述第一生成元件和所述第二生成元件适于能相对于彼此移动，以便生成结果的输出电压和/或输出电流，所述输出电压和/或所述输出电流取决于所述第一生成元件与所述第二生成元件之间的分离距离，
其中，所述生成装置被协作地配置为使得所述第一装置的生成元件之间的分离距离的增大导致所述第二装置的生成元件之间的分离距离的相关的减小，并且反之亦然，
其中，所述方法包括：
诱发由所述第一生成装置和所述第二生成装置中的每个所使用的第一生成元件与所述第二生成元件之间的相对运动，由此从所述第一生成装置和所述第二生成装置中的每个生成装置生成各自的结果的输出电压和/或输出电流；并且
组合所述第一生成装置和所述第二生成装置的输出电压和/或输出电流，以便从所述电力生成器生成结果的组合电输出信号。在所提出的本发明中，该组合电输出在这两个装置的生成元件之间的小的分离距离上提供自我调节的恒定输出。
在范例中，所述电力生成器可以包括第一生成构件、第二生成构件和第三生成构件，至少所述第三生成构件被配置为能相对于所述第一生成构件和所述第二生成构件移动，并且其中，
所述第一生成构件包括所述第一生成装置的第一生成元件，所述第二生成构件包括所述第二生成装置的第一生成元件，并且所述第三生成构件包括所述第一生成装置和所述第二生成装置两者的第二生成元件，
所述方法还包括：
控制所述第三生成构件相对于所述第一生成构件和所述第二生成构件的位置，从而使其在所述第一构件与所述第二构件之间来回循环地移动。
附图说明
现在将参考随附的附图来详细描述本发明的范例，在附图中：
图1示出了图示针对范例旋转盘摩擦电生成器的峰值功率输出与板分离之间的关系的曲线图；
图2示出了图示针对范例旋转盘摩擦电生成器的峰-峰输出电压与板分离之间的关系的曲线图；
图3示意性描绘了第一范例生成器设备；
图4示出了表示作为第一范例设备的不同生成装置的板分离距离的函数的电压输出的示意图；
图5a和图5b示意性描绘了第二范例生成器设备；
图6a和图6b示意性描绘了并入了第二范例生成器设备的范例电动剃须刀设备；
图7示意性描绘了第三范例生成器设备；
图8示出了表示作为第三范例设备的不同生成装置的板分离距离的函数的电压输出的曲线图；
图9示意性描绘了第四范例生成器设备；
图10示意性描绘了第五范例生成器设备。
具体实施方式
本发明提供了一种包括至少两个生成装置的电力生成设备，每个生成装置适于通过两个同等或不同地带电的生成元件的相对运动来生成电压输出，所述生成元件具有一定的分离距离(其可以是零或非零的)。所述装置被协作地配置为使得其各自的元件之间的分离距离是互反地相关的：一个分离距离的增大会导致另一分离距离的相关的减小。通过使这两个信号输出相组合，可以所述设备提供单电流或电压输出，所述输出的幅度基本上与两个装置中的任一装置的元件之间的分离距离的任何变化或变动无关。
如上文所解释的，由基于静电感生的生成器(例如，TEG生成器)所生成的输出的峰值功率或电压与其两个相对移动的板元件之间的分离距离强烈相关。因此，该分离距离的任何变动都会引起所生成的输出的波动。本发明的实施例提出了一种解决方案，其中，组合两个不同的生成装置的输出，以形成单信号或功率输出，所述两个装置被机械地配置为使得其分离距离存在互反关联。因此，这两个独立的电压和/或电流的耦合贡献合计成相对恒定的值，所述相对恒定的值不响应于生成器板分离距离的变动而变化(或者仅有最小的变化)。
根据特定的一组范例实施例，所述生成装置包括一个或多个摩擦电电力生成器或者由其构成。其特征在于，每个生成装置的第一组生成元件与第二组生成元件之间的相对带电是借助于间歇时段的物理接触而建立和保持的，在所述时段期间在每组的元件上积聚互反的电荷(摩擦起电的过程)。这些实施例要求生成元件由具有摩擦电活性的材料(其形成‘摩擦电系列’的部分)构成。
通过对本发明的原理的例示的方式，现在将详细地描述特别并入了基于摩擦电的生成器装置的各种范例实施例。然而，应当理解，由这些范例所图示的原理并不限于对基于摩擦电的系统的具体应用，但是事实上，其可以应用于很宽范围的特定电力生成器装置中的任何电力生成器装置。这样的生成器一般可以包括通过两个或更多起电元件的相对运动而操作的任何电力生成器，例如包括通过静电感生而生成电能但不通过对相互移动的元件的摩擦起电而工作的基于感生的生成器，或者基于驻极体材料的生成器，或者向其上转移表面电荷或者从外部电荷源(例如，电荷枪)激活其表面电荷的生成器。在每个所描述的实施例中，应当理解，所提供的基于摩擦电的生成器同样可以很好地被不同的各种各样的生成器所替代，而不会折损由所描述的装置所赋予的相对于现有技术设备的关键优势。
图3示出了根据本发明的实施例的第一简单范例设备。所述设备包括三板旋转盘TEG构造，所述三板旋转盘TEG构造具有第一盘状板22、第二盘状板24和第三盘状板26，其全部被安装至将其三个关联到一起的中央轮轴28。第三盘状板26被设置在第一盘状板22与第二盘状板24之间，并且被配置为能在所述第一板与所述第二板之间沿着轮轴28的长度移动。在所描绘的特定范例中，所述第一板和所述第二板包括第一TEG定子板和第二TEG定子板，并且所述第三板包括TEG转子板。然而，应当理解，在备选范例中，所述第一板和所述第二板可以替代地包括两个转子板，并且所述第三板可以包括单定子板。
第一板22和第三板26包括被设置在其的相对表面上的具有摩擦电材料部分或摩擦电电极(未示出)的协作布置或图案，这些形成了第一生成装置的第一生成元件和第二生成元件。第二板24和第三板26也包括被设置在其各自的相对表面上的具有摩擦电材料部分或摩擦电电极(未示出)的协作布置或图案，这些形成了第二生成装置的第一生成元件和第二生成元件。因此，转子板26包括两组摩擦电材料部分(或者摩擦电电极)；其主平面表面的每个表面上设有一组。
在转子盘26旋转时，相对于第一定子板22的电极图案的相对运动将生成具有第一电压V1的第一输出信号。同时，转子26相对于第二定子板24的电极图案的相对运动生成具有第二电压V2的第二输出信号。组合器单元34对两个输出信号进行组合(或者加和)，以形成具有电压V3的第三结果输出信号，其等于两个分量输出电压V1和V2之和。注意，可以针对输出电流应用与针对输出电压的相同的原理。
随着转子板26沿着轮轴28来回移动，相对于第一定子22和第二定子24的相应分离距离互反地变化，其中一个分离距离的增大导致另一分离距离的完全相等的缩小。分离距离的这些变化导致所生成的输出电压V1和V2的相等的互反变化。
图4示出了图示电压输出V中的这些变动作为转子盘26沿着轮轴28的位移x的函数的曲线图。也示出了由组合器单元所生成的结果的组合输出V3。如能够看到的，所述组合输出并不是在所述装置的整个宽度上完全均匀的，而是随着转子朝向离开第一定子22的方向移动而下降，并且在两个定子之间的中心点处达到低值，而后随着转子接近第二定子24而再次升高。如果正确地设计(例如，通过选取适当的材料和旋转节段的数量)，能够在小的分离距离变化范围上实现恒定功率输出。现实值在电力生成模式下为大约0.5-1mm，在该模式下，其被认为构成了在本文中所描述的生成器的运行时间的>95％。
尽管在大多数情况下组合输出并非完全均匀，但是与(例如)第一生成装置或者第二中的任一者生成装置独自的输出相比其仍然表现出了均匀性的显著改善。具体地，组合输出信号V3提供了跨第一定子22与第二定子24之间的总分离对称地变化并且在任何点处都不缩小到接近零的值的输出。因此，所述组合信号提供了用于驱动外部电部件的可靠得多的输出，因为板分离可以变化——有意地或者响应于背景或环境因素——而驱动输出不会一直下降到极其低的水平(即，不再可能驱动给定部件从而导致部件失效的水平)。
具有自我补偿功率输出的这样的TEG设备相对于常规的旋转盘TEG构造若干实际的优势。具体地，所生成的功率(或电压)对于例如由于组装误差或者不容许的制造偏差(例如，平直度、粗糙度)所引起的转子-定子错位不再那样极其敏感。对于‘较大’的转子-定子分离距离变动而言，所述TEG设备构造更加鲁棒(相对于功率输出而言)，即，生成器的各板能够在宽得多的程度内变化，而不会对结果的功率输出造成极大损害。
在具有自我补偿输出功率的TEG中(如在本发明的实施例中)，降低了对使功率输出最大化或者实现恒定(或者接近恒定)的输出功率的额外复杂控制电子器件的需求：所述三板设备表示一种纯机械的解决方案，其可以利用最少的额外功率转换电子器件来实施。此外，能够以非接触模式来操作所述设备，并且发起周期性或间歇式的摩擦起电，而无需在生成器表面之一上的螺旋槽图案。同样地，能够允许转子或定子在TEG的操作期间的相对移动。在实践中，这样的相对移动常常是由于轴承游隙的原因而发生的。能够利用该轴承游隙，并且使用其来确保摩擦起电。
所述构造允许设备以间歇接触模式来操作，而没有输出电压或功率的显著波动。可以使转子26沿着轮轴28移动，使其与第一定子22或第二定子24相接触，以用于摩擦起电，而不使设备的输出跌落到极低水平。
现在将详细地描述自我补偿生成器设备的一些具体实施例，所述自我补偿生成器设备中的每个是根据图3的简单范例设备所体现的原理操作的。
根据这些实施例中的第一组，提供了一种三板TEG设备，其包括两个定子和单个转子，其中，所述定子包括机械轴承或机械轴承的表面或者被压印在其上。被能移动地设置在所述两个定子之间的转子借助于承载体被耦合至一个或多个外部机械输入源。这些输入可以是变化和非均匀的，使得将感生转子相对于两个定子的很大程度上随机的或不规律的运动。在范例中，可以方便地利用这种半随机外力以将转子(在各间歇点上)推到所述定子之一或这两个定子上，由此感生两个定子之间的摩擦起电。所述设备的自我补偿性质意指，随之发生的定子-转子分离距离的反复无常的变动将因第二生成器装置所提供的功率自我调节的原因而不会显著影响由该设备所生成的功率输出的幅度。在这样的操作模式中，甚至可以有效率地利用外部机械输入来诱发摩擦起电阶段，但是这不会招致所述设备的电输出的因此而产生的劣化。
通过例示的方式，图5a和图5b示出了这样的实施例的简单的第一范例。所述设备包括第一轴承42和第二轴承44，所述轴承包括分别处于其上表面和下表面上的由摩擦电材料部分或摩擦电电极构成的压印图案。具有压印电极图案的轴承提供了有效的第一定子板元件和第二定子板元件。转子元件48被安装至垂直穿过第一轴承42的顶部延伸的轮轴(axle)或转轴(shaft)46，转轴46将该转子设置在两个定子轴承42、44之间的空间在。所述转轴被配置为使得其包括沿其纵轴的方向的一定移动自由度。具体地，所述转轴可以适于响应于被施加至其上端的载荷力54的施加而移动。对所述转轴施加载荷使得该转轴作为响应略微向下移位，从而使所安装的转子元件48在其发生这样的移位时与之一起动作。以这种方式，改变了转子48相对于第一轴承42和第二轴承44的位置。
此外，向轮轴46提供的压缩弹簧52提供了机械复原机制。所述弹簧沿着转轴46的纵轴施加一定幅度的力，使得在不对转轴施加外部载荷时，转子48保持抵靠着第一轴承42的表面停放。在这种情况下，跟随着对转子48和第一轴承(或定子元件)42的摩擦起电。在对转轴46的端部施加载荷力时(参见图5b)，对弹簧52做功，并且使转轴46通过装置40的中心向下发生位移。这诱发了随之而来的耦合转子元件48的位移，从而推动其脱离与第一轴承42的接触，并且随着足够大的力的施加而趋向于与第二轴承44相接触。然后，在转子元件与第二轴承(或定子元件)44之间诱发了摩擦起电。
转子48与第一轴承42和第二轴承44中的每个之间的相对旋转生成来自每个的相应的电压输出，其分别被标示为V1和V2。然后，对这些输出进行组合，以提供单个结果输出，所述单个结果输出是由两个分量信号之和形成的，其就功率和电压而言是基本均匀的，而不管转子48相对于定子42、44的具体定位如何。
如在图5a中所指示的，当转子48移动为更靠近第一轴承42时，电压V1增大，而电压V2以成比例的方式减小。因此，来自这两者的组合输出(V1+V2)保持相对恒定。如在图5b中所示的，当转子48更靠近第二轴承44时，电压V1减小，而电压V2以成比例的方式增大。再次地，这导致相对恒定的组合输出V1+V2。
通过对转轴46的具体自由度进行细调，并提供具有适当的弹簧常数的弹簧52，可以确保对各板元件的间歇式摩擦起电。在所述转轴与变化的非均匀机械载荷的源相耦合时，可以利用该外力用于诱发对各板元件的频繁的(尽管无规律的)间歇式摩擦起电。
这种TEG构造40可以例如在需要将TEG集成到小的空间内并且在组装期间可能发生对准误差的情况下取得尤为有利的应用。
例如，一种具体的应用可以是作为能量收集或转换系统被提供在电动剃须刀设备或者具有带轮轴和受弹簧支撑的轴承的功能机械驱动单元(例如，剃刀内的刀具单元)的任何其他(手持式)设备内。在图6a和图6b中示出了这样的实施例的一个范例，以作为举例说明。
图5a和图5b的设备被安装在剃须刀单元60的主体62内，其中，轴承转轴46在其上端处被机械耦合至剃须刀头元件64，所述头元件包括旋转切刀和保护性金属罩(两者的截面均由66指示)以及专用的‘轮廓遵循单元’。转轴46在其下端处被耦合至剃须刀电动机单元68，所述转轴借助于所述剃须刀电动机单元旋转，由此诱发旋转切割元件66以及也有所耦合的转子板48两者的旋转。
轮廓遵循单元适于在使其跨用户的皮肤的表面移动时至少在上下方向上偏转，以便调节切刀的取向或定位，从而达到与用户的面部的轮廓的最佳匹配，并由此提供更加有效和/或更加舒适的剃须动作(增强的剃须贴合度)。在本实施例的范例中，利用头元件64的这些上下偏转在第一轴承(或定子)42和第二轴承(或定子)44之间对转子48上下推动，由此诱发相对于这两者的间歇接触时段，并且因此诱发摩擦起电，以及如在本发明中所描述的自我调节功率输出。
注意，尽管出于由图6a和图6b所图示的具体示范性应用的目的，由所述设备利用可变的机械输入(剃须刀头单元64的偏转包括线性类型运动，但是在另外的范例中，所收集的输入替代地可以包括任何种类的机械输入，例如，包括例如旋转(例如，来自风或者水)或者弯曲或滑动。
此外，尽管在图5a和图5b(以及图6a和图6b)的具体范例中，所述设备包括利用旋转轴承的旋转盘类型生成器装置的组合，但是在另外的范例中，可以备选地利用其他各种各样的TEG装置和轴承，例如包括敲击模式TEG(例如，使用滑动轴承)。
在图7中例示性地描绘了这样的实施例的一个范例，所述范例并入了敲击模式(或竖直接触分离模式)TEG装置的组合，以提供具有改善的信号均匀性的自我补偿功率输出。所提供的设备72包括第一静止板元件74和第二静止板元件76，所述静止板元件包括分别处于其上表面和下表面上的由摩擦电材料部分或摩擦电电极构成的压印图案。可移动板元件78被安装至垂直穿过第一板元件74的顶部延伸的轮轴或转轴46的一端，转轴46将所述可移动板设置到两个静止板74、76之间的空间中。可移动板元件78包括处于其上表面80和下表面82上的由摩擦电材料部分或摩擦电电极构成的相应图案，所述图案被布置为并且适于与分别提供给第一静止板74和第二静止板76的图案相耦合，以用于响应于可移动板相对于静止板的运动而生成第一输出电压(V1)和第二输出电压(V2)。
对转轴46的上端施加载荷力54诱发可移动板78在第二静止板元件76的方向上的位移。在相反方向上或者使用由弹簧(未示出)所生成的复原力造成的力的施加诱发了可移动板78在第一板元件74的方向上的位移。在一些情况下，可以额外包括弹簧元件，以提供对抗向下的外力施加的阻力，并且一旦去除了任何向下偏移将促成移动板的向上的返回运动。
移动板78与静止板74、76之间的相对(线性)运动在其相应电极布置之间感生出电压或电流，从而在第一静止板74与移动板78之间生成第一输出信号V1，并且在第二静止板76与移动板78之间生成第二输出信号V2。与在先前的范例中一样，在操作(取决于负载电阻或者当在开路或者短路条件下操作时)中，这两个信号被组合，以形成单个加和的结果输出信号V3，所述输出信号V3基本上保持恒定/均匀，而不管移动板78相对于静止板74、76的任一个的位置如何。
图8示出了图示作为可移动板元件78相对于第一静止板元件74的位移x的函数的V1和V2的变动的曲线图。如能够看到的，对于这种敲击模式TEG范例而言，组合电压输出信号V3并非对移动板跨所述装置的所有位置都保持基本均匀。一旦在积聚了初始表面电荷之后使板分离就将生成电压。与旋转盘TEG(图3-4、5-6、9-10)相比，在开路条件下，当中央可移动板元件78反复触碰第一静止板元件74和第二静止板元件76时在理论上能够在完全分离距离的范围内实现此处的恒定电压。
此外，在该范例中还利用了转轴46的线性运动来诱发板元件之间的间歇摩擦起电阶段。随着通过转轴46施加向下的载荷力54，诱发可移动板元件78的向下位移，该移动不仅被用于通过静电感生来生成输出信号V1和V2，所述移动还用于使移动板元件78与第二静止板元件76发生接触，由此引起对被设置在两个板76、78的表面上的两个电极的摩擦起电。类似地，可移动板78在相反方向上的运动将使所述移动板与第一静止板元件74发生接触，诱发对该板元件的摩擦起电的情况。
上文所描述的具体实施例的每个实施例的特征在于，其使用或者利用了半随机非均匀外部机械输入来提供间歇的随机摩擦起电事件。在任何给定的时间上板元件之间的分离距离(就每个而言)均由不受该设备的元件的直接控制的外力影响来确定。
根据第二组范例实施例，提供了具有自我补偿功率输出的三板TEG设备，其中，借助于专用机电控制部件对各板之间的间隔进行精确地控制。在范例中，这些实施例允许转子元件在第一定子元件与第二定子元件之间来回连续、周期性(或者循环往复)地运动。这样的布置提供了对各板的摩擦起电(例如，实现更加均匀并且一致的起电方案)以及来自该设备的所生成的组合输出电压和/或电流的更高控制。
在图9中图示了根据这样的实施例的第一范例设备。设备90包括三板旋转盘TEG构造，所述三板旋转盘TEG构造具有单转子板92以及两个定子板94、96，所述转子板被设置在两个定子之间，并且被耦合至穿过所有三个板的中心延伸的可旋转轮轴98。第一定子94和第二定子96包括旋转轴承102、104，其允许轮轴98的旋转，以用于驱动转子盘92的旋转。轮轴98包括螺纹杆或主轴，其旋转是由在所述TEG装置的一端处所提供的步进电动机106驱动的(经由锥齿轮108)。步进电动机106和轮轴98被配置为使得由步进电动机对轮轴的旋转诱发所述轮轴沿着其纵轴的方向的平滑的线性位移，所述杆的精细螺纹(例如，梯形螺纹)允许由电动机对该位移的程度进行精确控制。通过使电动机的方向反转，可以改变所述位移的方向。
随着对电动机106进行驱动，被耦合至所述轮轴的转子92不仅对应于轮轴98的旋转而旋转，而且也发生与该轮轴的线性位移一致的线性位移。因此，随着对电动机106进行驱动，使转子元件92在第一定子94与第二定子96之间(或者反之亦然)沿着所述轮轴的纵轴的方向以连续的方式发生位移。这种构造允许对转子-定子分离进行精确控制并且允许取决于转子-定子分离距离对所生成的功率输出的调节。
具体地，转子92可以按照连续、周期性方的式来回移动，从而轮流触碰定子94、96中的每个。通过例如改变电动机电流极性，能够对这种来回运动加以控制，并且在转子已经触碰了第一定子或第二定子时反转转子移动的方向，从而引起摩擦起电。可以提供扭矩传感器110、距离传感器和/或端部开关停止器，并且使用其确定转子92何时到达了‘左’端位置或‘右’端位置。
在范例中，步进电动机106可以受控制器单元(未示出)的控制。所述控制器单元例如可以包括被配置为自动地执行控制指令的电路或处理器。备选地，控制单元可以并入用户控制元件，以允许对转子的定位的直接用户控制。
借助于组合器单元34将由第一定子和第二定子分别响应于转子板的旋转而生成的电输出V1和V2进行组合，以形成单个加和的输出信号V3，其基本上保持均匀，而不管转子相对于两个定子的具体位置如何。
组合器单元34在一些范例中可以包括两个单独的功率转换电路，其中的每个功率转换电路被连接至不同定子的输出。然后，这两个电路的输出可以被连接至相同的单个负载(例如，电容器)。因此，所述负载接收来自这两个转换电路的功率。
注意，该范例的旋转盘TEG包括处于每个定子上的两个交替电极的阵列图案。这样的构造允许单独跨定子的这些交替的电极而不是在转子与定子的电极之间生成输出电压和/或输出电流。以这种方式，可以避免对转子的布线。然而，应当理解，在其他范例中，可以在转子板于定子板之间生成电流，并且相应地向转子提供布线。
尽管在图9的范例中，所述设备包括两个定子板和单个转子板，但是在备选范例中，可以替代地提供两个转子板和单个定子板。在图10中示出了这样的实施例的一个范例。在此，在所述装置的两端处提供第一转子板120和第二转子板122，其被耦合至中央螺纹轮轴98，所述中央螺纹轮轴98利用在所述轮轴的一个端部所提供的驱动电动机124来驱动两个转子的旋转。也提供了被安装在所述螺纹轮轴98上的单个定子126，并且所述单个定子被固定于在下方延伸的滑轨轴承128上。
滑轨轴承128防止定子126的旋转，但是允许沿着轮轴98的方向的线性移动。定子126被以螺纹方式耦合至轮轴98。借此，由于抑制了定子的旋转，轮轴的任何旋转都诱发定子因此沿着所述轮轴的长度进行‘穿引’，并且因此诱发定子在两个转子元件120、122之间来回地发生取决于电动机124受到驱动的方向的位移。
因此，与图9的范例类似，随着电动机124被驱动，定子元件126在第一转子120与第二转子122之间(或者反之亦然)沿着轮轴98的纵轴方向以连续方式发生位移。这种构造允许对转子-定子分离进行精确地控制。
再次地，这种机制允许定子126可以按照连续、周期性的方式来回移动，从而轮流触碰转子120、122中的每个。通过改变电动机电流极性，能够对该来回运动加以控制，并在定子已经触碰了第一转子或第二时反转定子移动的方向，从而引起摩擦起电。可以提供扭矩传感器110、距离传感器和/或端部开关停止器，并且将其用于确定定子126何时达到了‘左’端位置或‘右’端位置。
在上文所描述的范例的每个范例中，具体提供了包括三个生成器板的装置：一个板以可移动方式被设置在另外两个板之间。然而，这样的构造对于本发明的原理而言并不是必要的，而是相反可以替代地考虑另外的备选装置。例如，在一些实施例中，每个生成装置可以利用单独的一对专用生成器板。这两个装置的板分离距离之间的互反关系可以是借助于直接机械机构或者是通过一种或多种形式的机电调节(例如，通过自动控制电子器件来控制的)来实现的。直接机械机构例如可以包括一个或多个齿轮机构，其被配置为使得第一板构件的运动诱发第二板构件的互反运动。
本发明的实施例可以有利地在很宽范围的具体应用中实施，尤其包括实施到任何包括能够对其进行机械能的收集或转换的移动机件(齿轮、轴、轴承)的产品或设备中。具体地，这些产品或设备可以包括手持式个人护理设备(例如，电动剃须刀、牙刷、皮肤护理设备)、厨房用具、地板护理产品(例如，真空除尘器或者楼板擦光器)、抛光机乃至大型医学设备(例如，X射线管支架或CT扫描器机架)或者旋转阀门，这些仅作为非限制性范例。
通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员能够在对所要求保护的本发明的实践中理解并实施针对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，单数冠词“一”或“一个”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中陈述特定措施不表示不能有利地使用特定措施的组合。不应当将权利要求中的附图标记推断为有限制范围的作用。
Claims (15)
1.一种电力生成设备，包括：
电力生成器(22、24、26)，所述生成器包括第一生成装置和第二生成装置，每个装置被配置为生成输出电压和/或输出电流，并且每个装置至少使用第一生成元件和第二生成元件，所述第一生成元件和所述第二生成元件中的至少一个适于具有带电的状态，并且所述第一生成元件和所述第二生成元件适于能相对于彼此移动，以便生成结果的输出电压和/或输出电流，所述输出电压和/或所述输出电流取决于所述第一生成元件与所述第二生成元件之间的分离距离，
其中，所述生成装置被协作地配置为使得所述第一装置的生成元件之间的分离距离的增大导致所述第二装置的生成元件之间的分离距离的相关的减小，并且反之亦然，并且
其中，所述电力生成器还包括组合器单元(34)，所述组合器单元适于组合所述第一生成装置与所述第二生成装置的所述输出电压和/或所述输出电流，以便从所述电力生成器生成组合电输出信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电力生成器包括第一生成构件(22、42、94)、第二生成构件(24、44、96)和第三生成构件(26、48、92)，至少所述第三生成构件被配置为能相对于所述第一生成构件和所述第二生成构件移动，并且其中，
所述第一生成构件(22、42、94)包括所述第一生成装置的所述第一生成元件，所述第二生成构件(24、44、96)包括所述第二生成装置的所述第一生成元件，并且所述第三生成构件(26、48、92)包括所述第一生成装置和所述第二生成装置两者的所述第二生成元件。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第三生成构件(26、48、92)被定位在所述第一生成构件(22、42、94)与所述第二生成构件(24、44、96)之间，并且被配置为能沿着在这两个生成构件之间延伸的轴移动。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第三生成构件(48)沿着所述轴的位置是根据外力(54)的施加来控制的。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述第三生成构件(48、92)被耦合至承载体(46、98)，所述承载体能沿着所述轴的方向位移，从而允许所述第三构件沿着所述轴在所述第一构件(42、94)与所述第二构件(44、96)之间进行移动。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述承载体(46)的所述位移是沿着所述轴在一个方向上被弹簧偏置的。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述第一生成装置和所述第二生成装置中的每个生成装置的所述生成元件中的每个生成元件包括各自组的一个或多个能带电表面区域。
8.根据权利要求2-7中的任一项所述的设备，其中，所述第一生成构件(22、42、94)、所述第二生成构件(24、44、96)和所述第三生成构件(26、48、92)包括各自的盘状元件，所述第三生成构件能相对于所述第一生成构件和所述第二生成构件旋转，或者反之亦然，以便由此生成一个或多个输出电压和/或一个或多个输出电流。
9.根据权利要求3-8中的任一项所述的设备，其中，所述设备还包括控制器单元，所述控制器单元适于控制所述第三构件(92)沿着在所述第一构件(94)与所述第二构件(96)之间延伸的所述轴的所述位置。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述控制器适于使所述第三构件(92)在所述第一构件(94)与所述第二构件(96)之间来回循环地移动。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中，所述控制器适于诱发所述第三构件(92)与所述第一构件(94)和/或所述第二构件(96)之间的间歇时段的接触，由此诱发所述第一生成装置和/或所述第二生成装置的所述第一生成元件与所述第二生成元件之间的接触。
12.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述电力生成器是摩擦电电力生成器。
13.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述组合器单元(34)对两个所述装置的所述输出电压和/或所述输出电流加和。
14.一种电力生成方法，包括：
操作电力生成器，所述生成器包括第一生成装置和第二生成装置，每个装置被配置为生成输出电压和/或输出电流，并且每个装置至少使用第一生成元件和第二生成元件，所述第一生成元件和所述第二生成元件中的至少一个适于具有带电的状态，并且所述第一生成元件和所述第二生成元件适于能相对于彼此移动，以便生成结果的输出电压和/或输出电流，所述输出电压和/或所述输出电流取决于所述第一生成元件与所述第二生成元件之间的分离距离，
其中，所述生成装置被协作地配置为使得所述第一装置的生成元件之间的分离距离的增大导致所述第二装置的生成元件之间的分离距离的相关的减小，并且反之亦然，
其中，所述方法包括：
诱发由所述第一生成装置和所述第二生成装置的每个生成装置所使用的所述第一生成元件与所述第二生成元件之间的相对运动，由此从所述第一生成装置和所述第二生成装置中的每个生成装置生成各自的结果的输出电压和/或输出电流；并且
组合所述第一生成装置和所述第二生成装置的所述输出电压和/或所述输出电流，以便从所述电力生成器生成结果的组合电输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电力生成器包括第一生成构件(22、42、94)、第二生成构件(24、44、96)和第三生成构件(26、48、92)，至少所述第三生成构件被配置为能相对于所述第一生成构件和所述第二生成构件移动，并且其中，
所述第一生成构件(22、42、94)包括所述第一生成装置的所述第一生成元件，所述第二生成构件(24、44、96)包括所述第二生成装置的所述第一生成元件，并且所述第三生成构件(26、48、92)包括所述第一生成装置和所述第二生成装置两者的所述第二生成元件，
所述方法还包括：
控制所述第三生成构件(26、48、92)相对于所述第一生成构件(22、42、94)和所述第二生成构件(24、44、96)的位置，从而使所述第三生成构件在所述第一构件与所述第二构件之间来回循环地移动。
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