CN108141151A - 能量转换系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种能量转换系统包括响应于运动而生成电力的发电机，其中，所述发电机包括在能量生成模式中生成能量的第一元件和第二元件。在一些示例中，可以由驱动机构使它们彼此接触和脱离接触，使得能量转换系统具有(例如)间歇充电模式和能量生成模式，在所述充电模式中，由所述驱动机构使所述第一元件与所述第二元件5接触，在所述能量生成模式中，所述第一元件与所述第二元件脱离接触。在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压的变化。该系统在能量生成模式期间控制所述发电机的元件的物理位置或运动10，以实现更恒定的功率或电压生成。这使得任何所需的功率转换电路得以简化。

Description

能量转换系统和方法
技术领域
本发明涉及用于将机械能转化为电能的能量转换系统以及能量转换的方法。
背景技术
将机械能转换成电能的这样的系统的一个范例是摩擦电能生成系统。摩擦电效应(也称为摩擦生电)是一种接触感应带电，其中材料在通过摩擦与不同材料接触之后带电。摩擦发电基于通过将摩擦电效应与静电感应耦合的方法将机械能转化为电能。已经提出通过捕获(来自诸如走路，随机身体运动，吹风，振动或海浪等来源的)否则会浪费的机械能来利用摩擦发电来为诸如传感器和智能手机的可穿戴设备提供动力(参见例如：Wang,Sihong,Long Lin和Zhong Lin Wang的“Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors”Nano Energy 11(2015):436-462 436-462)。
摩擦电效应基于根据各种材料获得电子(变成负电荷)或失去电子(变为带正电)的趋势对其进行排列的系列。这个系列例如在AFA.F.Diaz和R.M.Felix-Navarro的a semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials:the influence ofchemical structure and properties,Journal of Electrostatics 62(2004)277–290中公开。创建静电的材料的最佳组合来自正电荷列表中的一个和负电荷列表中的一个(例如，PTFE对铜，或FEP对铝)。利用毛皮摩擦玻璃或梳子通过头发是生活日常生活中众所周知的摩擦的例子。
在其最简单的形式中，摩擦发电机因此使用两片不同的材料，一种是电子供体，另一种是电子受体。当材料接触时，电子从一种材料交换到另一种材料。这只是摩擦电效应。如果片材被分离，则每个片材都保持电荷(极性不同)，由它们之间的间隙隔开。如果电负载被连接于放置在两个表面的外边缘处的电极之间，则片材之间任何进一步的横向或垂直位移都将作为响应而引起两个电极之间的电流。这只是静电感应的一个例子。随着两个板的各个电荷中心之间的距离增加，使得跨过间隙的两个板之间的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的电势差增加，因为经由负载的电荷吸引开始克服跨越间隙的静电吸引力。
在其最简单的形式中，摩擦发电机因此使用两片不同的材料，一种是电子供体，另一种是电子受体。一种或多种材料可以是绝缘体。其他可能的材料可以包括半导体材料，例如包含天然氧化物层的硅。当使材料接触时，电子从一种材料交换到另一种材料。这就是摩擦电效应。如果片材被分离，则每张片材保持(不同极性的)电荷，由它们之间的间隙隔离，并建立电势。如果电负载连接在放置在两个材料表面背面的电极之间，则任何进一步的横向或垂直位移都将响应两个电极之间的电流而引起响应。这只是静电感应的一个例子。随着两个板的各个电荷中心之间的距离增加，使得跨过间隙的两个板之间的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的电势差增加，因为经由负载的电荷吸引开始克服跨越间隙的静电吸引力。
以此方式，摩擦发电机通过两个主要物理机制之间的耦合将机械能转换为电能：接触带电(摩擦生电)和静电感应。
通过周期性地增加和减少板的电荷中心之间的相互分离，因此可以诱导电流在板之间来回流动，从而跨负载生成交流电。通过将微米级图样应用于聚合物片可以增加功率输出。图样化有效地增加了接触面积并且从而增加了电荷转移的有效性。
最近，已经开发了一种利用这种效应的发电(能量收集)和功率转换的新兴材料技术，如Wang，Z.L的“Triboelectric nanogenerators as new energy technology forself-powered systems and as active mechanical and chemical sensors.”ACS nano7.11(2013):9533-9557所公开的。基于该效应，已经开发了所谓的摩擦纳米发电机(“TENG”)或摩擦发电机(“TEG”)的几种设备配置。
自2012年首次报告它们以来，TEG的输出功率密度有了很大的改进。体积功率密度可能达到每立方米400千瓦以上，并且己经展示了～60％的效率(同上)。除了高输出性能外，TEG技术还具有许多其他优点，例如生产成本低，高可靠性和鲁棒性，并且环境影响小。
TEG可以用作电力发电机，即从例如振动，风，水，随机身体运动或甚至将机械可用功率转换为电力的能量收集。生成的电压是功率信号。
TEG可以宽泛地划分为四个主要操作类别。
第一种操作模式是垂直接触分离模式，其中，两个或更多个板通过施加的力而周期性地进入或脱离接触。例如，这可以用在鞋子中，其中，由用户在他们迈步时施加的压力被用于使板接触。Peng Bai等人的ACS Nano2013 7(4),pp.3713-3719中的文章“Integrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for HarvestingBiomechanical Energy from Human Motions”描述了这样的设备的一个例子。这里，该设备包括在曲折形状的底板上形成的多层结构。该设备基于由于接触起电引起的表面电荷转移而操作。当对结构施加压力时，曲折形状被压缩以在不同层之间创建接触，并且当压力释放时接触被释放。收获的能量可能用于例如移动便携式设备的充电。
第二种操作模式是线性滑动模式，其中，引起板相对于彼此横向滑动以改变它们之间的交叠的面积。在板上感应出电势差，具有与总交叠区域的变化率成比例的瞬时幅值。通过反复地使板变为和脱离彼此相互交叠，可以跨连接于板之间的负载上建立交流电。
在Adv.Mater.2014,26,2818-2824中的文章“Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object ofHuman Motion in Contact and Non-Contact Modes”中公开了一种使得能够从滑动运动中收集能量的设计。独立的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，在静态电极上方的小间隔处)或者其可以进行滑动接触。
第三种操作模式是单电极模式，其中，一个表面例如接地——例如地板道路——并且负载连接在该第一表面与地面之间(例如参见Yang，Ya等人的“Single-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacementvector sensor system.",ACS nano 7.8(2013):7342-7351)。使未与第一表面电连接的第二表面与第一表面接触并对其进行摩擦生电。随着第二表面从第一表面移开，第一表面中的过量电荷被驱动到地，从而在负载两端提供电流。因此，在该操作模式中仅使用单个电极(在单层上)来提供输出电流。
第四种操作模式是独立式摩擦电层模式，其被设计用于从任意移动物体收集能量，其中进行电连接。例如，该对象可能是过往的汽车，过往的火车或鞋子。(再次，参见“Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-poweredsystems and as active mechanical and chemical sensors.”ACS nano 7.11(2013)：9533-9557)。
还有摩擦发电机的其他设计，例如基于接触起电的双拱形结构。压力引起拱形关闭以在拱层之间进行接触，并且当压力释放时拱形返回到开放形状。还提出了摩擦发电机，其形成为用于从周围振动捕获能量的谐波谐振器。
已经开发的线性滑动模式TEG的一个特定子集是旋转盘TEG，其可以在接触(即，连续摩擦充电和静电感应)或非接触模式(即，在初始接触生电后仅静电感应)中工作。旋转盘TEG通常包括至少一个转子和一个定子，每个转子和定子均形成为一组间隔开的圆扇区(段)。随着两个盘相对于彼此旋转，所述扇区交叠并且然后分开。如上所述，可以在两个横向滑动相反地充电的层之间感应出电流，其幅度与交叠区域的变化率成比例。随着转子的每个相继间隔开的扇区变为与给定的定子扇区交叠并且然后不与给定的定子扇区交叠，使得在两个扇区板之间随着板交叠增加首先在第一方向上感生电流，并且随着板的交叠减少然后在相反方向感生电流。
早期版本的分段结构化盘TEG(Long Lin等人的Segmentally Structured DiskTriboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy，NanoLett.，2013,13(6)，第2916-2923页)的局限性在于，旋转和静态摩擦电层需要沉积金属电极并与电引线连接，导致旋转部件的操作不便。
具有连接到固定盘上的两组图样化电极以及旋转盘上的独立式摩擦电层的盘式TEG可解决这些问题，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)，第3031-3038页中所公开的。
利用这样的结构，不需要针对旋转部件的电极沉积或电连接，这极大地提高了能量收集器的操作灵巧性。
通常，旋转盘TEG以及实际上线性滑动模式TEG可以在接触模式和非接触模式下操作。尽管需要接触以摩擦板(初始以及随后两者，以抵消泄漏)，但静电感应过程本身(通过其产生电能)不需要板之间的接触，而是利用小的板分离(例如，大约0.5mm)而良好地工作。
在接触模式下操作——其中板保持持续的摩擦接触——导致更高的功率输出，因为板被持续充电，并且因此通过持续更换通过泄漏等损失的电荷，持续保持在理论最大充电容量(由双板系统的电容定义)。板上可以保持的电荷越大，可以产生的静电感应输出就越大，因为更大的电荷密度自然会在板中的电子之间引起更大的静电力。
然而，在接触模式下操作带来各种困难，包括通过表面磨损产生过度的噪音和设备材料的劣化。
申请人已经提出了(但尚未公布)一种摩擦发电系统，其中，发电机的操作模式可以在板被摩擦充电的接触模式和通过静电感应产生(或转换)能量的非接触模式之间切换(例如，间歇地)。控制器可以根据检测到的板的表面电荷状态(或者，替代地，其可以输出信息以用于以此方式来控制两个阶段)来控制接触阶段和非接触阶段的定时和/或持续时间。例如，当板上的电荷下降到特定阈值之下时，控制器可以控制驱动机构来使板接触，从而启动接触模式(或充电模式阶段)。例如，一旦板上的电荷再次超过特定的阈值，控制器可以控制驱动器分离两个板，从而启动非接触(或能量生成)模式。该过程可以连续地重复进行，周期性地进行接触，然后根据板的电荷状态在板之间断开。
线性滑动摩擦发电机(例如旋转盘发电机)的缺点是所生成的平均功率随时间而变化的事实。这些波动的原因是：
当发电机在接触起电模式下运行时，转子和定子表面磨损。除了减少设备的使用寿命外，在该模式下长时间工作时，发电机的功率水平会下降；
保留在转子中的电荷可能泄漏。因此，当其以非接触静电感应模式操作时，降低的功率水平随时间降低。
通常，发电机向负载提供电力。该负载可以是例如电池，电容器，传感器或电子电路。在多数情况下，施加到负载的信号的功率水平应该是恒定的。大的功率电平波动可能会阻止负载正常工作。例如可以应用太大的功率水平，其可能对负载产生安全问题。另一方面，功率水平也可能小于最低要求的水平。在该情况下，连接到发电机的电子电路可能例如停止工作。
一种解决方案是实施一种功率转换电路，所述功率转换电路将可变功率信号转换成可施加到负载的恒定功率信号。然而，这样的实现方式增加了系统的复杂性、尺寸和成本，因此是不期望的。此外，功率转换级消耗特定的功率水平，所述功率转换级需要越复杂所述功率水平越高。这在一些情况下可能会将系统的效率降低以不可忽略的水平。
如上所述，通过使发电机周期性地但短暂地接触摩擦电材料来操作发电机，意味着在静电感应模式期间发生的功率水平降低通过在接触起电模式下短时间操作发电机而得到补偿。然而，该方法不能提供随时间恒定的功率水平。
因此期望的是能够提供更恒定的功率输出的发电或转换方法，使得可以简化功率转换级。注意，如上所述，在摩擦发电机中需要这种恒定的输出功率，而且在非接触式静电发电机中也是如此。例如，完全以非接触模式工作的发电机将基于静电感应发电，但由于没有接触充电过程，因而没有使用摩擦电效应。因此，本发明不限于摩擦发电机。
发明内容
本发明由权利要求所定义。
根据本发明的一个方面，提供了一种能量转换系统，包括：
发电机，其响应于运动而生成电力，其中，所述发电机包括相对于彼此移动以生成电力的第一元件和第二元件；以及
驱动机构，其用于在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压的变化。
该系统在能量生成模式期间控制所述发电机的元件的物理位置或运动，以实现更恒定的功率生成。这使得任何所需的功率转换电路得以简化。相对位置可以通过实现线性相对偏移或旋转(角度)相对偏移来改变。角位移可以是绕与转子或定子的总体平面平行的轴线。
所述驱动机构可以包括控制器，所述控制器适于在所述能量生成模式期间维持恒定的输出功率。
在一些示例中，可以使所述第一元件与所述第二元件彼此进行接触或者脱离接触，其中，所述驱动机构还被布置为使所述第一元件与所述第二元件进行接触和脱离接触，其中，所述能量转换系统具有(例如间歇)充电模式和能量生成模式，在所述间歇充电模式中，由所述驱动机构使得所述第一元件与所述第二元件进行接触，在所述能量生成模式中，使所述第一元件与所述第二元件脱离接触。
这适用于摩擦发电机。使用接触模式提供了增加的发电能力并且利用摩擦电效应。
所述驱动机构可以包括适于在所述能量生成模式期间控制功率或电压的控制器。以此方式，例如基于与发电机的功率输出有关的反馈信息，存在对驱动机构的主动控制，例如以保持恒定的输出功率。发电机输出的电压、或电流、或电流与电压测量结果可以用作反馈参数。
在一组示例中，所述驱动机构可以在能量生成模式期间改变所述第一元件与所述第二元件之间的间隔。生成的功率取决于元件之间的间距。间距的减小可能会使得发电量增加。因此，在能量生成模式期间可以随着时间的推移减小间距以补偿电荷泄漏。
所述驱动机构可以包括电活性聚合物致动器。替代地，所述驱动机构可以包括压力控制系统，例如空气推力轴承。这些是用于主动控制元件之间间隔的两种可能的选择，但是可以替代地使用其他致动器。
例如，作为非限制性范例，其他机电致动元件可包括步进电机，电机驱动的螺杆，受控电磁体或液压或气动快门或阀。
所述控制器可以适于在能量生成模式期间将所述第一元件与所述第二元件之间的间隔减小到零，从而实现到充电模式的转变。以此方式，在能量生成模式期间，间距逐渐减小到零，在该点实现充电模式。
在另一组示例中，所述驱动机构可以在能量生成模式期间改变所述第一元件与所述第二元件之间的旋转角度。这提供了另一种改变分离的方式，其可能更容易实现。所述第一元件与所述第二元件可以在相对应的表面处彼此面对，其中，所述表面中的一个或两者是非平面的。这意味着表面可以用渐进的方式结合在一起以减少磨损和/或摩擦。
所述第一元件和所述第二元件可以包括相对于彼此可旋转的第一盘片元件和第二盘片元件，其中，所述系统还包括用于在所述第一元件与所述第二元件之间生成相对运动的电动机。发电机然后是具有从动转速的旋转盘式发电机。所述驱动机构然后可以包括控制器，所述控制器适于驱动所述电动机，从而在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度。
在该情况下，所述系统可以用来转换能量而不是收获能量。电动机被驱动，并且存在由能量转换系统实现的机械耦合。耦合的部分生成电能。这避免了对部件之间的电耦合的需要，而且使得在隔离的部件中生成电能而不需要内部能量源。
所述控制器可以适于在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度，其中，所述第一元件与所述第二元件之间具有恒定的间隔。速度的该变化补偿了电荷泄漏。
相对旋转速度例如可以增加。在其他示例中，输出功率可能需要减小，例如通过增加间隔距离。
所述驱动机构可以包括与所述第一元件和/或所述第二元件协作耦合的一个或多个螺旋图样化的层元件，所述螺旋图样化的层元件用于响应于旋转而生成第一元件与第二元件之间的流体动力学抬升(其中，通常使用“流体动力学”来指代流体动力学，即气体和液体的流动动力学)，使得相对旋转速度确定第一元件与第二元件之间的间隔。当元件相对于彼此旋转时，螺旋图样在两者之间引起流体动力学抬升力，其中，力的幅值与旋转的相对速度有关。例如，如果盘片受到一些小的弹性向内偏压，那么旋转速度的增加将导致板之间的间距按比例增加。随后盘的减速导致盘片元件之间的间距随之变窄。
以此方式，可以通过控制相对旋转速度来间接控制元件之间的间隔。在这种情况下，控制器可以适于在能量生成模式期间降低所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度，从而以降低所述第一元件与所述第二元件之间的间隔。间距的减小补偿了电荷泄漏。
上面的范例利用了元件相对位置或运动的主动控制。可以替代地采取被动方法，其中，控制取决于能量收集系统的外部刺激。
例如，所述驱动机构再次可以包括与所述第一元件和/或所述第二元件协作地耦合的一个或多个螺旋图样化的层元件，所述螺旋图样化的层元件用于响应于旋转而在所述第一元件与所述第二元件之间生成流体动力学抬升，使得相对旋转速度确定所述第一元件与所述第二元件之间的间隔。相对转速则取决于外部输入力。
那么不需要电动机单元。尽管板之间的分离再次取决于相对旋转速度，但是发电机的主电动机驱动器包括诸如风力或水力涡轮等的外部机械源。以此方式，自动得到更恒定的输出功率，较慢的旋转使得元件更靠近在一起以增加发电，并且更快的旋转使得元件更远离。
可以额外地使用附加的机电部件以通过例如提供阻力来限制或限制外部源的影响。
以此方式，速度可以在最大值(对外部电机源无机械阻力时)与最小值(对电机源施加最大阻力时)之间变化。
所述系统可以包括：传感器，其用于检测取决于所述第一元件和/或所述第二元件的表面充电状态的参数；以及控制器，其用于依赖于所述第一元件和/或所述第二元件的所述表面充电状态，例如基于所述发电机的输出电压，来控制所述充电模式的定时和/或持续时间。
两个阶段(接触和非接触)的定时可以被优化，以便确保维持特定的最小板电荷，例如用于实现特定的期望输出容量，同时最小化两个板之间的总接触时间。以此方式，噪声和表面磨损可以被最小化，同时确保输出负载不下降到期望的最小水平之下。
控制器可以包括用于接收发电机的输出负载电压的比较器电路。在摩擦充电过程之后(非接触阶段)，随着板的表面电荷泄漏，发电机的输出功率和输出电压将降低。因此，表面电荷的状态可以通过监视作为时间的函数的输出电压或输出功率来评估。因此，在实施例中，例如可以使用比较器电路来将瞬时输出功率与特定参考值进行比较，并且作为响应生成输出信号。
根据本发明的另一方面的示例提供了一种能量转换方法，包括：
操作发电机，所述发电机响应于运动而发电，并且包括第一元件和第二元件，所述发电机的操作包括：
在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压的变化。
所述方法可以包括：
(例如间歇地)使所述第一元件与所述第二元件进行接触和脱离接触，以便(例如交替地)实现充电模式和能量生成模式，在所述充电模式中，所述元件接触，在所述能量生成模式中，所述第一元件与所述第二元件脱离接触。
这适用于摩擦发电机。
所述方法可以包括在能量生成模式期间维持恒定的输出功率或电压。
所述方法可以包括：
在能量生成模式期间改变(例如减小)所述第一元件与所述第二元件之间的间隔；或者
生成所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转并且在能量生成模式期间以恒定间隔控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度；或者
生成所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转并且响应于所述相对旋转来生成流体动力学抬升，其中，所述方法包括在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度，从而以控制所述第一元件与所述第二元件之间的间隔；或者
在能量生成模式期间生成所述第一元件与所述第二元件之间的相对角度取向的变化；或者
在能量生成模式期间生成所述第一元件与所述第二元件之间的横向相对位置的变化；
上面提到的相对转速可根据所需的对输出功率的控制而增加或减少。
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示出了图示针对示例旋转盘式摩擦发电机的峰值功率输出与板分离之间的关系的曲线图；
图2示出了第一示例摩擦电能转换系统的方框图；
图3示出了如何控制发生器中板分离的一个示例；
图4示出了第二示例摩擦电能转换系统的方框图；
图5示出了第三示例摩擦电能转换系统的方框图；
图6示出了针对具有流体动力空气推力轴承的示例性自调节旋转盘TEG的示例螺旋图样；
图7示出了第四示例摩擦电能转换系统的方框图；并且
图8示出了控制转子和定子配置的第一替代方式；
图9示出了控制转子和定子配置的第二替代方式；
图10示出了控制转子和定子配置的第三替代方式；
图11示出了控制转子和定子配置的第四替代方式；
图12示出了控制转子和定子配置的第五替代方式；并且
图13示出了控制转子和定子配置的第六替代方式。
具体实施方式
本发明提供了一种摩擦电能转换系统，所述摩擦电能转换系统包括响应于运动而生成电力的摩擦发电机，其中，所述发电机包括在能量生成模式中生成能量的第一元件和第二元件。在一些示例中，可以由驱动机构使它们彼此接触和脱离接触，使得能量转换系统具有(例如，间歇的)充电模式和能量生成模式，在所述充电模式中，由所述驱动机构使所述第一元件与所述第二元件接触，在所述能量生成模式中，所述第一元件与所述第二元件脱离接触。在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小摩擦发电机的输出功率的变化。该系统在发电模式期间控制发电机的元件的物理位置或运动，以实现更恒定的功率或电压生成。这使得任何所需的功率转换电路得以简化。
摩擦发电机可以在非接触模式下运行，但如果它们也利用密切接触用于摩擦充电，则可以提供更高的功率输出。但是，在接触模式下工作会导致噪音和设备使用寿命(表面磨损)问题。
本发明可以应用于仅以非接触模式工作的设备或者包括接触充电的设备。如果需要接触充电，则可以实现摩擦电材料的周期性但短暂的接触。使用非接触模式克服了噪音、摩擦和设备使用寿命等问题。
发电机元件(例如旋转盘式发电机的旋转盘)之间的间距特别重要，因为板间隔距离对所生成的摩擦电压和功率输出具有显著的影响。
在图1中示出的曲线图图示了针对包括PTFE转子的示例性旋转板TEG，以mm为单位的板间隔(x轴10)与以mW为单元的峰值功率输出(y轴12)之间的测量关系。如上所述，当板接触时(即，零板分离)，功率输出最大，对于图1所测量的示例性转子达到约0.5mW的峰值输出。随着平板分离的增加，峰值功率输出急剧下降，以仅0.5毫米的间距导致接近80％的输出降低，峰值功率下降到0.1毫瓦。在2毫米的间距下，功率输出已降至几乎为零。
在设备的使用寿命期间，发电曲线如箭头14所示地向左移动。这意味着为了实现相同的功率输出P，需要减小的间隙尺寸，如箭头16所示。
请注意，根据所驱动的负载，输出功率可能要是保持不变的最重要参数，否则输出电压或输出电流可能是要保持不变的最重要参数。
在一个示例中，本发明利用间隙控制来提供更稳定的功率，电压输出或电流输出。然而，为了实现相同的目标，可以控制其他参数，例如相对速度或其他相对位置参数。
图2示出了针对该系统的一个示例布置的方框图。在该示例中，出于说明的目的示出了旋转盘TEG 24形式的摩擦发电机，但是本领域技术人员将理解的是，所述布置可以等同地应用于其他种类的摩擦发电机(如在先前的章节中所讨论)。发电机具有转子26和定子28形式的发电机元件。TEG 24的转子26与机械驱动布置30的机械输出端可操作地连接。机械驱动布置提供动能或电动机能量的输入源，其将由系统转换成电能。
在一些特定的范例中，可以使用旋转盘TEG，其中，定子28包括一系列设置的(导电)电极，而转子26包括电介质(非金属)材料的独立层。此外(如在Long Lin等人的Noncontact Free-Rotating Disk Triboelectric Nanogenerator as a SustainableEnergy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor.ACSAppl.Mater.Interfaces,2014,6(4),pp.3031–3038)中所讨论的，利用这样的结构，不需要用于旋转部件的电极沉积或电连接，这极大地改进了发电机的操作便利性。
机械驱动布置30在一些实施例中可以包括“外部”源，诸如，例如风或水驱动的涡轮机，电动机事件的振动能量源或人力驱动的源。在这种情况下，系统22可以用作能量“收获”系统，其中，捕获否则会损失的外部生成的能量，并且将其转化为电能来源。然而，根据替代实施例，机械驱动布置可以包括系统本身“内部”的源，例如发电机单元。在这种情况下，系统22可以简单地提供能量转换功能。
在TEG 24的一个或两个板26、28上可操作地耦合有驱动机构34，用于在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的间距，以减小摩擦发电机的输出功率、电压或电流的变化。其由控制器36控制。
本发明涉及在能量生成期间对摩擦发电机的配置的控制。然而，还将参考图2详细描述针对周期性接触充电对发电元件(例如，转子和定子)之间的分离的控制。
在TEG设备24的电输出端40处是施密特触发器电路42，其输出端连接到V输出端子44以及继电器开关46的信号输入端。施密特触发器电路42充当系统22的控制器，与继电器开关46和控制器36一起控制板接触和非接触阶段的定时和持续时间。
响应于发电机输出电压40，通过施密特触发器电路42来控制板在接触和非接触模式之间的运动。例如，施密特触发器电路可以适用于评估发电机输出电压/功率的初始水平，以监测输出功率/电压的降低，并且将其输出从高输出切换到低输出以便指示已经失去了足够的表面电荷以要求开始新的摩擦充电阶段。作为响应，与施密特触发器电路输出42相连接的继电器46可以相应地切换。控制器36通过触发驱动机构34将TEG板26、28移动到接触模式位置来对继电器46的切换进行响应。
此外，一旦摩擦充电过程被触发，控制电子器件就可以进一步适于在板充电时监测输出电压/功率的增加，并且切换输出以指示已经获取了足够的表面电荷以启用开始新的能量生成(非接触)模式阶段。作为响应，继电器46可以相应地切换。控制器然后通过触发驱动机构34将TEG板26、28移动到非接触模式(生成模式)位置来对继电器46的切换进行响应。
作为非限制性说明，根据上述示例，施密特触发器电路可以适于生成以下输出：
第一条件(V输出＝0)启动接触模式，并且第二条件(V输出＝1)启动非接触模式。
在第一示例中，所述控制器控制驱动机构34将板上的电荷基本上保持在特定的限定的数值范围内——在某个限定的最大值与某个限定的最小值之间，在充电期间达到所述最大值时触发充电结束，当在发电过程中达到所述最小值时，触发充电开始。因此，功率输出类似地保持在一定的值范围内——在充电最大时的最大值与在充电最小时的最小值之间。板之间的接触被限制为仅维持阈值电荷范围所需的最低限度。
根据本发明，还存在控制以创建更平坦的输出功率或电压分布。
在该第一示例中，使用转子26与定子28之间的间隔来实施功率控制。许多应用需要固定的功率水平(或电压或电流)。为了简化功率转换电子器件，旋转盘TEG通过控制转子与定子之间的分离间隙来生成固定的功率(或电压或电流)水平。
输出信号可以被直接施加到负载上，或者其可以通过另外的信号处理电路来施加。
在第一阶段中，转子26与定子28接触。通过转子与定子之间的接触带电(摩擦充电)来生成电力。
然后将转子和定子之间的分离间隙固定为特定值(例如图1中的d0)，使得TEG生成限定的功率或电压水平(图1中的P)。在这种情况下，电力是通过静电感应生成的。
在使用期间，表面电荷通过电荷泄漏而缓慢丢失。为了保持生成的功率(或电压)恒定，转子与定子之间的分离间隙减小，例如在图1中减小到d1。
当分离间隙达到零(即转子和定子之间存在接触)时，循环返回到第一阶段。在这种情况下，电力通过接触起电生成。
经过多次这些循环之后，转子和定子表面将因周期性触点带电而磨损。如果能够生成的最大功率(当处于接触模式中)等于或小于特定值时，例如发电曲线已经转移到曲线18，则可以向用户指示表面需要被清洁，修理或TEG需要更换。
这种方法不限于由于电荷泄漏导致的随时间的功率下降。当任何外部干扰被施加到发电机时，板分离的动态控制也可用于保持恒定的输出功率(或电压)。
存在驱动机构34的各种可能性。在一些示例中，可以采用简单的步进电机来致动板在不同相对位置之间的运动。例如，驱动机构34可以包括可操作地耦合到两个板26、28中的一个的步进电机。另一块板保持在一个固定的绝对(轴向)位置上，并且通过移动连接到第一块板上的步进电机在在它的各个步之间驱动板之间的分离。接触和非接触模式位置由电机的多个步分开。
在替代的示例中，所述驱动机构可以包括电机驱动的螺杆。这里，螺纹杆(主轴)通过螺纹连接到转子、定子或两者上。通过利用驱动机构的一部分使板围绕主轴旋转，从而将旋转运动转换成相对于杆的线性运动，可以实现该布置中对板间隔的调整。例如，精细的螺纹节距将有助于非常精确地调整板定位。位置确定反馈可以通过例如主轴上的光学轴编码器来实现。
在另一个示例中，可以采用受控的电磁体来将转子26和定子28拉在一起。在这种情况下监视电磁体中的电流可以形成反馈和控制机构的一部分。对于由铝等非磁性材料制成的转子，可以使用永磁体，由涡流生成盘片之间的拉力。分离距离然后可以通过发电机的转速进行调节。然而，在转速需要在TEG中保持恒定的情况下，或者在转速不受系统控制的情况下(例如在机械驱动布置30是外部源的情况下)，可以使用可控的电磁体。
根据一个或多个示例实施例，板之间的分离可以通过利用EAP(电活性聚合物)材料层和/或SMM(形状记忆材料)层或任何其他能够机械致动的响应材料的致动器来实现。
图3示出了其中转子26与定子28之间的分离距离由诸如电活性聚合物(EAP)致动器48的致动器控制的示例。EAP致动器48控制定子相对于转子的位置。当TEG的输出功率(或电压或电流)减小时，EAP致动器被控制为膨胀并且由此推动定子(因为相对侧抵靠固定的机械支撑件)，使得定子被移动不更靠近转子以维持输出功率不变。另一方面，当TEG的输出功率(或电压)增加时，EAP致动器被控制为收缩，使得定子远离转子移动以维持输出功率恒定。
在一些实施例中，板分离机构可以包括气动弹簧加载的“阀”，其中，板(例如通过弹簧)被弹性地压缩在一起，并且加压空气被递送到转子与定子之间，由此在板之间提供具有一距离的分离，所述距离与递送的空气的压力成比例或者以其他方式依赖于递送的空气的压力。一旦空气供应停止或减少，由弹簧提供的反作用力可用作自动反向机构以引起接触模式。根据这个或其他实施例，可以使用例如液压控制或气动控制的快门或阀来控制递送的空气的流量(并因此控制供应的压力)。
图4图示了包括与往复式滑动TEG 52协作的加压空气气动驱动机构50的一个示例布置。气动驱动机构在TEG的板之间注入加压空气，由此提供支撑板的推力轴承相对于一些抵抗压缩力(例如由弹簧或可选地由重力提供)的相对分离。根据该示例，板之间的横向滑动运动由外部机械驱动布置56生成，该外部机械驱动布置56包括与TEG 52的上部(滑动)板协同操作耦合的风力或水力涡轮机。如在图2的示例中，施密特触发器电路42响应于TEG输出电压40的值来控制接触和非接触模式阶段的定时和持续时间，例如当要启动充电(例如，接触)模式时切换到低输出，并且当要启动发电(非接触)模式时切换为高输出。这些高和低输出触发继电器46以生成相应的输出，响应于此，控制器54适于控制气动驱动机构50以在高压(非接触模式)与低压(接触模式)之间改变TEG的板之间的喷射空气的压力/流率。
在该布置的一些示例中，气动驱动布置50通过气动阀的方式来控制空气的流量，并因此控制在非接触模式和接触模式之间的切换。
使用空气来提供用于支撑板之间的分离的轴承可能是特别期望的，因为这避免了对与板进行实体机械接触以便操纵它们的部件的需要。这继而可以避免或减少不必要的磨损或材料应变，增加TEG设备和/或驱动器部件的寿命和/或效率。另外，这样的空气推力轴承可以减少整个设备内的机械部件的数量，消除潜在的故障源。同样，空气推力轴承可以更加节能，因为由于接头/零件之间的机械连接而产生的摩擦阻力很小。
上面的两个范例子是基于控制板分离的。输出功率或电压同样可以通过调节转子和定子的相对旋转速度来控制。
图5示出了一个范例。机械驱动布置30包括电机并且电机速度由控制器36控制。
TEG然后被用于将功率从被驱动的转子传递到定子，并且可以控制转子的旋转速度。与控制分离距离以获得恒定输出功率或电压的前面的实施例不同，在该实施例中调整电动机的旋转速率以确保功率或电压输出保持恒定。例如，随着转子的充电状态降低，转速可以增加以保持恒定的功率输出(因为功率随着转速线性地变化)。替代地，如果例如由于磨损而出现分离距离的任何变化，则参考图1说明的输出变化可以(至少部分地)通过增加或减小旋转速率来补偿。
否则操作顺序如上所述。转速增加到某一点，并且当达到该点时，其可以用作对要执行的接触充电步骤的指示。因此，速度控制也可以以与在上面的第一示例中将间隔距离减小为零来触发接触充电模式相同的方式来触发接触充电模式。
在这两个范例中，测量(来自电输出40的)输出功率，输出电压或输出电流。如果测得的电压或功率低于目标电压、电流或功率，则减小分隔距离或增加速度。如果测得的电压、电流或功率高于目标电压、电流或功率，则增加分隔距离或降低速度。滞后可以用来确保反馈控制的稳定操作。滞后越小，输出功率(或电压或电流)的变化越小。
间接控制分离距离的另一种方法是使用自调节推力轴承，其使用板本身的运动来生成流体动力抬升的源。根据该示例，为旋转盘TEG的板的向内表面提供螺旋图样化，使得当板旋转时，图样化起作用以在板之间的空间中生成加压空气的膜，从而生成将板推开的力。
图6图示了可以提供给TEG的板的螺旋图样的一个示例，其中，x(60)轴和y(62)轴分别表示以mm为单位的宽度和高度测量结果。可以在定子、转子上或两者上印刷(或雕刻，激光或通过由本领域技术人员将理解的任何其他合适的方式形成)螺旋图样。
生成的流体动力的幅值与旋转速度有关，因此较快的旋转板会引起更大的力。例如，这些板可能受到一些(小的)向内偏压力的作用，将这些板推到一起，使得板速度的升高和降低以及因此抬升力引起板分离的稳定增加和减少。在这种情况下，TEG板本身的运动直接驱动板分离的向内和向外调整。以此方式可以非常精确地控制板分离。
该方法可以通过图5中所示的系统来实现，其中，机械驱动装置采用电机30的形式，该电机30被控制以通过控制相对速度来间接实现板分离。
在该示例中，当控制器36检测到TEG的输出功率(或电压或电流)小于特定阈值时，其向电机发送控制信号以降低其转速。由于TEG具有螺旋槽结构，其将造成转子与定子之间的间隔距离减小，这将增加TEG的输出功率(或电压)。减少板块分离的效果主导了速度的降低。特别是，输出功率与转速成线性比例关系，而输出功率可以通过略微减小间隔距离而显著增加。
如果控制器36检测到输出功率(或电压或电流)增加到特定值以上，则其向电动机发送控制以增加其转速。这个动作将导致转子与定子之间的分离距离增加，这会降低TEG的输出功率(或电压)。
在利用液压轴承的另一个示例中，机械运动的源可以替代地由诸如例如风力或水力的“外部”机械源提供，如图4的示例中那样。
在这种情况下，板的速度无法在“源处”进行控制。
在图7中示出的最简单的实现方式中，机械驱动布置30完全不被控制，并且液压轴承的操作是无源的。因此转子的转速更加难以控制。在该实施例中，转子的旋转速率不仅造成功率输出的(线性)变化，而且还能够控制间隙的分离——间隙随着旋转速度的增加而增大。效果的这种组合有助于在转速变化的情况下维持更恒定的功率输出，因为由速度增加导致的功率增加通过螺旋槽轴承产生的间隙的增加而得到补偿。
这种最基本的布置不允许控制周期性接触充电，并且可以用于较低功率的无接触方法。然而，板分离可以进一步通过例如使用一个或多个额外的致动元件来控制，所述致动元件提供一些抵抗外部输入的机械阻力从而限制旋转速度。在这种情况下，最大速度仍然由外部源确定，但通过选择性地施加对该源的机械输出的阻力，可以控制向TEG传递的能量的速率。以此方式，可以更精确地控制输出功率，但是也可以实施周期性接触充电模式。
在上面的示例中，平行分离距离和/或相对转速被控制。
为了影响发电元件之间的耦合，存在各种替代方式来实现相对取向的改变。
图8示出了精确地控制转子26与定子28之间的轴向未对准的示例。顶部图像示出转子与定子完美对齐共享一个共同的中心轴，并且底部图像示出横向不对齐，这意味着中心轴相互偏移。
旋转TEG的输出功率以这种方式通过调节定子与转子之间的轴向对齐来控制。在一个示例中，转子26被固定在旋转轴上并且由外力驱动。定子是可移动的，例如安装在滑动平台上，使得可以精确地调节定子/转子中心之间的水平距离。这种故意的对齐失配会降低输出功率并允许精确的输出功率管理和反馈。
当然，其他配置也是可能的，其中，转子和定子中的一个或两者具有可调整的位置。
当需要最大输出功率时，定子/转子平面将返回为同心地对齐。如果需要生成较少的功率，则定子从转子滑离，从而增加定子与转子中心之间的距离，从而降低输出功率。
如图9中所示，另一示例利用定子28与转子26之间的倾斜角。转子26被固定在旋转轴上并且由外力驱动。定子28安装在倾斜平台上，使得定子平面/转子平面之间的角度可以被精确地调节。这样的倾斜角度允许精确的输出功率管理和反馈。当需要最大输出功率时，定子/转子平面将被对齐为平行。如果需要生成较少的功率，则定子可以被倾斜偏离转子，从而增大定子平面/转子平面之间的角度，从而降低输出功率。
再次，其他配置也是可能的，其中，转子和定子中的一个或两者具有可调整的倾斜。
旋转TEG(包括转子和定子)的输出功率因此通过定子与转子之间的倾斜角度来控制。倾斜运动可以以任何适当的方向施加(例如围绕x轴和/或围绕y轴，其中，x轴和y轴一起限定固定转子的平面)。
该实施例的优点在于，与在板之间实现受控的间隔时相比，通过倾斜可以更精确地固定相对位置。此外，倾斜仅在转子和定子的边缘处导致接触。如果电极结构选择为不延伸到转子/定子的边缘，则这可以是特别有利的，因为在这种情况下，在操作期间不会磨损设备的活性区域(不同于使用接触模式时)。只有边缘会磨损——但它们在功能上是非活性的。
图10示出了通过与参照图9描述的倾斜角度控制相组合而使用凸形转子或定子来实现功率控制的示例。
图10示出了弯曲成凸起形状(当从下面看时是凸的并且当从上面看时凹的)的定子28。转子可以替代地弯曲并且定子平坦，或者两者都可以是弯曲的。旋转TEG的输出功率再次通过定子与转子之间的倾斜角度来控制。转子被固定在旋转轴上并且由外力驱动。如在图9的示例中那样，定子安装在倾斜平台上以提供精确的输出功率管理和反馈。
定子与转子之间的接触点或接近接触点可以通过改变发生倾斜的轴线来移位。与平面定子相比，沿着定子表面周期性地移动接触点将导致在充电模式期间更少的磨损和/或减小的摩擦。
弯曲的布置还实现从未充电状态到完全充电状态的平滑过渡，因为沿着接触点可以在定子上移动以对整个定子表面完全充电，而平面定子和转子布置将在接触后立即开始迅速充电。
图11示出了将参考图8所解释的轴向未对齐与凸/凹转子和定子设计相组合的示例。输出功率通过调节定子与转子之间的轴向对齐来控制。如以上范例中所示，当需要最大输出功率时，定子平面与转子平面将同心地对齐。如果需要生成较少的功率，则定子从转子中心滑离，从而增加定子中心与转子中心之间的距离，从而降低输出功率。滑动可以是线性的，但是不对齐可以替代地由定子的离轴旋转引起。
因此可以看出，未对齐可以被控制为横向未对齐或轴向未对齐。
另一个范例利用球形接头转子和定子设计进行功率控制。球形接头具有实施为球和穴的转子和定子，其中一个相对于另一个可旋转，并且两者之间具有可控制的角度。
图12(a)示出了球形接头，其中，转子26利用球形接头部件来实施，并容纳在定子28的穴状部分中。其示出了的转子26的以角度α分开两个可能的角度位置。
通过仔细设计与转子和定子相关联的发电部件(几何形状，面积和/或材料选择)，可以根据倾斜角度α来改变输出。分离距离也可以基于调整显示为‘A’的点的位置来控制。
转子和定子的半径不必限制为一个值。可以使用具有多个半径的形状，例如弯曲的椭圆形，以获得不同的输出信号。
定子也可以是可旋转的以调节转子与定子之间的界面。图12(b)、(c)和(d)示出了不同的可能球设计，全部基于球体部分，其具有半径‘r’，面积‘a’和高度‘h’。然而，该方法不限于球或半球。他们也可能使用基于椭圆形的3D形状。
最后一个范例是使用如图13所示的双壁圆筒，其中一个用作转子26并且另一个用作定子28。线性相对调整(平行于圆柱轴线)影响圆柱体之间的交叠，在图13中用‘A’表示。这种方法不仅限于圆柱几何形状，但是可以基于锥形，渐缩形和子弹(圆柱体加半球)几何形状。通过调整相对位置A，可以改变接触区域或交叠区域以获得不同的输出信号。
从上面的范例可以看出，输出功率可以通过改变以下来调整：
基于相对位置调整，二维或三维转子和定子表面形状之间的交叠程度；
基于均匀间隔的调整(即，线性位置调整)或相对取向的调整(例如改变非均匀间隔的形状的倾斜角)(即取向调整)，二维或三维转子和定子表面形状之间的间距的量；
转子与定子的相对旋转速度。
位置调整可以在转子或定子的平面中，或者在转子或定子的总体平面内(对于非平坦的定子或转子)以提供轴向对准控制，或者其可以垂直于平面以提供间隔调整。
在以上利用循环接触充电模式的示例中，发电机的输出电压的变化用于确定接触(充电)和非接触(生成)模式阶段的定时和/或持续时间。也可能希望控制器确定板之间的接触何时以及是否已经建立。该信息可以被用于向机械地控制板的分离的驱动机构提供实时反馈。传感器元件也可以用于确定TEG 24的板之间何时以及是否已经进行了接触。
在以上控制分离间隙的示例中，分离距离可以连续地调整，在第一(最大)分离距离到最终板接触状态之间平滑过渡。在其他示例中，所述控制器可以适于在离散的一组分离值中的一个之间转换板，这些值在整个值范围内限定均匀或非均匀间隔。
在一些实施例中，可以响应于或取决于用户输入命令来执行对接触阶段和非接触阶段的定时和/或持续时间的控制。在这种情况下，控制器可以适于输出关于系统参数的信息，例如板的充电状态，用于手动控制不同模式的定时和/或持续时间中使用。该输出信息可以经由例如提供的显示单元或者通过扬声器元件来视觉地或声觉地传达给用户。作为一个示例，其可以替代地经由振动控制手柄或操纵杆来以触觉方式传送。直接的用户-机器交互可以通过一个或多个用户反馈元件来实现，例如集成的操纵杆，其中，可以将关于例如发电机的充电状态或其他参数的“实况”信息中继给用户，使用户能够在提供用于控制系统的输入控制命令方面直接地响应。
根据一个或多个实施例，所述系统可以提供完全“手动”摩擦充电和发电功能：充电与不充电模式阶段的定时和/或持续时间可以由用户经由各种用户输入/输出元件来控制。对接触和非接触模式阶段的定时和/或持续时间的控制可以手动地提供，可以响应于用户输入命令而可选择，而机电或其他控制/驱动板分离可以是自动的。因此，控制器可以适于自动控制响应于特定专用用户输入命令而从充电或非充电模式发起或转换到充电或非充电模式。
上述摩擦能量转换系统实施例的应用非常多。尤其是，无需提供专用电源或设备的主电源的供电线路，就可以产生小电流源以给设备内的小型部件供电，这是非常有价值的。任何在其正常操作过程中生成或以其他方式获得电动机能源的设备可通过局部地定位的TEG发生器向一个或多个零件提供电流或/和电压。
作为非限制性说明，特定个人手持护理设备(例如剃须刀或(手动或电子)牙刷)可以利用本发明的摩擦电系统来为这些设备内的一个或多个部件供电。例如，在电动牙刷的特定应用中，例如，牙刷包括安装在刷头内部或其周围的一个或多个传感器可能是有利的。在这种情况下，不希望从牙刷的主电池源向牙刷头提供电压，因为如果头部壳体发生故障并且导线暴露，或者以其他方式与用户嘴部的部分导电接触，会导致用户电击的后果风险。在这种情况下，根据本发明的TEG转换系统可以有利地结合在头部内，从牙刷头的运动(由牙刷设备的主电机引起)收获动能，从而生成驱动头部内的一个或多个传感器所需的小水平的电压。
上面公开的驱动系统和方法的示例性实施方式特别关于旋转盘和往复式滑动摩擦发电机进行了描述。然而，这些特定的示例应被理解为纯粹是示例性的和示例性的，并且本领域技术人员将理解，所描述的方法和系统适用于所有类型的摩擦发电机。
总体上可以通过以下实施例来总结本发明：
实施例：
1、一种能量转换系统，包括：
发电机(24)，其响应于运动而生成电力，其中，所述发电机包括相对于彼此移动以生成电力的第一元件(26)和第二元件(28)；以及
驱动机构，其用于在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压或电流的变化。
2、根据实施例1所述的系统，其中，所述驱动机构包括控制器，所述控制器适于在所述能量生成模式期间维持恒定的输出功率、或电压、或电流。
3、根据实施例1或2所述的系统，其中，所述第一元件(26)和所述第二元件(28)能够被使得彼此进行接触和脱离接触，其中，所述驱动机构还用于使所述第一元件(26)和所述第二元件(28)进行接触和脱离接触，其中，所述能量转换系统具有间歇充电模式和能量生成模式，在所述间歇充电模式中，由所述驱动机构使得所述第一元件与所述第二元件进行接触，在所述能量生成模式中，使所述第一元件与所述第二元件脱离接触。
4、根据任何前述实施例所述的系统，其中，所述驱动机构包括控制器，所述控制器适于在所述能量生成模式期间改变，例如减小，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔。
5、根据实施例4所述的系统，其中，所述驱动机构包括：
电活性聚合物致动器；或者
压力控制系统，并且其中，所述第一元件与所述第二元件之间的间距由空气推力轴承控制。
6、根据实施例4或5所述的系统，其中，所述控制器适于在所述能量生成模式期间将所述第一元件与所述第二元件之间的间隔减小到零，从而实现到充电模式的转变。
7、根据实施例1至3中的任一项所述的系统，其中，所述驱动机构包括控制器，所述控制器适于在所述能量生成模式期间改变所述第一元件与所述第二元件之间的倾斜角度。
8、根据实施例7所述的系统，其中，所述第一元件和所述第二元件在相应的表面处彼此面对，其中，所述表面中的一个或两者是非平面的。
9、根据任何前述实施例所述的系统，其中，所述第一元件(26)和所述第二元件(28)包括相对于彼此可旋转的第一盘片元件和第二盘片元件，其中，所述系统还包括用于在所述第一元件(26)与所述第二元件(28)之间生成相对运动的电动机，并且其中，所述驱动机构包括控制器，所述控制器适于驱动所述电动机，从而在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度。
10、根据实施例9所述的系统，其中，所述控制器适于在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度，其中，所述第一元件与所述第二元件之间具有恒定的间隔。
11、根据实施例9所述的系统，其中，所述驱动机构包括与所述第一元件(26)和/或所述第二元件(28)协作地耦合的一个或多个螺旋图样化的层元件，所述螺旋图样化的层元件用于响应于旋转而生成在所述第一元件与所述第二元件之间的抬升，使得所述相对旋转速度确定所述第一元件与所述第二元件之间的间隔。
12、根据实施例所述的系统，其中，所述控制器适于在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度，从而控制所述第一元件与所述第二元件之间的所述间隔。
13、根据实施例1所述的系统，其中，所述驱动机构包括与所述第一元件和/或所述第二元件协作地耦合的一个或多个螺旋图样化的层元件，所述螺旋图样化的层元件用于响应于旋转而生成在所述第一元件与所述第二元件之间的抬升，使得所述相对旋转速度确定所述第一元件与所述第二元件之间的所述间隔，并且其中，所述相对转速取决于外部输入力。
14、根据任何前述实施例所述的系统，还包括：传感器，其用于检测取决于所述第一元件和/或所述第二元件的表面充电状态的参数；以及控制器，其用于依赖于所述第一元件和/或所述第二元件的所述表面充电状态，例如基于所述发电机的输出电压，来控制所述充电模式的定时和/或持续时间。
15、一种能量转换方法，包括：
操作发电机(24、52)，所述发电机响应于运动而发电，并且包括第一元件(26)和第二元件(28)，所述第一元件和所述第二元件相对于彼此移动以生成电力，所述发电机的操作包括：
在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压的变化，
其中，所述方法任选地还包括间歇地使所述第一元件(26)与所述第二元件(28)进行接触和脱离接触，以交替地实现充电模式和能量生成模式，在所述充电模式中，所述元件接触，在所述能量生成模式中，所述第一元件与所述第二元件脱离接触。
在所附权利要求中公开和主张了进一步更具体的实施例。
本发明可简短地概括为一种能量转换系统，其包括响应于运动而产生电力的发电机，其中，所述发电机包括在能量生成模式中生成能量的第一元件和第二元件。在一些示例中，可以通过驱动机构来使它们彼此进行接触和脱离接触，使得所述能量转换系统具有间歇充电模式和能量生成模式，在所述间歇充电模式中，由所述驱动机构使所述第一元件与所述第二元件进行接触，在所述能量生成模式中，使所述第一元件与所述第二元件脱离接触。在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压的变化。该系统在能量生成模式期间控制所述发电机的元件的物理位置或运动，以实现更恒定的发电或电压生成。这使得任何所需的功率转换电路得以简化。
本领域技术人员通过研究附图、公开以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时，可以理解和实现对所公开实施例的其他的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，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列举了特定措施，但是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都不应被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种能量转换系统，包括：
发电机(24)，其响应于运动而生成电力，其中，所述发电机包括相对于彼此移动以生成电力的第一元件(26)和第二元件(28)；以及
驱动机构，其用于在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件之间相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压或电流的变化，其中，所述驱动机构包括控制器，所述控制器适于在所述能量生成模式期间维持恒定的输出功率、或电压、或电流，并且其中，所述驱动机构还用于使所述第一元件(26)与所述第二元件(28)彼此进行接触和脱离接触，其中，所述能量转换系统具有充电模式和能量生成模式，在所述充电模式中，由所述驱动机构使所述第一元件与所述第二元件进行接触，在所述能量生成模式中，使所述第一元件与所述第二元件脱离接触。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驱动机构包括控制器，所述控制器适于在所述能量生成模式期间改变，例如减小，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述驱动机构包括：
电活性聚合物致动器；或者
压力控制系统，并且其中，所述第一元件与所述第二元件之间的间距由空气推力轴承控制。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述控制器适于在所述能量生成模式期间将所述第一元件与所述第二元件之间的间隔减小到零，从而实现到充电模式的转变。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驱动机构包括控制器，所述控制器适于在所述能量生成模式期间改变所述第一元件与所述第二元件之间的倾斜角度。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一元件与所述第二元件在相对应的表面处彼此面对，其中，所述表面中的一个或两者是非平面的。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述第一元件(26)和所述第二元件(28)包括相对于彼此可旋转的第一盘片元件和第二盘片元件，其中，所述系统还包括用于生成在所述第一元件(26)与所述第二元件(28)之间的相对运动的电动机，并且其中，所述驱动机构包括控制器，所述控制器适于驱动所述电动机，从而在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述控制器适于在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度，其中，所述第一元件与所述第二元件之间具有恒定的间隔。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述驱动机构包括与所述第一元件(26)和/或所述第二元件(28)协作地耦合的一个或多个螺旋图样化的层元件，所述螺旋图样化的层元件用于响应于旋转而生成在所述第一元件与所述第二元件之间的抬升，使得所述相对旋转速度确定所述第一元件与所述第二元件之间的间隔。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器适于在所述能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件之间的相对旋转速度，从而控制所述第一元件与所述第二元件之间的所述间隔。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驱动机构包括与所述第一元件(26)和/或所述第二元(28)件协作地耦合的一个或多个螺旋图样化的层元件，所述螺旋图样化的层元件用于响应于旋转而生成在所述第一元件与所述第二元件之间的抬升，使得所述相对旋转速度确定所述第一元件与所述第二元件之间的所述间隔，并且其中，所述相对转速取决于外部输入力。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括：传感器，其用于检测取决于所述第一元件和/或所述第二元件的表面充电状态的参数；以及控制器，其用于依赖于所述第一元件和/或所述第二元件的所述表面充电状态，例如基于所述发电机的输出电压，来控制所述充电模式的定时和/或持续时间。
13.一种能量转换方法，包括：
操作发电机(24、52)，所述发电机响应于运动而发电，并且包括第一元件(26)和第二元件(28)，所述第一元件与所述第二元件相对于彼此移动以生成电力，所述发电机的操作包括：
在能量生成模式期间控制所述第一元件与所述第二元件的相对速度，所述第一元件与所述第二元件之间的间隔，或所述第一元件与所述第二元件的相对取向或位置，以减小所述发电机的输出功率或电压的变化，
其中，所述方法任选地还包括使所述第一元件(26)与所述第二元件(28)进行接触和脱离接触，以便实现充电模式和能量生成模式，在所述充电模式中，所述元件接触，在所述能量生成模式中，所述第一元件与所述第二元件脱离接触。
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