CN108292898B - 能量生成系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种系统包括用于生成电力的发电机和用于降压转换所述发电机的输出电压的开关电容器转换器。所述开关电容器转换器包括电容器组和开关布置。控制器用于基于来自所述发电机的反馈信号来控制开关。这提供了对所述开关电容器转换器的自动控制，从而简化了总体控制电路并提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将机械能转换成电能的电能生成器以及能量生成方法。
背景技术
将机械能转换成电能的这种系统的一个范例是摩擦电能生成系统。摩擦带电效应(也被称为摩擦带电)是一种接触感应式起电，其中，材料在通过摩擦与不同材料接触后带电。摩擦发电的基础是通过将摩擦带电效应与静电感应耦合的方法将机械能转换成电能。已经提出通过捕获来自诸如步行、随机身体运动、吹风、振动或海浪等来源的一般被浪费掉的机械能，利用摩擦发电为诸如传感器和智能手机的移动可穿戴设备供电。例如，参见：Wang、Sihong、Long Lin和Zhong Lin Wang的“Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors”(Nano Energy 11，2015年，第436-462页)。
摩擦带电效应基于根据其获得电子(变成带负电)或失去电子(变为带正电)的趋势对各种材料进行排序的系列。这个系列例如在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，第277-290页)中进行了公开。产生静电的材料的最佳组合是来自正电荷列中的一种材料与来自负电荷列表中的一种材料(例如，PTFE对铜或者FEP对铝)。用毛皮摩擦玻璃或者梳子梳理头发是摩擦电在日常生活中众所周知的范例。
在最简单的形式中，摩擦发电机因此使用两片不同的材料，一片是电子供体，另一片是电子受体。这些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，包含天然氧化物层的硅。当材料接触时，电子从一种材料交换到另一种材料。这就是摩擦带电效应。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。如果在两个材料表面的背面沉积/放置的电极之间连接有电负载，则会响应于两个电极之间的电流而引发任何进一步的横向或垂直位移。这只是静电感应的一个范例。随着两个板的各个电荷中心之间的距离增加，在间隙两端的两个电极之间的吸引电场减弱，从而引起两个外部电极之间的电势差增加，这是因为经由负载的电荷吸引开始克服在间隙两端的静电吸引力。
通过这种方式，摩擦发电机通过两种主要物理机制(接触起电(摩擦带电)和静电感应)之间的耦合将机械能转换成电能。
通过循环地增加和减少板的电荷中心之间的相互分离，能够作为响应而感应出电流在板之间来回流动，从而在负载两端生成交流电。因此，摩擦发电机设备能够被认为是电荷泵。
通过将微米级样式应用于聚合物片材能够增加功率输出。样式化有效地增加了接触面积，从而提高了电荷转移的有效性。
最近，已经开发出一种利用这种效应的用于发电(能量收集)和功率转换的新兴材料技术，如在Wang，Z.L.的“Triboelectric nanogenerators as new energy technologyfor self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors”(ACSnano 7.11，2013年，第9533-9557页)中所公开的。基于这种效应，已经开发出所谓的摩擦发电机(“TEG”)的若干设备配置。
自2012年首次报告以来，TEG的输出功率密度有了很大的提高。体积功率密度可能达到每立方米400千瓦以上，已经证实效率约为60％(同上)。除了高输出性能以外，TEG技术还具有许多其他优点，如生产成本低，可靠性和鲁棒性高，环境影响小。
TEG可以用作电力发电机，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动力转换成电力。生成的电压是功率信号。
TEG可以大致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，通过施加的力将两个或更多个板循环地进行接触或脱离接触。例如，这可以用在鞋子中，其中，由使用者在他们踩踏时施加的压力被用于使板接触。在Peng Bai等人的文章“Integrated Multilayered TriboelectricNanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motions”(ACSNano，2013年，第7卷，第4期，第3713-3719页)中描述了这种设备的一个范例。这里，该设备包括在Z字形基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。当对该结构施加压力时，Z字形被压缩以在不同层之间创建接触，并且当释放压力时释放接触。收集的能量可能用于例如对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，板被引导为关于彼此横向滑动以改变它们之间的重叠面积。跨越平板感应出电势差，具有与总重叠面积的变化率成比例的瞬时量值。通过反复地使板彼此进行相互重叠和脱离相互重叠，可以在板之间连接的负载两端建立交流电。
在Adv.Mater.的文章“Freestanding Triboelectric-Layer-BasedNanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object of Human Motion inContact and Non-Contact Modes”(2014年，第26卷，第2818-2824页)中公开了一种使得能够从滑动运动中收获能量的设计。独立的可移动层在一对静止电极之间滑动。可移动层可以被布置为不与静止电极接触(即，在静止电极上方有小间距)或者可以实现滑动接触。
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之间(参见例如Yang，Ya等人的“Single-electrode-basedsliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vectorsensor system”(ACS nano 7.8，2013年，第7342-7351页)。第二表面(未与第一表面电连接)开始与第一表面接触并使其摩擦带电。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，其被设计用于从没有做出电连接的任意移动物体收集能量。例如，这个物体可能是过往的汽车、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年，第9533-9557页)。
已经开发出的线性滑动模式TEG的一个特定子集是旋转盘式TEG，其能够在接触模式(即，连续摩擦带电和静电感应)或非接触模式(即，在初始接触起电后仅静电感应)中操作。旋转盘式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扇形区段(节段)。随着两个盘相对于彼此旋转，扇区重叠并然后分离。如上所述，可以在两个侧向滑动(相反带电)层之间感应出电流，其量值与重叠面积的变化率成比例。随着转子的每个相继的间隔开的扇区与给定的定子扇区发生重叠并然后与给定的定子扇区脱离重叠，因此在两个扇区板之间随着板重叠增加而首先在第一方向上感应出电流，并且然后随着板重叠减少而在相反方向上感应出电流。
早期版本的分段构造的盘式TEG(Long Lin等人的“Segmentally Structureddisc Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy”(Nano Lett.，2013年，第13卷，第6期，第2916-2923页))的局限性在于旋转和静止的摩擦电层需要沉积金属电极并与电引线连接，导致旋转部分的不便操作。此外，为了实现高效的发电，必须进行紧密接触，这会可能会导致材料磨损、磨损颗粒、输出不稳定以及通常TEG使用寿命有限。
如在Long Lin等人的“Noncontact Free-Rotating disc TriboelectricNanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered MechanicalSensor”(ACS Appl.Mater.Interfaces，2014年，第6卷，第4期，第3031–3038页)中所公开的，具有被附接到固定盘上的两组样式化电极的盘式TEG以及旋转盘上的独立式摩擦电层能够解决这些问题。
利用这种结构，不需要用于旋转部分的电极沉积或电连接，这极大地改善了能量收集器的操作设施。
尽管TEG表现出良好前景，但是当需要将TEG的输出功率转换为电压电平和电流电平时，对于包括诸如微控制器的电子器件在内的实际应用而言，TEG面临挑战。在TEG产生的这样的低功率电平下，高效的功率转换级是关键。
需要功率转换级将几百伏范围内的TEG电压转换为例如低于10V的低电压。由于需要高电感值，因此借助于开关模式电源(SMPS)转换这种低功率电平并不实际。此外，控制器所需的电源电流通常与TEG生成的电源电流范围相同。在这种情况下，为了给SMPS转换器供电，通常需要外部电源。如预期的那样，这种情况并不理想，这是因为转换器的功耗与TEG生成的功率的量值的数量级相同，这会导致系统的功率转换效率较低。
在TEG应用中使用SMPS转换器的另一个缺点是难以生成这些转换器的驱动信号。例如，SMPS转换器的驱动信号应当与其TEG所生成的输出信号同步。由于TEG能够随时间生成快速变化的信号，因此这种同步不是简单直接的。
开关电容器转换器能够例如被实施为功率转换器。虽然这种转换器不需要任何电感，但是它们的驱动信号仍然需要与TEG生成的信号正确同步。这种同步对于其他方面也很重要，例如用于控制功率输出的反馈或用于感测功能的反馈，这种同步并不是简单直接的。
发明内容
本发明由权利要求来定义。
根据本发明的一个方面的范例提供了：
发电机，其用于响应于机械致动而生成电力；
开关电容器功率转换器，其用于对所述发电机的输出进行功率转换，其中，所述开关电容器转换器包括电容器组和开关布置；以及
控制器，其用于控制所述开关布置，其中，所述控制器适于基于来自所述发电机的反馈信号来控制所述开关。
通过这种方式，发电机产生反馈信号，然后该反馈信号用于控制开关电容器转换器以用于转换输入电压，例如用于降压转换输入电压，而没有显著的功率损失。但是，请注意，这种自同步对于其他系统是有利的，在所述其他系统中，需要更高地执行例如反馈、感测、通信。可能有反馈信号的集合。
优选直接响应于运动而生成所述反馈信号。这意味着反馈信号不是基于输出电压或输出功率的信号处理来生成的，因此不需要显著的功耗来生成反馈信号。
所述发电机可以包括摩擦发电机(TEG)。举例来说，TEG移动部分(定子和/或转子)的额外样式可以用于生成用于开关电容器转换器的反馈控制信号。因此不需要检测生成的电源或生成的电压以及与生成的电源或生成的电压同步。
所述发电机可以包括用于生成所述反馈信号的电荷耦合设备，例如，光电二极管。通过发电生成的电荷因此被用于直接产生反馈信号。
所述发电机可以包括用于响应于所述发电机的部分的机械运动而生成所述反馈信号的信号生成器。发电机的部分的运动因此用于直接产生反馈信号。在这种情况下，所述发电机可以例如包括机械电荷耦合设备，例如，压电设备或热电设备。
所述发电机可以包括用于响应于由传感器检测到的磁性耦合而生成所述反馈信号的信号生成器。
在范例的一个集合中，所述发电机包括旋转盘式摩擦发电机，所述旋转盘式摩擦发电机包括转子和定子，其中，转子样式和/或定子样式被提供用于生成所述反馈信号。
这不需要额外的硬件或电路来生成所需的反馈信号。
所述转子或所述定子可以例如包括：发电电极的环，每个发电电极包括径向节段，不同的节段彼此隔离；以及电荷生成控制电极的集合，其用于生成所述反馈信号。
在一个范例中，所述电荷生成控制电极被定位在所述发电电极的外围周围。
在另一范例中，所述电荷生成控制电极被定位在相邻的径向节段之间。
根据本发明的另一方面的范例提供了一种能量生成方法或能量转换方法，包括：
使用发电机响应于机械致动而生成电力；
使用包括电容器组和开关布置的开关电容器功率转换器来实施对所述发电机的输出的功率转换；并且
基于来自所述发电机的反馈信号来控制所述开关布置。
可以例如直接响应于运动而生成所述反馈信号。这避免了需要复杂电路来控制开关电容器功率转换器。
可以通过使用以下项来生成所述反馈信号：
电荷耦合设备，例如，光电二极管；或者
信号生成器，其响应于所述发电机的部分的机械运动而生成信号；
传感器，其用于感测磁性耦合；或者
旋转盘式摩擦发电机的转子样式和/或定子样式。
可以使用旋转盘式摩擦发电机的转子样式和/或定子样式来生成所述反馈信号，其中，所述转子或所述定子包括：发电电极的环，每个发电电极包括径向节段，不同的节段彼此隔离；以及电荷生成控制电极的集合，其用于生成所述反馈信号。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的范例，在附图中：
图1示出了包括摩擦发电机和开关电容器功率转换器的系统；
图2示出了图1的开关电容器功率转换器的输入和输出；
图3示出了针对摩擦发电机的已知的转子或定子设计；
图4示出了针对摩擦发电机的转子或定子设计的第一范例；
图5示出了针对摩擦发电机的转子或定子设计的第二范例；
图6示出了具有功率控制电路的旋转盘式摩擦发电机；并且
图7示出了具有自动定时开关电容器功率转换器的步进模式摩擦发电机。
具体实施方式
本发明提供了一种系统，该系统包括用于生成电力的发电机和用于降压转换发电机的输出电压的开关电容器转换器。开关电容器转换器包括电容器组和开关布置。控制器用于基于来自发电机的反馈信号来控制开关。这提供了对开关电容器转换器的自动控制，从而简化了总体控制电路并提高了效率。
如上所述，开关电容器功率转换器对于功率收集应用而言是有利的。使用开关电容器组进行串并转换提供了一种高效降低高输出电压的方法，所述高输出电压例如为来自诸如摩擦发电机的能量收集应用的输出。
图1示出了用于向负载12供电的开关电容器转换器电路10。摩擦发电机14提供输入功率，该输入功率由全桥整流器16整流并且在被作为输入提供给开关转换器电容器电路10之前由缓冲电容器18进行平滑。
摩擦发电机14具有已知的设计，并且例如生成具有取决于移动强度的量值的交流电压波形。摩擦发电机的特征在于：发电元件的第一集合与发电元件的第二集合之间的相对电荷借助于物理接触的间歇周期来建立和维持，在该周期期间，在每个集合的元件上形成相互对应的电荷(摩擦带电的过程)。发电元件包括具有摩擦起电活性的材料(构成“摩擦电系列”的部分)。
定子可以包括一系列被设置的(导电)电极，而转子包括独立的介电材料层，其可以是金属或非金属的。另外(如Long Lin等人在“Noncontact Free-Rotating discTriboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor”(ACS Appl.Mater.Interfaces，2014年，第6卷，第4期，第3031-3038页)中所讨论的)，利用这种结构，不需要对旋转部分进行电极沉积或电连接，这极大地改善了发电机的操作设施。当然，转子和定子的设计可能会颠倒过来。
可替代地，转子和定子都可以具有电极布置。
图1示出了全桥整流器，但是在其他范例中，也可以使用半桥整流器，或者可替代地，发电机1可以输送DC输出。上面讨论了摩擦发电机的各种设计。
开关电容器电路10包括四个电容器C1至C4的串联连接，在每个相邻对之间具有二极管D1、D2、D3。串联链在高信号线20与低信号线22之间延伸。高信号线20连接到缓冲电容器18的高端子和负载12的高端子。低信号线22通过第一开关S1连接到缓冲电容器的低端子。
提供第一开关集合S2、S3、S4，其中，每个开关在串联链中的二极管和接下来的电容器两端。提供第二开关集合S5、S6、S7，其中，每个开关在电容器和接下来的二极管两端。因此，第一开关集合与第二开关集合是交错的。第一开关集合S2、S3、S4使得所有较低的电容器端子能够连接在一起，而第二开关集合S5、S6、S7使得所有较高的电容器端子能够连接在一起。
输出开关S8位于低信号线22与负载12的低端子之间。
当缓冲电容器18两端达到最大电压时，第一开关S1闭合(导通)并且开关S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8断开(不导通)。负载因此与开关电容器电路10隔离。
在短时间段内，电容器C1、C2、C3和C4串联充电。
一旦电容器被充电，开关S1断开(非导通模式)，使得开关电容器电路10与输入部隔离。
然后，两个集合S2、S3、S4和S5、S6、S7的开关闭合(导通)，引起电容器C1、C2、C3和C4的并联配置。
结果，输入电压除以因数四(等于电容器数量)，而电荷乘以因数四(也等于C1、C2、C3的总并联电容)。
此后不久，开关S8闭合(导通模式)。电容器C1、C2、C3和C4放电至由负载12定义的输出电容器，该输出电容器用作开关电容器转换器的输出电容器。可能有作为开关电容器转换器的部分的输出电容器，或者它可能只是驱动负载的部分。当然，通过增加电容器和开关的数量，可以获得更高的转换率。
图2示出了图1的功率转换电路的仿真结果。标绘图30示出了摩擦发电机14的输出电压，标绘图32示出了提供给负载的输出电压。
一般的开关电容器转换器拓扑是众所周知的。其他特定的电路实施方式也是众所周知的。
本发明涉及控制信号的生成，以便根据由TEG生成的电压来控制开关。
当电容器充满电时，开关将从串联模式切换到并联模式。这是由发电机输送的电流的函数。因此，来自发电机的指示所使用的电流的信号可以形成用于开关的控制的基础。然而，不是依靠详细的信号分析，而是可以使用直接从与发电机相关联的移动导出的信号，例如，旋转频率或脉冲机械移动的周期。
将针对旋转盘式TEG描述第一范例。TEG具有转子和定子，转子和定子具有相互面对的表面。图3示出了形成盘形元件36的周向分离的扇形区域38的表面部分形式的转子和/或定子盘形元件的样式。所示的特定样式仅用于说明，并且应当理解，扇形区域38的间距、布置或配置可以不同。
随着转子旋转，转子的表面部分38与定子的对应部分的相对旋转生成输出电流。
如先前所讨论的，旋转盘式TEG是线性滑动模式TEG的特定子集，其中，通过形成在相互旋转的盘元件的相对表面上的摩擦电活性材料的间隔开的圆形扇区的连续重叠并然后分离来生成电力。如上所述，可以在两个侧向滑动的相反电荷层之间感应电荷，所述电荷的量值与重叠面积的变化率成比例。随着转子的每个相继的间隔开的扇区与给定的定子扇区发生重叠并然后与给定的定子扇区脱离重叠，因此(在存在负载的情况下)在两个扇区板之间随着板重叠增加而首先在第一方向上感应出电流，并且然后随着板重叠减少而在相反方向上感应出电流。其结果是产生这样的交流电：其具有特别是与摩擦电表面部分的表面积和材料组成有关的峰值幅度，并且其频率尤其与盘之间的相对旋转速度有关并且与摩擦电表面部分的样式的相对间距或节距有关。
如图4所示，本发明的系统的第一范例使用了针对转子和/或定子的修改的样式。
示出了发电机区域38的相同样式，在发电机区域38的外周附近具有额外的控制电极40a、40b、40c。控制电极被设计为使得针对开关电容器转换器10的开关模式与TEG的输出电压同步。这意味着基于控制电极相对于发电电极的最优定位，自动生成同步的控制信号。通过这种方式，能够优化功率转换，而不需要特殊的检测和控制电路。
有不同的控制电极，在所示的范例中有三个集合，因此可以独立控制不同的开关。例如，图4的布置使得能够生成三个不同的开关控制信号。它们可以具有不同的时序，但是具有相同的频率，或者它们甚至可以具有不同的频率，例如通过在一个集合中具有与另一个集合相比不同数量的电极，或者通过具有不同尺寸的控制电极。
在范例的一个集合中，开关电容器转换器中使用的开关S1至S8响应于电荷水平而被电控制，使得可以使用电荷控制的设备。
当建立合适的阈值电荷时，将发生切换。例如，当在栅极上建立足够的电荷时，晶体管能够连接到开关。例如，由控制电极生成的电荷可以直接用于控制MOSFET晶体管开关。电荷建立的速度取决于转速。开关通常是晶体管，但是也可以使用其他电荷控制的开关，例如，MEMS开关。
提供给开关设备的电荷可以通过各种不同的方法来生成。
图4的范例基于TEG上的额外的转子样式和/或定子样式。这些被用作微型发电机，只生成足够的电荷以自动方式控制开关。然而，其他方法也可以用于生成期望的控制信号。
第一种替代方法是使用电荷耦合设备，例如，光电二极管。这可以用于生成光输出。开关S1至S8然后对光敏感，例如被实施为光电晶体管。在这种情况下，转子和/或定子可以使用阻光节段和光通过节段，以便向光电晶体管提供脉冲光，从而根据TEG的物理旋转再次在光电晶体管上建立电荷。可替代地，光电二极管可以响应于TEG旋转而直接生成脉冲光输出。
第二种替代方法是利用TEG的一部分的机械运动，例如在敲击模式设备的情况下。在这种情况下，使用诸如压电设备或热电设备的机械电荷耦合设备来响应周期性运动而生成电荷。再次地，电荷生成的速率是驱动发电机的机械输入的变化率的函数。例如，可以在敲击模式TEG的一侧上实施压电材料。每次在TEG的两个部分之间进行接触时，压电材料将生成电信号。该信号能够用作控制信号。
第三种替代方法是使用诸如永磁体的磁性耦合布置和诸如线圈或磁阻传感器的磁性检测设备。如果例如将小的永磁体放置在转子上并且将对应的磁性检测设备放置在定子上，那么每当磁体在磁性检测设备上方通过时，该感测设备将生成控制信号。
图5示出了其中控制电极50被放置在每对功率电极38之间的替代配置(例如针对转子)。控制电极可以彼此连接，由此形成一个电极。当转子相对于定子旋转时，就在定子节段即将通过功率电极之前，将控制信号提供给开关电容器转换器。
因此，转换器再次与TEG的输出信号同步。能够相应地选择控制电极50的数量和位置。
虽然图4和图5的范例涉及旋转式TEG设备，但是等效的自时序和同步方法能够有利地应用于滑动模式的TEG。
上述自同步方法不限于功率转换级的同步。它也可以用于控制其他方面，例如用于控制TEG功率输出的反馈。
图6示出了针对该系统的一个范例布置的框图。
摩擦发电机14再次以旋转盘式TEG的形式示出，但是本领域技术人员将会理解，该布置可以等同地应用于其他种类的摩擦发电机(如前面的章节所讨论的)。
发电机具有转子60和定子62形式的发电机元件。TEG 14的转子60与机械驱动布置64(例如，电动机)的机械输出部可操作地耦合。机械驱动布置64提供要由系统转换成电能的动能或电动机能量的输入源。驱动布置由控制器66来控制。
机械驱动布置64在一些实施例中可以包括外部源，例如，风或水驱动的涡轮机、振动能量源或人为驱动的电动机事件源。在这种情况下，系统可以用作能量“收获”系统，其中，捕获外部生成的、否则会被浪费掉的能量并将其转换成电能源。
根据替代实施例，如图6所示，机械驱动布置64包括系统自身内部的源，例如，电动机单元。在这种情况下，系统可以简单地提供能量转换功能。
提供控制信号70作为反馈信号，并且它是如上所述的反馈信号。
考虑到作为到控制器66的输入的期望电压或功率，控制器66生成用于控制电动机64的输出信号72(Vin/Pin)。然后能够维持旋转盘式TEG的输出功率和/或电压恒定，例如通过基于输出信号72来控制转子的转速。由于TEG控制电极的输出信号具有与转子的转速成比例的频率，因此该信息也能够被用作提供给用于控制转子的转速的控制器66的反馈信号，从而控制TEG的输出功率。具体地，它代表了由TEG输送的电压和功率。
在图7中考虑了敲击模式TEG。在这种情况下，TEG的可移动的第一部分60a通常相对于TEG的固定的第二部分60b来回移动。然后可以使用上面的教导将TEG的机械运动用作针对功率转换器的驱动信号。
在这种情况下，通常在开关电容器转换器中实施的MOSFET开关可以被MEMS开关所取代。如耦合80所示，MEMS开关的栅极可以与第一部分60a机械连接。然后，功率转换器自动与由TEG生成的信号同步。
上面已经讨论了摩擦发电机的各种范例。这种发电机具有接触模式和非接触模式。本发明可以应用于其他类型的发电机。
基于摩擦电的发电机布置的一些常规范例包括旋转盘式摩擦发电机，其是线性滑动模式TEG的子集。另一种类型是以垂直接触-分离模式操作的设备，其中，通过施加的力将两个或更多个板循环地进行接触或脱离接触。
其他类型的发电机包括感应发电机或异步发电机。这些是已知的使用电磁感应电动机原理产生电力的交流(AC)发电机。感应发电机通过比同步转速更快地机械转动其转子来进行操作。在能够通过相对简单的控制来回收能量的应用中，感应发电机是众所周知的。
感应发电机通常用于风力涡轮机和一些微型水力设施，因为它们能够在变化的转子速度下产生有用的功率。然而，电磁感应发电机通常不适合用于非常小功率和低成本的应用，并且替代方案是静电感应。这使得结构简单并且以相对低的速度提供高输出电压。一个有前途的领域是使用静电感应与驻极体，驻极体是一种具有半永久电荷的介电材料。
基于驻极体的发电机基于驻极体相对于相关联的工作电极的位置来产生电荷流。驻极体在工作电极上感应出反电荷，并且驻极体相对于工作电极的位置变化生成电荷的移动并因此生成输出电流。
每当对开关电容器功率转换器感兴趣时，都可以将本发明应用于这些各种发电技术。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现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，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，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 (15)
1.一种能量生成或转换系统，包括：
发电机(14)，其用于响应于机械致动而生成电力；
开关电容器功率转换器(10)，其用于对所述发电机的输出进行功率转换，其中，所述开关电容器功率转换器包括电容器组(C1-C4)和开关布置(S1-S8)；以及
控制器(66)，其用于控制所述开关布置，其中，所述控制器适于基于来自所述发电机的反馈信号来控制所述开关布置，以将所述电容器组(C1-C4)的配置从电容器的串联配置改变成所述电容器的并联配置，
其中，所述发电机(14)包括摩擦发电机，其中，所述摩擦发电机包括旋转盘式摩擦发电机，所述旋转盘式摩擦发电机包括转子和定子，其中，转子样式和/或定子样式(40a、40b、40c；50)被提供用于生成所述反馈信号。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述发电机(14)直接响应于运动而生成所述反馈信号。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述发电机(14)包括用于生成所述反馈信号的电荷耦合设备。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述电荷耦合设备包括光电二极管。
5.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述发电机(14)包括用于响应于所述发电机的部分的机械运动而生成所述反馈信号的信号生成器。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述发电机(14)包括机械电荷耦合设备。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述机械电荷耦合设备包括压电设备或热电设备。
8.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述发电机(14)包括用于响应于由传感器检测到的磁性耦合而生成所述反馈信号的信号生成器。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述转子或所述定子包括：发电电极(38)的环，每个发电电极包括径向节段，不同的节段彼此隔离；以及电荷生成控制电极的集合(40a、40b、40c；50)，其用于生成所述反馈信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述电荷生成控制电极(40a、40b、40c)被定位在所述发电电极的外围周围。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述电荷生成控制电极(50)被定位在相邻的径向节段(38)之间。
12.一种能量生成或转换方法，包括：
使用发电机(14)响应于机械致动而生成电力；
使用包括电容器组(C1-C4)和开关布置(S1-S8)的开关电容器功率转换器(10)来实施对所述发电机的输出的功率转换；并且
基于来自所述发电机的反馈信号来控制所述开关布置，以将所述电容器组(C1-C4)的配置从电容器的串联配置改变成所述电容器的并联配置，
其中，所述反馈信号是使用旋转盘式摩擦发电机的转子样式和/或定子样式来生成，其中，所述转子或所述定子包括：发电电极的环，每个发电电极包括径向节段，不同的节段彼此隔离；以及电荷生成控制电极的集合，其用于生成所述反馈信号。
13.如权利要求12所述的方法，包括直接响应于运动而生成所述反馈信号。
14.根据权利要求12或13所述的方法，包括使用以下项来生成所述反馈信号：
电荷耦合设备；
信号生成器，其响应于所述发电机的部分的机械运动而生成信号；或者
传感器，其用于感测磁性耦合。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述电荷耦合设备包括光电二极管。
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| Li et al. | Synchronously Actuated Electrostatic Mems Switch for Efficient Energy Management of Triboelectric Nanogenerator |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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