CN113300445B - 一种多源混合能量收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多源混合能量收集装置，包括：第一发电装置用于发电得到第一电压并进行阻抗变换；第一电源管理单元用于控制第一中间电容对第二中间电容放电；第一中间电容用于储存第一发电装置发电得到的电能；第二发电装置用于发电得到第二电压并进行阻抗变换；第二电源管理单元用于控制第二中间电容对储能电容放电；第二中间电容用于储存第二发电装置发电得到的电能和第一中间电容放电的电能；储能电容用于储存第二中间电容放电的电能。该装置能同时收集多种不同类型的环境能量，尤其是对于两种内阻相差甚远的输入源，不需要将两种输入源同时输入到一级储能装置后再转换到二级储能装置，收集效率高。

Description

一种多源混合能量收集装置
技术领域
本发明涉及多源能量收集装置技术领域，具体涉及一种多源混合能量收集装置。
背景技术
目前存在较多的是单一输入源的能量收集，主要的思想都是两级储能装置，即一个一级储能装置和一个二级储能装置，输入源首先给一级储能装置充电，当一级储能装置的电压达到一定电压后，便会将储存的电能送到二级储能装置中，完成能量收集。
摩擦纳米发电机是依靠两种不同的纳米材料之间的摩擦引起电荷转移来实现发电的，应用场景十分广泛，只要有摩擦的地方就能发电，但其所产生的电能具有高电压、低电流，高阻抗的特点，且功率十分微小，无法直接利用，必须经过收集和转换才能使用。目前针对摩擦纳米发电机能量的收集技术主要是用电容进行储存。太阳能发电是利用半导体材料的光电效应产生电子-空穴对来发电的，所产生的电能十分稳定，输出功率较大。但是产生的电能会随光照强度变化而变化，在黑夜的时候几乎不发电。这两种是无污染、低成本，可持续的绿色新能源，可以为相关电子产品，比如海洋检测浮标实现自功能。如何同时对这两种能源进行收集，并实现效率最大化，目前并没有相对成熟的技术。目前缺乏对两种输入源的微能源收集技术，尤其是对于类似摩擦纳米发电机和微型太阳能板这种两种内阻相差甚远的输入源。如果按照单一输入源的两级储能方式，将两种输入源同时输入到一级储能装置再转换到二级储能装置，则效率会很低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种多源混合能量收集装置，能提高两种不同输入源的能量采集效率。
本发明实施例提供的一种多源混合能量收集装置，包括：第一发电装置、第一电源管理单元、第一中间电容、第二发电装置、第二电源管理单元、第二中间电容和储能电容，
所述第一发电装置用于发电得到第一电压并与第一中间电容进行阻抗匹配；
所述第一电源管理单元用于控制第一中间电容对第二中间电容放电；
所述第一中间电容用于储存第一发电装置发电得到的电能；
所述第二发电装置用于发电得到第二电压并与第二中间电容进行阻抗匹配；
所述第二电源管理单元用于控制第二中间电容对储能电容充电；
所述第二中间电容用于储存第二发电装置发电得到的电能和第一中间电容充电的电能；
所述储能电容用于储存第二中间电容放电的电能。
可选地，第一电源管理单元包括第一降压转换器和第一控制开关；
所述第一降压转换器用于将第一中间电容的输出电压转换成稳定的输出电压向第二中间电容放电；
所述第一控制开关用于在第一中间电容的电压达到设定的第一控制开关的上限电压时，控制开始对第二中间电容充电，在第一中间电容的电压达到设定的第一控制开关的下限电压，控制停止对第二中间电容充电。
可选地，第一电源管理单元还包括第一二极管，所述第一二极管用于控制第一发电装置电压低时阻止电流回流。
可选地，第二电源管理单元包括第二降压转换器和第二控制开关；
所述第二降压转换器用于将第二中间电容的输出电压转换成稳定的输出电压向储能电容放电；
所述第二控制开关用于在第二中间电容的电压达到第二控制开关设定的上限电压时，控制开始对储能电容充电，在第二中间电容的电压达到第二控制开关设定的下限电压时，控制停止对储能电容充电。
可选地，第二电源管理单元还包括第三二极管，所述第三二极管用于控制第二发电装置电压低时阻止电流回流。
可选地，第一控制开关为迟滞开关，所述第二控制开关为迟滞开关。
可选地，第一控制开关为可编程控制器，所述第二控制开关为可编程控制器。
本发明的有益效果：
本发明实施例提供的一种多源混合能量收集装置，能同时收集多种不同类型的环境能量，尤其是对于两种内阻相差甚远的输入源，不需要将两种输入源同时输入到一级储能装置后再转换到二级储能装置，将两种输入源的能量分别输入到不同的储能装置后，再逐级往后级的储能装置充电，收集效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明第一实施例所提供的一种多源混合能量收集装置的原理框图；
图2示出了本发明第二实施例所提供的一种多源混合能量收集装置的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，示出了本发明第一实施例所提供的一种多源混合能量收集装置的原理框图，该装置包括：第一发电装置、第一电源管理单元、第一中间电容、第二发电装置、第二电源管理单元、第二中间电容和储能电容，所述第一发电装置用于发电得到第一电压并第一中间电容进行阻抗匹配；所述第一电源管理单元用于控制第一中间电容对第二中间电容充电；所述第一中间电容用于储存第一发电装置发电得到的电能；所述第二发电装置用于发电得到第二电压并与第二中间电容进行阻抗匹配；所述第二电源管理单元用于控制第二中间电容对储能电容充电；所述第二中间电容用于储存第二发电装置发电得到的电能和第一中间电容放电的电能；所述储能电容用于储存第二中间电容放电的电能。
第一电源管理单元包括第一降压转换器和第一控制开关；所述第一降压转换器用于将第一中间电容的输出电压转换成稳定的输出电压向第二中间电容放电；所述第一控制开关用于在第一中间电容的电压达到设定的第一控制开关的上限电压时，控制开始对第二中间电容充电，在第一中间电容的电压达到设定的第一控制开关的下限电压，控制第一中间电容停止对第二中间电容充电。第一电源管理单元还包括第一二极管，所述第一二极管用于控制第一发电装置电压低时阻止电流回流。第二电源管理单元包括第二降压转换器和第二控制开关；所述第二降压转换器用于将第二中间电容的输出电压转换成稳定的输出电压向储能电容放电；所述第二控制开关用于在第二中间电容的电压达到第二控制开关设定的上限电压时，控制开始对储能电容充电，在第二中间电容的电压达到第二控制开关设定的下限电压时，控制第二中间电容停止对储能电容充电。第二电源管理单元还包括第三二极管，所述第三二极管用于控制第二发电装置电压低时阻止电流回流。第一控制开关为迟滞开关或可编程控制器，所述第二控制开关为迟滞开关或可编程控制器。
如图2所示，示出了本发明第一实施例提供的一种多源混合能量收集装置的电路图，第一发电装置采用摩擦纳米发电机，第二发电装置采用太阳能发电板，摩擦纳米发电机发电得到的电能经过整流桥对经过负载匹配后的第一中间电容进行充电，整流桥采用的二极管的耐压值应大于摩擦纳米发电机发出的电压的峰值。太阳能发电板发电得到的电能经过第二二极管对经过负载匹配后的第二中间电容匹配充电，第二二极管采用肖特基二极管。第一电源管理单元包括迟滞开关、第一降压转换器和第一二极管，摩擦纳米发电机对第一中间电容充电，当第一中间电容的电压大小达到迟滞开关设定的上限电压时，迟滞开关闭合，第一中间电容的电能通过第一降压转换器形成稳定电压达到第二中间电容，完成一次能量融合，当第一中间电容的电压低于迟滞开关设定的下限电压时，迟滞开关断开，控制停止对第二中间电容充电。第一降压转换器输出的电压应比迟滞开关设定的上限电压高。太阳能发电板对第二中间电容充电，第二电源管理单元包括第二降压转换器、第二控制开关和第三二极管，第二中间电容储存第一中间电容所放的电能和太阳能发电板产生的电能，当第二中间电容的电压大小达到迟滞开关预设的上限电压时，迟滞开关闭合，第二中间电容的电能通过第二降压转换器稳定输出到储能电容，完成储能，当第二中间电容的电压低于迟滞开关预设的下限电压时，迟滞开关断开，第二中间电容停止向储能电容放电。摩擦纳米发电机对第一中间电容的充电效率和太阳能发电板对第二中间电容的充电效率分别达到最大，整体对两种输入源的能量采集效率十分理想。在本实施例中，第一二极管和第三二极管采用普通二极管，第一中间电容和第二中间电容选择微毫级别的电容，储能电容根据负载需求选用法拉电容。第一降压转换器和第二降压转换器可使用高效率、低驱动功耗的DC-DC转换装置。本实施例中的第一发电装置和第二发电装置并不限于摩擦纳米发电机和太阳能发电板，也可以采用其他任何两种不同类型的输入源，只需要改变第一中间电容和第二中间电容的大小，使其分别与两种输入源形成负载匹配即可。
本发明实施例提供的一种多源混合能量收集装置，能同时收集多种不同类型的环境能量，尤其是对于两种内阻相差甚远的输入源，不需要将两种输入源同时输入到一级储能装置后再转换到二级储能装置，将两种输入源的能量分别输入到不同的储能装置后，再逐级往后级的储能装置充电，收集效率高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种多源混合能量收集装置，其特征在于，包括：第一发电装置、第一电源管理单元、第一中间电容、第二发电装置、第二电源管理单元、第二中间电容和储能电容，
所述第一发电装置用于发电得到第一电压并与第一中间电容进行阻抗匹配；
所述第一电源管理单元用于控制第一中间电容对第二中间电容充电；
所述第一中间电容用于储存第一发电装置发电得到的电能；
所述第二发电装置用于发电得到第二电压并与第二中间电容进行阻抗匹配；
所述第二电源管理单元用于控制第二中间电容对储能电容充电；
所述第二中间电容用于储存第二发电装置发电得到的电能和第一中间电容放电的电能；
所述储能电容用于储存第二中间电容放电的电能；
所述第一电源管理单元包括第一降压转换器和第一控制开关；
所述第一降压转换器用于将第一中间电容的输出电压转换成稳定的输出电压向第二中间电容放电；
所述第一控制开关用于在第一中间电容的电压达到设定的第一控制开关的上限电压时，控制开始对第二中间电容充电，第一中间电容的电能通过第一降压转换器形成稳定电压达到第二中间电容，完成一次能量融合，在第一中间电容的电压达到设定的第一控制开关的下限电压，控制第一中间电容停止对第二中间电容充电；
所述第一电源管理单元还包括第一二极管，所述第一二极管用于控制第一发电装置电压低时阻止电流回流；
所述第二电源管理单元包括第二降压转换器和第二控制开关；
所述第二降压转换器用于将第二中间电容的输出电压转换成稳定的输出电压向储能电容放电；
所述第二控制开关用于在第二中间电容的电压达到第二控制开关设定的上限电压时，控制开始对储能电容充电，在第二中间电容的电压达到第二控制开关设定的下限电压时，控制第二中间电容停止对储能电容充电。
2.根据权利要求1所述的多源混合能量收集装置，其特征在于，所述第二电源管理单元还包括第三二极管，所述第三二极管用于控制第二发电装置电压低时阻止电流回流。
3.根据权利要求2所述的多源混合能量收集装置，其特征在于，所述第一控制开关为迟滞开关，所述第二控制开关为迟滞开关。
4.根据权利要求2所述的多源混合能量收集装置，其特征在于，所述第一控制开关为可编程控制器，所述第二控制开关为可编程控制器。
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