[发明专利]摩擦电发电机系统和方法

说明书

一种摩擦电发电机系统使用功率转换器根据摩擦电发电机输出在摩擦电发电机与负载之间提供可控阻抗。这实现了改进的功率转移，即使由摩擦电发电机生成的输出可能是不规则的并随时间波动。

技术领域

本发明涉及摩擦电发电系统和方法。

背景技术

摩擦电效应基于接触诱发起电，其中材料在它通过摩擦与不同的材料接触之后变得带电。已经提出利用这个电荷流通过捕获来自诸如行走、风吹、振动或海浪之类的源的原本浪费的机械能来给诸如传感器和智能电话之类的移动设备供电。除作为电源使用以外，还提出了摩擦电效应用于在没有外部电源的情况下感测。因为发电机在其被干扰时产生电流，所以它们可以用于测量流速的变化、突然的移动或甚至下落的雨滴。

摩擦电效应基于根据各种材料获得电子（变得带负电）或失去电子（变得带正电）的倾向来对所述各种材料评级的一个系列。例如在A.F. Diaz和R.M. Felix-Navarro的“Asemi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials: theinfluence of chemical structure and properties”（Journal of Electrostatics 62(2004) 277–290）中公开了这个系列。产生静电的材料的最佳组合是来自正电荷列表的材料和来自负电荷列表的材料（例如，PTFE与铜相对，或FEP与铝相对）。摩擦玻璃与毛皮或穿过头发的梳子是摩擦电的来自日常生活的公知的示例。

在其最简单的形式中，摩擦电发电机因此使用不同材料的两个片，一个是电子供体，另一是电子受体。当材料接触时，电子从一种材料流到另一种材料。如果然后所述片被分离，则一个片保持通过它们之间的间隙隔离的电荷。如果电气负载然后连接到放置在两个表面的外边缘处的两个电极，则小电流将流动以使电荷均衡。

通过连续地重复该过程，可产生交变电流。在该技术的变形中，材料-最常见的便宜的柔性聚合物-产生电流，如果它们在分离之前在一起摩擦的话。也提出了产生DC电流的发电机。体积功率密度在超过50%的效率下可达到每立方米超过400千瓦。

可以通过将微米级图案贴附到聚合物片来增加功率输出。图案化有效地增加接触面积并且从而增加电荷转移的有效性。

最近，开发了用于发电（能量采集）和感测的新兴材料技术，其利用如在Wang, Z.L的“Triboelectric Nanogenerators as New Energy Technology for Self-PoweredSystems and as Active Mechanical and Chemical Sensors”（ACS Nano:131014091722005. doi:10.1021/nn404614z, 2013）中公开的这个效应。

基于这个效应，开发了所谓的摩擦电发电机（“TEG”） 的几种设备配置。一些设备在接触模式中操作，而其它设备在摩擦模式中操作。

特别开发了用于从鞋内底发电的一种配置。这从用户迈出的脚步发电，且所生成的功率可例如用于移动便携式设备的充电。该设备包括在之字形衬底上形成的多层结构。该设备基于由于接触起电所致的表面电荷转移来操作。当压力被施加到所述结构时，之字形状被压缩以创建在不同层之间的接触，且当压力被释放时所述接触被释放。细节可以在Peng Bai等人在ACS Nano 2013 7(4), pp3713-3719中的文章“Integrated MultilayeredTriboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from HumanMotiosn”中找到。