[发明专利]摩擦纳米发电机的能量储存方法和能量储存系统

说明书

本发明提供一种摩擦纳米发电机的能量储存方法和储存系统，该储存方法中，摩擦纳米发电机的两个相对运动部件摩擦层的相对运动过程中，相对位移为第一位移和第二位移时，控制开关单元将摩擦纳米发电机的输出端短路，不对能量储存单元进行充电；在其他相对位移时，摩擦纳米发电机通过整流单元为能量储存单元充电。本发明设计的能量储存方法可以提高充电速率，增大最大能量存储效率达两倍，并提升饱和电压至少两倍，可以有效的利用环境中的能量实现自驱动系统。该方法可以适用于包括各种模式/结构、使用各种材料的任何一种基本型摩擦纳米发电机，利用环境机械能实现对可携带、可穿戴、可植入式电子器件的驱动。

技术领域

本发明涉及能源领域，特别涉及摩擦纳米发电机的能量高效储存方法和能量储存系统。

背景技术

随着移动、可携带电子器件的快速发展，寻找微瓦到毫瓦量级的可持续移动电源来给这些电子器件供电变得越来越重要。目前的主要办法是用能量存储单元如电池或者电容器来供电。但是它们的主要缺陷是有限的寿命，因此不能够可持续的供电。

摩擦纳米发电机的研究为持续供电提供了一种可选择的方案。摩擦纳米发电机的基本工作原理是基于摩擦起电和静电感应的藕合。参见图1，首先，至少一对用不同材料做的摩擦层1和电极层2相互接触，由于不同材料吸引电子的能力不同，电子发生转移，于是摩擦电产生。然后，在外力作用下，摩擦层1的相对位移使得电极2和电极3上的平衡静电分布被打破，电势差建立并驱动电子转移来达到新的平衡，在测量单元4上可以检测到电荷流动。当摩擦层移动回来，自由电子回流回到初始静电平衡。在周期性的机械运动例如震动、行走和海浪作用下，摩擦纳米发电机给出脉冲式的交流输出。由于脉冲式交流输出的可变频率、不规则强度的特性，摩擦纳米发电机不能用来直接驱动大部分的电子器件，需要能量存储单元存储摩擦纳米发电机收集的能量并将其规整的输出。

目前常采用的方法是，一个摩擦纳米发电机和一个能量储存单元通过一个全波段整流桥复合为一个自充电能量系统。但是，对自充电能量系统的充电性能的研究中可以看到，充电速率在数个周期后会快速下降；并且作为最高充电可达电压的饱和电压，也远小于自充电能量系统的开路电压；其能量存储效率也较低。因此，进一步研究关于自充电能量系统充电过程是必需的。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过控制电荷传输来进行摩擦纳米发电机能量储存的方法，提高摩擦纳米发电机的能量的采集和储存效率，有效的利用环境中的能量实现自驱动系统。

为实现上述目的，本发明提供一种摩擦纳米发电机的能量储存方法，摩擦纳米发电机的两个相对运动部件摩擦层的相对运动过程中，相对位移为第一位移和第二位移时，控制开关单元将所述摩擦纳米发电机的输出端短路；在其他相对位移时，所述摩擦纳米发电机通过所述整流单元为所述能量储存单元充电。

优选的，所述摩擦纳米发电机的输出端并联控制开关单元，摩擦纳米发电机的输出端通过整流单元与能量储存单元连接。

优选的，控制开关单元将所述摩擦纳米发电机的输出端短路，具体为：通过电路触发、手动触发、机械触发将所述摩擦纳米发电机的输出端短路。

优选的，所述控制开关单元为由摩擦纳米发电机的两个相对运动部件的相对移动触发的开关。

优选的，所述控制开关单元为并联在摩擦纳米发电机输出端的开关元件。

优选的，摩擦纳米发电机的两个相对运动部件摩擦层的相对运动过程中，所述第一位移为0；和/或，所述第二位移为最大位移。

优选的，所述第一位移和第二位移的位置是确定不变的。

优选的，所述摩擦纳米发电机的结构为垂直接触分离模式(CS)、平行滑动模式(LS)、单电极接触结构(SEC)、滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)或接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。