[发明专利]一种换能组件以及一种库伦循环发电机

说明书

本发明涉及发电技术领域，公开了一种换能组件及一种库伦循环发电机，换能组件包括至少两个相对设置的换能元件，单个换能元件均含有至少一面柔性绝缘基底和至少一组电极；相邻换能元件的两组电极之间设置为不能够直接电接触形式；库伦循环发电机包括至少一个上述的换能组件，电荷注入源、电能输出电路和控制单元，换能组件实现库伦循环中的能量转换过程；电荷注入源实现库伦循环中的电荷注入过程；电能输出电路用于向外输出换能组件转化的电能；控制单元用于控制电荷注入源给每组电极注入电荷，以及控制电能输出电路向外输出电能。本发明通过主动控制电荷的循环过程实现高效的能量收集，具备高功率特性和高能量效率输出的优点。

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其是涉及一种换能组件及一种库伦循环发电机。

背景技术

蒸汽机发明初期，效率很低大约只有4％，当时很多工程师们从机械细节对其进行改良，希望提升其效率，但是效果都不太理想。后来法国青年工程师卡诺，从理论角度出发系统的研究了热机做功过程。经过系统的研究，最终给出了热机的理论极限效率，同时也指明了热机改良的方向，之后热机效率才得以大幅度提升。此后，热机作为最主要的动力一直服役至今。但是由于化石能源的环境污染、能源危机等问题，人们急需一种可再生的清洁能源技术，比如可以直接从环境收集能量的系统。

近年来，研究人员发明了一种全新的发电设备，可以通过摩擦起电方式把机械能转换为电能。但是这种摩擦发电所依靠的被动式的摩擦感应产生的电荷量比较低，因此功率性能差，难以满足实际应用需求。为了提高感应电荷密度，研究人员对摩擦层进行了一些改进，如对表面进行纳米修饰，可以使感应电荷成倍的增加，但是感应电荷依然比较少，而且纳米化的表面结构一方面大幅增加工艺成本，另一方面也容易损坏，可靠性不佳。此外，这类器件还有一个应用问题就是通过摩擦的方式工作器件极易磨损。

本发明借鉴卡诺循环的理论分析方法，设计出一套高效的库伦循环发电器件，通过主动控制电荷的循环过程实现高效的能量收集，可以实现可大规模布置的高效能量收集方案。通过特殊的工作模式设计可以把自然界当中的机械能/热能等天然能源直接通过类似热循环的库伦循环工作方式转换为电能，潜在应用价值极大。虽然通过借鉴热力学发展过程中的热力学类比分析方法能够很好的建立数学模型，但是两者存在着很大的物理过程差异，使得一般研究人员很难自主建立起类比模型。此外，通过分析发现与热机先天的大功率低效率特点不同(因此热机的研究很大一部分集中在提高能量利用效率方面)，库伦循环发电机先天存在低功率的特点，因此在设计合适的库伦循环发电机时需要尽可能的提高其功率特性，同时还要保证其能量效率。所以，设计出同时具备高功率特性和高能量效率的库伦循环发电机是一件非常具有挑战性的事情，本发明给出了一些列比较有效的设计手段。

发明内容

针对上述现有技术的不足，提供一种换能组件及一种库伦循环发电机，通过主动控制电荷的循环过程实现高效的能量收集，具备高功率特性和高能量效率输出的优点。

为解决上述技术问题，本发明提出一种换能组件，包括至少两个相对设置的换能元件，单个所述换能元件采用如下任意一种结构形式：

一面柔性绝缘基底，所述柔性绝缘基底的任意一面上设有一组电极；

一面柔性绝缘基底，所述柔性绝缘基底的两面上分别设有一组电极；

两面柔性绝缘基底，两面所述柔性绝缘基底之间设有一组电极；

一组所述电极为多个分立电极或者一个整体电极，相邻两个换能元件之间形成多个分立电极对多个分立电极或者多个分立电极对一个整体电极的形式；

相邻换能元件的两组电极之间设置为不能够直接电接触形式。

进一步地，单个所述换能元件采用一面柔性绝缘基底的两面上分别设有一组电极的结构形式，所述柔性绝缘基底由具有弹性的柔性绝缘材料制成。

进一步地，所述柔性绝缘基底的竖直夹持下垂长度不小于5㎝。