[发明专利]一种基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统

说明书

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统，属于纳米能源技术领域。本系统包含纳米发电模块、发射器和接收器。纳米发电模块包括摩擦纳米发电机和开关。发射器包括第一电感和发射耦合器。接收器包括第二电感、匹配电容和接收耦合器。摩擦纳米发电机的电压输出端和发射器连接。开关串联在摩擦纳米发电机的电压输出端和发射器之间。发射耦合器和接收耦合器相对。本发明具有自供能、结构简单、系统鲁棒性好，实用性强等特点，能够适应复杂的传输环境，在可穿戴式设备，植入式设备和便携式设备领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米能源技术领域，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统。

背景技术

近年来，随着可穿戴/便携式设备、物联网和无线传感器网络等智能电子产品的不断发展，自供电系统引起了人们极大的兴趣，以满足对移动电源不断增长的需求。目前，自供电系统普遍使用线缆连接能量收集器和负载，这导致了很多不便，限制了自供电系统的发展。能量收集和无线传输是自供电系统迈向物联网的关键技术，两者相互结合是目前迫切的需求。因此，通过电场谐振耦合的方式无线传输信号或者能量的自供电无线传输系统具有广阔的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构较为简单、鲁棒性强的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统，包括纳米发电模块、发射器和接收器，所述的纳米发电模块包括摩擦纳米发电机和开关，所述的发射器包括第一电感和发射耦合器，所述的接收器包括第二电感、匹配电容和接收耦合器，所述的摩擦纳米发电机的电压输出端和所述的发射器连接，所述的开关串联在摩擦纳米发电机的电压输出端和所述的发射器之间，所述的发射耦合器和所述的接收耦合器相对。

本发明的工作原理如下：摩擦纳米发电机与开关协同工作。在摩擦纳米发电机工作过程中，开关有规律地闭合，将摩擦纳米发电机积累的电荷瞬间释放。每当开关闭合时，摩擦纳米发电机输出脉冲能量。这个脉冲能量在发射器中转化为振荡信号。振荡信号通过电场谐振耦合的方式从发射耦合器无线传输到接收耦合器，从而完成电能从发射器无线传输到接收器的过程，接收器输出的振荡信号可以被直接用于提取信息，也可以经过整流为设备供电。

在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的发射器还包括补偿电容，所述的补偿电容并联在所述的第一电感的两端。通过设置补偿电容，使得发射器和接收器能够更好的匹配，从而提高传输效率。

在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的匹配电容的电容值等于摩擦纳米发电机的等效电容值与所述的补偿电容的电容值之和；所述的第二电感的电感值等于第一电感的电感值。摩擦纳米发电机在分析中可以等效为一个电容和一个电压源的串联，因此匹配电容的电容值设置为等效电容和补偿电容之和，通过上述设置可以实现最佳传输效率。

在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的摩擦纳米发电机为垂直接触-分离式摩擦纳米发电机、水平滑动式摩擦纳米发电机、单电极式摩擦纳米发电机和独立层式摩擦纳米发电机中的一种。

在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的发射耦合器和接收耦合器的形状大小相等且面对面相互对齐放置。

在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的发射耦合器和接收耦合器均为一块耦合极板，或者所述的发射耦合器和接收耦合器均由两块耦合极板组成。

在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的发射耦合器的耦合极板与接收耦合器的耦合极板间的耦合电容值在1pF-1nF之间。

在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的耦合极板为采用导电材料制成导体薄板，所述的导电材料为铜、银、铁、铝、铜合金、银合金、铁合金、铝合金中的一种。