摩擦纳米发电机的能量储存方法和能量储存系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Energy storage method for friction nano generator and energy storage system

The present invention provides a friction nano generator energy storage method and storage system, the storage method in the process of relative motion of two relative motion components of friction layer friction nano generator in relative displacement for the first and second displacement displacement, output short circuit control switch unit friction nano generator, no energy storage unit charge; in other relative displacement, the friction nano generator to charge the energy storage unit through the rectifier unit. The design method of energy storage can increase the charging rate, increase the maximum energy storage efficiency of up to two times, and increase the saturation voltage of at least two times, can be used in the environment of energy efficient implementation of self driving system. This method can be applied to include all kinds of mode / structure, the use of any one of the basic types of various materials friction nano generators, using the mechanical environment to achieve portable, wearable and implantable electronic device driver.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能源领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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)。相应的，本专利技术还提供一种摩擦纳米发电机的能量储存系统，包括摩擦纳米发电机、控制开关单元、整流单元和能量储存单元，其中，所述控制开关单元和整流单元并联在所述摩擦纳米发电机的输出端，所述整流单元连接所述能量储存单元。优选的，所述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，所述控制开关单元采用电路触发、手动触发、机械触发方式实现通断。优选的，所述控制开关单元为机械开关或电子开关。优选的，所述控制开关单元为设置在所述摩擦纳米发电机上的开关结构，由摩擦纳米发电机的两个相对运动部件的相对运动触发所述开关结构的通断。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，所述第一位移为0，和/或，所述第二位移为最大位移。优选的，所述能量储存单元为电容或电池。本专利技术提供的能量储存方法中，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。通过理论和实验的比较证实了本专利技术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(高达50％)，并提升饱和电压至少两倍。本专利技术提供的方法，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。这是一个对于纳米发电机收集能量有效存储的里程碑式的进步，对于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有重大意义。附图说明通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1为摩擦纳米发电机的工作原理示意图；图2a至图2e为5种结构摩擦纳米发电机的结构示意图；图3至图5为摩擦纳米发电机直接进行充电的V-Q曲线示意图、充电过程示意图和不同充电电压的充电循环示意图；图6为本专利技术的摩擦纳米发电机能量储存方法和系统的示意图；图7至图9为采用本专利技术的方法摩擦纳米发电机进行充电的V-Q曲线示意图、充电过程示意图和不同充电电压的充电循环示意图；图10中a-c图为本专利技术提供的充电循环方法和直接充电的测量结果曲线；d图为本专利技术提供的充电循环方法和直接充电的实验结果与理论计算结果曲线；图11为采用本专利技术提供的能量储存系统为一个商用计算器提供电源的电路示意图，以及采用直接充电和本专利技术设计的方法进行充电的V-Q曲线。具体实施方式摩擦纳米发电机的基本原理是摩擦发电和静电感应的耦合。一个基本的发电机具有至少一对相应的摩擦层来通过物理接触产生相反的摩擦电荷。发电机内一般还有两个相互绝缘的电极使得自由电子只能从外电路流过。在外部机械作用力的驱动下，摩擦层之间周期性的相对运动使得静电荷的原有平衡被打破，自由电子会通过外电路来建立新的平衡，形成对外输出。本专利技术提供的方法适用于所有摩擦纳米发电机，这里仅列出5种结构的摩擦纳米发电机，五种基本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)和接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。下面参照附图具体介绍每种模式发电机的典型结构：垂直接触分离模式(CS)摩擦纳米发电机的结构参见图2a，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层a2和设置在摩擦层a2上的第一电极层a1，第二部件包括第二电极层a3，在第一部件与第二部件互相垂直接触分离相对运动时，第二电极层a3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层a2互相接触和分离，摩擦层a2的材料与第二电极层a3的材料不同，第一电极层a1和第二电极层a3为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。平行滑动模式(LS)摩擦纳米发电机的结构参见图2b，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层b2和设置在摩擦层b2上的第一电极层b1，第二部件包括第二电极层b3，在第一部件与第二部件互相平行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦纳米发电机的能量储存方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电机的能量储存方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的能量储存方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的能量储存方法，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的能量储存方法，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的能量储存方法，其特征在于，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。6.根据权利要求1-5任一项中所述的能量储存方法，其特征在于，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。7.根据权利要求1-6任一项中所述的能量储存方法，其特征在于，所述第一位移和第二位移的位置是确定不变的。8.根据权利要求1-7任一项中所述的能量储存方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾云龙，王杰，王思泓，王中林，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11