能量生成系统和方法技术方案

技术编号:18466961 阅读:170 留言:0更新日期:2018-07-18 16:31
一种系统包括用于生成电力的发电机和用于降压转换所述发电机的输出电压的开关电容器转换器。所述开关电容器转换器包括电容器组和开关布置。控制器用于基于来自所述发电机的反馈信号来控制开关。这提供了对所述开关电容器转换器的自动控制,从而简化了总体控制电路并提高了效率。

Energy generation systems and methods

A system includes a generator for generating electricity and a switched capacitor converter for step-down conversion of the generator's output voltage. The switch capacitor converter includes a capacitor bank and a switch arrangement. The controller is used to control the switch based on feedback signals from the generator. This provides automatic control of the switched capacitor converter, thus simplifying the overall control circuit and improving the efficiency.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】能量生成系统和方法
本专利技术涉及一种用于将机械能转换成电能的电能生成器以及能量生成方法。
技术介绍
将机械能转换成电能的这种系统的一个范例是摩擦电能生成系统。摩擦带电效应(也被称为摩擦带电)是一种接触感应式起电,其中,材料在通过摩擦与不同材料接触后带电。摩擦发电的基础是通过将摩擦带电效应与静电感应耦合的方法将机械能转换成电能。已经提出通过捕获来自诸如步行、随机身体运动、吹风、振动或海浪等来源的一般被浪费掉的机械能,利用摩擦发电为诸如传感器和智能手机的移动可穿戴设备供电。例如,参见:Wang、Sihong、LongLin和ZhongLinWang的“Triboelectricnanogeneratorsasself-poweredactivesensors”(NanoEnergy11,2015年,第436-462页)。摩擦带电效应基于根据其获得电子(变成带负电)或失去电子(变为带正电)的趋势对各种材料进行排序的系列。这个系列例如在A.F.Diaz和R.M.Felix-Navarro的“Asemi-quantitativetribo-electricseriesforpolymericmaterials:theinfluenceofchemicalstructureandproperties”(JournalofElectrostatics62,2004年,第277-290页)中进行了公开。产生静电的材料的最佳组合是来自正电荷列中的一种材料与来自负电荷列表中的一种材料(例如,PTFE对铜或者FEP对铝)。用毛皮摩擦玻璃或者梳子梳理头发是摩擦电在日常生活中众所周知的范例。在最简单的形式中,摩擦发电机因此使用两片不同的材料,一片是电子供体,另一片是电子受体。这些材料中的一种或多种材料能够是绝缘体。其他可能的材料可以包括半导体材料,例如,包含天然氧化物层的硅。当材料接触时,电子从一种材料交换到另一种材料。这就是摩擦带电效应。如果片材被分离,则每张片材保持(不同极性的)电荷(由它们之间的间隙隔离)并建立电势。如果在两个材料表面的背面沉积/放置的电极之间连接有电负载,则会响应于两个电极之间的电流而引发任何进一步的横向或垂直位移。这只是静电感应的一个范例。随着两个板的各个电荷中心之间的距离增加,在间隙两端的两个电极之间的吸引电场减弱,从而引起两个外部电极之间的电势差增加,这是因为经由负载的电荷吸引开始克服在间隙两端的静电吸引力。通过这种方式,摩擦发电机通过两种主要物理机制(接触起电(摩擦带电)和静电感应)之间的耦合将机械能转换成电能。通过循环地增加和减少板的电荷中心之间的相互分离,能够作为响应而感应出电流在板之间来回流动,从而在负载两端生成交流电。因此,摩擦发电机设备能够被认为是电荷泵。通过将微米级样式应用于聚合物片材能够增加功率输出。样式化有效地增加了接触面积,从而提高了电荷转移的有效性。最近,已经开发出一种利用这种效应的用于发电(能量收集)和功率转换的新兴材料技术,如在Wang,Z.L.的“Triboelectricnanogeneratorsasnewenergytechnologyforself-poweredsystemsandasactivemechanicalandchemicalsensors”(ACSnano7.11,2013年,第9533-9557页)中所公开的。基于这种效应,已经开发出所谓的摩擦发电机(“TEG”)的若干设备配置。自2012年首次报告以来,TEG的输出功率密度有了很大的提高。体积功率密度可能达到每立方米400千瓦以上,已经证实效率约为60%(同上)。除了高输出性能以外,TEG技术还具有许多其他优点,如生产成本低,可靠性和鲁棒性高,环境影响小。TEG可以用作电力发电机,即,从例如振动、风、水或随机身体运动收集能量,或者甚至将机械可用动力转换成电力。生成的电压是功率信号。TEG可以大致分为四个主要操作类别。第一种操作模式是垂直接触-分离模式,其中,通过施加的力将两个或更多个板循环地进行接触或脱离接触。例如,这可以用在鞋子中,其中,由使用者在他们踩踏时施加的压力被用于使板接触。在PengBai等人的文章“IntegratedMultilayeredTriboelectricNanogeneratorforHarvestingBiomechanicalEnergyfromHumanMotions”(ACSNano,2013年,第7卷,第4期,第3713-3719页)中描述了这种设备的一个范例。这里,该设备包括在Z字形基板上形成的多层结构。该设备基于由于接触起电引起的表面电荷转移而操作。当对该结构施加压力时,Z字形被压缩以在不同层之间创建接触,并且当释放压力时释放接触。收集的能量可能用于例如对移动便携式设备的充电。第二种操作模式是线性滑动模式,其中,板被引导为关于彼此横向滑动以改变它们之间的重叠面积。跨越平板感应出电势差,具有与总重叠面积的变化率成比例的瞬时量值。通过反复地使板彼此进行相互重叠和脱离相互重叠,可以在板之间连接的负载两端建立交流电。在Adv.Mater.的文章“FreestandingTriboelectric-Layer-BasedNanogeneratorsforHarvestingEnergyfromaMovingObjectofHumanMotioninContactandNon-ContactModes”(2014年,第26卷,第2818-2824页)中公开了一种使得能够从滑动运动中收获能量的设计。独立的可移动层在一对静止电极之间滑动。可移动层可以被布置为不与静止电极接触(即,在静止电极上方有小间距)或者可以实现滑动接触。第三种操作模式是单电极模式,其中,一个表面例如接地(例如,地板道路),并且负载连接在该第一表面与地之间(参见例如Yang,Ya等人的“Single-electrode-basedslidingtriboelectricnanogeneratorforself-powereddisplacementvectorsensorsystem”(ACSnano7.8,2013年,第7342-7351页)。第二表面(未与第一表面电连接)开始与第一表面接触并使其摩擦带电。随着第二表面从第一表面移开,第一表面中的过量电荷被驱动到地,从而在负载两端提供电流。因此,在该操作模式中仅使用单个电极(在单层上)来提供输出电流。第四种操作模式是独立式摩擦电层模式,其被设计用于从没有做出电连接的任意移动物体收集能量。例如,这个物体可能是过往的汽车、过往的火车或鞋子。(再次参见“Triboelectricnanogeneratorsasnewenergytechnologyforself-poweredsystemsandasactivemechanicalandchemicalsensors。”(ACSnano7.11,2013年,第9533-9557页)。已经开发出的线性滑动模式TEG的一个特定子集是旋转盘式TEG,其能够在接触模式(即,连续摩擦带电和静电感应)或非接触模式(即,在初始接触起电后仅静电感应)中操作。旋转盘式TEG通常包括至少一个转子和一个定子,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统,包括:发电机(14),其用于响应于机械致动而生成电力;开关电容器功率转换器(10),其用于对所述发电机的输出进行功率转换,其中,所述开关电容器转换器包括电容器组(C1‑C4)和开关布置(S1‑S8);以及控制器(66),其用于控制所述开关布置,其中,所述控制器适于基于来自所述发电机的反馈信号来控制所述开关,以将所述电容器组(C1‑C4)的配置从电容器的串联配置改变成所述电容器的并联配置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.03 EP 15197768.31.一种系统,包括:发电机(14),其用于响应于机械致动而生成电力;开关电容器功率转换器(10),其用于对所述发电机的输出进行功率转换,其中,所述开关电容器转换器包括电容器组(C1-C4)和开关布置(S1-S8);以及控制器(66),其用于控制所述开关布置,其中,所述控制器适于基于来自所述发电机的反馈信号来控制所述开关,以将所述电容器组(C1-C4)的配置从电容器的串联配置改变成所述电容器的并联配置。2.如权利要求1所述的系统,其中,所述发电机(14)包括摩擦发电机。3.如权利要求1或2所述的系统,其中,所述发电机(14)直接响应于运动而生成所述反馈信号。4.如任一前述权利要求所述的系统,其中,所述发电机(14)包括用于生成所述反馈信号的电荷耦合设备,例如,光电二极管。5.如权利要求1至3中的任一项所述的系统,其中,所述发电机(14)包括用于响应于所述发电机的部分的机械运动而生成所述反馈信号的信号生成器。6.如权利要求5所述的系统,其中,所述发电机(14)包括机械电荷耦合设备,例如,压电设备或热电设备。7.如权利要求1至3中的任一项所述的系统,其中,所述发电机(14)包括用于响应于由传感器检测到的磁性耦合而生成所述反馈信号的信号生成器。8.如权利要求1至3中的任一项所述的系统,其中,所述发电机(14)包括旋转盘式摩擦发电机,所述旋转盘式摩擦发电机包括转子和定子,其中,转子样式和/或定子样式(40a、40b、40c;50)被提供用...

【专利技术属性】
技术研发人员:K·阿鲁兰杜N·F·茹瓦A·J·戴维P·范德尔夫特M·T·约翰逊
申请(专利权)人:皇家飞利浦有限公司
类型:发明
国别省市:荷兰,NL

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1