能量收集系统及自供能可穿戴设备技术方案

一种能量收集系统及自供能可穿戴设备，其中能量收集系统包括：n个独立的单元结构，n为正整数，每个独立的单元结构包含：发电系统和整流系统，发电系统包含微型发电机，其用于将人体运动产生的机械能转化为电能；整流系统包含整流电路，该整流电路的交流输入端与微型发电机的输出端相连，用于将微型发电机的电能形式由交流脉冲转化为直流脉冲；其中，在n个独立的单元结构的输出电路上设有降压装置，该降压装置为一火花间隙或放电管，将发电系统与整流系统相互隔离，并调控输出电路的输出电压和电流。能够降低输出电压，增大输出电流，有效提升输出电流的脉宽，起到脉宽调制作用，保证输出电压的稳定性，更适合给器件供电或收集能量。

【技术实现步骤摘要】
能量收集系统及自供能可穿戴设备
本公开属于新能源与人体工程学
，涉及一种能量收集系统及自供能可穿戴设备。
技术介绍
在锂电池供电成为便携移动电器主流供能方式的今天，传统电池对充电环境的依赖无疑成为一大限制，此外，废弃的电池也会给环境带来危害。人体运动可以产生大量能量，人类的许多运动，比如行走、跳舞、穿衣等方式都与转化能量联系在了一起，一般人在通常情况下的连续功率是70W左右，训练有素的运动员、武警、公安、军人、保镖等的瞬时突发功率最高可达3kW。在比较剧烈的运动中，例如打篮球时，人消耗的功率约为700W。在更加剧烈的运动情况下，例如在百米赛跑中，一个优秀运动员消耗的功率可达到千瓦(kW)级别。如果可以把这些多余的能量收集起来给电子设备供电，是一个具有巨大发展前景的课题。正因为如此，设计一个利用人体运动产生的剩余能量给电子设备供电，无疑具有很大研究价值和运用前景。近年来有很多科学家试图利用电荷感应和压电效应来制作可穿戴发电设备，用于收集人体振动产生的多余能量。但是目前的发电机普遍存在着功率低，工作环境要求高，输出电压电流不稳定且电压偏高等问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种能量收集系统及自供能可穿戴设备，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种能量收集系统，包括：n个独立的单元结构，n为正整数，每个独立的单元结构包含：发电系统和整流系统，其中发电系统包含微型发电机，其用于将人体运动产生的机械能转化为电能；整流系统包含整流电路，该整流电路的交流输入端与微型发电机的输出端相连，用于将微型发电机的电能形式由交流脉冲转化为直流脉冲；其中，在n个独立的单元结构的输出电路上设有降压装置，该降压装置为一火花间隙或放电管，将发电系统与整流系统相互隔离，并调控输出电路的输出电压和电流。在本公开的一些实施例中，能量收集系统，还包括：电子源，为一提供充足自由电子的载体；该电子源包括如下形式的一种或几种：人体、大地、电子器件以及导线；其中该能量收集系统中，整流电路的一个交流输入端与微型发电机的输出端相连，另一个交流输入端与电子源相连。在本公开的一些实施例中，整流电路的两个交流输入端分别与微型发电机的两个输出端相连。在本公开的一些实施例中，上述方案中，该能量收集电路为负载提供能量的方式包括：n个独立的单元结构分别单独为对应负载提供能量，每个独立的单元结构对应一个降压装置，每个负载与对应提供能量的单元结构中的降压装置串联；或者n个独立的单元结构通过串联和/或并联的方式进行组合之后作为整体为某一负载提供能量，n个独立的单元结构共用一个降压装置，该负载与该共用的降压装置串联；或者部分单元结构通过串联和/或并联的方式进行组合之后为某一负载提供能量，部分单元结构单独为其他对应负载提供能量。在本公开的一些实施例中，负载以宏观电路、薄膜印刷电路或集成电路的方式附着在该能量收集系统的内部或外部，负载为用电器、储能器件、各类敏感元件及传感器中的一种或几种，包括如下元器件中的一种或其组合：电容、电感、二极管、三极管、led或lcd屏幕、微型电机、以及锂电池；可选的，负载为一电容，该电容的两端串联有二极管；可选的，负载为一可调电阻和包含n个LED灯的LED阵列，可调电阻与LED阵列串联于电路中，通过调节可调电阻的阻值大小，使LED阵列进入持续闪烁状态，且闪烁频率大于25Hz，n为正整数。在本公开的一些实施例中，微型发电机为如下发电机形式的一种或几种：基于电磁感应的发电机、基于静电感应的发电机或者基于压电效应的发电机，包括：电磁感应发电机、驻极体发电机、摩擦纳米发电机和压电发电机；和/或，微型发电机产生交流脉冲或直流脉冲，脉冲电压介于1V-10kV之间，电流介于0.1μA到100A之间。在本公开的一些实施例中，整流电路为如下整流电路的一种或几种：半波整流电路、全波整流电流以及桥式整流电路；和/或，构建该整流电路的电子元件包括如下具有单向导电性的元器件的一种或几种：交流变压器、直流变压器、整流二极管、开关二极管以及晶闸管；和/或，该整流电路的正向平均电流在1μA到100A之间，最高反向工作电压在1V到10000V之间，击穿电压在1V到10000V之间，最高工作频率在100HZ到10kHZ之间。在本公开的一些实施例中，火花间隙或放电管的外部由绝缘材料密闭封装，内部为真空环境或由干燥的空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气之中的一种或几种混合进行填充，火花间隙或放电管内部的放电针包含两个贴近的金属电极，金属电极在击穿时对应产生电弧进行放电；和/或，降压装置包含如下放电管中的一种或其组合：玻璃放电管、气体放电管以及半导体放电管，组合连接的方式包括串联和并联；和/或，降压装置的放电范围介于50V-3500V之间。在本公开的一些实施例中，绝缘材料包含如下材料的一种或几种：玻璃、陶瓷以及有机高分子材料；和/或，金属电极的形状包含如下形状的一种或几种：圆锥形、圆柱形、圆台形；和/或，两个金属电极的间隙介于1nm到1cm之间。根据本公开的另一个方面，提供了一种自供能可穿戴设备，包含本公开提及的任一种能量收集系统。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的能量收集系统及自供能可穿戴设备，具有以下有益效果：通过在每个独立的单元结构中设置整流系统，将发电系统中产生的电能由交流脉冲形式转化为直流脉冲形式，并在n个独立的单元结构的输出电路上设有降压装置，利用火花间隙或放电管这类降压装置能够降低输出电压，增大输出电流，有效提升输出电流的脉宽，起到一定的脉宽调制作用，在一定范围内保证输出电压的稳定性，更适合给器件供电或者收集能量；同时，降压装置可以将发电系统和整流电路(整流系统)相互隔离，从而降低整个能量收集系统作为电源的内阻，该结构对应的材料成本低廉、制造工艺简单且可集成度高，收集利用人体运动产生的多余能量转化成电能给器件供电，是一种清洁的生物能源，在自供能可穿戴设备或器件领域具有广泛的应用前景。附图说明图1为根据本公开一实施例所示的能量收集系统的结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的应用于驻极体发电机组的能量收集系统的结构示意图。图3为根据本公开一实施例所示的应用于压电发电机的能量收集系统的结构示意图。图4为根据本公开一实施例所示的基于RC振荡的驻极体发电照明系统的结构示意图。【符号说明】101-整流电路；102-微型发电机；103-电子源；104-降压装置/放电管/火花间隙；105-负载；115-电容；125-二极管；135-可调电阻；145-LED阵列。具体实施方式针对于目前的驻极体发电机、压电发电机等用于将人体运动机械能转换为电脉冲设备存在电压输出高、平均脉冲时间短的问题，目的在于提升这类发电机的输出脉冲时间和脉冲宽度，降低并将输出电压稳定在一定的范围之内，提出一种能量收集系统及可穿戴设备。本公开的能量收集系统，包括：n个独立的单元结构，n为正整数，每个独立的单元结构包含：发电系统和整流系统，其中发电系统包含微型发电机，其用于将人体运动产生的机械能转化为电能；整流系统包含整流电路，该整流电路的交流输入端与微型发电机的输出端相连，用于将微型发电机的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量收集系统，其特征在于，包括：n个独立的单元结构，n为正整数，每个独立的单元结构包含：发电系统和整流系统，其中发电系统包含微型发电机，其用于将人体运动产生的机械能转化为电能；整流系统包含整流电路，该整流电路的交流输入端与微型发电机的输出端相连，用于将微型发电机的电能形式由交流脉冲转化为直流脉冲；其中，在n个独立的单元结构的输出电路上设有降压装置，该降压装置为一火花间隙或放电管，将所述发电系统与整流系统相互隔离，并调控输出电路的输出电压和电流。

【技术特征摘要】
1.一种能量收集系统，其特征在于，包括：n个独立的单元结构，n为正整数，每个独立的单元结构包含：发电系统和整流系统，其中发电系统包含微型发电机，其用于将人体运动产生的机械能转化为电能；整流系统包含整流电路，该整流电路的交流输入端与微型发电机的输出端相连，用于将微型发电机的电能形式由交流脉冲转化为直流脉冲；其中，在n个独立的单元结构的输出电路上设有降压装置，该降压装置为一火花间隙或放电管，将所述发电系统与整流系统相互隔离，并调控输出电路的输出电压和电流。2.根据权利要求1所述的能量收集系统，其特征在于，还包括：电子源，为一提供充足自由电子的载体；该电子源包括如下形式的一种或几种：人体、大地、电子器件以及导线；其中该能量收集系统中，整流电路的一个交流输入端与微型发电机的输出端相连，另一个交流输入端与电子源相连。3.根据权利要求1所述的能量收集系统，其特征在于，所述整流电路的两个交流输入端分别与微型发电机的两个输出端相连。4.根据权利要求1至3中任一项所述的能量收集系统，其特征在于，该能量收集电路为负载提供能量的方式包括：n个独立的单元结构分别单独为对应负载提供能量，每个独立的单元结构对应一个降压装置，每个负载与对应提供能量的单元结构中的降压装置串联；或者n个独立的单元结构通过串联和/或并联的方式进行组合之后作为整体为某一负载提供能量，n个独立的单元结构共用一个降压装置，该负载与该共用的降压装置串联；或者部分单元结构通过串联和/或并联的方式进行组合之后为某一负载提供能量，部分单元结构单独为其他对应负载提供能量。5.根据权利要求4所述的能量收集系统，其特征在于，所述负载以宏观电路、薄膜印刷电路或集成电路的方式附着在该能量收集系统的内部或外部，负载为用电器、储能器件、各类敏感元件及传感器中的一种或几种，包括如下元器件中的一种或其组合：电容、电感、二极管、三极管、led或lcd屏幕、微型电机、以及锂电池；可选的，负载为一电容，该电容的两端串联有二极管；可选的，负载为一可调电阻和包含n个LED灯的LED阵列，可...

【专利技术属性】
技术研发人员：王盛凯，姚沛林，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11