發(fā)電機(jī)能量管理裝置及發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電能產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，具體地，涉及一種發(fā)電機(jī)能量管理裝置及發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在我們的生活周?chē)?，有許許多多的能量被輕易的浪費(fèi)掉了，比如人走路對(duì)地面的摩擦，鞋底與地面間的壓力，以及脫衣服時(shí)產(chǎn)生的靜電能等。如果將這些身邊經(jīng)常接觸到的能量收集起來(lái)，轉(zhuǎn)化為電能，并將此電能儲(chǔ)存起來(lái)，然后用來(lái)來(lái)驅(qū)動(dòng)一些小型的電子器件，那么這將在一定程度上緩解當(dāng)今世界能源的緊缺現(xiàn)狀。并且，這種發(fā)電模式清潔環(huán)保，也會(huì)緩解傳統(tǒng)發(fā)電模式所產(chǎn)生的環(huán)境污染難題。2006年美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授研宄組利用氧化鋅納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，成功實(shí)現(xiàn)了壓電式納米發(fā)電機(jī)，并首次提出了納米發(fā)電機(jī)的概念。隨后基于摩擦特性的納米發(fā)電機(jī)被陸續(xù)研制成功。這種納米發(fā)電機(jī)成功的實(shí)現(xiàn)了將周?chē)钪欣速M(fèi)的能量收集起來(lái)，并可以讓多盞LED燈閃爍，而不能持續(xù)供電，并且這能量沒(méi)有辦法儲(chǔ)存起來(lái)。
[0003]隨著近幾年對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的研宄，介于自身結(jié)構(gòu)和材料的特性。提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸入功率，必須使用絕緣效果非常好的材料，以至于其自身的等效內(nèi)阻非常大。同時(shí)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性，欲使提高輸出功率的同時(shí)，其輸出電壓不斷的升高，而其輸出電流相比之下只有納安級(jí)。在這樣的情況下，在本領(lǐng)域中急切希望能將這部分的輸出的能量?jī)?chǔ)存在電池中，并對(duì)電池進(jìn)行有效的管理。
[0004]針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中尚無(wú)良好解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)備，該設(shè)備能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)(例如，摩擦納米發(fā)電機(jī))電能的存儲(chǔ)和管理。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種發(fā)電機(jī)能量管理裝置，用于對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能進(jìn)行管理，所述發(fā)電機(jī)能量管理裝置包括:整流電路，被配置成對(duì)來(lái)自所述發(fā)電機(jī)的輸入進(jìn)行整流；穩(wěn)壓電路，被配置成將整流電路的輸出轉(zhuǎn)化為降壓穩(wěn)流輸出；第一電池，被配置成存儲(chǔ)電能以及向用電器供電；電壓比較及充電電路，被配置成比較所述第一電池的電壓與參考電壓，當(dāng)所述第一電池的電壓低于所述參考電壓時(shí)利用所述穩(wěn)壓電路的輸出對(duì)所述第一電池進(jìn)行充電；以及備用供電電路，該備用供電電路包括第二電池，被配置成當(dāng)與該備用供電電路耦接的所述第一電池的電壓小于或等于預(yù)定值時(shí)，中斷所述第一電池與所述用電器的連接，以及將所述第二電池的電能提供給所述用電器。
[0007]進(jìn)一步地，所述整流電路包括整流橋和串聯(lián)在該整流橋直流負(fù)極輸出端和所述整流電路負(fù)極輸出端之間的并聯(lián)的第一電阻和電感。
[0008]進(jìn)一步地，所述穩(wěn)壓電路包括耦接的第一晶體管和齊納二極管，其中所述第一晶體管的集電極連接所述整流電路的輸出、基極連接所述齊納二極管的負(fù)極以及發(fā)射極經(jīng)由第三電阻連接所述齊納二極管的正極。
[0009]進(jìn)一步地，所述穩(wěn)壓電路還包括第二電阻和第二晶體管，該第二電阻串聯(lián)在所述第二晶體管的基極和發(fā)射極之間，所述第二晶體管的集電極連接所述第一晶體管的發(fā)射極、基極連接所述齊納二極管的負(fù)極以及發(fā)射極連接所述第一晶體管的基極。
[0010]進(jìn)一步地，所述第一電池通過(guò)所述備用供電電路向所述用電器供電，以及所述備用供電電路包括:第三晶體管，設(shè)置于所述第一電池和所述用電器之間，被配置成導(dǎo)通時(shí)將所述第一電池的電能傳遞到所述用電器；第四晶體管設(shè)置于所述第二電池和所述用電器之間，被配置成導(dǎo)通時(shí)將所述第二電池的電能傳遞到所述用電器；以及控制晶體管，被配置成根據(jù)所述第一電池的電壓控制所述第三晶體管和所述第四晶體管的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)。
[0011]進(jìn)一步地，所述控制晶體管的集電極連接所述第三晶體管和所述第四晶體管的基極，以及所述第三晶體管和所述第四晶體管極性相反。
[0012]進(jìn)一步地，所述第一電池的正極和地之間串聯(lián)第四電阻和第五電阻，所述控制晶體管的基極連接在所述第四電阻和所述第五電阻之間，所述控制晶體管的發(fā)射極接地，其中，當(dāng)所述第一電池的電壓小于或等于所述預(yù)定值時(shí)，所述控制晶體管截止。
[0013]進(jìn)一步地，當(dāng)所述控制晶體管截止時(shí)，所述第三晶體管截止，以及所述第四晶體管的導(dǎo)通；以及當(dāng)所述控制晶體管導(dǎo)通時(shí)，所述第三晶體管導(dǎo)通，以及所述第四晶體管截止。
[0014]進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)能量管理裝置還包括耦接在所述發(fā)電機(jī)的輸出和所述整流電路之間的降壓式變壓器。
[0015]進(jìn)一步地，發(fā)電機(jī)為摩擦納米發(fā)電機(jī)。
[0016]本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)以及上述發(fā)電機(jī)能量管理裝置。
[0017]進(jìn)一步地，發(fā)電機(jī)為摩擦納米發(fā)電機(jī)。
[0018]通過(guò)上述技術(shù)方案，能夠?qū)l(fā)電機(jī)輸入的高壓交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電，供第一電池充電，以及能夠當(dāng)?shù)谝浑姵胤烹姷筋A(yù)定值時(shí)停止該第一電池的放電，轉(zhuǎn)而使用第二電池供電，即保證了電能的連續(xù)供應(yīng)，又能夠防止因過(guò)度放電而造成電池?fù)p壞。
[0019]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0020]附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與下面的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0021]圖1是本發(fā)明實(shí)施方式提供的發(fā)電機(jī)能量管理裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明實(shí)施方式提供的示例的整流電路示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明實(shí)施方式提供的示例的穩(wěn)壓電路示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明實(shí)施方式提供的示例的電壓比較及充電電路示意圖；以及
[0025]圖5是本發(fā)明實(shí)施方式提供的示例的備用供電電路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。例如，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】以摩擦納米發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明所用的發(fā)電機(jī)并不局限于此。
[0027]圖1是本發(fā)明實(shí)施方式提供的發(fā)電機(jī)能量管理裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施方式提供的發(fā)電機(jī)能量管理裝置，可以用于對(duì)例如摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能進(jìn)行管理。該發(fā)電機(jī)能量管理裝置可以包括:整流電路101，被配置成對(duì)來(lái)自所述摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸入進(jìn)行整流；穩(wěn)壓電路102，被配置成將整流電路101的輸出轉(zhuǎn)化為降壓穩(wěn)流輸出；電池BT2，被配置成存儲(chǔ)電能以及向用電器(未示出)供電；電壓比較及充電電路103，被配置成比較所述電池BT2的電壓與參考電壓，當(dāng)所述電池BT2的電壓低于所述參考電壓時(shí)利用所述穩(wěn)壓電路的輸出對(duì)所述電池BT2進(jìn)行充電；以及備用供電電路104，該備用供電電路104包括電池BT3，被配置成當(dāng)與該備用供電電路104耦接的所述電池BT2的電壓小于或等于預(yù)定值時(shí)，中斷所述電池BT2與所述用電器的連接，以及將所述電池BT3的電能提供給用電器。通過(guò)上述技術(shù)方案，能夠?qū)⒛Σ良{米發(fā)電機(jī)輸入的高壓交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電，供電池BT2充電，以及能夠當(dāng)電池BT2放電到預(yù)定值時(shí)停止該電池BT2的放電，轉(zhuǎn)而使用電池BT3供電，即保證了電能的連續(xù)供應(yīng)，又能夠防止因過(guò)度放電而造成電池?fù)p壞。
[0028]由于摩擦納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的能量的電壓一般很大，在實(shí)施方式中，在將能量輸入整流電路101之前可以對(duì)電壓進(jìn)行降壓。在這樣的實(shí)施方式中，摩擦納米發(fā)電機(jī)能量管理裝置還可以包括耦接在摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出和所述整流電路101之間的降壓式變壓器105。例如，降壓式變壓器105可以為正激勵(lì)式變壓器、反激勵(lì)式變壓器，降壓范圍可以設(shè)定在2:1到20:1。
[0029]以下結(jié)合圖2-圖5對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式提供的摩擦納米發(fā)電機(jī)能量管理裝置的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]圖2是本發(fā)明實(shí)施方式提供的示例的整流電路示意圖。如圖2所示，在實(shí)施方式中，整流電路101可以包括整流橋(例如，二極管整流橋)和串聯(lián)在該整流橋直流負(fù)極輸出端和所述整流電路負(fù)極輸出端之間的并聯(lián)的電阻R2和電感LI。在實(shí)施方式中，用于整流的二極管可以選用低功耗的耐壓式二極管，范圍從20V-600V，以適應(yīng)于不同的輸入電壓；電容Cl、C2和C3并聯(lián)在整流橋的兩個(gè)直流輸出端之間，對(duì)整流電路的輸出具有濾波作用，為了達(dá)到較好的濾波效果，電容Cl、C2和C3可以選用電容范圍在lpF-lOOuF的較大電容，以實(shí)現(xiàn)寬范圍濾波；電阻R1、R2和R3的作用是實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)放電，可以選則I歐姆到10~6歐姆；電感LI選用在I毫亨到100亨。
[0031]摩擦發(fā)電機(jī)的最大輸出電壓范圍可以被設(shè)定在100V-600V。利用降壓式變壓器和整流二極管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的高電壓的交流信號(hào)的降壓和整流，將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流的電壓信號(hào)，方便后續(xù)電路的處理，來(lái)自摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸入通過(guò)整流電路101可以輸出得到較穩(wěn)定的低壓信號(hào)。
[0032]圖3是本發(fā)明實(shí)施方式提供的示例的穩(wěn)壓電路示意圖。如圖3所示，在實(shí)施方式中，穩(wěn)壓電路102可以包括耦接的晶體管Ql和齊納二極管(或穩(wěn)壓二極管)D5，其中晶體管Ql的集電極連接整流電路101的輸出、基極連接齊納二極管D5的負(fù)極以及發(fā)射極經(jīng)由電阻R6連接齊納二極管D5的正極。圖3所示的電路中，電阻R4串聯(lián)在晶體管Ql的集電極和基極之間，可以為基極提供工作電壓。齊納二極管D6連接在地和穩(wěn)壓電路102的輸出之間，用來(lái)使穩(wěn)壓電路102提供穩(wěn)壓輸出。由于通過(guò)整流電路101之后的電壓仍然較大，一般為5V-30V。因此，需要通過(guò)穩(wěn)壓電路102進(jìn)一步將電壓電流轉(zhuǎn)化為低壓恒流的輸出以便于電池充電使用。在實(shí)施方式中，利用單晶體管Ql的基極的引出端與齊納二極管D5可以形成穩(wěn)定電壓，單晶體管Ql的發(fā)射極通過(guò)電阻R6可以形成穩(wěn)定電流。
[0033]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，為了實(shí)現(xiàn)更大范圍的電壓調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓電路102還可以包括電阻R5和晶體管Q2，該電阻R5串聯(lián)在晶體管Q2的基極和發(fā)射極之間，晶體管Q2的集電極連接晶體管Ql的發(fā)射極、基極連接齊納二極管D5的負(fù)極以及發(fā)射極連接晶體管Ql的基極。通過(guò)晶體管Q2可以滿足更寬廣的輸入范圍并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，減少功率耗散。增加晶體管Q2 (PNP)和電阻R5形成偏置電流，將晶體管Q2的基極和發(fā)射極的電壓加在R5上，為齊納二極管D5提供恒流的電流補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)低壓的穩(wěn)定的電流輸出。在實(shí)施方式中，其中晶體管Ql可以為耐壓為20V-600V的NPN型晶體管，晶體管Q2可以