摩擦納米發(fā)電機(jī)能量收集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及摩擦納米發(fā)電領(lǐng)域，特別地，涉及一種摩擦納米發(fā)電機(jī)能量收集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的發(fā)電，如煤、天然氣和核電廠全部采用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)， 這一直是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的唯一途徑。然而，自然界和人類生命存續(xù)過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn) 生各種動(dòng)能和勢(shì)能，如何將這些微小的能量轉(zhuǎn)換為人們所需的能源，一直是科技界不斷探 索的方向。2006年納米發(fā)電機(jī)的提出，開(kāi)辟了將環(huán)境中存在的微小能源轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的一個(gè) 新的領(lǐng)域。
[0003] 如CN201310714104. 4公開(kāi)了一種收集流動(dòng)液體能量的發(fā)電機(jī)和發(fā)電方法，可用 來(lái)收集液體的流動(dòng)能量，特別是環(huán)境中存在的流動(dòng)液體能量，并將其轉(zhuǎn)化成電力直接使用 或儲(chǔ)存。發(fā)電機(jī)主要是利用環(huán)境中液體例如水易與其它物質(zhì)摩擦后帶電的特性及靜電傳導(dǎo) 原理，可以廣泛的收集如下雨雨滴及環(huán)境中廢水流動(dòng)的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽哂袕V 闊的應(yīng)用前景。該文獻(xiàn)公開(kāi)了一種將自然界的微小能量轉(zhuǎn)換為人們所需的能源的例子。
[0004] 目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能穿戴的發(fā)展如火如荼，無(wú)線傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組 成部分，其供電方式也因此受到了極大的關(guān)注。傳統(tǒng)的供電方式是采用電池供電，但是電池 供電時(shí)間有限，尤其是隨著傳感器數(shù)量與規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，給傳感器更換電池太不現(xiàn)實(shí)，所 以能量收集技術(shù)變應(yīng)時(shí)而生。
[0005] 能量收集的來(lái)源無(wú)外乎動(dòng)能、熱能、光能、磁能等這幾種，摩擦納米發(fā)電機(jī)是依靠 兩種不同物質(zhì)摩擦后發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電能的，它的能量源頭也屬于動(dòng)能的范疇。目前 針對(duì)振動(dòng)（屬于動(dòng)能)、熱能、光能、磁能等能量形式的收集研究很多，也都有相對(duì)成熟的技 術(shù)和方案，但對(duì)非常有發(fā)展前景的摩擦納米發(fā)電機(jī)能量的收集尚未見(jiàn)到成熟有效的技術(shù)， 相關(guān)領(lǐng)域的研究者大都專注于摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電研究，故亟需設(shè)計(jì)一種用于摩擦納米 發(fā)電機(jī)的能量收集系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了 一種摩擦納米發(fā)電機(jī)能量收集系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的摩擦納米發(fā)電機(jī) 產(chǎn)生的微小能量難以有效收集以滿足負(fù)載供電需求的技術(shù)問(wèn)題。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種摩擦納米發(fā)電機(jī)能量收集系統(tǒng)，包括： 輸入接口，用于連接摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出端，以接收摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的電流； 整流電路，連接輸入接口，用于將經(jīng)輸入接口導(dǎo)入的電流經(jīng)整流變換為直流電； 輸入儲(chǔ)能電路，連接整流電路的輸出端，用于對(duì)整流電路輸出的直流電進(jìn)行儲(chǔ)能處 理； 第一控制開(kāi)關(guān)，連接輸入儲(chǔ)能電路的輸出端，用于控制輸入儲(chǔ)能電路的能量?jī)?chǔ)存及釋 放時(shí)機(jī)； DC-DC轉(zhuǎn)換器，連接第一控制開(kāi)關(guān)的輸出端，用于將第一控制開(kāi)關(guān)輸出的直流電轉(zhuǎn)換為 供負(fù)載使用的電壓恒定的電源。
[0008] 進(jìn)一步地，第一控制開(kāi)關(guān)包括用于高壓檢測(cè)的第一比較器、用于低壓檢測(cè)的第二 比較器，第一比較器、第二比較器的輸出端分別連接RS觸發(fā)器的輸入端，RS觸發(fā)器的輸出 端經(jīng)OD門連接DC-DC轉(zhuǎn)換器，輸入儲(chǔ)能電路在第一控制開(kāi)關(guān)的控制下，當(dāng)輸入儲(chǔ)能電路上 的電壓高于第一閾值時(shí)，OD門輸出高電平以驅(qū)動(dòng)DC-DC轉(zhuǎn)換器工作以供電給負(fù)載，輸入儲(chǔ) 能電路進(jìn)入放電階段；當(dāng)輸入儲(chǔ)能電路上的電壓低于第二閾值時(shí)，OD門輸出低電平以停止 DC-DC轉(zhuǎn)換器工作，輸入儲(chǔ)能電路進(jìn)入儲(chǔ)能階段，其中，第一閾值高于第二閾值。
[0009] 進(jìn)一步地，輸入儲(chǔ)能電路與第一控制開(kāi)關(guān)之間設(shè)有用于防止輸入儲(chǔ)能電路的輸出 電壓高于預(yù)設(shè)閾值的分流保護(hù)電路。
[0010] 進(jìn)一步地，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端分為兩路，一路連接用于供電給負(fù)載的輸出接 口，另一路連接經(jīng)第二控制開(kāi)關(guān)連接輸出儲(chǔ)能電路。
[0011] 進(jìn)一步地，第二控制開(kāi)關(guān)作為輸出儲(chǔ)能電路的充放電管理電路，包括第三比較器， 第三比較器的一個(gè)輸入端經(jīng)分壓電路連接DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端，另一個(gè)輸入端連接參考 電壓；第二控制開(kāi)關(guān)還包括連接DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端與輸出儲(chǔ)能電路的隔離控制電路， 第三比較器的輸出端連接隔離控制電路的控制端以控制隔離控制電路的開(kāi)閉狀態(tài)。
[0012] 進(jìn)一步地，隔離控制電路為MOS管。
[0013] 進(jìn)一步地，輸出儲(chǔ)能電路采用儲(chǔ)能電容。
[0014] 進(jìn)一步地，輸出儲(chǔ)能電路包括兩只或者兩只以上串聯(lián)連接的儲(chǔ)能電容。
[0015] 進(jìn)一步地，DC-DC轉(zhuǎn)換器為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路。
[0016] 本發(fā)明具有以下有益效果： 本發(fā)明摩擦納米發(fā)電機(jī)能量收集系統(tǒng)，通過(guò)接收摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量并轉(zhuǎn)換為直流 電供電給輸入儲(chǔ)能電路，且通過(guò)設(shè)置第一控制開(kāi)關(guān)對(duì)輸入儲(chǔ)能電路的能量?jī)?chǔ)存及釋放時(shí)機(jī) 進(jìn)行控制，再將經(jīng)輸入儲(chǔ)能電路儲(chǔ)存的能量經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電源恒定的電源供電給 負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的微小能量的合理有效利用，利于摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā) 電的推廣，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0017] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。 下面將參照?qǐng)D，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí) 施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中： 圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的摩擦納米發(fā)電機(jī)能量收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例第一控制開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例第一控制開(kāi)關(guān)的輸出特性示意圖； 圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例第二控制開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 附圖標(biāo)記說(shuō)明： 10、輸入接口； 20、整流電路； 30、輸入儲(chǔ)能電路； 40、第一控制開(kāi)關(guān)； 50、DC-DC轉(zhuǎn)換器； 60、分流保護(hù)電路； 70、輸出接口； 80、第二控制開(kāi)關(guān)； 90、輸出儲(chǔ)能電路。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相 互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供一種摩擦納米發(fā)電機(jī)能量收集系統(tǒng)，用于將收集的摩擦 納米發(fā)電機(jī)生成的微小能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載可用的能量，從而拓寬摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng) 景?，F(xiàn)有的摩擦納米發(fā)電機(jī)具有恒流源輸出特性，其開(kāi)路電壓非常高，高達(dá)幾百伏甚至上千 伏，而短路電流非常小，峰值電流最高僅幾百微安。根據(jù)這些特性，發(fā)明了本實(shí)施例能量收 集系統(tǒng)，該能量收集系統(tǒng)能把微弱的交流電轉(zhuǎn)換成電壓恒定的直流電，可以直接為MCU、無(wú) 線傳感器等負(fù)載供電。參照?qǐng)D1，本實(shí)施例能量收集系統(tǒng)包括： 輸入接口 10,用于連接摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出端，以接收摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的電 流； 整流電路20,連接輸入接口 10,用于將經(jīng)輸入接口 10導(dǎo)入的電流經(jīng)整流變換為直流 電；作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，本實(shí)施例整流電路20通過(guò)不控橋式整流或倍壓整流電路來(lái) 實(shí)現(xiàn)； 輸入儲(chǔ)能電路30，連接整流電路20的輸出端，用于對(duì)整流電路20輸出的直流電進(jìn)行儲(chǔ) 能處理； 第一控制開(kāi)關(guān)40,連接輸入儲(chǔ)能電路30的輸出端，用于控制輸入儲(chǔ)能電路30的能量?jī)?chǔ) 存及釋放時(shí)機(jī)； DC-DC轉(zhuǎn)換器50,連接第一控制開(kāi)關(guān)40的輸出端，用于將第一控制開(kāi)關(guān)40輸出的直流 電轉(zhuǎn)換為供負(fù)載使用的電壓恒定的電源。
[0022] 本實(shí)施例中，可選地，輸入儲(chǔ)能電路30是由極低ESR的陶瓷電容構(gòu)成，根據(jù)輸入源 的大小可以選擇〇. 1 μ F~4. 7 μ F。
[0023] 優(yōu)選地，考慮能量收集先儲(chǔ)存后釋放的要求，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種能量控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)能 量積累到一定程度后，開(kāi)關(guān)閉合釋放能量，而當(dāng)能量泄放到一定程度后，能量控制開(kāi)關(guān)又打 開(kāi)儲(chǔ)存能量，如此反復(fù)進(jìn)行一個(gè)個(gè)能量的積累-能量釋放循環(huán)。本實(shí)施例能量控制開(kāi)關(guān)即 第一控制開(kāi)關(guān)40,該第一控制開(kāi)關(guān)40在能量收集系統(tǒng)中起著控制能量釋放時(shí)機(jī)的作用。
[0024] 參照?qǐng)D2,本實(shí)施例第一控制開(kāi)關(guān)40包括用于高壓檢測(cè)的第一比較器、用于低壓 檢測(cè)的第二比較器，第一比較器、第二比較器的輸出端分別連接RS觸發(fā)器的輸入端，RS觸 發(fā)器的輸出端經(jīng)OD門（漏極開(kāi)路的門電路)連接DC-DC轉(zhuǎn)換器50,輸入儲(chǔ)能電路30在第一 控制開(kāi)關(guān)40的控制下，當(dāng)輸入儲(chǔ)能電路30上的電壓高于第一閾值時(shí)，OD門輸出高電平以 驅(qū)動(dòng)DC-DC轉(zhuǎn)換器50工作以供電給負(fù)載，輸入儲(chǔ)能電路30進(jìn)入放電階段；當(dāng)輸入儲(chǔ)能電路 30上的電壓低于第二閾值時(shí)，OD門輸出低電平以停止DC-DC轉(zhuǎn)換器50工作，輸入儲(chǔ)能電路 30進(jìn)入儲(chǔ)能階段，其中，第一閾值高于第二閾值，如此反復(fù)進(jìn)行一個(gè)個(gè)能量的積累-能量釋 放循環(huán)。
[0025] 參照?qǐng)D2,優(yōu)選地，能量控制開(kāi)關(guān)采用一個(gè)雙比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器和一個(gè)OD門， 其輸入電壓經(jīng)三個(gè)兆歐級(jí)電阻分壓后，進(jìn)入雙比較器，雙比較器中的一個(gè)比較器用于檢測(cè) 高壓輸入，另一個(gè)用于檢測(cè)低壓輸入，雙比較器的輸出由一個(gè)基本RS觸發(fā)器來(lái)鎖存，鎖存 的值再經(jīng)一個(gè)OD門輸出。具體地，OD門輸出接上拉電阻R4,接上