CN113315407B - 一种基于摩擦纳米发电机的电能收发*** - Google Patents

一种基于摩擦纳米发电机的电能收发*** Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***，包括驱动组件，由其驱动的第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机，连接于第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机之间的电路管理模块，以及连接于第二摩擦纳米发电机与负载之间的电容器，且电容器的电容与第二摩擦纳米发电机的等效电容相当；第一摩擦纳米发电机采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，由驱动组件驱动产生交流电流，电路管理模块将第一摩擦纳米发电机产生的交流电流进行整流后转变为直流电流，输送至第二摩擦纳米发电机和电容器；第二摩擦纳米发电机采用接触滑移式摩擦纳米发电机，在驱动部件的驱动过程中，电荷在第二摩擦纳米发电机与电容器之间来回流动，形成对负载输出的电能。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***
技术领域
本发明属于电能收发***技术领域，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***。
背景技术
随着万物互联的物联网时代的到来以及便携式可穿戴设备的持续普及，分布式和低功率能量源的需求日益增长，相关应用与研究日益兴起。当前，实现物联信息的检测、存储、处理与传送所用的传感器的能量源大多是储能电池，同时用于健康检测、信息传送和位置定位等的便携式可穿戴设备的能量源大多同样也是储能电池，储能电池因其成熟的制作工艺和低廉成本已广泛应用于日常生产生活中。然而，其在带来便利的同时也存在诸多问题，如储能电池有着有限的容量与寿命，可充电电池的频繁充电在偏远地区无充电电源，以及电池报废后的回收可利用与环境污染问题等。因此探索绿色可持续、简易高效的替代解决方案意义与价值显著。
人们生活的周围遍布着低频能量源，如风能、水能和人体运动能等，这一部分能量是一种绿色、巨大、可持续的优质能源，若能便宜、高效地将这些机械能量转化为可用的清洁能源如电能，那将会带来巨大的经济与社会效益。因此，基于压电、磁电、光电和摩擦电等物理效应的新兴技术正在日益兴起，其中基于摩擦生电和静电感应效应的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator，简称TENG)自其诞生以来，因其显著的高效、便宜、材料广泛等优势受到越来越多的科研人员的重视与关注。
然而，目前TENG也面临着一些技术瓶颈，如模块化的电源管理、标准化的结构封装和产业化的标志产品输出等，其中电源管理是提高TENG输出性能的重要部分。因此，提高TENG的输出性能，使其能够胜任为低功率电子器件与产品供能的研究处于当前研究热点与前沿。而提高TENG输出性能的一个方向是稳定TENG的输出电压和提高TENG的电流密度，增加电极表面电荷密度。
目前，提高TENG表面电荷密度的方法主要从结构优化、材料选择、表面改性和环境控制，以及最近兴起的接触分离式电荷泵等方面改进。采用传统的方法如表面极化改性和真空封装，可将TENG的电荷密度从240μCm-2增加到1003μC m-2。而最近兴起的电荷泵突破了进一步提高电荷密度的瓶颈，如2018年在国际期刊《Nano Energy》第49卷第1期第625-633页[1]中接触分离式电荷泵首次被提出并可将电荷密度提高到1020μC m-2，而2019年在国际期刊《Nature Communications》第10卷第1期第1-9页[2]中自激发式电荷泵可将电荷密度进一步提高到1250μC m-2，最后去年2020年在国际期刊《Nature Communications》第11卷第1期第1-9页[3]中电子振荡式电荷泵将电荷密度提高到1850μC m-2。然而，这几种电荷泵均为接触分离式电荷泵，虽然电荷密度被逐步提高，但都存在固有的缺点与不足：第一，接触分离式电荷泵所产生的电压和电流都是以带有尖锐波峰的脉冲波形式存在，这对于随后为电子元器件供能的电压和电流的平滑处理带来很大困难；第二，接触分离式电荷泵产生有效的且足够大的电功率需要较高的驱动频率，而这限制了其在低频环境中的应用范围；第三，接触分离式电荷泵因存在用于保证材料接触和分离必要的行程距离而需要较大的安装空间，这同样限制了其使用范围。
现有技术：
1.Xu L,Bu T.Z.,Yang X.D.,et al.Ultrahigh charge density realized bycharge pumping at ambient conditions for triboelectric nanogenerators[J].NanoEnergy.2018,49(1):625-633.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.05.01.
2.Liu W,Wang Z,Wang G,et al.Integrated charge excitationtriboelectric nanogenerator[J].Nature Communications.2019,10(1):1-9.https://doi.org/10.1038/s41467-019-09464-8.
3.Wang H,Xu L,Bai Y,et al.Pumping up the charge density of atriboelectric nanogenerator by charge-shuttling[J].NatureCommunications.2020,11(1):1-9.https://doi.org/10.1038/s41467-020-17891-1.
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提出一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***，本电能收发***基于滑移式可变电容器电荷泵，以稳定电压和提高电流。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***，其特征在于，包括驱动组件，由所述驱动组件驱动的第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机，连接于所述第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机之间的电路管理模块，以及连接于所述第二摩擦纳米发电机与负载之间的电容器，且所述电容器的电容与第二摩擦纳米发电机的等效电容相当；其中，所述第一摩擦纳米发电机采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，在所述驱动组件的驱动下产生交流电流，所述电路管理模块将第一摩擦纳米发电机产生的交流电流进行整流后转变为直流电流，输送至所述第二摩擦纳米发电机和电容器，以提高所述第二摩擦纳米发电机和电容器中的电荷量；所述第二摩擦纳米发电机采用接触滑移式摩擦纳米发电机，第二摩擦纳米发电机在驱动部件的驱动过程中，电荷在第二摩擦纳米发电机与电容器之间来回流动，形成对所述负载输出的电能。
进一步地，所述电路管理模块包括由至少三个第一二极管和至少三个第一电容连接构成的主电路，以及并联于所述主电路输入端和输出端之间的稳压二极管，且所述第一二极管和第一电容的数量相等；各第一二极管依次首尾串联连接，各第一电容交错串联于相应的两个第一二极管之间。
进一步地，所述第二摩擦纳米发电机与负载和电容器的正负连接通路上分别设有一个倍压整流器。
进一步地，所述第二摩擦纳米发电机与负载和电容器的正负连接通路上分别设有一个降压增流电路；所述降压增流电路M个第二二极管和N个第二电容，且第二二极管和第二电容的数量满足：M＝3(N-1),N≥2；每三个第二二极管为一组，相同组内的各第二二极管依次串联连接，不同组的第二二极管并联连接，各第二电容分别并联在不同组的两个第二二极管之间。
本发明具有以下特点及有益效果：
不同于接触分离式电荷泵技术，滑移式可变电容器主要包括两个TENG即第一TENG和第二TENG以及一个电容器，由第一TENG向***注入电荷以提高第二TENG的导电电极板表面和电容器中的电荷量，利用第二TENG导电极板和电容器之间的导电通路中电荷的来回流动以对外输出电能。第二TENG不仅能够基于摩擦电效应产生电荷，同时是一个平行板可变电容器能够存储电荷。通过平行板可变电容器和电容器的电荷“蓄水池”作用，并结合倍压整流电路来稳定第二TENG的输出电压和提高第二TENG的电流输出，同时利用新设计的降压增流电路来降低输出电压、提高和稳定输出电流为小功率电子元器件供能，以此来提高TENG技术的输出性能。
附图说明
图1～3分别是本发明实施例的一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***的整体结构、***结构和原理示意图。
图4是图1所示电能收发***中第一摩擦纳米发电机的结构示意图。
图5是图1所示电能收发***中第二摩擦纳米发电机的结构示意图。
图6是图1所示电能收发***的电路结构示意图。
图7中(a)和(b)分别是在本发明的电能收发***中正负电荷通路输出单元的输出端所测得的电荷与电压曲线图。
图8是为了验证本发明实施例的电能收发***中的电路管理模块对第二摩擦纳米发电机存储电荷量的影响所采用的电路结构。
图9是利用图8所示电路结构测得的第二摩擦纳米发电机输出的电压曲线图。
图10是针对图8所示电路结构，采用二倍压、四倍压和六倍压的电路管理模块时测得的第二摩擦纳米发电机输出的电压曲线图。
图11中(a)和(b)分别是本发明实施例的电能收发***中的电路管理模块中采用传统整流电路和倍压整流电路后，实验测得的输出电压对比曲线和输出电流对比曲线。
图12中(a)和(b)分别是实验测得的不同驱动频率和不同的接入电容下输出的电流曲线图。
图13是新设计的并用于本发明实施例的电能收发***中的降压增流电路以降低和稳定输出电压和提高输出电流的电路原理图。
图14中(a)和(b)分别是降压增流电路串联充电和并联放电的工作原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述一个本发明提出的一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***的应用实例。
参见图1～3，本发明实施例的一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***包括驱动组件300，由该驱动组件300驱动的第一摩擦纳米发电机100和第二摩擦纳米发电机200，连接于第一摩擦纳米发电机100和第二摩擦纳米发电机200之间的电路管理模块400，以及连接于第二摩擦纳米发电机200与负载600之间的用于存储和释放来自第二摩擦纳米发电机200的流动电荷的电容器500；第一摩擦纳米发电机100作为本***中的电荷泵，采用独立摩擦层式TENG；第二摩擦纳米发电机200作为本***中的主TENG，采用接触滑移式TENG。第一摩擦纳米发电机100用于为第二摩擦纳米发电机200和电容器500提供电能，以提高第二摩擦纳米发电机200和电容器500中的电荷量，且电荷在第二摩擦纳米发电机200与电容器500之间来回流动，形成对外输出的电能。
本发明实施例中各部件的具体实现方式及功能分别描述如下：
驱动组件300用于使第一摩擦纳米发电机100和第二摩擦纳米发电机200发生滑动，以产生静电感应。参见图2，本实施例中驱动组件300包括依次设置的固定座302和推板303；在固定座302面向推板303的一侧通过螺钉固定有直线滑轨304，在推板303上通过螺钉固定有可沿直线滑轨304往复滑动的滑块305，以此推板303可沿直线滑轨304进行反复滑动。第一摩擦纳米发电机100和第二摩擦纳米发电机200设置于固定座302和推板303之间，其中，第一摩擦纳米发电机100和第二摩擦纳米发电机200的动子部分随推板303同步运动，第一摩擦纳米发电机100和第二摩擦纳米发电机200的定子部分随固定座302处于静止状态。进一步地，固定座302固定安装在一个基座301上，可使本电能收发***平整的放置于试验平台或者地面上。
参见图4，本实施例的第一摩擦纳米发电机100采用滑移式独立摩擦层式TENG结构，包括依次设置的第一电极基板101、第一电极102、第一摩擦层103、第二摩擦层104和滑动子105，第一摩擦层103和第二摩擦层104采用具有不同摩擦电负性的材料制成；其中，第一电极基板101固定于驱动组件300中固定座302面向推板303的一侧，第一电极102为粘附于第一电极基板101上表面的叉指电极，叉指电极可提高电荷泵输出频率，进而提高输出效率，第一摩擦层103粘附于第一电极102上表面、且完全覆盖第一电极102，由第一电极基板101、第一电极102和第一摩擦层103构成第一摩擦纳米发电机100的定子部分；滑动子105固定于推板303面向固定座302的一侧，在滑动子105面向第一摩擦层103的一侧设有凸起结构，第二摩擦层104粘附于凸起结构的表面上，由滑动子105和第二摩擦层104构成第一摩擦纳米发电机100的动子部分。在滑动子105随推板303的运动过程中，第一滑动子105在推板303的作用下带动第二摩擦层104在第一摩擦层103上滑动，因两摩擦材料的摩擦电负性不同，会分别在第二摩擦层104和第一摩擦层103上产生等量的异种电荷，这样在两摩擦材料薄膜间形成静电场。在静电感应作用下，粘附于第一摩擦层103下面的第一电极102表面的电荷会重新分布，在第一电极102内部形成电势差，当用导线引出外接负载600如电子元器件等时就会有电流流过负载600，对外输出电能。
参见图5，本实施例的第二摩擦纳米发电机200采用侧滑移平行板式TENG结构，其本质为平行板可变电容器，既能够通过摩擦电效应自身产生电荷，也可通过等效电容器效应存储电荷。第二摩擦纳米发电机200包括相对设置的第一极板组件和第二极板组件，第一极板组件与驱动组件300中的固定座302均处于静止状态、作为第二摩擦纳米发电机200的定子部分，第二极板组件随驱动组件300中的推板303往复运动、作为第二摩擦纳米发电机200的动子部分，从而改变第一极板组件和第二极板组件之间的相对面积。第一极板组件包括依次叠设的第一电容基板211、第一缓冲垫212、第二电极213和第一绝缘层214，第一电容基板211固定于驱动组件300中固定座302面向推板303的一侧且未设置第一电极基板101的区域。第二极板组件包括依次叠设的第二绝缘层224、第三电极223、第二缓冲垫222和第二电容基板221，第二电容基板221固定于驱动组件300中推板303面向固定座301的一侧且未设置滑动子105的区域。由于第一缓冲垫212和第二缓冲垫222的缓冲作用，第二电极213和第三电极223在交错相对运动中能够绝缘紧密接触，保证两者间的间距最小，以提高等效电容值，进而提高第二电极213和第三电极223的电荷存储和释放能力，且具有缓冲减震效果，减小绝缘层薄膜磨损，延长寿命。
电路管理模块400，连接于第一摩擦纳米发电机100和第二摩擦纳米发电机200之间，用于将第一摩擦纳米发电机100产生的交流电转变为直流电以分别给第二摩擦纳米发电机200的两个电极板213和223注入等量的异种电荷，提高两极板表面电荷密度。参见图6，电路管理模块400包括至少三个二极管402和至少三个电容401，且具有扩展性，但需保证二极管402和电容401数量始终相等，二极管进行首尾正负极串联连接，各个电容交错串联于两个二极管之间，由于二极管的单向导通特性，沿着串联二极管正极方向侧的电容极板为高电势，表现为正电压，同时为了稳定输出电压，一个稳压二极管403并联于电路的两个输出端口，又由于串联电容的电压累加性，电路管理模块400因此拥有提升电压和整流的双重作用。
电容器500，连接于负载600与第二摩擦纳米发电机200之间，采用市售的电容器，电容器500的电容应与第二摩擦纳米发电机200的等效电容相当。电容器500用于存储和输出由第二摩擦纳米发电机200产生的震荡电荷。具体为，当第二摩擦纳米发电机200的第一极板组件和第二极板组件间的等效电容值变大时，第二摩擦纳米发电机200存储电荷的能力增加，电容器500中存储的电荷将通过负载600如电灯等流往第二摩擦纳米发电机200的第二电极213和第三电极223表面；当第二摩擦纳米发电机200的第一极板组件和第二极板组件间的等效电容值变小时，第二摩擦纳米发电机200存储电荷的能力减小，两导电极板表面多余的电荷会通过负载600如电灯等流回电容器500。第一极板组件和第二极板组件与电容器500间的电荷来回流动，在连接第一极板组件和第二极板组件与电容器500的电路中产生周期性变化的交变电流，可用于对外输出电能。
发明实施例的工作原理为：
外力推动推板303向前(即图中所示左侧)滑动，以此带动固定于推板303下表面的滑动子105和第二电容基板221向前滑动，进而带动粘附于滑动子105凸起结构表面的第二摩擦层104在粘附于第一电极102上表面的第一摩擦层103上滑动，同时带动粘附于第二电容基板221上的第二缓冲垫222、第三电极223和第二绝缘层224也一同向前滑动，这样由于第二摩擦层104和第一摩擦层103的摩擦电负性不同，会使得第二摩擦层104和第一摩擦层103上带等量异种电荷，在第一摩擦层103和第二摩擦层104间形成静电场，由于静电感应作用，粘附于第一摩擦层103下表面的第一电极102表面的电荷会重新分布，并在第一电极102内产生电势差，同时由于滑动作用和第一电极102的栅格式结构，会使得第一摩擦纳米发电机100的静电场方向交替变化，静电感应产生的电势差方向也在交替变化，当用导线连接第一电极102的两输出端时，会有电荷交替流动，表现为有交流电流输出。
第一摩擦纳米发电机100输出的交流电流经过电路管理模块400的整流作用变为直流电流，给第二摩擦纳米发动机200的第二电极213和第三电极223注入等量异种电荷以充电，同时也给与第二电极213和第三电极223并联的电容器500充电。当第二电极213和第三电极223的两极板间相对面积因推板303的滑动作用而变大时，第二电极213和第三电极223两极板间的等效电容值变大，存储电荷的能力变大，原先存储在电容器500中的电荷就会通过负载600如电灯等返流回第二电极213和第三电极223的两极板上；反之，当第二电极213和第三电极223的两极板相对面积变小时，第二电极213和第三电极223的两极板间的等效电容值变小，电荷存储的能力变小，第二电极213和第三电极223的两极板上多余的电荷又会通过负载600如电灯等流回电容器500中。因此，电荷在第二摩擦纳米发动机200的第二电极213和第三电极223的两极板与电容器500间来回流动以此输出电能。
进一步地，参见图6，第一摩擦纳米发电机100产生的交流电流经过电路管理模块400整流后变为直流电给第二摩擦纳米发电机200和电容器500供电。电路管理模块400包括由至少三个第一二极管402和至少三个第一电容401连接构成的主电路，以及并联于主电路输入端和输出端之间的稳压二极管403。主电路具有扩展性，但需保证第一二极管402和第一电容401的数量始终相等，主电路中，各第一二极管402依次首尾串联连接，各第一电容401交错串联于相应的两个第一二极管402之间；由于第一二极管402的单向导通特性，沿串联的第一二极管402正极方向侧的第一电容401的极板为高电势，表现为正电压，又由于串联第一电容401的电压累加性，因此，电路管理模块400拥有提升电压和整流的双重作用，同时运用稳压二极管403保证合适的电压输出阈值。随后第二摩擦纳米发电机200的第二电极213和第三电极223的两极板间的相对面积随着推板滑动运动而周期性地变大与减小，这会导致第二电极213和第三电极223的两极板间的等效电容值周期性地变大与减小，这样其存储电荷的能力也周期性的变大与减小，即第二电极213和第三电极223电极板上的电荷就会周期性地增加与减小，而增加与减小的电荷既来自于电容器500也存储于电容器500，因此电容器500可看作为一个电荷的“蓄水池”，起到补存电荷的作用。在正通路Q+和负通路Q-间的电荷周期性地在第二摩擦纳米发电机200的第二电极213和第三电极223及电容器500间来回流动，形成对外输出的交流电流。
进一步地，参见图6，在第二摩擦纳米发电机200与负载600和电容器500的连接通路上可分别设置一个倍压整流器710，其中一个倍压整流器710设置于第二摩擦纳米发电机200的负极端与电容器500的负极端之间，另一个倍压整流器710设置于第二摩擦纳米发电机200的正极端与电容器500的正极端之间。通过倍压整流器710可将第二摩擦纳米发电机200和电容器500之间产生的交流电转变为直流电供负载600使用。因此，正负通路Q+和Q-可以使电能输出加倍，如图7中(a)和(b)所示，分别为在倍压710的输出端所测得的对称且振荡的输出电荷与对称电压。
根据一般电容的物理特性规律，本实施例所采用的电路管理模块400可以提高第二摩擦纳米发电机200的第二电极213和第三电极223表面两端的电压，使之能够存储更多的电荷量，即能提高其表面电荷密度，这样会使得在第二电极213和第三电极223的两极板间电容值发生变化时在正通路Q+和负通路Q-间参与流动的电荷量增加，流动电流增大以提高电能输出；同时，引入第二摩擦纳米发电机200后能够增强和稳定第一摩擦纳米发电机的电能输出。
为了验证上述结论，本发明设计了如图8所示的开关调节电路，具体地，在第一摩擦纳米发电机100和第二摩擦纳米发电机200之间增设全桥整流器720和若干开关，并在第二摩擦纳米发电机200与电容器500连接的通路上增设电流测量单元800和电压测量单元900，电流测量单元800和电压测量单元900内均设有高阻抗静电计***6514。第一摩擦纳米发电机100为本发明***提供电荷与电流，根据电路中的SBV0-SBV2和SPV0-SPV2开关不同的开断组合状态来调节本***中电流的流向，具体为，当开关SPV0、SPV1和SPV2为闭合状态以及开关SBV0、SBV1和SBV2为断开状态时，电流经过全桥整流器720整流后进入第二摩擦纳米发电机200和电容器500，给第二电极213和第三电极223及电容器500充电，第二电极213和第三电极223间的相对面积周期性地变大和缩小，其等效电容和电荷存储能力就会随之周期性地变大和缩小，由于电容器500的电荷“蓄水池”作用，正通路Q+和负通路Q-间会有来回流动的电荷量QS产生，同时注入的总电荷量Q0在数量上等于存储于第二电极213和第三电极223上的电荷量QM、存储于电容器500中的电荷量QB以及通路中来回流动的电荷量QS三者之和。来回流动的电荷量QS会引起交变电流产生，用电流测量单元800中的高阻抗静电计***6514来测得通路中的交变电流I1和电压测量单元900中的高压探针(High voltage probe，简称HVP)来测得电容器500两端的输出电压V1。
如图9所示比较了整流后输出的电压VRec(即开关SPV1和SPV2两端的电压)和第二摩擦纳米发电机200中第二电极213和第三电极223两极板间的电压VMain；可以看出，电压VMain和电压VRec有着相同的最大电压VH0，但电压VRec的最小电压却远低于电压VMain的最小电压，说明电压VMain的输出电压波动更小，输出电能更稳定，也即引入第二摩擦纳米发电机200后能够增强和稳定第一摩擦纳米发电机的电能输出。
随后，调节电路的开关状态，具体为将开关SBV0、SBV1和SBV2置为闭合状态以及将开关SPV0、SPV1和SPV2为断开状态，这样第一摩擦纳米发电机100的电荷和电流会经过电路管理模块400整流后进入第二摩擦纳米发电机200和电容器500。如图10所示，电路管理模块400可以输出理论上的二倍压(CP-2)、四倍压(CP-4)和六倍压(CP-6)，但是就实验测得结果来看，本次设计的结构在这三种模式中二倍压(CP-2)可以使输出电压最高(V2>V4>V6)同时输出电压的波动也最小最稳定(ΔV2<ΔV4<ΔV6)。因此，电路管理模块400优选二倍压(CP-2)模式。
同样用电流测量单元800中的高阻抗静电计***6514来测得通路中的交变电流I2和电压测量单元900中的高压探针HVP来测得电容器500两端的电压V2。比较前后接入两种调节电路即全桥整流器720和电路管理模块400后所得到的电流和电压曲线，如图11中(a)和(b)所示，分别为输出电压曲线图和输出电流曲线图。由图11中(a)可以看出，电路管理模块400相比于通用的全桥整流器720，虽然输出电压有着相同的电压峰值(VBH≈VRH)，但电压***更稳定(放电时间tb>tr)，同时有着更高的输出电流(电流强度I2＝IB>IR＝I1)。因此，引入电路管理模块400和第二摩擦纳米发电机200调节电路可以增强滑移式TENG电荷泵的输出性能。
另外，驱动运动的不同频率和接入不同的电容器都对本***的输出有着重要的影响作用，图12中(a)所示为输出电流随着驱动频率的升高而呈线性的增加，即驱动频率越快，输出电流也越大。同样，图12中(b)所示为输出电流会随着电容器500的电容增加而呈线性地增加，即增加电容器500的电容，可使电容器500存储更多的电荷，使参与流动的电荷也越多，输出电流也越大。
进一步地，为了提高本发明实施例的电能收发***的输出性能，使其能够应用于为小功率电子元器件供电即输出低电压和大电流，提供了如图13所示的降压增流电路。
TENG电路输出原理图中主要是在电荷泵输出端设计了一种由若干开关、电容器和二极管组成的降压增流电路90，其作用主要是用来降低第二摩擦纳米发电机200的输出电压、稳定和提高第二摩擦纳米发电机200的输出电流，根据开关S1和S2的不同导通状态来控制电能的存储与输出。具体为如图13所示，降压增流电路90分别设置在本发明实施例的第二摩擦纳米发电机200与电容器500之间的正负通路中，单个降压增流电路单元90主要包括九个第二二极管和四个第二电容，可以进行扩展但第二电容的个数需是第二二极管的个数的三分之一多一个，其中每三个第二二极管为一组，一组内的三个第二二极管依次进行首尾串联，相邻的两组第二二极管进行并联，各第二电容分别并联在不同组的两个第二二极管之间。
为了测量降压增流电路90的工作原理，降压增流电路90上增设用于测量输出电流的电流表A、用于测量输出电压的电压表V、负载R、两个开关S1和S2以及电源VDC。如图14(a)和(b)所示，当开关S1闭合、开关S2断开时，图14的(a)中实线所示第二电容为串联充电，虚线所示第二电容未参与工作，由于第二二极管的单向导通性，导通的第二电容和第二二极管首尾交错串联连接，此时***电压被均分给每个第二电容，第二电容被串联充电。当开关S1断开、开关S2闭合时，图14的(b)中实线所示第二电容为并联放电，虚线所示第二电容未参与工作，同样由于第二二极管的单祥导通性，此时第二电容并联于两组首尾串联的第二二极管之间并进行同时放电，且输出电压仅为单个第二电容的电压，因此实现了降低电压和提高电流的目的。
综上所述，为了提高TENG的电能输出性能，本发明提出了一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***，该***主要包括第一摩擦纳米发电机、第二摩擦纳米发电机和一个电容器。第一摩擦纳米发电机用于为第二摩擦纳米发电机和电容器注入电荷和电流，第二摩擦纳米发电机既利用摩擦电效应自身产生电荷又利用等效电容器效应存储电荷。通过改变第二摩擦纳米发电机中电极的两极板的相对面积来改变其等效电容值，进而改变其存储电荷的能力，电荷在第二摩擦纳米发电机中电极的的两极板和电容器之间来回流动产生交变电流，以此对外输出电能。运用电路管理模块来稳定与提高第二摩擦纳米发电机中电极的两极板的电压，进而提高两极板表面电荷密度，使得电路中参与流动的电荷量增加，增大流动电流，提高电能输出。本发明***还包括电能输出调节单元，用于将第二摩擦纳米发电机初始输出的高电压低电流转化为低电压和高电流后为小功率电子元器件供能，以此提高本***的电能输出功率。因此，本发明提出的电能收发***，克服了接触分离式电荷泵技术的缺点与不足，且本质上区别于传统TENG电能输出方式，能够稳定TENG的输出电压和提高输出电流，为探索提高TENG的电能输出提供一种可参考和借鉴的思路与方法。

Claims (6)

1.一种基于摩擦纳米发电机的电能收发***，其特征在于，包括驱动组件，由所述驱动组件驱动的第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机，连接于所述第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机之间的电路管理模块，以及连接于所述第二摩擦纳米发电机与负载之间的电容器，且所述电容器的电容与第二摩擦纳米发电机的等效电容相当；其中，所述第一摩擦纳米发电机采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，在所述驱动组件的驱动下产生交流电流，所述电路管理模块将第一摩擦纳米发电机产生的交流电流进行整流后转变为直流电流，输送至所述第二摩擦纳米发电机和电容器，以提高所述第二摩擦纳米发电机和电容器中的电荷量；所述第二摩擦纳米发电机采用接触滑移式摩擦纳米发电机，第二摩擦纳米发电机在驱动部件的驱动过程中，电荷在第二摩擦纳米发电机与电容器之间来回流动，形成对所述负载输出的电能。
2.根据权利要求1所述的电能收发***，其特征在于，所述驱动组件包括依次设置的固定座和推板；在所述固定座面向推板的一侧固定有直线滑轨，在所述推板上固定有可沿所述直线滑轨往复滑动的滑块；所述第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机设置于所述固定座和推板之间，其中，所述第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机的动子部分随推板同步运动，第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机的定子部分与固定座保持相对静止。
3.根据权利要求2所述的电能收发***，其特征在于，所述第一摩擦纳米发电机的定子部分和动子部分分别包括第一摩擦层和第二摩擦层，所述第二摩擦纳米发电机的定子部分和动子部分分别包括第一绝缘层和第二绝缘层；当所述第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机设的动子部分随推板同步运动时，第一摩擦纳米发电机的第一摩擦层和第二摩擦层相互摩擦，且第二摩擦纳米发电机的第一绝缘层和第二绝缘层相互摩擦。
4.根据权利要求1所述的电能收发***，其特征在于，所述电路管理模块包括由至少三个第一二极管和至少三个第一电容连接构成的主电路，以及并联于所述主电路输入端和输出端之间的稳压二极管，且所述第一二极管和第一电容的数量相等；各第一二极管依次首尾串联连接，各第一电容交错串联于相应的两个第一二极管之间。
5.根据权利要求1所述的电能收发***，其特征在于，所述第二摩擦纳米发电机与负载和电容器的正负连接通路上分别设有一个倍压整流器。
6.根据权利要求1所述的电能收发***，其特征在于，所述第二摩擦纳米发电机与负载和电容器的正负连接通路上分别设有一个降压增流电路；所述降压增流电路M个第二二极管和N个第二电容，且第二二极管和第二电容的数量满足：M＝3(N-1),N≥2；每三个第二二极管为一组，相同组内的各第二二极管依次串联连接，不同组的第二二极管并联连接，各第二电容分别并联在不同组的两个第二二极管之间。
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