納米發(fā)電機(jī)的變壓變荷電路及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能源、發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米發(fā)電機(jī)的變壓變荷電路及方法，本發(fā)明可應(yīng)用于各種納米發(fā)電機(jī)的供電電路中，包括壓電納米發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]2006年，美國佐治亞理工學(xué)院王中林教授等成功的在納米尺度范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，研制出世界上最小的發(fā)電機(jī)——壓電納米發(fā)電機(jī)。其基本原理是:當(dāng)納米線在外力下動(dòng)態(tài)拉伸或壓縮時(shí)，納米線中產(chǎn)生壓電勢，相應(yīng)瞬變電流在兩端流動(dòng)以平衡費(fèi)米能級(jí)。2012年，王中林教授又提出并開發(fā)摩擦納米發(fā)電機(jī)。其基本原理是利用摩擦在材料表面產(chǎn)生電荷，并使兩者分離，從而產(chǎn)生極高的電勢，驅(qū)動(dòng)外電路的電子發(fā)生定向移動(dòng)，產(chǎn)生電能。總的來說，兩種納米發(fā)電機(jī)能夠從環(huán)境中收集微弱的機(jī)械能并轉(zhuǎn)換為電能。
[0003]這兩種納米發(fā)電機(jī)都具有高電壓(100?1000伏)，低電荷(1(Γ9?10〃庫侖)的輸出特性，尤其是摩擦式發(fā)電機(jī)。如果直接應(yīng)用于現(xiàn)有傳統(tǒng)電路，將極大的受限于電流，從而導(dǎo)致高電壓的特性無法得到充分的利用。因此如何將納米發(fā)電機(jī)的高輸出電壓降低，相應(yīng)的把輸出的電荷量增多，或電流增大是推動(dòng)納米發(fā)電機(jī)在現(xiàn)有電子技術(shù)中得以廣泛應(yīng)用的瓶頸和挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明將解決現(xiàn)有納米發(fā)電機(jī)因?yàn)楦唠妷旱碗姾傻妮敵鎏匦远c傳統(tǒng)電路無法有效結(jié)合的技術(shù)瓶頸，提出一種將高電壓變?yōu)榈碗妷海瑫r(shí)將電荷量相應(yīng)增大的變壓變荷電路及方法。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種用于納米發(fā)電機(jī)的變壓變荷電路，所述納米發(fā)電機(jī)輸出脈沖信號(hào)，并通過該變壓變荷電路向外部負(fù)載輸出電能，所述變壓變荷電路包括一個(gè)電容陣列，該電容陣列由至少兩個(gè)電容組成，各電容之間的連接方式能夠被可控地改變，使得:所述電容陣列連接至所述納米發(fā)電機(jī)的輸出端時(shí)，且所述電容陣列中的各個(gè)電容以串聯(lián)方式連接；所述電容陣列連接至所述外部負(fù)載時(shí)，且所述電容陣列中的各個(gè)電容以并聯(lián)方式連接。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述納米發(fā)電機(jī)輸出一個(gè)周期性脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)由交替的輸出期間和空閑期間構(gòu)成；當(dāng)所述納米發(fā)電機(jī)的所述輸出信號(hào)處于所述輸出區(qū)間時(shí)，所述電容陣列連接至所述納米發(fā)電機(jī)的輸出端，且所述電容陣列中的各個(gè)電容以串聯(lián)方式連接；當(dāng)所述納米發(fā)電機(jī)的所述輸出信號(hào)至少處于一個(gè)所述空閑區(qū)間時(shí)，所述電容陣列連接至所述外部負(fù)載，且所述電容陣列中的各個(gè)電容以并聯(lián)方式連接。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述納米發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)的輸出期間包括正輸出期間和負(fù)輸出期間，正輸出期間和負(fù)輸出期間交替產(chǎn)生。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，還包括一個(gè)整流電路，該整流電路位于所述電容陣列和納米發(fā)電機(jī)之間，用于使所述納米發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)的正輸出期間和負(fù)輸出期間的其中之一反相。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述整流電路是由兩個(gè)分別連接于所述納米發(fā)電機(jī)的兩個(gè)輸出端的單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成，或者由四個(gè)二極管組成橋式整流電路構(gòu)成。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述電容陣列還包括分別連接于所述多個(gè)電容的兩端的多個(gè)單刀雙擲開關(guān)，并且，當(dāng)各單刀雙擲開關(guān)處于第一連接位時(shí)，所述電容陣列中的各個(gè)電容以串聯(lián)方式連接至所述納米發(fā)電極的輸出端；當(dāng)各單刀雙擲開關(guān)處于第二連接位時(shí)，所述電容陣列中的各個(gè)電容以并聯(lián)方式連接至所述外部負(fù)載。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述電容陣列還包括分別連接于所述多個(gè)電容的兩端的多個(gè)單刀雙擲開關(guān)，所述多個(gè)單刀雙擲開關(guān)分為兩組，并且當(dāng)?shù)谝唤M單刀雙擲開關(guān)閉合且第二組單刀雙擲開關(guān)斷開時(shí)，電容陣列中的各電容以串聯(lián)方式連接并連接到納米發(fā)電機(jī)的輸出端；當(dāng)?shù)谝唤M單刀雙擲開關(guān)斷開且第二組單刀雙擲開關(guān)閉合時(shí)，電容陣列中的各電容以并聯(lián)方式連接并連接到負(fù)載的兩端。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述納米發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中自動(dòng)觸發(fā)所述電容陣列進(jìn)行所述連接方式的切換。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述納米發(fā)電機(jī)為摩擦納米發(fā)電機(jī)，其在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生與輸出信號(hào)同步的運(yùn)動(dòng)，所述電容陣列的連接方式的切換由該摩擦納米發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)觸發(fā)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述電容陣列中的所有電容的電容量相同。
[0017]此外，本發(fā)明還提出一種納米發(fā)電機(jī)的變壓變荷方法，所述納米發(fā)電機(jī)輸出一個(gè)周期性脈沖信號(hào)，該輸出信號(hào)由交替的輸出期間和空閑期間構(gòu)成，所述變壓變荷方法包括:構(gòu)造一個(gè)電容陣列，該電容陣列由至少兩個(gè)電容組成；控制所述電容陣列的各電容之間的連接方式，以使得:當(dāng)所述納米發(fā)電機(jī)的所述輸出信號(hào)處于所述輸出區(qū)間時(shí)，所述電容陣列連接至所述納米發(fā)電機(jī)的輸出端，且所述電容陣列中的各個(gè)電容以串聯(lián)方式連接；當(dāng)所述納米發(fā)電機(jī)的所述輸出信號(hào)至少處于一個(gè)所述空閑區(qū)間時(shí)，所述電容陣列連接至所述外部負(fù)載，且所述電容陣列中的各個(gè)電容以并聯(lián)方式連接。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述納米發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)的輸出期間包括正輸出期間和負(fù)輸出期間，正輸出期間和負(fù)輸出期間交替產(chǎn)生。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，該方法還包括步驟:使所述納米發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)的正輸出期間和負(fù)輸出期間的其中之一反相。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述納米發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中自動(dòng)觸發(fā)所述電容陣列進(jìn)行所述連接方式的切換。
[0021 ] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述納米發(fā)電機(jī)為摩擦納米發(fā)電機(jī)，其在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生與輸出信號(hào)同步的運(yùn)動(dòng)，所述電容陣列的連接方式的切換由該摩擦納米發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)觸發(fā)。
[0022](三)有益效果
[0023]本發(fā)明利用電容的串并聯(lián)切換，將納米發(fā)電機(jī)的高電壓和低電荷輸出特性，轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷汉透唠姾傻妮敵鎏匦?，從而為納米發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)應(yīng)用電路的結(jié)合打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0024]圖1是納米發(fā)電機(jī)輸出的周期性脈沖信號(hào)的示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的用于納米發(fā)電機(jī)的一周期兩次輸出的變壓變荷電路圖；
[0026]圖3顯示了用單刀單擲開關(guān)代替圖2中單刀雙擲開關(guān)的實(shí)施方式；
[0027]圖4是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的用于納米發(fā)電機(jī)的一周期一次輸出的利用機(jī)械開關(guān)的變壓變荷電路圖；
[0028]圖5是本發(fā)明的第三實(shí)施方式的用于納米發(fā)電機(jī)的一周期一次輸出的基于整流橋的電子開關(guān)的變壓變荷電路圖；
[0029]圖6A至圖6E是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的變壓器的工作原理不意圖；
[0030]圖7A至圖7D是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的變壓器的工作性能測試結(jié)果顯示圖，其中，圖7A是原納米發(fā)電機(jī)和經(jīng)過2、4、8倍變換后的納米發(fā)電機(jī)在不同外接電阻下的輸出電壓，圖7B是原納米發(fā)電機(jī)和經(jīng)過2、4、8倍變換后的納米發(fā)電機(jī)在不同外接電阻下的輸出電荷量，圖7C是原納米發(fā)電機(jī)和經(jīng)過2、4、8倍變換后的納米發(fā)電機(jī)對一個(gè)10 μ F電容的輸出電荷量，圖7