СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ
ENERGY GENERATION SYSTEM AND METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к генератору электрической энергии для преобразования механической энергии в электрическую энергию и к способам генерации энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Одним из примеров такой системы, посредством которой механическая энергия может преобразовываться в электрическую энергию, является трибоэлектрическая система генерации энергии. Трибоэлектрический эффект (известный также как трибоэлектрическая зарядка) представляет собой наведенную контактным способом наэлектризованность, при которой материал становится электрически заряженным, после того как он осуществляет контакт с другим материалом посредством трения. Трибоэлектрическая генерация основана на преобразовании механической энергии в электрическую посредством способов, которые связывают трибоэлектрический эффект с электростатической индукцией. Было предложено использовать трибоэлектрическую генерацию для питания мобильных носимых устройств, таких как датчики и смартфоны, извлекая в противном случае пропадающую механическую энергию из таких источников, как ходьба, случайные движения тела, движение ветра, вибрация или океанские волны. См., например, Wang, Sihong, Long Lin и Zhong Lin Wang, Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors ("Трибоэлектрические наногенераторы как активные датчики с автономным питанием"), Nano Energy, 11 (2015), стр. 436-462.
Трибоэлектрический эффект основан на последовательности, которая упорядочивает различные материалы в соответствии с их тенденцией захватывать электроны (становясь отрицательно заряженными) или отдавать электроны (становясь положительно заряженными). Эта последовательность раскрыта, например, в статье A. F. Diaz и R. M. Felix-Navarro "A semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials: the influence of chemical structure and properties" ("Полуколичественная трибоэлектрическая последовательность для полимерных материалов: влияние химического строения и свойств"), Journal of Electrostatics, 62 (2004), стр. 277-290. Лучшими комбинациями материалов для генерации статического электричества являются один материал из перечня положительно заряженных и один материал из перечня отрицательно заряженных (например, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и медь или фторированный этилен-пропилен (ФЭП) и алюминий). Широко известными примерами демонстрации трибоэлектричества в повседневной жизни является натирание стекла мехом или электризация расчески волосами.
В своем простейшем виде трибоэлектрический генератор использует два листа разнородных материалов: один из которых - электронный донор, а другой - электронный акцептор. Один или более материалов могут быть изоляторами. Другие возможные материалы могут включать в себя полупроводниковые материалы, например кремний, содержащий собственный окисный слой. Когда эти материалы приведены в контакт между собой, электроны переходят из одного материала в другой. Это является простым трибоэлектрическим эффектом. Если листы материалов после этого разделяют, то при этом каждый лист удерживает электрический заряд (противоположной полярности), изолированный зазором между ними, и между ними создан электрический потенциал. Если теперь между электродами, нанесенными на задние поверхности этих двух материалов или прикрепленные к ним, включить электрическую нагрузку, то любое последующее смещение листов, будь то или боковое или перпендикулярное, в ответ на это индуцирует протекание тока между этими двумя электродами. Это является простым примером электростатической индукции. По мере того, как расстояние между соответствующими центрами зарядов двух пластин увеличивается, притягивающее электрическое поле между ними в зазоре ослабевает, приводя к увеличенной разности потенциалов между двумя внешними электродами, так как электрическое притяжение зарядов через нагрузку начинает преодолевать электростатическую силу притяжения в зазоре.
Таким образом трибоэлектрические генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую энергию посредством установления соединения между двумя основными физическими механизмами: контактной наэлектризованностью (трибозаряд) и электростатической индукцией.
Циклическим увеличением и уменьшением взаимного разделения между центрами зарядов пластин, так чтобы в ответ на это мог индуцироваться ток, идущий то в одну, то в другую сторону, можно генерировать протекающий через нагрузку переменный ток. Таким образом, трибоэлектрические генераторные устройства можно рассматривать как "зарядовые насосы".
Выходная мощность при этом может быть увеличена посредством наложения на полимерные листы неких шаблонов микронного масштаба. Такое шаблонирование эффективно увеличивает контактную площадь и тем самым увеличивает эффективность передачи зарядов.
Недавно разработана новейшая технология материалов для генерации мощности ("аккумулирования энергии") и преобразования мощности, которая использует этот эффект, как это раскрыто в материале Wang, Z. L. "Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors." ("Трибоэлектрические наногенераторы как новая технология получения энергии для систем с автономным питанием и как активные механические и химические датчики"), ACS nano, 7.11 (2013), стр. 9533-9557. На основе этого эффекта было разработано несколько конфигураций устройств так называемых трибоэлектрических генераторов ("ТЭГ").
там же
Со времени первого сообщения этих авторов в 2012 году плотность выходной мощности ТЭГов была значительно повышена. Объемная плотность мощности может достигать более чем 400 киловатт на кубический метр, при этом была продемонстрирована эффективность ~60% (). Помимо высокого показателя выхода, ТЭГ-технология имеет другие многочисленные преимущества, такие как низкая производственная стоимость, высокие надежность и стабильность, а также низкая подверженность внешним воздействиям.
ТЭГ может быть использован в качестве генератора мощности, то есть, для аккумулирования энергии, например, из вибрации, ветра, воды или из случайных движений тела и даже для преобразования имеющейся механической мощности в электричество. Созданное таким образом напряжение представляет собой сигнал мощности.
Вообще говоря, ТЭГ можно разделить на четыре основных класса эксплуатации.
Первый режим работы представляет собой режим вертикального размыкания контактов, в котором две или более пластины посредством приложенной силы циклически приводятся в контакт одна с другой и разводятся. Это может быть использовано, например, в ботинках, где давление, оказываемое людьми при шагании, используется для того, чтобы приводить пластины в контакт между собой. Один пример такого устройства описан в статье Peng Bai и др. "Integrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motions" ("Интегрированный многослойный трибоэлектрический наногенератор для извлечения биомеханической энергии при движениях человека"), ACS Nano, 2013, №7(4), стр. 3713-3719. Описанный прибор содержит многослойную конструкцию, образованную на подложке зигзагообразной формы. Устройство работает на основе преобразования поверхностного заряда, обусловленного контактной наэлектризованностью. Когда к конструкции приложено давление, зигзагообразная структура сжимается, создавая контакт между различными слоями, и эти контакты при снятии давления освобождаются. Извлеченная таким образом энергия могла бы, например, использоваться для зарядки мобильных портативных устройств.
Второй режим работы является режимом линейного скольжения, при котором пластины заставляют скользить в боковом направлении относительно друг друга, чтобы таким образом изменить зону перекрытия между ними. Между пластинами создается разность потенциалов, имеющая мгновенную величину, пропорциональную скорости изменения общей площади перекрытия. При многократном введении пластин во взаимное перекрытие одна с другой и выведении из него через включенную между пластинами нагрузку может протекать переменный ток.
В статье "Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object of Human Motion in Contact and Non-Contact Modes" ("Автономные наногенераторы на основе трибоэлектрического слоя для извлечения энергии от движущегося объекта при движении человека в контактном и бесконтактном режимах") в Adv. Mater., 2014, №26, стр. 2818-2824, раскрыта конструкция, которая позволяет получать энергию от скользящих движений. Между парой статических электродов скользит автономный подвижной слой. Этот подвижной слой может быть устроен таким образом, чтобы он не входил в контакт со статическими электродами (то есть, находился бы над ними на небольшом удалении), или же чтобы он образовывал с ними контакт скольжения.
Третий режим работы - это режим одиночного электрода, в котором одна поверхность, например дорожка на полу, является заземленной, а между этой первой поверхностью и "землей" включена нагрузка (см., например, Yang, Ya и др. "Single-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vector sensor system" ("Трибоэлектрический наногенератор на основе одноэлектродного скольжения для системы датчика вектора смещения с автономным питанием"), ACS nano, №7.8 (2013), стр. 7342-7351). Вторая поверхность, электрически не подключенная к первой, приводится в контакт с первой поверхностью и производит ее трибозарядку. Когда вторая поверхность затем отводится от первой, избыточный заряд в первой поверхности направляется на "землю", обеспечивая ток через нагрузку. Следовательно, в этом режиме для обеспечения выходного тока используется только один электрод (на один слой).
Четвертый режим работы представляет собой режим автономного трибоэлектрического слоя, который предназначен для извлечения энергии от произвольно движущегося объекта, к которому не подведены никакие электрические соединения. Этим объектом может быть проезжающий автомобиль, проходящий поезд или, например, ботинок (опять же, - см. "Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors" ("Трибоэлектрические наногенераторы как новая энергетическая технология для автономных систем и как активные механические и химические датчики"), ACS nano, № 7.11 (2013), стр. 9533-9557).
Одним особенным подмножеством ТЭГов режима линейного скольжения, которые были разработаны, являются ТЭГи с вращающимся диском, которые могут работать в контактном режиме (то есть, непрерывная трибозарядка и электростатическая индукция) или в неконтактном режиме (то есть, только электростатическая индукция после начальной контактной электризации). ТЭГи с вращающимся диском, как правило, состоят из по меньшей мере одного ротора и одного статора, каждый из которых сформирован в виде набора разделенных между собой круговых секторов (сегментов). Когда два диска вращаются относительно друг друга, эти сектора перекрываются, а потом разводятся. Как описано выше, между двумя скользящими в боковом направлении противоположно заряженными слоями может наводиться ток, величина которого пропорциональна скорости изменения площади перекрытия. Когда каждый последовательно отстоящий от другого сектор ротора входит в наложение с данным сектором статора, а затем выходит из наложения, между двумя этими секторными пластинами наводится ток, сначала в первом направлении, - по мере того, как пластины увеличивают свое перекрытие, а затем - по мере того, как пластины уменьшают свое перекрытие, - в противоположном направлении.
Ограничениями ранних версий сегментно построенных дисков ТЭГов (Long Lin и др., "Segmentally Structured disc Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy" ("Сегментно структурированный дисковый трибоэлектрический наногенератор для извлечения вращательной механической энергии"), Nano Lett. 2013, № 13 (6), стр. 2916-2923) было то, что вращающиеся и неподвижные трибоэлектрические слои требуют напыления на них металлических электродов и соединения их с электрическими выводами, что приводит к неудобству в работе вращающейся части. Кроме того, для того чтобы достичь эффективной генерации электроэнергии, обязателен плотный механический контакт, что приводит к возможному износу материала, появлению приводящих к износу частиц, к нестабильности выхода, и, как правило, - к ограниченному сроку службы ТЭГа.
Эти проблемы может решить ТЭГ с нанесенными на неподвижный диск двумя группами фигурных электродов вместе с отдельным трибоэлектрическим слоем на вращающемся диске, как это раскрыто в статье Long Lin и др. "Noncontact Free-Rotating disc Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor" ("Трибоэлектрический наногенератор с бесконтактным диском свободного вращения как стабильный источник энергии и механический датчик с автономным питанием"), ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, № 6 (4), стр. 3031-3038.
В такой конструкции нет никакой необходимости в осаждении электродов на вращающуюся часть или в ее электрической коммутации, что принципиально улучшает рабочую конструкцию такого источника энергии.
Хотя ТЭГ и является многообещающим, но, когда выходную мощность необходимо преобразовывать в уровни напряжения и тока для практических приложений, которые включают в себя электронику, такую как микроконтроллеры, он обнаруживает недостатки. На таких низких уровнях производимой ТЭГом мощности ключевым моментом является необходимость иметь эффективный каскад преобразования мощности.
Каскад преобразования мощности требуется для того, чтобы преобразовывать напряжение ТЭГа в диапазоне нескольких сотен вольт в низкое напряжение, такое как менее 10 В. Преобразование таких низких уровней мощности посредством импульсного источника питания (SMPS) на практике не практично, поскольку для этого необходима высокая величина индуктивности. Кроме того, требуемый для контроллера ток питания обычно того же порядка, что и ток, даваемый ТЭГом. В этом случае для питания преобразователя с импульсным источником питания обычно требуется внешний источник питания. Эта ситуация, как и ожидалось, является нежелательной, поскольку потребление мощности преобразователем было бы величиной того же порядка, что и генерируемая ТЭГом мощность, что приводило бы к низкой эффективности преобразования энергии системы.
Другим недостатком использования преобразователей с импульсным источником питания в ТЭГ-приложениях является трудность формирования управляющих сигналов этих преобразователей. Управляющие сигналы преобразователя с импульсным источником питания должны быть, например, синхронизированы с генерированным выходным сигналом его ТЭГа. Поскольку ТЭГ может генерировать быстроизменяющиеся сигналы во времени, то эта синхронизация не является очевидной.
В качестве преобразователей мощности могут использоваться, например, емкостные коммутируемые преобразователи. Хотя такие преобразователи не требуют никакой индуктивности, их управляющие сигналы все еще необходимо правильно синхронизировать с сигналом, сгенерированным ТЭГом. Такая синхронизация, - которая также важна и для других аспектов, таких как обратная связь, для управления выходной мощностью или для функции чувствительности, не является простой.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение определено пунктами формулы изобретения.
Примеры в соответствии с аспектами настоящего изобретения обеспечивают:
- генератор мощности для производства электрической мощности в ответ на механическое возбуждение,
- емкостной коммутируемый преобразователь мощности для преобразования выхода генератора мощности, при этом емкостной коммутируемый преобразователь содержит конденсаторную батарею и компоновку переключателей, а также
- контроллер для управления компоновкой переключателей, при этом контроллер выполнен с возможностью управления переключателями на основе сигнала обратной связи от генератора мощности.
Таким образом, генератор мощности создает сигнал обратной связи, который затем используется для управления емкостным коммутируемым преобразователем для преобразования входного напряжения, например, для преобразования входного напряжения с понижением без значительных потерь мощности. Заметим, однако, что такая автосинхронизация будет благоприятной для других систем, в которых обратную связь, измерение и коммуникацию необходимо осуществлять более эффективно. Может использоваться также набор сигналов обратной связи.
Сигнал обратной связи, предпочтительно, генерируется непосредственно в ответ на движение. Это значит, что сигнал обратной связи не генерируется на основании обработки сигнала выходного напряжения или мощности, и поэтому генерация сигнала обратной связи не требует значительного потребления мощности.
Генератор мощности может содержать трибоэлектрический генератор мощности (ТЭГ). В качестве примера, - для генерации управляющего сигнала обратной связи для емкостного коммутируемого преобразователя могут использоваться дополнительные шаблоны подвижных частей ТЭГа (статора и/или ротора). Таким образом, нет никакой необходимости для обнаружения и синхронизации с сгенерированной мощностью питания или с сгенерированным напряжением.
Генератор мощности может содержать устройство с зарядовой связью, такое как фотодиод для генерации сигнала обратной связи. Таким образом, создание заряда в результате генерации мощности используется для того, чтобы создавать непосредственно сигнал обратной связи.
Генератор энергии может содержать генератор сигнала для генерации сигнала обратной связи в ответ на механическое движение части генератора мощности. Таким образом, движение частей генератора непосредственно используется для того, чтобы создавать сигнала обратной связи. В этом случае генератор мощности может, например, содержать механическое устройство с зарядовой связью, такое как пьезоэлектрическое или пироэлектрическое устройство.
Генератор мощности может содержать генератор сигнала для генерации сигнала обратной связи в ответ на определенное датчиком магнитное взаимодействие.
В одном наборе примеров генератор мощности содержит трибоэлектрический генератор мощности с вращающимся диском, содержащий ротор и статор, при этом для генерации сигнала обратной связи обеспечен шаблон ротора и/или статора.
При этом, для того чтобы генерировать сигнал обратной связи, не требуется никакого дополнительного аппаратного или схемного обеспечения.
Ротор или статор могут, например, содержать кольцо генераторных электродов, каждый из которых содержит радиальный сегмент, причем, разные сегменты изолированы друг от друга, а также набор электродов управления генерацией заряда для генерации сигнала обратной связи.
В одном примере электроды управления генерацией заряда расположены по периферии генераторных электродов.
В другом примере электроды управления генерацией заряда расположены между соседними радиальными сегментами.
Примеры в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивают способ генерации или преобразования энергии, включающий в себя
- генерацию электрической мощности, используя генератор мощности, в ответ на механическое возбуждение,
- осуществление преобразования мощности выхода генератора мощности, используя емкостной коммутируемый преобразователь мощности, который содержит конденсаторную батарею и компоновку переключателей, и
- управление компоновкой переключателей на основе сигнала обратной связи от генератора мощности.
Сигнал обратной связи может быть сгенерирован, например, непосредственно в ответ на движение. Это исключает необходимость сложной схемы, для того чтобы управлять емкостным коммутируемым преобразователем мощности.
Сигнал обратной связи может быть сгенерирован, используя
- устройство с зарядовой связью, такое как фотодиод; или
- генератор сигнала, который генерирует сигнал в ответ на механическое движение части генератора мощности;
- датчик для восприятия магнитного взаимодействия; или
- шаблон ротора и/или статора трибоэлектрического генератора мощности с вращающимся диском.
Сигнал обратной связи может быть сгенерирован, используя шаблон ротора и/или статора трибоэлектрического генератора мощности с вращающимся диском, в котором ротор или статор содержит кольцо генераторных электродов, каждый из которых содержит радиальный сегмент, причем разные сегменты изолированы друг от друга, а также набор электродов управления генерацией заряда для генерации сигнала обратной связи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления настоящего изобретения далее описаны более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фигура 1 показывает систему, включающую в себя трибоэлектрический генератор мощности и емкостной коммутируемый преобразователь мощности;
фигура 2 показывает входной и выходной сигнал емкостного коммутируемого преобразователя мощности по фигуре 1;
фигура 3 показывает известную конструкцию ротора или статора для трибоэлектрического генератора мощности;
фигура 4 показывает первый пример конструкции ротора или статора для трибоэлектрического генератора мощности;
фигура 5 показывает второй пример конструкции ротора или статора для трибоэлектрического генератора мощности;
фигура 6 показывает трибоэлектрический генератор мощности с вращающимся диском с цепью управления мощностью; и
фигура 7 показывает шаговый режим трибоэлектрического генератора мощности с автоматической синхронизацией емкостного коммутируемого преобразователя мощности.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение обеспечивает систему, содержащую генератор мощности для генерации электрической мощности и емкостной коммутируемый преобразователь для преобразования с понижением выходного напряжения генератора мощности. Емкостной коммутируемый преобразователь содержит конденсаторную батарею и компоновку переключателей. Для управления переключателями используется контроллер на основе сигнала обратной связи от генератора мощности. Это обеспечивает автоматическое управление емкостным коммутируемым преобразователем, тем самым упрощая общую схему управления и повышая эффективность.
Как упоминалось выше, емкостной коммутируемый преобразователь мощности представляет интерес для приложений, связанных с извлечением мощности. Последовательно-параллельное преобразование с использованием коммутируемой конденсаторной батареи обеспечивает один способ, которым можно эффективно снижать высокое выходное напряжение, например с выхода устройства извлечения энергии, такого как трибоэлектрический генератор.
Фигура 1 показывает схему 10 емкостного коммутируемого преобразователя для подачи питания на нагрузку 12. Трибоэлектрический генератор 14 обеспечивает входное питание, которое выпрямляется посредством полного мостового выпрямителя 16 и сглаживается буферным конденсатором 18, прежде чем будет подано в качестве входа на схему 10 емкостного коммутируемого преобразователя.
Трибоэлектрический генератор 14 имеет известную конструкцию и, например, генерирует форму волны переменного напряжения с величиной, которая зависит от скорости движения. Трибоэлектрический генератор характеризуется тем, что между первым и вторым наборами генерирующих элементов наведен относительный электрический заряд, и он поддерживается за счет прерывающихся периодов физического контакта, в течение которых на элементах каждого набора накапливается заряд противоположного знака (процесс трибозарядки). Генерирующие элементы составлены из материалов которые являются трибоэлектрически активными (которые образуют часть "трибоэлектрической последовательности").
Статор может содержать серию разделенных между собой (электропроводящих) электродов, в то время как ротор содержит автономный слой диэлектрического материала, который может быть металлическим или неметаллическим. Кроме того (как обсуждалось в статье Long Lin и др. "Noncontact Free-Rotating disc Triboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor" ("Трибоэлектрический наногенератор с бесконтактным диском свободного вращения как стабильный источник энергии и механический датчик с автономным питанием"), ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, № 6 (4), стр. 3031-3038), при такой конструкции нет никакой необходимости в осаждении электродов на вращающуюся часть или в электрических соединениях на ней, что принципиально улучшает рабочую конструкцию этого генератора. Конечно, конструкции ротора и статора можно поменять между собой местами.
Альтернативно, и ротор и статор могут иметь компоновки электродов.
Фигура 1 показывает полный мостовой выпрямитель, но в других примерах можно использовать полумостовой выпрямитель, или же, альтернативно, генератор 1 может выдавать выход постоянного тока. Выше были рассмотрены различные конструкции трибоэлектрического генератора.
Коммутируемая конденсаторная схема 10 содержит последовательное соединение четырех конденсаторов С1-С4 с диодами D1, D2, D3 между каждой из смежных пар. Эта последовательная цепочка включена между линией 20 высокого сигнала и линией 22 низкого сигнала. Линия 20 высокого сигнала подсоединена к клемме высокого сигнала буферного конденсатора 18 и к клемме высокого сигнала нагрузки 12. Линия 22 низкого сигнала соединена с клеммой низкого сигнала буферного конденсатора через первый переключатель S1.
Первый набор переключателей S2, S3, S4 обеспечен таким образом, что каждый переключатель включен через диод и следующий за ним в последовательной цепочке конденсатор. Второй набор переключателей S5, S6, S7 обеспечен таким образом, что каждый переключатель включен через конденсатор и следующий за ним диод. Таким образом, переключатели первого и второго наборов расположены в шахматном порядке. Первый набор переключателей S2, S3, S4 позволяет соединить между собой все нижние клеммы конденсаторов, а второй набор переключателей S5, S6, S7 позволяет соединить между собой все верхние клеммы конденсаторов.
Выходной переключатель S8 включен между линией 22 низкого сигнала и клеммой низкого сигнала нагрузки 12.
Когда напряжение на буферном конденсаторе 18 достигает максимальной величины, первый переключатель S1 закрывается (проводит), а переключатели S2, S3, S4, S5, S6, S7 и S8 - открываются (не проводят). При этом нагрузка от коммутируемой конденсаторной схемы 10 изолирована.
Через короткий промежуток времени конденсаторы C1, C2, C3 и C4 становятся последовательно заряженными.
После того, как конденсаторы зарядились, переключатель S1 открывается (непроводящий режим), так что при этом коммутируемая конденсаторная схема 10 является изолированной от входа.
При этом переключатели S2, S3, S4, S5, S6 и S7 обоих наборов закрыты (проводят), что приводит к параллельной конфигурации конденсаторов С1, С2, С3 и С4.
В результате входное напряжение разделено на коэффициент четыре, который равен количеству конденсаторов, в то время как заряд умножен на коэффициент четыре, который также равен общей параллельной емкости конденсаторов C1, C2, C3 и C4.
Вскоре после этого переключатель S8 закрывается (проводящий режим). Конденсаторы С1, С2, С3 и С4 разряжаются на выходной конденсатор, определенный нагрузкой 12, которая работает как выходной конденсатор емкостного коммутируемого преобразователя. Это может быть выходной конденсатор как часть емкостного коммутируемого преобразователя, или же он может быть лишь частью приводимой нагрузки. Конечно, увеличением количества конденсаторов и переключателей можно получить более высокий коэффициент преобразования.
Фигура 2 показывает результаты моделирования схемы преобразования мощности по фигуре 1. График 30 показывает выходное напряжение от трибоэлектрического генератора 14, а график 30 показывает подаваемое на нагрузку выходное напряжение.
Общая топология емкостного коммутируемого преобразователя хорошо известна. Хорошо известны также и другие конкретные схемные решения.
Данное изобретение относится к генерации управляющих сигналов с целью управления переключателями в зависимости от создаваемого ТЭГом напряжения.
Переключатели должны переключаться из режима последовательного соединения в параллельный, когда конденсаторы полностью заряжены. Это функция тока, обеспечиваемого генератором мощности. Таким образом, сигнал от генератора мощности, являющийся индикатором используемого тока, может формировать основу управления для переключателей. Однако, вместо того, чтобы полагаться на детальный анализ сигнала, может быть использован сигнал, который получен непосредственно от движения, связанного с генератором мощности, такой как частота вращения или период периодического механического движения.
В качестве первого примера будет описан ТЭГ с вращающимся диском. Этот ТЭГ имеет ротор и статор, которые имеют направленные одна на другую поверхности. Фигура 3 показывает шаблон для дисковых элементов ротора и/или статора в виде участков поверхности, которые образуют разделенные по окружности секторные области 38 элемента 36 диска. Показанный конкретный шаблон предназначен лишь для иллюстрации, и следует понимать, что расстояние между секторными областями 38, их расположение или конфигурация могут быть иными.
При вращении ротора относительное вращение участков 38 поверхности ротора и соответствующих участков статора генерирует выходной ток.
Как обсуждалось ранее, ТЭГ с вращающимся диском представляет собой частное подмножество ТЭГов режима линейного скольжения, в которых мощность генерируется в результате последовательного перекрытия, а затем разделения разнесенных круговых секторов трибоэлектрически активного материала, нанесенного на противоположные поверхности взаимно вращающихся элементов диска. Как описано выше, между двумя скользящими в боковом направлении противоположно заряженными слоями может быть наведен заряд величиной, пропорциональной скорости изменения площади перекрытия. Когда каждый из последовательно расположенных секторов ротора вводится во взаимное перекрытие с данным сектором статора, а затем выводится из этого перекрытия, между двумя этими секторными пластинами (в присутствии нагрузки) наводится ток, сначала в первом направлении, - по мере того, как пластины увеличивают свое перекрытие, а затем - по мере того, как пластины уменьшают свое перекрытие, - в противоположном направлении. В результате создается переменный ток, имеющий максимальную амплитуду, которая, помимо всего прочего, связана с площадью поверхности и с составом материала участков трибоэлектрической поверхности, и имеющий частоту, которая, помимо всего прочего, связана с относительной скоростью вращения дисков и с относительным отстоянием или шагом шаблона трибоэлектрических участков поверхности.
Первый пример системы по настоящему изобретению использует модифицированный шаблон для ротора и/или статора, такой, как показанный на фигуре 4.
Такой же шаблон генераторных областей 38 показан с дополнительными управляющими электродами 40а, 40b, 40с по внешней периферии генераторных областей 38. Управляющие электроды построены таким образом, что картина коммутации для схемы 10 емкостного коммутируемого преобразователя синхронизирована с выходным напряжением ТЭГа. Это значит, что при этом производится автоматическая генерация синхронизированного сигнала управления, основанного на оптимальном расположении управляющих электродов по отношению к электродам, генерирующим мощность. Таким образом, преобразование мощности может быть оптимизировано без необходимости в специальной схеме обнаружения и управления.
Существуют различные управляющие электроды, в показанном примере - в трех наборах, так что при этом можно независимо управлять различными переключателями. Например, конфигурация по фигуре 4 позволяет генерировать три различных сигнала управления. Они могут иметь различные временные характеристики, но одну и ту же частоту, или же они могут даже иметь разные частоты, например, имея разное количество электродов в одном наборе по отношению к другому, или имея различные размеры управляющих электродов.
В одной группе примеров переключатели S1-S8, которые использованы в емкостном коммутируемом преобразователе, электрически управляются в ответ на уровень заряда, так что при этом могут использоваться устройства, управляемые зарядом.
Когда накоплен заряд, соответствующий порогу, осуществляется переключение. Например, когда на затворе транзистора накопится достаточный заряд, этот транзистор может быть соединен с переключателем. Например, заряд, созданный управляющими электродами, может использоваться непосредственно для управления полевыми транзисторными переключателями типа MOSFET. Заряд накапливается со скоростью, зависящей от скорости вращения. Переключатели, как правило, являются транзисторами, хотя могут использоваться и другие управляемые зарядом переключатели, такие как переключатели микроэлектромеханических систем (МЭМС).
Заряд, поданный на коммутирующие устройства, может быть создан с использованием различных подходов.
Пример по фигуре 4 основан на наличии дополнительных шаблонов ротора и/или статора в ТЭГе. Они работают как миниатюрные генераторы, создавая лишь заряд, достаточный для управления переключателями в автоматическом режиме. Однако возможны и другие подходы для генерации необходимого сигнала управления.
Первый альтернативный подход заключается в использовании устройства с зарядовой связью, такого как фотодиод. Оно может быть использовано для генерации оптического выходного сигнала. Тогда переключатели S1-S8 являются чувствительными к свету и, например, реализованы в виде фототранзисторов. В этом случае ротор и/или статор могут использовать светоблокирующие и светопроводящие сегменты, для того чтобы обеспечивать подачу на эти фототранзисторы импульсного света, так чтобы на фототранзисторах в зависимости от физического вращения ТЭГа снова накапливался электрический заряд. Альтернативно, непосредственно в ответ на вращение ТЭГа фотодиоды могут выдавать пульсирующий световой выходной сигнал.
Второй альтернативный подход заключается в использовании механического движения одной части ТЭГа, например, в случае устройства с "толчковым режимом" работы. В этом случае, для того чтобы в ответ на периодическое движение создавать электрический заряд, используется механический прибор с зарядовой связью, такой как пьезоэлектрическое устройство или пироэлектрическое устройство. И в этом случае тоже, - скорость генерации заряда является функцией скорости изменения механического входа, управляющего генератором мощности. Например, на одной стороне ТЭГа с "толчковым режимом" работы мог бы быть нанесен пьезоэлектрический материал. Каждый раз, когда между двумя частями ТЭГа осуществляется контакт, пьезоэлектрический материал будет генерировать электрический сигнал. Этот сигнал можно использовать в качестве сигнала управления.
Третий альтернативный подход заключается в использовании магнитно связанной конфигурации, такой как постоянный магнит и магнитное детектирующее устройство, такое как катушка или датчик магнитного сопротивления. Если, например, на роторе размещен небольшой постоянный магнит, а на статоре помещено соответствующее магнитное детектирующее устройство, то каждый раз, когда над ним проходит магнит, это чувствительное устройство будет создавать управляющий сигнал.
Фигура 5 показывает альтернативную конфигурацию (например, для ротора), где между каждой парой силовых электродов 38 размещен управляющий электрод 50. Управляющие электроды могут быть соединены друг с другом, образуя таким образом один электрод. При вращении ротора относительно статора - как раз перед тем, как сегмент статора "собирается" пройти над силовым электродом, на емкостной коммутируемый преобразователь подается управляющий сигнал.
Таким образом, преобразователь снова синхронизован с выходным сигналом ТЭГа. Количество и положение управляющих электродов 50 можно выбирать соответствующим образом.
Хотя примеры по фигурам 4 и 5 относятся к вращательному устройству ТЭГа, аналогичные подходы с автосинхронизацией и синхронизацией могут быть благоприятно применены к ТЭГам скользящего типа.
Описанный выше подход с автосинхронизацией не ограничивается только синхронизацией на этапе преобразования мощности. Он может также быть использован для того, чтобы управлять другими аспектами, такими как обратная связь при управлении выходной мощностью ТЭГа.
Фигура 6 показывает блок-схему одного из примеров конфигурации этой системы.
Трибоэлектрический генератор 14 снова показан в виде ТЭГа с вращающимся диском, но специалисты в данной области поймут, что данная конфигурация в равной степени может применяться к другим разновидностям трибоэлектрического генератора (как это говорилось в предыдущих абзацах).
Генератор имеет элементы генератора в виде ротора 60 и статора 62. Ротор 60 ТЭГа 14 во время работы соединен с механическим выходом механического приводного устройства 64, например, двигателя. Механическое приводное устройство 64 обеспечивает источник входной кинетической энергии или моторной энергии, которая должна быть преобразована системой в электрическую энергию. Приводное устройство управляется контроллером 66.
Механическое приводное устройство 64 в некоторых вариантах осуществления может включать в себя внешний источник, например, ветряную или водяную турбину, источник вибрационной энергии или приводимый в действие человеком источник моторных событий. В этом случае система может функционировать как система "извлечения" энергии, в которой внешне сгенерированная энергия, которая в противном случае бы пропадала, улавливается и преобразуется в источник электрической энергии.
В соответствии с альтернативными вариантами исполнения, как показано на фигуре 6, механическое приводное устройство 64 содержит источник, внутренний для самой системы, такой как, например, моторный блок. В этом случае система может просто обеспечивать функцию преобразования энергии.
Управляющий сигнал 70 обеспечен в виде сигнала обратной связи, и это есть сигнал обратной связи в том виде, как он описан выше.
Контроллер 66 генерирует выходной сигнал 72 (Vin/Pin) для управления двигателем 64 с учетом требуемого напряжения или мощности в виде входа на контроллер 66. Выходная мощность и/или напряжение вращающегося диска ТЭГа может затем поддерживаться постоянной, например, посредством управления скоростью вращения ротора на основе выходного сигнала 72. Поскольку выходной сигнал управляющего электрода ТЭГа имеет частоту, которая пропорциональна скорости вращения ротора, эта информация тоже может использоваться в качестве сигнала обратной связи на контроллер 66, управляющий скоростью вращения ротора, и, таким образом, выходной мощностью ТЭГа. Он, в частности, представляет обеспечиваемые ТЭГом напряжение и мощность.
На фигуре 7 рассмотрен толчковый режим работы ТЭГа. В этом случае первая подвижная часть 60a ТЭГа обычно перемещается вперед и назад по отношению к неподвижной второй части 60b ТЭГа. Затем механически движение ТЭГа может быть использовано в качестве входного сигнала для преобразователя мощности в соответствии с вышеизложенной теорией.
В этой ситуации переключатели на основе полевого транзистора типа MOSFET, которые обычно используются в емкостных коммутируемых преобразователях, могут быть заменены на переключатели на основе МЭМС. Вход МЭМС-переключателя, как это показано, посредством связи 80 может быть механически соединен с первой частью 60a ТЭГа. После этого преобразователь мощности автоматически синхронизирован с сгенерированным ТЭГом сигналом.
Выше обсуждались различные примеры трибоэлектрического генератора. Такие генераторы имеют контактный режим и бесконтактный режим. Изобретение может быть применено к другим типам генераторов мощности.
Некоторые общие примеры генераторных устройств, основанных на трибоэлектричестве, включают в себя генераторы с вращающимся диском, которые представляют собой подмножество ТЭГов режима линейного скольжения. Другой тип является устройством, которое работает в вертикальном "контактно-разъединительном" режиме, в котором две или более пластин посредством приложенной силы циклически контактируют друг с другом и отводятся одна от другой.
Другие типы генератора мощности включают в себя индукционные генераторы или асинхронные генераторы. Они представляют собой известные электрические генераторы переменного тока, в которых для производства мощности используют двигатели, работающие с электромагнитной индукцией. Индукционные генераторы работают на основе механического вращения их роторов с более высокой скоростью, чем синхронная скорость. Индукционные генераторы хорошо известны в тех приложениях, где энергию можно извлекать с относительно простыми органами управления.
Индукционные генераторы часто используются в ветряных турбинах и в некоторых микро-гидроустановках из-за их способности производить полезную мощность при различных скоростях ротора. Однако электромагнитные индукционные генераторы обычно не подходят для приложений, связанных с очень малыми мощностями и малыми стоимостями, и альтернативой в этом случае является электростатическая индукция. Она позволяет создать простую конструкцию и дает высокое выходное напряжение при относительно низких скоростях. Обещающей областью является использование электростатической индукции с электретом, который представляет собой диэлектрический материал с полупостоянным зарядом.
Генератор, основанный на использовании электрета, создает поток зарядов, основанный на положении электрета по отношению к подсоединенным рабочим электродам. Электрет индуцирует на рабочих электродах противозаряд, а изменения в положении электрета по отношению к рабочим электродам производят движение электродов и, следовательно, выходной ток.
Настоящее изобретение может прилагаться к этим различным технологиям производства мощности, в тех случаях, когда представляет интерес емкостной коммутируемый преобразователь мощности.
Специалистами в данной области при практической работе с заявленным изобретением в результате изучения чертежей, описания, а также приложенных пунктов формулы изобретения могут быть придуманы и введены другие изменения в раскрытые варианты исполнения. В этих пунктах слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а признак единственного числа не исключает множественности. Тот простой факт, что некоторые размеры указаны во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что для получения преимущества не может быть использована комбинация этих размеров. Любые ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не должны толковаться как ограничивающие его объем.