纳米发电机的变压变荷电路及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能源、发电机技术领域，具体涉及一种纳米发电机的变压变荷电路及方法，本发明可应用于各种纳米发电机的供电电路中，包括压电纳米发电机和摩擦纳米发电机。
【背景技术】
[0002]2006年，美国佐治亚理工学院王中林教授等成功的在纳米尺度范围内将机械能转换为电能，研制出世界上最小的发电机——压电纳米发电机。其基本原理是:当纳米线在外力下动态拉伸或压缩时，纳米线中产生压电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。2012年，王中林教授又提出并开发摩擦纳米发电机。其基本原理是利用摩擦在材料表面产生电荷，并使两者分离，从而产生极高的电势，驱动外电路的电子发生定向移动，产生电能。总的来说，两种纳米发电机能够从环境中收集微弱的机械能并转换为电能。
[0003]这两种纳米发电机都具有高电压(100?1000伏)，低电荷(1(Γ9?10〃库仑)的输出特性，尤其是摩擦式发电机。如果直接应用于现有传统电路，将极大的受限于电流，从而导致高电压的特性无法得到充分的利用。因此如何将纳米发电机的高输出电压降低，相应的把输出的电荷量增多，或电流增大是推动纳米发电机在现有电子技术中得以广泛应用的瓶颈和挑战。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明将解决现有纳米发电机因为高电压低电荷的输出特性而与传统电路无法有效结合的技术瓶颈，提出一种将高电压变为低电压，同时将电荷量相应增大的变压变荷电路及方法。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为解决上述技术问题，本发明提出一种用于纳米发电机的变压变荷电路，所述纳米发电机输出脉冲信号，并通过该变压变荷电路向外部负载输出电能，所述变压变荷电路包括一个电容阵列，该电容阵列由至少两个电容组成，各电容之间的连接方式能够被可控地改变，使得:所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端时，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；所述电容阵列连接至所述外部负载时，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接。
[0008]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述纳米发电机输出一个周期性脉冲信号，该脉冲信号由交替的输出期间和空闲期间构成；当所述纳米发电机的所述输出信号处于所述输出区间时，所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；当所述纳米发电机的所述输出信号至少处于一个所述空闲区间时，所述电容阵列连接至所述外部负载，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接。
[0009]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述纳米发电机的输出信号的输出期间包括正输出期间和负输出期间，正输出期间和负输出期间交替产生。
[0010]根据本发明的一种【具体实施方式】，还包括一个整流电路，该整流电路位于所述电容阵列和纳米发电机之间，用于使所述纳米发电机的输出信号的正输出期间和负输出期间的其中之一反相。
[0011]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述整流电路是由两个分别连接于所述纳米发电机的两个输出端的单刀双掷开关构成，或者由四个二极管组成桥式整流电路构成。
[0012]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述电容阵列还包括分别连接于所述多个电容的两端的多个单刀双掷开关，并且，当各单刀双掷开关处于第一连接位时，所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接至所述纳米发电极的输出端；当各单刀双掷开关处于第二连接位时，所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接至所述外部负载。
[0013]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述电容阵列还包括分别连接于所述多个电容的两端的多个单刀双掷开关，所述多个单刀双掷开关分为两组，并且当第一组单刀双掷开关闭合且第二组单刀双掷开关断开时，电容阵列中的各电容以串联方式连接并连接到纳米发电机的输出端；当第一组单刀双掷开关断开且第二组单刀双掷开关闭合时，电容阵列中的各电容以并联方式连接并连接到负载的两端。
[0014]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述纳米发电机在发电过程中自动触发所述电容阵列进行所述连接方式的切换。
[0015]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述纳米发电机为摩擦纳米发电机，其在发电过程中会产生与输出信号同步的运动，所述电容阵列的连接方式的切换由该摩擦纳米发电机的运动自动触发。
[0016]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述电容阵列中的所有电容的电容量相同。
[0017]此外，本发明还提出一种纳米发电机的变压变荷方法，所述纳米发电机输出一个周期性脉冲信号，该输出信号由交替的输出期间和空闲期间构成，所述变压变荷方法包括:构造一个电容阵列，该电容阵列由至少两个电容组成；控制所述电容阵列的各电容之间的连接方式，以使得:当所述纳米发电机的所述输出信号处于所述输出区间时，所述电容阵列连接至所述纳米发电机的输出端，且所述电容阵列中的各个电容以串联方式连接；当所述纳米发电机的所述输出信号至少处于一个所述空闲区间时，所述电容阵列连接至所述外部负载，且所述电容阵列中的各个电容以并联方式连接。
[0018]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述纳米发电机的输出信号的输出期间包括正输出期间和负输出期间，正输出期间和负输出期间交替产生。
[0019]根据本发明的一种【具体实施方式】，该方法还包括步骤:使所述纳米发电机的输出信号的正输出期间和负输出期间的其中之一反相。
[0020]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述纳米发电机在发电过程中自动触发所述电容阵列进行所述连接方式的切换。
[0021 ] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述纳米发电机为摩擦纳米发电机，其在发电过程中会产生与输出信号同步的运动，所述电容阵列的连接方式的切换由该摩擦纳米发电机的运动自动触发。
[0022](三)有益效果
[0023]本发明利用电容的串并联切换，将纳米发电机的高电压和低电荷输出特性，转变为低电压和高电荷的输出特性，从而为纳米发电机与传统应用电路的结合打下了坚实的基础。
【附图说明】
[0024]图1是纳米发电机输出的周期性脉冲信号的示意图；
[0025]图2是本发明的第一实施方式的用于纳米发电机的一周期两次输出的变压变荷电路图；
[0026]图3显示了用单刀单掷开关代替图2中单刀双掷开关的实施方式；
[0027]图4是本发明的第二实施方式的用于纳米发电机的一周期一次输出的利用机械开关的变压变荷电路图；
[0028]图5是本发明的第三实施方式的用于纳米发电机的一周期一次输出的基于整流桥的电子开关的变压变荷电路图；
[0029]图6A至图6E是本发明的一个实施例的变压器的工作原理不意图；
[0030]图7A至图7D是本发明的一个实施例的变压器的工作性能测试结果显示图，其中，图7A是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机在不同外接电阻下的输出电压，图7B是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机在不同外接电阻下的输出电荷量，图7C是原纳米发电机和经过2、4、8倍变换后的纳米发电机对一个10 μ F电容的输出电荷量，图7