摩擦纳米发电机能量收集系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及摩擦纳米发电领域，特别地，涉及一种摩擦纳米发电机能量收集系统。
【背景技术】
[0002] 传统的发电，如煤、天然气和核电厂全部采用涡轮发动机驱动和电磁感应发电机， 这一直是将机械能转换成电能的唯一途径。然而，自然界和人类生命存续过程中会不断产 生各种动能和势能，如何将这些微小的能量转换为人们所需的能源，一直是科技界不断探 索的方向。2006年纳米发电机的提出，开辟了将环境中存在的微小能源转化和应用的一个 新的领域。
[0003] 如CN201310714104. 4公开了一种收集流动液体能量的发电机和发电方法，可用 来收集液体的流动能量，特别是环境中存在的流动液体能量，并将其转化成电力直接使用 或储存。发电机主要是利用环境中液体例如水易与其它物质摩擦后带电的特性及静电传导 原理，可以广泛的收集如下雨雨滴及环境中废水流动的机械能，并将其转变为电能，具有广 阔的应用前景。该文献公开了一种将自然界的微小能量转换为人们所需的能源的例子。
[0004] 目前，物联网技术和智能穿戴的发展如火如荼，无线传感器作为物联网的重要组 成部分，其供电方式也因此受到了极大的关注。传统的供电方式是采用电池供电，但是电池 供电时间有限，尤其是随着传感器数量与规模的不断增长，给传感器更换电池太不现实，所 以能量收集技术变应时而生。
[0005] 能量收集的来源无外乎动能、热能、光能、磁能等这几种，摩擦纳米发电机是依靠 两种不同物质摩擦后发生电荷转移而产生电能的，它的能量源头也属于动能的范畴。目前 针对振动（属于动能)、热能、光能、磁能等能量形式的收集研究很多，也都有相对成熟的技 术和方案，但对非常有发展前景的摩擦纳米发电机能量的收集尚未见到成熟有效的技术， 相关领域的研究者大都专注于摩擦纳米发电机的发电研究，故亟需设计一种用于摩擦纳米 发电机的能量收集系统。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了 一种摩擦纳米发电机能量收集系统，以解决现有的摩擦纳米发电机 产生的微小能量难以有效收集以满足负载供电需求的技术问题。
[0007] 本发明采用的技术方案如下： 一种摩擦纳米发电机能量收集系统，包括： 输入接口，用于连接摩擦纳米发电机的输出端，以接收摩擦纳米发电机输出的电流； 整流电路，连接输入接口，用于将经输入接口导入的电流经整流变换为直流电； 输入储能电路，连接整流电路的输出端，用于对整流电路输出的直流电进行储能处 理； 第一控制开关，连接输入储能电路的输出端，用于控制输入储能电路的能量储存及释 放时机； DC-DC转换器，连接第一控制开关的输出端，用于将第一控制开关输出的直流电转换为 供负载使用的电压恒定的电源。
[0008] 进一步地，第一控制开关包括用于高压检测的第一比较器、用于低压检测的第二 比较器，第一比较器、第二比较器的输出端分别连接RS触发器的输入端，RS触发器的输出 端经OD门连接DC-DC转换器，输入储能电路在第一控制开关的控制下，当输入储能电路上 的电压高于第一阈值时，OD门输出高电平以驱动DC-DC转换器工作以供电给负载，输入储 能电路进入放电阶段；当输入储能电路上的电压低于第二阈值时，OD门输出低电平以停止 DC-DC转换器工作，输入储能电路进入储能阶段，其中，第一阈值高于第二阈值。
[0009] 进一步地，输入储能电路与第一控制开关之间设有用于防止输入储能电路的输出 电压高于预设阈值的分流保护电路。
[0010] 进一步地，DC-DC转换器的输出端分为两路，一路连接用于供电给负载的输出接 口，另一路连接经第二控制开关连接输出储能电路。
[0011] 进一步地，第二控制开关作为输出储能电路的充放电管理电路，包括第三比较器， 第三比较器的一个输入端经分压电路连接DC-DC转换器的输出端，另一个输入端连接参考 电压；第二控制开关还包括连接DC-DC转换器的输出端与输出储能电路的隔离控制电路， 第三比较器的输出端连接隔离控制电路的控制端以控制隔离控制电路的开闭状态。
[0012] 进一步地，隔离控制电路为MOS管。
[0013] 进一步地，输出储能电路采用储能电容。
[0014] 进一步地，输出储能电路包括两只或者两只以上串联连接的储能电容。
[0015] 进一步地，DC-DC转换器为降压型DC-DC转换电路。
[0016] 本发明具有以下有益效果： 本发明摩擦纳米发电机能量收集系统，通过接收摩擦纳米发电机的能量并转换为直流 电供电给输入储能电路，且通过设置第一控制开关对输入储能电路的能量储存及释放时机 进行控制，再将经输入储能电路储存的能量经DC-DC转换器转换为电源恒定的电源供电给 负载，实现了对摩擦纳米发电机产生的微小能量的合理有效利用，利于摩擦纳米发电机发 电的推广，具有广泛的应用前景。
[0017] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0018] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 图1是本发明优选实施例的摩擦纳米发电机能量收集系统的结构示意图； 图2是本发明优选实施例第一控制开关的结构示意图； 图3是本发明优选实施例第一控制开关的输出特性示意图； 图4是本发明优选实施例第二控制开关的结构示意图。
[0019] 附图标记说明： 10、输入接口； 20、整流电路； 30、输入储能电路； 40、第一控制开关； 50、DC-DC转换器； 60、分流保护电路； 70、输出接口； 80、第二控制开关； 90、输出储能电路。
【具体实施方式】
[0020] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0021] 本发明的优选实施例提供一种摩擦纳米发电机能量收集系统，用于将收集的摩擦 纳米发电机生成的微小能量转换为负载可用的能量，从而拓宽摩擦纳米发电机的应用场 景。现有的摩擦纳米发电机具有恒流源输出特性，其开路电压非常高，高达几百伏甚至上千 伏，而短路电流非常小，峰值电流最高仅几百微安。根据这些特性，发明了本实施例能量收 集系统，该能量收集系统能把微弱的交流电转换成电压恒定的直流电，可以直接为MCU、无 线传感器等负载供电。参照图1，本实施例能量收集系统包括： 输入接口 10,用于连接摩擦纳米发电机的输出端，以接收摩擦纳米发电机输出的电 流； 整流电路20,连接输入接口 10,用于将经输入接口 10导入的电流经整流变换为直流 电；作为一种优选的实施方式，本实施例整流电路20通过不控桥式整流或倍压整流电路来 实现； 输入储能电路30，连接整流电路20的输出端，用于对整流电路20输出的直流电进行储 能处理； 第一控制开关40,连接输入储能电路30的输出端，用于控制输入储能电路30的能量储 存及释放时机； DC-DC转换器50,连接第一控制开关40的输出端，用于将第一控制开关40输出的直流 电转换为供负载使用的电压恒定的电源。
[0022] 本实施例中，可选地，输入储能电路30是由极低ESR的陶瓷电容构成，根据输入源 的大小可以选择〇. 1 μ F~4. 7 μ F。
[0023] 优选地，考虑能量收集先储存后释放的要求，本发明设计一种能量控制开关，当能 量积累到一定程度后，开关闭合释放能量，而当能量泄放到一定程度后，能量控制开关又打 开储存能量，如此反复进行一个个能量的积累-能量释放循环。本实施例能量控制开关即 第一控制开关40,该第一控制开关40在能量收集系统中起着控制能量释放时机的作用。
[0024] 参照图2,本实施例第一控制开关40包括用于高压检测的第一比较器、用于低压 检测的第二比较器，第一比较器、第二比较器的输出端分别连接RS触发器的输入端，RS触 发器的输出端经OD门（漏极开路的门电路)连接DC-DC转换器50,输入储能电路30在第一 控制开关40的控制下，当输入储能电路30上的电压高于第一阈值时，OD门输出高电平以 驱动DC-DC转换器50工作以供电给负载，输入储能电路30进入放电阶段；当输入储能电路 30上的电压低于第二阈值时，OD门输出低电平以停止DC-DC转换器50工作，输入储能电路 30进入储能阶段，其中，第一阈值高于第二阈值，如此反复进行一个个能量的积累-能量释 放循环。
[0025] 参照图2,优选地，能量控制开关采用一个双比较器、一个RS触发器和一个OD门， 其输入电压经三个兆欧级电阻分压后，进入双比较器，双比较器中的一个比较器用于检测 高压输入，另一个用于检测低压输入，双比较器的输出由一个基本RS触发器来锁存，锁存 的值再经一个OD门输出。具体地，OD门输出接上拉电阻R4,接上