基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，包括：印刷電路板、至少一個摩擦發(fā)電機、交直流轉(zhuǎn)換模塊、觸發(fā)模塊以及儲能模塊；交直流轉(zhuǎn)換模塊、觸發(fā)模塊以及儲能模塊都固定設(shè)置于印刷電路板上；所述交直流轉(zhuǎn)換模塊用于將至少一個摩擦發(fā)電機產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能；觸發(fā)模塊用于控制所述直流電能的輸出；儲能模塊在所述觸發(fā)模塊的控制下與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接或與負載連接。本裝置提供一種將儲能器件與能量轉(zhuǎn)換裝置一體集成于PCB板上的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，且能夠為耗電量大的器件供能。
【專利說明】基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]摩擦起電效應(yīng)被人類發(fā)現(xiàn)至今已有幾百年的歷史，但是，由于現(xiàn)有摩擦發(fā)電機的輸出普遍具有高電壓、低電流和低電荷量的特點，并且摩擦發(fā)電機的能量輸出往往是一個可變頻率的短脈沖，故很難實現(xiàn)為耗電量大的電子器件，如MCU等持續(xù)供電。因此，它需要通過能量轉(zhuǎn)換才能實現(xiàn)對耗電量大的電子器件的驅(qū)動。
[0003]目前，能量轉(zhuǎn)換電路中一般采用的儲能器件為靜電電容器、超級電容器、鋰離子電池、鉛酸電池等。通常，會將電容器作為一級儲能單元，鋰離子電池等作為二級儲能單元，且采用外部集成的方式相結(jié)合，即將獨立的電容器與儲能電路進行連接。
[0004]因此，現(xiàn)有技術(shù)中缺少一種能夠針對摩擦發(fā)電機上述能量輸出特點進行儲能從而為MCU等耗電器件持續(xù)供電的能量轉(zhuǎn)換裝置，也缺少一種能夠?qū)δ芷骷c上述能量轉(zhuǎn)換裝置一體集成于PCB板上的能量轉(zhuǎn)換裝置。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種針對摩擦發(fā)電機能量輸出特點進行儲能從而為耗電器件持續(xù)供電，且能夠?qū)δ芷骷c上述能量轉(zhuǎn)換裝置一體集成于PCB板上的能量收集轉(zhuǎn)換裝置。
[0006]本實用新型提供了一種基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，包括：印刷電路板、至少一個摩擦發(fā)電機、交直流轉(zhuǎn)換模塊、觸發(fā)模塊以及儲能模塊；其中，所述交直流轉(zhuǎn)換模塊、觸發(fā)模塊以及儲能模塊都固定設(shè)置于所述印刷電路板上；
[0007]所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述至少一個摩擦發(fā)電機的輸出端相連，用于將所述至少一個摩擦發(fā)電機產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能；所述觸發(fā)模塊與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端相連，控制所述直流電能的輸出；
[0008]所述儲能模塊包括至少兩個儲能元件，所述儲能元件的輸入/輸出端與所述觸發(fā)模塊相連，所述儲能模塊在所述觸發(fā)模塊的控制下與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接或與負載連接；
[0009]所述觸發(fā)模塊具備兩個工作狀態(tài)，在第一工作狀態(tài)下：所述觸發(fā)模塊將所述至少兩個儲能元件之間的連接方式切換為串聯(lián)，切斷所述儲能元件與所述負載的連接，并將所述儲能元件的輸入/輸出端與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，接收所述直流電能并存儲；
[0010]在第二工作狀態(tài)下：所述觸發(fā)模塊將所述至少兩個儲能元件之間的連接方式切換為并聯(lián)，切斷所述儲能元件與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的連接，并將所述儲能元件的輸入/輸出端與所述負載相連，輸出電能給所述負載供電。
[0011]所述觸發(fā)模塊的兩個工作狀態(tài)可自由切換，相應(yīng)所述能量收集轉(zhuǎn)換裝置進行串聯(lián)存儲電能、并聯(lián)輸出電能。
[0012]可選的，所述觸發(fā)模塊的兩個工作狀態(tài)通過手動控制切換。
[0013]可選的，所述交直流轉(zhuǎn)換模塊包括：整流電路模塊；所述整流電路模塊的輸入端與所述至少一個摩擦發(fā)電機的輸出端相連，用于將所述至少一個摩擦發(fā)電機輸出的交流脈沖電信號進行整流處理，得到單向脈動的直流電信號。
[0014]可選的，所述交直流轉(zhuǎn)換模塊還包括：濾波電路模塊和穩(wěn)壓電路模塊；
[0015]所述濾波電路模塊的輸入端與所述整流電路模塊的輸出端相連，用于將所述整流電路模塊輸出的單向脈動的直流電信號進行濾波處理；
[0016]所述穩(wěn)壓電路模塊的輸入端與所述濾波電路模塊的輸出端相連，用于將所述濾波電路模塊輸出的濾除干擾雜波后的單向脈動的直流電信號進行穩(wěn)壓處理，得到恒定的直流電信號。
[0017]可選的，在所述儲能元件與所述負載之間連接有直流/直流轉(zhuǎn)換模塊，用于將所述儲能元件輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為與負載的工作電壓匹配的直流電壓。
[0018]可選的，所述至少一個摩擦發(fā)電機通過層疊或平鋪的方式設(shè)置在所述印刷電路板上。
[0019]可選的，所述至少一個摩擦發(fā)電機為風(fēng)力摩擦發(fā)電機。
[0020]可選的，所述儲能元件為靜電電容器或超級電容器。
[0021 ] 可選的，所述儲能元件包括至少兩個串聯(lián)連接的靜電電容器或至少兩個串聯(lián)連接的超級電容器。
[0022]可選的，所述超級電容器為薄膜石墨烯超級電容器，所述薄膜石墨烯超級電容器一體設(shè)置在所述印刷電路板上；
[0023]可選的，所述觸發(fā)模塊包括自鎖按鍵開關(guān)，所述自鎖按鍵開關(guān)包括若干個子開關(guān)，所述子開關(guān)包括一個常開觸點與一個常閉觸點，所述子開關(guān)的數(shù)量為所述儲能元件的二倍；所述若干個子開關(guān)全部接通常開觸點時，所述至少兩個儲能元件串聯(lián)連接，且串聯(lián)連接后的所述至少兩個儲能元件與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連通，所述至少兩個儲能元件與負載的連接被斷開；
[0024]所述若干個開關(guān)全部接通常閉觸點時，所述至少兩個儲能元件并聯(lián)連接，且并聯(lián)連接后的所述至少兩個儲能元件與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端的連接被斷開，所述至少兩個儲能元件與所述負載連通。
[0025]本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置將機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出為負載供電，實現(xiàn)了無源化。在該能量收集轉(zhuǎn)換裝置中，由于采用觸發(fā)模塊控制儲能模塊與交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接為儲能模塊進行充電，且又由于采用觸發(fā)模塊控制儲能模塊與負載連接使儲能模塊放電，這不僅提高了充放電的效率，也使得本裝置實現(xiàn)了為如MCU等耗電量大的器件供能的目的。而且，能量收集轉(zhuǎn)換裝置的各個組成部件都設(shè)置于PCB板上，該裝置是一種將儲能器件與能量轉(zhuǎn)換裝置一體集成于PCB板上的能量收集轉(zhuǎn)換裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖I示出了本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置實施例一的功能結(jié)構(gòu)框圖；
[0027]圖2a示出了本實用新型一個實施例提供的制作在印刷電路板上的薄膜石墨烯超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2b示出了本實用新型一個優(yōu)選實施例提供的制作在印刷電路板上的薄膜石墨烯超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3示出了本實用新型另一個實施例提供的制作在印刷電路板上的薄膜石墨烯超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4a示出了本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置實施例二的電路連接不意圖；
[0031]圖4b不出了圖4a所不電路的等效電路不意圖；
[0032]圖5示出了本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置實施例三的等效電路不意圖；
[0033]圖6a示出了本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置實施例四的電路連接不意圖；
[0034]圖6b示出了圖6a所示電路的等效電路示意圖。

【具體實施方式】
[0035]為充分了解本實用新型之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對本實用新型做詳細說明，但本實用新型并不僅僅限于此。
[0036]圖I示出了本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置實施例一的功能結(jié)構(gòu)框圖。如圖I所示，該能量收集轉(zhuǎn)換裝置包括：印刷電路板（圖中未示出）（以下簡稱PCB板）、至少一個摩擦發(fā)電機10、交直流轉(zhuǎn)換模塊11、觸發(fā)模塊12以及儲能模塊13。交直流轉(zhuǎn)換模塊11、觸發(fā)模塊12以及儲能模塊13都固定設(shè)置于PCB板上。
[0037]至少一個摩擦發(fā)電機10在外力的作用下，發(fā)生機械形變，從而產(chǎn)生電能?？蛇x地，摩擦發(fā)電機10可以選用現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)公開的任意形式的摩擦發(fā)電機，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要選用，此處不做限定，優(yōu)選拱形結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機；在本實用新型中亦可選擇現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)公開的任意形式的風(fēng)力摩擦發(fā)電機，優(yōu)選具有自由摩擦層的高頻風(fēng)力摩擦發(fā)電機。本實用新型中，摩擦發(fā)電機的數(shù)量不僅可以為一個，也可以為多個，當(dāng)為多個摩擦發(fā)電機時，多個摩擦發(fā)電機可以通過層疊和/或平鋪的方式設(shè)置在PCB板上，例如：當(dāng)PCB板的區(qū)域足夠大時，多個摩擦發(fā)電機可以通過平鋪的方式進行設(shè)置；當(dāng)PCB板的區(qū)域比較小時，多個摩擦發(fā)電機可以通過層疊的方式進行設(shè)置，此種設(shè)置方式的優(yōu)點是器件集成化，節(jié)省空間。在本實用新型的另外一種實現(xiàn)方式中，摩擦發(fā)電機亦可設(shè)置在PCB板之外，例如：摩擦發(fā)電機設(shè)置在衣服上，其輸出端通過導(dǎo)線與交直流轉(zhuǎn)換模塊連接，此時PCB板及其上設(shè)置的各器件與摩擦發(fā)電機分體設(shè)置，其可置于衣服口袋內(nèi)等，此種設(shè)置方式的優(yōu)點是使用方便，靈活度高，同時可設(shè)置更多的摩擦發(fā)電機和更大型的摩擦發(fā)電機，擺脫PCB板面積的限制。在本實用新型的各實現(xiàn)方式中，摩擦發(fā)電機的數(shù)量和具體的設(shè)置方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要進行選擇，此處不做限定。另外，多個摩擦發(fā)電機之間可以采用串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式進行連接，其具體的連接方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要進行選擇，此處不做限定。
[0038]交直流轉(zhuǎn)換模塊11的輸入端與至少一個摩擦發(fā)電機10的輸出端相連，用于將至少一個摩擦發(fā)電機10產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。具體地，交直流轉(zhuǎn)換模塊11固定設(shè)置于PCB板上，其輸入端可以通過PCB板上的印制導(dǎo)線與至少一個摩擦發(fā)電機10的輸出端相連，但并不限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇其它的連接方式進行連接。可選地，交直流轉(zhuǎn)換模塊進一步包括：整流電路模塊、濾波電路模塊和穩(wěn)壓電路模塊。其中，整流電路模塊的輸入端與至少一個摩擦發(fā)電機的輸出端相連，用于將摩擦發(fā)電機輸出的交流脈沖電信號進行整流處理，得到單向脈動的直流電信號；濾波電路模塊的輸入端與整流電路模塊的輸出端相連，用于將整流電路模塊輸出的單向脈動的直流電信號進行濾波處理；穩(wěn)壓電路模塊的輸入端與濾波電路模塊的輸出端相連，用于將濾波電路輸出的濾除干擾雜波后的單向脈動的直流電信號進行穩(wěn)壓處理，得到恒定的直流電信號。對于交直流轉(zhuǎn)換模塊中的整流電路模塊、濾波電路模塊和穩(wěn)壓電路模塊，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以僅采用整流電路模塊，而不采用濾波電路模塊和穩(wěn)壓電路模塊，且也可以在交直流轉(zhuǎn)換模塊中增加其它的電路，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要進行選擇，此處不做限定。
[0039]儲能模塊13包括至少兩個儲能元件（圖中未示），儲能元件的輸入/輸出端與觸發(fā)模塊12相連。具體的，儲能模塊13的各儲能元件固定設(shè)置于PCB板上，其輸入端可以通過PCB板上的印制導(dǎo)線與觸發(fā)模塊相連，但并不限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇其它的連接方式進行連接，儲能模塊13在觸發(fā)模塊12的控制下與交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接或與負載連接，進行充電和放電。儲能元件可以選用電容器，如靜電電容器、超級電容器等儲能元件，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)設(shè)計需要進行選擇，此處不做限定。而且，儲能元件還可以由多個串聯(lián)和/或并聯(lián)的電容器組成，從而提高單個儲能元件輸出的電能，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)設(shè)計需要進行選擇，此處不做限定。
[0040]觸發(fā)模塊12固定設(shè)置于PCB板上，通過PCB板上的印制導(dǎo)線與交直流轉(zhuǎn)換模塊11的輸出端相連，從而控制交直流轉(zhuǎn)換模塊11輸出直流電能給儲能模塊13充電以及控制儲能模塊13輸出電能給負載供電。
[0041]應(yīng)當(dāng)注意的是，針對摩擦發(fā)電機輸出電能高電壓低電流的特性，為了給儲能模塊持續(xù)充電后，為耗電量較大的器件（如：MCU等）實現(xiàn)持續(xù)供電，而觸發(fā)模塊12應(yīng)具有兩個工作狀態(tài)，第一工作狀態(tài)為串聯(lián)充電，第二工作狀態(tài)為并聯(lián)放電，所謂串聯(lián)充電是將儲能模塊的各儲能元件串聯(lián)連接，并切斷儲能元件與負載的連接，將交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與串聯(lián)連接的儲能元件連接，輸出直流電能給儲能元件充電；所謂并聯(lián)放電是將儲能模塊的各儲能元件并聯(lián)連接，并切斷儲能元件與交直流轉(zhuǎn)換模塊的連接，將并聯(lián)連接的儲能元件的輸出端與負載連接，使儲能模塊輸出電能給負載供電。通過觸發(fā)模塊兩個工作狀態(tài)的相互切換，實現(xiàn)基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置的串聯(lián)串聯(lián)充電及并聯(lián)放電的工作過程，其中串聯(lián)充電即儲能元件串聯(lián)存儲電能，并聯(lián)放電即儲能元件并聯(lián)輸出電能。
[0042]本實施中，觸發(fā)模塊12的兩個工作狀態(tài)可以通過手動控制切換，亦可通過設(shè)置機械自動切換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自動切換。手動控制切換時，觸發(fā)模塊可選帶有自鎖功能的按鍵開關(guān)，通過人為的控制按壓開關(guān)實現(xiàn)本實用新型技術(shù)方案的串聯(lián)存儲電能與并聯(lián)輸出電能，自鎖按鍵開關(guān)包括若干個子開關(guān)，每個子開關(guān)包括一個常開觸點與一個常閉觸點，子開關(guān)的數(shù)量為儲能元件的二倍；當(dāng)若干個子開關(guān)全部接通常開觸點時，至少兩個儲能元件串聯(lián)連接，且串聯(lián)連接后的至少兩個儲能元件與交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連通，至少兩個儲能元件與負載的連接被斷開；當(dāng)若干個子開關(guān)全部接通常閉觸點時，至少兩個儲能元件并聯(lián)連接，且并聯(lián)連接后的至少兩個儲能元件與交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端的連接被斷開，至少兩個儲能元件與所述負載連通。自動控制切換時，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選用適當(dāng)機械機構(gòu)，結(jié)合上述自鎖按鍵開關(guān)使用，如通過齒輪與杠桿機構(gòu)的結(jié)合，設(shè)置為當(dāng)摩擦發(fā)電機每被觸發(fā)5次并輸出電能后按壓自鎖按鍵開關(guān)一次，以切換其工作狀態(tài)實現(xiàn)自動控制切換，其中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要設(shè)置不同的機械結(jié)構(gòu)與觸發(fā)模式，此處不做限定。
[0043]可選地，為了使儲能模塊輸出的電壓與負載的工作的電壓相匹配，在儲能元件與負載之間連接直流/直流轉(zhuǎn)換模塊（CD/CD轉(zhuǎn)換模塊），用于將儲能元件輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為與負載的工作電壓相匹配的直流電壓，當(dāng)然，如果儲能元件輸出的電壓與負載的工作電壓相匹配，也可以直接將儲能元件輸出的電壓供給給負載使用，此處不做限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要進行選擇。
[0044]本實施例中，儲能元件可以具體為薄膜石墨烯超級電容器，可以將薄膜石墨烯超級電容器直接制備在PCB板上，其輸入/輸出端通過PCB板上的印制導(dǎo)線與觸發(fā)模塊相連，從而與PCB板形成一體式結(jié)構(gòu)。
[0045]下面首先介紹一下在PCB板上制作薄膜石墨烯超級電容器的方法。
[0046]步驟一：設(shè)計電路，在PCB板上預(yù)留制備薄膜石墨烯超級電容器的區(qū)域，制作PCB板。
[0047]步驟二 ：在集流體襯底（即PCB板上的焊盤充當(dāng)集流體襯底）形成的待滴涂區(qū)域內(nèi)滴涂氧化石墨溶液，待干燥成型后，采用激光雕刻的方法使氧化石墨還原成石墨烯。
[0048]在滴涂氧化石墨溶液時，可先在集流體襯底處設(shè)置厚度為O. Imm-Imm的PET或PMMA亞克力板模型，將氧化石墨溶液滴在模型成膜區(qū)，干燥后揭去模型，在進行激光雕刻還原成石墨烯電極。石墨烯電極的形狀可以為平行條狀或者叉指狀等。
[0049]步驟三：刷涂導(dǎo)電銀漆作為引出電極，然后將雕刻好電極的PCB板置于手套箱中，注入半固態(tài)電解液（納米二氧化硅和I-丁基3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽（BMMNTF2)的混合物），Ig離子液體：0. 03g氧化硅（質(zhì)量比），氧化硅的用量根據(jù)電解質(zhì)的粘稠度來調(diào)，把半固態(tài)電解質(zhì)裝在小瓶里，倒立過來，短時間內(nèi)沒有明顯的向下流的跡象就行了，然后采用PDMS等進行封裝。
[0050]應(yīng)當(dāng)注意的是，采用激光雕刻法得到的石墨烯電極，其表面的還原效果更好，因此采用導(dǎo)電銀漆將還原性最好的石墨烯電極的表面與集流體襯底相連。
[0051]步驟四：待電解液充分浸潰電極后，測試薄膜石墨烯超級電容器的電化學(xué)性能。
[0052]依照上述方法制備而成的薄膜石墨烯超級電容器包括：制作在PCB板上的兩個焊盤，分別作為薄膜石墨烯超級電容器的第一集流體襯底和第二集流體襯底；通過激光雕刻還原處理位于第一集流體襯底和第二集流體襯底形成的待滴涂區(qū)域內(nèi)的氧化石墨薄膜制成的圖形化的第一石墨烯電極和第二石墨烯電極，其中，氧化石墨薄膜由氧化石墨溶液干燥成型后形成，第一石墨烯電極和第二石墨烯電極為薄膜石墨烯超級電容器的輸出端；以及封裝結(jié)構(gòu)，封裝結(jié)構(gòu)將第一石墨烯電極和第二石墨烯電極封裝為薄膜石墨烯超級電容器。
[0053]圖2a示出了本實用新型一個實施例提供的制作在印刷電路板上的薄膜石墨烯超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2a所示，薄膜石墨烯超級電容器包括：平行條狀的第一石墨烯電極21A和第二石墨烯電極22A，分別位于第一集流體襯底23A和第二集流體襯底24A上；則該實施例中，待滴涂區(qū)域為第一集流體襯底23A和第二集流體襯底24A滴涂有氧化石墨溶液的表面；其中，第一集流體襯底23A和第二集流體襯底24A為制作在PCB板上的具有預(yù)設(shè)尺寸的焊盤；第一集流體襯底23A和第二集流體襯底23B之間留有間距27A，該間距27A通常為O.不宜過大或過小,若間距27A小于O. 4mm,容易引起第一石墨烯電極
2IA和第二石墨烯電極22A之間的短路，若間距27A過大，則不利于離子在電極之間的遷移，這會增大薄膜石墨烯超級電容器的充放電時間。可選地，薄膜石墨烯超級電容器還包括：位于第一石墨烯電極2IA引出側(cè)的第一導(dǎo)電銀漆25 A和位于第二石墨烯電極22A引出側(cè)的第二導(dǎo)電銀漆26A ;第一導(dǎo)電銀漆25A與第一石墨烯電極21A和第一集流體襯底23A接觸，第二導(dǎo)電銀漆26A與第二石墨烯電極22A和第二集流體襯底24A接觸。其中，第一石墨烯電極21A引出側(cè)和第二石墨烯電極22A引出側(cè)是指直接接受激光雕刻的一側(cè)。
[0054]第一導(dǎo)電銀漆25A和第二導(dǎo)電銀漆26A主要用于提高電荷收集特性及保證石墨烯與集流體襯底之間良好的電氣接觸。由于石墨烯本身具有高電導(dǎo)性，可根據(jù)情況，選擇省略導(dǎo)電銀漆。
[0055]圖2b示出了本實用新型一個優(yōu)選實施例提供的制作在印刷電路板上的薄膜石墨烯超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2b所示，第一石墨烯電極21B和第二石墨烯電極22B的尺寸相同，都為4mmX 4mm,第一集流體襯底23B和第二集流體襯底24B的尺寸為4mmX6mm,第一集流體襯底23B和第二集流體襯底24B之間的間距為O. 4mm,由此可知，形成的薄膜石墨烯超級電容器尺寸為4mmX 8. 4mm?？蛇x地，在第一集流體襯底23B和第二集流體襯底24B上分別制作有第一導(dǎo)電銀漆25B和第二導(dǎo)電銀漆26B，第一導(dǎo)電銀漆25B將第一石墨烯電極21B與第一集流體襯底23B上未制作石墨烯電極的區(qū)域連接，進一步提高了電荷收集能力。
[0056]在該優(yōu)選實施例中，薄膜石墨烯超級電容器的電容大小為8mF，采用的氧化石墨溶液的濃度為5mg/ml。應(yīng)該理解的是,石墨烯電極及集流體襯底的大小與采用的氧化石墨溶液的濃度有關(guān)，這是因為，當(dāng)氧化石墨溶液濃度變化時，制得的石墨烯的致密程度，比表面積不同?？筛鶕?jù)實際情況調(diào)整集流體襯底和石墨烯電極的大小。
[0057]圖2a、2b中未示出薄膜石墨烯超級電容器的封裝結(jié)構(gòu)，以及填充的電解液等。具體地，可參考現(xiàn)有技術(shù)中的封裝方式，例如，采用PDMS(聚二甲基硅氧烷）進行封裝?？蛇x地，在氧化石墨溶液滴涂之前設(shè)置的PET模具或PMMA模具保留或部分保留，作為部分封裝結(jié)構(gòu)。
[0058]本實施例中的電解液可以選用I- 丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽和納米二氧化硅、I-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽和納米二氧化硅、I-丁基_2，3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽和納米二氧化硅。優(yōu)選地，本實施例選用電解液為I- 丁基3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體和納米二氧化硅的半固態(tài)混合物，其中，I- 丁基3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體和納米二氧化硅的質(zhì)量比為100:3。
[0059]圖3示出了本實用新型另一個實施例提供的制作在印刷電路板上的薄膜石墨烯超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，薄膜石墨烯超級電容器包括：叉指狀的第一石墨烯電極31和第二石墨烯電極32，第一石墨烯電極31和第二石墨烯電極32位于第一集流體襯底33和第二集流體襯底34之間的PCB板上，即在該實施例中，所述待滴涂區(qū)域為第一集流體襯底33和第二集流體襯底34之間的PCB板；第一集流體襯底33和第二集流體襯底34為制作在PCB板上的具有預(yù)設(shè)相對位置的兩個焊盤；相對位置根據(jù)所需薄膜石墨烯超級電容器的尺寸確定。
[0060]在本實施例的一種情況中，第一石墨烯電極31、第二石墨烯電極32分別與第一集流體襯底33、第二集流體襯底34接觸，這時，可選地，薄膜石墨烯超級電容器還包括：位于第一石墨烯電極31引出側(cè)的第一導(dǎo)電銀漆35和位于第二石墨烯電極32引出側(cè)的第二導(dǎo)電銀漆36 ;第一導(dǎo)電銀漆35與第一石墨烯電極31和第一集流體襯底33接觸，第二導(dǎo)電銀漆36與第二石墨烯電極32和第二集流體襯底34接觸。
[0061]引出側(cè)是指對應(yīng)于氧化石墨薄膜直接受到激光雕刻還原處理的一側(cè)，即圖3中可見的第一、第二石墨烯電極的上表面。
[0062]在本實用新型實施例的另一種情況中，第一石墨烯電極31和第二石墨烯電極32不與第一集流體襯底33、第二集流體襯底34接觸，則薄膜石墨烯超級電容器必須包括上述的第一導(dǎo)電銀漆35和第二導(dǎo)電銀漆36，以收集電荷并建立石墨烯電極與集流體襯底之間的電氣連接。
[0063]當(dāng)然，本實例中的第一石墨烯電極31和第二石墨烯電極32也可以分別與第一集流體襯底33和第二集流體襯底34接觸，此時，第一導(dǎo)電銀漆35和第二導(dǎo)電銀漆36為可選部分。
[0064]封裝結(jié)構(gòu)及電解液選擇與上一實施例相同，此處不再贅述。
[0065]與上一實施例相比，叉指狀的第一石墨烯電極和第二石墨烯電極能夠增大薄膜石墨烯超級電容器的電化學(xué)表面積，提高存儲容量和功率密度。
[0066]本實用新型提供的上述薄膜石墨烯超級電容器具有優(yōu)良的充放電特性。
[0067]下面以圖3所示的薄膜石墨烯超級電容器作為儲能元件為例來進一步說明本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置的具體電路結(jié)構(gòu)。
[0068]圖4a示出了本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置實施例二的電路連接示意圖，圖4b示出了圖4a所示電路的等效電路示意圖。在該實施例中，交直流轉(zhuǎn)換模塊具體為整流橋41 (作為整流電路模塊），觸發(fā)模塊具體為12管腳的自鎖按鍵開關(guān)42，儲能模塊包括兩個薄膜石墨烯超級電容器43和44。在圖4b中，虛線框內(nèi)示出的為自鎖按鍵開關(guān)42內(nèi)部的多個子開關(guān)，其中每個子開關(guān)占用自鎖按鍵開關(guān)的3個管腳，其中兩個管腳分別作為常開觸點與常閉觸點，這樣對應(yīng)于儲能模塊包括的兩個薄膜石墨烯超級電容器，自鎖按鍵開關(guān)具備4個子開關(guān)。
[0069]如圖4a所示，自鎖按鍵開關(guān)42通過其12個管腳固定設(shè)置于PCB板45上，整流橋41固定設(shè)置于PCB板45上，兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44通過上述方法形成在PCB板45上。摩擦發(fā)電機40通過層疊和/或平鋪的方式設(shè)置在PCB板上（為了更清楚的顯示連接關(guān)系，圖中未按照實際情況示出摩擦發(fā)電機的設(shè)置位置）。本實施例中，摩擦發(fā)電機的數(shù)量不僅可以為一個，也可以為多個。
[0070]整流橋41的輸入端與摩擦發(fā)電機40的輸出端相連，用于將摩擦發(fā)電機40產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。自鎖按鍵開關(guān)42的2個管腳通過PCB板45上的印制導(dǎo)線與整流橋41的輸出端相連，用于控制整流橋41輸出直流電能給兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44充電以及控制兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44輸出電能給負載46供電。兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44的輸入/輸出端通過PCB板45上的印制導(dǎo)線與自鎖按鍵開關(guān)42的4個管腳相連。另外，自鎖按鍵開關(guān)42的其余6個管腳通過PCB板45上的印制導(dǎo)線按照圖4b所示的連接方式進行連接或連接到對應(yīng)的焊盤47a和47b上，用以連接負載46。
[0071]本實施例中，當(dāng)自鎖按鍵開關(guān)42被按壓時，自鎖按鍵開關(guān)42中4個子開關(guān)接通常開觸點，使得兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44串聯(lián)連接，且串聯(lián)連接后的兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44與整流橋41的輸出端連通，兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44與負載46的連接被斷開。在這種狀態(tài)下，摩擦發(fā)電機40按壓時受到外力的作用發(fā)生機械形變，產(chǎn)生電能，輸出給整流橋41，整流橋41經(jīng)整流處理后將輸出的直流電能持續(xù)提供給兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44進行充電。
[0072]當(dāng)自鎖按鍵開關(guān)42被再次按壓使得開關(guān)被彈起時，自鎖按鍵開關(guān)42中的4個子開關(guān)接通常閉觸點，使得兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44并聯(lián)連接，且并聯(lián)連接后的兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44與整流橋41的輸出端的連接被斷開，兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44與負載46連通。在這種狀態(tài)下，兩個薄膜石墨烯超級電容器43、44并聯(lián)在一起輸出電能為負載供電。
[0073]一般情況下，如負載為選用工作電壓為I. 8-3. 6V的MSP430系列單片機，儲能元件選用額定電壓為I. 8V的薄膜石墨烯超級電容器，使用一個IOcmXlOcm面積的摩擦發(fā)電機供電，其輸出脈沖電壓一般為數(shù)十至上百伏，但是其輸出的電能的能量密度極低，明顯不能夠直接供單片機使用。利用上述能量收集轉(zhuǎn)換裝置即可實現(xiàn)單片機的正常工作，其原理為：首先，通過自鎖按鍵開關(guān)給薄膜石墨烯超級電容器串聯(lián)充電，如薄膜石墨烯超級電容器的數(shù)量為兩個，通過多次按壓摩擦發(fā)電機將兩個薄膜石墨烯超級電容器充滿電；然后通過自鎖按鍵開關(guān)使薄膜石墨烯超級電容器并聯(lián)為MSP430系列單片機供電，此時薄膜石墨烯超級電容器的供電電壓為I. 8V，其供電能量相當(dāng)于設(shè)置單個薄膜石墨烯超級電容器的兩倍，通過設(shè)置薄膜石墨烯超級電容器的數(shù)量可以使供電能量按倍數(shù)累計增加；如每個儲能元件包括兩個串聯(lián)的薄膜石墨烯超級電容器，可實現(xiàn)供電電壓3. 6伏，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要進行設(shè)置。
[0074]在上述實施例中，當(dāng)在基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置切換到并聯(lián)為負載供電時，由于單個薄膜石墨烯超級電容器的電壓較低，這就限制了所述能量收集轉(zhuǎn)換裝置的負載供電的應(yīng)用范圍，因此，為了解決這一問題，如圖5所示，示出了本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置實施例三的等效電路示意圖，將多個薄膜石墨烯超級電容器串聯(lián)為一組作為一個儲能元件后，再連接到電路中，從而提高并聯(lián)輸出的電壓。當(dāng)然，如果采用的電容器的輸出電壓較高，僅采用如圖4a所示的電路即可，此處不做限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要進行選擇。
[0075]圖6a示出了本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置實施例四的電路連接示意圖，圖6b示出了圖6a所示電路的等效電路示意圖。在該實施例中，交直流轉(zhuǎn)換模塊具體為整流橋61 (作為整流電路模塊），觸發(fā)模塊具體為48管腳的自鎖按鍵開關(guān)62，即包括16個子開關(guān)，儲能模塊包括8個儲能元件，8個即薄膜石墨烯超級電容器。在圖6b中，虛線框內(nèi)不出的為自鎖按鍵開關(guān)62內(nèi)部的16個子開關(guān)。
[0076]如圖6a所示，自鎖按鍵開關(guān)62通過其24個管腳固定設(shè)置于PCB板63上，整流橋61固定設(shè)置于PCB板63上，8個薄膜石墨烯超級電容器通過上面所述方法形成在PCB板63上。摩擦發(fā)電機60通過層疊和/或平鋪的方式設(shè)置在PCB板63上（為了更清楚的顯示連接關(guān)系，圖中未按照實際情況示出摩擦發(fā)電機的設(shè)置位置）。本實施例中，摩擦發(fā)電機的數(shù)量不僅可以為一個，也可以為多個。
[0077]整流橋61的輸入端與摩擦發(fā)電機60的輸出端相連,用于將摩擦發(fā)電機60產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。自鎖按鍵開關(guān)62的2個管腳通過PCB板63上的印制導(dǎo)線與整流橋61的輸出端相連，用于控制整流橋61輸出直流電能給8個薄膜石墨烯超級電容器充電以及控制8個薄膜石墨烯超級電容器輸出電能給負載64供電。8個薄膜石墨烯超級電容器的輸入/輸出端通過PCB板63上的印制導(dǎo)線與自鎖按鍵開關(guān)42的16個管腳相連。另夕卜，自鎖按鍵開關(guān)62的其余30個管腳通過PCB板63上的印制導(dǎo)線按照圖6b所示的連接方式進行連接或連接到對應(yīng)的焊盤65a和65b上，用以連接負載64。
[0078]本實施例中自鎖按鍵開關(guān)控制薄膜石墨烯超級電容器的充放電的工作原理與圖4a和圖4b所示的實施例相同,在此不再贅述。
[0079]由上述幾個實施例的描述可知，本實用新型基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置中儲能元件的個數(shù)可根據(jù)需要靈活設(shè)置，自鎖按鍵開關(guān)的管腳數(shù)量和型號也可根據(jù)需要靈活設(shè)置，本實用新型對此不做限制。
[0080]本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置將機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出為負載供電，實現(xiàn)了無源化。在該能量收集轉(zhuǎn)換裝置中，由于采用觸發(fā)模塊控制儲能模塊與交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接為儲能模塊進行充電，且又由于采用觸發(fā)模塊控制儲能模塊與負載連接使儲能模塊放電，這不僅提高了充放電的效率，也使得本裝置實現(xiàn)了為如MCU等耗電量大的器件供能的目的。而且，能量收集轉(zhuǎn)換裝置的各個組成部件都設(shè)置于PCB板上，該裝置是一種將儲能器件與能量轉(zhuǎn)換裝置一體集成于PCB板上的能量收集轉(zhuǎn)換裝置。進一步的，本實用新型提供的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置直接將薄膜石墨烯超級電容器制作于PCB板上，減少了 PCB板焊接電子元件工序，縮小了 PCB板所占用的空間。
[0081]最后，需要注意的是：以上列舉的僅是本實用新型的具體實施例子，當(dāng)然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本實用新型進行改動和變型，倘若這些修改和變型屬于本實用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，均應(yīng)認為是本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，包括：印刷電路板、至少一個摩擦發(fā)電機、交直流轉(zhuǎn)換模塊、觸發(fā)模塊以及儲能模塊；其中，所述交直流轉(zhuǎn)換模塊、觸發(fā)模塊以及儲能模塊都固定設(shè)置于所述印刷電路板上； 所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述至少一個摩擦發(fā)電機的輸出端相連，用于將所述至少一個摩擦發(fā)電機產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能；所述觸發(fā)模塊與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端相連，控制所述直流電能的輸出； 所述儲能模塊包括至少兩個儲能元件，所述儲能元件的輸入/輸出端與所述觸發(fā)模塊相連，所述儲能模塊在所述觸發(fā)模塊的控制下與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接或與負載連接； 所述觸發(fā)模塊具備兩個工作狀態(tài)，在第一工作狀態(tài)下：所述觸發(fā)模塊將所述至少兩個儲能元件之間的連接方式切換為串聯(lián)，切斷所述儲能元件與所述負載的連接，并將所述儲能元件的輸入/輸出端與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，接收所述直流電能并存儲； 在第二工作狀態(tài)下：所述觸發(fā)模塊將所述至少兩個儲能元件之間的連接方式切換為并聯(lián)，切斷所述儲能元件與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的連接，并將所述儲能元件的輸入/輸出端與所述負載相連，輸出電能給所述負載供電； 所述觸發(fā)模塊的兩個工作狀態(tài)可自由切換，相應(yīng)所述能量收集轉(zhuǎn)換裝置進行串聯(lián)存儲電能、并聯(lián)輸出電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述觸發(fā)模塊的兩個工作狀態(tài)通過手動控制切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述交直流轉(zhuǎn)換模塊包括：整流電路模塊；所述整流電路模塊的輸入端與所述至少一個摩擦發(fā)電機的輸出端相連，用于將所述至少一個摩擦發(fā)電機輸出的交流脈沖電信號進行整流處理，得到單向脈動的直流電信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述交直流轉(zhuǎn)換模塊還包括：濾波電路模塊和穩(wěn)壓電路模塊； 所述濾波電路模塊的輸入端與所述整流電路模塊的輸出端相連，用于將所述整流電路模塊輸出的單向脈動的直流電信號進行濾波處理； 所述穩(wěn)壓電路模塊的輸入端與所述濾波電路模塊的輸出端相連，用于將所述濾波電路模塊輸出的濾除干擾雜波后的單向脈動的直流電信號進行穩(wěn)壓處理，得到恒定的直流電信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，在所述儲能元件與所述負載之間連接有直流/直流轉(zhuǎn)換模塊，用于將所述儲能元件輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為與負載的工作電壓匹配的直流電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述至少一個摩擦發(fā)電機通過層疊或平鋪的方式設(shè)置在所述印刷電路板上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述至少一個摩擦發(fā)電機為風(fēng)力摩擦發(fā)電機。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述儲能元件為靜電電容器或超級電容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述儲能元件包括至少兩個串聯(lián)連接的靜電電容器或至少兩個串聯(lián)連接的超級電容器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述超級電容器為薄膜石墨烯超級電容器，所述薄膜石墨烯超級電容器一體設(shè)置在所述印刷電路板上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10任一項所述的基于摩擦發(fā)電機的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述觸發(fā)模塊包括自鎖按鍵開關(guān)，所述自鎖按鍵開關(guān)包括若干個子開關(guān)，所述子開關(guān)包括一個常開觸點與一個常閉觸點，所述子開關(guān)的數(shù)量為所述儲能元件的二倍；所述若干個子開關(guān)全部接通常開觸點時，所述至少兩個儲能元件串聯(lián)連接，且串聯(lián)連接后的所述至少兩個儲能元件與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連通，所述至少兩個儲能元件與負載的連接被斷開； 所述若干個子開關(guān)全部接通常閉觸點時，所述至少兩個儲能元件并聯(lián)連接，且并聯(lián)連接后的所述至少兩個儲能元件與所述交直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出端的連接被斷開，所述至少兩個儲能元件與所述負載連通。
【文檔編號】H02N1/04GK204031007SQ201420432393
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】徐傳毅, 郝立星, 馬賀然, 邱霄 申請人:納米新能源（唐山）有限責(zé)任公司