[发明专利]一种共享电极的能量收集装置及能源系统

说明书

技术领域

本发明涉及纳米发电技术领域，尤其是涉及一种共享电极的能量收集装置及能源系统。

背景技术

目前，便携式或可穿戴电子产品的趋势是，一方面，这些电子产品被设计成更智能、更小却有更多的功能，如导航、无线通信，体育/医疗保健监测，生理传感；另一方面，这些电子产品与更常见的物体(纺织品、眼镜、手环等)集成在一起，并将其转变为智能的衣服或配饰。这些对于多功能和可穿戴的个人电子设备的追求激发了对微小器件组件的研究，比如电子元器件(特别是能源设备)的微型化、薄型化、质量轻、柔性、可折叠、可伸缩、自愈合、植入或可穿戴等。

可穿戴电子产品面临的主要挑战之一是寻找合适和可持续的电源。然而，最新的电池技术却面临着瓶颈，主要有以下几个原因：

首先，具有体积小、重量轻特点的多功能电子通常需要更高的功耗，因此运行时间更长或充电频率更低可以方便消费者对设备的使用。

其次，电池或超级电容器通常使用堆叠的平面多孔电极的无机氧化物、磷酸盐、氢基活性材料，这使得使它们的柔性和可拉伸性很差。虽然研究者在提高柔性/可穿戴电池/超级电容器的能量密度上取得巨大的进展，但是电池或超级电容器仍不能满足可穿戴电子上述要求。

因此，为了克服上述问题，其中一个有效的方法是将能量储存和收集技术结合为自充电系统应用于可穿戴电子产品。

能源储存和收集技术一直是一把双刃剑。可再生能源(太阳能、风能、振动或生物质能等)高度依赖于使用的环境和时间，这使得能源储存(电池、电容器、抽水机、压缩空气等)需要稳定或智能电源。便携式/穿戴式储能器件具有有限的能量，因此利用可穿戴的能量收集装置来补偿蓄电池/超级电容器的能量消耗的一个有效策略，并且这样可以延长操作时间，减少充电次数，从而形成一个自给自足的电力电子系统。将环境的能量转换成电能的各种技术已经开发：摩擦纳米发电机用于收集机械运动/振动能量，太阳能光伏设备用于收集太阳能。摩擦纳米发电机的优势在于可以收集低频无规律的机械能并且可以一直持续，但是它的输出较小。虽然太阳能光伏器件有较高的输出，但其容易受天气影响，不能持续工作。研究者们致力于将两种能量收集装置集成在一起，达到互补从而提高能源利用的目的。目前现有的工作有将两种或多种能量收集装置(比如摩擦纳米发电机和太阳能电池)集成在一起，通过电路设计，将各个能量收集装置的输出都储存在锂离子电池/超级电容器中。

发明内容

本发明的发明人发现，现有技术中的将两种或多种能量收集装置集成在一起均是将独立的两种或多种能量收集装置集成在一起，但是，像这样独立元件的集成对于减小能量损耗和简化工艺制作的作用并不显著。

本发明的一个目的是要简化能量收集装置的结构，减少或者消除各个单元之间的外部连接，从而降低整个系统的体积或重量，简化工艺制作。

本发明一个进一步的目的是要解决当太阳能电池和摩擦纳米发电机集成在一起时，如何保证具有两者的功能且不影响太阳能电池的吸光度。

本发明另一个进一步的目的是要将各个能量收集装置的输出均存储在储能装置如蓄电池/超级电容器中的同时，降低整个系统的体积或重量，从而减小能量损耗。

本发明另一个进一步的目的是要设计出一种电路，以保证两种能量收集装置将其产生的电能存储在储能装置中时，相互不影响其正常工作。

本发明提供了一种共享电极的能量收集装置，包括太阳能电池和摩擦纳米发电机，所述太阳能电池和所述摩擦纳米发电机包括一共同使用的第一电极。

可选地，所述摩擦纳米发电机还包括摩擦层，所述摩擦层的材料选择成能够透光且具有好的疏水性能。

可选地，所述太阳能电池包括：

电子空穴传输层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；

第一电极，其形成在所述第一表面处；和

第二电极，其形成在所述第二表面处。

可选地，所述摩擦层形成在所述第一电极的表面。

其中，该能量收集装置的形状可以为任意形状，例如平板状、纤维状或具有柔性特性的结构形状等。

特别地，本发明还提供了一种具有上述的共享电极的能量收集装置的能源系统，包括：

储能电路；

双掷开关，其设置在所述储能电路上，包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述双掷开关的输入端与能量收集装置的输出端相连，并设置成允许选择性地连接所述第一输出端或所述第二输出端；

整流桥，其设置在所述储能电路上，所述整流桥的其中一个输入端与所述第一输出端相连；