一种换能组件以及一种库伦循环发电机的制作方法

1.本发明涉及发电技术领域，尤其是涉及一种换能组件及一种库伦循环发电机。


背景技术：

2.蒸汽机发明初期，效率很低大约只有4％，当时很多工程师们从机械细节对其进行改良，希望提升其效率，但是效果都不太理想。后来法国青年工程师卡诺，从理论角度出发系统的研究了热机做功过程。经过系统的研究，最终给出了热机的理论极限效率，同时也指明了热机改良的方向，之后热机效率才得以大幅度提升。此后，热机作为最主要的动力一直服役至今。但是由于化石能源的环境污染、能源危机等问题，人们急需一种可再生的清洁能源技术，比如可以直接从环境收集能量的系统。
3.近年来，研究人员发明了一种全新的发电设备，可以通过摩擦起电方式把机械能转换为电能。但是这种摩擦发电所依靠的被动式的摩擦感应产生的电荷量比较低，因此功率性能差，难以满足实际应用需求。为了提高感应电荷密度，研究人员对摩擦层进行了一些改进，如对表面进行纳米修饰，可以使感应电荷成倍的增加，但是感应电荷依然比较少，而且纳米化的表面结构一方面大幅增加工艺成本，另一方面也容易损坏，可靠性不佳。此外，这类器件还有一个应用问题就是通过摩擦的方式工作器件极易磨损。
4.本发明借鉴卡诺循环的理论分析方法，设计出一套高效的库伦循环发电器件，通过主动控制电荷的循环过程实现高效的能量收集，可以实现可大规模布置的高效能量收集方案。通过特殊的工作模式设计可以把自然界当中的机械能/热能等天然能源直接通过类似热循环的库伦循环工作方式转换为电能，潜在应用价值极大。虽然通过借鉴热力学发展过程中的热力学类比分析方法能够很好的建立数学模型，但是两者存在着很大的物理过程差异，使得一般研究人员很难自主建立起类比模型。此外，通过分析发现与热机先天的大功率低效率特点不同(因此热机的研究很大一部分集中在提高能量利用效率方面)，库伦循环发电机先天存在低功率的特点，因此在设计合适的库伦循环发电机时需要尽可能的提高其功率特性，同时还要保证其能量效率。所以，设计出同时具备高功率特性和高能量效率的库伦循环发电机是一件非常具有挑战性的事情，本发明给出了一些列比较有效的设计手段。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，提供一种换能组件及一种库伦循环发电机，通过主动控制电荷的循环过程实现高效的能量收集，具备高功率特性和高能量效率输出的优点。
6.为解决上述技术问题，本发明提出一种换能组件，包括至少两个相对设置的换能元件，单个所述换能元件采用如下任意一种结构形式：
7.一面柔性绝缘基底，所述柔性绝缘基底的任意一面上设有一组电极；
8.一面柔性绝缘基底，所述柔性绝缘基底的两面上分别设有一组电极；
9.两面柔性绝缘基底，两面所述柔性绝缘基底之间设有一组电极；
10.一组所述电极为多个分立电极或者一个整体电极，相邻两个换能元件之间形成多
个分立电极对多个分立电极或者多个分立电极对一个整体电极的形式；
11.相邻换能元件的两组电极之间设置为不能够直接电接触形式。
12.进一步地，单个所述换能元件采用一面柔性绝缘基底的两面上分别设有一组电极的结构形式，所述柔性绝缘基底由具有弹性的柔性绝缘材料制成。
13.进一步地，所述柔性绝缘基底的竖直夹持下垂长度不小于5
㎝
。
14.进一步地，任意一面所述柔性绝缘基底的重量面密度值小于 0.89g/cm2。
15.进一步地，相邻两个换能元件的柔性绝缘基底之间设置有若干柔性连接固定结构。
16.进一步地，所述柔性连接固定结构采用连接固定线，且所述连接固定线长度ln≤10cm。
17.进一步地，连接固定线的长度ln与柔性绝缘基底的水平延伸长度 lf之间满足0.001≤ln/lf≤0.1。
18.进一步地，每相邻两个换能元件之间形成有至少一个封闭的换能腔，单个所述换能腔的腔体内分别含有空气，通过外力使换能腔发生形变，实现相邻两个换能元件的靠近，或远离，或接触。
19.进一步地，还包括与一个换能腔对应的或者与多个换能腔对应的封闭式驱动腔，所述驱动腔内设有驱动液，所述驱动液的体积不超过驱动腔容积的一半；
20.通过外力使驱动液于驱动腔内来回晃动，使对应的一个或者多个换能腔发生形变，实现相邻换能元件之间的部分电极发生靠近，或远离，或接触。
21.本发明还提供一种库伦发电机，其工作过程为至少包含电荷注入过程、能量转换过程和电能输出过程三个过程的库伦循环，包括：
22.至少一个上述的换能组件，用于将机械能转化为电能，实现库伦循环中的能量转换过程；
23.电荷注入源，用于给每组电极注入电荷，实现库伦循环中的电荷注入过程，其与换能组件电连接形成电荷注入回路；
24.电能输出电路，与换能组件电连接，用于向外输出换能组件转化的电能；
25.控制单元，用于控制电荷注入源给每组电极注入电荷，以及控制电能输出电路向外输出电能；
26.通过控制单元控制电荷注入源给每组电极注入电荷，单个库伦循环的电荷注入过程中的电荷量用q库伦表示、最大注入电荷量记为 q
max
库伦，电荷注入过程中的电压用u表示、电荷注入过程中电压最小值记为u
min
，通过外力使相邻的两组换能元件之间的距离发生变化，导致带有电荷的、相邻两组换能元件之间的电压发生变化，在两组换能元件之间的电压变化至预设值u
out
或者极大值u
max
时，再由控制单元控制电能输出电路向外输出电能，满足：且电荷最大状态点q
max
到电压最高状态点u
max
过程中满足其中所涉及的电荷量单位为库伦，电压单位为伏特。
27.进一步地，所述控制单元包括二极管d1和二极管d2；
28.所述二极管d1设置于电荷注入回路上，其输入端与电荷注入源的正极连接、输出端分别与换能组件的电极连接；
29.所述二极管d2设置于电能输出电路上，其输入端与换能组件的电极连接。
30.进一步地，所述控制单元包括控制芯片u1以及多个分别与控制芯片u1电连接的电压测量装置，所述电压测量装置分别与每组电极电连接，用于实时监测相邻两组换能元件之间的电压变化；
31.控制芯片u1接收来自电压测量装置监测到的相邻两组换能元件之间的电压变化信号，相邻两组换能元件之间的电压小于最小电荷注入电压u
min
时控制电荷注入源向换能元件注入电荷、达到预设值u
out
或者极大值u
max
时控制电能输出电路向外输出电能。
32.与现有技术相比，本发明的优点在于：
33.本发明通过主动控制电荷的循环过程实现高效的能量收集，具备高功率特性和高能量效率输出的优点。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为柔性绝缘基底2一面上设有电极3的换能元件1的结构示意图，
36.图2为柔性绝缘基底2两面上均设有电极3的换能元件1的结构示意图，
37.图3为两面柔性绝缘基底2之间设有电极3的换能元件1的结构示意图，
38.图4为其中一种多个分立电极对多个分立电极的换能组件的结构示意图，
39.图5为其中一种多个分立电极对一个整体单极的换能组件的结构示意图，
40.图6为在图1的基础上，电极3外表面设有绝缘涂层的换能元件 1的结构示意图，
41.图7为一端固定的开放式换能组件的结构示意图，
42.图8为柔性绝缘基底2的竖直夹持自由下垂长度测试示意图，
43.图9为设有连接固定结构5的换能组件的结构示意图，
44.图10为发电旗帜的结构示意图，
45.图11为封闭式换能组件的结构示意图，
46.图12为一个驱动腔9对应一个换能腔8的封闭式换能组件的结构示意图，
47.图13为图12的换能组件的换能腔8发生形变的示意图，
48.图14为一个驱动腔9对应多个换能腔8的封闭式换能组件的结构示意图，
49.图15为∫qdu的示意图，
50.图16为∫udq的示意图，
51.图17为采用单向二极管进行电荷注入和电能输出的库伦循环发电机的原理图；
52.图18为采用控制芯片u1进行电荷注入和电能输出的库伦循环发电机的原理图，
53.图19为矩形库伦循环的u-q示意图,
54.图20为三角形库伦循环的u-q示意图，
55.附图标记如下：
56.换能元件1，柔性绝缘基底2，电极3，绝缘涂层4，连接固定结构5，旗杆6，旗帜7，换能腔8，驱动腔9，驱动液10，电荷注入源 11。
具体实施方式
57.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
58.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
59.需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
60.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
61.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
62.请参照图1至图20，本发明提供一种换能组件，包括至少两个相对设置的换能元件1，单个换能元件1采用如下任意一种结构形式：
63.如图1，包括一面柔性绝缘基底2，该柔性绝缘基底2的任意一面上设有一组电极3；
64.如图2，包括一面柔性绝缘基底2，该柔性绝缘基底2的两面上分别设有一组电极3；
65.如图3，包括两面柔性绝缘基底2，两面柔性绝缘基底2之间设有一组电极3；
66.其中，如图2，单个换能元件1采用一面柔性绝缘基底2的两面上分别设有一组电极3的结构形式时，优选的是，柔性绝缘基底2由具有弹性的柔性绝缘材料制成，这样，一面具有弹性的柔性绝缘基底 2两面上分别设有一组电极3的结构就形成了一个柔性电容器，通过外力实现弹性柔性绝缘基底2的厚度变化，从而改变分别位于弹性柔性绝缘基底2两面的电极3之间的距离变化，实现电容变化，弹性的绝缘材料优选采用橡胶、聚氨酯、硅泡棉等；
67.如图4和图5，上述的一组电极为多个分立电极或者一个整体电极，相邻两个换能元件1之间形成多个分立电极对多个分立电极或者多个分立电极对一个整体电极的形式；
68.换能组件包括的多个换能元件1可以是上述形式中任意一种或几种的组合，但是，相邻换能元件1的两组电极3之间设置为不直接电接触形式，具体的，相邻换能元件1的两组电极3之间可以通过绝缘层相隔以实现两组电极3不直接电接触，比如，相邻换能元件1的两组电极3之间由一层或者两层柔性绝缘基底2相隔，那么绝缘层即为上述的一层或者两层柔性绝缘基底2形成，或者是如图6，在电极3 的外表面分别设有一层绝缘涂层4，这样两个换能元件1接触时，电极3要么是和柔性绝缘基底2接触，要么是和电极3外表面的绝缘涂层4接触；
69.实际应用时，如图7，可以采用将多面柔性绝缘基底2的一端固定、另一端为自由端的开放式形式，柔性绝缘基底2本身是柔性的，通过外力(这里的外力可以是自然风或人为制造因素)可以使多个换能组件发生扰动，实现相邻的换能元件1之间发生靠近、或远离、或接触、或摩擦，具体的分为两种工作模式：被动式和主动式；
70.被动式：
71.这种工作模式下，需要通过接触或者摩擦感应起电使得柔性绝缘基底2上的电极3带上感应电荷，换能组件发生扰动，如果相邻的换能元件1之间是电极3与柔性绝缘基底2或者其他形式的绝缘层接触或摩擦，因为是不同的电负性材质，因此会发生电荷转移而带上电荷；但如果是柔性绝缘基底2与柔性绝缘基底2接触或摩擦，相邻两个接触面的材质不能相同才能实现接触或者摩擦起电，这就要求相邻两个柔性绝缘基底2的材质不能相同，如果相邻两个换能元件1是柔性绝缘基底2与电极3上的绝缘涂层4相接触或摩擦，则相邻的柔性绝缘基底2与绝缘涂层4的材质不能相同，或者是在其中一面上设置与另一面材质不同的起电涂层；如果相邻两个换能元件1是电极3的绝缘涂层4与绝缘涂层4相接触或摩擦，则相邻的两组电极3上的绝缘涂层4的材质不能相同；总之，采用被动式的话，需要相邻两个接触面采用电负性不同的材质，才能起电；如果两个接触面的材质相同，则就需要通过引入一个电荷注入源来将改变其工作模式；
72.主动式：
73.被动式采用的是常规摩擦发电机的工作原理，虽然非常简洁，但是其感应电荷产生的量非常小，单次运动的电量(功率性能)输出非常有限，而且摩擦感应电荷只能保持一段时间，长时间静置的话，摩擦电荷会逐渐消失。因此本发明提出了主动式工作模式，即通过外电路的辅助来控制电极3间的电荷注入和转移过程，使其在最佳时刻进行电荷注入，实现注入更多电荷的目的，然后在最佳时刻进行电能输出(机械能转化为电能最多的时刻)，一次性更有效的输出更多电量，具体为，在初始状态时，先给每个换能元件1的电极3上主动注入电荷使其带电，换能组件发生扰动，使相邻的两个换能元件1发生靠近、或远离，随着相邻两个换能元件1的远离使相邻的两组电极3之间的电压变大，达到极值(极大值)时再输出电能，当两个换能元件1相互靠近达到预定距离，再注入电荷，如此循环。这种主动式的工作模式可以大大提高器件的功率输出能力，使其在同等条件下具备几倍甚至几十倍(与摩擦感应发电模式相比)的功率输出。此外，主动式对相邻两个接触面的材质没有限定，可以相同也可以不相同，可以减少物料成本和工序制造成本，而且装配时还更不容易出错，提高良品率；
74.采用柔性材质的柔性绝缘基底2的开放式换能组件，在具体应用时需要通过外部的驱动而进行波浪形来回扰动运动，通常有机材质的薄膜、纺织物等都是比较好的柔性材质，但是不同的材质(或者不同的厚度)柔顺性存在极大的差异，甚至同一种有机薄膜，加工过程使用不同的添加剂都会对硬度和柔顺性造成很大的影响，甚至形态上完全表现为硬质的或者特别柔软极易发生卷绕扭曲，此时就不适合作为柔性绝缘基底2使用。通过分析发现，当满足竖直夹持自由下垂长度≥5
㎝
时，柔性绝缘基底2可以很好的满足工作要求，具体的：
75.当竖直夹持自由下垂长度≥15
㎝
时，在外界强力的驱动(例如自然界强风扰动)下都可以有比较好的耦合性能；
76.当竖直夹持自由下垂长度≥20
㎝
时，在外界较强的驱动(例如自然界微风扰动)下都可以有比较好的耦合性能；
77.设计时，优选竖直夹持自由下垂长度≤29
㎝
时，可以很大程度上降低工作过程中发生卷绕扭曲等情况；优选竖直夹持自由下垂长度≤ 28
㎝
时，基本可以避免工作过程中发生卷绕扭曲等情况；
78.如图8，竖直夹持自由下垂长度测试方法：
79.取长30
±1㎝
、宽5
±1㎝
的窄条，一端粘接在一个竖直壁面上、另一端弯过180
°
自由下垂，粘接端粘接固定部分和未固定部分的衔接处定义为粘接端点高度线，下垂端点处定义为下垂端点高度线，两者之间的高度差定义为竖直夹持下垂长度，测试过程选取至少5个样品测试，取平均值；
80.进一步的，如果柔性绝缘基底2的重量面密度过重或者分配不够均匀，那么柔性绝缘基底2在外力驱动下的摆动效果就会比较差，不利于能量收集，因此设计时需要有一个比较合适的面密度，研究发现，当任意一面柔性绝缘基底的重量面密度值小于0.89g/cm2时，柔性绝缘基底2的摆动效果比较理想；
81.实际测试中，柔性绝缘基底2的面密度值为0.01g/cm2、 0.023g/cm2、0.12g/cm2、0.3g/cm2、0.6g/cm2和0.87g/cm2的情况下，均能取得比较好的输出性能(且呈现增加后降低的情况，对于以上测试验证发现当面密度为0.12g/cm2时输出性能最优)，当面密度值增加为1.5g/cm2时，输出功率只有面密度为0.87g/cm2的20％，效能大打折扣，远远偏离理最佳工作状态，所以，柔性绝缘基底2的面密度值优选0.002～0.89g/cm2；
82.重量面密度表征方法：
83.截取柔性绝缘基底2上四角和中间共五块，每块面积不小于柔性绝缘基底2面积的1/10，然后称量总重量除以五块的总面积，得到重量面密度；
84.如图9，为了使得相邻柔性绝缘基底2之间的相对运动更加受控，提高能量转换效率更高，避免出现过多的无效抖动情况，在相邻两个换能元件1的柔性绝缘基底2之间设置有若干柔性连接固定结构5，柔性连接固定结构优选采用连接固定线，考虑到柔性连接固定结构5 太长的话，容易使两面相邻柔性绝缘基底2的约束作用变差，所起到的效果不佳，为防止柔性绝缘基底2之间相对运动范围过大，连接固定线长度ln≤10
㎝
；
85.此外，柔性固定连接结构还可以是通过胶粘接、缝合等方式直接把两个换能元件粘接在一起，甚至形成四周都粘合(连接)在一起的腔体；
86.由于不同的柔性绝缘基底2尺寸，其运动过程中状态差异极大，比如柔性绝缘基底2较小时，运动范围可以约束在很小的范围就能达到比较好的工作效果，但是如果柔性绝缘基底2相对比较大时，就需要对柔性绝缘基底2之间的约束进行一定的调整，不能太小也不能太大，否则都会严重影响工作效率，所以，连接固定结构5的长度ln与柔性绝缘基底的水平延伸长度lf之间需满足0.001≤ln/lf≤0.1，整体效果较好；
87.下面以一种柔性发电旗帜来对开放式的换能组件进行进一步说明，但并不是对本发明的限制，如图10，具体的，包含一个旗杆6以及至少两面相对设置的柔性绝缘基底2的旗帜7，每面旗帜7上设置有一组与外电路电连接的电极3，旗帜7的材质可以是尼龙材料的薄膜、布匹或者其他常见的柔性材料，电极3采用条状铝层电极、铜电极、碳电极以及其他常见的电极中的任意一种，旗帜7的一端分别固定在旗杆6上、另一端为自由端单面旗帜7上的电
极组可以设置成并联在一起的形式，这样可以减少电路连接的复杂度，对于整列式布置的电极组单元，相邻的几个单元的运动情况可能比较一致，也可以把相邻的几个电极组单元并联起来作为一个组合单元来使用；
88.旗帜7通过自然风就能够实现扰动的效果，旗帜7发生扰动时，相邻两面旗帜7上的两组电极3不能直接接触，具体的，可以通过一层旗帜7，或者两层旗帜7，或者在电极3的外表面设置的一层绝缘涂层，或者在旗帜7表面设置的一层起电层等绝缘层相隔；
89.旗帜7发生扰动时，相邻的旗帜7之间发生接触或摩擦，使接触面带电，然后随着相邻旗帜7之间的相对距离发生变化，相邻两组电极3之间的电压不断变化(接触面所带电荷随着相邻旗帜7之间的相对距离变大会转移至相应的电极3上产生电压)，当相邻两组电极3 之间的电压达到极大值时，就可以输出给外电路，实现了扰动机械能向电能的转化；
90.如果相邻的两个接触面的电负性相同，接触或者摩擦时无法起电，这时就需要引入一个电荷注入源来给电极注入电荷来将上述的被动式改为主动式，通过将每组电极3与电荷注入源电连接形成电回路，相邻两组电极3之间的电压小于电荷注入源的电压时，注入电荷，然后旗帜7通过扰动实现相邻两组电极3之间的距离变化，随着该距离的增大，相邻两组电极3之间的电压增大，到达预设值或者极值时，向外电路输出电能，实现了扰动机械能向电能的转化，需要说明的是，主动式在工作过程中，相邻两组电极3之间的电压应采用常规的电压监测装置实时监测；
91.实际应用时，还可以基于上述的柔性发电旗的原理和模型，设计一种荧光棒，具体的，荧光棒内部设有发光二极管、上端设置两面旗帜，旗帜上分别设有两组与发光二极管电连接的铝层电极，用户在摇晃荧光棒时，就可以通过摩擦发电点亮发光二极管发出闪烁光，也可以配合控制电路做成主动式，此时功率输出能力更强。
92.上述开放式的换能组件只是其中的一种形式，还可以将换能组件设置为封闭式，如图11，每相邻两个换能元件1之间形成有至少一个封闭的换能腔8，单个换能腔8的腔体内分别含有空气，通过外力使换能腔发生形变，实现相邻两个换能元件1的靠近，或远离，或接触，结构不同，但是原理基本与上述的开放式的原理相似，只不过实现封闭式的换能组件形变的外力与实现开放式的扰动的外力形式不太一样；
93.具体的，以一种发电泡膜为例来进行说明，包括由两层柔性薄膜形成的封闭式换能腔8，单层薄膜上分别设有一组电极3，且两组电极3之间设置为不能直接电接触的形式，通过按压、踩踏、雨水冲刷等方式使发电泡膜的换能腔8的机械变形运动，从而类似上述发电旗帜的方式实现主动或者被动式的机械能转换为电能的过程；
94.上述的发电泡膜也可以包含多个封闭腔体，比如形成阵列形式，每个腔体对应的电极可以为设置为一组或者多组；
95.上述发电旗帜和发电泡膜的柔性绝缘基底2优选采用透明材质，这样不影响光光线的通过性，同时还可以增加太阳能电池，进一步提高能源收集效率；
96.为了进一步拓宽应用，还可以设置驱动腔9来实现换能腔8的形变，可以设置为驱动腔9与换能腔8一一对应的形式，以单个换能腔 8进行说明，具体的，如图12和图13，在换能腔8上方还设有一个封闭的驱动腔9，驱动腔9内设有驱动液10，驱动液10的体积不超过驱动腔9容积的一半，驱动液10可以采用水或者其他无害液体；
97.通过外力使驱动液10于驱动腔9内来回晃动，使换能腔8发生形变，实现形成换能
腔8的两个换能元件1之间的部分电极3发生靠近，或远离，或接触，从而实现主动或者被动式的机械能转换为电能的过程；
98.基于上述一个驱动腔9对应一个换能腔8的换能组件，还可以设置为多个换能腔8共用一个驱动腔9的形式，如图14，通过一个共用的驱动腔9可以同时驱动多个换能腔8发生形变，从而实现上述的换能过程；
99.驱动腔9内部驱动液10过多，其来回游荡空间受限制，同时整体重量也会大幅增加，带来很多不便；如果过少，其驱动效果就会变差，能量收集效率降低，可以优选驱动液10占驱动腔9容积的8％～30％，在重量比较轻便的情况下，可以获得比较优异的输出性能，由于驱动腔9本身是柔性的，所以这里的容积指的是最大容积来进行设计。
100.本发明还提供一种库伦发电机，其工作过程为至少包含电荷注入过程、能量转换过程和电能输出过程三个过程的库伦循环，包括至少一个换能组件、电荷注入源11、电能输出电路和控制单元，其中：
101.换能组件采用上述的开放式或者封闭式的换能组件，用于将机械能转化为电能，实现库伦循环中的能量转换过程；
102.电荷注入源11与上述主动式换能组件所引入的电荷注入源相同，用于给每组电极3注入电荷，实现库伦循环中的电荷注入过程，其与换能组件电连接形成电荷注入回路，较为常见的电荷注入源11就是直流电源；
103.电能输出电路与换能组件电连接，用于向外输出换能组件转化的电能；
104.控制单元用于控制电荷注入源11给每组电极3注入电荷，以及控制电能输出电路向外输出电能；
105.通过控制单元控制电荷注入源11给每组换能元件1注入电荷，单个库伦循环的电荷注入过程中的电荷量用q表示、最大注入电荷量记为q
max
，电荷注入过程中的电压用u表示、电荷注入过程中电压最小值记为u
min
，通过外力使相邻的两组换能元件1之间的距离发生变化，导致两者之间的电压发生变化，在两组换能元件1之间的电压变化至预设值u
out
或者极大值u
max
时，再由控制单元控制电能输出电路向外输出电能，设计时需要满足：且电荷最大状态点q
max
到电压最高状态点u
max
过程中满足其中上述所涉及到的电荷量单位为库伦，电压单位为伏特；
106.需要说明的是，上述的单个库伦循环的电荷注入过程中的电荷量 q是变化的，电荷注入过程结束时，最终注入的电荷量即为最大注入电荷量q
max
；同样，
107.电荷注入过程中的相邻换能元件1之间的电压用u也是变化的，注入电荷的起始电压即为电压最小值u
min
，当相邻两组换能元件1之间的距离发生变化，电压也随之变化，电压极大值为u
max
；实际设计时，只有在电压最高状态点u
max
输出电能才能保证输出最大化；
108.除了在最小值记为u
min
时进行电荷注入外，还可以设置成在电压极小值处进行电荷注入。实际工作过程中，外界的扰动或者其他形式的驱动，并不是一个非常规则的周期性驱动方式，所以每一次的扰动所能够转换的能量并不是固定的。此时，为了尽可能最大化的利用扰动机械能，就需要根据扰动的特点来进行针对性的调整库伦循环的过程。比如在换能过程，当电压逐渐增加极大值时(电压随时间的导数减小到0时)，控制系统对外输出电能；在对外输出电能的过程中，当电压逐渐减小到极小值时(电压随时间的导数增加到0
时)，控制系统进行电荷注入，这种循环方式可以达到最大限度的能量转换。当然，实际控制过程中电压极值时刻或者最大时刻，会存在一定的时间误差，但是只要时间误差值小于该单次循环的总时间的1/10都可以得到比较高的能量转换。为了进一步提升单次功率和能量性能，可以优化控制系统使得控制时间误差值小于该单次循环的总时间的1/20。
109.为了更好的分析库伦循环发电机的工作特性，这里借鉴热力学的分析手段进行分析。热力学中通常利用热循环的p-v图对循环过程中的能量效率进行分析，比如卡诺循环是通过两个等温过程和两个绝热过程实现的一种理想热循环模式。利用物态方程pv＝nrt和热容关系式e＝nct以及绝热方程可以分解出每个子过程的能量转移情况。类似地，这里引入u-q图分析方法，u-q图中引入方程uq＝k e(通常k＝0.5)，描述u-q图中每个点的电能，这样就可以分析任意过程的能量转移情况。需要说明的是，库伦循环在设计过程中需要尽可能的提高其功率特性，而不仅仅是关注能量特性。通常库伦循环的单个循环所用的时间受外界环境来决定，无法人为控制，所以只能通过增加单次循环能量输出的方式来提高功率特性。
110.一种比较有效直观的设计手段是控制电荷注入过程的电压和电能输出时的输出电压，理论分析发现电荷输入电压的最小值u
min
与电荷输出电压u
out
的最大值之比小于0.5时，可以获得比较好的功率特性。进一步分析发现通过控制电荷最大状态点q
max
到电压最高状态点 u
max
过程中的变量是一个更加通用有效的调整功率特性的手段，理论分析表明当时，无论具体循环过程是怎样的，都可以表现出非常优异的功率性能。因此，虽然没有非常确切的物理意义，但是却可以作为功率设计的规则，帮助开发出高性能的库伦循环发电机。几何意义上，如图15，∫qdu为电荷最大状态点q
max
到电压最高状态点u
max
过程曲线与u轴围成的面积，如图16，∫udq电荷最大状态点q
max
到电压最高状态点u
max
程曲线与q轴围成的面积。
111.例如，制作一个自供电荧光棒，采用一个旗杆 两面发电旗帜作为供电单元，电荷注入源采用一颗纽扣电池，电压1.5v，发电旗帜总面积为15x10cm2，旗面上设置10条面积为9.6x1.2cm2的电极，其长度方向与旗面短边平行，电能输出回路串联5颗功率0.06w的led 作为发光元件，采用单片机作为控制元件，通过控制输出电压/电流值来控制循环过程，实现不同的值，并制作多组，分发给用户进行实际测评，测试发现：
112.当时，发光性能(功率性能)用户反馈评价＞60分；
113.当时，用户反馈评价＞70分；
114.当时，用户反馈评价＞75分；
115.当时，用户反馈评价＞80分；
116.而当时，用户反馈评价＜60分；
117.综上，实际应用时优选此时才具有实用意义的功率性能；
118.为了进一步满足用户需求，也可以优选
119.此外，与功率性能之间存在单调关系，针对更高的功率需求，越高越好。
120.上述的控制单元可以采用多种形式，例如，一种简单的利用二极管单向导通就可以实现控制的方式，如图17，控制单元包括二极管 d1和二极管d2；
121.二极管d1设置于电荷注入回路上，其输入端与电荷注入源11的正极连接、输出端分别与换能组件连接，当与二极管d1连接的相邻两组换能元件1之间的电压小于电荷注入源11的电压时，二极管d1 内的电流方向是从输入端至输出端，这时d1导通，则电荷注入回路导通，电荷注入源11注入电荷，反之，当与二极管d1连接的相邻两组换能元件1之间的电压大于电荷注入源11的电压时，二极管d1内的电流方向是从输出端至输入端，因此d1不导通；
122.二极管d2设置于电能输出电路上，其输入端与换能组件连接，当与二极管d2连接的相邻两组换能元件1之间的电压小于电荷注入源的电压时，二极管d2内的电流方向是从输出端至输入端，d2不导通，则电能输出电路不导通，反之，当与二极管d2连接的相邻两组换能元件1之间的电压大于电荷注入源的电压时，二极管d2内的电流方向是从输入端至输出端，d2导通，则电能输出电路导通输出电能；
123.采用二极管单向导通是一种比较简单的方式，但是不能做到电能输出的最大化，因此，还可以使用其他方式来更加精准的控制两个回路的工作状态。如图18，包括控制芯片u1以及分别与控制芯片u1 电连接的电压测量装置，电压测量装置分别与每组换能元件1电连接，可以通过电压测量装置实时采集换能元件1两端的电压信号，输出给控制单元的控制芯片u1，控制芯片u1根据电压变化情况来控制两个回路的状态，比如设定一个电压最大值和最小值，当电压达到最小值时(如完成电能输出后，两组电极之间的距离不断靠近时，电压会随着下降，下降到预设最小值时，开始注入电荷，此时电容不断增加，电荷也不断注入，电压可以维持在一个恒定值附近)，控制芯片u1接通电荷注入回路、断开电能输出回路，给换能单元充电；当电压达到最大值时，控制芯片u1断开电荷注入回路、接通电能输出回路，对外输出电能(两组电极之间的距离不断远离时，电压会随着上升，上升到预设最大值时，开始输出电能，此时电容不断减小，电荷也不断输出，电压可以维持在一个恒定值附近)，从而实现能量的转换；这种方式，u-q图上是一个矩形的库伦循环，如图19；
124.或者根据电压变化的时间微分信号来进行控制：当电压的时间微分信号增加到0时(电压达到极小值)，控制芯片u1接通电荷注入回路、断开电能输出回路；当电压的时间微分信号减小到0时(电压达到极大值)，控制芯片u1断开电荷注入回路、接通电能输出回路，同样可以实现精准控制；
125.实际过程中不可能精确的控制到一个完全准确的时刻，实际应用过程中即使控制
点偏离极值点或者最值点一定范围都可以实现比较好的控制效果，优选控制时间偏差＜0.06秒，此时一般的控制器的精度都可以达到，同时还可以保证比较优异的输出性能。此外，为了更好的控制系统过工作，可以在线路合适位置增加单向导电元件，如二极管。
126.实际应用中还可以设计处其他形式的库伦循环，只要满足本发明的设计规则都可以实现较好的功率和能量性能。如图20是三角形库伦循环的u-q图。这种模式对应于恒压注入电荷，然后断开电荷注入回路，换能元件把机械能转换为电能的过程中，电压不断升高，升高到一定值时，输出回路接通，对外输出电功，这种模式下为无穷大，功率性能极佳。
127.本发明的换能组件还可以集成在旗面、地毯、衣物、桌面，水面漂浮毯等各种场景下，进行能量收集。
128.电荷单元可以使用电池或者电容器等电能元件，控制单元可以使用一个单片机，电压采集单元可以使用一个带通信接口的电压表，这些都是现有技术，不做赘述。
129.特别说明一点是，实际情况下u
min
可以设定成一个固定的值，也可以非定值的形式。当设定为定值时，每个循环达到设定阈值时，开始注入电荷。此外，还可以根据实际条件设定成动态调整的值，比如当以一个电池或者电容器作为电荷注入源时，可以以电池或者电容器的电压值来作为设定值，这样两个换能元件上对应电极间电压小于电池或者电容器的电压时，开始注入电荷。此时，由于电池或者电容器本身的电压是存在一定变化范围的，所以可以认为设定值为一个动态变化的值，而不是固定的阈值。
130.对于控制单元可以使用单片机、晶体管、场效应晶体管、开关三极管、开关电路等其他模拟电路(如微分电路)或者数字电路的方式来实现。
131.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。