摩擦纳米发电技术在变换器领域的专利申请趋势
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摘要：基于摩擦纳米发电具有可持续的供电、高效的输出、简单的工艺、稳定的性能等优势，该技术已广泛应用在人体动能和环境机械能收集上。本文主要对摩擦纳米发电技术在变换器领域专利申请进行梳理，并分析未来申请的可能趋势。
[关键词]摩擦纳米发电电源管理模块变压变荷
能源问题和环境问题一直以来都是人们普遍关注的焦点，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電能，研制出世界上最小的发电——压电纳米发电。2012年，王中林教授又提出并开发摩擦纳米发电。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。IDTechEx公司研究报告预测2027年摩擦电能量收集在传感器领域的市场规模就将达到4亿美元，是具有广阔市场前景的新能源技术。目前，摩擦纳米发电已经可以达到500W/m2输出功率，从指标上看可以满足许多低功耗系统的应用需求。
但是如果直接将摩擦纳米发电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。此外，只有将随机的机械能转换为持续稳定的电能输出，才能满足市面上电子器件的工作要求，真正实现摩擦纳米发电在生产、生活中的实际应用。
因此，研制通用型、高效式、实用化的摩擦纳米发电电源管理模块，以及解决现有纳米发电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是摩擦发电在微能源应用领域亟待突破的核心技术。
1技术路线梳理
基于摩擦纳米发电具有可持续的供电、高效的输出、简单的工艺、稳定的性能等优势，摩擦纳米发电已成为人们研究的重点。下面主要来介绍一下摩擦纳米发电技术在变换器领域的发展历程。
2012年，专利文献CN103859678A公开了为了提供稳定的电压输出，将降压变压器、整流器、滤波电路、稳压电路与所述纳米摩擦发电串联连接，实现输出电压的稳定。
2013年，为了实现纳米发电与传统应用电路的结合，专利文献CN104767376A通过变压变荷电路将纳米发电的高电压和低电荷输出特性转变为低电压和高电荷输出特性。
2015年，专利文献WO2016096492A1设计使用功率转换器根据摩擦电发电输出在摩擦电发电与负载之间提供可控阻抗，实现了改进的功率转移。
2016年，文献CN106602684A设计的能量储存方法可以提高充电速率，增大最大能量存储效率达两倍，有效的利用环境中的能量实现自驱动系统。
2017年，文献CN106602687A通过能量暂存器周期性充放电实现对能量存储器充电实现摩擦纳米发电与能量存储器的阻抗匹配，大幅度提升能量存储效率。
2技术在变换器领域的应用
自摩擦纳米发电技术研发以来，国内外许多公司、科研院所和国内高校都相继推出了摩擦纳米发电的相关成熟成品。从专利申请的来源国分布来看，因摩擦纳米技术是由我国王中林教授带领的团队研发提出，所以我国在摩擦纳米发电技术的申请量远远高于其他国家。以专利申请的目标国来看，因中国是其他国家关注的市场大国，摩擦纳米发电技术的专利申请总量也远远高于其他国家。从申请人方面来看，国内的申请人主要集中在科研院所和高校，国外的申请人比较分散，大公司和小型公司都有申请，但是申请量都不是很多，可能是刚开始关注到这一技术的应用前景。从技术的分布来看，更多的摩擦纳米发电技术的申请都是在调整摩擦纳米发电本体的结构，从而提高发电效率，增强输出功率，减少能耗。关于摩擦纳米发电能量的输出应用方面，目前都是通过整流器连接在摩擦纳米发电的输出端，并没有实质的克服摩擦纳米发电能量存在的缺点，例如，
（1）内部阻抗高容易造成与能量存储单元的阻抗失配;
（2）能量存储效率极低，输出不稳定;
（3）高电压低电荷的输出特性与传统电路不想匹配。
相对而言，目前在解决以上问题比较突出的申请人是北京纳米能源与系统研究所以及皇家飞利浦有限公司，其通过设置中间电路的方式，解决上述问题，但是申请量很少。
而且，摩擦纳米发电能够产生微瓦到毫瓦量级的可持续移动电源，随着当前移动、可携带电子器件的快速发展，摩擦纳米发电具有很大的应用潜力。因此，如何克服纳米发电的能量转换问题成为当前研究的重要课题。
在变换器领域，根据负载的需求电压、功率的不同，能量转换装置也有不同的选择。目前能量转换装置包括整流器、逆变器、功率因数校正单元、软启动单元、正反激变换器、推挽变换器等。为了发挥摩擦纳米发电的巨大优势，如何将其能量转换成适应负载不同需求的电压，就需要切实研究能量转换装置与摩擦纳米发电输出能量两者之间的差异。
具体而言，利用功率因数校正单元、软启动电路可以改变传输能量线路上的阻抗，从而克服阻抗失配的问题;或者发挥变压器的优势，利用正反激变换器、推挽变换器等装置，克服纳米发电的高电压低电荷输出特性与传统电路不想匹配问题;也可以利用控制器输出特定的PWM、PFM或者PAM波形，控制输出能量的占空比，提高能量输出的效率。
基于国内目前在该领域的优势，为了将该技术产业化，国内公司应尽早的在克服能量转换问题上开展专利布局。值得注意的是，国内高校科研院所申请人创新活跃，东南大学、北京纳米能源与系统研究所、大连海事大学、华中科技大学等都已重视纳米发电技术，国内企业可适当考虑加强产学研合作，进一步转化技术创新成果，提升引领优势。
3结束语
通本文主要对摩擦纳米发电技术在变换器领域专利申请进行梳理，并分析未来申请的可能趋势。
参考文献
[1]王中林，纳米发电作为可持续性电源与有源传感器的商业化应用[J].中国科学：化学，2013.
[2]陈号天等。基于摩擦纳米发电的自驱动微系统[J].中兴通讯技术，2018.
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