本发明涉及电场感应取能，特别是涉及一种低电位电场取能装置及其输出能量最大化方法。
背景技术：
1、随着智能电网和能源互联网的快速发展，物联网设备(internet oftings,iot)被广泛应用于电力设备的监测和通讯中，其数量正在持续增长。不同于其他日常工作场景，电网中的iots设备多安装在输电线路、绝缘子或输电杆塔等处，难以定期更换电池，这使得如何为这些装置供电成为了一个难题。取能技术的发展为这一困难提供了有前景的潜在解决方案，大量俘获诸如风能、太阳能、温差能和电磁能的取能技术已经被提出。其中俘获电力设备运行时产生的电场能量的取能技术具有不易受自然环境影响、输出功率稳定、应用场景广泛和成本低等优点，具有广阔的应用前景。
2、根据金属电极安装位置的不同，电场取能可以分为高电位模式和低电位模式两种。在高电位模式中，金属电极和监测装置通常直接安装在输电线路上，极高的电场强度带来了较高的功率密度。zhang等利用升频振荡电路获得了最高90.5％的电路效率和663μw的输出功率(参考文献：zhang jj,li p,wen ym,zhang f,yang c.a management circuitwith upconversion oscillation technology for electric-field energyharvesting.ieee trans.power electron.31,5515-5523(2016).)。zeng等通过级联型电路提升了输出性能，获得了124mw的平均输出功率和620μw/μa的取能能力(参考文献：zengxj,yang zt,wu pf,cao ly,luo yp.power source based on electric field energyharvesting for monitoring devices of high-voltage transmission line.ieeetrans.ind.electron.68,7083-7092(2021).)。但由于绝缘安全的限制，高电位电场取能器无法为低压侧的监测装置供电。
3、在低电位模式中，低电位电场取能的金属电极可安装在杆塔等低压侧，无需与输电线路相连，安装更为方便，具有更广泛的应用场景。zhang等通过实验验证了低电位电场取能的可行性(参考文献：zangl h,bretterklieber t,brasseur g.a feasibility studyon autonomous online condition monitoring of high-voltage overhead powerlines.ieee trans.instrum.meas.58,1789-1796(2009).)。zeng等通过有限元分析研究了取能电极的面积，安装位置等对取能电极与输电线路间耦合电容大小的影响(参考文献：zeng xj,yang zt,wu pf,cao ly,luo yp.power source based on electric fieldenergy harvesting for monitoring devices of high-voltage transmissionline.ieee trans.ind.electron.68,7083-7092(2021).)。但由于低电位端的电场强度远小于高电位，同时缺少合理的取能电极优化设计(决定了输出能量密度的上限)和高效的电源管理方法(决定了能量转换效率和最终输出功率)，以往所提出的低电位电场取能器的输出功率普遍在μw级，无法满足大多数iot设备的需求。如何提升电场取能器尤其是低电位电场取能的能量转移效率和输出功率一直是一个挑战。
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低电位电场取能装置及其输出能量最大化方法，能够提升低电位电场取能的能量密度、能量转移效率和输出功率。
2、为实现上述目的，本发明提供一种低电位电场取能装置，应用于低压侧，包括：
3、金属电极，为三维网状结构，与地连接，用于在交流电场的作用下产生感生电荷；
4、电荷累积电路，设置于所述金属电极与地之间，用于调控所述感生电荷的累积和释放，最大化转移电荷的直流输出电压；所述转移电荷为所述感生电荷在所述金属电极和地之间转移产生；
5、稳压变换电路，与所述电荷累积电路连接，用于对所述直流输出电压进行降压变换，得到稳定直流电压。
6、可选的，所述金属电极包括：平面金属电极、竖金属电极和横金属电极；
7、多个所述竖金属电极和多个所述横金属电极之间交叉垂直连接，构成网状电极，并垂直设置在所述平面金属电极上；所述平面金属电极、竖金属电极和横金属电极之间相互短路。
8、可选的，多个所述竖金属电极和多个所述横金属电极之间等距离十字交叉垂直连接；所述距离为5-10cm。
9、可选的，所述最大化转移电荷的输出能量，包括：
10、控制所述感生电荷累积到所述金属电极内部电荷电压最高时进行释放。
11、可选的，其特征在于，所述电荷累积电路包括：
12、耦合电容，设置于所述金属电极与地之间，用于储存和累积所述感生电荷；
13、放电开关，用于控制所述耦合电容对感生电荷的累积和释放；在交流电场的作用下，所述耦合电容中的感生电荷释放时产生交流输出电压；
14、整流电路，用于将所述交流输出电压转换为直流输出电压。
15、可选的，所述放电开关为高压气体放电开关、mosfet开关、igbt开关或可控硅开关。
16、可选的，所述稳压变换电路为buck电路、变压器电路或开关电容电路。
17、可选的，所述金属电极整体呈矩形体，内部为三维网状结构。
18、可选的，所述金属电极的最大输出能量为：emax＝4vfp_maxqtr_max；
19、其中，emax表示最大输出能量；vfp_max表示最高输出电压；qtr_max表示最大转移电荷量。
20、本发明还提供一种应用于上述低电位电场取能装置的输出能量最大化方法，包括：
21、通过在交流电场中设置三维网状结构的金属电极，使得所述金属电极中产生感生电荷；
22、通过电荷累积电路调控所述感生电荷的累积和释放，令所述感生电荷在所述金属电极内部电荷电压最高时释放，最大化所述感生电荷在所述金属和地之间移动时产生的直流输出电压；
23、通过稳压变换电路对所述直流输出电压进行降压变换，得到稳定直流电压。
24、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
25、本发明提供了一种低电位电场取能装置，应用于低压侧，装置包括金属电极、电荷累积电路和稳压变换电路；其中，金属电极设计为三维网状结构，可以增加金属电极的有效表面积，并通过边缘效应改变金属电极附近的电场分布，提升输出性能和金属电极的能量密度上限；电荷累积电路可对金属电极中感生电荷的累积和释放进行调控，进而可以提升(最大化)金属电极在交流电场每周期中的输出能量，也即提升直流输出电压；稳压变换电路可对电荷累积电路输出的直流输出电压进行降压变换得到稳定直流电压，同时可将能量进行存储，以为外部负载如电网监测设备进行供电。本发明通过对金属电极的结构进行改进，并利用电荷累积电路来对金属电极中的转移电荷进行调控，由此实现了低电位电场取能的能量密度、能量转移效率和输出功率的提升。
1.一种低电位电场取能装置，其特征在于，应用于低压侧，包括：
2.根据权利要求1所述的低电位电场取能装置，其特征在于，所述金属电极包括：平面金属电极、竖金属电极和横金属电极；
3.根据权利要求2所述的低电位电场取能装置，其特征在于，多个所述竖金属电极和多个所述横金属电极之间等距离十字交叉垂直连接；所述距离为5-10cm。
4.根据权利要求1所述的低电位电场取能装置，其特征在于，所述最大化转移电荷的输出能量，包括：
5.根据权利要求1或4所述的低电位电场取能装置，其特征在于，所述电荷累积电路包括：
6.根据权利要求5所述的低电位电场取能装置，其特征在于，所述放电开关为高压气体放电开关、mosfet开关、igbt开关或可控硅开关。
7.根据权利要求1所述的低电位电场取能装置，其特征在于，所述稳压变换电路为buck电路、变压器电路或开关电容电路。
8.根据权利要求1所述的低电位电场取能装置，其特征在于，所述金属电极整体呈矩形体，内部为三维网状结构。
9.根据权利要求1所述的低电位电场取能装置，其特征在于，所述金属电极的最大输出能量为：emax＝4vfp_maxqtr_max；
10.一种应用于权利要求1-9任一项所述的低电位电场取能装置的输出能量最大化方法，包括：
