CN105811589A

CN105811589A - 一种可再生能源模块及其制备方法

Info

Publication number: CN105811589A
Application number: CN201410854979.9A
Authority: CN
Inventors: 王昱; 王国臣
Original assignee: Tealstone Responsibility Co Ltd
Current assignee: tealstone; Tealstone Responsibility Co Ltd
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2016-07-27

Abstract

本发明公开了一种可再生能源模块及其制备方法，该模块包括：能量采集层、能量管理层和能量存储层，其中：能量采集层、能量管理层和能量存储层电连接；能量采集层采集可再生能源并将其转化为以电能形式存在的能量；能量管理层将所述能量传输至能量存储层存储，对于能量采集层和能量存储层以及可再生能源模块的工作状态进行管理和控制，接收外部信号输出内部信号；能量存储层配置有电能输入输出端口，用于储存接收到的能量并输出给能量管理层。本发明通过能量管理层的管理和控制，对可再生能源进行采集、调节转化、存储、释放、调节分配和状态监控，并且作为一个独立的装置，能够使得应用系统从自然环境中稳定地获得和存储工作所需的能量。

Description

一种可再生能源模块及其制备方法

技术领域

本发明有关于可再生能源技术领域，尤其是一种可再生能源模块及其制备方法。

背景技术

随着科技水平的进步，微电子技术、无线电技术的飞速发展，手机、mp3、数码相机、笔记本电脑等电子产品极大的丰富和方便了人们的生活和工作。但在能量供给领域，依然采取着传统的供能方式，即利用化学能电池作为主要的能量供应装置。虽然化学能电池因其方便的特点被广泛使用，但是其需要经常更换或充电，能源需求的压力越来越大，同时，浪费材料、污染环境、回收困难等问题也日益突出，这就迫切要求新型供能方式出现。

众所周知，一次能源包括可再生能源和非再生能源两大类，其中，可再生能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等，这些可再生能源在自然界可以循环再生。随着上述利用化学能电池作为主要能量供应装置的传统能源供能问题的显现，可再生能源的开发和利用变得越来越重要，而且可再生能源已经在越来越广泛的领域中发挥了重要的作用，比如物联网、智能传感网络、智能手机外设、可穿戴设备、车载智能设备、智能家居类设备、医疗保健类设备、野外监测、军事装备等。

但是对于可穿戴设备、无线传感网络设备等所需能量级别在1W以下的智能终端设备，目前在针对这些智能终端设备的可再生能源利用过程中，可再生能源的采集、存储和调节分配问题是由系统的不同部分分别来进行处理的，这就会带来系统复杂、能源转换率低、不易集成、造价高等缺点，从而限制了可再生能源在此类设备中的广泛应用。另外，由于可再生能源容易受到外部环境因素的影响，因此输出变化不定，需要新的解决方案来提高能量采集效率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种可再生能源模块及其制备方法，该模块通过引入分别与能量采集层和能量存储层电连接的能量管理层，并通过能量管理层对于能量采集层、能量存储层以及整个可再生能源模块的管理和控制，能够对于可再生能源进行采集、调节转化、存储、释放、调节分配和状态监控，并且作为一个独立的装置，本发明能够使得应用系统从自然环境中稳定地获得和存储工作所需的能量。

根据本发明的一方面，提供一种可再生能源模块，该模块包括：能量采集层、能量管理层和能量存储层，其中：

所述能量采集层、能量管理层和能量存储层之间电连接；

所述能量采集层用于采集可再生能源，并将其转化为以电能形式存在的能量；

所述能量管理层用于将所述能量采集层采集得到的能量传输至所述能量存储层进行存储，对于所述能量采集层和能量存储层的输入或输出以及可再生能源模块的状态进行管理和控制，接收外部输入信号及向外部输出控制和状态信号，并将所述能量存储层存储的电能输出出去；

所述能量存储层配置有电能输入和输出端口，用于根据所述能量管理层的控制，通过电能输入端口储存接收到的能量，并通过电能输出端口将能量输出给所述能量管理层。

可选地，还包括外部封装层，所述外部封装层对于所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹。

可选地，所述能量管理层包括冷启动电荷泵单元、电能参数转换单元、充放电保护管理单元、最大功率点跟踪控制单元、备用能源管理单元、稳压输出单元、系统监测传输单元和中央控制单元，其中：所述冷启动电荷泵单元用于在所述可再生能源模块处于初始状态时，提供聚能功能；所述电能参数转换单元用于对于所述能量采集层输出的电能参数进行转换和调节，产生高电平充电脉冲信号以匹配所述能量存储层对于存储电能所需参数的要求；所述充放电保护管理单元用于实时监测所述能量存储层的工作电压，根据所述能量存储层的工作电压值，控制所述能量存储层的充电输入或放电输出；所述最大功率点跟踪控制单元用于利用最大功率点跟踪控制所述能量采集层的输出电压，以提高所述能量采集层的输出效率；所述备用能源管理单元用于监测外界可再生能源及所述可再生能源模块应用的系统中存在的多种备用电能的强度，并记录监测结果以为所述中央控制单元的能源智能切换提供决策参数；所述稳压输出单元用于对于所述能量存储层的输出进行稳压和调压操作以达到工作电压的要求；所述系统监测传输单元用于对于整个可再生能源模块的工作状态进行监测，并把监测所得到的数据通过有线或无线的方式发送出去；所述中央控制单元与各个单元连接，用于在多种备用能量源之间进行智能切换，并对所述各个单元进行控制和协调。

可选地，所述能量采集层包括一层或多层能量采集子层，和/或所述能量管理层包括一层或多层能量管理子层，和/或所述能量存储层包括一层或多层能量存储子层，每一能量采集子层和能量存储子层均分别与所述能量管理子层相应电连接。

可选地，所述能量采集子层所采集的可再生能源相同或不同。

可选地，利用基于聚酰亚胺材料的通用基底将所述可再生能源模块的各膜层结合在一起。

根据本发明的另一方面，还提供一种可再生能源模块的制备方法，所述方法包括以下步骤：

分别制备能量采集层、能量管理层和能量存储层，其中，所述能量采集层用于采集可再生能源，并将其转化为以电能形式存在的能量，所述能量管理层用于将所述能量采集层采集得到的能量传输至所述能量存储层进行存储，对于所述能量采集层和能量存储层的输入或输出以及可再生能源模块的状态进行管理和控制，接收外部输入信号及向外部输出控制和状态信号，并将所述能量存储层存储的电能输出出去；所述能量存储层配置有电能输入和输出端口，用于根据所述能量管理层的控制，通过电能输入端口储存接收到的能量，并通过电能输出端口将能量输出给所述能量管理层；

将所述能量采集层和能量存储层分别与所述能量管理层进行电连接，得到可再生能源模块。

可选地，所述步骤1中，所述能量采集层、能量管理层和能量存储层共用一块基底。

可选地，还包括在所述能量采集层、能量管理层和能量存储层的外围制备外部封装层，以对所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹的步骤。

可选地，分别制备能量采集层、能量管理层和能量存储层的步骤中，制备得到的能量采集层、能量管理层和能量存储层为至少一层。

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

1、本发明可再生能源模块通过引入分别与能量采集层和能量存储层电连接的能量管理层，并通过能量管理层对于能量采集层、能量存储层以及整个可再生能源模块的管理和控制，把可再生能源使用中的采集、调节转化、存储、释放、调节分配和状态监控功能统一在一个装置中实现；

2、本发明在提高再生能源转换率的同时，把多余的能量存储起来，在需要的时候加以释放，从而大大提高了可再生能源的使用效率；

3、本发明可再生能源模块由能量采集层、能量管理层以及能量存储层组成，在一实施例中还采用了薄膜叠加、基底融合及定性封装的新概念，新技术，使本发明的可再生能源模块具备超薄柔软的物理特性；

4、由于本发明技术方案中，能量采集和存储集于一体，从而能够减少可再生能源在传输存储过程中产生的损耗；

5、能够提供可再生能源在利用过程中的实时监控；

6、本发明不限于对于单一种类可再生能源的采集和管理，还可对于多种类可再生能源同时进行采集和管理，从而提高可再生能源的使用范围和能量采集能力；

7、本发明不仅能够解决智能终端设备的持续能源供应的问题，而且还能够起到保护环境、减少污染的作用；

8、本发明可以显著降低最终集成设备的整体造价，降低系统集成复杂度；

9、本发明可以显著降低最终集成设备的安装和维护费用。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的可再生能源模块的各膜层结构的分解示意图；

图3是根据本发明一实施例的能量管理层的结构示意图；

图4是将能量采集层输出的低电压信号转换成高电压脉冲信号的示意图；

图5是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；

图6是根据本发明一实施例的基于光能的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图；

图7是根据本发明一实施例的基于压电能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图；

图8是根据本发明一实施例的基于热电能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图；

图9是根据本发明一实施例的基于电磁感应能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图；

图10是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；

图11是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；

图12是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图；

图13是根据本发明一实施例的各膜层的结合示意图；

图14是根据本发明另一实施例的各膜层的结合示意图；

图15是根据本发明一实施例的可再生能源模块制备方法的流程图；

图16是根据本发明另一实施例的可再生能源模块制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的另一方面，提供一种可再生能源模块，图1是根据本发明一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图，图2是本发明可再生能源模块的各膜层结构的分解示意图，如图1和图2所示，在该实施例中，所述可再生能源模块包括能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4，其中：

所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4之间电连接；

所述能量采集层2用于采集可再生能源，并将其转化为以电能形式存在的能量；

其中，所述可再生能源包括但不限于光能(PhotovoltaicEnergy)、压电能量(PiezoelectricEnergy)、热电能量(ThermoelectricEnergy)、电磁感应能量(MagneticinductionEnergy)、人体动能能量(KineticEnergy)、生物电能量(Bio-energy)、环境噪音能量(EnvironmentNoiseEnergy)等可再生能源，具体地，所述光能包括室外日照和室内照明产生的光能；压电包括震动和压力变形产生的能量；热电包括人体环境温差和物体温差产生的能量；电磁感应包括由于震动产生的切割磁力线效应、无线信号源和电磁干扰产生的能量；所述人体动能能量包括利用人体动能产生的能量；所述生物电能量包括利用生物电的方式产生的能量；所述环境噪音能量包括利用环境噪音产生的能量。

需要说明的是，可再生能源在物联网及移动计算通信等技术领域中的应用还仅仅处于起步阶段，新的可再生能源的利用方式在不断的出现，下文中，本发明仅以目前已经具备商业化和规模产量的四种可再生能源，即光能、压电能量、热电能量、电磁感应能量，进行描述，以达到利于实际应用的目的。但本领域技术人员应当能够明了，本发明可再生能源模块可以根据可再生能源类型的不同以及实际应用的需要进行可以想到的修改、等同替换或改进，以对于其他可再生能源进行采集、管理和存储。

所述能量管理层3用于将所述能量采集层2采集得到的能量传输至所述能量存储层4进行存储，对于所述能量采集层2和能量存储层4的输入或输出以及可再生能源模块的状态进行管理和控制，接收外部输入信号及向外部输出控制和状态信号，并将所述能量存储层4存储的电能输出出去；

图3是根据本发明一实施例的能量管理层3的结构示意图，如图3所示，在本发明一实施例中，所述能量管理层3包括冷启动电荷泵单元(ColdStartChargePumpUnit)、电能参数转换单元(PowerBoostUnit)、充放电保护管理单元(BatteryControllerUnit)、最大功率点跟踪控制单元(MPPTControllerUnit)、备用能源管理单元(BackupPowerControllerUnit)、稳压输出单元(LowDropoutRegulatorUnit)、系统监测传输单元(SensingandCommunicationUnit)和中央控制单元，其中：

所述冷启动电荷泵单元用于在所述可再生能源模块处于初始状态，即内部零能源状态时，提供聚能功能，即对所述冷启动电荷泵单元内部的电容进行充电，以提供初始能量源；

所述电能参数转换单元用于对于所述能量采集层2输出的电能参数进行转换和调节，产生高电平充电脉冲以匹配所述能量存储层4对于存储电能所需参数的要求；

具体地，由于所述能量采集层2输出的电能参数往往与所述能量存储层4所需要的充电参数不匹配，例如，如果所述能量采集层2为光伏膜，并在光照强度为500Lux时采集并转换得到的输出电能参数分别为1.1V和～0.39mA，而当所述能量存储层4为固态锂离子充电膜时，其充电所需的电能参数则为4.2V和＞0.1mA，很明显，两者并不匹配。为了能够把所述能量采集层2采集得到的能量存储到所述能量存储层4，所述电能参数转换单元需要对于所述能量采集层2输出的电能参数进行调整，以满足所述能量存储层4对于充电参数的要求，比如，将所述能量采集层2输出的低电压信号转换成高电压脉冲信号，如图4所示，图4中，V_h表示所述能量采集层2输出信号的电压，V_c表示所述能量存储层4所要求的充电电压，V_p表示经过所述电能参数转换单元转换后得到的脉冲信号的电压。

所述充放电保护管理单元用于实时监测所述能量存储层4的工作电压，根据所述能量存储层4的工作电压值，控制所述能量存储层4的充电输入或放电输出，即为所述能量存储层4的过度充放电提供动态保护；

具体地，所述能量存储层4在充电完成后即达到最高工作电压，此时如果继续向所述能量存储层4进行充电，将会对其造成不可挽回的损坏，即所谓的过度充电；另一方面，所述能量存储层4在持续放电后其工作电压将会低于最低容许电压，此时如果继续放电，也将会对所述能量存储层4造成不可挽回的损坏，为了避免由于过度充放电对于所述能量存储层4造成的损坏，所述充放电保护管理单元将实时监测所述能量存储层4的工作电压，当监测发现所述能量存储层4的工作电压高于最高工作电压，或者低于最低容许电压时，则立即断开所述能量存储层4的充电输入(防止过度充电)或放电输出(防止过度放电)。

所述最大功率点跟踪控制单元用于利用最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)控制所述能量采集层2的输出电压，以提高所述能量采集层2的输出效率；

最大功率点跟踪是指，可再生能源采集的功率输出在某一特定输出电压时会达到最大，通常把这一特定电压点称作最大功率点，其中，不同可再生能源的最大功率点会有所不同，比如对于光伏可再生能源，其最大功率点一般在开路电压的70％-80％之间，其中，开路电压是指可再生能源在输出电路断开(即没有负载)的情况下所测得的输出电压；对于热能可再生能源，其最大功率点一般在开路电压的60％-70％之间。而MPPT的目的就是保证所述能量采集层2在工作时的输出电压稳定在最大功率点。以光伏可再生能源为例，假设光伏可再生能源采集层的开路电压为1.2V，经过换算，可以得知其最大功率点的输出电压为1.2*80％＝0.96V，那么MPPT控制电路就会通过调节自身的负载阻抗(其中，MPPT控制电路与所述能量采集层2形成连接，MPPT控制电路可以认为是负载部分)，来控制所述能量采集层2的输出电压，从而使所述能量采集层2的输出电压稳定在0.96V。根据实验比较计算，MPPT可以使所述能量采集层2的输出效率提高30％-40％。

所述稳压输出单元用于对于所述能量存储层4的输出进行稳压和调压操作以达到工作电压的要求，在应用系统中，通常对工作电压有着不同的要求，而且在一定的电流范围内，电压需要保持不变，所述稳压输出单元就是用来保证可再生能源模块的输出电压满足系统工作电压的要求。

所述备用能源管理单元用于监测外界可再生能源及所述可再生能源模块应用的系统中存在的多种备用电能的强度，并记录监测结果以为所述中央控制单元的能源智能切换提供决策参数，从而优化可再生能源能量转换的效率；

所述系统监测传输单元用于对于整个可再生能源模块的工作状态进行监测，并把监测所得到的数据通过有线或无线的方式发送出去，在以物联网和云计算为特点的应用中，各个节点的能量使用状态可以通过大数据技术进行分析；

所述中央控制单元与上述各个单元，即与所述冷启动电荷泵单元、电能参数转换单元、充放电保护管理单元、最大功率点跟踪控制单元、备用能源管理单元、稳压输出单元和系统监测传输单元连接，用于在多种备用能量源之间进行智能切换，并对上述各个单元进行控制和协调，从而保证所述能源采集层2和能源存储层4能够正常地工作和运行。

所谓能量源智能切换是指，在所述可再生能源模块应用的系统中存在除可再生能源之外的电能来源，比如，系统自身的备用电池或外接直流电源，可以支持系统的正常工作时，所述中央控制单元可根据实际应用情况，动态地选择电能来源以对系统进行供电。比如，假设智能终端设备同时还携带有备用电池，则所述中央控制单元会在外界有光照等可再生能源的时候选择由所述可再生能源模块为系统供电，在晚间等没有光照或其他可再生能源的时候，如果所述可再生能源模块存储的能量不能够满足系统正常工作的需要时，所述中央控制单元就会选择备用电池来为系统供电，这样既可以保证系统持续正常工作，又可以大大延长备用电池的使用时间和寿命。

需要说明的是，图3中对于能量管理层结构的描述只是一种逻辑上的功能描述，其不对能量管理层的具体实现作出限制，本领域技术人员可根据实际应用的需要确定具体实现方式，比如可以采用SoC(SystemonChip)的方式实现所述能量管理层，也可以采用使用不同电子元件和连接电路的方式实现所述能量管理层，本发明对于这一点不作任何限定。

在本发明一实施例中，所述能量管理层3由电子元件、控制芯片和安装所述电子元件与控制芯片的电路板组成，进一步地，所述电路板又分为柔性电路板和非柔性电路板(比如普通FR-4电路板)。与非柔性电路板相比，柔性电路板具有体积小、重量轻、厚度薄，柔性的特点，因此在实际应用中，除非对于电路板的强度有特殊的要求，所述电路板通常采用柔性电路板。

在本发明另一实施例中，所述能量管理层3为柔性光能调节印制电路。

如上所述，所述能量管理层3也可采用其他控制电路，对此本发明不作具体限制，所有能够实现上述能量管理层3的功能的控制电路均落入本发明的保护范围内。

所述能量存储层4配置有电能输入和输出端口，用于根据所述能量管理层3的控制，通过电能输入端口将接收到的能量储存起来，并通过电能输出端口将能量输出给所述能量管理层3，以备后续为后级负载提供能量。

其中，所述能量存储层4为能量储存装置，比如超薄锂离子聚合物、固态锂离子充电膜等可充放电类储电单元，其中，所述固态锂离子充电膜的无记忆充放电次数＞5000次，放电区间为4.2-2.6伏。

当然，所述能量存储层4也可采用其他能量储存装置，对此本发明不作具体限制，所有能够进行能量储存的装置或元件均落入本发明的保护范围内。

在本发明一实施例中，比如当所述可再生能源模块设置于所应用系统的外部，则所述可再生能源模块还包括外部封装层1，如图5所示，所述外部封装层1对于所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹，相反地，如果所述可再生能源模块设置于所应用系统的内部，则所述外部封装层1可以省去。

所述外部封装层1对于所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4等中间层进行封装包裹，以形成所述可再生能源模块，其中，所述外部封装层1封装包裹的内部空间呈真空压紧状态，所述外部封装层1不仅能够使可再生能源通过，而且还能够起到固定压紧中间层、防水、防尘、防化学污染的作用。

其中，所述外部封装层1配置有电信号输入/输出(I/O)接口，所述电信号输入/输出(I/O)接口与内部所述能量管理层3电连接，分别用于接收外部输入信号或输出内部信号，其中，所述外部输入信号包括但不限于备用电源的输入信号、外部系统状态和控制输入信号等信号；所述内部信号包括但不限于电能输出信号、所述可再生能源模块的状态和控制输出信号等信号。

其中，对于不同的可再生能源，所述外部封装层1的制作工艺及使用材料均有所不同，具体将在下文中进行说明。

通常情况下，为了减少电路走线的长度，可将所述能量管理层3放置于所述能量采集层2和能量存储层4的中间。

上文提及，本发明可再生能源模块可采集光能、压电能量、热电能量、电磁感应能量、人体动能能量、生物电能量、环境噪音能量等可再生能源，并对其进行转换、管理和存储，并在需要的时候为后续设备提供电能，但是对于不同类型的可再生能源，能量采集层2的选用有所不同，接下来分别针对光能、压电能量、热电能量、电磁感应能量等四种已经具备商业化和规模产量的可再生能源，对于其相应的能量采集层2的设置一一进行说明。

对于光能，所述能量采集层2可以采用可采集光子能量的发电单元(PhotovoltaicEnergyHarvestingUnit)，比如砷化镓光伏膜等光伏发电单元，其厚度在110um+-40um之间，砷化镓半导体材料与传统的硅材料相比，其电子移动率为硅材料的5.7倍，它具有高光子转化率、高电子迁移率、宽禁带、直接带隙以及消耗功率低等特性。采用砷化镓光伏膜作为能量采集层2，可高效地采集外界环境中的光能。

另外，所述砷化镓光伏膜超薄且具有柔性，其厚度仅为数微米，因此，无论在室内还是室外均可适用。

进一步地，所述砷化镓光伏膜可为单结(光转化效率为28.8％)或双结(光转化效率为30.8％)太阳能电池片。

图6是本发明基于光能的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图，如图6所示，对于基于光能的可再生能源模块，能量采集层2(砷化镓光伏膜)收集外界环境中的光能，并将收集得到的光能转换为电能，然后经能量管理层3的管理和控制储存在能量存储层4中，以在需要的时候为后级负载提供能量。

当然，所述能量采集层2也可采用其他可采集光子能量的发电单元，对此本发明不作具体限制，所有能够有效采集光子能量的发电元件均落入本发明的保护范围内。

需要特别说明的是，对于采集光能的可再生能源模块，需要封装时，位于能量采集层一侧的外部封装层1使用的封装材料应具备良好的透光性，即，所述外部封装层1的制作材料不能阻碍波长在350nm-850nm之间的光线的通过；对于具有柔软超薄特征的可再生能源模块，所述外部封装层1的厚度最好不要超过被封装物体厚度的20％-30％。

对于压电能量，所述能量采集层2可以采用具有压电能量采集功能的发电单元(PiezoelectricEnergyHarvestingUnit)，比如压电震动发电膜，其厚度在410um+-40um之间，所述微电震动发电膜能够在存在变形弯曲、震动等的情况下产生电流。图7是本发明基于压电能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图，如图7所示，对于基于压电能量的可再生能源模块，能量采集层2(压电震动发电膜)收集外界环境中由于变形弯曲、震动产生的机械能，并将收集得到的机械能转换为电能，然后经能量管理层3的管理和控制储存在能量存储层4中，以在需要的时候为后续负载提供能量。

当然，所述能量采集层2也可采用其他可采集压电能量的发电单元，对此本发明不作具体限制，所有能够有效采集压电能量的发电元件均落入本发明的保护范围内。

需要特别说明的是，对于采集压电能量的可再生能源模块，需要封装时，所述外部封装层1使用的制作材料需要具备良好的延展性，不能对震动源产生屏蔽作用；对于具有柔软超薄特征的可再生能源模块，所述外部封装层1的厚度最好不要超过被封装物体厚度的10％-15％。

对于热电能量，所述能量采集层2可以采用具有热电能量采集功能的发电单元(ThermoelectricEnergyHarvestingUnit)，比如热电发电膜等热电发电单元，其厚度在600um+-40um之间，所述热电发电膜能够在存在温差的情况下产生电流。

具体地，所述热电发电膜通过热电效应(ThermoelectricEffect)利用介质两面的温差来产生电流。目前热电发电膜处于从理论向商业化产品转换的阶段，对于所述热电发电膜的介绍，可参见以下链接：http：//ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp？tp＝&arnumber＝6576100&url＝http％3A％2F％2Fieeexplore.ieee.org％2Fxpls％2Fabs_all.jsp％3Farnumber％3D6576100和http：//www.perpetuapower.com/technology.htm。图8是本发明基于热电能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图，如图8所示，对于基于热电能量的可再生能源模块，能量采集层2(热电发电膜)收集外界环境中由于高温热源与低温热源之间的温差产生的热能，并将收集得到的热能转换为电能，然后经能量管理层3的管理和控制储存在能量存储层4中，以在需要的时候为后续负载提供能量。

当然，所述能量采集层2也可采用其他可采集热电能量的发电单元，对此本发明不作具体限制，所有能够有效采集热电能量的发电元件均落入本发明的保护范围内。

需要特别说明的是，对于采集热能的可再生能源模块，需要封装时，位于能量采集层一侧的外部封装层1使用的制作材料应具备良好的热传导性，比如导热系数λ不小于100W/m·K的制作材料，如果所使用的制作材料达不到所要求的上述导热系数，可以通过在外部封装层1的表面开孔或者降低外部封装层1厚度的方法来提高其热传导效率。可选地，在所述可再生能源模块与热源体接触的一面不进行封装，即不设置封装层；对于具有柔软超薄特征的可再生能源模块，所述外部封装层1的厚度最好不要超过被封装物体厚度的10％-15％。

对于电磁感应能量，所述能量采集层2采用可采集电磁感应能量的发电单元(ElectromagneticEnergyHarvestingUnit)，比如电磁感应发电膜等电磁感应发电单元，其厚度在200um+-40um之间，所述电磁感应发电膜能够在感应电磁场下产生电流。

其中，可采集电磁感应能量的薄膜的工作原理与近场通信(NFC)的天线功能类似，即利用电路板上走线(比如铜线)组成的线圈在外界电磁场感应下产生电流，其产生电流的强度与外界感应磁场的强度、线圈的绕数及面积有关。另外，由于同为电路板制成，为了简化所述可再生能源模块的内部结构，可将采集电磁感应能量的薄膜与所述能源管理层3合并，比如，在所述能源管理层3的柔性电路板的外围由铜走线形成多条感应线圈，在柔性电路板的内部布置所述能源管理层3所需要的电子元件和芯片。

图9是本发明基于电磁感应能量的可再生能源模块的主要膜层结构分解示意图，如图9所示，对于基于电磁感应能量的可再生能源模块，能量采集层2(电磁感应发电膜)受到外部磁场变化产生电磁能(Ambient-radiation)，比如所述能量采集层2从其他无线信号或无线干扰信号中获得电磁能量，或通过震动在所包裹的磁芯周围产生切割磁力线的效应而产生电磁能，并将收集得到的电磁能转换为电能，然后经能量管理层3的管理和控制储存在能量存储层4中，以在需要的时候为后续负载提供能量。

当然，所述能量采集层2也可采用其他可采集电磁感应能量的发电单元，对此本发明不作具体限制，所有能够有效采集电磁感应能量的发电元件均落入本发明的保护范围内。

需要特别说明的是，对于采集电磁感应能量的可再生能源模块，需要封装时，所述外部封装层1使用的制作材料不能对电磁信号有屏蔽作用；对于具有柔软超薄特征的可再生能源模块，所述外部封装层1的厚度最好不要超过被封装物体厚度的10％-15％。

图10和图11是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图，该实施例中的可再生能源模块与上文中的实施例的可再生能源模块的结构大体相同，而且外部封装层1、能量管理层3和能量存储层4的结构和特征与上文中的实施例相同或相似，只是在该实施例中，所述能量采集层2包括两层或多层能量采集子层，每一能量采集子层均与所述能量管理层3电连接，其中，所述多层能量采集子层可以相同，也可以不同，其可为光能能量采集子层、压电能量采集子层、热电能量采集子层、电磁感应能量采集子层中的任意一种。但是需要注意的是，所述多层能量采集子层根据各能量采集子层的特性进行放置，比如，电磁感应能量采集子层和压电能量采集子层不需要与所采集的能源直接接触，其可以放置于中间位置，而光能能量采集子层和热电能量采集子层需要与采集能源直接接触，则需要放置于外部位置，在满足上述前提下，具备相同或相似特性的能量采集子层可顺序叠放。比如，具备相同或相似特性的多层能量采集子层(21、22、23)依次叠放在所述能量管理层3的上方，如图10所示，或者依次穿插设置在第一封装层1、能量管理层3、能量存储层4和第二封装层5之间，如图11所示，再或者是其他叠放形式。

需要说明的是，图10和图11只是示例性的示出多层能量采集子层的放置位置，本领域技术人员可以了解，在实际应用中，在遵守上述能量采集原则的前提下，各能量采集子层可根据实际应用的需要进行放置，本发明对于各能量采集子层的放置位置不作具体的限制，所有合理地、可能的放置方式均落入本发明的保护范围内。

在该实施例中，包括多层能量采集子层的可再生能源模块可同时或加倍收集外界环境中的光能、由于变形弯曲、震动产生的机械能、由于高温热源与低温热源之间的温差产生的热能和/或电磁能，并将收集得到的光能、机械能、热能和/或电磁能转换为电能，然后经能量管理层3的管理和控制储存在能量存储层4中，以在需要的时候为后续负载提供能量。

图12是根据本发明另一实施例的可再生能源模块的截面结构示意图，在该实施例中，所述能量采集层、能量管理层和能量存储层均为两层或多层，且顺序交叉叠放，并封装于外部封装层1的内部，每一能量采集子层和能量存储子层均与相应能量管理子层电连接，其中，所述外封装层1的结构和特征均与上文中的实施例相同或相似，在此不再赘述。

在图12所示的实施例中，所述可再生能源模块包括三层能量采集子层(21、22、23)、三层能量管理子层(31、32、33)和三层能量存储子层(41、42、43)，其中，每一能量采集子层可以相同，也可以不同，其可为光能能量采集层、压电能量采集层、热电能量采集层、电磁感应能量采集层中的任意一种，但是在放置时，需考虑上文提及的各能量采集层的特性。

在该实施例中，分别包括两层或多层功能层的可再生能源模块可同时或加倍收集外界环境中的光能、由于变形弯曲、震动产生的机械能、由于高温热源与低温热源之间的温差产生的热能和/或电磁能，并将收集得到的光能、机械能、热能和/或电磁能转换为电能，然后分别经相应能量管理层的管理和控制储存在相应的能量存储层中，以在需要的时候为后续负载提供能量。

在本发明一实施例中，所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4通过基于聚酰亚胺(Polyimide)材料的通用基底(CommonUsageofPolyimideSubstrate)相结合，以形成所述可再生能源模块。

聚酰亚胺(Polyimide，PI)是一类具有酰亚胺重复单元的聚合物，具有适用温度广、耐化学腐蚀、高强度等优点。鉴于聚酰亚胺优良的物理稳定性和绝缘特性，已越来越多的被采用作为可再生能源采集产品的基底材料，例如柔软光伏膜的基底层(PolyimideSubstrateofFlexiblePhotovoltaics)，具体可参见以下链接所指向的内容：http：//www.dupont.com/content/dam/assets/products-and-services/solar-photovoltaic-materials/assets/dec-Kapton-for-PV.pdf。另外，由于聚酰亚胺层具有良好的机械延展性和拉伸强度，能够有助于提高聚酰亚胺层以及聚酰亚胺层与上面沉积的金属层之间的粘合，因此成为柔性电路板制作中不可缺少的材料。通常来说，柔性印刷电路板主要由五部分组成：基板，常用的材料为聚酰亚胺(PI)；铜箔，分为电解铜与压延铜两种；接着剂，一般采用0.5mil环氧树脂热固胶；保护膜，表面绝缘用，常用的材料为聚酰亚胺(PI)；补强，用于加强柔性印刷电路板的机械强度，由这五部分组成的柔性印刷电路板是结构最简单的柔性板，叫做单层柔性板。再者，基于聚酰亚胺基底的柔软胶片固态电池(UsageofPolyimideSubstrateinthinfilmsolidstatebatteries)可以大大降低电池的厚度同时提供良好的柔软性，是目前被广泛使用的胶片固态电池的基底材料。

通过上文对于聚酰亚胺基底的物理特性及其应用的描述可以发现，聚酰亚胺基底在本发明可再生能源模块的能量采集层、能量管理层以及能量存储层所对应的独立产品中都可以作为基底层存在，因此，在本发明一实施例中，使用基于聚酰亚胺材料的通用基底实现本发明可再生能源模块内部结构的融合，使之成为独立且统一的模块。

图13是根据本发明一实施例的各膜层的结合示意图，图13中，所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4共用一块通用基底5，从图13中可以看出，所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4通过基于聚酰亚胺材料的通用基底5融合为一体，形成了所述可再生能源模块。实际上，在该实施例中，通过所述通用基底5将能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4融合为一体后，所述通用底层5已经成为了它们共有的内部结构的一部分。

另外，需要说明的是，在该实施例中，所述能量管理层3需选用柔性电路板。

当然，图13只是对于能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4结合方式的一种示例性说明，其并不是通用基底在可再生能源模块中的唯一结合方式，比如，对于电磁感应采集层等没有基底的能量采集层2来说，通用基底只存在于能量管理层3和能量存储层4之间，如图14所示，在实际应用中，对于通用基底的连接对象以及其自身的存在形式，本领域技术人员均可根据需求灵活设置。另外，图13和图14只是对于单一能量采集层、能量管理层和能量存储层的通用基底进行示例性的说明，对于两层或多层能量采集层、能量管理层和能量存储层的结构，可以此类推。

需要说明的是，上述实施例仅为示意性的说明，除了上述实施例所提及的情况，所述能量采集层、能量管理层和能量存储层的结构选择和放置方式还有很多，比如，当需要更大的能量存储空间来储存收集到的能量时，可仅将能量存储层设置为两层或多层；当存在两层或多层的能量采集子层时，为了对于每一能量采集子层分别进行管理，可设置与能量采集子层的层数相对应的能量管理子层和/或能量存储子层；另外，当存在两层或多层的能量采集子层、能量管理子层和能量存储子层时，他们既可顺序叠加放置，也可交叉放置，只要每一能量采集子层和能量存储子层均分别与所述能量管理子层相应电连接即可。总之，在实际应用中，可根据实际需求的不同，灵活地更改和设置每一膜层的厚度、各个膜层的排列组合方式、放置方式甚至封装方法，本发明对此不作任何限制，本领域技术人员能够想到的所有可能的修改、等同替换均落入本发明的保护范围内。

另外，在能量管理层3采用柔性电路板、其他各膜层采用柔性薄膜的情况下，本发明可再生能源模块为柔性的，基于该柔性特质，本发明可再生能源模块的应用范围更广，使用更方便。当然，对于无须柔性特质的应用场合中，所述可再生能源模块各膜层的材料选择上将会更广泛。也就是说，可再生能源模块柔性/非柔性等特点决定于其实际应用的需要以及制作材料、工艺的选择，本发明对其不作限制，也不再赘述。

根据上述技术方案，本发明可再生能源模块通过引入分别与能量采集层和能量存储层电连接的能量管理层，并通过能量管理层对于能量采集层、能量存储层以及整个可再生能源模块的管理和控制，可以高效地收集外界环境中的光能、压电能量、热电能量和/或电磁感应能量等可再生能源能量，将收集到的这些可再生能源能量转换为可便于使用的电能，为手机、mp3、数码相机、笔记本电脑等电子产品提供能量供给，尤其适用于功率小于1W的智能终端设备，其不仅能够解决能源短缺的问题，而且还能够起到保护环境、减少污染的作用。

根据本发明的另一方面，还提出一种可再生能源模块的制备方法，如图15所示，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1，分别制备能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4，其中，所述能量采集层2用于采集可再生能源，并将其转化为以电能形式存在的能量，所述能量管理层3用于将所述能量采集层2采集得到的能量传输至所述能量存储层4进行存储，对于所述能量采集层2和能量存储层4的输入或输出以及可再生能源模块的状态进行管理和控制，接收外部输入信号及向外部输出控制和状态信号，并将所述能量存储层4存储的电能输出出去；所述能量存储层4配置有电能输入和输出端口，用于根据所述能量管理层3的控制，通过电能输入端口储存接收到的能量，并通过电能输出端口将能量输出给所述能量管理层3；

其中，所述能量采集层2为可采集光子能量的发电单元、可采集压电能量的发电单元、可采集热电能量的发电单元、可采集电磁感应能量的发电单元、可采集人体动能能量的发电单元、可采集生物电能量的发电单元和/或可采集环境噪音能量的发电单元等发电单元。

上述采集各种可再生能源的发电单元属于现有的部件，其各自的制备方法本发明不再赘述也不作任何限制。

其中，所述能量管理层3由电子元件、控制芯片和安装所述电子元件与控制芯片的电路板组成。

进一步地，所述能量管理层包括冷启动电荷泵单元、电能参数转换单元、充放电保护管理单元、最大功率点跟踪控制单元、备用能源管理单元、稳压输出单元，系统监测传输单元和中央控制单元，其中：

所述冷启动电荷泵单元用于在所述可再生能源模块处于初始状态时，提供聚能功能；

所述电能参数转换单元用于对于所述能量采集层输出的电能参数进行转换和调节，产生高电平充电脉冲信号以匹配所述能量存储层对于存储电能所需参数的要求；

所述充放电保护管理单元用于实时监测所述能量存储层的工作电压，根据所述能量存储层的工作电压值，控制所述能量存储层的充电输入或放电输出；

所述最大功率点跟踪控制单元用于利用最大功率点跟踪控制所述能量采集层的输出电压，以提高所述能量采集层的输出效率；

所述备用能源管理单元用于监测外界可再生能源及所述可再生能源模块应用的系统中存在的多种备用电能的强度，并记录监测结果以为所述中央控制单元的能源智能切换提供决策参数；

所述稳压输出单元用于对于所述能量存储层的输出进行稳压和调压操作以达到工作电压的要求；

所述系统监测传输单元用于对于整个可再生能源模块的工作状态进行监测，并把监测所得到的数据通过有线或无线的方式发送出去；

所述中央控制单元与各个单元连接，用于在多种备用能量源之间进行智能切换，并对所述各个单元进行控制和协调。

其中，所述能量存储层4为能量储存装置，比如超薄锂离子聚合物、固态锂离子充电膜等可充放电类储电单元。

上述采集各种能量储存装置属于现有的部件，其各自的制备方法本发明不再赘述也不作任何限制。

在本发明一实施例中，所述步骤1中，所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4共用一块通用基底5，即所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4通过所述通用基底5融合为一体，或者说，通过所述通用基底5将能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4融合为一体后，所述通用底层5已经成为了它们共有的内部结构的一部分。换句话说，对于可适用的情况，在步骤1之后还包括步骤1A：对所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行通用基底融合，如图16所示。

步骤2，将所述能量采集层2和能量存储层4分别与所述能量管理层3进行电连接，得到可再生能源模块。

在本发明一实施例中，所述制备方法还包括：

步骤3，在所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4的外围制备外部封装层1，以对所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹。

其中，所述外部封装层1封装包裹的内部空间呈真空压紧状态，所述外部封装层1不仅能够使可再生能源通过，而且还能够起到固定压紧中间层、防水、防尘、防化学污染的作用。

其中，所述外部封装层1通过封装工艺将所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4封装起来，而所述能量管理层3与能量采集层2和能量存储层4之间通过电路实现连接，以对所述能量采集层2和能量存储层4进行参数调节、监控和管理。需要特别注意的是，当所述能量存储层4以锂离子为介质时，由于锂离子电池的工作温度范围为-10°-60℃，因此，鉴于所述能量存储层4对于温度的要求，所述能量管理层3与其他各层的电路连接不宜采用通常的印刷电路板(PCB)元件焊接工艺(比如手工焊接、波峰焊与回流焊)，而适合采用类似注银导电胶(Silverfilledconductiveglue)或导电环氧树脂(Conductiveepoxy)等能够在常温下凝固的导电粘合剂来实现电路连接。

其中，所述步骤1中制备的能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4为至少一层，能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4均为一层的情况比较简单，能量采集层2和能量存储层4分别与能量管理层3电连接即可，这里不再赘述。对于所述能量采集层2、能量管理层3和能量存储层4包括两层或多层子层的情况，在这种情况下，各子层的个数可根据实际应用的需要灵活设置，比如，当需要加倍收集某一可再生能源的能量时，可设置两层或多层可收集同一类型可再生能源的能量采集子层；当需要同时收集两种或多种可再生能源的能量时，可设置两层或多层可收集不同类型可再生能源的能量采集子层；当需要更大的能量存储空间来储存收集到的能量时，可设置两层或多层的能量存储子层。另外，当存在两层或多层的能量采集子层时，为了对于每一能量采集子层分别进行管理，可设置与能量采集子层的层数相对应的能量管理子层和/或能量存储子层；当存在两层或多层的能量采集子层、能量管理子层和能量存储子层时，他们既可顺序叠加放置，也可交叉放置，只要每一能量采集子层和能量存储子层均分别与所述能量管理子层相应电连接即可。

需要说明的是，上述实施例仅为示意性的说明，除了上述实施例所提及的情况，所述能量采集层、能量管理层和能量存储层的结构选择和放置方式还有很多，在实际应用中，可根据实际需求的不同，灵活地更改和设置每一膜层的厚度、各个膜层的排列组合方式、放置方式甚至封装方法，本发明对此不作任何限制，本领域技术人员能够想到的所有可能的修改、等同替换均落入本发明的保护范围内。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可再生能源模块，其特征在于，该模块包括：能量采集层、能量管理层和能量存储层，其中：

所述能量采集层、能量管理层和能量存储层之间电连接；

2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，还包括外部封装层，所述外部封装层对于所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹。

3.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述能量管理层包括冷启动电荷泵单元、电能参数转换单元、充放电保护管理单元、最大功率点跟踪控制单元、备用能源管理单元、稳压输出单元，系统监测传输单元和中央控制单元，其中：

4.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述能量采集层包括一层或多层能量采集子层，和/或所述能量管理层包括一层或多层能量管理子层，和/或所述能量存储层包括一层或多层能量存储子层，每一能量采集子层和能量存储子层均分别与所述能量管理子层相应电连接。

5.根据权利要求4所述的模块，其特征在于，所述能量采集子层所采集的可再生能源相同或不同。

6.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，利用基于聚酰亚胺材料的通用基底将所述可再生能源模块的各膜层结合在一起。

7.一种可再生能源模块的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，所述能量采集层、能量管理层和能量存储层共用一块基底。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在所述能量采集层、能量管理层和能量存储层的外围制备外部封装层，以对所述能量采集层、能量管理层和能量存储层进行封装包裹的步骤。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，分别制备能量采集层、能量管理层和能量存储层的步骤中，制备得到的能量采集层、能量管理层和能量存储层为至少一层。