CN110873905A - 一种基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于太阳能温差发电单元和风能TENG的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，包括：顶部的太阳能温差发电单元和底部的拍打式摩擦纳米发电‑风向标联动单元、固定在所述拍打式摩擦纳米发电‑风向标联动单元下端的温湿传感器单元以及电路管理与信号处理单元；其中，所述太阳能温差发电单元，包括温差发电部件和设置在所述温差发电部件上部的作为热端用于提供热源的储热腔室，所述温差发电部件包括温差发电片和固定在所述温差发电片冷端的用于传热的平板热管；所述太阳能温差发电单元产生的电能经导线输运至所述电路管理与信号处理单元。本发明可采集环境中的太阳能与风能进行供能，无需额外供能，实现温度、湿度、风速、风向等数据的监测。

Description

一种基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补 的自供能监测节点

技术领域

本发明涉及多能互补自供能技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，可同时实现温度、湿度、风速、风向的测量。可应用于海洋环境天气监测、海洋牧场数据监测、海上作业平台风力监测网络等领域。

背景技术

自从20世纪以来，电子产品发展迅速，已经成了如今科学进步的重要的标志。如今电子产品应用场景越来越多，并且沿着智能化、小型化、低功耗化发展。而目前传感器的供电还依赖于传统的化学电池，随着人工智能与物联网产业的发展，未来传感器结点的布置会越来越多，对传感器供电电池的更换必然是一个难题，其监测与更换必然消耗巨大的人力与财力、同时废弃电池会对环境产生巨大的污染。

在自然界中，太阳能与风能无处不在，其清洁、无污染、可再生，在能源日益紧张与环境污染污染问题日益突出的今天，合理利用自然界中的太阳能与风能具有重要意义。随着社会发展，能源需求的加大，节能意识的提高，小型温差发电装置和摩擦纳米发电装置可为温度、湿度、风速、风向传感器节点提供电能，增加自然环境中清洁能源的有效利用，因此，有必要提供一种集两者优点于一体的自供能监测节点，可利用周围环境中的清洁可再生能源对小型电子设备与传感器进行供能，对实现传感节点的自供能有巨大的战略意义。

发明内容

根据上述提出现有传感器的电池寿命短、在更换电池时需要重新拆卸连接而导致修理成本高、高温和环境污染等技术问题，而提供一种基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点。本发明主要利用环境中的太阳能与风能进行多能互补，其可综合回收利用自然界中的太阳能与风能对传感节点进行供电，从而实现风速、风向、温度、湿度的监测。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，包括：顶部的太阳能温差发电单元和底部的拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元、固定在所述拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元下端的温湿传感器单元以及电路管理与信号处理单元；其中，

所述太阳能温差发电单元，至少设置一组，包括温差发电部件和设置在所述温差发电部件上部的作为热端用于提供热源的储热腔室，所述温差发电部件包括温差发电片和固定在所述温差发电片冷端的用于传热的平板热管；

所述太阳能温差发电单元产生的电能经导线输运至所述电路管理与信号处理单元。

进一步地，所述温差发电部件是将所述温差发电片置于上、下两块铜板之间，其四角由刚性螺栓固定而成的；所述平板热管固定在下铜板上，所述平板热管的一端设有用于增强风冷散热的散热片。

进一步地，所述储热腔室为密封结构，主要包括设置在所述温差发电部件中上铜板上的由太阳能吸热薄膜制成的吸热层、置于所述吸热层上的由透光材料制成的顶层以及将所述顶层与所述吸热层四周密封起来的由保温材料制成的侧壁组成。

进一步地，所述储热腔室的下表面与所述温差发电部件的上表面之间、所述太阳能吸热薄膜与所述上铜板之间以及所述储热腔室内部均填充有导热材料。

进一步地，所述太阳能吸热薄膜采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸热薄膜。

进一步地，所述拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元包括：底座、固定在底座上的固定杆、设置在所述固定杆中部的环形电阻、通过轴承固定在所述环形电阻上端的风向标以及设在所述风向标尾端的拍打式摩擦纳米发电部件，所述电路管理与信号处理单元置于所述底座内；其中，所述拍打式摩擦纳米发电部件包括上、下绝缘的基底，置于所述基底上下表面的金属电极、置于所述金属电极内侧的铜片以及在风力作用下可上下拍打的PTEE薄膜，所述PTEE薄膜与所述铜片相连作为拍打式摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，所述铜片的另一端与固定在所述金属电极之间的作为电路负载的导电立框连接固定。

进一步地，风向标、拍打式摩擦纳米发电部件、以及底部的环形电阻，拍打式摩擦纳米发电部件振动过程的频率、电压与风速呈线性关系，可作为风速传感器检测风速，与拍打式摩擦纳米发电部件相连的风向标可根据风向自动调整至迎风位置，保证拍打式摩擦纳米发电部件始终处于工作位置。

进一步地，电路管理与信号处理单元包括电路管理模块与信号处理模块；所述太阳能温差发电单元的引出线经过风向标管路与电路管理模块相连，将太阳能温差发电单元所产生的电能进行处理，经过稳压模块处理之后为温湿度传感器单元进行供电；信号处理模块将拍打式摩擦纳米发电部件拍打的频率和电压经过一定关系式转换为风速信号，并远程发射至显示屏上。

本发明主要采用顶部为太阳能温差发电单元，利用光照产生的热量做为温差发电片的热端，冷端采用平板热管与散热翅片作为温差发电片的冷端，冷热两端产生温差从而创造了温差发电的条件；单个太阳能温差发电单元功率可达到几瓦特，可根据实际外界供电需求选择不同组数的太阳能温差发电单元。

底部的薄膜拍打式TENG单元为横置的中空柱状结构，其上下绝缘基底、两个绝缘基底相对的面上分别粘贴导电金属电极作为上下极，上下电极之间设置PTFE拍打薄膜，该薄膜与上下极板之间间距相等，其中可以在风力作用下上下拍打的PTFE薄膜和薄铜片作为摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，TENG单元的拍打频率、产生的电压与风速近似呈线性关系，通过底部的信号转换单元，可以将产生的电压信号转换为测量的风速信号，同时也可根据TENG单元随着不同风速产生不同的电压进行风速测量；风向标可随着风向的改变自动迎合风向，保证TENG处于最佳工作位置。风向标下部的环形电阻，其在360度范围内阻值逐步增加，风向标下部与一个指针相连，其指针随着风向变化而产生不同的阻值，从而起到指示风向的作用。

上述的温湿传感器固定在风向标下部支架上，太阳能温差发电单元所产生的电能通过引线连接至底部的电能处理单元，经过处理之后对温湿传感器与TENG的风速转换信号模块进行供能。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在太阳能温差发电单元的冷端贴合了平板热管结构，该部分与TENG 单元中的上电极接触。TENG单元风道中的流动空气可以在保持TEG单元冷端结点处于低温环境的基础上，加速太阳能温差发电单元冷端结点的散热，进一步扩大太阳能温差发电单元热电材料冷热端的温差，提高了太阳能温差发电单元的发电效率。

2、本发明通过顶部真空腔和底部真空腔来优化热流路径并使热电偶的两个结点之间的温差最大化。

3、在太阳能温差发电单元热端区域设置了储热腔室，其作用是使太阳能温差发电单元具有良好的隔热性，可阻止温差发电组件热端热量散失。

4、本发明将太阳能温差发电单元和薄膜拍打式TENG单元有机结合，利用TENG风道中的空气流动对平板热管结构进行散热，使太阳能温差发电单元中冷结点降温，提高了太阳能温差发电单元的发电效率。

5、本发明的风向标联动结构保证了TENG最佳的迎风位置，从而保证了风能的利用率。

6、本发明的太阳能温差发电单元功率可达到W级，在满足传感器工作用电的同时，还可将温差发电片产生的电能存储起来。

综上，本发明提供了一种新型的自供能监测节点，解决了现有技术中更换电池过程中产生的诸多弊端，通过太阳能、风能产生电能供给自身传感器监测节点用电，可同时实现温度、湿度、风速、风向等数据的测量与监测，同时，该装置可采集环境中的太阳能进行发电，对温湿传感器、TENG风速传感器信号转换模块进行供能，可有效取代传统的锂电池与蓄电池，实现自供能，大大提高了供电的续航能力，具有结构简单，制作成本低，实用性强等优点，无需检查更换，节约人力与物力，随着物联网与人工智能技术的发展，具有巨大的战略意义。

基于上述理由本发明可广泛应用于环境监测、海洋智能传感网络、风能发电等多个领域。

附图说明

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于太阳能温差发电单元和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点的结构示意图。

图2为本发明基于太阳能温差发电单元和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点的太阳能温差发电单元结构示意图。

图3为本发明基于太阳能温差发电单元和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点的风向标联动结构示意图。

图4为本发明基于太阳能温差发电单元和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点的拍打式摩擦纳米发电部件结构示意图。

图中：1、太阳能温差发电单元；11、(上、下)铜板；12、平板热管； 13、温差发电片；14、吸热层；15、顶层；16、侧壁；17、散热片；2、底部铜板；3、拍打式摩擦纳米发电部件(TENG单元)；31、铜片；32、PTFE 薄膜；33、导电立框；34、金属电极；4、风向标；5轴承；6、环形电阻；7、固定杆；8、温湿传感器单元；9、电路管理与信号处理单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，包括：顶部的太阳能温差发电单元1和底部的拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元、固定在所述拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元下端的温湿传感器单元8以及电路管理与信号处理单元 9。

如图2所示，所述太阳能温差发电单元1，至少设置一组(图1中所示为两组)，包括温差发电部件和设置在所述温差发电部件上部的作为热端用于提供热源的储热腔室，所述温差发电部件包括核心组件温差发电片13和固定在所述温差发电片13冷端的用于传热的平板热管12，为了保持温差发电片13良好的工作性能，在温差发电片13冷热端涂抹导热硅脂，减少传递过程的热阻；所述温差发电部件是将所述温差发电片13置于上、下两块铜板11之间，其四角由刚性螺栓固定而成的；所述平板热管12固定在下铜板11 上，所述平板热管12的一端设有用于增强风冷散热的散热片17。

所述储热腔室为长方体或其它规则立方体的密封结构，主要由包括设置在所述温差发电部件中上铜板11上的由太阳能吸热薄膜制成的吸热层14、置于所述吸热层14上的由透光材料制成的顶层15以及将所述顶层15与所述吸热层14四周密封起来的由保温材料制成的侧壁16组成。

所述太阳能吸热薄膜采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸热薄膜。

所述透光材料采用高透光率的材料，如树脂基透光复合材料等；所述侧壁保温材料由导热率低的材料构成，如岩棉、弹性泡沫等；

所述储热腔室的下表面与所述温差发电部件的上表面之间、所述储热腔室与所述太阳能吸热薄膜与所述上铜板11之间以及所述储热腔室内部均填充有导热材料，如导热硅胶、导热硅脂等。

所述太阳能温差发电单元1产生的电能经导线输运至所述电路管理与信号处理单元9。

上述的太阳能温差发电单元1通过底部铜板2固定在固定杆7的顶部，底部铜板2对其有良好的结构支撑和保护作用。

如图3、图4所示，所述拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元包括：底座、固定在底座上的固定杆7、设置在所述固定杆7中部的环形电阻6、通过轴承5固定在所述环形电阻6上端的风向标4以及设在所述风向标4尾端的拍打式摩擦纳米发电部件3，所述电路管理与信号处理单元9置于所述底座内。

所述拍打式摩擦纳米发电部件3包括上、下绝缘的基底，置于所述基底上下表面的金属电极34、置于所述金属电极34内侧的铜片31以及在风力作用下可上下拍打的PTEE薄膜32，所述PTEE薄膜32与所述铜片31相连作为拍打式摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，所述铜片31的另一端与固定在所述金属电极34之间的作为电路负载的导电立框33连接固定。

上、下金属电极34及上、下绝缘的基底通过亚克力板固定与导电立框 33一同构成用于空气流通的风道，在风力的作用下，置于框架中部的PTFE 薄膜32上下摆动。当PTFE薄膜32与中部铜片31相互接触时，会在PTFE 薄膜32表面形成带负电性的表面电荷，在上或下金属电极34的薄铜片表面产生带正电的电荷。当这PTFE薄膜32与顶部薄铜片或底部薄铜片的表面在风力作用而发生分离时，PTFE薄膜32与顶部薄铜片或底部薄铜片中间会形成一个小的空气间隙，并在PTFE薄膜32和薄铜片之间形成感应电势差。由于PTFE薄膜32与薄铜片之间通过具有一定负载的导电立框33连接在一起，电子会通过导电立框33从PTFE薄膜32流向薄铜片，形成一个反向的电势差来平衡静电场。当两个摩擦层中间的空气间隙闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。电子在作为电极的中部铜片31与顶部薄铜片或底部薄铜片之间的移动产生电流。所产生的电流通过上电极和下电极连接到外部电路，为外界负载供电。

风向标4及环形电阻6位于TENG单元的前部，风向标4可根据风向自动调整本身位置，使拍打式摩擦纳米发电部件3始终保持迎风的状态，可保证拍打式摩擦纳米发部件3在各个风向上都能保持工作状态，风向标4下部为一个环形电阻6，其在360度范围内阻值逐步增加，起到通过阻值大小的改变指示风向的作用，优选地在风向标4下部可以与一个指针相连，其指针在随着风向变化而产生不同的阻值，通过指针指示风向。

风向标4、拍打式摩擦纳米发电部件3、以及底部的环形电阻6，拍打式摩擦纳米发电部件3振动过程的频率、电压与风速呈近似线性关系，可作为风速传感器检测风速，与拍打式摩擦纳米发电部件3相连的风向标4可根据风向自动调整至迎风位置，保证拍打式摩擦纳米发电部件3始终处于工作位置。

温湿传感器单元8固定于风向标5下端的固定杆7上。

电路管理与信号处理单元9包括电路管理模块与信号处理模块；所述太阳能温差发电单元1的引出线经过风向标管路与电路管理模块相连，将太阳能温差发电单元1所产生的电能进行处理，经过稳压模块处理之后为温湿度传感器单元8进行供电；整流桥，电容等电子元件可将拍打式摩擦纳米发电部件3产生的交流电转化为直流电并进行储存，以便为传感器提供正确的工作电压。信号处理模块将拍打式摩擦纳米发电部件3拍打的频率和电压经过一定关系式转换为风速信号，并远程发射至显示屏上。

以智能船舶应用为例，利用船舶甲板的太阳能以及船舶航行过程中的风能，可通过本装置实现多种自供能的传感监测节点，为下一代智能船舶的应用提供数据支持。同时，自供能装置底部的TENG单元中流动的空气可以冷却TEG单元中的平板热管从而对冷端结点进行冷却，在保持冷端结点低温环境的基础上，进一步增大了热电材料冷热端的温差，提高了TEG单元的发电效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，包括：顶部的太阳能温差发电单元和底部的拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元、固定在所述拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元下端的温湿传感器单元以及电路管理与信号处理单元；其中，

所述太阳能温差发电单元，至少设置一组，包括温差发电部件和设置在所述温差发电部件上部的作为热端用于提供热源的储热腔室，所述温差发电部件包括温差发电片和固定在所述温差发电片冷端的用于传热的平板热管；

所述太阳能温差发电单元产生的电能经导线输运至所述电路管理与信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，所述温差发电部件是将所述温差发电片置于上、下两块铜板之间，其四角由刚性螺栓固定而成的；所述平板热管固定在下铜板上，所述平板热管的一端设有用于增强风冷散热的散热片。

3.根据权利要求2所述的基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，所述储热腔室为密封结构，主要包括设置在所述温差发电部件中上铜板上的由太阳能吸热薄膜制成的吸热层、置于所述吸热层上的由透光材料制成的顶层以及将所述顶层与所述吸热层四周密封起来的由保温材料制成的侧壁组成。

4.根据权利要求3所述的基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，所述储热腔室的下表面与所述温差发电部件的上表面之间、所述太阳能吸热薄膜与所述上铜板之间以及所述储热腔室内部均填充有导热材料。

5.根据权利要求3所述的基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，所述太阳能吸热薄膜采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸热薄膜。

6.根据权利要求1所述的基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，所述拍打式摩擦纳米发电-风向标联动单元包括：底座、固定在底座上的固定杆、设置在所述固定杆中部的环形电阻、通过轴承固定在所述环形电阻上端的风向标以及设在所述风向标尾端的拍打式摩擦纳米发电部件，所述电路管理与信号处理单元置于所述底座内；其中，所述拍打式摩擦纳米发电部件包括上、下绝缘的基底，置于所述基底上下表面的金属电极、置于所述金属电极内侧的铜片以及在风力作用下可上下拍打的PTEE薄膜，所述PTEE薄膜与所述铜片相连作为拍打式摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，所述铜片的另一端与固定在所述金属电极之间的作为电路负载的导电立框连接固定。

7.根据权利要求1所述的基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，风向标、拍打式摩擦纳米发电部件、以及底部的环形电阻，拍打式摩擦纳米发电部件振动过程的频率、电压与风速呈线性关系，可作为风速传感器检测风速，与拍打式摩擦纳米发电部件相连的风向标可根据风向自动调整至迎风位置，保证拍打式摩擦纳米发电部件始终处于工作位置。

8.根据权利要求1所述的基于太阳能温差发电和拍打式摩擦纳米发电的多能互补的自供能监测节点，其特征在于，电路管理与信号处理单元包括电路管理模块与信号处理模块；所述太阳能温差发电单元的引出线经过风向标管路与电路管理模块相连，将太阳能温差发电单元所产生的电能进行处理，经过稳压模块处理之后为温湿度传感器单元进行供电；信号处理模块将拍打式摩擦纳米发电部件拍打的频率和电压经过一定关系式转换为风速信号，并远程发射至显示屏上。

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