CN111313742B - 用于摩擦纳米发电机的电源管理模块以及智能浮标系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于摩擦纳米发电机的电源管理模块，用于处理由摩擦纳米发电机产生的电能，该电源管理模块包括：整流降压模块，用于对摩擦纳米发电机产生的电能进行整流降压处理，并输出直流信号；储存模块，电连接于整流降压模块的后端，用于储存该直流信号的电能；以及稳压模块，电连接于储存模块的后端，用于输出电压稳定的直流信号以供后端的负载使用。本发明还提供了一种自驱动智能浮标系统，其包括：摩擦纳米发电机，用于采集海洋波动能以产生电能；上述的电源管理模块；以及负载，由经过电源管理模块处理后的电能为负载供能。

Description

用于摩擦纳米发电机的电源管理模块以及智能浮标系统
技术领域
本发明涉及摩擦发电技术领域，具体地，涉及一种用于摩擦纳米发电机的电源管理模块和相应的自驱动智能浮标系统。
背景技术
海洋面积占整个地球面积的70％，它为人类可持续发展提供区域和能源保障。海洋中的浮标作为导航标志、夜间照明和海洋监测设备，是一种需要长期和持续供能的重要设施。到现在为止，海洋浮标的供能还是依靠燃料和电池，这种供能手段存在着寿命短、价格昂贵和潜在的环境污染等问题，因此急需一种可持续的能源供给策略。
近年来，摩擦纳米发电机被发明用来收集周围环境的机械能。与传统的电磁发电机相比，摩擦纳米发电机具有制备简单、能量密度高和工作频率低等优点。但是由于摩擦纳米发电机具有很大的内阻和不稳定的匹配阻抗，其输出通常是不稳定的随机交流电，难以提供稳定的直流电压。而在实际应用中，系统却经常需要稳定的直流电压才能正常工作，这样便极大限制了摩擦纳米发电机的适用范围。
发明内容
针对上述问题，本发明的一方面提出了一种用于摩擦纳米发电机的电源管理模块，用于处理由摩擦纳米发电机产生的电能，以产生稳定的直流电压。该电源管理模块包括：
整流降压模块，其电连接于所述摩擦纳米发电机的后端，用于对所述摩擦纳米发电机产生的电能进行整流降压处理，并输出直流信号；
储存模块，其电连接于所述整流降压模块的后端，用于储存所述直流信号的电能；以及
稳压模块，其电连接于所述储存模块的后端，用于输出电压稳定的直流信号以供后端的负载使用。
在一些实施例中，所述稳压模块包括电压比较器和直流降压电路；
其中，通过所述电压比较器和直流降压电路，将所述储存模块输出的电能转换为电压稳定的直流信号。
在一些实施例中，所述稳压模块还包括电子开关，用于开启或关闭为所述负载的供电；
其中，所述电子开关自身工作所需的电能由所述摩擦纳米发电机提供。
在一些实施例中，所述稳压模块根据所述储存模块两端电压的变化，调控所述电子开关的开启和关闭。
在一些实施例中，当所述储存模块两端的电压高于第一阈值时，所述稳压模块控制所述电子开关开启；以及
当所述储存模块两端的电压低于第二阈值时，所述稳压模块控制所述电子开关关闭。
本发明提供了一种自驱动智能浮标系统，包括：
摩擦纳米发电机，用于采集海洋波动能以产生电能；
如上所述的电源管理模块，用于处理由所述摩擦纳米发电机产生的电能；以及
负载，由经过所述电源管理模块处理后的电能为所述负载供能。
在一些实施例中，所述负载包括微控制器和多个传感器；
其中，所述传感器电连接于所述微控制器的后端；以及
所述微控制器用于控制各个传感器的开启和关闭，以使系统中的能量利用效率最大化。
在一些实施例中，所述传感器包括如下的至少一种：
温度传感器、磁场强度传感器、风速传感器、加速度传感器和湿度传感器。
在一些实施例中，所述负载还包括发射器，用于在所述微控制器的控制下，将所述传感器测得的海洋环境信息通过天线发送给外部的接收设备。
在一些实施例中，所述微控制器还用于对所述电源管理模块的储存模块进行能量监控，并根据所述储存模块两端的电压值来改变所述发射器的发射频率。
基于上述技术方案可知，本发明至少取得了以下有益效果：
本发明提出的电源管理模块，通过整流降压模块、储存模块和稳压模块的作用，实现了将摩擦纳米发电机输出的不稳定的随机交流电转换为稳定的直流电，大大提高了摩擦纳米发电机的适用范围。本发明提出的自驱动智能浮标系统，采用摩擦纳米发电机收集海洋波动能，并结合上述的电源管理模块，实现了为浮标系统高效、稳定、长续航、环保的供能。
附图说明
图1为本发明实施例的电源管理模块的电路图；
图2为本发明实施例的自驱动智能浮标系统的能量、信息流向图；
图3为本发明实施例的自驱动智能浮标系统在不同位置处的电压-时间图；
图4(a)和图4(b)为图3中部分区域的放大图。
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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
图1为本发明实施例的电源管理模块的电路图，可以理解的是，该电路图仅用于反映电源管理模块的原理，并不代表其具体电路结构。参照图1，本发明提供了一种用于摩擦纳米发电机1的电源管理模块，用于处理摩擦纳米发电机1产生的电能。该电源管理模块包括整流降压模块2、储存模块3和稳压模块4。
整流降压模块2电连接于摩擦纳米发电机1的后端，包括整流电路和直流降压电路。摩擦纳米发电机1产生的通常是不稳定的随机交流电，由整流降压模块2对摩擦纳米发电机1产生的电能进行整流降压处理后，输出直流信号。
储存模块3电连接于整流降压模块2的后端，用于储存整流降压模块2输出的直流信号。
稳压模块4电连接于储存模块3的后端，用于输出电压稳定的直流信号以供后端的负载使用。图1中，后端的负载用R来表示，并不代表负载仅包括一个电阻。
本发明实施例中的电源管理模块，先由整流降压模块2将摩擦纳米发电机1产生的随机交流电转换为直流电；再通过储存模块3将电能储存起来，用于驱动系统持续的工作；并通过稳压模块4调控储存模块3的输出，以输出稳定的直流电压。例如，输出的电压稳定在不低于2.5V。通过这样的设置，大大提高了摩擦纳米发电机的适用范围。
根据一些实施例，稳压模块4还包括电压比较器和直流降压电路。在电压比较器和直流降压电路的作用下，将储存模块3输出的电能转换为电压稳定的直流信号。该直流降压电路可以为Buck直流降压电路。
根据一些实施例，稳压模块4还包括电子开关S2，用于开启或关闭为负载R的供电；电子开关S2自身工作所需的电能也由摩擦纳米发电机1提供。稳压模块4可根据储存模块3两端电压US的变化，调控电子开关S2的开启和关闭。
例如，当储存模块3两端的电压US高于第一阈值时，稳压模块4控制电子开关开启；当储存模块3两端的电压US低于第二阈值时，稳压模块4控制所述电子开关关闭。在一个具体实施例中，第一阈值约为4.8V，第二阈值约为2.75V。
该储存模块3可以为一个电容，电容容量可为3mF-5mF，当然其电容电量不局限于此。
上述的电源管理模块可应用于自驱动智能浮标系统中。目前，海洋浮标的供能主要还是依靠燃料和电池，这种供能手段存在着寿命短、价格昂贵和潜在的环境污染等问题。海洋存在着无限的能源，如太阳能、风能、潮汐能和波动能等，在所有的能源中，波动能具有分布广泛、不受天气和季节影响稳定输出的特点。
因此，本发明还提供一种自驱动智能浮标系统，其包括摩擦纳米发电机、如上所述的电源管理模块和负载。摩擦纳米发电机用于采集海洋波动能，以产生电能；电源管理模块用于处理由摩擦纳米发电机产生的电能；由经过电源管理模块处理后的电能为负载供能。
参照图2，为本发明实施例的自驱动智能浮标系统的能量、信息流向图。根据一些实施例，自驱动智能浮标系统的负载包括微控制器5和多个传感器7。传感器7电连接于微控制器5的后端；由微控制器5控制各个传感器7的开启和关闭，以使系统中的能量利用效率最大化。例如，传感器7可以包括如下的至少一种：温度传感器、磁场强度传感器、风速传感器、加速度传感器以及湿度传感器。
根据一些实施例，自驱动智能浮标系统的负载还包括发射器8。在微控制器5的控制下，发射器8将传感器7测得的海洋环境信息通过天线发送给外部的接收设备。例如，发射器8将信息发送给接收器9，并由计算机终端进行处理。
根据一些实施例，微控制器5分别可通过电子开关61和电子开关62来控制传感器7和发射器8的开启和关闭。可以理解的是，电子开关61和62并不同于稳压模块4中的电子开关S2；电子开关61和62也可被视为负载的一部分，其工作所需的能量同样来源于摩擦纳米发电机1产生的电能。
微控制器5还可对储存模块3进行能量监控，并根据储存模块3两端的电压值来改变发射器8的发射频率。例如，当储存模块3两端的电压值较低但仍高于第二阈值时，可通过降低发射器8的发射频率，提高发射数据的时间间隔，来降低能耗，延长系统的工作时间。
本发明提供的自驱动智能浮标系统，从能量流向来看，海洋中的波动能不受时间、天气和季节的影响，摩擦纳米发电机1不断收集这种不规则的机械能并转化为电能，这种电能是不能直接供给后端的负载直接使用的，需要通过整流降压模块2来降低匹配阻抗且转化为直流。这样的设置能使得摩擦电能获得了最大的转化效率和利用效率。进一步地，由于这些能量不能立即被后端的负载及时消耗掉，为了整个浮标系统实现持续、稳定的工作，储存模块3将多余的能量储存起来，用于驱动整个系统持续的工作。稳压模块4调控储存模块3中输出稳定的直流电压，并通过微控制器5智能分配给各个传感器7、电子开关61或62及发射器8。这些能量都来源于摩擦纳米发电机1收集的海洋波动能。
从信息流向来看，整个系统在持续的工作中，传感器7能收集海洋的信息，如磁场强度、温度、湿度、加速度等，这些信息可以及时的传送给微控制器5，并由发射器8无线发射给远端的接收器9，完成无线网络节点的信息收集和传输。
在一个具体的实施例中，参照图3，图3中上方的曲线为图1中的US处的电压-时间图，下方的曲线为图1中U0处的电压-时间图；即US为储存模块3两端的电压，U0为稳压模块4输出端的电压。本实施例中，初始状态下，摩擦纳米发电机以2Hz的频率开始收集海水波动能，储能器两端的电压US逐渐上升。约0.2h时，US达到第一阈值4.8V，此时，稳压模块中的电子开关开启，经过稳压模块处理后，输出端的电压U0为稳定的2.5V的直流电，后端负载进入正常工作状态。工作一段时间后，约0.8h时，摩擦纳米发电机的工作频率降低为1Hz，US的值先逐渐降低，最终维持在4.2V左右，此过程中，在稳压模块的作用下，U0仍然维持在2.5V的恒定输出不变。随后，约1.25h时，摩擦纳米发电机停止工作，US的值降低。在US的值降低至第二阈值2.75V前，U0仍能维持在2.5V的恒定输出；直到US的值低于第二阈值2.75V后，稳压模块中的电子开关关闭，U0为0，系统进入休眠状态。此后，约1.6h时，摩擦纳米发电机重新以2Hz的频率开始工作，US的值逐渐上升，直到Us再次达到第一阈值4.8V后，稳压模块中的电子开关开启，后端负载被唤醒，再次开始工作，以此类推。
进一步参照图4(a)，该时段内摩擦纳米发电机的工作频率为2Hz，US维持在4.8V左右，微控制器控制发射器发射第一次数据时，US由4.85V降到4.67V，但随后在摩擦纳米发电机的持续供能下又逐渐升高；在发射第二次数据时，US由4.8V下降到4.65V，从图中可见，两次发射的时间间隔为30s。参照图4(b)，该时段内间，摩擦纳米发电机的工作频率为1Hz，US维持在4.2V左右，从图中可见，此时两次发射的时间间隔为60s。当US的值更低时，可通过微控制器进一步延长发射器两次发射的时间间隔，例如延长为90s，以降低能耗，延长系统的工作时间。
综上，本发明实施例中，采用摩擦纳米发电机收集海洋波动能，并通过整流降压模块、储存模块和稳压模块的作用，实现了将摩擦纳米发电机输出的不稳定的随机交流电转换为稳定的直流电，进一步实现了为浮标系统高效、稳定、长续航、环保的供能。
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，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 (8)

1.一种用于摩擦纳米发电机的电源管理模块，用于处理由所述摩擦纳米发电机产生的电能，其特征在于，所述电源管理模块包括：
整流降压模块，电连接于所述摩擦纳米发电机的后端，用于对所述摩擦纳米发电机产生的电能进行整流降压处理，并输出直流信号；
储存模块，电连接于所述整流降压模块的后端，用于储存所述直流信号的电能；以及
稳压模块，电连接于所述储存模块的后端，用于输出电压稳定的直流信号以供后端的负载使用；
所述稳压模块还包括电子开关，用于开启或关闭为所述负载的供电；
所述稳压模块根据所述储存模块两端电压的变化，调控所述电子开关的开启和关闭；当所述储存模块两端的电压高于第一阈值时，所述稳压模块控制所述电子开关开启；当所述储存模块两端的电压低于第二阈值时，所述稳压模块控制所述电子开关关闭；
其中，所述摩擦纳米发电机用于采集海洋波动能以产生电能，所述负载包括微控制器。
2.根据权利要求1所述的电源管理模块，其特征在于，
所述稳压模块包括电压比较器和直流降压电路；
其中，通过所述电压比较器和直流降压电路，将所述储存模块输出的电能转换为电压稳定的直流信号。
3.根据权利要求2所述的电源管理模块，其特征在于，
所述电子开关自身工作所需的电能由所述摩擦纳米发电机提供。
4.一种自驱动智能浮标系统，包括：
摩擦纳米发电机，用于采集海洋波动能以产生电能；
根据权利要求1-3中任一项所述的电源管理模块，用于处理所述摩擦纳米发电机产生的电能；以及
负载，由经过所述电源管理模块处理后的电能为所述负载供能。
5.根据权利要求4所述的自驱动智能浮标系统，其特征在于，
所述负载包括微控制器和多个传感器；
其中，所述传感器电连接于所述微控制器的后端；以及
所述微控制器用于控制各个传感器的开启和关闭，以使系统中的能量利用效率最大化。
6.根据权利要求5所述的自驱动智能浮标系统，其特征在于，
所述传感器包括如下的至少一种：
温度传感器、磁场强度传感器、风速传感器、加速度传感器和湿度传感器。
7.根据权利要求5所述的自驱动智能浮标系统，其特征在于，
所述负载还包括发射器，用于在所述微控制器的控制下，将所述传感器测得的海洋环境信息通过天线发送给外部的接收设备。
8.根据权利要求7所述的自驱动智能浮标系统，其特征在于，
所述微控制器还用于对所述电源管理模块的储存模块进行能量监控，并根据所述储存模块两端的电压值来改变所述发射器的发射频率。
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