CN111313757B - 一种基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置，主要由顶部的太阳能温差发电单元、雨能摩擦纳米发电单元和底部的薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元、电路管理、信号处理单元耦合构成，太阳能温差发电单元包括温差发电片、涂有太阳能吸热涂层的铜板以及均热板，通过吸收太阳能的热量作为温差发电热端的热源，同时设有保温腔防止热端热量散失，进而提高温差；雨能摩擦纳米发电单元通过雨滴摩擦转换为电能；底部的薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元由风能产生的机械能进而转换为电能，为薄片状的铜电极将拍打式薄膜夹在中间的三明治结构。本发明利用了环境中的太阳能、风能和雨能实现多能互补，单元合理紧凑且实用性强。

Description

一种基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点 装置

技术领域

本发明涉及温差发电自供能技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置。

背景技术

随着我国快速进入工业生产全智能化时代，工业4.0与人类生活息息相关，它对全球每一个国家、每一个人都将带来异乎寻常的影响。“智慧海洋”工程的海洋信息纽带可以把各国紧密联系在一起。“智慧海洋”工程所收集的海洋信息能够为广大发展中国家提供海洋感知、导航定位、遇险救生、灾害预防、海上通信等信息服务，确保各国海上活动的安全。

“智慧海洋”工程的信息采集需要不同的信息采集单元进行不同种类信息的采集，所以信息采集单元分布的数量多范围大，并且一般通过化学燃料电池进行供电，通常传统的化学燃料电池容量有限使用寿命短，所以需要及时更换电池以满足持续供电的要求以防止信息采集的中断，但信息采集单元数量大范围广，更换电池很困难。这样传统的化学燃料电池不仅会消耗财力、人力、物力造成环境的污染，而且很容易造成信息采集的中断；因此，在不影响信息采集单元功能的基础上，如何采集环境中的能量对其进行持续供电和自供电成为人们关注的焦点。

在自然界中，太阳能、风能、雨能等能量取之不尽用之不竭，目前，常见的能量采集方式包括太阳能发电、温差发电、压电发电等。如何将这些能源转化为电能是对信息采集单元持续供电的关键，同时，反映各方面采集信息。因此，有必要提供一种装置，能将上述能量采集方式有机地结合在一起。

发明内容

根据上述提出现有信息采集单元在更换电池时需要重新拆卸连接而导致信息采集中断、电池寿命缩短，成本高等技术问题，而提供一种基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置，一种基于太阳能温差发电(TEG，Thermoelectric PowerGeneration)、薄膜拍打式风能摩擦纳米发电(TENG，Triboelectric Nanogenerator)和雨能摩擦纳米发电(IE-TENG，Interfacial Electrification Enabled TriboelectricNanogenerator)的自供能监测节点装置。本发明主要利用TEG、TENG和IE-TENG的配合，实现太阳能、风能与雨能的多能互补，有效利用自然环境中的太阳能与风能，同时降低了环境因素变化的影响，雨天通过雨滴也能进行供电，从而保证了用于采集海洋信息的信息采集单元的持续供电与对自然环境的监测。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于太阳能温差发电和薄膜拍打式风能摩擦纳米发电的自供能装置，其特征在于，主要由顶部的太阳能温差发电单元、雨能摩擦纳米发电单元和底部的薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元耦合构成，其中，

所述太阳能温差发电单元包括温差发电片、设置于所述温差发电片上方的、作为所述温差发电片热端的涂有太阳能吸热涂层的铜板、以及设置在所述温差发电片下方的、作为所述温差发电片冷端的均热板，所述铜板的上方还设置有保温腔；

所述雨能摩擦纳米发电单元包括防水外壳、设置在所述防水外壳下方的PTFE摩擦层和亚克力基底以及设置在所述PTFE摩擦层和所述亚克力基底之间的一组铝电极；

所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元包括基底、铜电极和拍打式薄膜，所述均热板作为所述温差发电片冷端的同时又充当所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元的一端电极，所述基底作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元的另一端电极，所述铜电极负载在所述基底上，所述拍打式薄膜设置在所述铜电极的上方；

所述自供能监测节点装置还包括电路管理、信号处理单元，所述电路管理、信号处理单元分别与所述太阳能温差发电单元、所述雨能摩擦纳米发电单元和所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元电连接，用于收集电能的同时将采集到的电信号转化为数字信号，能够检测出雨量和风速的大小，其中，所述太阳能温差发电单元为所述电路管理、信号处理单元提供电能。

进一步地，所述均热板上还设有翅片，所述翅片相对或环绕设置在所述太阳能温差发电单元的两侧或周围。

进一步地，所述铜板与所述均热板之间通过螺栓固定。

进一步地，所述保温腔为一侧开口的罩体，罩在所述铜板的上方，延缓所述温差发电片的散热。

进一步地，所述基底与所述均热板构成能够容纳所述拍打式薄膜的中空矩形腔室，两侧相通供空气流通，薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元为薄片状的铜电极将拍打式薄膜夹在中间的三明治结构。

进一步地，所述雨能摩擦纳米发电单元设置在所述翅片上，所述雨能摩擦纳米发电单元与所述翅片之间设有导流坡，所述导流坡的上表面与水平面呈角度设置，使得雨能摩擦纳米发电单元与水平面呈倾斜设置，方便雨水能及时流走。

进一步地，所述防水外壳设置在所述PTFE摩擦层的上方且遮挡住其中一个铝电极，能够保证雨水不能直接接触该侧的PTFE摩擦层；所述防水外壳与所述PTFE摩擦层之间设有用于雨水流过的间隙。

进一步地，所述雨能摩擦纳米发电单元设置多于1个时，根据需要所述导流坡以水平面为基准面，水平多方向设置，满足各方向的雨滴滴落。

本发明主要采用上部为TEG单元，利用太阳能为TEG热端提供热量，TEG冷端通过均热板散热，均热板两端设置的翅片，当有风吹过时翅片能够增大均热板对冷端散热的作用，进而增大温差，从而提高了温差发电的效率；当出现降雨天气时，雨能摩擦纳米发电单元能够利用雨滴进行发电；下部为薄膜拍打式TENG单元，在风力作用下上下拍打的PTFE薄膜和两个电极接触作为摩擦纳米发电单元产生电压；通过TEG单元、IE-TENG单元与TENG单元互相互补，可同时利用太阳能、风能和雨能发电。

较现有技术相比，本发明相对于传统微型自供能装置具有以下优点：

1、本发明在TEG单元的冷端附有均热板，均热板能够加快冷端热量的散失，均热板的两端附有翅片，能够增大均热板的作用，从而增大温差发电片冷热端的温差，从而增大温差发电的效率。

2、本发明在温差发电铜板的上方设有透明的保温腔，一方面太阳光能够透过透明的保温腔为温差发电的热端提供热量，另一方面保温腔能够保证热端热量不会很快散失，进而增大冷热段温差，提高了温差发电的效率。

3、本发明的复合单元将TEG单元、雨能摩擦纳米发电IE-TENG和薄膜拍打式TENG单元有机结合，均热板不仅能够加快冷端热量的散失，而且还能够作为TENG单元的一个金属电极，进而将TEG单元与TENG单元有机的结合在了一起，同时将雨能摩擦纳米发电单元耦合在TEG单元的翅片上方，节省空间，实现了可同时利用太阳能、风能和雨能多能互补发电的自供能目的。

综上，应用本发明太阳能TEG、风能TENG和雨能IE-TENG的多能互补的自供能监测节点装置的技术方案解决了现有技术中更换电池过程中产生的诸多弊端，通过温差发电、风能、雨能和机械振动产生电能供给外部设备用电，完成自供能采集海洋信息同时也实现了对自然环境中太阳能、风能和雨能的利用，这种多能互补的自供能监测节点装置前景广阔，具有结构简单，制作成本低，实用性强等优点，基于上述理由本发明可广泛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的自供能装置的单元示意图。

图2为本发明雨能摩擦纳米发电单元的示意图。

图3为本发明设有导流坡的翅片的单元示意图。

图中：1、保温腔；2、太阳能吸热涂层；3、铜板；4、温差发电片；5、拍打式薄膜；6、螺栓；7、铜电极；8、翅片；9、均热板；10、基底；11、防水外壳；12、PTFE摩擦层；13、铝电极；14、亚克力基底；15、导流坡；16、电路管理、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薄膜拍打式风能摩擦纳米发电的自供能装置，主要由顶部的太阳能温差发电单元、雨能摩擦纳米发电单元和底部的薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元耦合构成，其中，

所述太阳能温差发电单元包括温差发电片4，在所述温差发电片4的上方设置有铜板3，涂有太阳能吸热涂层2的铜板3作为所述温差发电片4的热端，在所述温差发电片4下方设置有作为所述温差发电片4冷端的均热板9，均热板9采用金属材质制成的中空单元，中空的内部留有沸点低的介质，当均热板中间部位受热后中间部位的介质蒸发扩散到两侧，遇冷后回流，如此循环往复。所述铜板3的上方还设置有保温腔1，保温腔1为透明材质制成，为一侧开口的罩体，罩在所述铜板3的上方，延缓所述温差发电片4的散热，有效防止热量散失，从而保证了温差发电片4热端的温度。所述铜板3与所述均热板9之间通过螺栓6固定，螺栓6一方面起到固定作用，另一方面为所述温差发电片提供一定的扭矩，从而使温差发电片效果最佳。

所述均热板9上还设有翅片8，所述翅片8相对或环绕设置在所述太阳能温差发电单元的两侧(如图中所示)或周围，翅片8能够加快温差发电片4冷端温度的降低，从而加大了温差发电片两端的温差，提高了温差发电的效率。

如图2所示，顶部的所述雨能摩擦纳米发电单元包括防水外壳11、设置在所述防水外壳11下方的PTFE摩擦层12和亚克力基底14以及设置在所述PTFE摩擦层12和所述亚克力基底14之间的一组铝电极13；

为了节省空间，所述雨能摩擦纳米发电单元设置在所述翅片8上，优选地，所述雨能摩擦纳米发电单元与所述翅片8之间设有导流坡15(如图3所示)，所述导流坡15的上表面与水平面呈角度设置，通常情况下设置10°-30°的缓坡即可，满足雨滴下落后能及时流走。

所述防水外壳11设置在所述PTFE摩擦层12的上方且遮挡住其中一个铝电极13，这样设置需要保证雨滴下落时先接触一侧的铝电13，然后通过流动再接触另一侧的铝电极13，所述防水外壳11与所述PTFE摩擦层12之间设有用于雨水流过的间隙。

当雨滴下落过程中与空气摩擦会带正电，此时所述雨能摩擦纳米发电机两块铝电极13处于电势平衡状态，无电子流动。当正电雨滴在落到PTFE摩擦层12上后，在其正下方的其中一个铝电极13会感应出负电，另一个外壳下方的铝电极由PTFE感应出正电，使两个铝电极13产生了电势不平衡，电子从负电极转移到正电极，产生一次摩擦电流。

当雨水流动到两个电极上面时，在两个铝电极13上都感应出负电，此时电势平衡，没有电流产生。当水滴流到有遮板的电极上方时，这个电极感应出负电，另一个电极感应出正电，产生电势不平衡，电子从负电极流向正电极，又会产生一次摩擦电流。

当雨水通过倾斜面流出装置时，两个电极又归于平衡(以上描述是以单雨滴从下落到雨能摩擦纳米发电结构上的产电过程)。

根据上述雨能摩擦纳米发电的工作原理，IE-TENG单元所产生的电信号通过信号处理单元后能够转化为数字信号，进而能够检测出雨量的大小。

所述雨能摩擦纳米发电单元设置多于1个时，根据需要所述导流坡15以水平面为基准面，水平多方向设置，满足各方向的雨滴滴落。如图1所示，在两侧的翅片8上各设置一个雨能摩擦纳米发电单元，其中导流坡15的设置方向不同，两个坡脚分别指向相反的方向，这样设置可以保证在雨水汇聚时，从不同方向快速流走，从而保证整个装置的稳定性。

所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元包括基底10、铜电极7和拍打式薄膜5，所述均热板9作为所述温差发电片4冷端的同时又充当所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元的一端电极(即顶部的TEG单元和底部的TENG单元通过均热板9耦合为一体，不仅节省空间而且实现了多能互补)，所述基底10作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元的另一端电极，所述基底10与所述均热板9构成能够容纳所述拍打式薄膜5的中空矩形腔室，两侧相通供空气流通。所述铜电极7负载在所述基底10上，所述拍打式薄膜5设置在所述铜电极7的上方；在风力作用下上下拍打的拍打式薄膜5和两个电极接触作为摩擦纳米发电结构产生电信号，通过信号处理单元后能够转化为数字信号，进而能够检测出风速的大小。

所述自供能监测节点装置还包括电路管理、信号处理单元16，所述电路管理、信号处理单元16分别与所述太阳能温差发电单元、所述雨能摩擦纳米发电单元和所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元电连接，其中，所述太阳能温差发电单元为所述电路管理、信号处理单元16提供电能；

薄膜拍打式风能摩擦纳米发电，雨能摩擦纳米发电能够根据风能，雨能产生电能，两个单元产生的电能通过电路管理单元后会输出稳定的电信号，电信号进入信号处理单元输入端经过处理后将电信号转化成数字信号然后从输出端输出，从而能够测出风速，雨量。

本发明提供了一种基于太阳能TEG、风能TENG和雨能IE-TENG的多能互补的自供能监测节点装置，用于完成自供能采集海洋信息。顶部的TEG太阳能温差发电单元通过吸收太阳能的热量作为温差发电热端的热源，同时TEG热端做有保温腔1，防止热端热量散失，进而提高温差发电装置的温差；太阳能温差发电单元所产生的电能能够首先储存在电路管理、信号处理单元16的电容器内，然后对信号处理单元进行供电。

当出现降雨天气时，雨滴能够通过IE-TENG单元进行发电，同时可发出电信号，雨量越大，所发出的电信号越强，转化的电能越多，采集所发出的电信号通过信号处理单元后转化为数字信号，进而能够检测雨量的大小。

而自然环境中的风能一方面降低温差发电装置冷端的温度，另一方面为底部的TENG摩擦纳米发电单元提供了机械能，通过拍打式薄膜5的机械运动进而产生电能，同时发出的电信号通过信号处理单元转化为数字信号，进而能够检测出风速大小。

本发明提供的自供能装置有效利用了环境中的太阳能、风能与雨能，在完成自供能采集海洋信息的同时，实现了太阳能、风能与雨能多能互补，从而完成多维度自然环境的监测，具有较高的实用性。

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 (6)

1.一种基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置，其特征在于，主要由顶部的太阳能温差发电单元、雨能摩擦纳米发电单元和底部的薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元耦合构成，其中，

所述太阳能温差发电单元包括温差发电片(4)、设置于所述温差发电片(4)上方的、作为所述温差发电片(4)热端的涂有太阳能吸热涂层(2)的铜板(3)以及设置在所述温差发电片(4)下方的、作为所述温差发电片(4)冷端的均热板(9)，所述铜板(3)的上方还设置有保温腔(1)；

所述雨能摩擦纳米发电单元包括防水外壳(11)、设置在所述防水外壳(11)下方的PTFE摩擦层(12)和亚克力基底(14)以及设置在所述PTFE摩擦层(12)和所述亚克力基底(14)之间的一组铝电极(13)；

所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元包括基底(10)、铜电极(7)和拍打式薄膜(5)，所述均热板(9)作为所述温差发电片(4)冷端的同时又充当所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元的一端电极，所述基底(10)作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元的另一端电极，所述铜电极(7)负载在所述基底(10)上，所述拍打式薄膜(5)设置在所述铜电极(7)的上方；

所述均热板(9)上还设有翅片(8)，所述翅片(8)相对或环绕设置在所述太阳能温差发电单元的两侧或周围；

所述均热板(9)采用金属材质制成的中空结构，中空的内部留有沸点低的介质，当均热板中间部位受热后中间部位的介质蒸发扩散到两侧，遇冷后回流，如此循环往复；

所述雨能摩擦纳米发电单元设置在所述翅片(8)上，所述雨能摩擦纳米发电单元与所述翅片(8)之间设有导流坡(15)，所述导流坡(15)的上表面与水平面呈角度设置；

所述自供能监测节点装置还包括电路管理、信号处理单元(16)，所述电路管理、信号处理单元(16)分别与所述太阳能温差发电单元、所述雨能摩擦纳米发电单元和所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电单元电连接，用于收集电能的同时将采集到的电信号转化为数字信号，能够检测出雨量和风速的大小，其中，所述太阳能温差发电单元为所述电路管理、信号处理单元(16)提供电能。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置，其特征在于，所述铜板(3)与所述均热板(9)之间通过螺栓(6)固定。

3.根据权利要求1所述的基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置，其特征在于，所述保温腔(1)为一侧开口的罩体，罩在所述铜板(3)的上方，延缓所述温差发电片(4)的散热。

4.根据权利要求1所述的基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置，其特征在于，所述基底(10)与所述均热板(9)构成能够容纳所述拍打式薄膜(5)的中空矩形腔室，两侧相通供空气流通。

5.根据权利要求1所述的基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置，其特征在于，所述防水外壳(11)设置在所述PTFE摩擦层(12)的上方且遮挡住其中一个铝电极(13)，所述防水外壳(11)与所述PTFE摩擦层(12)之间设有用于雨水流过的间隙。

6.根据权利要求5所述的基于太阳能、风能与雨能多能互补的自供能监测节点装置，其特征在于，所述雨能摩擦纳米发电单元设置多于1个时，根据需要所述导流坡(15)以水平面为基准面，水平多方向设置，满足各方向的雨滴滴落。