CN111355403B - 一种水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，包括俘能模块、储能模块、微型电子器件安装模块和调节水深模块；俘能模块包括半球壳状摩擦俘能装置和由多条带状压电器件组成的压电俘能装置；带状压电器件固定在半球壳状摩擦俘能装置下端。调节水深模块由用于接收外界信号的信号接收器和调节水深装置组成，调节水深装置通过调节收集器的整体浮力实现收集器的水深调节。其他模块安装在半球壳内部。本发明具有优越的仿真性，可提高器件的隐蔽性，并且与微型电子器件具有高契合度，对器件保护性好，同时发明是能实现个体工作的，不需要有其他物体作为依托物，对适用区域限制少。可实现在海洋任何深度的自由布置，使用范围广。
Description
技术领域
本发明属于海洋能量收集领域，尤其涉及一种水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器。
背景技术
随着人类对海洋资源的开发利用，海洋电子设备如海洋传感器的需求数量急剧增多且使用范围迅速扩大。这些传感器服务领域众多，包括海洋气候研究、海洋环境监测、海洋资源探测等民用领域及潜艇监测等军事领域。服役环境复杂多变，包含海面、浅海、深海及海底等诸多区域。海洋电子设备这些特殊性，给使用传统方式供电带来诸多问题。传统供电主要方式包括电化学电池供电和电网供电。海洋电子设备回收难度较大，电池更换困难。电量耗尽后设备无法正常工作，废旧电池也会引起海洋环境污染。另外海洋电子设备范围分散且服役环境复杂，因此传统电网供电难以实现。
针对上述痛点，亟需研发设计海洋能量收集器进行海洋能量收集，从而持续地为这些电子设备永久供电。海洋中存在广泛的机械能，如洋流、潮汐和波浪，这些能量取之不尽用之不竭。本发明专利采用水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，可以同时收集海洋中的振动能量和摩擦能量，实现对这些海洋机械能绿色高效的能量收集，从而为海洋电子设备进行持续永久的供电。
自然界中，广阔的海洋蕴藏着巨大的海洋能量，目前我们已经可以通过建造水电站对流动的海水转化为电能为生活生产所利用。在海洋中，振动和摩擦无处不在，海水自身的振动和海水自身的摩擦，振动和摩擦的过程也可以是一种能量转化的过程。不少研究人员又将眼光放在了利用摩擦电和压电进行对海洋能源的俘能。在海洋中，振动和摩擦都被放大，这让压电材料在海洋中的更易发生机械变形，对摩擦电材料作用也变得更大。
随着现代科技和国防科技的发展，电子器件的体积越来越小，隐蔽性也越来越高。为满足对海洋环境和国防探测及其他对海洋监测的需要，海洋中有很多的探测器和监测器。目前，在现实生活中，微小的电子产品和器件主要是以化学电池供电，因为化学电池具有输出能量稳定等优点。但在海洋里，化学电池有着一些难以规避的缺陷。对于海洋里的微小电子器件，大多数是长期使用的，但又因为回收成本高，会被废弃。在这些电子器件中，使用化学电池则会造成对海洋环境的污染。而在海洋中，国防探测电子器件的隐蔽性十分重要，因此，体积有限的化学电池并不能满足微小电子器件的需求。这些缺陷的存在使得化学电池不能满足海洋微小探测电子器件的供能需求。
在2017年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队研究了一种仿生水母的柔性纳米发电机(bionic-jellyfish TENG,bjTENG)。其研究成果以“Water waveenergy harvesting and self-powered liquid-surface fluctuation sensing basedon bionic-jellyfish triboelectric nanogenerator”为题。该发电机通过仿生水母的运动形态，应用摩擦电技术可以实现从海水流动中获取能量并转化为电能。这种bjTENG有比较好的柔性和弹性。工作时，需要固定在海面漂浮物上，利用海浪对漂浮物和此发电机的上下振动，引起水压的变化，进而导致发电机TENG的形态变化产生电能。以PDMS做为密封保护外层，内部使用纳米聚合薄膜为摩擦电层，利用水压变化作为驱动力，进行对海洋能量的收集。另外，近几年来，国内外众多学者研究如何利用压电材料进行机械能的能量收集。压电材料可分为刚性压电材料和柔性压电材料。由于刚性材料的一些缺点，如材质较脆，不能应对较大的形变等缺点，部分学者开始研究如何使用柔性压电材料在海洋中进行海洋能量的收集。在2001年，美国Pennington海洋能技术研究组研究出了一种使用柔性压电材料PVDF水下能量收集装置。在水流的流动下，压电材料变形产生电能。此装置产生的电能足以为传感器提供电能。但上述技术方案中，器件均需要载体依托或者是固定在海底，或者是固定在海面上的船只、漂浮物等可作为基底的物体。由于对固定物体的需要，使它局限于只能在浅海进行俘能或其他功能的工作。这也对器件的适用范围产生了局限性。并且现有的俘能器件与微型电子器件契合，只能将微型电子器件与俘能器件使用电路连接的方式连接在一起使用，契合度一般，隐蔽性较差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器。
本发明采用的技术方案如下：
一种水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，包括俘能模块、用于储存俘能模块俘能的储能模块、用于安装微型电子器件的微型电子器件安装模块和调节水深模块；所述俘能模块包括半球壳状摩擦俘能装置和由多条带状压电器件组成的压电俘能装置；所述半球壳状摩擦俘能装置由两个同心半球壳电极组成，外球壳的内表面带有第一介电层，内球壳的外表面带有第二介电层，第一介电层和第二介电层极性相反；多条带状压电器件固定在半球壳状摩擦俘能装置下端。
所述调节水深模块由信号接收器和调节水深装置组成，信号接收器用于接收外界信号，调节水深装置通过调节收集器的整体浮力实现收集器的水深调节。
储能模块、微型电子器件安装模块和调节水深模块安装在半球壳状摩擦俘能装置的内部，储能模块的输入端与俘能模块相连，储能模块的输出端与微型电子器件安装模块和调节水深模块相连。
进一步地，所述带状压电器采用PVDF材料制成。
进一步地，所述储能模块包括超级电容器。
进一步地，所述调节水深装置为方形，上下板为钢板，周围侧板为电致伸缩材料PMN-PT。施加正向电压使伸缩材料PMN-PT长度收缩，调节水深装置体积减小，浮力随之减小，收集器沉入水中。反之，施加反向电压使伸缩材料PMN-PT长度增大，调节水深装置体积增大，浮力随之增大，收集器上浮。
本发明的有益效果是：
1.实现海域深度、广度全方面覆盖
该发明是能实现个体工作的，不需要有其他物体作为依托物，对适用区域限制少。可实现在海洋任何深度的自由布置，使用范围广。
2.优越的仿真性
该发明与海洋生物水母相似度高，对包括结构、外部颜色和运动形态等方面进行仿生，提高器件的隐蔽性。
3.与微型电子器件的高契合度
该发明为半球壳结构，在球壳内部设计了一个契合微型电子器件的单元，可将微型电子器件契合在球壳内部，这样与微型电子器件的契合度更高，对器件保护性也更好。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明剖面图结构示意图；
图3是本发明半球壳状摩擦俘能装置结构示意图；
图4是本发明柔性压电俘能模块示意图；
图5是储能模块电路图；
图6是水深调节装置示意图，a为初始尺寸-保持悬浮状态，b为施加正向电压-长度伸长-收集器上浮，c为施加反向电压-材料长度缩短-收集器下沉；
图中，俘能模块1、半球壳状摩擦俘能装置11、压电俘能装置12、储能模块2、微型电子器件安装模块3和调节水深模块4。
具体实施方式
本发明提供了一种水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，如图1-2所示，包括俘能模块1、用于储存俘能模块俘能和为微型电子器件供能的储能模块2、用于安装微型电子器件的微型电子器件安装模块3和调节水深模块4；所述俘能模块1包括半球壳状摩擦俘能装置11和由多条带状压电器件组成的压电俘能装置12；其中半球壳状摩擦俘能装置11由两个同心半球壳电极组成，外球壳的半径略大于内球壳，如图3所示，外球壳的内表面带有第一介电层，内球壳的外表面带有第二介电层，第一介电层和第二介电层极性相反；半球壳状摩擦俘能装置11工作时，水流从球壳上表面通过，引起外球壳发生往复滑移运动，导致两层介电材料产生相对滑动，接触面积随时间变化，从而产生电荷移动并积聚到上下两层电极上。根据静电和摩擦电机理，该力电耦合过程可表示为：
其中V1为两个电极上的电压，Q1为其上的电荷，VOC为开路电压。这些变量随滑移量改变发生变化,C1为电容，t为时间。
压电俘能装置12采用柔性压电材料制成，如图4所示，优选地，采用PVDF材料制作，PVDF是一种良好的柔性压电材料。多条丝带状压电器件安装在半球壳状摩擦俘能装置11下端，当水流从器件通过时，会引起丝带的飘动和振动，使丝带变形，利用PVDF的压电效应对海洋能量进行俘能。根据压电效应，该力电耦合过程可表示为：
其中AP为压电材料PVDF条带的面积，d为压电系数，ε为水流引起的PVDF应变，e为介电系数，V2为PVDF上下表面的电压，hP为PVDF条带的厚度,Q2为丝带状压电器件产生的电量。
上述俘能模块1整体外形、运动形态与海洋生物水母相似度高，有利于提高器件的隐蔽性。
所述调节水深模块4由信号接收器和调节水深装置组成，信号接收器用于接收外界信号，调节水深装置通过调节收集器的整体浮力实现收集器的水深调节。
储能模块2、微型电子器件安装模块3和调节水深模块4安装在半球壳状摩擦俘能装置1的内部，如图3所示，储能模块2的输入端与俘能模块1相连，将俘能模块1收集的海洋能量存入储能模块2中；储能模块2的输出端与微型电子器件安装模块3和调节水深模块4相连，为微型电子器件以及调节水深模块4提供能量。
作为优选方案，储能模块2包括一个超级电容器及相应储能电路。电路示意图见图5。使用导线将半球壳状摩擦俘能装置11中的两个电极及丝带状压电器件中的表面电极接入整流、稳压及变压电路中，使其成为稳压直流电，从而给超级电容器充电。超级电容器将这些电能进行储存，供给电子元器件(自动调节水深模块4和微型电子器件)工作。桥式整流器的工作原理如下：
其中i为充电电流，VDC为储能元件两端的电压，Vtotal为俘能器件两端的电压，R为电路中的电阻，C3为储能元件的电容。
另外，调节水深装置为方形密闭容器，容器内充有气体，如图6所示，上下板为钢板，周围侧板为电致伸缩材料PMN-PT。钢板的尺寸与壳体内径相配合。调节水深模块4中的信号接收器可接受外界发出的信号。调节水深装置根据信号接收器接受的信号，对PMN-PT施加电压调节收集器的水深，如图6a-c所示，当不施加电压时，收集器保持悬浮状态；施加正向电压使伸缩材料PMN-PT长度收缩，调节水深装置体积减小，浮力随之减小，收集器沉入水中。反之，施加反向电压使伸缩材料PMN-PT长度增大，调节水深装置体积增大，浮力随之增大，收集器上浮。
上述中，微型电子器件可是传感器、信号接收器、信号发生器等各种海洋微电子设备。将微型电子器件置于微型电子器件安装模块3中，微型电子器件安装模块3与储能模块2连接，器件即可实现电能补充，进行长时间工作。微型电子器件契合在球壳内部，这样与微型电子器件的契合度更高，对器件保护性好。
本发明的收集器是能实现个体工作的，不需要有其他物体作为依托物，对适用区域限制少。可实现在海洋任何深度的自由布置，使用范围广。
Claims (4)
1.一种水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，其特征在于，包括俘能模块(1)、用于储存俘能模块俘能的储能模块(2)、用于安装微型电子器件的微型电子器件安装模块(3)和调节水深模块(4)；所述俘能模块(1)包括半球壳状摩擦俘能装置(11)和由多条带状压电器件组成的压电俘能装置(12)；所述半球壳状摩擦俘能装置(11)由两个同心半球壳电极组成，外球壳的内表面带有第一介电层，内球壳的外表面带有第二介电层，第一介电层和第二介电层极性相反；多条带状压电器件固定在半球壳状摩擦俘能装置(11)下端；
所述调节水深模块(4)由信号接收器和调节水深装置组成，信号接收器用于接收外界信号，调节水深装置通过调节收集器的整体浮力实现收集器的水深调节；
储能模块(1)、微型电子器件安装模块(3)和调节水深模块(4)安装在半球壳状摩擦俘能装置(11)的内部，储能模块(2)的输入端与俘能模块(1)相连，储能模块(2)的输出端与微型电子器件安装模块(3)和调节水深模块(4)相连。
2.根据权利要求1所述的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，其特征在于，所述带状压电器采用PVDF材料制成。
3.根据权利要求1所述的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，其特征在于，所述储能模块(2)包括超级电容器。
4.根据权利要求1所述的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，其特征在于，所述调节水深装置为方形，上下板为钢板，周围侧板为电致伸缩材料PMN-PT；施加正向电压使伸缩材料PMN-PT长度收缩，调节水深装置体积减小，浮力随之减小，收集器沉入水中，反之，施加反向电压使伸缩材料PMN-PT长度增大，调节水深装置体积增大，浮力随之增大，收集器上浮。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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