CN112461291A - 一种模块化拼接式自供能装置及海洋生物传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化拼接式自供能装置及海洋生物传感器系统。其中模块化拼接式自供能装置包括若干个结构相同且能够组合连接的发电模块，所述发电模块包括薄膜温差发电部和水流摩擦纳米发电部；所述薄膜温差发电部包括薄膜上的P型微型热电臂和N型微型热电臂、上极板以及下极板；所述水流摩擦纳米发电部包括正电性的薄膜、负电性的薄膜、设置于所述正电性的薄膜下方的正极板以及设置于所述负电性的薄膜下方的负极板。本发明分别利用生物自身与海水之间的温差和海水流动的能量构件了自供能架构，该架构有效地结合了微纳能源技术，提高了发电效率，装置的续航能力，结构简单，实用性强。

Description

一种模块化拼接式自供能装置及海洋生物传感器系统

技术领域

本发明涉及微纳能源自供能及电气控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种模块化拼接式自供能装置及传感器系统。

背景技术

随着5G通讯网络的大力建设和推广，依托5G网络很多行业都面临着整体信息化的迭代升级。5G网络较之前的通信网络提升的不仅仅是简单的通信速度，更重要的是5G在低时延、超低功耗、多终端兼容性等层面上进行了跨越级提升。正因如此未来5G的应用，可能会促进“万物互联”技术的爆发式发展。同时传感器对于能量的需求也爆发式增长，仅仅通过电池供能不足以支撑物联网产业的发展。同样随着传感器技术、无线通讯技术、微电子技术和嵌入式应用技术的日趋成熟，无线传感器网络迅速发展。利用无线传感器网络，可以实现对所部署区域内的物理状况、环境状况、生物信息等的监测。由于无线传感器网络可以快速部署，并且有自组织，高容错率和强隐蔽性的优点，无线传感器网络可适用于海洋探测、环境监测、船舶监测等应用场合。随着“万物互联”的物联网时代的到来，我们借助海洋生物及蓝色能源对海洋的监测和探索也可以更进一步。

目前使用的海洋生物传感装置主要是使用蓄电池作为电源来工作的，由于海洋生物具有灵活、数量众多、分布范围广泛、生存环境复杂的特点，通过定期更换电池来维持海洋生物传感设备的持续工作并不现实，因此，电池的续航能力成为限制对海洋及海洋生物的生活习性以及海洋环境等的探索的主要因素。通常，需要定期更换传感器的电池，以便能够维持装置的正常工作，但是海洋生物的不便于捕捉和活动范围巨大的习性的等使得更换设备电池成为了不可能，从而导致海洋生物追踪的成本高、电池寿命缩短、环境污染等问题。

目前，自供能装置的供能方式主要有太阳能发电、温差发电、摩擦纳米发电、化学能电池和燃料电池。利用化学能电池和燃料电池一次性供电电池寿命短，而利用微纳能源为低功耗系统提供能量可以实现长期供电，具有功率密度不随时间的长短而发生变化的特点。利用海洋生物自身的体温与海洋环境中的温度差以及海洋环境中的水流能，可以分别采用热电材料和摩擦纳米发电材料在不使用外部电源的情况下实现简单的能量转换结构，为海洋生物传感装置供电。

综上，微型温差发电装置在具有稳定温度差的环境中可以发挥显著效果，水流摩擦纳米发电装置在海洋生物移动的环境中可以发挥显著效果。海洋生物在海洋中正常生活时，其自身体温与海水具有稳定的温度差可为TEG装置提供充足的温度差。海洋生物在海洋中运动时与水流形成了明显的相对运动，巨大的水流能可为水流摩擦纳米发电机装置(Flu-TENG)提供充足水流源。随着人类对海洋生物的进一步探索，微型温差发电装置和摩擦纳米发电装置可为海洋生物传感设备提供持续稳定的电能，促进人类对于海洋位置领域及生物的进一步探索，因此，有必要提供一种集两者优点于一体的自供能装置，推动我国海洋强国战略的进一步实施。

发明内容

本发明提供一种模块化拼接式自供能装置及传感器系统，解决了现有海洋生物传感装置在电池续航以及难以更换电池等技术问题。本发明利用生物自身与海水之间的温差和海水流动的能量，该架构有效地结合了微纳能源技术，提高了发电效率，装置的续航能力，结构简单。实用性强。

本发明采用的技术手段如下：

一种模块化拼接式自供能装置，包括若干个结构相同且能够组合连接的发电模块，所述发电模块包括薄膜温差发电部和水流摩擦纳米发电部；

所述薄膜温差发电部包括若干个呈“π”型平面阵列排布于温差薄膜上的P型微型热电臂和N型微型热电臂、上极板以及下极板，其中P型微型热电臂的冷端结点和所述N型微型热电臂的冷端结点均连接所述上极板的下表面，所述P型微型热电臂的热端结点和所述N型微型热电臂的热端结点均连接所述下极板的上表面，所述上极板的上表面与第一防水层的内侧壁接触，所述下极板的下表面与第二防水层的内侧壁接触，所述第二防水层的外侧壁与海洋生物皮肤接触；

所述水流摩擦纳米发电部包括正电性的薄膜、负电性的薄膜、设置于所述正电性的薄膜下方的正极板以及设置于所述负电性的薄膜下方的负极板；

所述第一防水层、正电性的薄膜以及负电性的薄膜通过防水薄膜衔接设置，所述防水薄膜对应第一防水层、正电性的薄膜和负电性的薄膜的位置为镂空设置，使得所述第一防水层外侧壁、正电性的薄膜和负电性的薄膜能够与水流接触。

进一步地，所述薄膜温差发电部还包括对所述薄膜温差发电部产生的电能进行临时存储的薄膜超级电容。

进一步地，各发电模块的薄膜温差发电部通过导线串联供电；发电模块的水流摩擦纳米发电部通过导线并联供电。

进一步地，所述发电模块之间通过连接针实现无缝衔接。

一种海洋生物传感器系统，包括能量存储控制集成模块、传感器模块以及如上述的模块化拼接式自供能装置；所述模块化拼接式自供能装置通过外部接口将产生的电能输送至所述能量存储控制集成模块，并通过所述能量存储控制集成模块的储能电池对所述传感器模块供电。

进一步地，所述能量存储控制集成模块以及传感器模块封装于防水外壳内部，所述防水外壳上设置有与所述模块化拼接式自供能装置连接的外部接口。

进一步地，所述能量存储控制集成模块包括电压转换模块、微弱能量收集芯片、整流滤波电路、负载开关、电池以及微处理器；

所述电压转换模块用以对模块化拼接式自供能装置中薄膜温差发电部产生的电能进行电压转换；

所述整流滤波电路用以对模块化拼接式自供能装置中水流摩擦纳米发电部产生的电能进行整流处理；

所述微弱能量收集芯片用以收集所述模块化拼接式自供能装置产生的电能；

所述负载开关根据微处理器下达的指令控制微弱能量收集芯片向电池充电以及所述电池向负载供电。

进一步地，所述能量存储控制集成模块还包括设置在所述负载开关与电池之间的电池保护模块，其用以对电池进行过冲/过放保护。

进一步地，所述微处理器的定位端口连接有卫星定位模块，通信端口连接有通信模块，保护端口连接掉电保护模块。

较现有技术相比，本发明的进步在于：

1、本发明中薄膜温差发电部每个微型热电臂都平面打印成薄膜状连接表面最两端的防水导热薄膜。底部防水层可保证热端结点不被水流侵入。相反，冷端结点与防水层贴合，通过水流进行冷端散热。底部和顶部空腔都采用高真空度密封，其作用是减少经由于水流传导和对流造成的热损失。通过这样的设计，横向热电偶在左右方向上可获得较高的温度差。

2、本发明中散热金属层与海洋环境接触，水的流动保持了海洋生物能薄膜TEG结构冷端结点低温环境的基础上，同时海水的温度会随着海洋深度的增加而降低，因此进一步增大了热电材料冷热端的温差，提高了薄膜TEG的发电效率。

3、本发明中水流摩擦纳米发电部，与水流接触的薄膜分别由具有不同电荷亲的薄膜制成，其通过薄膜下方极板引出的导线多组并联与外部接口内部连接，在水流的作用下，负电性薄膜吸引水中的正离子，正电性薄膜吸引水中的负离子，会在底部薄铜片形成符号相反的表面电荷，当流速发生改变时会产生一个反向的电势差来平衡电场，电子会发生回流。

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为本发明模块化拼接式自供能装置发电模块结构示意图。

图2为本发明模块化拼接式自供能装置发电模块侧视图。

图3为本发明模块化拼接式自供能装置发电模块俯视图。

图4为本发明模块化拼接式自供能装置发电模块薄膜温差发电部热电臂布置示意图。

图5为本发明模块化拼接式自供能装置发电模块组合示意图。

图6为本发明海洋生物传感器系统结构示意图。

图中：1、第一防水层；2、防水薄膜；3、上极板；4、下极板；5、正电性的薄膜；6、负电性的薄膜；7、薄膜超级电容；8、外部接口；9、温差发电薄膜；10、第二防水层；11、温差薄膜；12、P型微型热电臂；13、N型微型热电臂。

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1-5所示，本发明提供了一种模块化拼接式自供能装置，包括若干个结构相同且能够组合连接的发电模块，所述发电模块包括薄膜温差发电部和水流摩擦纳米发电部。上述两种微纳能源装置的衔接是通过附着在防水薄膜2上实现的。各发电模块之间通过连接针实现无缝衔接。

其中薄膜温差发电部包括若干个呈“π”型平面阵列排布于防水温差薄膜2上的P型微型热电臂12和N型微型热电臂13、上极板3以及下极板4，其中P型微型热电臂12的冷端结点和N型微型热电臂14的冷端结点均连接所述上极板3的下表面，P型微型热电臂13的热端结点和N型微型热电臂14的热端结点均连接下极板4的上表面，所述上极板3的上表面与第一防水层1的内侧壁接触，下极板4的下表面与第二防水层10的内侧壁接触。工作时第二防水层10的外侧壁与海洋生物皮肤接触。

进一步优选地，所述薄膜温差发电部还包括对所述薄膜温差发电部产生的电能进行临时存储的薄膜超级电容7。

水流摩擦纳米发电部包括正电性的薄膜5、负电性的薄膜6、设置于所述正电性的薄膜5下方的正极板以及设置于负电性的薄膜6下方的负极板。

进一步地，防水薄膜2对应第一防水层1、正电性的薄膜5和负电性的薄膜6的位置为镂空设置，使得所述第一防水层1外侧壁、正电性的薄膜5和负电性的薄膜6能够与水流接触。

再进一步优选地，各发电模块的薄膜温差发电部通过导线串联供电；发电模块的水流摩擦纳米发电部通过导线并联供电。

本发明还提供了一种海洋生物传感器系统，包括能量存储控制集成模块、传感器模块以及如上述的模块化拼接式自供能装置；所述模块化拼接式自供能装置通过外部接口将产生的电能输送至所述能量存储控制集成模块，并通过所述能量存储控制集成模块的储能电池对所述传感器模块供电。进一步地，所述能量存储控制集成模块以及传感器模块封装于防水外壳内部，所述防水外壳上设置有与所述模块化拼接式自供能装置连接的外部接口。进一步地，所述能量存储控制集成模块包括电压转换模块、微弱能量收集芯片、整流滤波电路、负载开关、电池以及微处理器；所述电压转换模块用以对模块化拼接式自供能装置中薄膜温差发电部产生的电能进行电压转换；所述整流滤波电路用以对模块化拼接式自供能装置中水流摩擦纳米发电部产生的电能进行整流处理；所述微弱能量收集芯片用以收集所述模块化拼接式自供能装置产生的电能；所述负载开关根据微处理器下达的指令控制微弱能量收集芯片向电池充电以及所述电池向负载供电。更进一步地，所述能量存储控制集成模块还包括设置在所述负载开关与电池之间的电池保护模块，其用以对电池进行过冲/过放保护。再进一步地，所述微处理器的定位端口连接有卫星定位模块，通信端口连接有通信模块，保护端口连接掉电保护模块。

下面通过具体的应用实例对本发明的方案作进一步说明。

本实施例以放置在海豚身上的生物传感器系统为例，利用海豚自身的体温以及在海洋中运动时产生的水流能，为海洋生物传感设备提供电能，实现了海洋生物及环境的监测装置的自供能。它在水中的移动产生的水流能可以为水流摩擦纳米发电机提供稳定的水流能，同时海豚自身的体温可以为海洋生物能薄膜TEG热端结点提供稳定的热能，海洋中海水的温度可以冷却薄膜TEG冷端的温度，一直保持冷端结点在海水的低温环境的基础上，同时海水的温度会随着海洋深度的增加而降低，因此进一步增大了热电材料冷热端的温差，提高了TEG的发电效率。再有，海豚会每10到12分钟跃出水面一次，为储能控制中心发送数据提供了巨大便利条件，综上所述，带状能量采集部分大大延长了本装置的使用寿命，因而可以提供更多精准以及具有科研价值的数据。

如图6所示，本系统由储能及能量控制集成模块和拼接式模块化拼接式自供能装置联合构成，其中模块化拼接式自供能装置将产生的电能通过外部接口与连接针输送到储能及能量控制单元为电池充电及负载供电。储能及能量控制集成模块和拼接式能量采集装置采用独立结构，一个能量存储控制模块可以连接数个拼接完好的拼接式能量采集装置拼接数量不受限制。

如图1-5所示，该模块化拼接式自供能装置包括：薄膜温差发电部和水流摩擦纳米发电部。上述两种微纳能源装置的衔接是通过附着在防水薄膜2上完成的。防水层2采用防水性能强且具备一定韧性的材质构成中空结构。其中薄膜微型温差发电装置是π型平面阵列排布的P型微型热电臂12和N型微型热电臂13，如图4所示，一张温差发电薄膜9左右两侧具有两组TEG，中间两侧的为冷端，左右两侧的为热端。进一步地，在温差发电薄膜9上附着薄膜超级电容7用于暂时存储水流摩擦纳米发电机产生的能量，在上极板3和下极板4中间铺设线路，在由所述P型微型热电臂12和所述N型微型热电臂13构成热电偶，其中P型微型热电臂12的冷端结点和所述N型微型热电臂13的冷端结点与所述具有良好导热性的第一防水层1的内侧壁接触，具有良好导热性的防水层1下还设有用于与冷端接触的极板3。

水流摩擦纳米发电部的结构为阵列结构，如图3所示，包括：装置上表面的具有正电性的薄膜5和负电性的薄膜6，置于两种薄膜下方的金属极板。在水流的作用下不同电负性的薄膜会吸引海水中的阴阳两种离子形成电势差。

储能及能量控制集成模块包括外壳由经防水防腐处理的硬壳封装，内部为电路集成部分。在装置侧面留有用于与拼接式能量采集单元连接的外部接口8。电路封装内部优选包括电压转换模块，微弱能量收集芯片，整流滤波电路，负载开关，电池保护模块，电池，微处理器，卫星定位模块，通信模块，电保护模块，及其他主要传感器。整个拼接式能量采集部分模块化的而且经过防水密封，并在正面和侧面留有外部电路及固定接口，两大核心单元通过连接针插入外部接口相互连接，所以不受距离、覆盖面积限制，因此可以根据不同海洋生物的特性以及负载功耗来调整覆盖面积获取对应等级的能量。

其运行工作原理：拼接式能量采集装置将采集上来的能量通过直接与储能及能量控制集成模块连接将采集的能量收集起来，拼接式能量采集装置每个独立单元可以相互通过连接针拼接在一起，左右各四个接口为用于TEG电流的连接，前后面各两个接口用于TENG的电流连接，数个单元可以通过连接针无缝衔接，所以连接形状及链接面积不受限制。首先，海洋生物能薄膜TEG的电流通过左右接口直接接入储能及能量控制集成模块，水流TENG收集的能量先存储在附着在薄膜温差发电装置上方的薄膜超级电容，然后经过电容滤波后的能量经前后接口直接连接输送到储能及能量控制集成模块，海洋生物能薄膜TEG和水流摩擦TENG的电流分别通过电压转换模块和整流滤波电路再通过微弱能量收集芯片为电池充电，电池处于一边充电一边放电的状态，当电池保护模块检测到电池的SOC小于0.2时认为电池耗电完毕，电池进入充电状态在，电池充电时，其他电路部分进入低功耗待机状态，当SOC达到0.95时判断电池充满，通过电池保护模块防治电池过冲过放，负载进入正常运行状态，实现了电路的持续自供能输出。

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 (9)

1.一种模块化拼接式自供能装置，其特征在于，包括若干个结构相同且能够组合连接的发电模块，所述发电模块包括薄膜温差发电部和水流摩擦纳米发电部；

所述薄膜温差发电部包括若干个呈“π”型平面阵列排布于薄膜上的P型微型热电臂和N型微型热电臂、上极板以及下极板，其中P型微型热电臂的冷端结点和所述N型微型热电臂的冷端结点均连接所述上极板的下表面，所述P型微型热电臂的热端结点和所述N型微型热电臂的热端结点均连接所述下极板的上表面，所述上极板的上表面与第一防水层的内侧壁接触，所述下极板的下表面与第二防水层的内侧壁接触，所述第二防水层的外侧壁与海洋生物皮肤接触；

所述水流摩擦纳米发电部包括正电性的薄膜、负电性的薄膜、设置于所述正电性的薄膜下方的正极板以及设置于所述负电性的薄膜下方的负极板；

所述第一防水层、正电性的薄膜以及负电性的薄膜通过防水薄膜衔接设置，所述防水薄膜对应第一防水层、正电性的薄膜和负电性的薄膜的位置为镂空设置，使得所述第一防水层外侧壁、正电性的薄膜和负电性的薄膜能够与水流接触。

2.根据权利要求1所述的模块化拼接式自供能装置，其特征在于，所述薄膜温差发电部还包括对所述薄膜温差发电部产生的电能进行临时存储的薄膜超级电容。

3.根据权利要求1所述的模块化拼接式自供能装置，其特征在于，各发电模块的薄膜温差发电部通过导线串联供电；发电模块的水流摩擦纳米发电部通过导线并联供电。

4.根据权利要求3所述的模块化拼接式自供能装置，其特征在于，所述发电模块之间通过连接针实现无缝衔接。

5.一种海洋生物传感器系统，其特征在于，包括能量存储控制集成模块、传感器模块以及如权利要求1所述模块化拼接式自供能装置；所述模块化拼接式自供能装置通过外部接口将产生的电能输送至所述能量存储控制集成模块，并通过所述能量存储控制集成模块的储能电池对所述传感器模块供电。

6.根据权利要求5所述的海洋生物传感器系统，其特征在于，所述能量存储控制集成模块以及传感器模块封装于防水外壳内部，所述防水外壳上设置有与所述模块化拼接式自供能装置连接的外部接口。

7.根据权利要求5所述的海洋生物传感器系统，其特征在于，所述能量存储控制集成模块包括电压转换模块、微弱能量收集芯片、整流滤波电路、负载开关、电池以及微处理器；

所述电压转换模块用以对模块化拼接式自供能装置中薄膜温差发电部产生的电能进行电压转换；

所述整流滤波电路用以对模块化拼接式自供能装置中水流摩擦纳米发电部产生的电能进行整流处理；

所述微弱能量收集芯片用以收集所述模块化拼接式自供能装置产生的电能；

所述负载开关根据微处理器下达的指令控制微弱能量收集芯片向电池充电以及所述电池向负载供电。

8.根据权利要求7所述的海洋生物传感器系统，其特征在于，所述能量存储控制集成模块还包括设置在所述负载开关与电池之间的电池保护模块，其用以对电池进行过冲/过放保护。

9.根据权利要求7所述的海洋生物传感器系统，其特征在于，所述微处理器的定位端口连接有卫星定位模块，通信端口连接有通信模块，保护端口连接掉电保护模块。

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