CN219904708U - 一种自供能无人水下航行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自供能无人水下航行器，包括水下航行器和自供能系统，自供能系统包括摩擦纳米发电机、能量收集模块、能量储存模块和控制模块，摩擦纳米发电机固定于水下航行器内部或外部，并通过水下航行器被波浪冲击时传递的震动进行发电，能量收集模块用于收集并转换摩擦纳米发电机产生的电流，并输送给能量储存模块和控制模块，能量储存模块用于储存电能，控制模块用于控制能量储存模块对水下航行器输出电流提供动力；本实用新型可以增加无人水下航行器的探索和航行时间，提高了无人水下航行器的能量转换效率和使用寿命。

Description

一种自供能无人水下航行器

技术领域

本实用新型涉及一种自供能无人水下航行器，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机和超级电容器的自供能无人水下航行器。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展和世界人口的急速增长，世界各国纷纷制定自己的海洋开发和探索计划，加快对海洋资源的开发和利用；目前，各个国家水下机器人飞速发展，水下机器人的安全性和可靠性问题日益受到重视；特别是机器人的不间断供能起着决定性的作用；自供能无人水下航行器作为一种探索海洋的新手段，大大提高了水下探测和作业的效率，在海洋资源勘探、海底工程作业、科研考察等方面发挥着极其广泛的作用；但是现有技术中，常规的自供能无人水下航行器大都采用太阳能、蓄电池、风能等常规能源作为动力来源，有很大的局限性，探索的范围有限，可下潜的深度较小。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种增加探索和航行时间,提高了能量转换效率和使用寿命的基于摩擦纳米发电机和超级电容器的自供能无人水下航行器。

技术方案：本实用新型所述的自供能无人水下航行器，包括水下航行器和自供能系统，所述自供能系统包括摩擦纳米发电机、能量收集模块、能量储存模块和控制模块，所述摩擦纳米发电机固定于水下航行器内部或外部，并通过水下航行器被波浪冲击时传递的震动进行发电，所述能量收集模块用于收集并转换摩擦纳米发电机产生的电流，并输送给能量储存模块和控制模块，所述能量储存模块用于储存或释放电能，所述控制模块用于控制能量储存模块对水下航行器输出电能提供动力。

所述摩擦纳米发电机包括外壳和中心振子，所述外壳内部表面涂有摩擦感应层，所述摩擦感应层表面涂有第一摩擦材料层，所述中心振子为空心结构，中心振子外表面涂有第二摩擦材料层，所述第二摩擦材料层为多孔结构。

所述摩擦纳米发电机通过水下航行器被波浪冲击时传递的震动进行发电，具体为通过震动使第二摩擦材料层与第一摩擦材料层抵接相互挤压和摩擦来积累静电荷，并通过静电感应效应在摩擦感应电极层中产生电势差，在外部电路实现电荷转移产生交流电。

所述能量收集模块为微能量收集芯片，所述微能量收集芯片输入电压范围为2.7V到20V，输入电流小于等于950nA。

所述微能量收集芯片内置有集成型低损耗全波桥式整流器，用于将摩擦纳米发电机产生的交流电转换为直流电，并储存至能量存储模块，同时输出稳定的3.3V电压至控制模块。

所述控制模块具体为单片机，所述单片机通过升压电路控制能量储存模块为水下航行器提供电能。

所述能量储存模块具体为超级电容器。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：1、增加了无人水下航行器的探索和航行时间；2、提高了无人水下航行器的能量转换效率和使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的摩擦纳米发电机结构示意图；

图3为本实用新型实施例的能量收集模块电路图；

图4为本实用新型实施例的单片机电路图；

图5为本实用新型实施例的运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。

如附图1所示，本实施例中，包括水下航行器2和自供能系统，所述自供能系统包括摩擦纳米发电机1、能量收集模块的微能量收集芯片、能量储存模块的超级电容器和控制模块的单片机，将摩擦纳米发电机1安装在水下航行器2外侧，使其紧贴水下航行器2外壳，当波浪冲击水下航行器2时带动摩擦纳米发电机1震动，产生交流电并通过能量收集模块将电能储存于超级电容器中。

如附图2所示，本实施例中，摩擦纳米发电机1大致由外壳材料层3、摩擦感应层4、第一摩擦材料层5、金属中心振子6和第二摩擦材料层7组成；通过水下航行器2被波浪冲击时传递的震动，使第二摩擦材料层7与第一摩擦材料层5抵接相互挤压和摩擦来积累静电荷，并通过静电感应效应在摩擦感应电极层中产生电势差，从而在外部电路实现电荷转移，将第二摩擦材料层7设置为多孔结构，能够提高摩擦效果，同时能够增加其表面可储存的电荷量，通过在第二摩擦材料层7内壁固接中空壳体，中空结构的中空壳体能够减轻中心振子6的质量，提高中心振子6的灵活性，进一步提高了摩擦纳米发电机的效率。

如附图3所示，本实施例中，以微能量收集芯片作为能量收集模块，作为一种低功耗能量收集装置，微能量收集芯片输入电压范围为2.7V到20V，输入电流最高为950nA，通过调节引脚D0和D1的电平状态，调节其输出电压，由于单片机所需电压为3.3V，所以将微能量收集芯片的两个引脚都设置为高电平状态；微能量收集芯片采用BUCK作为降压方案，此外，芯片还内置了一个集成型低损耗全波桥式整流器，将输入的交流电转化为3.3V的直流电输出。

如附图4所示，本实施例中，单片机选用的是STM32F103C8T6，外围电路包括电源、复位电路以及外部晶振。

本实施例利用STM32控制超级电容器为后续电路供电，极大地提高了充电效率，实现了断续充电；摩擦纳米发电机1所发电量通过储存在超级电容器中，使电量足够满足本实施例的损耗，不需要外部补给，其维护和保养带来极大的便利。

如附图5所示，本实施例工作流程如下，摩擦纳米发电机1置于水下航行器2外侧，随着海浪晃动带动水下航行器2震动，进而带动摩擦纳米发电机1的外壳材料层3多方向晃动，使得其的第一摩擦材料层5和外壳材料层里面的中心振子6表面的第二摩擦材料层7进行相互摩擦产生交流电，通过微能量收集芯片将摩擦纳米发电机1产生的交流电转换成直流电储存在超级电容器当中，微能量收集芯片里的引脚D0为低电平状态，D1设置为高电平状态，进而输出3.3V电压，供单片机使用；此外，微能量收集芯片输入端还需在Vin和Gnd两个引脚之间并联一个电容，防止因为输入电压过大烧毁芯片，最后，单片机电路控制超级电容器充放电，进而使得本实施例能持续工作。

本实施例通体由高强度复合金属材料制成，抗压能力强，在壳体上刷上耐腐蚀类涂料，附着力高且不含有重金属，对环境和健康友好、不易脱落、抗腐蚀性能力强。

本实施例可以在一些恶劣环境下持续工作，以摩擦纳米发电机1为发电装置，能够把海洋中多方向且低频的水流运动产生的机械能高效地转换成电能；大大降低了环境条件的影响，一定程度上减少了因不可控因素引起的损失，保证了稳定性和持续性；另外，超级电容器除绿色环保，还具有低内阻、循环次数多、温度范围宽、免维护的特点，延长了工作时间。

Claims (7)

1.一种自供能无人水下航行器，其特征在于，包括水下航行器(2)和自供能系统，所述自供能系统包括摩擦纳米发电机(1)、能量收集模块、能量储存模块和控制模块，所述摩擦纳米发电机(1)固定于水下航行器(2)内部或外部，并通过水下航行器(2)被波浪冲击时传递的震动进行发电，所述能量收集模块用于收集并转换摩擦纳米发电机(1)产生的电流，并输送给能量储存模块和控制模块，所述能量储存模块用于储存或释放电能，所述控制模块用于控制能量储存模块对水下航行器(2)输出电能提供动力。

2.根据权利要求1所述的自供能无人水下航行器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机(1)包括外壳(3)和中心振子(6)，所述外壳内部表面涂有摩擦感应层(4)，所述摩擦感应层表面涂有第一摩擦材料层(5)，所述中心振子(6)为空心结构，中心振子(6)外表面涂有第二摩擦材料层(7)，所述第二摩擦材料层(7)为多孔结构。

3.根据权利要求2所述的自供能无人水下航行器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机(1)通过水下航行器(2)被波浪冲击时传递的震动进行发电，具体为通过震动使第二摩擦材料层(7)与第一摩擦材料层(5)抵接相互挤压和摩擦来积累静电荷，并通过静电感应效应在摩擦感应电极层中产生电势差，在外部电路实现电荷转移产生交流电。

4.根据权利要求1所述的自供能无人水下航行器，其特征在于，所述能量收集模块为微能量收集芯片，所述微能量收集芯片输入电压范围为2.7V到20V，输入电流小于等于950nA。

5.根据权利要求4所述的自供能无人水下航行器，其特征在于，所述微能量收集芯片内置有集成型低损耗全波桥式整流器，用于将摩擦纳米发电机(1)产生的交流电转换为直流电，并储存至能量存储模块，同时输出稳定的3.3V电压至控制模块。

6.根据权利要求1所述的自供能无人水下航行器，其特征在于，所述控制模块具体为单片机，所述单片机通过升压电路控制能量储存模块为水下航行器(2)提供电能。

7.根据权利要求1所述的自供能无人水下航行器，其特征在于，所述能量储存模块具体为超级电容器。