[发明专利]一种基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置

说明书

本发明提供一种基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的TENG结构耦合构成，其特征在于，顶部的MTEG结构包括微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置，在由P、N型微型热电臂构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔和底部真空腔；底部的薄膜拍打式TENG结构为横置的中空柱状结构，由拍打薄膜与中部薄铜片相连作为摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，中部薄铜片的另一端与固定在金属电极之间的作为电路负载的导电立架连接固定。本发明的真空腔可以有效地避免由环境空气和衬底上方造成的热量损失，提高冷热端结点之间的温差；同时通过流动空气加速拍打薄膜摆动提高发电效率，结构简单，实用性强。

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MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，可应用于智能船舶传感网络、海洋能回收、海洋智能传感网络等领域。

背景技术

无线传感器网络是由大量部署在作用区域内的利用无线通讯互相连接的大量传感器节点组成的网络系统。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。

目前使用的无线传感器网络主要是使用电池作为电源来工作的，由于无线传感器网络节点具有体积小、数量众多、分布范围广泛、工作环境复杂的特点，通过定期更换电池来维持传感器网络的持续工作并不现实，因此，电池的续航能力成为限制无线传感器网络节点工作寿命的主要因素。通常，需要定期更换传感器的电池，以便传感器能够维持正常工作，更换传感器电池的过程中，整个传感器需要重新拆卸连接，从而导致修理成本高、电池寿命缩短、高温和环境污染等问题。

另外，随着医学的发展，心脏起搏器、人工耳蜗以及生物传感器等植入体内的医疗设备被广泛应用于医疗领域，并逐渐开始应用于疾病的检测和预防。一般这些医疗设备也是使用电池供电的，电池的容量成为限制这些医疗设备寿命的主要因素。在电池电量用尽之后，只能通过手术的方式对设备进行更换。这种方式提高了医疗设备使用成本的同时也增加了使用风险。因此，近年来，社会各界对自供能传感器的需求不断增加。

目前，微型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，而利用太阳能、温差、振动能等环境能为微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。利用环境中的太阳能造成的温度差以及环境中的风能，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，为微型传感器节点供电。

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，摩擦纳米发电装置在振动环境中可以发挥显著效果，而船舶在正常航行时，船舶甲板长期受到太阳照射，很容易收集太阳能为MTEG装置提供热源，而且甲板上具有较强的风能，可作为TENG结构的振动源。太阳能转换成的热能与甲板表面空气间的温度差可为MTEG装置提供充足的温度差。巨大的风能可为摩擦纳米发电装置提供充足的振动源。在此基础上，微型自供能装置底部的TENG结构中流动的空气还可以冷却MTEG结构中的冷端结点，在保持冷端结点低温环境的同时，进一步增大了热电材料冷热端的温差，提高了MTEG结构的发电效率。随着船舶工业4.0的推近，微型温差发电装置和摩擦纳米发电装置可为智能船舶上布置的微型传感器网络节点提供电能，促进无人船舶的早日实现，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