一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统技术方案

本发明专利技术涉及一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统，属于微纳能源领域，包括一种集风能、太阳能、雨滴能三种类型的微纳能源一体化收集与转换装置，一种多源能量调理电路，以及一种能量储存装置。其中微纳能源一体化收集与转换装置是由独立层式摩擦纳米发电机、薄膜光伏电池以及单电极式摩擦纳米发电机所构成，分别实现风能、太阳能以及雨滴能的收集与转换。该系统能够同步且高效地收集自然环境中的三种微纳能源，并用于能源互联网感知终端无源化运行。端无源化运行。端无源化运行。

【技术实现步骤摘要】
一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统


[0001]本专利技术属于微纳能源领域，涉及一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统。

技术介绍

[0002]能源互联网的建立需要数以十亿计或万亿计的分布式感知终端投放到电力网络中的各个节点，实现电力运营各业务的万物互联和人机交互。这无疑对分布式感知终端的供能方式以及安全可靠性提出了挑战。目前，应用在电力网络各节点的分布式感知终端主要依靠蓄电池供电、线路取电以及无线能量传输等三种方式进行供能，仅适合于满足一定条件下的感知终端供能，难以适应智能电网的发展趋势。因此需要寻找一种不受场合地点限制、不受电压等级与电流大小、长期稳定、轻量化、低成本的供能技术。
[0003]微纳能源自驱动技术是利用环境中丰富冗余的微小能量获取电能，达到自取电、高可靠、低功耗、免维护、寿命长的效果，是实现大数量传感设备小范围持续供能的唯一手段。鉴于电力输电线路具有空间跨度大、运行环境复杂、气候条件差异明显等特点，需要找到一种普遍、合适且广泛存在的微能量源及其相应的能量收集方法。由于微能量源多呈低频、微小、波动等特征，摩擦纳米发电机作为一种新型的微纳能源转换装置，可以将这种低频、微小且无需的能量有效转换为所需电能，在作为微纳能源自驱动系统的前端能量输入转换装置具有巨大的优势。
[0004]然而，现有的摩擦纳米发电机自驱动系统能量收集形式单一，能量转换率弱，可靠性低；同时缺乏高效的多源能量管理技术，复合能源输入输出多呈孤立性，使得自驱动系统的传输效率难以突破，无法实现在复杂环境下长期稳定运行。此外，以上自驱动技术仅在日常生活的物联应用场合应用，而在电网中却尚未开始普及，尚不具备电力应用场景下的针对性与适用性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统及其制备工艺、构建方法以及能量管理方法，使得该系统能够同步且高效地收集自然环境中的三种微纳能源(风能、太阳能、雨滴能)，并用于能源互联网感知终端无源化运行。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统，包括微纳能源一体化收集与转换装置、多源能量调理电路以及能量储存装置；
[0008]所述微纳能源一体化收集与转换装置包括独立层式摩擦纳米发电机、薄膜光伏电池以及单电极式摩擦纳米发电机，用于收集风能、太阳能和雨滴能并转化为电能；
[0009]所述多源能量调理电路为采用双级能量管理模块控制的电路，用于调理输入能量并转化为负载运行所需功率，所述双级能量管理模块包括第一级能量管理模组与第二级能量管理模组，所述第一级能量管理模组首先对直接由自然能量转化而来的电能进行初步调
理，输出稳定电能，进而形成三路输出至第二级能量管理模组；第二级能量管理模组将对三路输入电能进行实时功率比较，选择当前时序下功率最高的某一路稳定电能进入能量储存装置，从而对任一时序下负载进行稳定供能；
[0010]所述能量储存装置用于存储收集并处理过的电能，对负载进行稳定供能。
[0011]进一步，所述独立层式摩擦纳米发电机包括动力装置和发电装置，所述动力装置包括多个翼型几何结构的垂直轴风机叶片、支撑臂以及联动转轴，所述发电装置包括上下两个定子圆盘和中间的摩擦层，所述定子圆盘朝向摩擦层的一面排列有两组内外互补分布的电极组，且内电极组以圆盘中心为中心点呈辐射状向边沿延伸，外电极组则以相反方向由边沿向圆盘中心延伸，相邻电极属于内外两个不同的电极组，且各电极圆心角度相同；所述摩擦层包括转子圆盘和改性柔性聚合物薄膜，所述转子圆盘上等圆周间距排列有多个径向槽孔，所述改性柔性聚合物薄膜的中心位置固定在所述径向槽孔上，其两侧分别弯曲并覆盖上下电极，且其两个独立侧覆盖同一组电极表面，而不与其相邻电极发生接触；所述联动转轴与电极层固定连接，所述垂直轴风机叶片绕定子圆盘一周设置，并通过支撑臂与联动转轴固定连接；
[0012]所述薄膜光伏电池设置在所述垂直轴风机叶片的外表面，每个垂直轴风机叶片上的薄膜光伏电池的正负极引出线分别缠绕铝合金导电棒，所有的铝合金导电棒以中心辐射状形成铝合金导电骨架，所述铝合金导电骨架中心交接处均以环氧树脂材料保证绝缘，所述铝合金导电骨架中心与所述联动转轴固定，并随叶片沿同一方向旋转；所述薄膜光伏电池包括ITO薄膜电极、背场层、硅体块层、发射层和金属氧化物层；所述硅体块层包括第一本征非晶体硅层和第二本征非晶体硅层，在所述第一本征非晶硅层依次沉积非晶硅P层、金属氧化层、吸收层、空穴传输层和正面透明导电层；在所述第二本征非晶硅层依次沉积非晶硅N层和背面透明导电层；在所述正面透明导电层和所述背面透明导电层上分别制备正面导电栅线和背面导电栅线；
[0013]所述单电极式摩擦纳米发电机设置在所述垂直轴风机叶片的内表面，包括柔性聚合物材料和多层导电栅极，所述柔性聚合物材料贴附在导电栅极上部，多层导电栅极以串联方式连接，整体的正负极引出线分别缠绕铝合金导电棒，所有的铝合金导电棒以中心辐射状形成铝合金导电骨架，所述铝合金导电骨架中心交接处均以环氧树脂材料保证绝缘，所述铝合金导电骨架中心与所述联动转轴固定，并随叶片沿同一方向旋转；所述柔性聚合物材料以底部导电栅极的分布形状切割成若干竖直凹槽，凹槽顶部切割成漏斗状结构，凹槽表面将通过磁控溅射、反应等离子体沉积或者化学气象沉积的方法制作表面微米/纳米级突起结构，用于提升表面疏水性，使得雨滴与材料表面的接触角更大，从而提高液—固界面摩擦力，增加输出性能；所述导电栅极呈横纵向平铺的排列方式，其中横向栅极属于同一的电极组，纵向相邻的栅极属于相反的电极组，同组电极均以并联形式进行连接。
[0014]进一步，所述电极材料选自金属或合金，其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
[0015]进一步，所述柔性聚合物薄膜和柔性聚合物材料均选自以下任意一种薄膜材料：聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯
乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物和派瑞林，其厚度不低于50μm。
[0016]进一步，所述改性柔性聚合物薄膜是指在柔性聚合物薄膜表面通过感应耦合等离子体反应刻蚀法制备纳米线结构，其制备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统，其特征在于：包括微纳能源一体化收集与转换装置、多源能量调理电路以及能量储存装置；所述微纳能源一体化收集与转换装置包括独立层式摩擦纳米发电机、薄膜光伏电池以及单电极式摩擦纳米发电机，用于收集风能、太阳能和雨滴能并转化为电能；所述多源能量调理电路为采用双级能量管理模块控制的电路，用于调理输入能量并转化为负载运行所需功率，所述双级能量管理模块包括第一级能量管理模组与第二级能量管理模组，所述第一级能量管理模组首先对直接由自然能量转化而来的电能进行初步调理，输出稳定电能，进而形成三路输出至第二级能量管理模组；第二级能量管理模组将对三路输入电能进行实时功率比较，选择当前时序下功率最高的某一路稳定电能进入能量储存装置，从而对任一时序下负载进行稳定供能；所述能量储存装置用于存储收集并处理过的电能，对负载进行稳定供能。2.根据权利要求1所述的面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统，其特征在于：所述独立层式摩擦纳米发电机包括动力装置和发电装置，所述动力装置包括多个翼型几何结构的垂直轴风机叶片、支撑臂以及联动转轴，所述发电装置包括上下两个定子圆盘和中间的摩擦层，所述定子圆盘朝向摩擦层的一面排列有两组内外互补分布的电极组，且内电极组以圆盘中心为中心点呈辐射状向边沿延伸，外电极组则以相反方向由边沿向圆盘中心延伸，相邻电极属于内外两个不同的电极组，且各电极圆心角度相同；所述摩擦层包括转子圆盘和改性柔性聚合物薄膜，所述转子圆盘上等圆周间距排列有多个径向槽孔，所述改性柔性聚合物薄膜的中心位置固定在所述径向槽孔上，其两侧分别弯曲并覆盖上下电极，且其两个独立侧覆盖同一组电极表面，而不与其相邻电极发生接触；所述联动转轴与电极层固定连接，所述垂直轴风机叶片绕定子圆盘一周设置，并通过支撑臂与联动转轴固定连接；所述薄膜光伏电池设置在所述垂直轴风机叶片的外表面，每个垂直轴风机叶片上的薄膜光伏电池的正负极引出线分别缠绕铝合金导电棒，所有的铝合金导电棒以中心辐射状形成铝合金导电骨架，所述铝合金导电骨架中心交接处均以环氧树脂材料保证绝缘，所述铝合金导电骨架中心与所述联动转轴固定，并随叶片沿同一方向旋转；所述薄膜光伏电池包括ITO薄膜电极、背场层、硅体块层、发射层和金属氧化物层；所述硅体块层包括第一本征非晶体硅层和第二本征非晶体硅层，在所述第一本征非晶硅层依次沉积非晶硅P层、金属氧化层、吸收层、空穴传输层和正面透明导电层；在所述第二本征非晶硅层依次沉积非晶硅N层和背面透明导电层；在所述正面透明导电层和所述背面透明导电层上分别制备正面导电栅线和背面导电栅线；所述单电极式摩擦纳米发电机设置在所述垂直轴风机叶片的内表面，包括柔性聚合物材料和多层导电栅极，所述柔性聚合物材料贴附在导电栅极上部，多层导电栅极以串联方式连接，整体的正负极引出线分别缠绕铝合金导电棒，所有的铝合金导电棒以中心辐射状形成铝合金导电骨架，所述铝合金导电骨架中心交接处均以环氧树脂材料保证绝缘，所述铝合金导电骨架中心与所述联动转轴固定，并随叶片沿同一方向旋转；所述柔性聚合物材料以底部导电栅极的分布形状切割成若干竖直凹槽，凹槽顶部切割成漏斗状结构，凹槽表面将通过磁控溅射、反应等离子体沉积或者化学气象沉积的方法制作表面微米/纳米级突起结构；所述导电栅极呈横纵向平铺的排列方式，其中横向栅极属于同一的电极组，纵向相邻的栅极属于相反的电极组，同组电极均以并联形式进行连接。
3.根据权利要求2所述的面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统，其特征在于：所述电极材料选自金属或合金，其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。4.根据权利要求2所述的面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统，其特征在于：所述柔性聚合物薄膜和柔性聚合物材料均选自以下任意一种薄膜材料：聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物和派瑞林，其厚度不低于50μm。5.根据权利要求2所述的面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统，其特征在于：所述改性柔性聚合物薄膜是指在柔性聚合物薄膜表面通过感应耦合等离子体反应刻蚀法制备纳米线结构，其制备方法如下：将柔性聚合物薄膜用酒精和去离子水洗干净...

【专利技术属性】
技术研发人员：王季宇，王汉卿，廖瑞金，杨丽君，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：