[發明專利]一種基于MTEG和薄膜拍打式TENG的熱能與風能多能互補的微型自供能裝置

在審

• 申請號: 201811211353.0
• 申請日: 2018-10-17
• 公開（公告）號: CN109450287A
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 柳長昕;趙聰;唐碩;徐敏義;潘新祥;葉文祥;王慧斌;李方明;黃海國;李斌;劉建華;王巖
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;H02N11/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李馨

本發明提供一種基于MTEG和薄膜拍打式TENG的熱能與風能多能互補的微型自供能裝置，由頂部的薄膜拍打式TENG結構和底部的MTEG結構交錯耦合構成，將收集的電能輸送到外部電路中為外界負載供電；其特征在于，頂部的薄膜拍打式TENG結構為橫置的中空柱狀結構，由拍打薄膜與中部薄銅片相連作為摩擦納米發電結構的介電薄膜產生電壓，中部薄銅片的另一端與固定在金屬電極之間的作為電路負載的導電立架連接固定；底部的MTEG結構由P、N型微型熱電臂構成的熱電偶兩端分別設有頂部真空腔和底部真空腔。本發明的真空腔可以有效地避免由環境空氣和襯底上方造成的熱量損失，提高冷熱端結點之間的溫差；同時通過流動空氣加速拍打薄膜擺動提高發電效率，結構簡單，實用性強。

技術領域

本發明涉及溫差發電自供能技術領域，具體而言，尤其涉及一種基于 MTEG和薄膜拍打式TENG的熱能與風能多能互補的微型自供能裝置。

背景技術

無線傳感器網絡是由大量部署在作用區域內的利用無線通訊互相連接的大量傳感器節點組成的網絡系統。隨著傳感器技術、無線通訊技術、微電子技術和嵌入式應用技術的日趨成熟，無線傳感器網絡迅速發展。利用無線傳感器網絡，可以實現對所部署區域內的物理狀況、環境狀況、生物信息等的監測。由于無線傳感器網絡可以快速部署，并且有自組織，高容錯率和強隱蔽性的優點，無線傳感器網絡可適用于海洋探測、環境監測、船舶監測等應用場合。

目前使用的無線傳感器網絡主要是使用電池作為電源來工作的，由于無線傳感器網絡節點具有體積小、數量眾多、分布范圍廣泛、工作環境復雜的特點，通過定期更換電池來維持傳感器網絡的持續工作并不現實，因此，電池的續航能力成為限制無線傳感器網絡節點工作壽命的主要因素。通常，需要定期更換傳感器的電池，以便傳感器能夠維持正常工作，更換傳感器電池的過程中，整個傳感器需要重新拆卸連接，從而導致修理成本高、電池壽命縮短、高溫和環境污染等問題。

另外，隨著醫學的發展，心臟起搏器、人工耳蝸以及生物傳感器等植入體內的醫療設備被廣泛應用于醫療領域，并逐漸開始應用于疾病的檢測和預防。一般這些醫療設備也是使用電池供電的，電池的容量成為限制這些醫療設備壽命的主要因素。在電池電量用盡之后，只能通過手術的方式對設備進行更換。這種方式提高了醫療設備使用成本的同時也增加了使用風險。因此，近年來，社會各界對自供能傳感器的需求不斷增加。

目前，微型自供能裝置的供能方式主要有太陽能發電、溫差發電、摩擦納米發電、化學能電池和燃料電池。利用化學能電池和燃料電池一次性供電電池壽命短，而利用太陽能、溫差、振動能等環境能為微系統提供能量可以實現長期供電，具有功率密度不隨時間的長短而發生變化的特點。利用環境中的太陽能造成的溫度差以及環境中的風能，可以分別采用熱電材料和摩擦納米發電材料在不使用外部電源的情況下實現簡單的能量轉換結構，為微型傳感器節點供電。

綜上，微型溫差發電裝置在具有穩定溫度差的環境中可以發揮顯著效果，摩擦納米發電裝置在振動環境中可以發揮顯著效果。船舶在正常航行時，船舶內部不但具有較多高溫熱源，如柴油機排出的廢氣、高溫蒸汽、高溫缸套水等，而且甲板上具有較強的風能，可作為TENG結構的振動源。這些高溫熱源與機艙內的溫度差可為MTEG裝置提供充足的溫度差。巨大的風能可為摩擦納米發電裝置提供充足的振動源。在此基礎上，微型自供能裝置頂部的TENG結構中流動的空氣還可以冷卻MTEG結構中的冷端結點，在保持冷端結點低溫環境的同時，進一步增大了熱電材料冷熱端的溫差，提高了MTEG結構的發電效率。隨著船舶工業4.0的推近，微型溫差發電裝置和摩擦納米發電裝置可為智能船舶上布置的微型傳感器網絡節點提供電能，促進無人船舶的早日實現，因此，有必要提供一種集兩者優點于一體的自供能裝置，推動我國海洋強國戰略的進一步實施。

發明內容