一种利用温差与纳米摩擦发电供能系统及其应用

本发明涉及发电储能，具体而言，涉及一种利用温差与纳米摩擦发电供能系统及其应用。

背景技术：

1、随着极地海洋动物跟踪、海洋环境监测及低功耗定位通信技术的发展，采用环境能量采集方式为微型跟踪设备持续供能，已经成为减少化学电池使用和延长设备工作周期的重要技术方向。

2、现有专利申请cn115956517a公开了一种基于振动能量采集技术的混合式自供电动物追踪器，通过收集动物运动时的机械能以实现自供电，由于企鹅在极地水下以流线型滑翔为主的低频、高阻尼游泳姿态，难以高效率驱动此类机械振动采集结构，而摩擦纳米发电技术能够利用海水流动、动物肢体运动以及外部接触形变产生电能，但是，摩擦纳米发电所产生的电能通常具有间歇性和波动性，海水流速、动物运动幅度以及接触频率发生变化时，所获得的电能也会随之变化，难以直接作为稳定负载的持续供电来源。特别是在环境感知、数据记录和通信定位等负载共同存在的情况下，系统既需要维持较长时间的低功耗运行，又需要在通信定位时提供短时间的较高功率，难以同时兼顾持续供电和瞬时供电需求。

3、因此，有必要设计一种利用温差与纳米摩擦发电供能系统及其应用来解决当前技术中存在的问题。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种利用温差与纳米摩擦发电供能系统及其应用，旨在解决上述存在的问题。

2、本发明提出了一种利用温差与纳米摩擦发电供能系统，包括：

3、摩擦纳米发电单元，被配置为与流经的海水发生固-液接触起电、滑移起电或响应动物肢体形变，并产生脉冲交流电信号；

4、第一供能管理单元，被配置为获取所述摩擦纳米发电单元的电能并对超级电容器进行充电，基于所述超级电容器的当前容量判断是否将剩余电能对储能电池进行充电，若判定对所述储能电池充电，则获取所述储能电池的放电功率，将所述放电功率以及所述剩余电能在历史负荷数据进行遍历，判断所述剩余电能是否满足供能条件；

5、第二供能管理单元，被配置为若判定不满足所述供能条件，则基于放电耦合模型、所述当前容量、所述放电功率以及所述剩余电能确定耦合补充能量，基于所述耦合补充能量控制所述超级电容器对所述储能电池进行供能，确定所述超级电容器的目标容量；

6、环境感知通信单元，被配置基于所述目标容量以及企鹅的运动环境判断是否进入休眠储能状态，若判定进入所述休眠储能状态，则继续获取所述摩擦纳米发电单元的电能。

7、进一步的，所述的利用温差与纳米摩擦发电供能系统，还包括：

8、所述摩擦纳米发电单元包括底层粘附水凝胶电极层、中间绝缘介电层和顶层超疏水仿生摩擦层；

9、所述底层粘附水凝胶电极层为双网络聚合物水凝胶，且掺杂有抗冻导电离子以及仿生粘附基团，所述底层粘附水凝胶电极层用于和所述企鹅的体表实现置换界面水分子的原位粘附，并作为感应电极；

10、所述中间绝缘介电层覆盖在所述底层粘附水凝胶电极层，所述中间绝缘介电层为聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷薄膜；

11、所述顶层超疏水仿生摩擦层为超疏水硅橡胶。

12、进一步的，在判断是否将剩余电能对储能电池进行充电时，包括：

13、若所述超级电容器的当前容量超过电容阈值，所述第一供能管理单元判定将剩余电能对所述储能电池进行充电；

14、若所述超级电容器的当前容量未超过电容阈值，所述第一供能管理单元判定不将剩余电能对所述储能电池进行充电，并将所述当前容量确定为所述目标容量。

15、进一步的，若判定对所述储能电池充电时，包括：

16、所述历史负荷数据包括若干个历史放电功率以及若干个历史剩余电能，且每个历史放电功率与一历史剩余电能对应；

17、若所述历史负荷数据存在与所述放电功率以及所述剩余电能对应的历史放电功率和历史剩余电能，所述第一供能管理单元判定所述剩余电能满足供能条件，并将所述当前容量确定为所述目标容量；

18、若所述历史负荷数据不存在与所述放电功率以及所述剩余电能对应的历史放电功率和历史剩余电能，所述第一供能管理单元判定所述剩余电能不满足供能条件。

19、进一步的，若判定不满足所述供能条件时，包括：

20、所述第二供能管理单元获取耦合数据集，并将所述耦合数据集划分为训练集和测试集，获取随机森林模型，基于所述训练集和测试集对所述随机森林模型进行训练，并根据训练结果确定所述放电耦合模型；

21、将所述当前容量、所述放电功率以及所述剩余电能代入所述放电耦合模型确定所述耦合补充能量。

22、进一步的，在根据训练结果确定所述放电耦合模型时，包括：

23、若当前训练后的随机森林模型的均方误差小于前一次训练后的随机森林模型的均方误差，则停止迭代训练，并将当前训练后的随机森林模型确定为所述放电耦合模型；

24、若当前训练后的随机森林模型的均方误差大于或等于前一次训练后的随机森林模型的均方误差，则调整随机森林模型的学习率并继续进行训练。

25、进一步的，若判定不满足所述供能条件时，还包括：

26、所述目标容量为所述当前容量减去对所述储能电池进行供能的容量值。

27、进一步的，在判断是否进入休眠储能状态时，包括：

28、若所述目标容量达到argos通信的能量阈值，且所述企鹅的运动环境为空气中，所述环境感知通信单元判定不进入所述休眠储能状态，并发出通信定位的短脉冲信号，否则，判定进入所述休眠储能状态。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过摩擦纳米发电单元与流经的海水发生固-液接触起电、滑移起电或响应动物肢体形变，将海水流动和企鹅运动过程中产生的环境机械能转换为脉冲交流电信号，系统能够在缺少外部电源的环境中持续获得补充电能，减少了对储能电池的依赖。根据超级电容器的当前容量判断是否将剩余电能提供给储能电池，使所采集电能按照瞬时通信需求和持续低功耗需求进行分配。超级电容器当前容量未达到相应要求时，继续优先积累超级电容器的能量，避免因过早向储能电池分流而造成通信定位能量不足，利用剩余电能补充储能电池，提高了采集电能的整体利用率。将放电功率和剩余电能在历史负荷数据中进行遍历，能够根据实际负载状态判断剩余电能是否满足供能条件，减少了储能电池充电过程因输入电能不足而发生反复接通、停止或无效转换的情况。根据放电耦合模型确定耦合补充能量，超级电容器负责补充当前剩余电能与储能电池供能需求之间的不足部分，兼顾储能电池补能需求和超级电容器的容量保持需求，减少了补充能量过低导致储能电池无法稳定充电的风险。依据完成能量分配后的储能状态进行通信控制，提高了对通信进行供电的可靠性，满足了对企鹅追踪时的储能稳定性。

30、另一方面，本技术还提供了一种利用温差与纳米摩擦发电供能系统的应用，用于应用上述利用温差与纳米摩擦发电供能系统，包括：

31、仿生气凝胶封装腔体，设置在企鹅背部，所述仿生气凝胶封装腔体连接防水射频天线、摩擦纳米发电机负极片和摩擦纳米发电机正极片；

32、所述仿生气凝胶封装腔体设置摩擦纳米发电机正电极输入端子和摩擦纳米发电机负电极输入端子；

33、所述摩擦纳米发电机正电极输入端子连接下摩擦片电极引出端、底层粘附水凝胶电极层和下贴片仿生摩擦层，所述摩擦纳米发电机负电极输入端子连接上摩擦片电极引出端、中间绝缘介电层和顶层超疏水仿生摩擦层；

34、所述防水射频天线连接射频天线馈出端，所述射频天线馈出端连接所述摩擦纳米发电机正电极输入端子、所述摩擦纳米发电机负电极输入端子、温差发电电能收集输入端子、整流降压电路、储能电池、中央控制器和超级电容器。

35、进一步的，所述的利用温差与纳米摩擦发电供能系统的应用，还包括：

36、所述温差发电电能收集输入端子连接温差发电电能引出端子，所述温差发电电能引出端子设置在气凝胶防水封装层，所述温差发电电能引出端子连接冷端散热层，所述冷端散热层的下端连接温差发电片；

37、所述气凝胶防水封装层设置柔性光伏材料层和热端导热耦合层；

38、所述热端导热耦合层设置形状记忆合金温控开关。

39、可以理解的是，上述一种利用温差与纳米摩擦发电供能系统及其应用具备相同的有益效果，在此不再赘述。