一种基于TEG和PEG的太阳能与风能多能互补小型能量采集装置的制作方法

本发明涉及多能互补自供能技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于teg和peg的太阳能与风能多能互补小型能量采集装置，可采集环境中的太阳能与风能为小型传感网络与用电设备进行供电，可应用于智能船舶传感网络、海洋智能传感网络、农业气象监测节点供能、森林险情预警等场景。

背景技术：

当前，微型器件及系统大多仍然使用传统的化学电池作为工作电源。然而，传统电池需要人为的定期更换或充电，尤其是在偏远地区，这将是一项繁琐、高成本的工作任务。不仅如此，传统化学电池还具有体积大、寿命短、功率密度低等缺点，使其在无线传感节点、植入式微系统等方面的应用受到一定的限制。能量采集技术是一种采集、收集各种各样周围环境中的能源，并将已经收集到能量转化为电能为用电负载进行供电。近年来，国内外对能量采集器开展了大量的研究，能量采集器可将环境中的能量进行采集并转化为所需的电能，具有环保、体积小、寿命长、易集成等优势，是解决无线传感节点等供电问题的一种理想方案。

在自然环境中，可利用的能源很多，如机械能、热能、光能等。其中，机械能(如振动能、风能等)蕴藏丰富、清洁环保，对环境中的机械能进行采集与利用已经引起了人们的广泛关注。因风能在自然界中随处可见，具有可再生、环保等优点，对于风能采集的相关研究也越来越多，小型风能采集器已逐步成为微能源研究的热点之一。自供能无线风速与温度监测节点可广泛应用于农业气象监测、森林险情预警等领域。而太阳能具有很高的功率密度，当室外艳阳高照的情况下，太阳能就很丰富。如果能够在同一时刻同一地点能够同时捕捉这两种能源，将两种能源进行互补发电供能，可有效解决可再生能源不连续输出的问题，更大程度地回收环境中的各种能源，对负载供能具有重大的意义。

因此，有必要提供一种采集装置，可以有效的捕捉太阳能和风能两种能源，有效进行互补发电供能。

技术实现要素：

根据上述提出现有的微型能量采集器采集可再生能源时存在的能源输出不连续或机械能采集过程中存在利用率低、功率不能满足较大范围的技术问题，而提供一种基于teg(thermoelectricpowergenerator温差发电)和peg(piezoelectricgenerator压电发电)的太阳能与风能多能互补小型能量采集装置。本发明的装置主要由设置在顶部的teg单元与设置在中部的peg单元和底部的能量管理单元耦合构成，顶部的teg单元通过peg单元的封装外壳顶部刚性连接固定，采集周围环境中的能源产生电能并输出至能量管理单元，经处理后再对负载电路供能，从而可以满足较大功率范围的需求，且可根据实际情况串联多组改能量采集装置为外界负载进行供电，以满足负载用电需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于teg和peg的太阳能与风能多能互补小型能量采集装置，其特征在于，由设置在顶部的teg单元、中部的peg单元和底部的能量管理单元耦合构成，所述teg单元的端部与所述peg单元的封装外壳顶部刚性连接固定，所述peg单元的封装外壳还包括主侧壁及与所述主侧壁两侧连接的侧板，其中：

所述teg单元，包括温差发电部件、设置在所述温差发电部件上部的作为热端用于提供热源的储热腔室和设置在所述温差发电部件下部的作为冷端用于散热的平板热管；所述teg单元产生的电能经导线输运至能量管理单元；

所述peg单元，包括压电悬臂梁、与所述压电悬臂梁的自由端相连的柔性梁或者质量块；所述压电悬臂梁的固定端由夹具夹持且固定在所述封装外壳的主侧壁中部，所述teg单元的平板热管下端面、所述封装外壳以及底部能量管理单元的上端面共同构成所述peg单元的风道；所述peg单元产生的电能经导线输运至能量管理单元；

能量管理单元，由两部分集成，分别为peg单元的能量储存与管理模块和teg升压电路模块，用于存储电能和外供电能。

进一步地，所述温差发电部件是将温差发电片置于上下两块铜板之间，且其四角由刚性螺栓固定而成的。

进一步地，所述储热腔室为密封结构，包括固定在所述温差发电部件中上端铜板上的太阳能吸热薄膜和置于所述太阳能吸热薄膜上的透光玻璃罩组成。

进一步地，所述太阳能吸热薄膜与所述铜板之间、所述透光玻璃罩与所述温差发电部件的上表面之间填充有导热材料。

进一步地，所述太阳能吸热薄膜采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸热薄膜。

进一步地，所述平板热管与所述温差发电片的冷端相连；所述平板热管的一端采用与散热片相连的组合方式增强风冷散热。

进一步地，在所述teg单元的平板热管下端面上和所述能量管理单元上端面上还设有限制保护所述压电悬臂梁和柔性梁或者质量块振动振幅的限幅保护结构。

进一步地，在所述peg单元的进风口处设有上、下两个具有弧形表面的流道限制结构，上下两个流道限制结构在进风口处形成弧形进风流道，即构成提高风速的收缩型风道。

进一步地，所述能量储存与管理模块由一个桥式单相整流器、蓄电电容、线性稳压器组成，桥式单相整流器可将压电悬臂梁产生的交流电转换为直流电，并储存在蓄电电容中，当蓄电电容中储存的电能满足外界负载的用电器的要求时触发功率半导体器件释放储存的电能，再经过线性稳压器处理后对外界负载进行能量输出；所述teg升压电路可将太阳能温差发电所产生的电能进行处理后对负载进行供能。

较现有技术相比，本发明所提出的小型teg单元中，热量从储热腔室传至温差发电片的热端，在温差发电片顶部的储热腔室可有效避免热量的损失，增强了装置顶部的绝热能力，避免环境空气冷却热端结点。当装置表面具有较高的对流系数时，由顶部的空气对流引起的热损失更加严重。温差发电片的冷端与平板热管连接，平板热管与散热片相连接，间接地使温差发电片冷端暴露在空气中，同时，外部风经底部的peg单元流出后可进一步带走散热片的一部分热量，实现了顶部的teg单元和底部的peg单元的互补，提高了小型温差发电结构的发电性能。

本发明所提出的底部peg单元中，压电悬臂梁可响应外部风的压力而产生电能，限幅保护结构可限制压电片与柔性梁的振动振幅，控制应变应力在许用范围之内，防止器件的疲劳与损坏，提高可靠性。peg单元的封装外壳除对压电悬臂梁等部件提供保护外，还可以通过管道设计改变流场分布，促使风致振动的产生。

本发明的能量管理单元可将teg单元与peg单元产生的电能进行管理输出。该能量管理单元由两部分集成，分别为peg单元的能量储存与管理模块与teg升压电路模块，peg单元的能量储存与管理模块可将压电片振动过程中产生的不规则的电压转化为稳定的可用的规则电压，并为负载进行供电，能量储存与管理单元由一个桥式单相整流器、蓄电电容、线性稳压器组成。桥式单相整流器可将压电片产生的交流电转换为直流电，并储存在蓄电电容中，当蓄电电容中储存的电能满足外界负载的用电器的要求时触发功率半导体器件释放储存的电能，再经过线性稳压器处理后对外界负载进行能量输出。升压电路可将太阳能teg发电单元所产生的电能进行处理后对负载进行供能。

本发明具有以下优点：

1、本发明将太阳能温差发电与风力压电组合在一起，可有效采集环境中的太阳能与风能并将其转换成电能为小型传感器等用电设备进行供能，其清洁无污染，成本低廉，容易实现。

2、本发明顶部的太阳能teg单元的温差发电片的冷端采用平板热与散热片组合散热，可利用自然界中风进行散热，无需消耗多余功率进行散热。

4、本发明中，封装外壳内部布置有收缩型流道，可减少风力压电工作的临界风速，同时外部风流经封装外壳里面的后其风速可进一步提高，进一步冷却散热板，降低温差发电片的冷端温度，实现了风能的多重利用，提高发电性能。

5、本发明将太阳能teg单元的升压电路模块与peg单元的能量储存与管理单元进行集成，布置在封装外壳管道内，节约装置空间，在当今电子设备与传感器的微型化趋势下，对于未来集成与应用具有重大的意义。

基于上述理由本发明可在智能船舶传感网络、海洋智能传感网络、农业气象监测节点供能、森林险情预警等场景广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于teg和peg的太阳能与风能多能互补小型能量采集装置的结构示意图。

图2为本发明图1的太阳能teg的局部示意图。

图3为多组本发明基于teg和peg的太阳能与风能多能互补小型能量采集装置配合使用的状态图。

图中：1、teg单元；11、铜板；12、平板热管；13、温差发电片；14、太阳能吸热薄膜；15、透光玻璃；16、侧壁；17、散热片；2、流道限制结构；3、能量管理单元；4、柔性梁(或质量块)；5、限幅保护结构；6、压电悬臂梁。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种基于teg和peg的太阳能与风能多能互补小型能量采集装置，由设置在顶部的teg单元1、中部的peg单元和底部的能量管理单元3耦合构成，所述teg单元1的端部与所述peg单元的封装外壳顶部刚性连接固定，所述peg单元的封装外壳还包括主侧壁及与所述主侧壁两侧连接的侧板。

如图2所示，所述teg单元，包括温差发电部件、设置在所述温差发电部件上部的作为热端用于提供热源的储热腔室和设置在所述温差发电部件下部的作为冷端用于散热的平板热管12；所述teg单元1产生的电能经导线输运至能量管理单元3；

所述温差发电部件是将温差发电片13置于上下两块铜板11之间，且其四角由刚性螺栓固定而成的。

所述储热腔室为长方体或其它规则立方体的密封结构，包括固定在所述温差发电部件中上端铜板11上的太阳能吸热薄膜14和置于所述太阳能吸热薄膜14上的透光玻璃罩组成，透光玻璃罩由透光玻璃15和与其四周固定的侧壁16组成，所述透光玻璃15采用高透光率的材料，如树脂基透光复合材料等；所述侧壁16由导热率低的材料构成，如岩棉、弹性泡沫等。

所述太阳能吸热薄膜14与所述铜板11之间、所述透光玻璃罩与所述温差发电部件的上表面之间填充有导热材料，如导热硅胶、导热硅脂等。

所述太阳能吸热薄膜14采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸热薄膜。

所述平板热管12与所述温差发电片的冷端相连；所述平板热管的一端采用与散热片17相连的组合方式增强风冷散热。

本发明顶部的太阳能teg单元，阳光经透光玻璃照射到布置在温差发电部件上端的太阳能吸热薄膜14，太阳能吸热薄膜14可将太阳能转换为热能，为温差发电部件的热端提供热源，冷端采用平板热管12与散热片17组合方式进行风冷散热，使温差发电片冷热端产生一定的温差，进而进行温差发电。与此同时外部风流经底部的peg单元进行发电过程中可带走上部平板热管12的部分热量，进一步促进冷端散热，降低温差发电片冷端温度，增大温差发电片冷热端温差，从而提高了温差发电单元的发电性能，太阳能温差发电单元所产生的电能通过升压电路处理后对负载进行供能；

所述peg单元，包括压电悬臂梁6、与所述压电悬臂梁6的自由端相连的柔性梁4或者质量块；其中，所述压电悬臂梁6由pzt陶瓷压电片和柔性材料通过胶连或者亚克力板夹持组成，柔性梁可采用pet膜或者ptfe膜等。

所述压电悬臂梁6的固定端由夹具夹持且固定在所述封装外壳的主侧壁中部，所述teg单元1的平板热管12下端面、所述封装外壳以及底部能量管理单元3的上端面共同构成所述peg单元的风道；在所述peg单元的进风口处设有上、下两个具有弧形表面的流道限制结构2，上下两个流道限制结构2在进风口处形成弧形进风流道，即构成提高风速的收缩型风道，风流经这个表面根据流体力学基本原理有增大风速的作用。

在所述teg单元1的平板热管12下端面上和所述能量管理单元3上端面上还设有限制保护所述压电悬臂梁6和柔性梁4或者质量块振动振幅的限幅保护结构5，限幅保护结构5可以为具有一定高度的挡板，防止柔性梁4弯折受损。

所述peg单元产生的电能经导线输运至能量管理单元3；

本发明中部为peg单元通过在压电悬臂梁6布置柔性梁4或者质量块可有效减少风致振动发电的临界风速。限幅保护结构5可限制压电片与柔性梁4的振动振幅，控制应变应力在许用范围之内，防止器件的疲劳与损坏，提高可靠性。peg单元的封装外壳除对压电悬臂梁6等部件提供保护外，还可以通过管道设计改变流场分布，促使风致振动的产生，将该流道布置成收缩型，可进一步促进风速的提高，减少风力压电工作的临界风速，同时，风速进一步提高可有效促进平板热管的散热，提高温差发电性能。

能量管理单元3，由两部分集成，分别为peg单元的能量储存与管理模块和teg升压电路模块，用于存储电能和外供电能，优选地，所述能量管理单元可以集成封装在peg单元的封装外壳的管道内。

所述能量储存与管理模块由一个桥式单相整流器、蓄电电容、线性稳压器组成，桥式单相整流器可将压电悬臂梁产生的交流电转换为直流电，并储存在蓄电电容中，当蓄电电容中储存的电能满足外界负载的用电器的要求时触发功率半导体器件释放储存的电能，再经过线性稳压器处理后对外界负载进行能量输出；所述teg升压电路可将太阳能温差发电所产生的电能进行处理后对负载进行供能。

如图3所示，可以根据需要，在适当的场合增设多个本发明提供的能量采集装置共同作业，达到供电需求。

本发明由顶部teg单元和中部peg单元采集周围环境中的太阳能与风能进行互补供能，可有效解决单一可再生能源输出不稳定的问题，同时可解决传统供电方式持续性短，维护成本高的难题，在当今能源短缺与环境污染日益严重的背景下，具有重大的战略意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。