一种雨能和太阳能采集装置、实现方法及制备方法

1.本发明涉及能量采集技术领域，尤其是一种雨能和太阳能采集装置、实现方法及制备方法。


背景技术：

2.随着能源危机日益加重，寻找一种可以转化环境中清洁能源的方法迫在眉睫，根据国际能源署(international energy agency，简称iea)统计，2017年全球共消耗117亿万吨油当量的燃料，其中化石燃料(煤、石油、天然气)占了总量的65％以上。按照目前的消耗速度，截至2040年全球的能源消耗量将达到125亿万吨油当量。因此，能源结构过度依赖不可再生的化石能源，不仅会产生能源枯竭的问题，而且化学燃料在使用过程排放大量温室气体造成气候变化。快速增长的能源需求和化石能源短缺使得开发新能源和可再生的清洁能源已成为全球范围内的重大战略性选择。
3.最近，摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，简称teng)在捕获环境中低频机械能方面展现出巨大潜力，这取决于其独特的工作机制。理论上，环境中机械能无处不在，摩擦纳米发电机对机械能的收集也无处不在，雨能摩擦发电以及太阳能发电均属于可再生清洁能源，是一种理想的能源。现有的基于摩擦纳米发电机的混合能量采集系统中，摩擦层均暴露于阳光下，导致摩擦介电层长时间暴露于阳光导致其具有易老化、使用寿命短、且安装使用不够灵活等局限性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种雨能和太阳能采集装置、实现方法及制备方法，以实现提高资源利用率以及延长装置的使用寿命。
5.一方面，本发明提供了一种雨能和太阳能采集装置，包括纳米摩擦发电模块、太阳能发电模块、能量采集模块以及翻转控制模块，所述翻转控制模块包括翻转叶片、雨滴传感器以及单片机，所述纳米摩擦发电模块安装在所述翻转叶片的内侧，所述太阳能发电模块安装在所述翻转叶片的外侧，所述翻转叶片分为上下两片，上下叶片采用合页的方式进行耦合，所述雨滴传感器的输出端连接所述单片机的输入端，所述单片机的输出端连接所述翻转叶片以及所述能量采集模块的输入端；
6.其中，所述纳米摩擦发电模块，用于通过雨水滑落摩擦产生电能；
7.所述太阳能发电模块，用于将太阳能转换为电能；
8.所述能量采集模块，用于采集所述纳米摩擦发电模块以及太阳能发电模块产生的电能；
9.所述翻转控制模块，用于根据所述单片机发送的指令，对所述翻转叶片进行翻转，控制对雨能以及太阳能的交替收集；
10.所述翻转叶片，用于安装所述纳米摩擦发电模块以及太阳能发电模块；
11.所述雨滴传感器，用于获取雨滴信号；
12.所述单片机，用于根据所述雨滴信号控制所述翻转叶片的展开与闭合。
13.可选地，所述纳米摩擦发电模块包括介电薄膜以及金属电极，所述金属电极镀在所述介电薄膜的底面；
14.其中，所述介电薄膜，用于通过雨滴滚动摩擦产生电能；
15.所述金属电极，用于将电能引导到所述能量采集模块。
16.可选地，所述太阳能发电模块包括太阳能板以及金属电极；
17.其中，所述太阳能板，用于将太阳能转化为电能；
18.所述金属电极，用于将电能引导到所述能量采集模块。
19.可选地，所述能量采集模块包括交直流整合器；
20.其中，所述交直流整合器，用于收集所述太阳能发电模块以及所述纳米摩擦发电模块产生的电能。
21.可选地，还包括立柱；
22.其中，所述立柱，用于收集滑落的雨水。
23.可选地，还包括蓄水池；
24.其中，所述蓄水池，用于存储收集的雨水。
25.另一方面，本发明实施例还公开了一种雨能和太阳能采集装置的实现方法，包括：
26.通过雨滴传感器实时获取雨滴信号；
27.根据所述雨滴信号，通过单片机控制翻转叶片进行翻转；
28.当所述雨滴信号为晴时，通过所述单片机控制所述翻转叶片翻转为闭合状态，通过太阳能发电模块将太阳能转化为电能；
29.当所述雨滴信号为雨时，通过所述单片机控制所述翻转叶片翻转为展开状态，通过纳米摩擦发电模块将雨滴摩擦产生的能量转化为电能；
30.通过能量采集模块采集所述纳米摩擦发电模块以及太阳能发电模块产生的电能。
31.另一方面，本发明实施例还公开了一种雨能和太阳能采集装置的制备方法，包括：
32.采用亚克力板制备翻转叶片；
33.采用介电薄膜作为柔性基底，制备纳米摩擦发电机；
34.将所述纳米摩擦发电机安装在所述翻转叶片的内侧；
35.将太阳能板安装在所述翻转叶片的外侧；
36.组装雨滴传感器、单片机以及所述翻转叶片，得到雨能和太阳能采集装置。
37.可选地，还包括：
38.采用3d打印技术制备中空结构的立柱。
39.可选地，还包括：
40.采用表面纹理化对所述介电薄膜表面进行纹理化处理。
41.另一方面，本发明实施例还公开了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
42.所述存储器用于存储程序；
43.所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
44.另一方面，本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
45.另一方面，本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机
程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
46.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过纳米摩擦发电模块采集雨能，通过太阳能发电模块采集太阳能，能够对雨能和太阳能进行采集，对资源进行最大化利用；通过翻转控制模块控制对雨能和太阳能的交替采集，能够延长装置的使用寿命。
附图说明
47.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为本发明实施例的一种雨能和太阳能装置在晴天时的闭合状态图；
49.图2为本发明实施例的一种雨能和太阳能装置在雨天时的展开状态图；
50.图3为本发明实施例的一种雨能和太阳能装置的实现方法流程图。
具体实施方式
51.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
52.本发明提供了一种雨能和太阳能采集装置，包括纳米摩擦发电模块、太阳能发电模块、能量采集模块以及翻转控制模块，所述翻转控制模块包括翻转叶片、雨滴传感器以及单片机，所述纳米摩擦发电模块安装在所述翻转叶片的内侧，所述太阳能发电模块安装在所述翻转叶片的外侧，所述翻转叶片分为上下两片，上下叶片采用合页的方式进行耦合，所述雨滴传感器的输出端连接所述单片机的输入端，所述单片机的输出端连接所述翻转叶片以及所述能量采集模块的输入端；
53.其中，所述纳米摩擦发电模块，用于通过雨水滑落摩擦产生电能；
54.所述太阳能发电模块，用于将太阳能转换为电能；
55.所述能量采集模块，用于采集所述纳米摩擦发电模块以及太阳能发电模块产生的电能；
56.所述翻转控制模块，用于根据所述单片机发送的指令，对所述翻转叶片进行翻转，控制对雨能以及太阳能的交替收集；
57.所述翻转叶片，用于安装所述纳米摩擦发电模块以及太阳能发电模块；
58.所述雨滴传感器，用于获取雨滴信号；
59.所述单片机，用于根据所述雨滴信号控制所述翻转叶片的展开与闭合。
60.参照图1，本发明一种雨能和太阳能采集装置在晴天为闭合状态进行太阳能采集，参照图2，本发明一种雨能和太阳能采集装置在雨天为展开状态进行雨能采集。本装置通过在翻转叶片的内侧与外面分别安装纳米摩擦发电模块和太阳能发电模块对雨能和太阳能
进行采集，通过能量采集模块将太阳能发电模块以及纳米摩擦发电模块的电能存储起来。本装置的翻转控制模块包括翻转叶片、雨滴传感器以及单片机。通过雨滴传感器获取的雨滴信号，单片机对晴天和雨天进行判断，当判断为晴天时，单片机对翻转叶片进行翻转呈闭合状态，安装在翻转叶片外侧的太阳能装置进行太阳能采集；当判断为雨天时，单片机对翻转叶片进行翻转呈展开状态，雨滴滑落在翻转叶片内侧的纳米摩擦发电模块进行雨能采集。本装置的翻转叶片分为上下两片，上叶片可进行翻转，下叶片固定，两叶片使用合页的方式耦合。
61.进一步作为优选的实施方式，所述纳米摩擦发电模块包括介电薄膜以及金属电极，所述金属电极镀在所述介电薄膜的底面；
62.其中，所述介电薄膜，用于通过雨滴滚动摩擦产生电能；
63.所述金属电极，用于将电能引导到所述能量采集模块。
64.其中，本发明的一种实施例中的金属电极采用叉指电极，叉指电极镀在介电薄膜底面，并贴附于支撑面上。支撑面为翻转叶片的上叶片内侧，采用透明亚克力材料。雨滴通过在介电薄膜上滚动实现摩擦发电。
65.进一步作为优选的实施方式，所述太阳能发电模块包括太阳能板以及金属电极；
66.其中，所述太阳能板，用于将太阳能转化为电能；
67.所述金属电极，用于将电能引导到所述能量采集模块。
68.其中，太阳能板贴附于支撑面上。支撑面为翻转叶片的上叶片外侧，采用透明亚克力材料。金属电极用于引出太阳能板产生的电流。
69.进一步作为优选的实施方式，所述能量采集模块包括交直流整合器；
70.其中，所述交直流整合器，用于收集所述太阳能发电模块以及所述纳米摩擦发电模块产生的电能。
71.其中，能量采集模块由叶片单元串、并联连接组成，通过交直流整合器收集太阳能发电模块与纳米摩擦发电模块产生的电能，对纳米摩擦发电模块的交流输出和太阳能发电模块的直流输出分别进行电源管理，实现两者同步输出。
72.进一步作为优选的实施方式，还包括立柱；
73.其中，所述立柱，用于收集滑落的雨水。
74.其中，本发明的一种实施例的立柱为3d打印空心八面体，高度约为6米，边长约为200mm，厚度约为20mm，立柱对整体结构起支撑作用，同时采用中空结构，用来采集滑落的雨水，实现资源合理化。
75.进一步作为优选的实施方式，还包括蓄水池；
76.其中，所述蓄水池，用于存储收集的雨水。
77.其中，在立柱下安置蓄水池，用于存储收集的雨水。蓄水池可埋藏于地下，可通过管道导出雨水进行利用，还可降低装置整体结构的重心，使得雨能和太阳能采集装置更加稳定。
78.参照图3，本发明实施例还公开了一种雨能和太阳能采集装置的实现方法，包括：
79.通过雨滴传感器实时获取雨滴信号；
80.根据所述雨滴信号，通过单片机控制翻转叶片进行翻转；
81.当所述雨滴信号为晴时，通过所述单片机控制所述翻转叶片翻转为闭合状态，通
过太阳能发电模块将太阳能转化为电能；
82.当所述雨滴信号为雨时，通过所述单片机控制所述翻转叶片翻转为展开状态，通过纳米摩擦发电模块将雨滴摩擦产生的能量转化为电能；
83.通过能量采集模块采集所述纳米摩擦发电模块以及太阳能发电模块产生的电能。
84.本发明实施例还公开了一种雨能和太阳能采集装置的制备方法，包括：
85.采用亚克力板制备翻转叶片；
86.采用介电薄膜作为柔性基底，制备纳米摩擦发电机；
87.将所述纳米摩擦发电机安装在所述翻转叶片的内侧；
88.将太阳能板安装在所述翻转叶片的外侧；
89.组装雨滴传感器、单片机以及所述翻转叶片，得到雨能和太阳能采集装置。
90.其中，采用亚克力板制备翻转叶片，翻转叶片分为上下两片，采用合页的方式进行耦合，采用八片叶片耦合的方式制备整体结构，能够使各方位雨滴在导流面的滑落，同时八页结构方便于晴雨天气叶片开合功能的实现。设置雨天展开叶片表面与水平面的合理角度，能够使雨水及时导流，同时排除斜面角度对雨滴发电效率的影响，使发电效率最大化。将介电薄膜作为柔性基底，制备纳米摩擦发电机并将其安装在翻转叶片的内侧，能够对雨能进行采集，介电薄膜为具有高电负性的聚合物材料，可以使用聚二甲基硅氧烷。将太阳能板安装在翻转叶片的外侧，依据当地太阳角高度，调整设置合理的叶片斜面与水平面的角度，收集当前环境下最高效率的太阳能。使用雨滴传感器提供雨滴信号，将采集到的信号发送至单片机中。对stm32单片机进行编程，根据雨滴信号控制翻转叶片的展开与闭合，实现晴天叶片闭合，太阳能板工作，雨天叶片展开，转换为纳米摩擦发电机工作。翻转叶片的上下叶片均为切割的透明等腰梯形亚克力材料，上底约为200mm，下底约为1m，上部分叶片斜边为1.2～1.5m，下部分叶片斜边为2～2.3m，厚度约为20mm。
91.进一步作为优选的实施方式，还包括：
92.采用3d打印技术制备中空结构的立柱。
93.进一步作为优选的实施方式，还包括：
94.采用表面纹理化对所述介电薄膜表面进行纹理化处理。
95.其中，采用物理方法即对介电薄表面进行纹理化处理，提高薄膜表面疏水性，增强摩擦电荷密度，进而增强发电机的发电效率。
96.本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图3所示的方法。
97.综上所述，本发明实施例具有以下优点:
98.(1)本发明实施例通过纳米摩擦发电模块与太阳能发电模块收集太阳能和雨能，优化利用可再生能自然资源。
99.(2)本发明实施例通过翻转控制模块的开合结构设计使雨水与纳米摩擦发电机的接触面积大幅度增加，增强了摩擦发电，提高了电能转换效率。
100.(3)本发明实施例通过翻转控制模块的自动翻转式结构设计，保护了纳米摩擦发电机不受太阳光长时间照射，降低了介电薄膜的老化程度，延长了雨能和太阳能采集装置
的使用寿命。
101.(4)本发明实施例的一种雨能和太阳能采集装置的结构简单，发电成本低，能量转换效率高。
102.在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
103.此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
104.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
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only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
105.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
106.计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
107.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述
实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
108.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
109.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
110.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。