基于光伏纳米的通航预警系统设计方案

林雨欣 张里 谭世耀 鲁亮 李思洁 王剑波 周珂竹 陈媛媛 周乐

摘  要：文章介绍了一种电能补给及水文预警系统。电能部分利用纳米材料摩擦、太阳能等发电技术，实现自身储能和对外界供电。预警部分可提供水流流速等水文信息，实现远程监控以降低进入危险航行区域的风险，也能及时发布水污染等紧急事件的通知，保障人们的生命财产安全。

关键词：纳米发电;水文监测;远程监控

中图分类号：TM914 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）15-0031-02

Abstract： This paper introduces a power supply and hydrological warning system. The electric energy part uses nano-material friction， solar energy and other power generation technologies to realize its own energy storage and power supply. The early warning section can provide hydrological information such as flow rate， realize remote monitoring to reduce the risk of entering dangerous navigation areas， and issue notifications of emergencies such as water pollution， thereby ensure people's lives and property.

Keywords： nano-power generation; hydrological monitoring; remote monitoring

當今社会能源消耗主要依赖于传统的化石能源，随着化石能源的过度开采，我国面临的能源危机问题愈发严重。可再生能源发电成为当前新能源发展的核心，太阳能和潮汐能因其可靠性和无穷性的优势，在可再生能源市场上占据了重要地位。

由于太阳能容易受到昼夜、天气和季节等诸多不利因素的影响，发电效果无法满足海上交通设备的供电量。为了提高潮汐能和太阳能的利用率，避免对原有生态环境的破坏，降低船只失事率，设计了一款将太阳能和潮汐能结合，提高发电率，可为水上交通工具、通讯设备以及其他设备供电，同时向接收方提供灯光警示和海上数据，提前做好保护措施保证生命所需设备正常工作的产品。

因此，本设计将太阳能发电和摩擦纳米发电结合，着力提高发电功率，保证供电可靠。

1 系统整体设计及机理

本设计使用STM32为主控模块，设计了一款可提供能见度，风向，水流流速，定位等准确信息的通航警卫及水况预警系统。该系统由STM32主控模块、无线通讯模块、传感器模块、电源模块构成。系统主要由水波带动纳米小球摩擦生电，再通过以低功耗UCC2813为核心的电能采集转换电路传入储能装置，以提供24小时不间断的供电。利用多种传感器，实时监测水文信息，经GPRS输出数据到服务器，分析显示各种信息以及水域的突发情况，提示过往船只。

本系统实现多种功能集于一体，且可实时刷新数据，传入设备，实现远程监控，符合现代理念——绿色环保低功耗，在航标等海上设备的使用中具有较大的应用前景。

1.1 软件流程设计

本设计的软件方面采用 C 语言开发，开发平台为Keiluvision 5软件，利用 ST 公司提供的 STM32库函数对软件程序进行开发[1]。

系统上电后，进行系统内部初始化，初始化完成后，扫描报警按键是否有按下，若报警按键按下则下发报警指令，通过 GPRS 通讯方式上传至中心站。若报警按键没有按下，则按照预先设定的顺序依次采集位置信息，电池容量信息，风速信息。最后配置GPRS 数据包发送采集的本组数据信息给中心站。

滑坡预警终端软件设计流程图如图1所示。

1.2 摩擦纳米发电装置设计

引用王中林教授的设计，制作了一种基于弹簧辅助多层结构的球形滕，用于收集水波能量[2]。装置基本结构如2所示，结合柔性弹簧在水波下带动滕结构形成连动。

其主要工作原理是依赖于铝电极和FEP薄膜之间的垂直式分离触发。在水波周期性的运动下，顶部铝箔和FEP薄膜相互接触并摩擦，在其上表面产生正摩擦电荷。顶部电极与FEP膜的分离产生了两个电极之间的电位差，驱动自由电子从底部电极流向顶部，电流产生。直到电流达到峰值，铝箔和FEP薄膜相互分离。当顶部电极和FEP薄膜的两个表面再接近，未完全接触之前，自由电子从顶部回流，顶部电极与底部电极连接，产生反向电流，由此产生周期性的电输出信号。

2 发电效率优化方向

初步实验得出，亚克力球内的潮湿度、水波的频率和振幅都会对球形滕的输出功率产生影响，所以在密封亚克力球壳时，采用水泥对其进行密闭处理。

固定水波振幅为2.5V时，当水波频率从0.5Hz增加到2.0Hz时，输出电流、转移电荷和输出电压的峰值均是先增大后减小，在1.0Hz时达到最大值，如图3所示。频率大于1.0Hz时球形滕性能反而下降，是因为过高的频率使质量块无法充分下落以按压滕单元。

固定水波频率在1Hz时，改变水波函数发生器输出电压幅值，整理得出图4，可以看到球形滕输出电流、转移电荷和输出电压都会随之增加，意味着更大的波振幅有利于产生高性能的输出特性。

3 结束语

本文提出了摩擦纳米发电及水文预警系统框架，水文信息的检测和电能补给可满足设备供电和通航预警的需求。通过亚克力球内的潮湿度、水波频率及振幅对装置输出电流的影响实验，优化摩擦纳米发电装置的效率和利用率[3]，作为整个系统更深的研究方向。

参考文献：

[1]李忠豪，庞存锁.基于STM32的点火器电阻测量系统[J].电子测量技术，2019，42（24）：162-166.

[2]Tian Xiao Xiao，Xi Lang，and Zhong Lin Wang. Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring-Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting[J].Advanced Functional Materials，2018，28（35）.

[3]Wan Z G，Tan Y K，Yuan C.Review on energy harversting and engergy management for sustainable wireless sensor networks[C].IEEE 13th International Conference on Communication Technology，2011：362-367.