基于光伏納米的通航預警系統設計方案

林雨欣 張里 譚世耀 魯亮 李思潔 王劍波 周珂竹 陳媛媛 周樂

摘? 要：文章介紹了一種電能補給及水文預警系統。電能部分利用納米材料摩擦、太陽能等發電技術，實現自身儲能和對外界供電。預警部分可提供水流流速等水文信息，實現遠程監控以降低進入危險航行區域的風險，也能及時發布水污染等緊急事件的通知，保障人們的生命財產安全。

關鍵詞：納米發電;水文監測;遠程監控

中圖分類號：TM914 文獻標志碼：A 文章編號：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

當今社會能源消耗主要依賴于傳統的化石能源，隨著化石能源的過度開采，我國面臨的能源危機問題愈發嚴重。可再生能源發電成為當前新能源發展的核心，太陽能和潮汐能因其可靠性和無窮性的優勢，在可再生能源市場上占據了重要地位。

由于太陽能容易受到晝夜、天氣和季節等諸多不利因素的影響，發電效果無法滿足海上交通設備的供電量。為了提高潮汐能和太陽能的利用率，避免對原有生態環境的破壞，降低船只失事率，設計了一款將太陽能和潮汐能結合，提高發電率，可為水上交通工具、通訊設備以及其他設備供電，同時向接收方提供燈光警示和海上數據，提前做好保護措施保證生命所需設備正常工作的產品。

因此，本設計將太陽能發電和摩擦納米發電結合，著力提高發電功率，保證供電可靠。

1 系統整體設計及機理

本設計使用STM32為主控模塊，設計了一款可提供能見度，風向，水流流速，定位等準確信息的通航警衛及水況預警系統。該系統由STM32主控模塊、無線通訊模塊、傳感器模塊、電源模塊構成。系統主要由水波帶動納米小球摩擦生電，再通過以低功耗UCC2813為核心的電能采集轉換電路傳入儲能裝置，以提供24小時不間斷的供電。利用多種傳感器，實時監測水文信息，經GPRS輸出數據到服務器，分析顯示各種信息以及水域的突發情況，提示過往船只。

本系統實現多種功能集于一體，且可實時刷新數據，傳入設備，實現遠程監控，符合現代理念——綠色環保低功耗，在航標等海上設備的使用中具有較大的應用前景。

1.1 軟件流程設計

本設計的軟件方面采用 C 語言開發，開發平臺為Keiluvision 5軟件，利用 ST 公司提供的 STM32庫函數對軟件程序進行開發[1]。

系統上電后，進行系統內部初始化，初始化完成后，掃描報警按鍵是否有按下，若報警按鍵按下則下發報警指令，通過 GPRS 通訊方式上傳至中心站。若報警按鍵沒有按下，則按照預先設定的順序依次采集位置信息，電池容量信息，風速信息。最后配置GPRS 數據包發送采集的本組數據信息給中心站。

滑坡預警終端軟件設計流程圖如圖1所示。

1.2 摩擦納米發電裝置設計

引用王中林教授的設計，制作了一種基于彈簧輔助多層結構的球形滕，用于收集水波能量[2]。裝置基本結構如2所示，結合柔性彈簧在水波下帶動滕結構形成連動。

其主要工作原理是依賴于鋁電極和FEP薄膜之間的垂直式分離觸發。在水波周期性的運動下，頂部鋁箔和FEP薄膜相互接觸并摩擦，在其上表面產生正摩擦電荷。頂部電極與FEP膜的分離產生了兩個電極之間的電位差，驅動自由電子從底部電極流向頂部，電流產生。直到電流達到峰值，鋁箔和FEP薄膜相互分離。當頂部電極和FEP薄膜的兩個表面再接近，未完全接觸之前，自由電子從頂部回流，頂部電極與底部電極連接，產生反向電流，由此產生周期性的電輸出信號。

2 發電效率優化方向

初步實驗得出，亞克力球內的潮濕度、水波的頻率和振幅都會對球形滕的輸出功率產生影響，所以在密封亞克力球殼時，采用水泥對其進行密閉處理。

固定水波振幅為2.5V時，當水波頻率從0.5Hz增加到2.0Hz時，輸出電流、轉移電荷和輸出電壓的峰值均是先增大后減小，在1.0Hz時達到最大值，如圖3所示。頻率大于1.0Hz時球形滕性能反而下降，是因為過高的頻率使質量塊無法充分下落以按壓滕單元。

固定水波頻率在1Hz時，改變水波函數發生器輸出電壓幅值，整理得出圖4，可以看到球形滕輸出電流、轉移電荷和輸出電壓都會隨之增加，意味著更大的波振幅有利于產生高性能的輸出特性。

3 結束語

本文提出了摩擦納米發電及水文預警系統框架，水文信息的檢測和電能補給可滿足設備供電和通航預警的需求。通過亞克力球內的潮濕度、水波頻率及振幅對裝置輸出電流的影響實驗，優化摩擦納米發電裝置的效率和利用率[3]，作為整個系統更深的研究方向。

參考文獻：

[1]李忠豪，龐存鎖.基于STM32的點火器電阻測量系統[J].電子測量技術，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.