1.本发明涉及一种自供能系统，特别涉及一种应用于水下环境的仿生自供能系统。
背景技术：2.水下探测器一般工作在深水层，用于探索未知的海洋环境，实现所需各种海洋信息的探测、收集。近年来，探测器朝着低能耗、体积小、外形仿生的趋势发展。例如设计新型集成式传感器以降低能耗，模仿海豹胡须的特殊结构以增加探测距离，采用无线电能传输技术的应用或光伏发电的设计等。然而已有的探测器普遍存在以下问题：(1)探测器外形奇特，容易受到海底生物的排斥和攻击，也不满足在水下行进的力学要求，行进阻力大，耗能大；(2)能量供给方式多为充电式锂电池，其不仅质量重，体积大，且存在泄露情况，此外定期回收充电也需消耗大量的人力和物力。
3.近年来，国内外陆续公开了一些利用海洋温差能和动能的发电装置，用于满足水下探测器的能量供给，这种方式不仅降低了电池的利用率，也使得工作器变得更轻。cn104675648a公开了一种海洋温差能发电装置及水下探测器，其主要工作方式为：相变材料固液相变时吸收海洋温差能进而使得相变材料体积发生变化，带动能量传递介质流动，流经发电机使其旋转进而将海洋温差能转化为电能。cn110513256a公开了一种海洋温差能发电的换热装置，利用壳状结构，内置第一导热板、第二导热板与温差发电片，利用耐压壳支撑，内部填充相变材料，实现温差能的俘获，其特点是一个圆盘形的换热装置，然而无法实现自身运动，需借助其他水下装置。cn111355403a公开了一种水母状的压电摩擦电复合式海洋机械能收集器，由带状压电器件和半球壳摩擦俘能装置组成混合式发电装置，储能模块含有超级电容。然而这些发电装置的能量供给方式单一，发电效率相对较低，且大多无法独立自主运行。
技术实现要素：4.本发明可克服上述已有发明不足之处，其目的是提供一种外形仿生，高效自供能的水下自供能系统。本发明利用压电装置实现自主启动，其浮升可通过吸排水改变系统的质量进而改变系统的浮力，实现系统的上升和下沉，可以作为一个独立自主的运行系统，实现在水下运行的完全自供电与能量收集，并有机结合热电和压电两种发电方式提高发电效率。
5.本发明的技术方案是这样实现的：
6.1、一种水下仿生混合自供能系统，整体为仿生水母结构，自上而下为热电俘能装置，工作器工作装置，电路整流装置，压电俘能装置，动力装置。热电俘能装置处于水母头部，整体为半球形，其内具有热电装置，实现温差发电。工作装置位于热电俘能装置下方，设于长筒柱形结构内，实现信号探测、收集；电路整流装置位于工作装置下方，由整流电路板和电能收集器构成，与工作装置和动力装置电路连接。压电俘能装置由悬臂梁和浮带构成，经由电路整流装置对工作装置和动力装置供能。悬臂梁头部为圆柱状，尾部长方形压电片
与长筒柱形相接，环绕长筒柱形结构排布浮带在水母最外层环布，一端与头部相连，另一端为自由端。动力装置位于长筒柱形结构的底部，内设空腔，其特征在于通过吸水进入空腔改变浮力而下潜，通过排水出空腔改变浮力而上升。
7.2、所述的水下仿生混合自供能系统，其热电俘能装置位于水母头部，整体为半球形，由外而内为整流槽、外部支撑架、橡胶外壳、相变材料层、内部橡胶密封层、热电装置、蓄排水部件、底部密封支架层，热电装置附着在内部橡胶密封层的内层。
8.3、所述的水下仿生混合自供能系统，其外部支撑为十字结构，整流槽依附支撑架排布；整流槽与支撑架为同种金属制造。
9.4、所述的水下仿生混合自供能系统，其橡胶外壳的表面有整流槽所对应的条形长孔供水流通过；中心有对应的蓄排水装置的四个三角状孔，用于配合动力装置吸排水。
10.5、所述的水下仿生混合自供能系统，其蓄排水装置为金属制造，从上方流过的水流经由此排出或储存。
11.6、所述的水下仿生混合自供能系统，其悬臂梁头部为柱形绕流件，端面有槽，可供尾部长方形压电片插入固定。水流流过绕流件使得压电片随之振动进而产生电势差，尾部与长筒柱形结构相接。
12.7、所述的水下仿生混合自供能系统，其浮带上附有薄膜，水流流过浮带表面，薄膜随之振动进而产生电势差。
13.8、所述的水下仿生混合自供能系统，其动力装置主体为空腔结构，上端与电路整流装置电路连接，内部通过管道与蓄排水装置相连，下端为整个工作器的尾部，用于控制系统的下潜和上浮。下潜状态时，蓄排水装置通过上部阀孔打开直接与海水接触，在内置压缩机的作用下压缩空气，使海水流入空腔，系统重力增加，系统下潜；上浮状态时，蓄排水装置仍通过上部阀孔打开直接与海水接触，压缩空气将空腔中的水压出，使系统重力减小，系统上浮。内置压缩机由装置完成自供电。上部阀孔可根据具体运行应用需求，进一步加装射流装置，以强化运行动力，调整运行姿态，实现更为平稳的运动，满足特定需求。
14.本发明有以下有益效果：
15.(1)本发明采用热电和压电两种发电方式，利用海洋环境中的热能(温差能)和动能等多种能源以实现电力的自供给。由热电装置部分与压电装置部分分层级进行相互配合和耦合发电，发电效率更高。
16.(2)本发明能够自主启动，独立运作，无需外界输入能量。
17.(3)本发明的发电装置与工作器工作装置紧密配合，体积较小，质量较轻。
18.(4)本发明采用仿生水母结构，符合水中行进的力学结构，阻力小，遭到其他生物的攻击概率低。
19.本发明在热电装置和压电装置的共同作用下，能够利用海洋中的热能和动能等多种能量。在静止待机状态下，水流横掠悬臂梁和浮带使其随之振动发电，经由电路整流装置实现电能的储存。当能量储存到一定程度时，系统进入运动工作状态，此时上浮下潜以及实现探测等功能的初始能皆由压电俘能装置提供。此后系统一边利用温差发电，一边可在上浮下沉中完成工作，并继续进行压电储能，多种能量共同利用，使得工作效率大大提高。压电发电部分为基础层级，主要用于产生系统启动所需的能量；热电发电部分为更高层级的发电过程，装置在上浮下沉过程中进行热量开采，完成一次更大电能的产出与储存过程，实
现电能采集量的一次越级提升。热电部分间歇工作，但其产生储存的电能更大，压电部分连续工作，持续开采能量，维持了装置运行的持续性与稳定性。本发明外形成仿生水母状，水中行进阻力小，结构紧凑。相比于其他收集环境能源的工作器，如收集太阳能需要大面积的平板，环境能源收集器需要复杂的延伸装置，本发明供能结构与工作结构的设计更加符合水下环境的要求。
附图说明
20.图1为本发明整体结构正面示意图
21.图2为本发明热电装置部分拆解图
22.图3为本发明压电装置示意图
23.图4为本发明浮带示意图
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明做进一步说明。
25.参考图1所示，本发明的一种水下仿生混合自供能系统，整体为仿生水母结构，自上而下为热电俘能装置，工作装置(10)，电路整流装置(11)，压电俘能装置，动力装置(12)；热电俘能装置处于水母头部，整体为半球形，其内具有热电装置，实现温差发电。工作时，水流经过整流槽(1)流经相变材料与其换热，相变材料迅速升温至相变点处于固液共存态，之后维持此状态作为恒定高温热源；当工作器迅速下潜时，周围环境温度迅速降低，环境作为恒定低温热源。热电元件两端存在温差，进而形成电动势，连接回路形成电流；工作装置(10)位于热电俘能装置下方，设于长筒柱形结构内，实现海洋信息的探测和收集；电路整流装置(11)位于工作装置下方，由整流电路板和电能收集器构成，与工作装置(10)和动力装置(12)电路连接；压电俘能装置由悬臂梁(8)和浮带(9)构成。悬臂梁(8)环外围层状排布，悬臂梁(8)由圆柱绕流件和尾部压电片组成，与长筒柱形结构连接。水流流过绕流件使得压电片随之振动进而产生电势差，经由电路整流装置(11)对工作装置(10)和动力装置(12)供能。浮带(9)在工作器最外层环布，一端与头部相连，另一端为自由端。浮带(9)上附有薄膜，水流流过浮带表面，薄膜随之振动进而产生电势差，经由电路整流装置(11)对工作装置(10)和动力装置(12)供能；动力装置(12)位于长筒柱形结构底部，内设空腔，通过吸水进入空腔改变浮力而下潜，通过排水出空腔改变浮力而上升。
26.参考图2，本发明的混合式供能仿生水下工作器，热电俘能装置处于水母头部，整体为半球形。由外而内为整流槽(1)，外部支撑架(2)，橡胶外壳(3)，相变材料层(4)，内部橡胶密封层(5)，热电装置(13)，蓄排水部件(6)，底部密封支架层(7)。工作时，水流经过整流槽(1)，流经相变材料与其换热，相变材料迅速升温至相变点处于固液共存态，之后维持此状态作为恒定高温热源；当工作器迅速下潜时，周围环境温度迅速降低，环境作为恒定低温热源。热电元件两端存在温差，进而形成电动势，连接回路形成电流。橡胶选用掺有高导热系数陶瓷颗粒的硅橡胶，温差发电片由冷热两端向中间主要依次为：陶瓷基底、铜导流片、p/n型电偶臂，相邻电偶臂之间是空气隙。相变材料采用正十六烷。蓄排水装置(6)为方柱形金属，从上方流过的水流经由此排出或储存。
27.参考图3，本发明的混合式供能仿生水下工作器，工作装置10、电路整流装置11和
动力装置(12)依次装在长筒柱形结构内，长筒柱形结构位于水母头部下方。压电俘能装置由十字形多层悬臂梁(8)构成。悬臂梁头部为圆柱绕流件，尾部压电片与长筒柱形结构相接，共六层，每层四个，十字排布。工作时，水流流过绕流件使得压电片随之振动进而产生电势差，经由电路整流装置(11)对工作装置(10)和动力装置(12)供能。
28.参考图4，本发明的混合式供能仿生水下工作器，压电俘能装置由pvdf浮带(9)构成。浮带在工作器最外层环布，一端与头部相连，另一端为自由端。共十二根，成轴对称分布。类比于水母的触手，可利用其压电发电，同时也能保护工作器的内部结构。工作时，水流外掠pvdf浮带，浮带上的薄膜振动导致电荷移动，连接回路形成电流。浮带压电俘能装置发电面积更大，发电量更多，能弥补悬臂梁发电效率低的不足。
技术特征：1.一种水下仿生混合自供能系统，其特征在于整体为仿生水母结构，自上而下为热电俘能装置、工作器工作装置(10)、电路整流装置(11)、压电俘能装置、动力装置(12)；热电俘能装置处于水母头部，整体为半球形，其内具有热电装置，以实现温差发电供能；工作装置(10)位于热电俘能装置下方，实现所需海洋信息的探测、收集；电路整流装置(11)位于工作装置(10)下方，由整流电路板和电能收集器构成，与工作装置(10)和动力装置(12)电路连接；压电俘能装置由悬臂梁(8)和浮带(9)构成，经由电路整流装置(11)对工作装置(10)和动力装置(12)供能；动力装置(12)内具有空腔，通过吸水进入空腔改变浮力而下潜，通过水排出空腔改变浮力而上升。2.根据权利要求1所述的水下仿生混合自供能系统，其特征在于热电俘能装置位于水母头部，整体为半球形，由外而内为整流槽(1)、外部支撑架(2)、橡胶外壳(3)、相变材料层(4)、内部橡胶密封层(5)、热电装置(13)、蓄排水部件(6)、底部密封支架层(7)，热电装置附着在内部橡胶密封层(5)的内层。3.根据权利要求2所述的水下仿生混合自供能系统，其特征在于外部支撑架(2)为十字结构，整流槽(1)依附支撑架(2)排布，整流槽(1)与支撑架(2)为金属制造。4.根据权利要求3所述的水下仿生混合自供能系统，其特征在于橡胶外壳(3)的表面有整流槽(1)所对应的条形长孔供水流通过，中心有对应的蓄排水装置(6)的四个三角状孔，用于配合动力装置(12)吸排水。5.根据权利要求2所述的水下仿生混合自供能系统，其特征在于蓄排水装置(6)为金属制造，从上方流过的水流经由此排出或储存。6.根据权利要求1所述的水下仿生混合自供能系统，其特征在于悬臂梁(8)头部为圆柱状绕流件，端面有槽，可供尾部长方形压电片插入固定，长方形压电片另一端与长筒柱形结构相接；水流流过绕流件使得压电片随之振动进而产生电势差。7.根据权利要求1所述的水下仿生混合自供能系统，其特征在于浮带(9)上附有薄膜，在水母最外层环布，一端与头部相连，另一端为自由端，水流流过浮带表面，薄膜随之振动而产生电势差。8.根据权利要求1所述的水下仿生混合自供能系统，其特征在于动力装置(12)位于长筒柱形结构内的底部，上端与电路整流装置(11)电路连接，内部通过管道与蓄排水装置(6)相连，下端为整个系统的尾部，用于控制系统的下潜和上浮；下潜状态时，蓄排水装置通过上部三角状孔打开直接与海水接触，在动力装置内部压缩机的作用下压缩空气，使海水流入空腔，系统重力增加，系统下潜；上浮状态时，蓄排水装置仍通过上部阀孔打开直接与海水接触，压缩空气将空腔中的水压出，使系统重力减小，系统上浮；内置压缩机由装置完成自供电；上部三角状孔口加装射流装置，以强化运行动力，调整运行姿态。
技术总结本发明涉及一种水下仿生混合自供能系统，整体为仿生水母结构，其中热电俘能装置处于水母头部，整体为半球形，其内具有热电装置，以实现温差发电供能；工作装置位于热电俘能装置下方，实现所需海洋信息的探测、收集；电路整流装置位于工作装置下方，由整流电路板和电能收集器构成，与工作装置和动力装置电路连接；压电俘能装置由悬臂梁和浮带构成，经由电路整流装置对工作装置和动力装置供能；动力装置通过吸水进入空腔改变浮力而下潜，通过水排出空腔改变浮力而上升。本发明采用混合自供能收集海洋能量，仿生形结构阻力小，且能有效避免海洋生物的攻击。物的攻击。物的攻击。
技术研发人员：马挺 杨东钊 吴双 史伟 卢宇航 林逸阳 毕纪元 王秋旺
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.05.18
技术公布日：2022/7/5
