本发明属于新能源与微能源收集，具体涉及一种基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统。
背景技术：
1、随着物联网（iot）的迅速发展，各种传感器和无线设备的广泛部署对持续、可靠的微能源供应提出了更高要求。传统的电池供电方式不仅存在寿命限制，还可能带来环境污染和频繁更换的不便。因此，探索可再生能源，尤其是环境动能的收集与利用，成为研究热点之一。
2、目前，微能源收集技术主要依赖于太阳能、温差能、振动能等形式，而对于雨滴动能的利用尚处于起步阶段。雨滴在下落过程中蕴含着可观的动能，尤其是在多雨地区，这种能量源几乎全年无休，具有较高的利用价值。然而，现有的雨滴动能收集系统面临以下挑战：能量密度低，单个雨滴的动能相对较小，如何高效收集并转化为可用电能是一大难题；间歇性，雨滴动能的供应随天气变化而波动，难以持续稳定地为设备供电；收集效率，现有技术在能量转换效率方面仍有待提升，尤其是在低雨量或小雨滴条件下；系统自适应性，缺乏对环境变化的快速响应能力，无法根据雨量、风速等环境参数动态调整收集策略；成本与耐用性：高效的能量收集材料和技术往往成本较高，且在恶劣天气条件下的耐用性有待验证。
技术实现思路
1、针对现有技术中雨滴动能收集过程中存在的能量密度低、收集效率低、系统自适应性以及集成度差等问题，本发明提供了一种基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，实现对雨滴动能的高效、持续、自适应的收集与转化，为物联网设备提供更加绿色、可持续的能源来源。
2、本发明通过以下技术方案实现：
3、一种基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，包括能量收集系统、能量转化与储存系统和能量管理系统；
4、所述的能量收集系统从上往下依次为保护层、压电层、导电层和绝缘层；压电层上下两侧设置有电极，收集压电层产生的电荷，并输送至导电层；
5、所述的能量转化与储存系统包括能量转换电路和电容器，能量收集系统中的导电层通过能量转换电路与电容器连接，将电荷转化为电流，并将电能储存在电容器中；
6、所述的能量管理系统包括监测控制系统、环境感知系统和动态调节系统；监测控制系统连接电容器，监测电容器的参数并控制电容器的充电和放电；环境感知系统连接动态调节系统，并通过动态调节系统控制能量收集系统。
7、进一步地，所述的保护层、压电层、导电层和绝缘层为可弯曲的薄膜。
8、进一步地，所述的压电层为聚偏氟乙烯薄膜或聚偏氟乙烯衍生物薄膜；所述的绝缘层为聚酰亚胺薄膜；所述的导电层的材料包括pedot、pss和聚(4-苯乙烯磺酸)；所述的保护层为具有防尘、防紫外线作用的薄膜。
9、进一步地，所述的能量收集系统的整体结构为金字塔状结构或v型沟槽结构。
10、进一步地，所述的能量收集系统固定于可旋转的支架结构上。
11、进一步地，所述的压电层上下两侧的电极为互相交错的阵列；所述的电容器为石墨烯基的超级电容器。
12、进一步地，所述的能量转化电路包括整流和稳压系统、最大功率点跟踪系统和能量分配系统。
13、进一步地，所述的整流和稳压系统包括集成桥式整流器和稳压电路。
14、进一步地，所述的环境感知系统包括多个感知外部环境的传感器。
15、进一步地，所述的感知外部环境的传感器包括雨量传感器、湿度传感器、温度传感器、风速传感器、压力传感器、倾角传感器、导电性传感器。
16、为了增强薄膜的耐用性和能量转换效率，本发明设计了多层结构的能量收集系统。选用高性能的压电聚合物（聚偏氟乙烯（pvdf）及其衍生物）薄膜作为压电层材料，具有出色的压电性能、良好的柔韧性和化学稳定性，有效收集雨滴撞击时的动能，当受到机械应力时（如压力或形变），会在其两端产生电荷（即压电效应），即使在恶劣的户外环境中也能保持长期的效能。绝缘层，是一种防水透气的高分子材料，聚酰亚胺（polyimide，简称pi），确保薄膜在潮湿环境中也能保持良好的电绝缘性能。顶层为保护层，该层不仅增强了薄膜的机械强度，还能起到防尘、防紫外线的作用，延长薄膜的使用寿命。此外，加入了导电层，充当电荷的收集和传输媒介，以确保产生的电荷能够迅速被收集，减少能量损失。电极则被设计为互相交错的阵列，位于压电层的上下两侧，以最大化电荷的提取。这种配置确保了即使在雨滴撞击位置分布不均的情况下，也能有效地收集到更多的电荷。
17、本发明中的能量转换电路，在基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统中扮演着至关重要的角色。该电路负责将收集到的电荷转换成可用的电能。首先，整流和稳压，收集到的电荷首先通过一个内置的微电路进行整流，将不稳定的交流电转换为直流电，该过程可通过桥式整流器完成，可以确保电流始终朝一个方向流动。随后，通过一个稳压电路，将直流电的电压稳定在一个适宜的水平，以满足后续储能设备的充电要求。其次是效率优化，为了进一步提升能量转换效率，电路中集成先进的电源管理技术，最大功率点跟踪（mppt）系统，以适应不同环境条件下的能量收集效率，并确保能量转换在最佳工作点进行。最后是能量分配，在多任务应用中，能量转换电路还具备能量分配功能，能够根据不同设备的优先级和能量需求，合理分配存储的能量，以支持系统的持续运行和多任务操作。
18、超级电容器（supercapacitors）是一种高容量的储能设备，相较于传统电池，它具有更高的功率密度和更快的充放电速率，非常适合用于收集间歇性能源。石墨烯基的超级电容器，具有极高的比表面积和良好的导电性，能够提供快速的能量存储和释放，且具有高的能量密度和循环寿命。另外，石墨烯基的超级电容器具有温度适应性，考虑到户外应用可能面临的极端温度条件，超级电容器具有广泛的工作温度范围，确保在寒冷或炎热的环境中都能稳定工作。
19、能量管理系统ems，该系统包括监测控制系统、环境感知系统和动态调节系统。首先是实时监控，监测控制系统用于监测超级电容器的电压、电流和温度等参数，以及外部环境条件，如光照和湿度等，能够根据能量需求和存储状态，自动调节充电和放电过程，确保超级电容器在安全范围内工作，同时最大限度地提高能源利用效率。环境感知系统包含多个感知外部环境的传感器，将传感器获得的信息输送至动态调节系统，用于分析降雨模式，并通过动态调节系统控制能量收集系统，从而指导薄膜的位置和角度，以优化雨滴动能的收集。可旋转的支架结构，该结构由步进电机驱动，能够根据降雨的方向和强度，自动调整薄膜的倾斜角度，确保雨滴能够垂直撞击薄膜表面，从而提高能量转换效率。此外，还能兼顾风速和风向的影响，以避免强风对薄膜造成损伤。
20、另外， ems还具备故障检测和自我保护功能，能够在异常情况下自动切断电路，保护系统免受损害。可以实现用户交互，为了方便用户了解系统状态并进行操作，ems包括led指示灯和小型显示屏，以及用于配置系统参数和查看状态的用户接口。最后是数据记录与分析和远程监控与控制ems具备数据记录功能，能够记录系统的能量收集、存储和消耗数据，便于用户分析和优化系统性能。ems还可能支持远程监控与控制功能，通过网络连接允许用户远程查看系统状态、调整参数或执行特定的控制命令。
21、本发明中的环境感知系统包括多个感知外部环境的传感器，包括湿度、温度和降雨强度等传感器，如下：
22、（1）雨量传感器：用于测量单位时间内降水量的多少，帮助系统了解当前的雨势强度，以便调整能量收集策略；
23、（2）湿度传感器：用于测量空气中的水分含量，尽管湿度本身并不直接影响动能收集，但它可以帮助预测可能的降雨事件；
24、（3）温度传感器：虽然温度对雨滴动能的直接贡献不大，但温度会影响压电材料的性能，因此监测温度有助于系统校准和维护；
25、（4）风速传感器：风速可以影响雨滴的落地速度和角度，进而影响能量收集的效率。风速传感器帮助系统理解雨滴的动态特性；
26、（5）声学传感器：可以检测雨滴撞击薄膜的声音，通过声音的频率和强度分析雨滴的大小和速度，间接估计动能的大小；
27、（6）压力传感器：可以安装在薄膜下方，用于测量雨滴撞击时产生的瞬时压力，这有助于更精确地量化每次撞击所传递的动能；
28、（7）倾角传感器：用于检测薄膜的倾斜角度，确保薄膜处于最佳角度以最大化能量收集；
29、（8）导电性传感器：在某些情况下，如果薄膜材料的性能受环境因素（如湿度）影响，传感器可以监测材料的导电性变化，以调整系统的工作参数。
30、这些传感器的数据被实时分析用于动态调整机制指导薄膜的动态调整。
31、有益效果
32、本发明基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，创造性的实现对雨滴动能的高效、持续、自适应的收集与转化，为物联网设备提供更加绿色、可持续的能源来源。解决了能量密度低、收集效率、系统自适应性以及集成度等问题，以推动微能源技术在实际应用中的普及与成熟。
1.一种基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，包括能量收集系统、能量转化与储存系统和能量管理系统；
2.根据权利要求1所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的保护层、压电层、导电层和绝缘层为可弯曲的薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的压电层为聚偏氟乙烯薄膜或聚偏氟乙烯衍生物薄膜；所述的绝缘层为聚酰亚胺薄膜；所述的导电层的材料包括pedot、pss和聚(4-苯乙烯磺酸)；所述的保护层为具有防尘、防紫外线作用的薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的能量收集系统的整体结构为金字塔状结构或v型沟槽结构。
5.根据权利要求1所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的能量收集系统固定于可旋转的支架结构上。
6.根据权利要求1所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的压电层上下两侧的电极为互相交错的阵列；所述的电容器为石墨烯基的超级电容器。
7.根据权利要求1所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的能量转化电路包括整流和稳压系统、最大功率点跟踪系统和能量分配系统。
8.根据权利要求1所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的整流和稳压系统包括集成桥式整流器和稳压电路。
9.根据权利要求1所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的环境感知系统包括多个感知外部环境的传感器。
10.根据权利要求9所述的基于雨滴动能的薄膜式微能源收集与转化系统，其特征在于，所述的感知外部环境的传感器包括雨量传感器、湿度传感器、温度传感器、风速传感器、压力传感器、倾角传感器、导电性传感器。
