阅读说明：本技术 一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置、系统及方法 (Water meter capacitance source supply device, system and method based on nano friction ) 是由 张军 董一新 罗长荣 李晓雄 徐志瑞 李凯 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本申请提供的一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置、系统及方法,装置包括叶轮、叶轮转轴、摩擦片、纳米摩擦发电机、超级电容器；所述叶轮转轴的下部与所述叶轮连接,所述叶轮转轴的上部与和所述摩擦片连接；所述摩擦片下方设有纳米摩擦电机；所述纳米摩擦电机与所述超级电容器电连接；所述超级电容器与水表中其他电子部分电连接。所述系统包括能量转换模块、智能水表模块、储能释放模块、控制电路模块；所述能量转换模块包括纳米摩擦电机、第一储能元件,所述储能释放模块包括第二储能元件；通过能量转换模块和储能释放模块达到减小能量损耗和由电池因素带来的安全性影响,提高可靠性与寿命。(The application provides a water meter capacitance source supply device, system and method based on nanometer friction, the device comprises an impeller, an impeller rotating shaft, a friction plate, a nanometer friction generator and a super capacitor; the lower part of the impeller rotating shaft is connected with the impeller, and the upper part of the impeller rotating shaft is connected with the friction plate; a nano friction motor is arranged below the friction plate; the nano friction motor is electrically connected with the super capacitor; the super capacitor is electrically connected with other electronic parts in the water meter. The system comprises an energy conversion module, an intelligent water meter module, an energy storage and release module and a control circuit module; the energy conversion module comprises a nano friction motor and a first energy storage element, and the energy storage release module comprises a second energy storage element; the energy conversion module and the energy storage release module reduce energy loss and safety influence caused by battery factors, and improve reliability and service life.)

一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置、系统及方法

技术领域

本申请涉及计量式仪器仪表领域，尤其涉及一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置、系统及方法。

背景技术

智能水表系统作为当前智能化进程的代表产品,应用范围越来越广泛。随着高端技术产业化的发展,智能水表系统的研究也逐渐深入,但其功率损耗较大以及电池等因素所带来的安全性问题仍然存在。摩擦电是自然界中最常见的现象之一，无论是梳头、穿衣还是走路、开车都能遇到。但摩擦电又很难被收集和利用，因此往往被所忽视。

现在使用的水表由于没有持续的外部电能供应，只能依靠电池得到电能，目前市面上比较流行的供源方法大部分直接用锂电池作为仪表的电源，少数通过微型发电机与电池的组合来实现供源；所以，终端水表仪器在运行过程中必须保证极低的功耗，才可以不间断长期工作。

然而，在电量耗尽后需要更换电池或报废水表，对售后服务带来了很大的困扰。现有的水表安装环境中，因为安装环境条件恶劣，导致水表的电池寿命减少，从而增加了更换频次。

发明内容

本申请提供了一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置、系统及方法，解决水表现有的供源方法导致由于运行环境差导致水表寿命减少的技术问题。

为了达到上述目的，本申请实施例采用以下技术方案：

第一方面，提供一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置，所述装置包括：叶轮、叶轮转轴、摩擦片、第一纳米摩擦发电机、第二纳米摩擦发电机、第一超级电容器、第二超级电容器；

所述叶轮转轴的下部与所述叶轮连接，所述叶轮转轴的上部与和所述摩擦片连接；

所述摩擦片下方设有第一纳米摩擦电机、第二纳米摩擦发电机；

所述第一纳米摩擦电机与所述第一超级电容器电连接，所述第二纳米摩擦电机与所述第二超级电容器电连接；

所述第一超级电容器、所述第二超级电容器与水表电子部分通过导线电连接。

结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，所述摩擦片为圆形。

第二方面，提供一种基于纳米摩擦的水表电容供源系统，所述系统包括能量转换模块、智能水表模块、储能释放模块、控制电路模块；

所述能量转换模块包括纳米摩擦电机、第一储能元件，所述纳米摩擦电机与所述第一储能元件电连接；

所述储能释放模块包括第二储能元件；

所述能量转换模块的纳米摩擦发电机和所述智能水表模块的智能水表连接在水管管道上；

所述能量转换模块与所述控制电路模块电连接、所述控制电路模块与所述储能释放模块电连接、所述储能释放模块与所述智能水表模块电连接。

结合第二方面，在第二方面的第一种可实现的方式中，所述第一储能元件和第二储能元件包括超级电容器。

结合第二方面，在第二方面的第二种可实现的方式中，所述储能释放模块还包括放电控制单元。

结合第二方面，在第二方面的第三种可实现的方式中，所述智能水表模块还包括智能单元和通讯单元，所述通讯单元为无线或有线模块。

第三方面，提供一种基于纳米摩擦的水表电容供源方法，所述方法包括：

在摩擦发电过程中，推导水管管道中重力作用下理想流体的能量表达式；

得到所述重力作用下理想流体的能量与液体的密度，管道的截面积，液体流动速度和流体静压强的关系表达式；

根据水管管道的实际数据得到所述水表电容供源的能量和发电功率；

将水表电容供源的所述能量存储；

根据水表电容供源的所述发电功率，判断水表供源状态。

结合第三方面，在第三方面的第一种可实现的方式中，推导水管管道中重力作用下理想流体的能量表达式还包括；

获取所述水管管道中预设长度管道的液体产生的能量表达式；

得到所述水管管道中预设长度管道的液体的功率表达式。

结合第三方面，在第三方面的第二种可实现的方式中，所述将水表电容供源的所述能量存储是通过所述超级电容器的充放电实现对水表的供源方法。

本申请提供的一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置、系统及方法，装置包括叶轮、叶轮转轴、摩擦片、纳米摩擦发电机、超级电容器；所述叶轮转轴的下部与所述叶轮连接，所述叶轮转轴的上部与和所述摩擦片连接；所述摩擦片下方设有纳米摩擦电机；所述纳米摩擦电机与所述超级电容器电连接；所述超级电容器与水表其他电子部分电连接。所述系统包括能量转换模块、智能水表模块、储能释放模块、控制电路模块；所述能量转换模块包括纳米摩擦电机、第一储能元件，所述纳米摩擦电机与所述第一储能元件电连接；所述储能释放模块包括第二储能元件；所述能量转换模块和所述智能水表模块连接在水管管道上；所述能量转换模块与所述控制电路模块电连接、所述控制电路模块与所述储能释放模块电连接、所述储能释放模块与所述智能水表模块电连接，通过能量转换模块和储能释放模块达到减小能量损耗和由电池因素带来的安全性影响，能量转换模块主要是应用水流发电机将水流动力转换为电能供给蓄电池储能；混合储能释放模块是对蓄电池和超级电容器的混合储能供电方案进行设计和控制，提高可靠性与寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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。

图1为本申请实施例一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置的结构图；

图2为本申请实施例一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置的A部放大结构图；

图3为本申请实施例一种基于纳米摩擦的水表电容供源系统的结构图；

图4为本申请实施例一种基于纳米摩擦的水表电容供源方法的流程图；

图5为本申请实施例一种基于纳米摩擦的水表电容供源方法的水管管道水流示意图；

图6为本申请实施例的一种超级电容器简化的等效电路图；

图7为本申请实施例的另一种超级电容器充放电等效模型图；

其中：11-水表；12-叶轮；13-叶轮转轴；14-第一纳米摩擦电机；15-第二纳米摩擦电机；16-第一超级电容器；17-第二超级电容器；18-摩擦片；19-导线；21-能量转换模块；211-纳米摩擦发电机；212-第一储能元件；22-智能水表模块；221-智能水表；222-智能控制单元；223-通信单元；23-储能释放模块；231-放电控制单元；232-第二储能元件；24-控制电路模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下面结合附图对本申请做进一步详细描述：

实施例一

本申请实施例提供一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置，用于计量式仪器仪表领域，参照图1，以及图1中A部的放大图2所示，所述装置包括：叶轮12、叶轮转轴13、摩擦片18、第一纳米摩擦发电机14、第二纳米摩擦发电机15、第一超级电容器16、第二超级电容器17；

所述叶轮转轴13的下部与所述叶轮12连接，所述叶轮转轴13的上部与和所述摩擦片18连接；其中，所述摩擦片18为圆形。

所述摩擦片18下方设有第一纳米摩擦电机14、第二纳米摩擦发电机15。

所述第一纳米摩擦电机14与所述第一超级电容器16电连接，所述第二纳米摩擦电机14与所述第二超级电容器17电连接。

所述第一超级电容器16、所述第二超级电容器17与水表11中其他电子部分通过导线19电连接。

所述水表电容供源装置工作过程：叶轮12带动叶轮转轴13，叶轮转轴13上部连接摩擦片18，摩擦片18摩擦其下方的第一纳米摩擦发电机14、第二纳米摩擦发电机15进行发电，发电后的电量分别通过第一超级电容器16和第二超级电容器17来进行储能，通过导线19将电量输送给水表11中其他电子部分。

本申请提供的一种基于纳米摩擦的水表电容供源装置，装置包括叶轮、叶轮转轴、摩擦片、纳米摩擦发电机、超级电容器；所述叶轮转轴的下部与所述叶轮连接，所述叶轮转轴的上部与和所述摩擦片连接；所述摩擦片下方设有纳米摩擦电机；所述纳米摩擦电机与所述超级电容器电连接；所述超级电容器与水表中其他电子部分电连接。通过摩擦片、纳米摩擦发电机、超级电容器实现减小能量损耗和由电池因素带来的安全性影响，提高可靠性与寿命。

实施例二

本申请实施例提供一种基于纳米摩擦的水表电容供源系统，用于计量式仪器仪表领域，参照图3所示，所述系统包括能量转换模块21、智能水表模块22、储能释放模块23、控制电路模块24；

所述能量转换模块21包括纳米摩擦电机211、第一储能元件212，所述纳米摩擦电机211与所述第一储能元件212电连接。

所述储能释放模块23包括第二储能元件232，所述储能释放模块23还包括放电控制单元231。

其中，所述第一储能元件212和第二储能元件232包括超级电容器。

所述能量转换模块21的纳米摩擦发电机211和所述智能水表模块22的智能水表221连接在水管管道上。

所述能量转换模块21与所述控制电路模块电连接、所述控制电路模块与所述储能释放模块23电连接、所述储能释放模块23与所述智能水表模块电连接。

所述智能水表模块22还包括智能单元222和通讯单元223，所述通讯单元223为无线或有线模块。

本申请提供的一种基于纳米摩擦的水表电容供源系统，所述系统包括能量转换模块、智能水表模块、储能释放模块、控制电路模块；所述能量转换模块包括纳米摩擦电机、第一储能元件，所述纳米摩擦电机与所述第一储能元件电连接；所述储能释放模块包括第二储能元件；所述能量转换模块和所述智能水表模块连接在水管管道上；所述能量转换模块与所述控制电路模块电连接、所述控制电路模块与所述储能释放模块电连接、所述储能释放模块与所述智能水表模块电连接，通过能量转换模块和储能释放模块达到减小能量损耗和由电池因素带来的安全性影响，能量转换模块主要是应用水流发电机将水流动力转换为电能供给蓄电池储能；混合储能释放模块是对蓄电池和超级电容器的混合储能供电方案进行设计和控制，提高可靠性与寿命。

实施例三

本申请实施例提供一种基于纳米摩擦的水表电容供源方法，用于计量式仪器仪表领域，参照图4所示，所述方法包括：

301、在摩擦发电过程中，推导水管管道中重力作用下理想流体的能量表达式。

根据能量守恒定律，可以将水的动能部分转换为电能。对于密封管道中，在重力作用下不可压缩理想流体的一维定常绝能流动，由于没有损失，流体的温度和热力学能不变，其能量方程符合伯努利方程：

其中，C为常数，v为液体流速，gz为位势能，p为流体静压强，ρ为液体密度，而对于平面流场或者流动参数随z的变化可以忽略不计的流动，由式(1-1)可得

参照图5所示，获取所述水管管道中预设长度管道的液体产生的能量表达式；得到所述水管管道中预设长度管道的液体的功率表达式，根据公式(1-2)截面积为S，密闭管道L长度的液体体积V＝LS所产生的能量计算为

E_L为预设长度L管道的液体产生的能量，其中m＝ρV＝ρLS (1-4)

将(1-4)带入(1-3)得：

再同除以时间t后得到：

其中，P_L为单位长液体产生的功率。

302、得到所述重力作用下理想流体的能量与液体的密度，管道的截面积，液体流动速度和流体静压强的关系表达式。由式(1-5)和(1-6)可知，对于在重力作用下不可压缩的理想流体所产生的能量的大小只与液体的密度ρ，管道的截面积S，液体流动速度v和流体静压强p有关。

303、根据水管管道的实际数据得到所述水表电容供源的能量和发电功率。

城市供水管网末梢压力不小于0.12MPa，一般城市管网平均压力可达到0.30MPa以上。自来水在管道中的水流流速为1.0-3.0m/s，对于日常家庭所用的水管内径(15mm-40mm)。由式(1-6)计算：

其中水流速度取v＝2.0m/s，管内径取值为15mm，水密度取ρ＝10³kg/m³，压降取值为0.01MPa。

Sp＝7.069W (1-8)

由此得到理想状况下所产生的功率值：

P_L＝1.414+7.069＝8.483W (1-9)

在考虑其他因素所导致的能量转换效率降低的情况下，式(1-9)可以写为

P＝ηP_L

η为转换效率，一般大于70％，采用发电功率为2W-4W的发电机是可以正常工作的。本申请中第一纳米摩擦发电机和第二纳米摩擦发电机可以提供电源输送。

304、将水表电容供源的所述能量存储。

由于能转换模块的引入，从而在电源供电方式上有了更多选择，本设计主要采用了超级电容器。

超级电容器实际上是一种复杂的电容网络，每一支路都具有各自的电阻以及相应的特性时间常数。这就导致其存储的能力与荷电状态、电压等级、放置时间、甚至放电电流的大小有关。在实际工程应用中，超级电容器简化的等效电路参见图6、7所示。

超级电容器可等效为一个理想电容器C与一个较大阻值的电阻(等效并联阻抗R_EP)相并联，同时与一个较小阻值的电阻(等效串联阻抗R_ES)相串联的结构，如图6。由于R_ES的存在，充放电过程中能效会降低。在充电过程中，电流流经R_ES,会产生能耗并引起超级电容器发热；在放电过程中由于电阻R_ES分压作用而减少放电电压范围，尤其是在大电流放电过程中，R_ES会消耗较大的功率与能力，降低超级电容器的有效储能；R_ES在超级电容器长时间保持静态储能状态时，以漏电流的形式表现其影响作用，因此处于储能保持状态的超级电容器，为了保持其存储的能量不随时间而缓慢较少，通常要加恒压保持电路，补偿由R_ES而引起的能量损耗。

超级电容器充放电时，通常可以忽略表示静态特性的井联等效电阻R_EP,的作用，因此，在进行储能单元设计时，超级电容器可以简化为一个理想电容器与一个阻值较小的电阻R_ES相串联的模型。

根据超级电容器充放电等效模型如图7,在充放电过程中，R_ES对能量消耗以及储能释放的多少存在影响，其影响的程度与充放电电流的大小有关。

超级电容器充电时，电流方向与图7所示方向相反。

305、根据水表电容供源的所述发电功率，判断水表供源状态。

所述将水表电容供源的所述能量存储是通过所述超级电容器的充放电实现对水表的供源方法。

本申请提供的一种基于纳米摩擦的水表电容供源方法，在摩擦发电过程中，推导水管管道中重力作用下理想流体的能量表达式，得到所述重力作用下理想流体的能量与液体的密度，管道的截面积，液体流动速度和流体静压强的关系表达式，根据水管管道的实际数据得到所述水表电容供源的能量和发电功率，将水表电容供源的所述能量存储，根据水表电容供源的所述发电功率，判断水表供源状态。通过能量转换和储能释放达到减小能量损耗和由电池因素带来的安全性影响，提高可靠性与寿命。

以上内容仅为说明本申请的技术思想，不能以此限定本申请的保护范围，凡是按照本申请提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本申请权利要求书的保护范围之内。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考。与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。