CN103236805A - 一种环境能量转化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境能量转化装置，包括能量转化单元；能量转化单元包括：正极体、负极体和中介体；正极体与负极体不相连；中介体位于正极体和负极体之间，分别与正极体和负极体接触；正极体和负极体为导电体；正极体和负极体具有不对称性；中介体与正极体、负极体不发生化学反应。本发明利用表面效应，自发将环境热能转化成电能，是一种革命性的能量获取方式，具有开创性意义，且本发明应用广泛，可作为电源和制冷器件使用，还可以作为温度传感、溶液离子浓度检测和气体、液体流速检测装置使用。

Description

一种环境能量转化装置

技术领域

本发明涉及新原理的环境热能转化设备。

背景技术

能量转化和存储技术包括太阳能、热、振动、化学和风能等转化为电能。在这些众多的能量转化技术中，锂电池、超级电容器、太阳能电池、燃料电池和氧化锌纳米发电机受到了最广泛的关注。然而锂电池、超级电容器需要进行充电才能够使用，而且为了增大能量密度，需要大的体积和重量。太阳能电池需要有光照的情况才能使用，燃料电池要消耗燃料而且对环境造成很大的危害，氧化锌纳米发电机产生了不连续的电输出，需要使用电容来存储其产生的电，而且也消耗机械能。然而，有另一种能量形式，分子、原子、离子、粒子热运动的能量，比如气体分子的热运动速度高达1000 m/s，在水溶液中室温下离子热运动的能量高达300 m/s，由于这一运动是杂乱无章的，尽管在科学研究领域中，仍未见将热运动的能量转化为电能的报道，但自然界中将这种热运动的能量转化成电能却时刻在发生，比如雷电。在任何给定时刻，世界上都有1800场雷雨正在发生，每秒大约有100次雷击。

本案申请人于2012年7月20日提交了申请号为：“201210252711.9”，发明名称为“环境能量转化装置”。在该案的基础上，本案申请人继续深入研究，并提出了一种更为简便的形式。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种将环境热能转化为电能的自能装置。

为解决上述问题，本发明采用的方案如下：

一种环境能量转化装置，其特征在于，包括能量转化单元；能量转化单元包括：正极体、负极体和中介体；正极体与负极体不相连；中介体位于正极体和负极体之间，分别与正极体和负极体接触；正极体和负极体为导电体；正极体和负极体具有不对称性；中介体与正极体、负极体不发生化学反应。

正极体和负极体具有不对称性是指正极体和负极体使用材料一致时，材料微观结构的不对称性。比如石墨烯由于微观结构具有结构不均的粒经边界、微/纳尺度的文理结构会导致两片宏观上看似同样的石墨烯片，实际上产生强烈的不对称性。

正极体和负极体具有不对称性是指正极体和负极体可以使用不同材质的材料。比如，正极体采用石墨，负极体采用钴、硅、银、铝、铯、铜、锂、铅、锡、铬、钼、钨、镍、钛、镉、铁、钾、钠、锌、硅等。但不管采用何种材质，两者都必须具有导电性能，即正极体和负极体是导电体。

正极体和负极体具有不对称性是指正极体和负极体所用的基体材料相同，其中一个表面涂覆有导电薄膜，另一个表面未涂覆导电薄膜。比如，对于两片相同的铜箔，在其中一片上转移了石墨烯薄膜，而另一片上未转移石墨烯薄膜。

正极体和负极体具有不对称性是指正极体和负极体都使用相同的基体材料，也在两个表面都涂覆有导电薄膜，但是薄膜本身微观结构具有不对称。比如，两片玻璃片上都涂覆有石墨烯薄膜，由于石墨烯微观结构的不对称性导致两片之间具有强烈的不对称性。

正极体和负极体具有不对称性是指本发明还包括正极连接体和负极连接体；正极连接体和所述正极体相连；负极连接体和所述负极体相连；正极连接体与所述中介体不相连；负极连接体与所述中介体不相连；正极连接体与负极连接体不相连；正极连接体的材料比负极连接的材料具有更高的功函数。正极体和负极体的材料可以相同，比如都由石墨烯、掺杂型石墨烯或掺杂型金刚石薄膜、ITO玻璃、石墨、金属、无机半导体或有机半导体制成，而正极连接体采用高功函数的石墨、金、钯等，负极连接体采用低功函数的银、铜、铝等。

正极体和负极体可以为体材或薄膜。体材是具有三维宏观结构的材料。薄膜是一种二维材料，厚度方向为微米及纳米量级。薄膜状的中间体也可以通过粘贴、镀膜的方式固定在基底衬板上，基底衬板是由绝缘材料制成的体材或薄膜。

为增加正极体、负极体与中介体的接触面积，正极体或负极体也可以是多孔材料，特别是纳米多孔材料，比如气凝胶：全碳气凝胶、镍基气凝胶。

正极体和负极体不相连，两者保持一定的距离，距离范围为0.00001厘米至100厘米。

中介体可以是凝胶或液体。凝胶最好是导电凝胶，液体最好是导电的电解质溶液。本发明也给出了纯净的蒸馏水、乙醇、丙酮作为中介体的实施例，但由于其导电性能差导致其内阻高，实用性不高。出于实用的角度，本发明只保护导电凝胶或电解质溶液作为中介体，电解质溶液可以是以水或有机物作为溶剂，以有机物或无机盐作为溶质。以水为溶剂、无机盐为溶质的电解质溶液，比如：为钠、钾、镍、钙、镁、钴、锂、铜、锌、铝、铁的卤盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐的水溶液。

进一步，上述的环境能量转化单元可以包括多个能量转化单元，各能量转化单元之间并联或串联。所谓并联是指，不同能量转化单元之间的正极体和正极体用导线直接连接，负极体和负极体用导线直接连接。所谓的串联是指一能量转化单元的正极体和另一能量转化单元的负极体用导线连接，另一能量转化单元的正极体再与其他能量转化单元的负极体用导线连接，组成串式结构。能量转化单元之间的串联和并联可以结合使用。即，多个能量转化单元并联后形成并联模块，多个并联模块再串联，或者多个并联模块串联后形成的多个串联模块之间并联。

能量转化单元也可以包括多个正极体和负极体，各正极体、负极体之间并联或串联，这在效果上等同于多个能量转化单元之间的并联或串联。

该环境能量转化装置可以包括正极和负极。在只有单个能量转化单元的情形下，能量转化单元的正极体和负极体可以作为环境能量转化装置的正极和负极。在包含多个能量转化单元的情形下，多个能量转化单元经串联及并联后正极体和负极体可以分别作为环境能量转化装置的正极和负极。环境能量转化装置的正极和负极分别连接有电极引线。环境能量转化装置的正极和负极通过电极引线引出后在中间加上负载后，环境能量转化装置会有持续不断的电流输出。

本发明的环境能量转化的原理：不同材料具有不同的电性质。众所周知，摩擦起电就是由于两种不同材料本身所具有不同的电性质导致的。两个不同材料的物体相互摩擦后，一种物体带正电，另一种物体带负电。摩擦起电的实质是摩擦导致的电荷转移。分子级别的摩擦时刻在发生，液体分子的运动与固体分子的运动方式不同，在固体与液体分子之间不同的运动方式导致固体与液体之间发生分子摩擦导致电荷转移，使得固体带上正电荷或负电荷，而液体带上负电荷或正电荷。于是在液体和固体之间产生电势差。不同固体放置在同一液体中，不同固体与液体之间由于材料的不同，电势差也不同，因而在不同的固体之间产生电势差，假如两个不同的固体之间再连接导线，则由于两个不同固体之间的电势差，在离子热运动的作用下，电势差被维持而产生电流。自然界中，这种原理的现象时刻在发生着，比如空气中的水滴由于空气分子运动与水滴内水分子运动方式不同而发生分子摩擦，从而导致水滴带上电荷，并进而引发雷电现象。雷电现象的实质就是将空气分子的热运动转化成电能。本发明的实质是利用了该原理。

本发明不同于化学电池，不涉及化学反应，不需要充电消耗电能，也不涉及材料结构和性能的改变，直接将环境热能转化成电能。因而可以应用于发电或作为电源提供电能使用。同时，由于热能被转化成电能，从而产生吸热制冷的效果。制冷效果数据参见实施例。因而可以应用于制冷，可以作为制冷装置，实现对空间或管件的制冷。也由此可见，本发明同时具有发电和制冷的技术效果。

此外，本发明正极体和负极体之间的开路电压或输出电压和中介体的温度、离子浓度、中介体的流速有很大关系。因而还可以应用于检测温度、离子浓度或流速，并制作相应的温度检测装置或者温度传感器、离子浓度或溶液浓度检测装置或离子浓度或溶液浓度传感器、流速或风速检测装置或流速风速传感器。

本发明对中介体的温度非常敏感，在离子浓度固定、中介体相对静止的情形下，中介体作用于正、负极体，正极体负极体间的开路电压或输出电压与中介体的温度成比例关系，中介体的温度越高，其开路电压或输出电压也越高。根据这一原理，只要将能量转化单元的正极体和负极体放入被测中介体中，通过检测正极体和负极体之间的开路电压或输出电压，并对照之前获得的正极体和负极体之间开路电压或输出电压与中介体温度的关系，获得中介体的温度。这种温度测试方法获得的温度是中介体的即时温度，但这种温度检测方法受中介体本身的离子浓度和运动状态的影响。

本发明在一定的温度下，一定的电解质溶液作为中介体，电解质溶液直接作用于正极体和负极体，正极体和负极体之间的开路电压或输出电压与离子浓度成一定的比例关系。离子浓度越高，其开路电压或输出电压也越高。根据这一原理，将能量转化单元的中间体放置在被测溶液中，检测正极体和负极体之间的开路电压或输出电压，并对照之前获得的开路电压或输出电压与离子浓度或溶液浓度之间的比例关系，可以得到被测溶液的离子浓度或溶液浓度。这种方法也可以用来测试溶液的离子密度或导电凝胶的离子密度。

本发明的电能输出与中介体的运动速度相关，在一定温度和离子浓度下，中介体作用于正极体和负极体，正极和负极之间的开路电压或输出电压与中介体和正、负极体的相对运动速度成一定的比例关系。中介体的运动速度越大，其开路电压或输出电压也越高。根据这一原理，将能量转化单元的中间体放置在液体中，检测正极和负极之间的开路电压或输出电压，并对照之前获得的开路电压或输出电压与液体流速之间的关系，可以得到液体的流速。这种方法也可以用来测试风速，中介体可以通过气流鼓泡方式实现风速测定，气体运动速度越大，电能输出越多，因而可以直接将中介体的流动机械能转化成电能。比如可以将风能，海洋潮汐能，海洋洋流能转化成电能输出。

本发明作为一种新型能源设备或制冷设备应用时，本发明具有广泛的用途，可广泛应用于民用、军用的发电和制冷，提供持续的能源。本发明属于绿色环保设备，是一种革命性的能源设备。地球有一千亿立方米的海水，假如以这些海水为热源媒介，这将为人类提供了无穷的能源。各种潜在的应用罗列如下：

1、      建筑的制冷和为建筑提供持续能源，特别是大型建筑和楼宇以及高层建筑的制冷和提供持续能源。

2、      可应用于各种交通工具，如汽车、火车、轮船、潜艇以及航空航天，为这些交通工具提供持续的动力能源。

3、      可应用于各种家用电器、电脑、便携式电子设备或其他民用电器中，为这些电器、电子设备提供能源和制冷。

4、      可应用于身体辅助设备，如为心脏起搏器提供能源支持。

5、      可以作为无源传感器件使用，比如用于血液的微量元素检测、温度传感器件、以及各种气体、流体流速检测器件。

附图说明

图1为本发明测试电路图。其中100为环境能量转化装置；101为负载电阻；102为开关；103为电压表；104为电流表。

图2是本发明液滴测试结构示意图。其中1为正极体，2为负极体，3为中介体，10为正极引线，20为负极引线，40为基底。

图3是本发明薄膜测试结构示意图。其中1为正极体，2为负极体，11为正极连接体，21为负极链接体，3为中介体，5为容器腔，10为正极引线，20为负极引线，41为正极基底，42为负极基底，51为容器外壁。

图4为本发明实施例3中100小时输出电流的测试结果图。

图5为本发明实施例4中输出电流与溶液温度关系的测试结果图。

图6为本发明实施例5中输出电流与溶液浓度关系的测试结果图。

图7为本发明实施例6中输出电压与正负极体和溶液接触面关系的测试结果图。

图8为本发明实施例7中不同负载电阻下得到的本发明能量转化效率测试结果图。

图9为本发明实施例8中正极体和负极体之间不同距离测试结果图。

图10为本发明实施例9中不同离子溶液中的测试结果图。

图11为本发明实施例10中不同离子溶液中的测试结果图。

图12为本发明实施例13中在中介媒质不同流速条件下测试的输出电压图。

图13为本发明实施例14中在溶液中通氮气鼓泡测试的输出电流图。

图14为本发明实施例16中串联开路电压随时间的变化图。

图15是本发明体材测试结构示意图。其中1为正极体，2为负极体，3为中介体，5为容器腔，10为正极引线，20为负极引线， 51为容器外壁。

图16是本发明气凝胶测试结构示意图。其中1为正极体，2为负极体，3为中介体，5为容器腔，10为正极引线，20为负极引线，41为正极基底，42为负极基底，51为容器外壁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。以下在没有特别说明的情况下，所给出的电压值和电流值都是测试3分钟的平均值。下述各实施例中，涉及测试的电路图如图1所示，其中100为本发明的环境能量转化装置，101为负载电阻，102为开关，103为电压表，104为电流表。需要测试开路电压时，开关102打开。

一、液滴测试

1、液滴测试结构

一种环境能量转化装置，包括能量转化单元。能量转化单元，如图2所示，包括正极体1、负极体2、中介体3。正极体1和负极体2为安装在基底40上的直径为5毫米的圆片。基底40为绝缘材料制成的板状体。圆片状的正极体1和负极体2保持一定距离不接触，两者中心距为10毫米。中介体3为液滴。作为中介体3的液滴分别与正极体1和负极体2的圆片相连接触。正极体1连接正极引线10，负极体2连接负极引线20。为避免正极引线10、负极引线20与作为中介体3的液滴的接触，正极引线10、负极引线20、正极引线10与正极体1的连接部以及负极引线20与负极体2的连接部都经过封装处理。

2、液滴测试结果

实施例1、铂－金－纯净水测试

其中，正极体1采用铂，负极体2采用金，作为中介体的液滴采用纯净水。在环境温度25℃下，测试得到的开路电压为205 mV，加载400 kΩ的负载后得到的电流为0.21 μA，计算得其内阻为565 kΩ。

实施例2、铂－金－氯化钠水溶液测试

将上述纯净水替换成浓度为1 摩尔每升的NaCl水溶液，在环境温度25℃下，测试得到的开路电压为0.21 V，加载400 kΩ的负载后得到的电流为0.34 μA，计算得其内阻为220  kΩ。

该结构的设计主要是使这种能量转化装置便于集成化，使得本发明专利面向产业化生产。本领域的技术人员共知，除上述实施例1和实施例2的其他薄膜-体材、薄膜-薄膜、体材-体材体系在电解质溶液中的发电装置都是该专利保护的范围。

二、薄膜-薄膜测试

1、薄膜-薄膜测试结构

一种环境能量转化装置，包括能量转化单元。能量转化单元，如图3所示，包括正极体1、负极体2、正极连接体11、负极连接体21和中介体3。正极体11和负极体21为薄膜。薄膜状的正极体1和负极体2通过粘贴的方式安装于正极基底41和负极基底42的侧面上。正极体基底41和负极体基底42是由绝缘材料制成长方体，其材料可以为玻璃、陶瓷、PET（聚对苯二甲酸类）或其他的塑料或绝缘材质如AB胶等。正极体1、负极体2、中介体3、正极体基底41以及负极体基底42放置在一容器内，该容器由容器外壁51和其围成的容器腔5组成。中介体3是置于容器腔5内的液体。正极体1、负极体2、正极基底41和负极基底42浸在中介体3内，使得正极体1与中介体3接触，负极体2与中介体3接触。正极体1通过正极连接体11连接正极引线10，负极体2通过负极连接体21连接负极引线20。正极连接体11、负极连接体21、正极引线10、负极引线20与中介体3不相连。为避免正极连接体11、负极连接体21、正极引线10、负极引线20与中介体3的接触，正极连接体11、负极连接体21、正极引线10、负极引线20、正极引线10与正极体1的连接部以及负极引线20与负极体2的连接部都经过封装处理。采用的封装材料有绝缘性质的密封胶，如环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃塑料、丙烯基树脂、聚甲醛塑料等。

2、石墨烯－石墨烯－电解质溶液测试结果

其中，正极体1采用石墨烯，负极体2采用石墨烯，正极连接体11采用石墨，负极连接体21采用铜，中介体3采用CuCl₂水溶液。正极基底41和负极基底42的大小为15毫米×35毫米，厚度为1毫米。正极体1和负极体2的大小均为：10毫米×30毫米，厚度为1纳米。正极体和负极体暴露于溶液中的面积为：10毫米×15毫米，正极体1和负极体2面对面平行放置，两者之间保持一定距离不接触，正极体1和负极体2之间的距离为3毫米。这里选用石墨烯，是因为它是单原子层材料，对基底或电极接触极其敏感。我们研究发现，电极的正、负极完全由电极材料的功函数所控制。

实施例3、长时间电流输出的测试

作为中介体3的CuCl₂水溶液浓度为5摩尔每升，溶液温度为25℃，测试得出开路电压为0.5 V。在正负极之间加载400 kΩ负载情况下，测试100小时内，环境能量转化装置的输出电流与时间关系如图4所示。由图4所示，该实施方式下，48小时后，电流输出基本稳定在1.14微安左右，计算其内阻约为40 kΩ。

实施例4、输出电流与溶液温度关系的测试

作为中介体3的CuCl2水溶液浓度为5摩尔每升，在正负极之间加载400 kΩ负载情况下，测试输出电流与温度之间的关系如图5所示。由图5中可以看出，在负载和溶液浓度固定的情形下，温度和开路电压及输出电压呈现正相关，即温度越高，输出电流越大。由此可见，本发明可以应用于检测温度，并制作温度检测装置或温度传感器。相应的内阻随着温度增加从160 kΩ降低到 40 kΩ。这一结果说明本发明能量转化装置的内阻随温度的降低而增大，这是由于中介体的热运动速度随温度的降低而降低，导致内阻增大。

众所周知，自然环境下，环境温度低时无法产生雷电。由本实施例4得知本发明与自然界雷电的产生存在同样的温度限制效应。由此，进一步证明了本发明能量转化原理同雷电的产生具有相似性。

实施例5、输出电流与溶液浓度关系的测试

作为中介体3为5摩尔每升CuCl₂水溶液，在25℃条件下，外加400 kΩ负载情况下，测试环境能量转化装置的输出电流与氯化铜溶液浓度的关系如图6所示。由图6中可以看出，在负载和温度固定的情形下，溶液浓度和电流呈现正比关系，溶液浓度越高，输出的电流越大。由此可见，本发明可以应用于检测离子浓度或溶液浓度，制作离子浓度或溶液浓度检测装置或离子浓度或溶液浓度传感器。

实施例6、输出电流与正负极体和溶液接触面的面积关系的测试

作为中介体3的CuCl₂水溶液浓度为5摩尔每升，在25℃条件下，外加400 kΩ负载情况下，通过在容器腔5中加入相同浓度的氯化铜溶液，调整溶液表面距离正极体和负极体顶部，从而调整正极体和负极体暴露于溶液中的面积，测试其输出电压如图7所示。显然，溶液表面离上部电极越近，溶液与正负极体的接触面积越大，输出就越大。可以看出，溶液液面离正、负极的距离，亦即溶液润湿正极体和负极体的面积显著影响了器件的输出电压。

另外，按照图中加液步骤，我们也分段测试了该器件的开路电压依次为0.605、0.62、0.63和0.65 V，对应的输出电压为0.5、0.53、0.56和0.60 V。因此，对应的内阻为84、67、50和33 kΩ。从这些结果可以看出，增加溶液与正负极体的接触面积可以相应增加开路电压和输出电压，更为重要的是降低了器件的内阻。

实施例7、功率输出测试

作为中介体3的CuCl₂水溶液浓度为5摩尔每升，在25℃条件下，在不同外加负载电阻的条件下测试本发明的环境能量转化装置的输出电压和输出电流并根据输出电压和输出电流计算输出功率。根据本实施例下环境能量转化装置的体积为0.9立方厘米（1厘米×3厘米×0.3厘米），计算本发明能量转化效率，得到图8所示的数据。由图8可以看出本实施例最大的能量转化效率为0.51微瓦每立方厘米。在实际的生产中，上述的环境能量转化装置或能量转化单元可以做得更小，可以输出更多的电力。

实施例8、开路电压、输出电压与正极体和负极体之间距离的关系测试

作为中介体3的CuCl₂水溶液浓度为5摩尔每升，在25℃条件下，在正负极之间加载400 kΩ负载情况下，通过调整正极体和负极体之间的距离测试其输出电流和电压。调整范围为从3毫米至12毫米的输出电流和输出电压如图9所示，从图中可以看出开路电压为0.55 V左右，输出电压为0.46 V左右，输出电流为1.15 μA左右。

由图9的测试结果正极体和负极体之间空间距离的变化对输出电流和电压的影响不大。这一结果说明，在高浓度的电解质溶液中以及高导电性的情况下，输出电流或电压基本不随距离的变化而变化。另一方面也说明了电子不是从溶液中产生和传输到电极上，而是直接靠离子热运动去激发正极体或负极体表面的电子，直接传输到电极上而引入到外回路。这有利于我们设计集成化器件，比如通过微纳加工技术，可以将正负极体间距控制在微米量级、甚至纳米量级，在很小的空间内可以产生更大的电量。通过优化设计，更进一步降低该类环境能量转化装置的内阻，将会使该类器件的输出效率得到数量级的提高。

实施例9、不同氯盐溶液对环境能量转化装置输出影响的测试

中介体3分别采用：4摩尔每升的CuCl₂、KCl、 NaCl和 LiCl电解质溶液，电解质溶液的温度在25℃条件下，外加400 kΩ负载情况下，测试环境能量转化装置的输出电流，得到的结果如图10所示。

图10说明，本发明专利环境能量转化装置能从各种电解质溶液获取能量，在阳离子半径更小的盐中效应会更高。

实施例10、不同铜盐溶液对环境能量转化装置输出影响的测试

中介体3分别采用：2摩尔每升的CuCl₂、CuBr2、Cu(NO3) 2和CuSO4 电解质溶液，电解质溶液的温度在25℃条件下，外加400 kΩ负载情况下，测试环境能量转化装置的输出电流，得到的结果如图11所示。

图11说明，本发明专利环境能量转化装置能从各种电解质溶液获取能量，在阴离子半径小的盐中效应会更高。

实施例11、纯净水、海水、淡水、生理盐水、乙醇和丙酮中测试

中介体3分别采用：纯净水、海水、淡水、生理盐水、乙醇和丙酮，在25℃的条件下，在1个标准大气压下，在加载400 kΩ电阻的情况下，测到的输出电压分别为：纯净水26 mV、淡水45 mV，海水156 mV、生理盐水168 mV、乙醇18.5 mV、丙酮3.2 mV。

纯净水、海水、淡水中的测试结果显示，环境能量转化装置在纯净水中的输出电压和在海水中的输出电压相比少1个数量级。这一结果表明中介媒质的离子浓度对本发明的环境能量转化装置具有显著影响。生理盐水的测试结果表明在环境能量转化装置集成化后，有望为人体辅助装置提供电力能源。

实施例12、导电凝胶测试

中介体3采用医用导电膏中，在25℃条件下，外加电阻为400 kΩ时，测量得到的输出电压为156 mV。医用导电膏为水基质高分子凝胶，是一种导电凝胶。

该实施例表明，本发明专利除过在电解质溶液中发电外，通过获取导电凝胶的热能而发电，有望在便携式器件方面得到重要应用。

实施例13、输出电压与溶液流速关系的测试

中介体3采用1摩尔每升的NaCl溶液，容器为一直径为6 cm的圆形石英管。正极体1和负极体2的中间平面平行于管轴方向。2摩尔每升NaCl溶液从石英管的一端流向另一端。在25℃条件下，在加载400 kΩ的情况下，测试环境能量转化装置的输出电流，得到的结果如图12所示。

测试结果表明：流速和电流呈现正相关，流速越高，输出电流越大。由此可见，本发明可以应用于液体流速检测，制作流速检测装置或液体流速传感器。

实施例14、氮气气体鼓泡测试

中介体3采用5摩尔每升的CuCl₂溶液，容器腔5内放置有气管，气管连一阀门，阀门可开启时，氮气通过气管进入容器腔5内，在5摩尔每升额CuCl₂溶液中产生气泡。在25℃条件下，外加400 kΩ负载情况下，测试环境能量转化装置的输出电流，得到的结果如图13所示。由图4得出，当氮气气体开启时，输出电流越大；当氮气气体关闭时，输出电流越小。由该结果可以得出利用潮汐或水浪波动可以得到瞬时的高效电输出。

实施例15、制冷效果测试

本实施例通过测试样本和对比样本的对比测试实现。

中介体3为4摩尔每升的CuCl₂溶液，容器为一直径100毫米，高为100毫米的塑料瓶，正极体1和负极体2之间加载100 kΩ的负载。对比样本为一同样大小的塑料瓶，内装有同等量的4摩尔每升的CuCl₂溶液。测试样本和对比样本放置在一真空度为4.3 × 10³ torr的真空腔内。测试样本的塑料瓶与对比样本的塑料瓶相距50毫米。经过182小时后，测试样本与对比样本相比，测试样本的溶液温度低0.3℃。

该测试结果表明，本发明的环境能量转化装置在发电产生电流的同时，吸收环境热量，导致溶液温度降低，同时也证明了本发明的环境能量转化装置将热能转化成电能，装置输出的电能来自于环境热能。同时上述测试结果也表明，本发明的环境能量转化装置能够应用于制冷，并且在产生电能的同时，达到制冷的效果。

实施例16、串联测试1

正极体1为石墨烯，负极体2为石墨烯，中介体3为5 摩尔每升的CuCl₂溶液。将10个上述的结构的能量转化单元串联，在室温25℃的条件下，测试得开路电压为3.39 V，测试的开路电压和时间关系曲线如图14所示。对比实施例8中单个环境能量转化装置测试得到的开路电压0.5 V，可以得出，串联能够极大地提高输出电压。

实施例17、串联测试2

正极体1为石墨烯，负极体2为石墨烯，正极连接体11为石墨，负极链接体21为铜，中介体3为医用导电膏，医用导电膏为一种导电凝胶。在室温25℃的条件下，测试器件的开路电压为1.5 V。相比于实施例16，导电凝胶的开路电压较低，但其在便携式器件方面有望得到使用。

实施例18、并联测试

正极体1为石墨烯，负极体2为石墨烯，正极连接体11为石墨，负极链接体21为铜，中介体3为5 摩尔每升的CuCl₂溶液。将10个上述结构的环境能量转化装置并联，在室温25℃的条件下，加载电阻400 kΩ，测试器件的工作电流为10.6 μA。对比前述单个环境能量转化装置测试得到的输出电流为1 μA左右，可以得出，并联能够极大地提高输出电流。

由上述实施例16、17、18的测试结果，可以通过串联或并联来实现电压或电流的放大。比如串联这样的小型器件1000个，理论开路电压可以达到339 V，这种集成技术与半导体工艺是兼容的，是容易实现的。如果并联这样的小型器件1000个，理论工作电流可以达到1.06 mA；并联这样的小型器件1000000个的话，理论工作电流可以达到1.06 A，这足以达到实用化要求的程度。

以上实施例表明了，本发明专利在将环境热能转化为电的过程中，同时也起到了制造温度检测、离子浓度检测、液体及气体流体流速检测等装置。因为其他不同材料及结构两两匹配过程中，也有类似效果，为了简洁起见，我们只在一些特定的溶液体系中，检测了他们的开路电压和输出电压。

3、正负极体不同材质的测试

实施例19、不同薄膜测试结果

正极体1和负极体2的大小为10毫米×35毫米，中介体3采用1摩尔每升的NaCl溶液，正极体1和负极体2分别使用下述表格中的材料，在25℃条件下，在加载400 kΩ的情况下，得到开路电压和输出电压的结果如下表所示：

列表说明：

 图中：ITO玻璃的规格为：ITO厚度100纳米，电阻率为500 Ω/cm；SWCNT和MWCNT的厚度为150纳米；ZnO薄膜的厚度为100纳米。单层石墨烯的厚度为1纳米。有机半导体薄膜3-己基噻吩的聚合物(P3HT)的厚度为100纳米。

上述结果表明，各种导电、半导体薄膜两两组成的环境能量转化装置都能在中性NaCl溶液中产生电，单层石墨烯与其他半导体薄膜两两匹配的装置能输出更多的电。

本领域技术人员共知，除过上述实施例外，其他导体、半导体薄膜两两匹配都能输出电，其结构也不限于实施例的结构设计，溶液也不限于上述的溶液体系，凡是不与正负极体发生化学反应的溶液均是该专利保护的范围。

三、体材-体材测试

1、体材-体材测试结构

一种环境能量转化装置，包括能量转化单元。能量转化单元，如图15所示，包括正极体1、负极体2、中介体3。正极体1和负极体2为长方体的体材。正极体1、负极体2、中介体3放置在一容器内，该容器由容器外壁51和其围成的容器腔5组成。中介体3是置于容器腔5内的液体。正极体1和负极体2完全浸于中介体3内，使得正极体1与中介体3接触负极体2与中介体3接触。正极体1连接正极引线10，负极体2连接负极引线20。为避免正极引线10、负极引线20与作为中介体3的液体的接触，正极引线10、负极引线20、正极引线10与正极体1的连接部以及负极引线20与负极体2的连接部都经过封装处理。整个能量转化单元经密封处理，对溶液体系进行了排除氧气处理，隔绝空气以避免电化学腐蚀。

2、测试数据及结果

实施例19、不同材质的正极体和负极体测试

正极体1和负极体2的大小为10毫米×35毫米×0.5毫米，中介体3采用1摩尔每升的NaCl溶液，正极体1和负极体2分别使用下述表格中的材料，在25℃条件下，在加载400 kΩ的情况下，得到开路电压和输出电压的结果如下表所示：

上图中，一些材料的尺寸为：Pt的大小为1厘米×1厘米；金（Au）的大小为：直径为0.5毫米，长度为2厘米；银(Ag)的大小为：直径1毫米，长度为1.5厘米，如果没有特别指出，下同。

本实施例中，对电解质溶液进行了排气处理，以及对能量转化单元经过密封处理，隔绝了空气，不会发生由于空气中氧的参与进行的电化学腐蚀反应。同时由于中介体3采用NaCl溶液，根据电极电势值，不可能用上述金属还原出金属单质钠，因此上述材质与NaCl溶液均不会发生化学反应。上述的测试结果同时还表明，本发明是利用了材料结构和功函数协同调控获取了环境中的热能，而不是利用化学反应产生电流。

本领域技术人员共知，本发明专利不限于以上材料的组合，对于其微观结构导致的不对称性，以及材料的改性引起的材料两两的不对称性，都属于本发明专利保护的范围。材料结构设计也不仅仅限于以上规则结构，不规则的结构也属于本发明专利保护的范围。

四、薄膜-体材测试

1、薄膜-体材测试结构

一种环境能量转化装置，包括能量转化单元。能量转化单元，如图15所示，包括正极体1、负极体2、中介体3。正极体1或负极体2为薄膜，该薄膜也可以是附着在导电体材上的薄膜或者在绝缘衬底上的薄膜，另一极体为长方体的体材。正极体1、负极体2、中介体3放置在一容器内，该容器由容器外壁51和其围成的容器腔5组成。中介体3是置于容器腔5内的液体。正极体1和负极体2完全浸于中介体3内，使得正极体1与中介体3接触负极体2与中介体3接触。正极体1连接正极引线10，负极体2连接负极引线20。为避免正极引线10、负极引线20与作为中介体3的液体的接触，正极引线10、负极引线20、正极引线10与正极体1的连接部以及负极引线20与负极体2的连接部都经过封装处理。整个能量转化单元经密封处理，隔绝空气以避免电化学腐蚀。

2、测试数据及结果

实施例20为不同薄膜和体材的测试结果，薄膜的尺寸为10毫米×35毫米，对于碳纳米管（单壁碳纳米管简写为SWCNT，多壁碳纳米管简写为MWCNT）的厚度为100纳米，石墨烯的厚度为1纳米，氧化锌（ZnO）薄膜的厚度为100纳米；单层石墨烯/Cu代表在铜箔上沉积的单层石墨烯。体材的大小如下：铜箔(Cu)的尺寸为10毫米×35毫米×0.1毫米。

 

上述结果表明，体材-薄膜两两匹配构成的环境能量转化器件都有电的输出，但是对于高功函数的金属或单层的石墨烯与低功函数的金属或薄膜匹配的装置具有更高的能量输出。

本领域技术人员共知，本发明专利不限于以上材料的组合，对于其他材料薄膜-体材的组合，都属于本发明专利保护的范围。材料结构设计也不仅仅限于以上规则结构，不规则的结构也属于本发明专利保护的范围。

五、气凝胶-气凝胶测试

1、气凝胶-气凝胶测试结构

一种环境能量转化装置，包括能量转化单元。能量转化单元，如图16所示，包括正极体1、负极体2、中介体3。正极体1和负极体2为气凝胶。正极体1和负极体2通过粘贴的方式安装于正极基底41和负极基底42的侧面上。正极体1、负极体2、中介体3、正极基底41以及负极基底42放置在一容器内，该容器由容器外壁51和其围成的容器腔5组成。中介体3是置于容器腔5内的液体。正极体1、负极体2、正极基底41和负极基底42完全浸没于作为中介体3的液体内，使得正极体1与中介体3接触负极体2与中介体3接触。正极体1连接正极引线10，负极体2连接负极引线20。为避免正极引线10、负极引线20与作为中介体3的液体的接触，正极引线10、负极引线20、正极引线10与正极体1的连接部以及负极引线20与负极体2的连接部都经过封装处理。

2、测试结果数据

实施例21、泡沫镍-全碳气凝胶测试

正极基底41和负极基底42的大小为15毫米×30毫米×1毫米。正极体1为全碳气凝胶，大小为：10毫米×30毫米×5毫米。负极体2为泡沫镍，大小为：10毫米×30毫米×2毫米。正极体1和负极体2之间保持10毫米距离，不接触。该泡沫镍的密度为：0.18 g/cm³，孔隙率95%。该全碳气凝胶密度为1.0 mg/cm³，表面积比250 m²/g。在无氧的1 摩尔每升的NaCl溶液测试，测试得到开路电压为0.41 V。在加载为400 kΩ的情况下，获得输出电压为0.35 V，计算其内阻为68 kΩ。

上述实施例的结构不限于使用镍气凝胶-全碳气凝胶的组合，可以采用其它气凝胶两两匹配的测试装置，均是该专利保护的范围。

六、气凝胶-体材或薄膜测试

1、气凝胶-体材或薄膜测试结构

一种环境能量转化装置，包括能量转化单元。能量转化单元，如图16所示，包括正极体1、负极体2、中介体3。正极体1和负极体2中其中之一为气凝胶，另一极体为体材或薄膜。正极体1和负极体2通过粘贴的方式安装于正极基底41和负极基底42的侧面上。正极体1、负极体2、中介体3、正极基底41以及负极基底42放置在一容器内，该容器由容器外壁51和其围成的容器腔5组成。中介体3是置于容器腔5内的液体。正极体1、负极体2、正极基底41和负极基底42完全浸没于作为中介体3的液体内，使得正极体1与中介体3接触负极体2与中介体3接触。正极体1连接正极引线10，负极体2连接负极引线20。为避免正极引线10、负极引线20与作为中介体3的液体的接触，正极引线10、负极引线20、正极引线10与正极体1的连接部以及负极引线20与负极体2的连接部都经过封装处理。

2、测试结果数据

实施例22、泡沫镍-体材或薄膜测试

正极基底41和负极基底42的大小为15毫米×30毫米×1毫米。正极体1或负极体2为泡沫镍，大小为：10毫米×30毫米×2毫米。另一极体为各种导体或半导体薄膜或体材。正极体1和负极体2之间保持10毫米距离，不接触。该泡沫镍的密度为：0.18 g/cm³，孔隙率95%。测试结果如下表所示：

上述结果表明，多孔的泡沫镍与其他导体或半导体薄膜或体材两两匹配有较高的开路电压和输出电压。因此，本领域技术人员共知，本发明专利不限于上述实施例的材料和结构，可以采用其他气凝胶与体材或薄膜两两组成的结构的装置或器件，均是该专利保护的范围。

综合上述实施例，本发明通过不同材质的正极体、负极体和中介体构成的结构体后，由于其表面效应，自然实现环境能量转化，将环境热能转化成电能，并在发电的同时，对空间进行制冷。这是一种革命性的能量获得方式，具有开创性意义。

Claims (11)

1.一种环境能量转化装置，其特征在于，包括能量转化单元；能量转化单元包括：正极体、负极体和中介体；正极体与负极体不相连；中介体位于正极体和负极体之间，分别与正极体和负极体接触；正极体和负极体为导电体；正极体和负极体具有不对称性；中介体与正极体、负极体不发生化学反应。

2.根据权利要求1所述的环境能量转化装置，其特征在于，所述的能量转化单元还包括正极连接体和负极连接体；正极连接体和所述正极体相连；负极连接体和所述负极体相连；正极连接体与所述中介体不相连；负极连接体与所述中介体不相连；正极连接体与负极连接体不相连；正极连接体的材料比负极连接的材料具有更高的功函数。

3.根据权利要求1所述的环境能量转化装置，其特征在于，所述正极体和负极体为体材或薄膜或为纳米多孔材料。

4.根据权利要求3所述的环境能量转化装置，其特征在于，所述纳米多孔材料为气凝胶。

5.根据权利要求1所述的环境能量转化装置，其特征在于，所述的中介体为导电凝胶或电解质溶液。

6.根据权利要求5所述的环境能量转化装置，其特征在于，所述的电解质溶液为钠、钾、镍、钙、镁、钴、锂、铜、锌、铝、铁的卤盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐的水溶液。

7.根据权利要求1所述的环境能量转化装置，其特征在于，所述的正极体由石墨烯、掺杂型石墨烯或掺杂型金刚石薄膜、ITO玻璃、石墨、金属、无机半导体或有机半导体制成。

8.根据权利要求1所述的环境能量转化装置，其特征在于，所述的负极体由石墨烯、掺杂型石墨烯或掺杂型金刚石薄膜、ITO玻璃、石墨、金属、无机半导体、或有机半导体制成。

9.根据权利要求1所述的环境能量转化装置，其特征在于，该装置包括多个能量转化单元，各能量转化单元之间并联或串联。

10.如权利要求1至9任一项所述的环境能量转化装置在发电中的应用。

11.如权利要求1至9任一项所述的环境能量转化装置在制冷中的应用。

Images