CN103391025B - 一种多物理场纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用碳纳米管薄膜在光、热、流体三种物理场发电特性构建的多物理场纳米发电机，其结构包括外电极、内电极、碳纳米管薄膜、硅基复合材料基板。其特征在于，当碳纳米管薄膜受光照和气流共同作用时，通过光热效应、伯努利效应和塞贝克效应，将太阳能和流体机械能转换为电能。多物理场纳米发电机作为p型或n型发电单元，通过串联或并联方式连接组成矩阵式供电装置，具有多个能量输出节点，可根据不同负载要求，配置发电单元数量，提高发电机输出功率。本发明无运动部件，可应用于汽车、列车、飞机的蒙皮上，利用光照和气流即可为内部的微纳机电系统或器件装置供电。

Description

一种多物理场纳米发电机

技术领域

本发明属于纳米发电与电源技术领域，特别涉及一种利用碳纳米管薄膜材料且基于多物理场的纳米发电机。

背景技术

纳米发电机是将纳米材料(如氧化锌纳米线、纳米压电陶瓷、碳纳米管等)、纳米结构通过光、热、磁、微压、流体、表面能等技术产生电的一种纳机电系统，可解决传统电源如电池带来的体积大、重量重、集成困难等缺点，实现微纳米器件的自主供电问题，为微纳机电系统在机械电子、生物医学、仪器仪表、无线通信、军事航天等领域的广泛应用奠定基础。

目前，国际上对纳米发电机的材料研究主要集中在氧化锌纳米线，美国专利11608865(2006)“Piezoelectric and Semiconducting Coupled Nanogenerator”最早公开一种利用氧化锌纳米线的压电效应，在纳米范围内将机械振动、流体振动等机械能转化为电能的纳米发电机，掀起了纳米发电与电源技术研究的热潮。中国专利CN101295941A(2008)“交流纳米发电机及升压方法”将氧化锌纳米棒阵列与微电机结构相结合构成交流发电机，并通过串联连接或二极管-电容升压器将其电压升高。专利CN101710744A(2010)“一种纳米发电机”利用氧化锌纳米阵列将空间中的各种高频交变电磁信号和电磁微波辐射能直接转化为电能。但是，为进一步拓宽纳米发电机的应用领域，需要在复杂环境下，将不同的环境能量转换为电能，这对纳米发电机的发电材料提出了更加苛刻的要求。

研究发现，碳纳米管以其独特的一维纳米管状结构和物理化学性能，可以在光、热、磁、微压、流体、表面能等多种物理场下产生电流。日本NEC公司首次观测到单壁碳纳米管纤维中的光电流，并将其归因为光子诱导电子-空穴对产生，同时在激光照射下电荷分离(Zhang and Iijima，Phys.Rev.Lett.，1999)。印度科学院利用氮或氩等气流以每秒钟几米的低速度流过半导体材料和碳纳米管时可产生电流(Sood andGhosh，Phys.Rev.Lett.，2004)。美国麻省理工学院在碳纳米管上覆盖一层反应燃料，然后用激光束或者高压火花将纳米管的一端引燃，产生一种快速移动的热波沿着纳米管移动，驱动产生了大量的电流(Choi etal，Nat.Mater.，2010)。我国国家纳米科学中心制备了定向性良好的碳纳米管绳，将其用电极固定，浸入酒精等极性液体时，在表面张力的作用下，极性溶剂沿着碳管之间的间隙流动，最终在管的两端产生稳定的电动势(Liu et al，Adv.Mater.，2010)。清华大学利用基于单壁碳纳米管薄膜的光电源，制备出阵列式发电单元，在近红外光照射下，通过光热电效应，其输出电压达到0.1V以上(Hu et al，ACS NANO，2010)。

因此，利用碳纳米管薄膜加工制备多物理场纳米发电机具有诱人的应用前景，其至少可以解决两个问题：一是单根碳纳米管发电电流通常较弱，不能达到稳定、持续供电的要求；二是纳米发电机应用场合通常是光、热、流体等多物理场复杂环境，单一物理场下的发电特性易受外界条件影响，具有一定局限性，同时也不能综合利用环境中的太阳能、风能等能源。

太阳能和风能是自然界中有巨大发展潜力的无污染、可再生绿色能源，越来越受到世界各国的重视开发。但是，由于其发电功率和稳定性受地理分布、季节变化和昼夜迁移等因素影响，近年来，太阳能和风能互补发电系统成为绿色能源领域研究的热点。如中国专利CN101191601A(2008)“一种高效的风光互补路灯”、CN102069731A(2011)“风光互补发电轨道电动车技术”、CN102013714A(2011)“风光互补绿色能源系统及充电方法”等成果已应用于照明、交通等领域。互补发电系统发电原理主要是利用太阳能电池板组、风力发电机互补发电，并对电能进行调节控制和存储。与单独利用太阳能或风能发电系统相比，互补发电系统能够全天候发电，具有较高的发电功率和稳定性，但是由于研究重点集中在能量互补控制技术上，其发电组件体积大、重量重，一定程度上限制了其应用范围。因此，如何利用碳纳米管薄膜材料的多物理场发电特性，直接将太阳能和风能转换成电能，将发电组件与用电装置结合为一体，成为亟待解决的问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提出一种利用碳纳米管薄膜在光、热、流体三种物理场发电特性构建的多物理场纳米发电机，并构建矩阵式供电装置，提高发电机输出功率，能工作于光、热、流体的复杂多物理场环境中，稳定、持续、灵活地驱动用电负载正常工作。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多物理场纳米发电机，结构包括外电极、内电极、碳纳米管薄膜和硅基复合材料基板；外电极和内电极由铂或钯金属材料加工制成条状结构，通过银胶与碳纳米管薄膜两端欧姆连接，碳纳米管薄膜成肘形结构，并淀积于硅基复合材料基板表面；当碳纳米管薄膜置于由光照和气流组成的复杂多物理场环境中，并与来流气体方向成一定角度时，太阳能通过光热效应转换为热能，致使碳纳米管薄膜两端之间产生温度差；气流以一定速度流经碳纳米管薄膜，由于伯努利效应，碳纳米管薄膜表面产生压力差和温度梯度，进一步增大碳纳米管薄膜两端的温度差，并通过塞贝克效应转换为电势差；为提高发电机输出功率，碳纳米管薄膜通过掺杂或功能化，制备p型或n型发电单元，将其外电极和内电极以串联或并联方式交互连接，并以绝缘带隔离，构成矩阵式供电装置。该装置具有多个能量输出节点，可配置发电单元数量，以满足不同用电负载的供电要求。

本发明的特点及效果如下：

1.本发明利用碳纳米管薄膜在光、热、流体三种物理场发电特性构建的多物理场纳米发电机，通过光热效应、伯努利效应和塞贝克效应，将太阳能、流体机械能等多种物理场能量转换为电能。与单物理场纳米发电机相比，多物理场纳米发电机具有较高的输出功率，并提高了供电稳定持续性。

2.本发明利用多个p型或n型碳纳米管薄膜发电单元构建的矩阵式供电装置具有多个能量输出节点，可根据不同负载要求配置发电单元数量，具有一定冗余度，并避免了变压器、整流器两种适配电路。

3.矩阵式供电装置无运动部件，能与用电装置较好地结合成一体，可应用于汽车、列车、飞机的蒙皮上，利用光照和气流即可为内部的微纳米机电系统或器件装置供电。

附图说明

图1 多物理场纳米发电机结构

图2 p型发电单元的发电机理示意图

图3 n型发电单元的发电机理示意图

图4 矩阵式供电装置结构

具体实施方式

结合附图对本发明详细说明如下：

多物理场纳米发电机结构如图1所示，包括外电极(1)、内电极(2)、碳纳米管薄膜(3)和硅基复合材料基板(4)。外电极(1)和内电极(2)由铂或钯金属材料加工制成条状结构，通过银胶与碳纳米管薄膜(3)两端欧姆连接，碳纳米管薄膜(3)成肘形结构，并淀积于硅基复合材料基板(4)表面。碳纳米管薄膜(3)置于由光照(5)和气流(6)组成的多物理场复杂环境中，并与来流气体方向成一定角度(7)。

碳纳米管是由石墨碳原子构成的直径为纳米量级的空心圆柱管状结构，具有较高的比表面积和表面活性，致使碳纳米管薄膜(3)对太阳辐射具有较高的吸收率。碳纳米管薄膜(3)成肘形结构，由两个垂直相交的膜面构成，当光照(5)作用于碳纳米管薄膜(3)的侧面时，太阳能通过光热效应转换为热能，致使碳纳米管薄膜(3)两端产生温度差。当气流(6)以一定速度流经碳纳米管薄膜(3)，由于伯努利效应，碳纳米管薄膜(3)表面产生压力差和温度梯度，进一步增大碳纳米管薄膜(3)两端的温度差，并通过塞贝克效应转换为电势差，电势差大小由外电极(1)和内电极(2)连接电位计(8)测量。

p型发电单元的发电机理示意图如图2所示，利用化学气相沉积法制备的碳纳米管薄膜(3)通常表现出p型半导体性质，主要靠多数载流子空穴(9)导电，受主原子吸收电子，形成负离子(10)。设碳纳米管薄膜(3)两端初始温度为T₀，对于尚未建立起温差电动势，其内部载流子呈均匀分布。当光照和气流对碳纳米管薄膜(3)的共同作用时，温度逐渐升高，在碳纳米管薄膜(3)表面产生温度梯度。设太阳能的光热效应使碳纳米管薄膜外电极(1)端温度升高ΔT₁，流体机械能转换为热能，使其温度升高ΔT₂，热传导作用使碳纳米管薄膜内电极(2)端温度升高ΔT₃，最终导致碳纳米管薄膜(3)两端的温度差为ΔTs₁+ΔT₂-ΔT₃。此时，处于热端的载流子具有较大的动能，趋于向冷端运动并堆积，使导体内的电中性遭到破坏。载流子在冷端的积累致使在导体内建立起一个自建电场E，该自建电场方向与温度梯度方向相反，将阻止热端载流子向冷端的进一步扩散。这样当导体内载流子的扩散达到平衡时，导体内无净电荷的定向移动，此时在导体两端将产生电动势。碳纳米管薄膜(3)热端与冷端分别与外电极(1)和内电极(2)欧姆连接，外部与金属导线和电位计相连，组成闭合回路。由于铂或钯电极材料和金属导线的温差电动势率较小，可以忽略不计，电位计(8)测量的电势差约等于碳纳米管薄膜(3)两端的电势差。

n型发电单元的发电机理示意图如图3所示，经掺杂或功能化，碳纳米管薄膜(3)表现出n型半导体性质，主要靠多数载流子自由电子(11)导电，载流子流动方向与电流方向相反，施主原子提供电子，形成正离子(10)。n型发电单元的发电机理与p型发电单元类似，但是产生的电流方向相反。

矩阵式供电装置结构如图4所示，包括p型发电单元(13)、n型发电单元(14)、绝缘带(15)、底座(16)和能量输出节点(17)。每个发电单元都是一个独立的多物理场纳米发电机，多个p型和n型发电单元的两端电极通过串联或并联方式交互连接，中间以绝缘带(15)隔离，固定于底座(16)。根据不同负载要求配置发电单元数量，提高了发电机输出功率。多个能量输出节点(17)具有一定冗余度，并提供多种不同供电参数，用电负载可根据需要选择连接，避免了变压器、整流器两种适配电路。矩阵式供电装置近似为长方体薄板结构，也适于工程应用中的弧面结构，其电能输出功率影响不大。由于矩阵式供电装置无运动部件，可应用于汽车、列车、飞机的蒙皮上，利用光照和气流即可为内部的微纳米机电系统或器件装置供电。

Claims (4)

1.一种多物理场纳米发电机，其特征在于，所述纳米发电机包括外电极(1)、内电极(2)、碳纳米管薄膜(3)和硅基复合材料基板(4)；

其中，所述外电极(1)和内电极(2)由铂或钯金属材料加工制成条状结构，通过银胶与碳纳米管薄膜(3)两端欧姆连接，碳纳米管薄膜(3)成肘形结构，并淀积于硅基复合材料基板(4)表面；所述的碳纳米管薄膜(3)置于由光照(5)和气流(6)组成的复杂多物理场环境中，并与来流气体方向成一定角度(7)；太阳能通过光热效应转换为热能，致使碳纳米管薄膜(3)两端之间产生温度差；当气流(6)以一定速度流经碳纳米管薄膜(3)，由于伯努利效应，碳纳米管薄膜(3)表面产生压力差和温度梯度，进一步增大碳纳米管薄膜(3)两端的温度差，并通过塞贝克效应转换为电势差，电势差大小由外电极(1)和内电极(2)连接电位计(8)测量。

2.根据权利要求1所述的多物理场纳米发电机，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜(3)经由化学气相沉积法制备，表现出p型半导体性质，构成p型发电单元(13)；所述的碳纳米管薄膜(3)经由掺杂或功能化，表现出n型半导体性质，构成n型发电单元(14)；多个p型和n型发电单元的两端电极通过串联或并联方式交互连接，并以绝缘带(15)隔离，固定于底座(16)，构成矩阵式供电装置，具有多个能量输出节点(17)，可根据不同负载要求配置发电单元数量，提高发电机输出功率。

3.根据权利要求2所述的多物理场纳米发电机，其特征在于，所述的矩阵式供电装置具有一定冗余度，避免了变压器、整流器两种适配电路。

4.根据权利要求3所述的多物理场纳米发电机，其特征在于，所述的矩阵式供电装置无运动部件，可应用于汽车、列车、飞机的蒙皮上，利用光照和气流即可为内部的微纳米机电系统或器件装置供电。