CN106559009B - 薄膜发电机的制备方法及其在空调外机中的应用 - Google Patents

薄膜发电机的制备方法及其在空调外机中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种薄膜发电机的制备方法及其在空调外机中的应用，通过原子沉积法、化学溶液法在第一电极上形成氧化锌纳米阵列，然后在纳米线阵列中填充弹性聚合物，再在弹性聚合物表面覆盖泡沫薄膜，泡沫薄膜上覆盖第二电极，最后制成薄膜发电机。薄膜发电机给蓄电池充电，充电完成后的蓄电池给水泵供电，水泵抽取空调产生的冷凝水给空调外机降温。有益效果：采用本发明的一种薄膜发电机的制备方法及其在空调外机中的应用。通过制备方法制成的发电机具有发电效率高，能量转换效率高，稳定性好，适用性强。产生的电能能供给水泵，水泵抽取水对空调外机降温能延长空调外机的使用寿命。

Description

薄膜发电机的制备方法及其在空调外机中的应用
技术领域
本发明涉及清洁能源领域，特别是涉及一种薄膜发电机的制备方法及其在空调外机中的应用。
背景技术
能源是整个世界发展和经济增长是基本的驱动力，是人类赖以生存的基础，与我们的日常生活息息相关。随着全球变暖、环境污染等问题日益加重，以化石燃料为基础的常规能源已面临危机，寻找清洁和可再生的绿色能源成为当前社会发展和人类文明进步面临的项迫切挑战，也是世界各国的重要研究内容。人类生存的物质环境中广泛存在着大量可再生的环境能量，如风能、水能、太阳能、生物质能等。然而海洋的洋流、空气中的气流、生物组织的生化能、燃料电池等会都受到各种条件的制约，可提供的能量较低，当前能量收集技术所提供的能量还不足以满足大多数电子设备的要求。而在日常环境中普遍存在的机械能具有简单方便等优点，在高能量转换输出方面显示出了重要的应用。因此,利用环境中的机械能，将是解决目前对可持续性自驱动电源需求的一个最优方案，在便携式电子产品、微纳系统、物联网传感器及国防科技等领域有着广阔的市场需求。
研究表明，摩擦发电机在较大机械变形时发电量很高。当接触式发动机在较大外力作用下两电极接触后，外界的扰动仍可引起较小的形变，但这时摩擦发电机不能将环境中的机械能转换为电能。压电发电机中的压电材料在外力扰动下可持续发电。然而，受压电材料机械性质的限制，压电发电机所能承受的形变较小。一旦电极和材料分离，压电发电机将终止发电。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种薄膜发电机的制备方法及其在空调外机中的应用。在氧化锌纳米线阵列的基础上，制作出一种同时具备压电和摩擦发电功能的新型复合材料。
技术方案如下：
一种薄膜发电机的制备方法，其关键在于包括以下步骤：
步骤一，在基片上表面形成发电机的第一电极；
步骤二，在所述第一电极上表面生成氧化锌种子层；
步骤三，采用化学溶液法在所述第一电极上表面形成氧化锌纳米线阵列；
步骤四，在氧化锌纳米线阵列之间填充弹性聚合物形成复合材料；
步骤五，在弹性聚合物未固化之前，在所述复合材料上表面覆盖泡沫薄膜；
步骤六，在所述泡沫薄膜上表面形成第二电极。
采用上述方法，制作出兼具压电转换和摩擦起电两种方式的具有耦合发电效应的新型复合发电机，该发电机具有材料选择广、效率高、稳定性好和适用性强、能量转换效率高。
更进一步的，在第一电极上表面生成氧化锌种子层前，还在第一电极上表面生成一层厚度为5纳米的金属铬层。
采用上述方法，在第一电极上镀了一层金属铬后，便于氧化锌种子层附着在第一电极上。
更进一步的，所述氧化锌种子层和金属铬层均采用CVD化学气相沉积的方法生成。
采用上述方法，能在一台CVD设备中就完成金属铬层和氧化锌种子层的生成，并且镀好的膜的纯度高，成膜速度快，表面平滑，有助于后面的氧化锌纳米线阵列形成。
更进一步的，步骤三中采用以下步骤形成氧化锌纳米线阵列：
步骤3.1、将0.3克的氧化锌粉末和0.3克的炭黑混合，并放入瓷舟中；
步骤3.2、将基片放置在瓷舟上方，并将氧化锌种子层朝向瓷舟；
步骤3.3、将瓷舟和基片放在管式炉的炉膛的中心位置；
步骤3.4、启动机械泵将管式炉的炉膛抽成真空；
步骤3.5、向炉膛中充入10SCCM的氧气和30SCCM的氩气；
步骤3.6、调节真空阀，使炉膛中的真空度保持在50Torr；
步骤3.7、开启管式炉电源，使炉膛内的温度升高到960摄氏度并保持5-10分钟；
步骤3.8、关闭管式炉电源，炉膛内的温度自然冷却到室温后取出基片。
采用上述方法，形成的氧化锌纳米线致密。由于氧化锌纳米线在高温下结晶生长，缺陷少，质量高，从而纳米发电机的寿命长，输出高。
更进一步的，步骤四中弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷的预聚物与固化剂以10:1的比例混合并搅拌均匀，得到混合物，将混合物中的气泡去除，最后将去除气泡的混合物以浇筑涂覆或旋转涂覆的方式填充到所述氧化锌纳米线阵列之间的空隙中，形成复合材料。
采用上述方法，聚二甲基硅氧烷是物理和化学性能稳定的硅橡胶弹性体，并在摩擦电系列中具有较强的电负性。该聚合物可以与氧化锌纳米线形成复合材料，提高压电发电的稳定性和电量的同时，还可以作为摩擦发电的负极参与摩擦发电。
更进一步的，步骤五中泡沫薄膜为聚氨酯泡沫薄膜，所述泡沫薄膜在所述弹性聚合物未完全固化前覆盖在弹性聚合物的上表面并与之紧密贴合。
采用上述方法，聚氨酯在摩擦电系列里中电负性大大弱于上述材料，可以作为摩擦发电机的正极进一步提高发电的功率。另外，在本发明中聚氨酯可以由其他材料替代，比如聚氯乙烯，增加了制作复合发电机的材料的选择范围。
更进一步的，所述泡沫薄膜的上表面还粘覆有一层形变薄膜，该形变薄膜由聚氯乙烯泡沫或聚酰胺泡沫制成。
采用上述方法，聚氯乙烯薄膜能使复合发电机承受更大的形变。
更进一步的，所述泡沫薄膜的上表面通过印刷、溅射或蒸馏的方式形成导电层作为第二电极。
采用上述方法，能得到质地更加均匀，导电性能更好的第二电极。
一种薄膜发电机在空调外机中的应用，包括空调外机、支撑平台，其特征在于：所述支撑平台上表面平铺有一层薄膜发电机，所述空调外机放置在所述薄膜发电机上，所述薄膜发电机与设置在支撑平台上的蓄电池连接；
所述蓄电池的正极通过定时开关与设置在支撑平台上的水泵的电源正极连接，水泵的电源负极与所述蓄电池负极连接，所述水泵的出水端通过出水管与设置在所述空调外机上方的水喷头连接，该水喷头指向所述空调外机；
所述水泵的进水端与进水管的一端连接，进水管的另一端放入用于存储空调排出的冷凝水的储水槽中，该储水槽通过支架固定在所述支撑平台下方。
采用上述结构，空调外机的振动使复合发电机产生压电转换，产生电能，同时空调外机发生与复合发电机之间会产生摩擦，产生电能，二者结合，使复合发电机产生更多的电能。
复合发电机给蓄电池充电，充满电的蓄电池能给水泵供电，水泵抽取冷凝水给空调外机降温，延长空调外机的使用寿命。
更进一步的，所述薄膜发电机经防过充保护电路与所述蓄电池连接。
采用上述结构，能避免蓄电池发生过充现象，缩短蓄电池的使用寿命。
有益效果：采用本发明的一种薄膜发电机的制备方法及其在空调外机中的应用。能制作出具有耦合发电效应的薄膜发电机，该发电机具备压电转换和摩擦起点两种发电方式，发电效率高，并且制作出的薄膜发电机质地均匀，能量转换效率高，稳定性好，适用性强，而且制作该薄膜发电机的材料选择范围广。
该薄膜发电机在空调外机的应用中，能吸收空调外机产生的振动能量，转换成电能供给水泵，使水泵抽取空调产生的冷凝水给空调外机降温，延长空调外机的使用寿命，并且，薄膜发电机能对空调外机的振动起到缓冲的作用。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程图；
图2为采用本发明制备的复合薄膜发电机的结构示意图；
图3为复合薄膜发电机产生的电压与压力之间的对应关系示意图；
图4为采用本发明的制备的复合薄膜发电机在空调外机中的应用结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1-2所示，一种薄膜发电机的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，在基片上表面形成发电机的第一电极；
步骤二，在所述第一电极上表面生成氧化锌种子层。在该氧化锌种子层生成之前，为提高氧化锌在第一电极的附着力，在第一电极的上表面镀上一层厚度5纳米的金属铬层。
金属铬层和氧化锌种子层的生成均在一台CVD设备中生成。此外氧化锌种子层的生成还能采用热分解乙酸锌、旋转涂覆等方法。
步骤三，采用化学溶液法在所述第一电极上表面形成氧化锌纳米线阵列。氧化锌纳米线阵列采用以下步骤形成：
步骤3.1、将0.3克的氧化锌粉末和0.3克的炭黑混合，并放入瓷舟中；
步骤3.2、将基片放置在瓷舟上方，并将氧化锌种子层朝向瓷舟；
步骤3.3、将瓷舟和基片放在管式炉的炉膛的中心位置；
步骤3.4、启动机械泵将管式炉的炉膛抽成真空；
步骤3.5、向炉膛中充入10SCCM的氧气和30SCCM的氩气；
步骤3.6、调节真空阀，使炉膛中的真空度保持在50Torr；
步骤3.7、开启管式炉电源，使炉膛内的温度升高到960摄氏度并保持5-10分钟；
步骤3.8、关闭管式炉电源，炉膛内的温度自然冷却到室温后取出基片。
步骤四，在氧化锌纳米线阵列之间填充弹性聚合物形成复合材料。弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷的预聚物与固化剂一10:1的比例混合并搅拌均匀，得到混合物，将混合物中的气泡去除，最后将去除气泡的混合物以浇筑涂覆或旋转涂覆的方式填充到所述氧化锌纳米线阵列之间的空隙中，形成复合材料。
步骤五，在弹性聚合物未固化之前，在所述复合材料上表面覆盖泡沫薄膜。泡沫薄膜为聚氨酯泡沫薄膜，所述泡沫薄膜在所述弹性聚合物未完全固化前覆盖在弹性聚合物的上表面并与之紧密贴合。所述泡沫薄膜的上表面还粘覆有一层聚氯乙烯薄膜或聚酰胺泡沫薄膜。其中聚氨酯能用其他材料替代，比如聚氯乙烯。
步骤六，在所述泡沫薄膜上表面通过印刷、溅射或蒸馏的方式形成导电层作为第二电极。
通过该方法制作成的复合薄膜发电机，其中聚二甲基硅氧烷和聚氨酯会带极性相反的电荷。在压力作用下，泡沫薄膜变薄，从而正负电荷相对移动，从而形成电动势对外发电。在压力作用下，弹性聚合物也形成电动势对外发电。不同压力下其中一层发电占主导地位。
如图3所示，当压力较小时，泡沫薄膜变形较大，摩擦起电为主要的发电方式，压电转换为次要发电方式。
当压力较大时，泡沫薄膜形变达到极限，不会进一步产生电能，压电转换作为主要发电方式，达到最大发电。
如图4所示，一种薄膜发电机在空调外机中的应用，包括空调外机1、支撑平台2，所述支撑平台2上表面平铺有一层薄膜发电机3，所述空调外机1放置在所述薄膜发电机3上，所述薄膜发电机3经防过充保护电路给所述蓄电池4充电。
所述蓄电池4的正极通过定时开关与设置在支撑平台2上的水泵5的电源正极连接，水泵5的电源负极与所述蓄电池4负极连接，所述水泵5的出水端通过出水管6与设置在所述空调外机1上方的水喷头7连接，该水喷头7指向所述空调外机1；
所述水泵5的进水端与进水管8的一端连接，进水管8的另一端放入用于存储空调排出的冷凝水的储水槽9中，该储水槽9通过支架10固定在所述支撑平台2下方。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种薄膜发电机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，在基片上表面形成发电机的第一电极；
步骤二，在所述第一电极上表面生成氧化锌种子层；
步骤三，采用化学溶液法在所述第一电极上表面形成氧化锌纳米线阵列；
步骤四，在氧化锌纳米线阵列之间填充弹性聚合物形成复合材料，作为摩擦发电的负极；
弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷的预聚物与固化剂以10:1的重量比例混合并搅拌均匀，得到混合物，将混合物中的气泡去除，最后将去除气泡的混合物以浇筑涂覆或旋转涂覆的方式填充到所述氧化锌纳米线阵列之间的空隙中，形成复合材料；
步骤五，在弹性聚合物未固化之前，在所述复合材料上表面覆盖泡沫薄膜，作为摩擦发电机的正极；
步骤六，在所述泡沫薄膜上表面形成第二电极。
2.根据权利要求1所述薄膜发电机的制备方法，其特征在于：在第一电极上表面生成氧化锌种子层前，还在第一电极上表面生成一层厚度为5纳米的金属铬层。
3.根据权利要求2所述薄膜发电机的制备方法，其特征在于：所述氧化锌种子层和金属铬层均采用CVD化学气相沉积的方法生成。
4.根据权利要求1所述薄膜发电机的制备方法，其特征在于：步骤三中采用以下步骤形成氧化锌纳米线阵列：
步骤3.1、将0.3克的氧化锌粉末和0.3克的炭黑混合，并放入瓷舟中；
步骤3.2、将基片放置在瓷舟上方，并将氧化锌种子层朝向瓷舟；
步骤3.3、将瓷舟和基片放在管式炉的炉膛的中心位置；
步骤3.4、启动机械泵将管式炉的炉膛抽成真空；
步骤3.5、向炉膛中充入10SCCM的氧气和30SCCM的氩气；
步骤3.6、调节真空阀，使炉膛中的真空度保持在50Torr；
步骤3.7、开启管式炉电源，使炉膛内的温度升高到960摄氏度并保持5-10分钟；
步骤3.8、关闭管式炉电源，炉膛内的温度自然冷却到室温后取出基片。
5.根据权利要求1所述薄膜发电机的制备方法，其特征在于：步骤五中泡沫薄膜为聚氨酯泡沫薄膜，所述泡沫薄膜在所述弹性聚合物未完全固化前覆盖在弹性聚合物的上表面并与之紧密贴合。
6.根据权利要求5所述薄膜发电机的制备方法，其特征在于：所述泡沫薄膜的上表面还粘覆有一层形变薄膜，该形变薄膜由聚氯乙烯泡沫或聚酰胺泡沫制成。
7.根据权利要求1所述一种薄膜发电机的制备方法，其特征在于：所述泡沫薄膜的上表面通过印刷、溅射或蒸馏的方式形成导电层作为第二电极。
8.一种薄膜发电机在空调外机中的应用，包括空调外机(1)、支撑平台(2)，其特征在于：所述支撑平台(2)上表面平铺有一层权利要求1～7任一项所述的薄膜发电机(3)，所述空调外机(1)放置在所述薄膜发电机(3)上，所述薄膜发电机(3)与设置在支撑平台(2)上的蓄电池(4)连接；
所述蓄电池(4)的正极通过定时开关与设置在支撑平台(2)上的水泵(5)的电源正极连接，水泵(5)的电源负极与所述蓄电池(4)负极连接，所述水泵(5)的出水端通过出水管(6)与设置在所述空调外机(1)上方的水喷头(7)连接，该水喷头(7)指向所述空调外机(1)；
所述水泵(5)的进水端与进水管(8)的一端连接，进水管(8)的另一端放入用于存储空调排出的冷凝水的储水槽(9)中，该储水槽(9)通过支架(10)固定在所述支撑平台(2)下方。
9.根据权利要求8所述薄膜发电机在空调外机中的应用，其特征在于：所述薄膜发电机(3)经防过充保护电路与所述蓄电池(4)连接。
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