CN106877731A - 一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，所述热声驱动摩擦纳米发电系统包括：热声发动机，以及若干个分别通过连接管道(2)与热声发动机连通的膜盒(3)；所述膜盒(3)的内腔体内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的弹性膜片，在下腔室中设置摩擦纳米发电机(5)。本发明利用热声发动机将外部热能转化为声能，再利用摩擦纳米发电机将声能转化为电能输出。整个系统具有可靠性高、成本低、结构简单、寿命长等优点。相比现有的摩擦纳米发电方式，本发明可实现持续、稳定和高功率的热电转换。

Description

一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统
技术领域
本发明涉及热声发电领域，特别涉及一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统。
背景技术
当一个管道中存在适当的温度梯度和声场时，声波振荡就会自发产生，将热能转化成声波形式的机械能，这就是热致声效应。热声发动机作为一种新型外燃式热机，它利用热致声效应将热能转化为声能，具有无机械运动部件带来的运行可靠和长寿命、潜在热效率高和环境友好等优点。根据热声转换的声场特性，热声发动机可分为行波热声发动机和驻波热声发动机，两者各有优势：驻波热声发动机板叠内的热交换过程基于不可逆过程、热效率略低，但是其具有结构简单的优点；相比于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言，行波热声发动机基于可逆的斯特林循环，潜在热效率更高。
将热声发动机和声电转换装置(发电机)耦合在一起就能将热声发动机产生的声能转换为电能，这就是热声发电技术。目前跟热声发动机耦合的声电转换装置主要包括基于电磁感应效应的直线发电机、液态金属磁流体发电机、压电换能器等。热声-直线发电机发电技术由于直线发电机中存在机械运动部件——活塞和电机动子等，严重削弱了“热声系统无运动部件”这一高可靠性优势；此外，直线发电机中的间隙密封、板簧支撑、大量采用永磁体等因素导致其成本远高于旋转电机。热声-压电换能器发电系统中，由于压电换能器的高频和小振幅振动特性，仅适用于微小型热声发电系统的声电转换，且热电转换效率较低(<10％)。热声-液态金属磁流体发电机技术中，由于液态金属磁流体发电机的研究在国际上尚处于起步阶段，主要集中在原理性演示和示范研究，还有许多技术问题亟待解决，包括：液态金属在发电通道内的振荡和回流、流场不稳定、感生磁场对发电机输出特性的影响等，这些技术问题使得热声-液态金属磁流体发电机技术的可靠性降低、结构复杂且研发投资成本高。面对这一技术现状，探索新的具有高可靠性、低成本、结构简单且高效的声电转换方式成为了热声发电技术进一步发展的必经之路。
摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)是指通过摩擦起电和静电感应的耦合作用，利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子的流动，进而将外界环境中材料的接触分离或者摩擦产生的机械能收集起来并转化成电能的电学器件。摩擦纳米发电机由王中林院士于2011年首次提出，该发明提出了一种采用机械能发电的新方法，为能量收集技术提供了新的思路。从2011年问世至今，摩擦纳米发电机的输出功率已从3.67mW/m2提高到313W/m2，增长幅度约为5个数量级。通过材料改性和器件结构优化，摩擦纳米发电机的输出功率还将进一步提升。
摩擦纳米发电机具有结构设计简单、器件制作成本低廉、制备材料种类众多、使用寿命长等优点，可以广泛地用于环境机械能收集以及自供能传感器等方面。在环境机械能收集方面，主要可用于手指触屏动能、风能、滑动能、振动能，人体运动能、旋转动能、水浪冲击能等不同能量形式的收集。但这些能量的分布随机性较强，这些应用场景决定了其无法提供持续、稳定的电能，限制了摩擦纳米发电机的应用范围。
随着摩擦纳米发电机技术的不断发展，热声发动机耦合摩擦纳米发电机的发电系统的提出，为热声发电技术领域探索新的具有高可靠性、低成本、结构简单且高效的声电转换方式提供了新的思路，同时也能有效解决现有摩擦纳米发电机缺乏稳定动力源的缺点。但发明人在进行本发明创造的过程中发现，摩擦纳米发电机和热声发动机的耦合并非两种技术的简单组合，二者的结合存在以下技术难点：(1).迄今为止，摩擦纳米发电机的工作模式已经发展为5种，包括接触-分离模式、滑动模式、旋转模式、单电极模式、独立模式，选择能与热声发动机最优匹配的摩擦纳米发电机的工作模式是二者耦合的难点；(2).摩擦纳米发电机与热声发动机耦合位置的选择；(3).选择合适的耦合方式，从而确保热声发动机和摩擦纳米发电机均能够高效运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有热声发电系统的缺点和摩擦纳米发电机缺乏稳定动力源的不足，并解决摩擦纳米发电机和热声发动机耦合的技术难点，提供一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，所述热声驱动摩擦纳米发电系统包括：热声发动机，以及若干个分别通过连接管道2与热声发动机连通的膜盒3；所述膜盒3的内腔体内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的弹性膜片，在下腔室中设置摩擦纳米发电机5。
优选地，所述膜盒3内腔体为椭球形或球形或圆柱形。
优选地，所述弹性膜片为圆形弹性膜片41或圆形片状刚性片421与环状弹性膜片422的组合片42。
进一步优选地，所述圆形弹性膜片41为硅胶或天然橡胶或聚氨酯或PVDF等材料制成的呈圆形片状结构的弹性膜片；所述环状弹性膜片422与圆形片状刚性片421的组合片42中，环状弹性膜片422为硅胶或橡胶或聚酯塑料制成的呈圆环形状的弹性膜片，圆形片状刚性片421由尼龙或聚丙烯或镀有绝缘涂层的不锈钢片制成。
优选地，所述上下两个腔室内采用同种气体工质且弹性膜片上布置有节流孔使两个腔室内气体工作压力相等，所述膜盒3内腔体内安装弹性膜片处的横截面积为连接管道2横截面积的2-5倍，所述弹性膜片的所在安装平面与连接管道2的轴线垂直。
优选地，所述摩擦纳米发电机5包括背电极层51、高分子材料薄膜层52、金属材料薄膜层53和基底54；
所述摩擦纳电机5的工作模式采用接触-分离模式，接触的两面分别为高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53，高分子材料薄膜层52的背面有背电极层51，背电极层51和金属材料薄膜层53通过外电路相连；所述背电极层51固定在弹性膜片一侧，所述金属材料薄膜层53固定在基底54上，所述基底54为绝缘固体材料或者镀有非导电层的金属材料；所述基底54固定在膜盒3内腔体壁面上。
本发明中，所述热声发动机为驻波热声发动机11或行波热声发动机12或N级声学共振型行波热声发动机13。
优选地，当所述热声发动机为驻波热声发动机11时，所述驻波热声发动机包括依次相连的热腔111、加热器112、板叠113、室温换热器114和谐振管115；所述连接管道2的一端与膜盒3相连，所述连接管道2的另一端连接于谐振管115与室温换热器114相接处；
当所述热声发动机为行波热声发动机12时，所述行波热声发动机12包括依次相连的主室温换热器124、回热器123、加热器122、热缓冲管126、次级室温换热器127、反馈管128，所述反馈管128的一端与主室温换热器连接，反馈管128的另一端通过一个四通分别与次级室温换热器127、谐振管125和连接管道2连通；
当所述热声发动机为N级声学共振型行波热声发动机13时，所述N级声学共振型行波热声发动机13包括N个热声发动机单元，N为≥3的正整数；所述每一个热声发动机单元包括依次相连的主室温换热器134、回热器133、加热器132、热缓冲管136、次级室温换热器137和谐振管135；在每一个热声发动机单元的谐振管135与次级室温换热器134相接处旁接连接管道2的一端，所述连接管道2的另一端与膜盒3相连。
优选地，所述热声驱动摩擦纳米发电系统中使用的气体工质选自氮气、氦气、二氧化碳、氩气中的一种或多种。
所述摩擦纳米发电机的工作原理如下：金属材料薄膜层53和高分子材料薄膜层52得失电子能力差异较大，金属材料容易失去电子，高分子材料容易得到电子，在发生摩擦/接触起电时，电子由金属材料薄膜层53表面转移到高分子材料薄膜层52表面。以高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53紧密接触的状态为起始状态，当高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53接触时，内电路中电子由金属材料薄膜层53表面转移至高分子材料薄膜层52表面；在高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53分离的过程中，金属材料薄膜层53表面的正电荷导致金属材料薄膜层53具有较高的电势，该电势差驱动电子从外电路中由高分子材料薄膜层52的背电极层51流向金属材料薄膜层53，从而平衡该电势差；直到电势差全部被屏蔽，此时高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53分别处于平衡状态；同理，当高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53反方向运动，处于接触的过程中，距离的接近再次打破高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53的平衡状态，使得高分子材料薄膜层52具有较高的电势，该电势差驱动电子从外电路中由金属材料薄膜层53流回高分子材料薄膜层52的背电极层51；直到金属材料薄膜层53和高分子材料薄膜层52再次紧密接触，恢复平衡状态；完成摩擦纳米发电机的一个发电周期。同样在一个发电周期中，电子在高分子材料薄膜层52的背电极层51和金属材料薄膜层53之间往复运动一次，产生两个方向相反的电流脉冲。
本发明利用弹性膜片将摩擦纳米发电机耦合在热声发动机上，通过热致声效应将外部热源的热能转化为工作气体往复振荡的声能(机械能)，气体的往复振荡驱动弹性膜片往复运动，弹性膜片的往复运动使得摩擦纳米发电机中两种摩擦电性质不同的材料表面周期性接触和分离，利用两种材料之间摩擦/接触起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子流动，进而将驱动两种材料接触分离的机械能收集起来并转化成电能输出，最终实现从热能到电能的持续、稳定和高功率转换。
相比于现有热声发电系统采用的基于电磁感应效应的直线发电机、液态金属磁流体发电机和压电换能器等，摩擦纳米发电机具有结构设计简单、器件制作成本低廉、制备材料种类众多、使用寿命长等突出优点。相比现有的摩擦纳米发电方式，本发明可实现持续、稳定和高功率的热电转换。本发明提供的采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，具有可靠性高、成本低、结构简单、寿命长等优点。
本发明的采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统的优点在于：系统可靠性高、成本低、结构简单、使用寿命长。相比于现有热声发电系统采用的基于电磁感应效应的直线发电机、液态金属磁流体发电机和压电换能器等，摩擦纳米发电机具有结构设计简单、器件制作成本低廉、制备材料种类众多、使用寿命长等突出优点。相比现有的摩擦纳米发电方式，本发明可实现持续、稳定和高功率的热电转换。本发明在能量收集领域(包括太阳能或生物质能利用、余热或废热回收等)、自供能微纳系统、主动式传感器、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例一中的热声驱动摩擦纳米发电系统结构示意图；
图2是本发明实施例二中的热声驱动摩擦纳米发电系统结构示意图；
图3是本发明实施例三中的热声驱动摩擦纳米发电系统结构示意图；
图4是本发明实施例四中的热声驱动摩擦纳米发电系统结构示意图。
附图标记：11、驻波热声发动机；111、热腔；112、加热器；113、板叠；114、室温换热器；115、谐振管；12、行波热声发动机；122、加热器；123、回热器；124、主室温换热器；125、谐振管；126、热缓冲管；127、次级室温换热器；128、反馈管；13、N级声学共振型行波热声发动机；132、加热器；133、回热器；134、主室温换热器；135、谐振管；136、热缓冲管；137、次级室温换热器；3、膜盒；41、圆形弹性膜片；42、组合片；421、圆形片状刚性片；422、环状弹性膜片；5、摩擦纳米发电机；51、背电极层；52、高分子材料薄膜层；53、金属材料薄膜层；54、基底。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统的优点在于：系统可靠性高、成本低、结构简单、使用寿命长。相比于现有热声发电系统采用的基于电磁感应效应的直线发电机、液态金属磁流体发电机和压电换能器等，摩擦纳米发电机具有结构设计简单、器件制作成本低廉、制备材料种类众多、使用寿命长等突出优点。相比现有的摩擦纳米发电方式，本发明可实现持续、稳定和高功率的热电转换。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
图1是本发明实施例一中的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统结构示意图，其包括：驻波热声发动机11和通过连接管道2旁接于所述驻波热声发动机谐振管115与室温换热器114相接处的摩擦纳米发电机5。
所述驻波热声发动机包括依次相连的热腔111、加热器112、板叠113、室温换热器114和谐振管115。
所述摩擦纳米发电机5安装在一膜盒3内，所述膜盒3内腔体为椭球形。所述膜盒3通过一连接管道2与驻波热声发动机11连通，所述膜盒3内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的圆形弹性膜片41，所述两个腔室内采用同种气体工质且圆形弹性膜片41上布置有节流孔使两个腔室内气体工作压力相等；所述膜盒3内腔体安装弹性膜片或组合片处的横截面积为连接管道2横截面积的2-5倍；所述圆形弹性膜片41或组合片42的所在安装平面与连接管道2的轴线垂直。
所述圆形弹性膜片41为硅胶或橡胶或聚氨酯或PVDF制成的弹性膜片。
所述摩擦纳米发电机5的工作模式采用接触-分离模式，接触的两面分别为高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53，高分子材料薄膜层52的背面镀有背电极层51，背电极层51和所述金属材料薄膜层53通过外电路连接；所述背电极层51固定在圆形弹性膜片41的一侧，所述金属材料薄膜层53固定在基底54上，所述基底54为绝缘固体材料或者镀有非导电层的金属材料；所述基底54固定在所述膜盒3内腔体壁面上。
下面具体说明本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统的工作过程：
所述驻波热声发动机的加热器112吸收外界高温热源热量形成高温端，所述室温换热器114与外界循环冷却水换热或通过热管向外界散热等方式形成室温端，从而在板叠113上建立起温度梯度，当温度梯度超过临界温度梯度时，驻波热声发动机开始工作，气体开始自激起振产生往复振荡的压力波动。板叠在该温度梯度条件下将热能转化为声能(机械能)，产生的声功一部分流向谐振管115，以保证热声发动机在特定频率下稳定运行，另一部分声功通过连接管道2流向膜盒3，推动膜盒3内圆形弹性膜片41往复运动，圆形弹性膜片41的往复运动使得摩擦纳米发电机5中两种摩擦电性质不同的材料表面(高分子材料薄膜层52表面和金属材料薄膜层53表面)周期性接触和分离，利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子流动，进而将热声发动机产生的声功转化成电能输出。如此循环，本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统最终实现将外界高温热源热量稳定地转化为电能输出。
通过上述表述可以看出，在本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统中，利用驻波热声发动机驱动摩擦纳米发电机进而将外界高温热源热量稳定地转化为电能输出，尽管由于驻波热声发动机板叠内的热交换过程基于不可逆热力过程、热效率略低，但是其具有结构简单的优点，使得整个热声驱动摩擦纳米发电系统结构简单、可靠性高、功率灵活。相比于现有热声发电系统采用的基于电磁感应效应的直线发电机、液态金属磁流体发电机和压电换能器等，摩擦纳米发电机具有结构设计简单、器件制作成本低廉、制备材料种类众多、使用寿命长等突出优点。相比现有的摩擦纳米发电方式，本实施例可实现持续、稳定和高功率的热电转换。
实施例二
图2是本发明实施例二中的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统结构示意图，其包括：驻波热声发动机11和通过两根连接管道2分别旁接于所述驻波热声发动机谐振管115与室温换热器114相接处的两个摩擦纳米发电机5。
所述驻波热声发动机包括依次相连的热腔111、加热器112、板叠113、室温换热器114和谐振管115。
所述每个摩擦纳米发电机5分别安装在一膜盒3内，所述膜盒3内腔体为椭球形。所述膜盒3通过一连接管道2与驻波热声发动机11连通，所述膜盒3内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的组合片42，所述两个腔室内采用同种气体工质且组合片42上布置有节流孔使两个腔室内气体工作压力相等；所述膜盒3内腔体安装组合片42处的横截面积为连接管道2横截面积的2-5倍；所述组合片42所在安装平面与连接管道2的轴线垂直。
所述组合片42为圆形片状刚性片421的外边缘与环状弹性膜片422的内边缘通过氯丁橡胶或环氧树脂粘接而成的结构，圆形片状刚性片421由尼龙或聚丙烯等绝缘材料、镀有绝缘涂层的不锈钢片等制成，环状弹性膜片422由硅胶或橡胶或聚酯塑料制成。
所述两个摩擦纳米发电机5相互之间并联连接，所述每个摩擦纳米发电机5的工作模式采用接触-分离模式，接触的两面分别为高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53，高分子材料薄膜层52的背面镀有背电极层51，背电极层51和所述金属材料薄膜层53通过外电路连接；所述背电极层51固定在圆形片状刚性片421的一侧，所述金属材料薄膜层53固定在基底54上，所述基底54为非导电固体材料或者镀有非导电层的金属材料制成；所述基底54固定在所述膜盒3内腔体壁面上。
下面具体说明本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统的工作过程：
所述驻波热声发动机的加热器112吸收外界高温热源热量形成高温端，所述室温换热器114与循环冷却水换热或通过热管向外界散热等方式形成室温端，从而在板叠113上建立起温度梯度，当温度梯度超过临界温度梯度时，驻波热声发动机开始工作，气体开始自激起振产生往复振荡的压力波动。板叠在该温度梯度条件下将热能转化为声能(机械能)，产生的声功一部分流向谐振管115，以保证热声发动机在特定频率下稳定运行，另一部分声功分别通过两根连接管道2流向两个膜盒3，推动每个膜盒3内组合片42往复运动，组合片42的往复运动使得摩擦纳米发电机5中两种摩擦电性质不同的材料表面(高分子材料薄膜层52表面和金属材料薄膜层53表面)周期性接触和分离，利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子流动，进而将热声发动机输出的声功转化成电能输出。通过将两个摩擦纳米发电机5相互之间并联连接，可以提高整个系统的输出电流。如此循环，本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统最终实现将外界高温热源热量稳定地转化为电能输出。
通过上述表述可以看出，在本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统中，与实施例一不同，本实施例采用圆形片状刚性片与环状弹性膜片的组合片将两个摩擦纳米发电机耦合在驻波热声发动机谐振管与室温换热器相接处，通过环状弹性膜片的特殊结构使得组合片42中圆形片状刚性片421的轴向位移处处相等，进而提高两个摩擦纳米发电机的声电转化效率。此外，两个摩擦纳米发电机相互之间并联连接，可显著提高整个系统的输出电流大小。
实施例三
图3是本发明实施例三中的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统结构示意图，其包括：行波热声发动机12和摩擦纳米发电机5。
所述行波热声发动机12包括依次相连的主室温换热器124、回热器123、加热器122、热缓冲管126、次级室温换热器127、反馈管128，所述反馈管128一端与主室温换热器124连接，反馈管128另一端通过一个四通分别与次级室温换热器127、谐振管125和摩擦纳米发电机连接管道2连通，所述连接管道2的一端与膜盒3相连。
所述摩擦纳米发电机5安装在所述膜盒3内，所述膜盒3内腔体为椭球形，其通过一连接管道2与热声发动机12连通；所述膜盒3内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的圆形弹性膜片41，所述两个腔室内采用同种气体工质且圆形弹性膜片41上布置有节流孔使两个腔室内气体工作压力相等；所述膜盒3内腔体安装圆形弹性膜片41处的横截面积为连接管道2横截面积的2-5倍；所述圆形弹性膜片41所在安装平面与连接管道2的轴线垂直；所述圆形弹性膜片41为硅胶或橡胶或聚氨酯或PVDF制成的呈圆形片状结构的弹性膜片。
所述摩擦纳米发电机5的工作模式采用接触-分离模式，接触的两面分别为高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53，高分子材料薄膜层52的背面镀有背电极层51，背电极层51和所述金属材料薄膜层53通过外电路连接；所述背电极层51固定在圆形弹性膜片41的一侧，所述金属材料薄膜层53固定在基底54上，所述基底54为非导电固体材料或者镀有非导电层的金属材料制成；所述基底54固定在所述膜盒3内腔体壁面上。
下面具体说明本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统的工作过程：
所述行波热声发动机的加热器122吸收外界高温热源热量形成高温端，所述主室温换热器124与循环冷却水换热或通过热管向外界散热等方式形成室温端，从而在回热器123上建立起温度梯度，当温度梯度超过临界温度梯度时，行波热声发动机开始工作，气体开始自激起振产生往复振荡的压力波动。回热器在该温度梯度条件下将热能转化为声能(机械能)，产生的声功一部分通过反馈管128再次回到回热器123再次被放大，一部分则流向谐振管125以保证热声发动机在特定频率下稳定运行，另一部分声功通过连接管道2流向膜盒3，推动膜盒3内圆形弹性膜片41往复运动。圆形弹性膜片41的往复运动使得摩擦纳米发电机5中两种摩擦电性质不同的材料表面(高分子材料薄膜层52表面和金属材料薄膜层53表面)周期性接触和分离，利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子流动，进而将热声发动机输出的声功转化成电能输出。如此循环，本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统最终实现将外界高温热源热量稳定地转化为电能输出。
通过上述表述可以看出，在本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，利用行波热声发动机驱动摩擦纳米发电机进而将外界高温热源热量稳定地转化为电能输出，行波热声发动机基于可逆的斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言，具有潜在的高效率，使得整个热声驱动摩擦纳米发电系统潜在效率高、可靠性高、功率灵活。相比于现有热声发电系统采用的基于电磁感应效应的直线发电机、液态金属磁流体发电机和压电换能器等，摩擦纳米发电机具有结构设计简单、器件制作成本低廉、制备材料种类众多、使用寿命长等突出优点。相比现有的摩擦纳米发电方式，本实施例可实现持续、稳定和高功率的热电转换。
实施例四
图4是本发明实施例四中的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统结构示意图，其包括：一台3级声学共振型行波热声发动机和通过连接管道2旁接于谐振管135与次级室温换热器137相接处的3个摩擦纳米发电机5，所述的3级声学共振型行波热声发动机由3个热声发动机单元(分别编号#1、#2和#3)和谐振管135首尾相连以构成环路结构。所述每个热声发动机单元由依次串联的主室温换热器134、回热器133、加热器132、热缓冲管136和次级室温换热器137构成。
所述摩擦纳米发电机5安装在所述膜盒3内，所述膜盒3内腔体为椭球形，其通过一连接管道2与所述声学共振型行波热声发动机13连通；所述膜盒3内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的圆形弹性膜片41，所述两个腔室内采用同种气体工质且圆形弹性膜片41上布置有节流孔使两个腔室内气体工作压力相等；所述膜盒3内腔体安装圆形弹性膜片41处的横截面积为连接管道2横截面积的2-5倍；所述圆形弹性膜片41所在安装平面与连接管道2的轴线垂直；所述圆形弹性膜片41为硅胶或橡胶或聚氨酯或PVDF制成的呈圆形片状结构的弹性膜片。
所述摩擦纳米发电机5的工作模式采用接触-分离模式，接触的两面分别为高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53，高分子材料薄膜层52的背面镀有背电极层51，背电极层51和所述金属材料薄膜层53通过外电路连接；所述背电极层51固定在圆形弹性膜片41的一侧，所述金属材料薄膜层53固定在基底54上，所述基底54为非导电固体材料或者镀有非导电层的金属材料制成；所述基底54固定在所述膜盒3内腔体壁面上。
下面具体说明本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统的工作过程：
#1热声发动机单元的加热器132吸收外界高温热源热量形成高温端，主室温换热器134与循环冷却水换热或通过热管向外界散热等方式形成室温端形成室温端，从而在回热器133上形成温度梯度，当回热器133达到一定温度梯度时，系统便自激起振产生往复振荡的压力波动，回热器13在该温度梯度条件下将热能转化成声能(机械能)，声功的传播方向沿着温度梯度的正方向，先传递到热缓冲管136和次级室温换热器137，一部分声功沿谐振管135传递到下一级热声发动机单元(#2)的回热器并被放大，另一部分声功通过连接管道2流向膜盒3，推动膜盒3内圆形弹性膜片41往复运动，圆形弹性膜片41的往复运动使得摩擦纳米发电机5中两种摩擦电性质不同的材料表面(高分子材料薄膜层52表面和金属材料薄膜层53表面)周期性接触和分离，利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子流动，进而将热声发动机输出的声功转化成电能输出。如此循环，本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统最终实现将外界高温热源热量稳定地转化为电能输出。
通过上述表述可以看出，在本实施例提供的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，利用N级声学共振型行波热声发动机驱动摩擦纳米发电机进而将外界高温热源热量稳定地转化为电能输出，相比于实施例三中的带驻波谐振管的行波热声发动机，采用N级声学共振型行波热声发动机大大减小了谐振管的尺寸，同时回收了耗散在谐振管中的声功，大大提高了系统的功率密度和潜在热效率。同时，该系统中每一热声发动机单元的回热器均处于理想的行波相位，有利于更高效率的热能到声能(机械能)的转换。最终使得整个热声驱动摩擦纳米发电系统潜在热电转化效率更高、可靠性提高、功率灵活。相比于现有热声发电系统采用的基于电磁感应效应的直线发电机、液态金属磁流体发电机和压电换能器等，摩擦纳米发电机具有结构设计简单、器件制作成本低廉、制备材料种类众多、使用寿命长等突出优点。相比现有的摩擦纳米发电方式，本实施例可实现持续、稳定和高功率的热电转换。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述热声驱动摩擦纳米发电系统包括：热声发动机，以及若干个分别通过连接管道(2)与热声发动机连通的膜盒(3)；所述膜盒(3)的内腔体内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的弹性膜片，在下腔室中设置摩擦纳米发电机(5)。
2.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述膜盒(3)内腔体为椭球形或球形或圆柱形。
3.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述弹性膜片为圆形弹性膜片(41)或圆形片状刚性片(421)与环状弹性膜片(422)的组合片(42)。
4.根据权利要求3所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述圆形弹性膜片(41)为硅胶或天然橡胶或聚氨酯或PVDF制成的呈圆形片状结构的弹性膜片；所述环状弹性膜片(422)与圆形片状刚性片(421)的组合片(42)中，环状弹性膜片(422)为硅胶或橡胶或聚酯塑料制成的呈圆环形状的弹性膜片，圆形片状刚性片(421)由尼龙或聚丙烯或镀有绝缘涂层的不锈钢片制成。
5.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述上下两个腔室内采用同种气体工质且弹性膜片上布置有节流孔使两个腔室内气体工作压力相等，所述膜盒(3)内腔体内安装弹性膜片处的横截面积为连接管道(2)横截面积的2-5倍，所述弹性膜片的所在安装平面与连接管道(2)的轴线垂直。
6.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述摩擦纳米发电机(5)包括背电极层(51)、高分子材料薄膜层(52)、金属材料薄膜层(53)和基底(54)；
所述摩擦纳电机(5)的工作模式采用接触-分离模式，接触的两面分别为高分子材料薄膜层(52)和金属材料薄膜层(53)，高分子材料薄膜层(52)的背面有背电极层(51)，背电极层(51)和金属材料薄膜层(53)通过外电路相连；所述背电极层(51)固定在弹性膜片一侧，所述金属材料薄膜层(53)固定在基底(54)上，所述基底(54)为绝缘固体材料或者镀有非导电层的金属材料；所述基底(54)固定在膜盒(3)内腔体壁面上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述热声发动机为驻波热声发动机(11)或行波热声发动机(12)或N级声学共振型行波热声发动机(13)。
8.根据权利要求7所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，当所述热声发动机为驻波热声发动机(11)时，所述驻波热声发动机包括依次相连的热腔(111)、加热器(112)、板叠(113)、室温换热器(114)和谐振管(115)；所述连接管道(2)的一端与膜盒(3)相连，所述连接管道(2)的另一端连接于谐振管(115)与室温换热器(114)相接处；
当所述热声发动机为行波热声发动机(12)时，所述行波热声发动机(12)包括依次相连的主室温换热器(124)、回热器(123)、加热器(122)、热缓冲管(126)、次级室温换热器(127)、反馈管(128)，所述反馈管(128)的一端与主室温换热器连接，反馈管(128)的另一端通过一个四通分别与次级室温换热器(127)、谐振管(125)和连接管道(2)连通；
当所述热声发动机为N级声学共振型行波热声发动机(13)时，所述N级声学共振型行波热声发动机(13)包括N个热声发动机单元，N为≥3的正整数；所述每一个热声发动机单元包括依次相连的主室温换热器(134)、回热器(133)、加热器(132)、热缓冲管(136)、次级室温换热器(137)和谐振管(135)；在每一个热声发动机单元的谐振管(135)与次级室温换热器(134)相接处旁接连接管道(2)的一端，所述连接管道(2)的另一端与膜盒(3)相连。
9.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述热声驱动摩擦纳米发电系统中使用的气体工质选自氮气、氦气、二氧化碳、氩气中的一种或多种。
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