CN107196559B - 一种非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀吸收率固态热机光‑电转换或热‑电转换装置和方法，该装置包括透镜、旋转遮光板、固态热机、桥式整流电路以及可充电电容；固态热机为由导电膜、热释电膜和导电振动膜依次粘连复合而成的工质，导电膜局部表面覆盖一层着色涂料；光波经透镜后产生的聚焦光束经旋转遮光板的调制形成光脉冲，光脉冲照射在导电层表面周期性加热固态热机，在光波照射下的固态热机的导电层上形成高能量密度空间和低能密度空间，高、低能量密度空间相接触的位置形成突变的热梯度，产生应力突变强化了光能或热能向机械能转化的效应，促进固态热机发生热释电效应，输出交流电经桥式整流电路后向可充电电容供电。热电转换效果好，经济成本低。

Description

一种非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置和 方法

技术领域

本发明涉及光能或热辐射能向电能转化的装置和方法，特别是涉及一种非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置和方法。

背景技术

基于热释电效应的发电技术是一种有效的把太阳光/热或热辐射转变为电能的思路，利用热释电效应的固态热机能够将热能直接转换为电能。

随着新型热释电材料的发现和热释电效应研究的发展，基于热释电效应的热电直接转换技术已是当今新能源开发利用技术的主要研究方向之一，特别是近年来全球能源与环境问题日趋严峻，这种能够广泛利用太阳能、地热、工业废热和环境热能等低品位热能且无公害、无污染的热电直接转换技术就更加显示出其巨大的优势。

但现有技术中的光-电转化或热-电转化的转化有效性、设备复杂性、成本经济性有待进一步提升。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种可以有效实现光电转化和热电转化的非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置和方法。

技术方案：一种非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置，包括透镜、旋转遮光板、固态热机、桥式整流电路以及可充电电容；所述固态热机为由导电膜、热释电膜和导电的振动膜依次粘连复合而成的工质，所述导电膜局部表面覆盖一层着色涂料；光波依次经过透镜、旋转遮光板照射在固态热机的导电膜含着色涂料的一面，桥式整流电路的输入端通过导线与固态热机的导电膜和导电的振动膜连接，输出端通过导线与可充电电容的两极连接。

其中，所述着色涂料为包含碳的碳素墨水。

所述着色涂料覆盖在导电膜表面的形状为星形或分散的圆形。

所述固态热机的形状为片状。

所述导电膜为银膜，所述热释电膜为含有锆钛酸铅陶瓷的PZT热释电陶瓷膜，所述振动膜为铜片。

所述光波为太阳光或固体表面的热辐射。

一种基于所述装置的光-电转化或热-电转化方法，光波经透镜后产生聚焦光束，所述聚焦光束经绕中心轴旋转的旋转遮光板的调制后形成光脉冲，所述光脉冲照射在固态热机的导电膜含着色涂料的一面，其周期性加热固态热机，固态热机的导电层表面上覆盖着色涂料和未覆盖着色涂料的部分对光波的吸收率不同，导致着色涂料表面和导电层未覆盖着色涂料的表面吸收光波的热量不同，在光波照射下的固态热机的导电层上形成高能量密度空间和低能密度空间，高能量密度空间和低能量密度空间相接触的位置形成突变的热梯度，产生应力突变强化了光能或热能向机械能转化的效应，促进固态热机发生热释电效应，输出交流电经桥式整流电路后向可充电电容供电。

其中，所述旋转遮光板的叶片数为2，旋转频率为0.1Hz。

有益效果：与现有技术相比，本发明的非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置和方法，具有以下优点：通过改变固态热机导电膜表面吸收率来构造不同几何形状的温度场以获得更有效的热电转换效果。根据表面着色分布，构造不同的表面光能量吸收率，形成星形或分散圆形这样的不均匀分布的温度场，促进在时间控制过程中，热释电材料内部电荷分布逐渐趋于一致，使两端电极产生电荷差，对外显现更强电性。在避免PZT热释电陶瓷膜因瞬态温度过高而破损的情况下，采用较低温度波动幅度，通过利用PZT热释电陶瓷的非均匀温度场分布，提高热-电转化效果。导电模和振动膜构成产生交流电的两个电极，采用旋转遮光板的方式周期性加热固态热机，这两个极就会有交流电产生。基于薄膜的固态热机对材料质量的要求不高，具有较低的材料经济成本。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是旋转遮光板的结构示意图；

图3是固态热机及着色涂料的结构示意图；

图4是一种星形着色涂料的结构示意图；

图5是一种分散圆形的着色涂料结构示意图；

图6是桥式整流电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，为本发明的一种非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置，其包括透镜1、旋转遮光板2、固态热机3、桥式整流电路4以及可充电电容5。所述透镜和旋转遮光板之间、旋转遮光板和固态热机之间竖直平行间隔设置；光波7依次经过透镜、旋转遮光板照射在固态热机的表面，桥式整流电路的输入端通过导线6与固态热机的导电膜和导电振动膜连接，输出端通过导线6与可充电电容的两极板连接。光波可以为太阳光，也可以为固体表面的热辐射。

如图2所示，一种旋转遮光板示意图。旋转遮光板包括两片叶片21，其围绕中心轴22进行转动。

如图3所示，固态热机为由导电膜31、热释电膜32和导电的振动膜33依次粘连复合而成的工质；所述固态热机的导电膜局部表面覆盖一层着色涂料8。其中，着色涂料为黑色，着色涂料是以碳为主要成分的碳素墨水。着色涂料覆盖在固态热机导电膜表面上的形状可以为星形，也可以为分散的圆形。固态热机的形状为片状，导电膜为银膜，热释电膜为含有锆钛酸铅陶瓷的PZT热释电陶瓷膜，导电振动膜为铜片。

如图4所示为一种星形着色涂料的固态热机的左视示意图。星形着色涂料81把导电膜划分为了着色的导电膜311和未着色的导电膜312，形成图案为四角形的星形着色。

如图5所示为一种分散的圆形着色涂料的固态热机的左视示意图。4个圆形着色区域对称的分散在圆形的导电膜的四周，形成图案为分散的圆形着色涂料82把导电膜划分为了着色的导电膜311和未着色的导电膜312，形成图案为分散的圆形着色。

所述着色涂料为黑色，其为以碳为主要成分的碳素墨水。工作时，涂碳素墨水着色的导电膜所覆盖的热释电膜的对应区域温度高，未着色的导电膜所覆盖的热释电膜的对应区域温度低，高温区域和低温区域之间的相接位置产生突变的热梯度，伴随产生应力突变，强化热能向机械能的转化，从而增强热向电转化的有效性。

如图6所示，为一种桥式整流电路及导线连接方式示意图。桥式整流电路包括四个二极管45，桥式整流电路的输入端41与固态热机的导电膜连接，输入端42与固态热机的振动膜连接，桥式整流电路的输出端43和44通过导线分别与可充电电容的两极连接。

一种非均匀吸收率固态热机太阳光-电转化或热-电转化方法，光波经透镜后产生聚焦光束，所述聚焦光束经绕中心轴旋转的旋转遮光板的调制后形成光脉冲，所述光脉冲照射在固态热机的导电膜含着色涂料的一面，其周期性加热固态热机，固态热机的导电层表面上覆盖着色涂料和未覆盖着色涂料的部分对光波的吸收率不同，导致着色涂料表面和导电层未覆盖着色涂料的表面吸收光波的热量不同，在光波照射下的固态热机的导电层上形成高能量密度空间和低能密度空间，高能量密度空间和低能量密度空间相接触的位置形成突变的热梯度，产生应力突变强化了光能或热能向机械能转化的效应，使向外部电路输出的交流电能的电压峰值得以提高，促进固态热机发生热释电效应，输出交流电经桥式整流电路后向可充电电容供电。其中，所述旋转遮光板旋转频率为0.1Hz。

Claims (5)

1.一种非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置，其特征在于：包括透镜、旋转遮光板、固态热机、桥式整流电路以及可充电电容；所述固态热机为由导电膜、热释电膜和导电的振动膜依次粘连复合而成的工质，所述导电膜局部表面覆盖一层着色涂料；光波依次经过透镜、旋转遮光板照射在固态热机的导电膜含着色涂料的一面，桥式整流电路的输入端通过导线与固态热机的导电膜和导电的振动膜连接，输出端通过导线与可充电电容的两极连接；

所述着色涂料为包含碳的碳素墨水；

所述着色涂料覆盖在导电膜表面的形状为四角形的星形或四极对称分散的圆形，具有四极对称特征；

所述固态热机的形状为圆形的片状。

2.根据权利要求1所述的一种非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置，其特征在于：所述导电膜为银膜，所述热释电膜为含有锆钛酸铅陶瓷的PZT热释电陶瓷膜，所述振动膜为铜片。

3.根据权利要求1所述的一种非均匀吸收率固态热机光-电转化或热-电转化装置，其特征在于：所述光波为太阳光或固体表面的热辐射。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述装置的光-电转化或热-电转化方法，其特征在于：光波经透镜后产生聚焦光束，所述聚焦光束经绕中心轴旋转的旋转遮光板的调制后形成光脉冲，所述光脉冲照射在固态热机的导电膜含四角形星形或四极对称分散圆形的着色涂料的一面，其周期性加热固态热机，固态热机的导电层表面上覆盖着色涂料和未覆盖着色涂料的部分对光波的吸收率不同，导致着色涂料表面和导电层未覆盖着色涂料的表面吸收光波的热量不同，在光波照射下的固态热机的导电层上形成高能量密度空间和低能量密度空间，高能量密度空间和低能量密度空间相接触的位置形成突变的热梯度，产生应力突变强化了光能或热能向机械能转化的效应，促进固态热机发生热释电效应，输出交流电经桥式整流电路后向可充电电容供电。

5.根据权利要求4所述的一种光-电转化或热-电转化方法，其特征在于：所述旋转遮光板的叶片数为2，旋转频率为0.1Hz。