CN107733279B - 一种基于太阳能的静电式能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳能的静电式能量收集器，包括聚光装置、磁铁、驻极体组件、收集电极组件、外壳以及盖板。驻极体组件由热解石墨片、绝缘层、驻极体以及保护电极组成，由于热解石墨片的抗磁性，驻极体受到抗磁力作用将自由悬浮在磁铁上部。利用双凸透镜将太阳光聚焦到热解石墨片的边缘，驻极体发生转动。由于收集电极与驻极体之间构成电容，当驻极体组件转动时，电容的相对面积发生改变，从而引起收集电极上的电荷的变化，通过能源管理电路将收集电极上的电荷加以存储，实现太阳能转换为电能。

Description

一种基于太阳能的静电式能量收集器

技术领域

本发明涉及能量收集器的技术领域，具体涉及一种基于太阳能的静电式能量收集器，可以将太阳能转换成电能，实现能量的采集。

背景技术

随着经济的快速发展，人们对能源的需求越来越明显，但是常规途径的能源供应和提取已经难以满足人们日益增长的需求。寻找新的能源技术成为解决该问题的一个有效途径。自然界中存在各种各样的能量，像太阳能、振动能、热能以及核能等，这些能源可以通过能量转换技术被利用。比如，通过压电效应加工环境中的振动机械能转换为电能，通过生物化学反应收集能量，通过热电效应将热量转换为电能，通过光电转换效应将太阳能转换为电能。太阳能是一种常见的能量，可以将太阳能收集起来转换可以利用的能量。静电式能量收集器具有大功率输出特点。将太阳能与静电式能量收集技术结合起来，能够丰富太阳能转换方法。

发明内容

本发明提供了一种基于太阳能的静电式式能量收集器，可以将太阳能转化为电能，为微电子器件提供能源。

实现本发明的技术方案是：一种基于太阳能的静电式能量收集器，包括底座，底座上设有高度调节杆，高度调节杆上设有聚光装置；所述底座上设有能量收集装置，能量收集装置置于聚光装置下方，所述能量收集装置包括驻极体组件和磁铁结构，所述磁铁结构外设有外壳，驻极体组件悬浮置于磁铁结构上方，所述磁铁结构上方还设有盖板，盖板的下侧面上设有采集电极组件；采集电极组件包括至少两个采集电极，采集电极组件与驻极体组件之间设有间距。

所述驻极体组件由热解石墨片、绝缘层、驻极体层和保护电极自下而上层叠结合制成。

所述的热解石墨片、绝缘层和驻极体层均呈圆形，保护电极为扇形或条形，绝缘层的直径小于热解石墨片的直径，驻极体层的直径小于或等于绝缘层的直径。

所述热解石墨片呈圆盘形，驻极体层呈扇形、条形，驻极体呈环形分布于绝缘层上。

所述磁铁结构由钕铁硼或钐钴永磁体制成，所述的磁铁结构包括一个内磁铁和一个外环磁铁，所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向、且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反。

所述驻极体组件悬浮于磁铁结构正上方，由于驻极体组件处于悬浮状态，其旋转时受到很小的阻力。所述热解石墨片的外径大于外环磁铁的内径、且小于外环磁铁的外径。

所述聚光装置为双凸透镜，太阳光经过聚光装置形成一个光斑照射于未被绝缘层覆盖的热解石墨片边缘区域，聚焦后的光斑温度明显高于被太阳光直射的区域，被光斑照射区域的温度将升高，热解石墨片的温度不均匀分布将导致驻极体组件的旋转运动。由于收集电极与驻极体之间构成电容，当驻极体组件转动时，驻极体和收集电极的相对面积发生改变，当光线持续照射时，驻极体组件将持续旋转，驻极体与收集电极的相对面积将周期性变化，从而引起收集电极上的往复电荷的变化，通过能源管理电路的作用将太阳能转换为电能。

所述采集电极组件由若干个扇形或条形的采集电极制成，采集电极组件为圆形；采集电极组件与驻极体组件之间设有间距，二者相互不接触。

所述保护电极为不导磁材料制成。

所述盖板由透光材料制成，或者盖板上设有透光孔。

所述驻极体层是由具有持久性极化的固体电介质加工而成，比如SiO₂和Teflon，驻极体具有体电荷特性，既出现驻极体表面也出现在驻极体内部。利用MEMS加工技术使驻极体附在绝缘层上表面，再在驻极体层表面附上整体呈环形分布多个保护电极，保护电极之间存在足够大的间隙。例如在驻极体表面上设置4个均匀分布的扇形保护电极，每个电极的圆心角为45°，相应的，在收集电极组件上设置8个有同样形状的收集电极。所述的收集电极连接至特制的能量管理电路。所述保护电极采用的是不导磁的金属材料，比如金属铝，这样既能提高驻极体表面的势能，改善能够电荷感应效果，又能防止受到磁铁结构的吸引力而不能够悬浮。所述保电极可以是扇形、条形或者其他形状，具体的设计需要更具驻极体组件的转速以及期望采集到的电压来做决定。

所述驻极体层是由具有持久性极化的固体电介质加工而成，驻极体具有体电荷特性，既出现驻极体表面也出现在驻极体内部。利用MEMS加工技术使驻极体结构附在绝缘层上表面，所述驻极体结构整体呈环形分布与绝缘层表面，具体的设计需要更具驻极体组件的转速以及期望采集到的电压来做决定，驻极体结构之间存在足够大的间隙。例如在绝缘层表面上设置4个均匀分布的扇形驻极体结构，每个驻极体的圆心角为45°，相应的，在收集电极组件上设置8个有同样形状的收集电极。所述的收集电极连接至特制的能量管理电路。

所述的盖板具有良好的透光性，或者设有透光孔，保证通过聚光装置处理后的光束能够照射到热解石墨片的边缘。

所述磁铁结构由外环磁体和圆柱磁铁嵌套而成，这样的磁铁结构所形成的磁场呈现环形分布，在高度相同，半径相同的区域上，磁场强度大小相同，这样就能减小磁阻尼对热解石墨旋转的阻碍作用，有利于提高能量采集器的效率。另外，为了增强磁场强度大小，提高驻极体组件的悬浮高度，使用多个组合后的磁铁结构叠加在一起。

由于采用了热解石墨衬托材料，利用热解石墨的抗磁性，磁铁结构与热解石墨片之间产生抗磁悬浮力，从而使驻极体组件悬浮于磁铁结构上方；为了使驻极体组件稳定的悬浮与磁铁结构上方，外环磁铁和内磁铁的磁化方向需要呈现相反方向。驻极体结构和收集电极之间构成电容，当经过聚光装置处理过的太阳光照射在热解石墨片的边缘，驻极体发生转动，驻极体结构与收集电极的相对面积发生变化，随之收集电极上的感应电荷反生变化，当光线持续照射时，驻极体组件将持续旋转，驻极体与收集电极的相对面积将周期性变化，进而收集到交流电压。

本发明的有益效果是：本发明采用了热解石墨衬托材料，利用热解石墨的抗磁性，磁铁结构与热解石墨片之间产生抗磁悬浮力，从而使驻极体组件悬浮于磁铁结构上方，由于驻极体组件处于悬浮状态，其旋转时受到很小的阻力；为了使驻极体组件稳定的悬浮与磁铁结构上方，外环磁铁和内磁铁的磁化方向需要呈现相反方向。驻极体结构和收集电极之间构成电容，当经过聚光装置处理过的太阳光照射在热解石墨片的边缘，驻极体发生转动，驻极体结构与收集电极的相对面积发生变化，随之收集电极上的感应电荷反生变化，当光线持续照射时，驻极体组件将持续旋转，驻极体与收集电极的相对面积将周期性变化，进而收集到交流电。该装置直接将太阳光转换成旋转运动，利用驻极体（又称为永电体）将动能转换电能，提供了一种新的太阳能转换方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1爆炸图1的结构示意图。

图2为本发明实施例1爆炸图2的结构示意图。

图3为本发明实施例1收集电极组件结构示意图。

图4为本发明实施例1驻极体组件结构示意图。

图5为本发明实施例1的装配图。

图6为实施例1去除外壳和盖板后光线作用示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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付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。

实施例1

如图1-6所示，本实施例基于一种基于太阳能的静电式能量收集器，包括底座63，底座63上设有高度调节杆62，高度调节杆62上设有聚光装置61；所述底座63上设有能量收集装置，能量收集装置置于聚光装置61下方，所述能量收集装置包括驻极体组件3和磁铁结构4，在外壳5内部设有驻极体组件3、磁铁结构4、外壳5上段设有盖板1，所述盖板1的内侧设有采集电极组件2，在盖板1上方设有聚光装置61；所述外壳5能够避免驻极体组件3受到空气流动的干扰，所述的采集电极组件2与驻极体组件3之间设有间距，二者相互不接触。所述驻极体组件3由热解石墨片、绝缘层、驻极体层和保护电极自下而上层叠结合而成，所述的热解石墨片、绝缘层、驻极体层均呈圆形，绝缘层的直径小于热解石墨片的直径，驻极体的直径小于或等于绝缘层的直径，其中热解石墨片的直径为12mm，绝缘层直径为6mm，驻极体层厚度为0.25μm，驻极体组件3悬浮于磁铁结构4正上方，由于驻极体组件3处于悬浮状态，其旋转时受到很小的阻力。所述磁铁结构4由钕铁硼或钐钴永磁体构成，所述磁铁结构4包括一个内磁铁和一个外环磁铁，二者均采用牌号为N52的钕铁硼磁铁，内磁铁的直径为8mm，厚度为4mm，外环磁铁的外径为19mm，内直径为8.1mm，厚度为4mm，所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反，所述热解石墨片的外径大于外环磁铁的内径、小于外环磁铁的外径，所述的聚光装置61是一个双凸透镜，太阳光经过聚光装置61形成一个光斑照射于未被绝缘层覆盖的热解石墨片边缘区域，聚焦后的光斑温度明显高于被太阳光直射的区域，被光斑照射区域的温度将升高，热解石墨片的温度不均匀分布将导致驻极体组件的旋转运动。所诉聚光装置使用常见的双凸透镜代替。由于收集电极与驻极体之间构成电容，当驻极体组件3转动时，驻极体组件3和采集电极组件2的相对面积发生改变，当光线持续照射时，驻极体组件3将持续旋转，驻极体与收集电极的相对面积将周期性变化，从而引起收集电极上的往复电荷的变化，通过能源管理电路的作用将太阳能转换为电能。

本实施例驻极体组件3由热解石墨片、绝缘层、驻极体层和保护电极自下而上复合而成，热解石墨片的直径为12mm，厚度为25μm，以Si作为基底承载驻极体层，SiO₂作为驻极体层材料，SiO₂具有极高的电荷密度，而且通过Si的氧化过程，就能产生SiO₂，加工简单。在SiO₂层表面设有保护电极，其材质为金属铝。由于每层材料都很薄μm级，我们采用MEMS加工技术逐层加工。在驻极体表面上设置2个均匀分布的扇形保护电极，每个保护电极的圆心角为90°，然后利用电晕的方法对驻极体进行附电，相应的，在收集电极组件上设置4个有同样形状的收集电极，采集电极材料可以选用铝、铜和银等导电金属材料。所述的收集电极连接至特制的能量管理电路。

所述磁铁结构4由外环磁体和圆柱磁铁嵌套而成，这样的磁铁结构4所形成的磁场呈现环形分布，在高度相同，半径相同的区域上，磁场强度大小相同，这样就能减小磁阻尼对热解石墨旋转的阻碍作用，有利于提高能量采集器的效率。另外，为了增强磁场强度大小，提高驻极体组件的悬浮高度，使用5个组合后的磁铁结构叠加在一起。

作为优选的，本实施例在盖板1上设置多个散热孔，这样可以使外壳内部的温度不至于太高，从而保护磁铁结构4、驻极体组件3以及采集电极组件2等相关部件。

实施例2

本实施例基于一种基于太阳能的静电式能量收集器，包括外壳5，在外壳5内部设有驻极体组件3、磁铁结构4、外壳5上端设有盖板1，所述盖板的内侧设有采集电极组件2，在盖板5上方设有聚光装置61；所述外壳5能够避免驻极体组件3受到空气流动的干扰，所述的采集电极组件2与驻极体组件3之间设有间距，二者相互不接触。所述驻极体组件3由热解石墨片、绝缘层、驻极体层和保护电极自下而上层叠结合而成，所述的热解石墨片、绝缘层、驻极体层均呈圆形，绝缘层的直径小于热解石墨片的直径，驻极体的直径小于或等于绝缘层的直径，其中热解石墨片的直径为12mm，绝缘层直径为6mm，驻极体层厚度为0.25μm，驻极体组件悬浮于磁铁结构正上方，由于驻极体组件处于悬浮状态，其旋转时受到很小的阻力。所述磁铁结构4由钕铁硼或钐钴永磁体构成，所述磁铁结构4包括一个内磁铁和一个外环磁铁，二者均采用牌号为N52的钕铁硼磁铁，内磁铁的直径为8mm，厚度为4mm，外环磁铁的外径为19mm，内直径为8.1mm，厚度为4mm，所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反，所述热解石墨片的外径大于外环磁铁的内径、小于外环磁铁的外径，所述的聚光装置61是一个双凸透镜，太阳光经过聚光装置61形成一个光斑照射于未被绝缘层覆盖的热解石墨片边缘区域，聚焦后的光斑温度明显高于被太阳光直射的区域，被光斑照射区域的温度将升高，热解石墨片的温度不均匀分布将导致驻极体组件的旋转运动。所诉聚光装置61使用常见的双凸透镜代替。由于收集电极与驻极体之间构成电容，当驻极体组件转动时，驻极体和收集电极的相对面积发生改变，当光线持续照射时，驻极体组件将持续旋转，驻极体与收集电极的相对面积将周期性变化，从而引起收集电极上的往复电荷的变化，通过能源管理电路的作用将太阳能转换为电能。

本实施例驻极体组件由热解石墨片、绝缘层、驻极体层和保护电极自下而上复合而成，热解石墨片的直径为12mm，厚度为25μm，以Si作为基底承载驻极体层，SiO₂作为驻极体层材料，SiO₂具有极高的电荷密度，而且通过Si的氧化过程，就能产生SiO₂，加工简单。在SiO₂层表面设有保护电极，其材质为金属铝。由于每层材料都很薄μm级，我们采用MEMS加工技术逐层加工。在驻极体表面上设置4个均匀分布的扇形保护电极，每个保护电极的圆心角为45°，然后利用电晕的方法对驻极体进行附电，相应的，在收集电极组件上设置8个有同样形状的收集电极。，采集电极材料可以选用铝、铜和银等导电金属材料。所述的收集电极连接至特制的能量管理电路。

其余结构同实施例1。

实施例3

本实施例基于一种基于太阳能的静电式能量收集器，驻极体组件由热解石墨片、绝缘层、驻极体层自下而上层叠结合而成，热解石墨片的直径为12mm，厚度为25μm，以Si作为基底承载驻极体层，SiO₂作为驻极体层材料，SiO₂具有极高的电荷密度和长时间的稳定性，而且通过Si的氧化过程，就能产生SiO₂，加工简单。由于每层材料都很薄μm级，我们采用MEMS加工技术逐层加工。在驻极体表面上设置2个均匀分布的驻极体结构，每个驻极体结构的圆心角为90°，然后利用电晕的方法对驻极体进行附电，相应的，在收集电极组件上设置4个有同样形状的收集电极，采集电极材料可以选用铝、铜和银等导电金属材料。所述的收集电极连接至特制的能量管理电路。

其余结构同实施例1。

实施例4

本实施例驻极体组件由热解石墨片、绝缘层、驻极体层自下而上复合而成，以Si作为基底承载驻极体层，Teflon作为驻极体层材料，Teflon中的电荷密度能够保持几百年，通过使用热极化的方法对Teflon层进行极化附电。由于每层材料都很薄μm级，我们采用MEMS加工技术逐层加工。在驻极体表面上设置4个均匀分布的驻极体结构，每个驻极体结构的圆心角为45°，相应的，在收集电极组件上设置8个有同样形状的收集电极，采集电极材料可以选用铝、铜和银等导电金属材料。所述的收集电极连接至特制的能量管理电路。

其余结构同实施例1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：包括底座（63），底座（63）上设有高度调节杆（62），高度调节杆（62）上设有聚光装置（61）；所述底座（63）上设有能量收集装置，能量收集装置置于聚光装置（61）下方，所述能量收集装置包括驻极体组件（3）和磁铁结构（4），所述磁铁结构（4）外设有外壳（5），驻极体组件（3）悬浮置于磁铁结构（4）上方，所述磁铁结构（4）上方还设有盖板（1），盖板（1）的下侧面上设有采集电极组件（2）；采集电极组件（2）包括至少两个采集电极，采集电极组件（2）与驻极体组件（3）之间设有间距。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述驻极体组件（3）由热解石墨片、绝缘层、驻极体层和保护电极自下而上层叠结合制成。

3.根据权利要求2所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述的热解石墨片、绝缘层和驻极体层均呈圆形，保护电极为扇形或条形，绝缘层的直径小于热解石墨片的直径，驻极体层的直径小于或等于绝缘层的直径。

4.根据权利要求2所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述热解石墨片呈圆盘形，驻极体层呈扇形、条形，驻极体呈环形分布于绝缘层上。

5.根据权利要求2所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述磁铁结构（4）由钕铁硼或钐钴永磁体制成，所述的磁铁结构（4）包括一个内磁铁和一个外环磁铁，所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向、且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反。

6.根据权利要求5所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述驻极体组件（3）悬浮于磁铁结构（4）正上方，所述热解石墨片的外径大于外环磁铁的内径、且小于外环磁铁的外径。

7.根据权利要求1所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述聚光装置（61）为双凸透镜。

8.根据权利要求1所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述采集电极组件（2）由4个呈扇形或条形的采集电极构成，采集电极组件（2）整体为圆形。

9.根据权利要求2所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述保护电极为不导磁材料制成。

10.根据权利要求1所述的基于太阳能的静电式能量收集器，其特征在于：所述盖板（1）由透光材料制成，或者盖板（1）上设有透光孔。