CN109412462A - 一种基于mteg和teng的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置 - Google Patents

一种基于mteg和teng的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置 Download PDF

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CN109412462A CN201811211347.5A CN201811211347A CN109412462A CN 109412462 A CN109412462 A CN 109412462A CN 201811211347 A CN201811211347 A CN 201811211347A CN 109412462 A CN109412462 A CN 109412462A
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Abstract

本发明提供一种基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的TENG结构耦合构成，其特征在于，顶部的MTEG结构包括微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置，在由P、N型微型热电臂构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔和底部真空腔；底部的薄膜拍打式TENG结构为横置的中空柱状结构，由拍打薄膜与中部薄铜片相连作为摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，中部薄铜片的另一端与固定在金属电极之间的作为电路负载的导电立架连接固定。本发明的真空腔可以有效地避免由环境空气和衬底上方造成的热量损失，提高冷热端结点之间的温差；同时通过流动空气加速拍打薄膜摆动提高发电效率，结构简单，实用性强。

Description

一种基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能 装置
技术领域
本发明涉及温差发电自供能技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，可应用于智能船舶传感网络、海洋能回收、海洋智能传感网络等领域。
背景技术
无线传感器网络是由大量部署在作用区域内的利用无线通讯互相连接的大量传感器节点组成的网络系统。随着传感器技术、无线通讯技术、微电子技术和嵌入式应用技术的日趋成熟，无线传感器网络迅速发展。利用无线传感器网络，可以实现对所部署区域内的物理状况、环境状况、生物信息等的监测。由于无线传感器网络可以快速部署，并且有自组织，高容错率和强隐蔽性的优点，无线传感器网络可适用于海洋探测、环境监测、船舶监测等应用场合。
目前使用的无线传感器网络主要是使用电池作为电源来工作的，由于无线传感器网络节点具有体积小、数量众多、分布范围广泛、工作环境复杂的特点，通过定期更换电池来维持传感器网络的持续工作并不现实，因此，电池的续航能力成为限制无线传感器网络节点工作寿命的主要因素。通常，需要定期更换传感器的电池，以便传感器能够维持正常工作，更换传感器电池的过程中，整个传感器需要重新拆卸连接，从而导致修理成本高、电池寿命缩短、高温和环境污染等问题。
另外，随着医学的发展，心脏起搏器、人工耳蜗以及生物传感器等植入体内的医疗设备被广泛应用于医疗领域，并逐渐开始应用于疾病的检测和预防。一般这些医疗设备也是使用电池供电的，电池的容量成为限制这些医疗设备寿命的主要因素。在电池电量用尽之后，只能通过手术的方式对设备进行更换。这种方式提高了医疗设备使用成本的同时也增加了使用风险。因此，近年来，社会各界对自供能传感器的需求不断增加。
目前，微型自供能装置的供能方式主要有太阳能发电、温差发电、摩擦纳米发电、化学能电池和燃料电池。利用化学能电池和燃料电池一次性供电电池寿命短，而利用太阳能、温差、振动能等环境能为微系统提供能量可以实现长期供电，具有功率密度不随时间的长短而发生变化的特点。利用环境中的太阳能造成的温度差以及环境中的风能，可以分别采用热电材料和摩擦纳米发电材料在不使用外部电源的情况下实现简单的能量转换结构，为微型传感器节点供电。
综上，微型温差发电装置在具有稳定温度差的环境中可以发挥显著效果，摩擦纳米发电装置在振动环境中可以发挥显著效果，而船舶在正常航行时，船舶甲板长期受到太阳照射，很容易收集太阳能为MTEG装置提供热源，而且甲板上具有较强的风能，可作为TENG结构的振动源。太阳能转换成的热能与甲板表面空气间的温度差可为MTEG装置提供充足的温度差。巨大的风能可为摩擦纳米发电装置提供充足的振动源。在此基础上，微型自供能装置底部的TENG结构中流动的空气还可以冷却MTEG结构中的冷端结点，在保持冷端结点低温环境的同时，进一步增大了热电材料冷热端的温差，提高了MTEG结构的发电效率。随着船舶工业4.0的推近，微型温差发电装置和摩擦纳米发电装置可为智能船舶上布置的微型传感器网络节点提供电能，促进无人船舶的早日实现，因此，有必要提供一种集两者优点于一体的自供能装置，推动我国海洋强国战略的进一步实施。
发明内容
根据上述提出现有传感器在更换电池时需要重新拆卸连接而导致修理成本高、电池寿命缩短、高温和环境污染等技术问题，而提供一种基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置。本发明主要采用顶部为MTEG结构，利用新型双真空腔结构以管理热流路径来获得热电材料冷热端最大温差，从而提高了温差发电效率，能量转换率高；底部为薄膜拍打式TENG结构，利用横置的中空柱状结构构成风道，其中设有可以在风力作用下上下拍打的PTFE薄膜和薄铜片作为摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压；通过TENG结构与MTEG装置互相互补，可同时利用太阳能和风能发电。
以智能船舶应用为例，利用船舶甲板的太阳能以及船舶航行过程中的风能，可通过本装置实现多种自供能的船舶传感网络，为下一代智能船舶的应用提供数据支持。并且本发明采用了一种新型双真空腔结构以优化热流路径来获得热电材料冷热端的最大温差。同时，微型自供能装置底部的TENG结构中流动的空气可以冷却MTEG结构中的冷端结点，在保持冷端结点低温环境的基础上，进一步增大了热电材料冷热端的温差，提高了MTEG结构的发电效率。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的薄膜拍打式TENG结构耦合构成，所述微型自供能装置将产生的电能输送到外部电路中为外界负载供电；其特征在于，
顶部的MTEG结构包括：微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置，其中，所述微型温差发电装置包括微型温差发电结构硅基、所述微型温差发电结构硅基底部沉积的多晶硅衬底层、沉积在所述多晶硅衬底层底部的多个成阵列排布的P型微型热电臂和N型微型热电臂，在由所述P型微型热电臂和所述N型微型热电臂构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔和底部真空腔，所述P型微型热电臂的冷端结点和所述N型微型热电臂的冷端结点与所述底部真空腔的内侧壁接触，所述底部真空腔下还设有用于散热的散热金属层；
底部的薄膜拍打式TENG结构为横置的中空柱状结构，包括：置于框架上下表面的金属电极、置于金属电极内侧的薄铜片以及在风力作用下可上下拍打的拍打薄膜，所述拍打薄膜与中部薄铜片相连作为摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，所述中部薄铜片的另一端与固定在所述金属电极之间的作为电路负载的导电立框连接固定。
上述结构中，在热电偶两端设置的顶部真空腔和底部真空腔，这两个真空腔可以有效地避免由环境空气和衬底上方造成的热量损失，以最大限度地提高冷热端结点之间的温差。底部真空腔上的散热金属层，该散热金属层起到散热作用，可加快冷端结点的散热。
进一步地，所述相变储热装置的冷端与设置在其上的太阳能吸收薄膜相连，所述相变储热装置的热端与所述微型温差发电结构硅基相连；所述相变储热装置的外侧设有一个将其包裹在内的密闭腔室；所述密闭腔室由设置在所述微型温差发电装置顶部的透光材料、所述微型温差发电结构硅基的上表面和连接所述透光材料两端的侧壁保温材料构成。
进一步地，所述密闭腔室为长方体或其它规则立方体；所述侧壁保温材料由导热率低的材料构成，如岩棉、弹性泡沫等。
进一步地，所述相变储热装置和微型温差发电结构硅基上表面之间、所述相变储热装置和所述太阳能吸收薄膜之间、所述相变储热装置内部均填充有导热材料，如导热硅胶、导热硅脂等，所述透光材料采用高透光率的材料，如树脂基透光复合材料等；所述太阳能吸收薄膜采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸收薄膜。
进一步地，每个所述P型微型热电臂和所述N型微型热电臂的上下端面均置于所述底部真空腔和所述顶部真空腔之间，其中，所述P型微型热电臂的热端结点和所述N型微型热电臂的热端结点所在的上部端面通过所述多晶硅衬底层与所述微型温差发电结构硅基相接。
进一步地，所述多晶硅衬底层作为热电层是在所述微型温差发电结构硅基底部上沉积的0.6～0.8μm厚的多晶硅形成的；分别向多晶硅中注入180keV和80keV能量获得N型和P型的微型热电臂；通过分别蚀刻硅基和无掺杂硅晶体形成顶部和底部真空腔，所述顶部真空腔的内侧壁通过2.8～3.2μm厚的低应力纯净硅酸盐晶体层密封；在冷端结点上设有0.8～1.2μm厚的氧化物作为绝缘层，其作用是使冷端结点绝缘的同时更容易被周围的空气冷却；所述散热金属层作为散热层是由0.6～0.8μm厚的铝沉积而成。
进一步地，所述MTEG结构的外侧还设有外围腔，用于防止所述微型温差发电结构硅基向相邻近的MTEG结构的冷端结点传递热量。
进一步地，所述框架采用PCB、金属、塑料或硅材质构成中空柱状结构。
进一步地，所述金属电极包括上电极和下电极，所述微型自供能装置通过分别设置在所述上电极和所述下电极上的上电极焊盘和下电极焊盘将由所述上电极和所述下电极收集的电能输送到外部电路中为外界负载供电。
较现有技术相比，每个微型热电臂都嵌入在底部真空腔和顶部真空腔之间。底部真空腔可避免热端结点被空气对流冷却。相反，冷端结点通过与散热金属层层贴合进行散热。底部真空腔和顶部真空腔都采用高真空度密封，其作用是减少经由空气传导和对流造成的热损失。通过这样的设计，平面热电偶在竖直方向上可获得较高的温度差。此外，散热金属层与TENG结构中风道顶部的上电极接触，风道中流动的空气可加强冷端结点与周围空气的换热，在保持MTEG结构冷端结点低温环境的基础上，进一步增大了热电材料冷热端的温差，提高了MTEG结构的发电效率。
在装置底部的TENG结构中，拍打薄膜由PTFE薄膜制成，其通过中部薄铜片与导电立框相连进而与上、下电极相连，上、下电极及顶部、底部薄铜片通过亚克力板固定与框架一同构成用于空气流通的风道，在风力的作用下，置于框架中部的PTFE薄膜上下摆动。PTFE薄膜与顶部、底部薄铜片相互接触时，会在两个接触表面形成符号相反的表面电荷。当这两个表面由于外力作用而发生分离时，中间会形成一个小的空气间隙，并在PTFE薄膜和顶部、底部薄铜片之间形成感应电势差。由于PTFE薄膜与薄铜片之间通过具有一定负载的导电框架连接在一起，电子会通过导电框架从PTFE薄膜流向薄铜片，形成一个反向的电势差来平衡静电场。当两个摩擦层中间的空气间隙闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。
本发明相对于传统微型自供能装置具有以下特点：
1、在MTEG结构的冷端贴合了薄膜金属散热层，该金属层与TENG结构中的上电极接触。TENG结构风道中的流动空气可以在保持MTEG结构冷端结点处于低温环境的基础上，加速MTEG结构冷端结点的散热，进一步扩大MTEG结构热电材料冷热端的温差，提高了MTEG结构的发电效率。
2、本发明通过顶部真空腔和底部真空腔来优化热流路径并使热电偶的两个结点之间的温差最大化。
3、在MTEG结构周围区域设置了外围腔，其作用是防止MTEG结构的硅基向邻近MTEG结构的冷端结点传递热量，保持冷端结点处于低温环境。
4、本发明的复合结构将MTEG和薄膜拍打式TENG有机结合，利用TENG风道中的流动空气加速MTEG中冷结点与空气之间的换热，提高了MTEG结构的发电效率，实现了可同时利用太阳能和风能发电的微型自供能装置。
综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中更换电池过程中产生的诸多弊端，通过温差发电、风能和机械振动产生电能供给外部设备用电，大大提高了供电的续航能力，具有结构简单，制作成本低，实用性强等优点，基于上述理由本发明可广泛应用于智能船舶、海洋智能传感网络、海洋能回收等多个领域。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于MTEG和薄膜拍打式TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置的结构示意图。
图2为本发明基于MTEG和薄膜拍打式TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置顶部的温差发电装置真空腔的结构示意图。
图3为本发明基于MTEG和薄膜拍打式TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置的热电偶排列示意图。
图中：1、透光材料；2、太阳能吸收薄膜；3、相变储热装置；4、微型温差发电结构硅基；5、顶部真空腔；6、多晶硅衬底层；7、P型微型热电臂；8、N型微型热电臂；9、上电极；10、顶部薄铜片；11、框架；12、底部薄铜片；13、下电极；14、侧壁保温材料；15、冷端结点；16、热端结点；17、底部真空腔；18、散热金属层；19、刚性连接架；20、中部薄铜片；21、导电立框；22、拍打薄膜。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于微型温差发电(Micro TheromoelectricGenerator，MTEG)和薄膜拍打式摩擦纳米发电(TENG)的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的薄膜拍打式TENG结构耦合构成，所述微型自供能装置将产生的电能输送到外部电路中为外界负载供电。以应用于船舶传感网络为例，通过刚性连接架19连接微型温差发电结构和薄膜拍打式摩擦纳米发电结构，使之构成刚性结构并利用固定螺栓将摩擦纳米发电结构与船舷两侧连接。摩擦纳米发电结构收集甲板上方的风能发电。同时MTEG结构的太阳能吸热薄膜2收集太阳能并将其转化为热能，储存在相变储能装置3中，相变储能装置3作为MTEG结构的热源，使MTEG结构产生电能。上、下两部分结构产生的电能通过导线引出部分向外输送并为微型传感器网络节点供电。
顶部的MTEG结构包括：微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置3，其中，所述微型温差发电装置包括微型温差发电结构硅基4、所述微型温差发电结构硅基4底部沉积的多晶硅衬底层6、沉积在所述多晶硅衬底层6底部的多个成阵列排布的P型微型热电臂7和N型微型热电臂8，在由所述P型微型热电臂7和所述N型微型热电臂8构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔5和底部真空腔17，所述P型微型热电臂7的冷端结点和所述N型微型热电臂8的冷端结点与所述底部真空腔17的内侧壁接触，所述底部真空腔18下还设有用于散热的散热金属层18；所述MTEG结构的外侧还设有外围腔(图中未示出)，用于防止所述微型温差发电结构硅基4向相邻近的MTEG结构的冷端结点传递热量。
所述相变储热装置3的冷端与设置在其上的太阳能吸收薄膜2相连，所述相变储热装置3的热端与所述微型温差发电结构硅基4相连；所述相变储热装置3的外侧设有一个将其包裹在内的密闭腔室；所述密闭腔室由设置在所述微型温差发电装置顶部的透光材料1、所述微型温差发电结构硅基4的上表面和连接所述透光材料1两端的侧壁保温材料14构成。所述密闭腔室为长方体或其它规则立方体；所述侧壁保温材料15由导热率低的材料构成。
在本发明的基于MTEG和薄膜拍打式TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置中，太阳能吸热薄膜2收集太阳能并将其转换为热能储存到相变储热单元3中，作为微型温差发电结构的热源，散热金属层18侧作为热沉层与周围空气相接触。微型热电偶利用冷端结点15、热端结点16之间的温差产生电能，产生的电能通过导线引出部分向外输送并为微型传感器网络节点供电。
考虑到薄膜技术热电材料厚度的要求，本发明将薄膜热电偶设置在多晶硅衬底层6的下表面。多晶硅衬底层6作为热电结构的基本支撑体，具有特定的宽度W1、长度L1和厚度T1。
由于热量从装置的顶部向底部传递，为了在微型热电偶的冷端结点15、热端结点16之间获得较大的温差，需要引导热流，使热流沿微型热电偶的纵向流动，减少热量损失。相较于现有技术，本发明增强了MTEG结构底部的绝热能力，避免环境空气冷却热端结点16。本发明所提出的微型自供能装置中，引入顶部真空腔5和底部真空腔17来优化热流路径，减少热量损失。
所述相变储热装置3和微型温差发电结构硅基4上表面之间、所述相变储热装置3和所述太阳能吸收薄膜2之间、所述相变储热装置3内部均填充有导热硅胶、导热硅脂等导热材料，所述透光材料1采用树脂基透光复合材料高透光率的材料；所述太阳能吸收薄膜2采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸收薄膜。
每个所述P型微型热电臂7和所述N型微型热电臂8的上下端面均置于所述底部真空腔18和所述顶部真空腔5之间，其中，所述P型微型热电臂7的热端结点和所述N型微型热电臂8的热端结点所在的上部端面通过所述多晶硅衬底层6与所述微型温差发电结构硅基4相接。底部真空腔17可有效避免热端结点16被空气对流冷却。相反，冷端结点15通过散热金属层进行散热。顶部真空腔5和底部真空腔18都采用高真空度密封，其作用是减少经由于空气传导和对流造成的热损失。通过这样的设计，平面热电偶在竖直方向上可获得较大的温度差。此外，散热金属层18覆盖在MTEG结构底部真空腔的下表面，作为散热层，使装置能够有效地将热量从冷端释放到周围空气中。此外，散热金属层18与TENG结构中风道顶部的上电极9接触，风道中流动的空气可加强冷端结点15与周围空气的换热，进而扩大MTEG结构热电材料冷热端结点之间的温差，提高MTEG结构的发电效率。
由于多晶硅衬底层6具有较高的热导率，对于位于装置边缘的热电偶，多晶硅衬底层6的温度高于冷端结点15的温度，这将导致多晶硅衬底层6的一小部分热传递给位于装置边缘的冷端结点15。微型热电偶的冷端结点15温度升高，热端结点16和冷端结点15之间的温度差将减小，降低发电效率。
在发明的基于MTEG和薄膜拍打式TENG的多能互补的微型自供能装置中，周围的空腔(图中未示出)在微型自供能装置微型温差发电结构边缘，以阻止热量由热源经由多晶硅衬底传到冷端结点，从而避免位于MTEG结构边缘的微型热电偶性能受到周围多晶硅衬底6的热量的影响。
本发明微型温差发电装置通过如下方法制得：
首先，用低压化学气相沉积法在所述微型温差发电结构硅基4上沉积0.6～0.8μm厚的多晶硅衬底层6作为热电层。然后，对多晶硅衬底层6进行干法刻蚀，获得热电臂图形。再向聚硅层用不同的能量分别注入磷和硼以生成N型微型热电臂8和P型微型热电臂7。
沉积铝层将P型和N型热电臂串联。为了优化传感器网络微型自供能装置内的热通量方向，创建底部和顶部真空腔。通过SF6和C4F8气体，利用深度反应离子刻蚀方法在所述微型温差发电结构硅基4上刻蚀深度为14～16μm的凹槽，然后用SF6对凹槽内部进行各向同性刻蚀，以除去凹槽之间的硅并产生顶部真空腔5。然后，用2.8～3.2μm厚的低应力纯净硅酸盐晶体密封顶部真空腔5。
为了获得底部真空腔17，将图案化的纯净硅晶体作为牺牲层，并在牺牲层上覆盖纳米级的等离子化学气象沉积的Si3N4和非晶硅。通过氮化物和非晶硅层刻蚀出宽度为0.8～1.2μm，长度为2.8～3.2μm的小刻蚀孔。此后，将硅晶体在缓冲氧化物蚀刻剂中浸泡20分钟，通过蚀刻孔去除牺牲层。最终，牺牲孔在用低应力纯硅晶体密封。为了使冷端结点15更容易被周围的空气冷却，在冷端结点16上保留0.8～1.2μm厚的氧化物作为绝缘层。最后，将0.6～0.8μm厚的铝沉积到装置表面作为散热层。
底部的薄膜拍打式TENG结构为横置的中空柱状结构，包括：置于框架11上下表面的金属电极、置于金属电极内侧的薄铜片以及在风力作用下可上下拍打的拍打薄膜22，所述拍打薄膜22与中部薄铜片20相连作为摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，所述中部薄铜片20的另一端与固定在所述金属电极之间的作为电路负载的导电立框21连接固定。所述金属电极包括上电极9和下电极13，所述微型自供能装置通过分别设置在所述上电极9和所述下电极13上的上电极焊盘和下电极焊盘将由所述上电极9和所述下电极13收集的电能输送到外部电路中为外界负载供电。
所述薄铜片包括与上电极9相固定的顶部薄铜片10，与下电极13相固定的底部薄铜片12和与拍打薄膜22相连接的中部薄铜片20。拍打薄膜22采用聚四氟乙烯(PTFE)制成。
在底部的TENG结构中，PTFE拍打薄膜22在风力的作用下上下摆动构成薄膜拍打式结构。在该结构中，采用亚克力板作为中空柱状结构的壁面材料，即用亚克力板将金属电极与薄铜片固定在框架11上；其中，框架11采用PCB、金属、塑料、硅等材料构成中空柱状结构的基本框架。框架11与壁面共同构成气流通路。
在TENG结构中，拍打薄膜22通过中部薄铜片20与导电立框21相连从而与上下表面的金属电极相连，导电立框21与亚克力板构成了空气流通的风道(图1中所示导电立框21位于框架的一侧，用于支撑上电极9和下电极13，构成导电通路)，在风力的作用下，PTFE拍打薄膜22上下摆动。当PTFE拍打薄膜22与中部薄铜片20相互接触时，会在PTFE薄膜表面形成带负电性的表面电荷，在顶部薄铜片10或底部薄铜片12表面产生带正电的电荷。当这PTFE拍打薄膜22与顶部薄铜片10或底部薄铜片12的表面在风力作用而发生分离时，PTFE拍打薄膜22与顶部薄铜片10或底部薄铜片12中间会形成一个小的空气间隙，并在PTFE薄膜和薄铜片之间形成感应电势差。由于PTFE薄膜与薄铜片之间通过具有一定负载的导电立框21连接在一起，电子会通过导电框架21从PTFE薄膜流向薄铜片，形成一个反向的电势差来平衡静电场。当两个摩擦层中间的空气间隙闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。电子在作为电极的中部薄铜片20与顶部薄铜片10或底部薄铜片12之间的移动产生电流。所产生的电流通过上电极9和下电极13连接到外部电路，为外界负载供电。
拍打薄膜22的作用是在风力的作用下上下摆动，与顶部薄铜片10或底部薄铜片12接触，由于接触起电作用在薄铜片和拍打薄膜表面产生正负电荷，从而形成电势差。
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)

1.一种基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，由顶部的MTEG结构和底部的薄膜拍打式TENG结构耦合构成，所述微型自供能装置将产生的电能输送到外部电路中为外界负载供电；其特征在于，
顶部的MTEG结构包括：微型温差发电装置和设置在所述微型温差发电装置上部的相变储热装置(3)，其中，所述微型温差发电装置包括微型温差发电结构硅基(4)、所述微型温差发电结构硅基(4)底部沉积的多晶硅衬底层(6)、沉积在所述多晶硅衬底层(6)底部的多个成阵列排布的P型微型热电臂(7)和N型微型热电臂(8)，在由所述P型微型热电臂(7)和所述N型微型热电臂(8)构成的热电偶两端分别设有顶部真空腔(5)和底部真空腔(17)，所述P型微型热电臂(7)的冷端结点和所述N型微型热电臂(8)的冷端结点与所述底部真空腔(17)的内侧壁接触，所述底部真空腔(18)下还设有用于散热的散热金属层(18)；
底部的薄膜拍打式TENG结构为横置的中空柱状结构，包括：置于框架(11)上下表面的金属电极、置于金属电极内侧的薄铜片以及在风力作用下可上下拍打的拍打薄膜(22)，所述拍打薄膜(22)与中部薄铜片(20)相连作为摩擦纳米发电结构的介电薄膜产生电压，所述中部薄铜片(20)的另一端与固定在所述金属电极之间的作为电路负载的导电立框(21)连接固定。
2.根据权利要求1所述的基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述相变储热装置(3)的冷端与设置在其上的太阳能吸收薄膜(2)相连，所述相变储热装置(3)的热端与所述微型温差发电结构硅基(4)相连；所述相变储热装置(3)的外侧设有一个将其包裹在内的密闭腔室；所述密闭腔室由设置在所述微型温差发电装置顶部的透光材料(1)、所述微型温差发电结构硅基(4)的上表面和连接所述透光材料(1)两端的侧壁保温材料(14)构成。
3.根据权利要求2所述的基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述密闭腔室为长方体或其它规则立方体；所述侧壁保温材料(15)由导热率低的材料构成。
4.根据权利要求2所述的基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述相变储热装置(3)和微型温差发电结构硅基(4)上表面之间、所述相变储热装置(3)和所述太阳能吸收薄膜(2)之间、所述相变储热装置(3)内部均填充有导热材料，所述透光材料(1)采用高透光率的材料；所述太阳能吸收薄膜(2)采用基体与金属-电介质复合涂层、光干涉型涂层相结合的薄膜或其它太阳光吸收率高、发射率低的太阳能吸收薄膜。
5.根据权利要求1所述的基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，每个所述P型微型热电臂(7)和所述N型微型热电臂(8)的上下端面均置于所述底部真空腔(18)和所述顶部真空腔(5)之间，其中，所述P型微型热电臂(7)的热端结点和所述N型微型热电臂(8)的热端结点所在的上部端面通过所述多晶硅衬底层(6)与所述微型温差发电结构硅基(4)相接。
6.根据权利要求5所述的基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述多晶硅衬底层(6)作为热电层是在所述微型温差发电结构硅基(4)底部上沉积的0.6～0.8μm厚的多晶硅形成的；所述顶部真空腔(5)的内侧壁通过2.8～3.2μm厚的低应力纯净硅酸盐晶体层密封；在冷端结点上设有0.8～1.2μm厚的氧化物作为绝缘层；所述散热金属层(18)作为散热层是由0.6～0.8μm厚的铝沉积而成。
7.根据权利要求1所述的基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述MTEG结构的外侧还设有外围腔，用于防止所述微型温差发电结构硅基(4)向相邻近的MTEG结构的冷端结点传递热量。
8.根据权利要求1所述的基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述框架(11)采用PCB、金属、塑料或硅材质构成中空柱状结构。
9.根据权利要求1所述的基于MTEG和TENG的太阳能与风能多能互补的微型自供能装置，其特征在于，所述金属电极包括上电极(9)和下电极(13)，所述微型自供能装置通过分别设置在所述上电极(9)和所述下电极(13)上的上电极焊盘和下电极焊盘将由所述上电极(9)和所述下电极(13)收集的电能输送到外部电路中为外界负载供电。
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