CN110995059A - 一种基于新型转子结构的海上发电机 - Google Patents

一种基于新型转子结构的海上发电机 Download PDF

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陆阳华
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Abstract

本发明涉及新型绿色可再生能源获取技术领域，公开了一种基于新型转子结构的海上发电机，包括传动系统、转子、定子、电能储存设备；由传动系统收集波浪能、海洋能转化为机械能驱动转子和定子之间产生相互滑动，所述的转子具有第一种半导体层，且该第一种半导体层表面为阵列结构，在其背面设有第一电极，所述的定子具有第二种半导体层或者金属层，在该层背面设有第二电极，所述的第一种半导体层与第二种半导体层或金属层相互接触并可相对滑动，即可产生直流电能输出，储存在电能储存设备中，所述的第一种半导体层与第二种半导体层或金属层的费米能级不同。本发明的发电机可以在极限环境下稳定工作，可以做到轻质化，柔性化。

Description

一种基于新型转子结构的海上发电机
技术领域
本发明涉及一种基于新型转子结构的海上发电机及其制备方法，属于新型绿色可再生能源获取技术领域。
背景技术
电能的出现和发展推动了人类社会的发展。在电力需求日益增大和环境污染、能源危机问题日益严峻的今天，人们迫切需要寻求开发新能源的途径。众所周知，生物的演变进化离不开海洋，人类的生存和发展也与海洋息息相关。地球上的海洋面积占全球总面积的71％，海洋内部蕴藏着巨大的能源。海浪拍打时的冲击力非常大，即便在海面平静时，内部水流仍在不断涌动，开发利用波浪能是一种可行且明智的选择。波浪能具备其独特的优势,波能相比风能能量密度高；相比太阳能受环境因素影响小。而且海上发电不受环境因素的限制，在很大程度上可以减小环境污染问题带来的负面影响，并缓解能源危机，为海洋传感节点供电更是具有诸多优势。我们需要寻找一种新型、可再生的绿色能源发电器件，可以将海上的潮汐能、波浪能、海洋能等，转化为电能输出，并存储在储能设备中，为电气设备提供能量。在发电器件设计中，对能量获取、电子产生及其输运过程的分析是设计新型发电机器件的关键。
近来，我们发现半导体与半导体/金属相互滑动可以形成有效的直流发电，机械力输入破坏了耗尽层中的扩散电流与漂移电流平衡，耗尽层持续充放电，从而输出电压和电流。这为开发新型发电机装置提供了新的思路。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于新型转子结构的海上发电机及其制备方法。
本发明的基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，由转子、定子、电能储存设备三部分组成。由传动系统收集波浪能、海洋能转化为机械能，转子与定子相互滑动将机械能转化为直流电能，存储在储能设备中。转子又包括两部分，一部分为传动系统，另一部分为第一种半导体层，将其设计为分形结构，在其背面设有第一电极，正面设有一层绝缘层。定子即第二种半导体或者金属层，在其一侧设有第二电极，第一种半导体层与第二种半导体层或者金属层的光滑裸露侧相互接触并相对滑动，即可产生直流电能输出，所述的第一种半导体层以及第二种半导体/金属层所用材料的费米能级不同。
上述技术方案中，所述的第一种半导体层以及定子层均选自石墨烯、硅、砷化镓、铟镓砷、二硫化钼、黑鳞、氧化锌、锗、氮化硅、碲化镉、氮化镓、磷化铟，或者使用金属层为金、铁、钯、铜、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种。
所述的半导体转子设计为分形结构，并为树形、网格状、雪花状、同心圆等形状中的一种。
所述的绝缘层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝、氧化铪等绝缘材料中的一种，厚度不超过500nm。
所述的第一电极与第二电极均选自金、钯、银、铜、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为1-500nm。
所述的基于新型转子结构的直流发电机，可以将潮汐能、机械能、海洋能等中的一种转换为电信号。
制备上述的基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，制备过程包括如下步骤：
1)制作机械能传动设备连接转子；
2)转子表面设置第一种半导体层(4)并制备分形结构，背面制作第一电极(5)；
3)在第一种半导体层(4)正面生长一层绝缘层(6)；
4)在定子表面设置第二种半导体/金属层(2)背面制作第二电极(7)；
5)海浪带动转子转动，第一种半导体(4)绝缘层(6)与第二种半导体/金属层(2)正面形成可滑动的接触，即可产生直流电能源输出；
6)将产生的电能储存在储能设备(3)中；
7)将转子、定子、电能储存设备集成起来，利用收集的电能给电气设备供电。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明的新型海上发电机，通过采用特定的转子、定子的表面材料，及转子表面阵列结构设计，可以使得大量载流子在结区的极强内建电场的作用下反弹收集，相较于不具有阵列结构界面的相同材料发电而言，可以改善因连续大面积接触的转子和定子仅在开始接触和即将分离之时才能达到较大电能输出的缺陷，可极大的提高其电流密度，该结构不需要外部整流电路和磁力线圈就可以输出直流电，可以做到微型化，阵列设计。在极限环境下(温度，湿度，磨损)稳定工作。可以做到轻质化，柔性化，浮于海面上。
与传统的纳米发电机相比，本发明的发电机不需要使用绝缘或压电材料，不会限制电流。且不需要外加整流电流即可得到直流电，可以直接给外部电路供电，工作稳定。原理与结构上属于首创，不受位移电流的限制，具有先进性。利用机械力输入破坏了耗尽层中的漂移-扩散平衡，耗尽层的区域电荷持续充放电，从而输出电压和电流。同时采用阵列结构界面，更多载流子可以在结区的极强内建电场的作用下反弹分离，可以得到极高的电流密度；且通过进一步添加绝缘层可以提高发电电压，实现不使用外部电路直接给电子元器件供电。
附图说明
图1为基于新型发电的海上发电机的一种结构示意图；
图2为阵列结构转子的一种具体结构示意图；
图3为基于石墨烯/N型硅的发电机的I-V曲线图；
图4为基于石墨烯/N型硅的发电机的连续电流发电图；
图5为基于石墨烯/N型硅的发电机在不同湿度下的连续电流发电图；
图6为基于石墨烯/10nm氮化铝/P型硅的发电机的I-V曲线图；
图7为基于石墨烯/10nm氮化铝/P型硅新型的发电机的连续电压发电图；
图8为基于石墨烯/10nm氮化铝/P型硅新型的发电机在不同温度下的连续电压发电图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的基于新型转子结构的海上发电机，由转子(1)、定子(2)、电能储存设备(3)三部分组成。由传动系统收集波浪能、海洋能转化为机械能，转子和定子相互滑动产生电能，存储在储能设备中。转子又包括两部分，一部分为传动系统，另外一部分为第一种半导体层(4)，将其设计为阵列结构，并在其背面设有第一电极(5)，正面设有一层绝缘层(6)。定子即第二种半导体或者金属层(2)，在其一侧设有第二电极(7)，第二种半导体层或者金属层的正面与第一种半导体层的阵列结构侧相互接触并可相对滑动，即可产生直流电能输出，所述的第一种半导体层(4)以及第二种半导体/金属层(2)所用材料的费米能级不同。
本发明基于新型转子结构的海上发电机系统，与传统的纳米发电机相比，不需要使用绝缘或压电材料，不会限制电流。且不需要外加整流电流即可得到直流电，可以直接给外部电路供电，工作稳定。原理与结构上属于首创，不受位移电流的限制，具有先进性。利用机械力输入对耗尽层的结区电荷连续充放电，从而输出电压和电流。在结区的极强内建电场的作用下，可以得到极高的电流密度；且条件绝缘层可以提高发电电压，实现不使用外部电路直接给电子元器件供电。发电机可以做到微型化，阵列设计。可以在极限环境下(温度，湿度，磨损)稳定工作。可以做到轻质化，柔性化，浮于海面上。将转子结构设计为独特的阵列结构，可以有效加剧与定子的界面载流子反弹，大大提高输出电流与输出功率。
本发明中的阵列结构的制备可以采用液压、对辊热压、纳米压印技术、光刻腐蚀或者其他任意已报道的方法。
实施例1：
1)在N型掺杂的中空硅棒的外表面制作电极，材质为100nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
2)在N型掺杂的中空硅棒上的内表面不生长绝缘层；
3)制作石墨烯膜阵列结构转子；
4)海面潮汐推动石墨烯膜转子转动，与中空硅棒接触并相互移动即可得到一个基于新型转子结构的直流发电机，产生电信号；
5)将产生的电能用电能存储设备存储，给电气设备供电；
按照上述方法设计一个直径一米，长十米的封闭石墨烯/硅棒发电机组件，组件外部为中空的硅棒定子，内部为级联的石墨烯转子，石墨烯与硅表面接触，接触面积约为31.4m2。海洋波浪能通过石墨烯转子的中空部分，带动中间转子的连续转动。牵引指标新型发电机功率密度为500W/m2，发电功率是15.7kW。因此每个组件每天可以发电376.8kW.h，以100米的间隔，每平方公里海域可以铺设100个发电机组件，每公里海域一天最大就可以发电37兆W.h。
实施例2：
1)在P型掺杂的中空硅棒上的外表面制作电极，材质为200nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
2)在P型掺杂的中空硅棒上的内表面生长一层10nm的氮化铝；
3)制作石墨烯膜阵列结构转子；
4)海底波浪能推动石墨烯膜转子转动，与中空硅棒接触并相互移动即可得到一个基于新型的直流发电机，产生电信号；
5)将产生的电能用电能存储设备存储，给电气设备供电；
实施例3：
1)在P型掺杂的中空硅棒上的外表面制作电极，材质为100nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
2)在P型掺杂的中空硅棒的内表面不生长绝缘层；
3)制作石墨烯膜阵列结构转子；
4)海底波浪能推动石墨烯膜转子转动，与中空硅棒接触并相互移动即可得到一个基于新型的直流发电机，产生电信号；
5)将产生的电能用电能存储设备存储，给电气设备供电；
经大量实验研究发现，本发明的直流发电机中绝缘层的厚度最佳范围为不超过100nm，当绝缘层厚度过厚时载流子无法通过，绝缘层太薄则势垒高度增加有限。适当的绝缘层厚度可以大大提高发电机的输出电压，并且有限降低电流输出。Si材料输出电流密度高，电压相对较低。本发明的新型转子结构海上发电机可收集波浪能、海洋能等转化为机械能后通过转子与定子相互滑动直接转换为直流电能，存储在储能设备中，可为电气设备持续提供可再生、清洁的能源。

Claims (8)

1.一种基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，包括传动系统、转子(1)、定子(2)、电能储存设备(3)；由传动系统收集波浪能、海洋能转化为机械能驱动转子和定子之间产生相互滑动，所述的转子(4)具有第一种半导体层，且该第一种半导体层表面为阵列结构，在其背面设有第一电极(5)，所述的定子(2)具有第二种半导体层或者金属层，在该层背面设有第二电极(7)，所述的第一种半导体层与第二种半导体层或金属层相互接触并可相对滑动，即可产生直流电能输出，储存在电能储存设备(3)中，所述的第一种半导体层与第二种半导体层或金属层的费米能级不同。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，所述的第一种半导体层表面还设有绝缘层。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，所述的绝缘层采用二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝、氧化铪中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，所述的绝缘层厚度不超过100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，所述的阵列结构为规则排布的任意形状凸起阵列。
6.根据权利要求1所述的一种基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，所述的第一、第二种半导体层均选自石墨烯、硅、砷化镓、铟镓砷、二硫化钼、黑鳞、氧化锌、锗、氮化硅、碲化镉、氮化镓、磷化铟。
7.根据权利要求1所述的一种基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，所述的金属层为金、铁、钯、铜、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种基于新型转子结构的海上发电机，其特征在于，所述的第一电极(5)与第二电极(7)均选自金、钯、铜、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为1-500nm。
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