CN113299818A - 一种“w”型可折叠薄膜柔性温差发电器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于碳纳米管宏观膜的“W”型可折叠柔性薄膜温差发电器件，包括至少两个依照设计图进行电路串联排布的柔性温差发电模组；所述柔性温差发电模组由至少两个柔性温差发电单元按照串联的方式连接并置于上下柔性可折叠绝缘基底之间；所述柔性温差发电单元包含一个柔性P型热电臂及其两端分别设有的第一导电层和第二导电层中的一层；所述柔性温差发电单元进行“W”字形折叠形成周期性柔性温差发电模组；所述热电臂材料为基于利用化学气相沉积方式制备的P型碳纳米管宏观膜的材料或其衍生材料；所述柔性薄膜温差发电模组两端设有两个与之垂直的导电层，分别为第三导电层和第四导电层；所述“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件整体两端设有两个引出导电层，分别为第一引出导电层和第二引出导电层。
Description
技术领域
本发明涉及温差发电技术领域，尤其涉及一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件。
背景技术
第二次工业革命之后，随着蒸汽机、发电机和内燃机等能源转化设备的迅速兴起及大量使用，石油、煤炭和天然气等不可再生能源被大量开采使用以满足人类的生产和生活所需，导致能源短缺问题日益严重。同时化石燃料的消耗也带来了诸多“并发症”，比如雾霾、臭氧空洞、全球气候变暖和空气污染等。
为寻求出路，从二十世纪下半叶开始，各国开始将目光聚焦到风能、太阳能和潮汐能等清洁能源上。然而这些能源方式只能对品位较高、空间上聚集量较大的能源进行收集利用。
另一方面，在人们的日常生产生活中，会产生的大量的较低品位的热能，其特点是总能量大但是分布广泛且比表面积（或比体积）能量低，该能量难以被集中高效利用故而一直以废热的形式直接排放入大气中。
热电器件被认为是将这些将低品位废热加以收集利用且直接转化为电能的极佳选择，其零碳排放、零光污染噪音零声污染等优点使其具有极佳的环保特性。
在热电材料及器件的研究进程中，体系被发掘较早且运用较为成熟的便是块体热电。然而，随着柔性电子器件在人工智能、健康监测与物联网等新兴领域的探索研究与发展，块体热电因其材料笨重、柔性极差甚至没有等缺点，显然无法与之相契合。此外，块体热电在制备过程中，材料切割、焊接和封装等过程都较为繁琐，大大限制了热电器件的发展。
而现有的柔性热电器件面临着较难大面积、批量化生产的问题，因此，上述难题的解决急需开发出热电性能优异、成分及结构稳定、柔性好且易于生产的热电器件。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于，针对现有技术中的问题设计了一种基于碳纳米管宏观膜的“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，能保证与柔性热源（温差源）有相当好的贴合性。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下。
设计一种基于碳纳米管宏观膜的“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，包括至少两个依照设计图进行电路串联排布的柔性温差发电模组、第三导电层、第四导电层、第一引出端导电层和第二引出端导电层；所述柔性温差发电模组包括至少两个柔性温差发电单元；所述柔性温差发电单元包含依次设计的由碳纳米管宏观膜制备的P型热电臂和第一导电层与第二导电层中的一层。
进一步的，所述热电臂、第一导电层、第二导电层、第三导电层、第四导电层、第一引出端导电层和第二引出端导电层均为柔性薄膜状，宽度为1mm至5cm，长度为1mm至5cm，厚度为10nm至20μm。
进一步的，所述柔性温差发电模组为至少两个柔性温差发电单元进行串联方式连接。
进一步的，所述碳纳米管宏观膜为利用化学气相沉积技术制备的以多壁碳纳米管为主要成分并包含一定量双壁、单壁碳纳米管所组装而成的碳纳米管薄膜，其载流子类型为空穴；所述连接为通过速干导电浆料依次进行粘合连接。
进一步的，所述柔性温差发电单元包含一片薄膜状热电臂以及薄膜状第一导电层与第二导电层中的一层。
进一步的，所述两片薄膜导电层由速干导电浆料自然晾干形成，并将各个薄膜热电材料进行串联方式连接。
进一步的，所述柔性温差发电模组依靠与之在空间位置上垂直的第三导电层、第四导电层进行串联的方式连接，在整体的两个自由端依靠导电浆料自然晾干形成两个引出端导电层，即第一引出端导电层和第二引出端导电层。
进一步的，所述含引出导电层的热电器件依靠速干导电浆料粘合于两片柔性绝缘可折叠纺织物基底上形成“第一柔性绝缘可折叠纺织物基底-热电层-第二柔性绝缘可折叠纺织物基底”这样的三层紧密贴合结构。
进一步的，所述三层紧密贴合结构进行一定角度的弯曲或折叠，形成“W”型热电器件。该器件可在人体可穿戴、汽车排气管、照明灯灯罩及发动机外壳等处进行废热收集和利用。
本发明的有益效果：本次申请所设计的一种种基于碳纳米管宏观膜的“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件体积小、质量轻、使用稳定安全，没有类似热机的机械损耗件；相较于本领域其他同类型材料，该材料在热电性能上有明显的提升，其塞贝克系数S可达54μV/K，电导率σ可达300S/cm，如图3所示，选择的两个同领域柔性热电材料对比例塞贝克系数S仅为20至30μV/K，电导率σ仅为70 S/cm以下，而对于柔性热电，衡量其主要热电性能所用的功率因子PF这一参数的计算公式为S2*σ，故而相较于同领域其它材料而言，本次设计的热电材料的功率因子PF有四个数量级的提升（数据来源于两篇文献：[1]Meng C, Liu C,Fan S. A promising approach to enhanced thermoelectric properties usingcarbon nanotube networks[J]. Advanced Materials, 2010, 22(4): 535-539.[2]Chatterjee K, Mitra M, Kargupta K, et al. Synthesis, characterization andenhanced thermoelectric performance of structurally ordered cable-like novelpolyaniline–bismuth telluride nanocomposite[J]. Nanotechnology, 2013, 24(21):215703）；相较于本领域其他同类型材料器件，该器件质量轻，器件面密度仅为0.4 mg/cm-2，而普通打印用的A4纸约为7 mg/cm-2，这意味着，该器件整体非常轻，众所周知，在诸如航天航空领域，平均每增加一克重量都有可能需要巨大的金钱付出，而利用这一器件在诸如卫星、火星探测器等物件上进行热发电，既能使得在此类恶劣环境中机器能够有电量供应，其质量轻的优势也能在该器件的升空发射及运行等阶段大大降低其费用；同时，该器件不仅质量轻，而且能达到结构柔，可进行360度任意弯曲折叠，在一万次折叠伸展的循环试验中，该件器件电阻变化率在低于1%，而本领域同类器件由于其制备方式、材料选择及器件设计的各方面限制，其器件的可折叠性能不高甚至几乎没有，其折叠伸展的循环稳定性与本次设计的器件完全没有可比性；该器件又轻又柔的性质，大大扩展了其应用领域和使用场景，例如在智能可穿戴领域，该器件可将诸如体表等区域散发在空气中的大量低品位废热进行收集利用并对诸如蓝牙耳机、智能手环等可穿戴产品进行可持续能源供应；该器件使用过程中没有任何噪音污染，亦没有光污染，且为“0碳排放”器件，使用过程绿色环保；该器件由于具有相当优异的柔性，可以与不同几何形状的热源（或温差源）紧密结合，极大提升了能源收集效率，同时，当应用在衣物等可穿戴方面时，其与体表贴合性好，穿戴舒适感佳；该器件可自由折叠收起或展开，存放方便，搬运便捷。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明与第一柔性绝缘可折叠纺织物基底、第二柔性绝缘可折叠纺织物基底进行三层装配应用的截面图。
图3为本发明所使用的P型碳纳米管宏观膜材料的热电性能与同领域其它同类材料的热电性能对比图。
图4为本发明进行折叠伸展循环一万次试验的电阻变化图。
附图中，1为第一柔性绝缘可折叠纺织物基底，2为一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，3为第二柔性绝缘可折叠纺织物基底，4为第一引出端导电层，5为第一导电层，6为第二导电层，7为薄膜状热电臂，8为第三导电层，9为两个相邻柔性温差发电模组间的空隙，10为柔性温差发电模组，11为所沿着折叠的折叠线，12为柔性温差发电单元，13为第四导电层，14为第二引出端导电层。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明进行进一步阐述。可以理解，本处阐述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不限定本发明。在以下实施方式里，一些细节的描述是为了让本申请更好地被理解。而本领域的技术人员可以清晰的认识到部分特征在特定情况下是可以通过同类的元件、材料或方法进行替换的。本次阐述一些相关操作并未作过多说明，以避免本申请的核心部分被忽略而造成喧宾夺主的后果，而对于本领域技术人员而言，可以依据本说明书的阐述即可完整了解相关操作。
本文中所编的序号仅用于区分所描述的对象，不具有任何技术含义。
本文所述的柔性薄膜状热电臂7，采用化学气相沉积技术制备的碳纳米管宏观膜，其主要成分为多壁碳纳米管，并同时含有一定量双壁碳纳米管和单壁碳纳米管其厚度为0.1μm至100μm之间。
本申请所述用于制备第一导电层5、第二导电层6、第三导电层8、第四导电层13、第一引出端导电层4和第二引出端导电层14的速干导电浆料为导电银浆、导电铜浆、石墨烯浆料、导电碳管浆料中的一种或多种组合。
本申请所述用于制备第一柔性绝缘可折叠纺织物基底1和第二柔性绝缘可折叠纺织物基底3的柔性纺织布料为棉布、亚麻布、涤纶、氨纶、蚕丝布等各类材料中的一种或多种组合，厚度为0.1μm至100μm之间。
结合图2所示，第一柔性绝缘可折叠纺织物基底1和第一柔性绝缘可折叠纺织物基底3将一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件2夹在中间且进行紧密贴合。其中的弯折角α、β、γ、δ、ε、θ等具体角度值可为0°至360°间的任意值，且其值无需保证两两相等或多个相等。
图1所示为一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件的主视图，当器件某一面为热源（或冷源）时，在器件的两面间形成一个温差场，当将器件沿着折叠线11进行“W”折叠时，该温差场便在每片热电臂7上沿电流方向（及串联方向）自然形成，此时，因着热电材料的塞贝克效应，每片热电臂7均产生一个电压，本次设计中，热电臂通过第一导电层5、第二导电层6、第三导电层8和第四导电层13串联，这使得热电臂产生的电压进行了叠加，通过第一引出端导电层4和第二引出端导电层14对外界进行电能输出，所述第一引出端导电层4和第二引出端导电层14一个呈现为正极，一个呈现为负极。
柔性薄膜状热电臂7与第一导电层5、第二导电层6交替连接组成电串联、热并联的热电单元12，至少两个热电单元12交替连接构成热电模块10。与热电模块空间垂直的第三导电层8和第四导电层13将至少两个热电模块串联起来形成一体。两个互相平行的热电模块10之间设有一定空间间距9，其间距值为1mm至20mm之间。
整个热电器件沿着折痕11进行“W”型折叠，并对其进行如图4所示的180度折叠伸展一万次循环试验，其电阻变化低于1%。
Claims (10)
1.一种基于碳纳米管宏观膜的“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，包括：至少两个依照设计图进行电路串联排布的柔性温差发电模组(10)、第三导电层(8)、第四导电层(13)、第一引出端导电层(4)和第二引出端导电层(14)；所述柔性温差发电模组(10)相互平行；所述柔性温差发电模组(10)一端与第三导电层(8)串联连接，另一端与第四导电层(13)串联连接，串联后组成的整体两个自由端分别与第一引出端导电层(4)和第二引出端导电层(14)相连；所述柔性温差发电模组(10)包括至少两个柔性温差发电单元(12)；所述柔性温差发电单元(12)包含依次设计的由碳纳米管宏观膜制备的P型薄膜状热电臂(7)和第一导电层(5)与第二导电层(6)中的一层。
2.根据权利要求1所述一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，所述薄膜状热电臂(7)、第一导电层(5)、第二导电层(6)、第三导电层(8)、第四导电层(13)、第一引出端导电层(4)和第二引出端导电层(14)均为柔性薄膜状，宽度为1mm至5cm，长度为1mm至5cm，厚度为10nm至20μm。
3.根据权利要求1所述一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，所述器件所有薄膜状热电臂(7)类型保持一致P型，其材料为基于利用化学气相沉积方式制备的碳纳米管宏观膜的材料或其衍生材料。
4.根据权利要求1所述一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，所述第一导电层(5)处于空间上热温度梯度的热端，连接相邻两个薄膜状热电臂(7)；所述第二导电层(6)处于空间上热温度梯度的冷端，连接相邻两个薄膜状热电臂(7)。
5.根据权利要求1所述一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，所述柔性温差发电模组(10)由第一导电层(5)、薄膜状热电臂(7)、第二导电层(6)依次串联。
6.根据权利要求1所述一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，所述第三导电层(8)与第四导电层(13)导电位置上与所述柔性温差发电模组(10)垂直。
7.根据权利要求1所述一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，所述第一导电层(5)、薄膜状热电臂(7)、第二导电层(6)、第三导电层(8)、第四导电层(13)、第一引出端导电层(4)和第二引出端导电层(14)进行相应连接时均为粘合连接。
8.根据权利要求1所述一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，所述互相平行的柔性温差发电模组之间设有空间间距，该两个相邻柔性温差发电模组间的空隙(9)间距值为1mm至20mm之间。
9.一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件的应用，其特征在于，第一柔性绝缘可折叠纺织物基底(1)和第二柔性绝缘可折叠纺织物基底(3)将一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件(2)夹在中间且进行紧密贴合，用于制备所述第一柔性绝缘可折叠纺织物基底(1)和第二柔性绝缘可折叠纺织物基底(3)的柔性纺织布料为棉布、亚麻布、涤纶、氨纶、蚕丝布等各类材料中的一种或多种组合，厚度为0.1μm至100μm之间。
10.根据权利要求9所述一种“W”型可折叠薄膜柔性温差发电器件，其特征在于，所述第一柔性绝缘可折叠纺织物基底(1)、第二柔性绝缘可折叠纺织物基底(3)厚度为1μm至20μm。
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