CN114640272A

CN114640272A - 热伏效应装置及其热电转换方法

Info

Publication number: CN114640272A
Application number: CN202210278880.3A
Authority: CN
Inventors: 王正良; 王格林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2022-06-17

Abstract

本发明涉及一种热伏效应装置及其热电转换方法，其包括惰性导体P、惰性导体N、溶液S，惰性导体P、惰性导体N均置于溶液S中，且两者之间由隔离膜绝缘相隔，惰性导体P和惰性导电体N均为电子导体，两者与溶液S均无化学反应和相变，其中惰性导体P的内电位高于惰性导体N；溶液S为离子导体，溶液S与隔离膜和容器均无化学反应，上述惰性导体P、溶液S、惰性导体N结合形成P|S|N装置。热电转换方法为：两个不同的惰性导体/溶液界面的异质结合成为惰性导体P|溶液S|惰性导体N的P‑N结，溶液中的水分子或电解质分子自发吸热时离解为正离子和负离子，正离子和负离子在上述装置P‑N结的内建电场作用下向两侧惰性导体运动形成电流和电压，实现热伏发电。

Description

热伏效应装置及其热电转换方法

技术领域

本发明涉及能量转换领域，尤其是一种将热能转换为电能的热伏效应装置及其热电转换方法。

背景技术

任何两个不同的物相接触界面都有内电位差，形成内建电场，产生接触双电层，它与电能的转换密切相关，这样的接触界面称为异质结。光伏效应是指光照使不均匀半导体，或半导体与金属接触的不同部位之间产生电位差的现象。如半导体P与半导体N接触界面形成内建电场，产生的接触双电层，这个接触界面的异质结的称为半导体P-N结，光照在半导体P-N结上，界面形成新的空穴-电子对，在P-N结内建电场的作用下，空穴由半导体N流向半导体P，电子由半导体P流向半导体N，接通电路后就形成电流，这就是光伏效应。半导体P-N结通过光伏效应将光能直接转换为电能，但至今还未公开一种有热伏效应的异质结，且由异质结构建的装置将热能直接转换为电能的方法。

发明内容

为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种热伏效应装置及其热电转换方法，使其解决现有技术缺少利用热伏效应将热能直接转换电能的技术。其目的是通过如下技术方案实现的。

一种热伏效应装置，其结构要点在于该装置包括惰性导体P、惰性导体N、隔离膜、溶液S和容器，惰性导体P与惰性导体N分别作为外接负载的电极，两者均置于溶液S中，且两者之间由隔离膜绝缘相隔，所述惰性导体P和惰性导电体N均为电子导体，且两者与溶液S均无化学反应和相变，其中惰性导体P的内电位高于惰性导体N；所述溶液S为离子导体，溶液S与隔离膜和容器均无化学反应，上述惰性导体P、溶液S、惰性导体N结合形成的装置即称之为P|S|N装置。与现有的光伏发电相比，上述装置中惰性导体P与溶液S接触界面形成P-S结，惰性导体N与溶液S接触界面形成S-N结，P-S结和S-N结合成为惰性导体P|溶液S|惰性导体N的P-N结，溶液S中的正负离子好比半导体的空穴和电子，溶液S中的水分子或电解质分子吸收热能离解成正离子和负离子，正离子和负离子在P-N结内建电场作用下向两惰性导体运动形成电流，从而把吸收的热能转换为电能，该物理现象参照半导体P-N结的光伏效应，称之为热伏效应，实现热伏发电。

所述惰性导体P为具备阴离子特性吸附，惰性导体N为具备阳离子特性吸附。

所述惰性导体P为Pt、Au、C、Ni、Ti的任意一种。通过该结构，惰性导体P的内电位高于惰性导体N。

所述惰性导体N为MoSi₂、Nb₂O₅、Nb、TiSi₂的任意一种。通过该结构，惰性导体N的内电位低于惰性导体P。

所述隔离膜为具备高离子电导和低电子电导特性。通过尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导，从而隔离膜能有效隔离电子，导通离子。

所述隔离膜为聚丙烯。

所述溶液S为NaI溶液、KS溶液、Na0H溶液的任意一种，使其容易吸收热量离解为正负离子，以利于更好地实现热伏发电。

所述容器为铝或聚四氟乙烯。通过该结构，保证容器与溶液不发生化学反应。

该热伏效应装置的热电转换方法为：所述惰性导体P与溶液S接触界面形成内建电场，此异质结称之为P-S结，惰性导体N与溶液S接触界面形成内建电场，此异质结称之为S-N结；所述溶液中的水分子或电解质分子自发吸热时离解为正离子和负离子，负离子在上述P-S结内建电场作用下向惰性导体P运动形成高电位的接触双电层，正离子在上述N-S结内建电场作用下向惰性导体N运动形成低电位的接触双电层；因惰性导体/溶液界面的两相之间没有电荷交换，接触双电层均只出现在溶液相中，使惰性电极P、惰性电极N直接显现各自接触双电层的电位，高电位的惰性电极P和低电位的惰性电极N的电位差即为所述P|S|N装置的电压，即两个异质结的热伏效应将热能转换为两个接触双电层的电场能，通过两个接触双电层的电位差释放电能。

本发明采用了非平衡态热力学中的耗散结构，即惰性导体/溶液界面的异质结，将热能自组织为电能，实现热电转换。环境是一个极大的洁净热源，利用上述转化，用于研制许多可持续的自供电电源的特殊性能的器件，如：有源双电层电容器，永久驻极体，热伏电池等，应用前景广泛。

附图说明

图1是本发明吸附同类电荷的P|S|N示意图。

图2是图1的电位示意图。

图3是本发明吸附异类电荷的P|S|N示意图。

图4是图3的电位示意图。

图5是本发明的实施例结构示意图一。

图6是本发明的实施例结构示意图二。

具体实施方式

现结合附图，对本发明作进一步描述。

该装置包括惰性导体P、惰性导体N、隔离膜、溶液S和容器，惰性导体P与惰性导体N分别作为外接负载的电极，两者均置于溶液S中，且两者之间由隔离膜绝缘相隔，惰性导体P和惰性导电体N均为电子导体，且两者与溶液S均无化学反应和相变，其中惰性导体P的内电位高于惰性导体N，溶液S为离子导体，溶液S与隔离膜和容器均无化学反应，上述惰性导体P、溶液S、惰性导体N结合形成的装置即称之为P|S|N装置。

如图1-图4所示，为该装置的工作原理示意图，用化学物理原理描述为：溶液中的水是很强的极性分子，惰性导体在水中会特性吸附水分子定向排列，在惰性导体/水界面形成水偶极子双电层，这种因非静电作用力(如：镜像力、色散力等物理作用)使同向偶极分子或同符号的离子聚集到界面区的吸附现象称为特性吸附。凡是能在导体/溶液界面发生吸附而使界面张力降低的物质，叫做表面活性物质。大多数无机阴离子是表面活性物质，并具有典型的离子吸附规律。阴离子挤掉惰性导体表面的水分子发生阴离子特性吸附。若惰性导体/溶液发生阴离子特性吸附，则由于特性吸附的阴离子与溶液中的阳离子之间的静电作用而在溶液中形成一个双电层，称为吸附双电层。依据阴离子特性吸附和阳离子特性吸附，惰性导体可分两类，惰性导体P，如：Pt、Au、C、Ni、Ti易发生阴离子特性吸附；惰性导体N，如：MoSi2、TiSi2、Nb2O5、Nb易发生阳离子特性吸附。因此，吸附同类电荷惰性导体组合的P|S|N，如：Pt|H2O|Au，如图1、图2所示，吸附异类电荷惰性导体组合的P|S|N，如：Pt|H2O|MoSi2，如图3、图4所示。

现有金属/金属、半导体/半导体，金属/半导体和溶液/溶液的接触界面都会交换电荷，接触双电层夸越两相。但唯有惰性导体/溶液接触界面没有电荷交换，溶液中的极性分子和离子在界面溶液一侧定向排列，接触双电层只出现在溶液相中，这个接触双电层实际上也就是吸附双电层，吸附双电层的电位实际成为惰性导体的表面电位，惰性导体好比是吸附双电层电容器的电极，只要惰性导体与溶液接触，P|S|N就会有电压。如图2、图4所示，P|S|N的电压U^PN就是两个吸附双电层电容的电位差。U^PN的计算公式如下：

U^PN＝U^PS-U^NS

显然，图3、图4装置比图1、图2装置可以获得更大的电压UPN。

用界面物理原理作进一步描述：因任何两个不同的物相接触都会在两相间界面产生内电位差(也称伽尔伐尼电位差)，故惰性导体P/溶液界面和惰性导体N/溶液界面的内电位差分别是-UPS和-UNS，两个固/液界面的异质结分别是P-S结和S-N结；则P|S|N合成的内电位差为-UPN，两个异质结合成为一个P-N结。P|S|N在内电位差作用下在界面形成接触双电层，这个接触双电层也就是上述的吸附双电层，只是名称不同。两个接触双电层的外电位差(也称伏打电位差)为UPS和UNS，内电位差与外电位差大小相等，高低相反，则P|S|N的外电位差为UPN。

电子功函数φ和表面状态函数G是衡量材料表面性质的两个重要物理量，其中，功函数φ大小标志着电子在金属中束缚的强弱，表面状态函数G是体系所具有的在等温等压下做非体积功的能力，惰性导体/溶液界面的自由能降低ΔG，吸附过程就得以实现。若惰性导体/溶液界面吸附的电荷量为q，则接触双电层的外电位差U^PS和U^SN的计算公式为：

U^ps＝(Δφ^ps+ΔG^ps)/q

U^SN＝(Δφ^SN+ΔG^SN)/q

则：开路时P|S|N的电压UkPN：

U_k ^PN＝(Δφ^PN+ΔG^PN)/q

因P|S|N闭路时：

Δφ＝Δφ^PS-Δφ^SN-Δφ^NP＝0

则：闭路时P|S|N的电压UoPN：

U_o ^PN＝ΔG^PN/q

所以：

U_o ^PN≤U_k ^PN

所以：P|S|N从闭路切换到开路，内电位差-Uo^PN转变为-Uk^PN，电压持续增大，这是一个物理吸附过程，是一个热能转换为电能的过程。从开路到闭路，内电位差变-UkPN转变为-UoPN，电流持续减小，这是一个物理脱附过程，是一个放电过程。P|S|N通过自发且可逆的物理吸附和脱附过程实现热能与电能的转换。长期开路状态，P|S|N的电压来自于内电位差-UkPN的作用，最大电压值不大于内电位差的值，可获得最大电压值。长期闭路时状态，P|S|N的电压来自于P-N结的内电位差-Uo^PN的作用，水分子或电解质分子吸收热能离解成正离子和负离子，向两惰性导体运动形成电流，实现热能与电能的持续转换。对此物理现象参照光伏效应称为热伏效应。

如图5、图6所示，为本发明的具体实施例结构示意图，P|S|N实施例结构包括：1、高比表面积的多孔粉体，如：C粉压在泡沫镍集电极上为惰性导体P；2、高比表面积的多孔粉体，如：MoSi2粉压在泡沫镍集电极上为惰性导体N；3、两惰性导体间的隔离膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，如：聚丙烯；4、电池隔离膜和惰性导体都浸渍溶液，如：NaI溶液、KS溶液、Na0H溶液的任意一种；5、盛装溶液的抗蚀容器，如：聚四氟乙烯。上述惰性导体P、隔离膜、惰性导体N所形成的结构为卷曲式或层叠式装入容器内，从而增大接触面积，提高热伏效应。

以上内容旨在说明本发明的技术手段，并非限制本发明的技术范围。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进或替换，亦落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种热伏效应装置，其特征在于该装置包括惰性导体P、惰性导体N、隔离膜、溶液S和容器，惰性导体P与惰性导体N分别作为外接负载的电极，两者均置于溶液S中，且两者之间由隔离膜绝缘相隔，所述惰性导体P和惰性导电体N均为电子导体，且两者与溶液S均无化学反应和相变，其中惰性导体P的内电位高于惰性导体N；所述溶液S为离子导体，溶液S与隔离膜和容器均无化学反应，上述惰性导体P、溶液S、惰性导体N结合形成的装置即称之为P|S|N装置。

2.根据权利要求1所述的热伏效应装置，其特征在于所述惰性导体P为具备阴离子特性吸附，惰性导体N为具备阳离子特性吸附。

3.根据权利要求2所述的热伏效应装置，其特征在于所述惰性导体P为Pt、Au、C、Ni、Ti的任意一种。

4.根据权利要求2所述的热伏效应装置，其特征在于所述惰性导体N为MoSi₂、Nb₂O₅、Nb、TiSi₂的任意一种。

5.根据权利要求1所述的热伏效应装置，其特征在于所述隔离膜为具备高离子电导和低电子电导特性。

6.根据权利要求5所述的热伏效应装置，其特征在于所述隔离膜为聚丙烯。

7.根据权利要求1所述的热伏效应装置，其特征在于所述溶液S为NaI溶液、KS溶液、Na0H溶液的任意一种。

8.根据权利要求1所述的热伏效应装置，其特征在于所述容器为铝或聚四氟乙烯。

9.一种如权利要求1所述的热伏效应装置的热电转换方法，其特征在于所述惰性导体P与溶液S接触界面形成内建电场，此异质结称之为P-S结，惰性导体N与溶液S接触界面形成内建电场，此异质结称之为S-N结；所述溶液中的水分子或电解质分子自发吸热离解为正离子和负离子，负离子在上述P-S结内建电场作用下向惰性导体P运动形成高电位的接触双电层，正离子在上述N-S结内建电场作用下向惰性导体N运动形成低电位的接触双电层；因惰性导体/溶液界面的两相之间无电荷交换，接触双电层只出现在溶液相中，使惰性电极P、惰性电极N直接显现各自接触双电层的电位，高电位的惰性电极P和低电位的惰性电极N的电位差即为所述P|S|N装置的电压，即两个异质结的热伏效应将热能转换为两个接触双电层的电场能，通过两个接触双电层的电位差释放电能。