CN114963607A - 具备自供电能力的温变器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备自供电能力的温变器件，本器件包括将外部能量转换为电能的摩擦纳米发电机和具有电卡效应的铁电陶瓷片；利用独立设计的电路板以使摩擦纳米发电机产生的电荷积累在铁电陶瓷片的两端，利用其电卡效应实现了对保温杯的升温和降温。本发明通过摩擦纳米发电机与铁电陶瓷的电卡效应巧妙结合，实现了自驱动的固态制冷或制热功能的温变器件，其具有自供电能力，无需外加电源，且摩擦纳米发电机制作成本便宜；其利用电卡效应制冷，所占空间极小且能用于固态器件，促进自供电制冷或制热技术的应用和发展。

Description

具备自供电能力的温变器件
技术领域
本发明涉及铁电材料电卡应用领域和摩擦纳米发电机技术领域，更具体地说，本发明涉及一种具备自供电能力的温变功能器件。
背景技术
随着全球工业经济的飞速发展，能源需求日益增加，生活中的温控应用，如空调、冰箱等。目前，这些制冷制热的设备主要能耗来自发电站的集约式电能。据统计，全球火力发电的发电量占总发电量的64％，一方面不利于节能减排，另一方面不利于碳达峰和碳中和这一目标的实现。
2012年，王中林院士提出了摩擦纳米发电机，这一概念为制冷领域的电能来源提供了一种新方案。摩擦纳米发电机(TENG)可随时将环境中的高熵能源转化为电能；并且其分布式，可移动，低频转化效率高，即采即用等独特优势使得自供电器件成为了可能，为许多功能材料开辟了新的应用方向。
铁电材料如钪钽钛酸铅铁电陶瓷，是利用外加电场改变材料中电偶极子的有序度，引起熵变，吸收或释放熵变部分对应的能量，从而实现制冷或制热的一种功能材料。相较于传统制冷方法，这种固态制冷技术可以在极小空间内实现明显的温度变化，在微型电子器件中有很好的应用前景。但是，铁电材料电卡效应的应用还面临性能不稳、需大尺寸制备、电畴反转需要极高的极化场等挑战，导致目前难以投入应用。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明的另一个目的是提供一种具备自供电能力的温变器件，其通过TENG与铁电陶瓷的电卡效应巧妙结合，实现了自驱动的固态制冷或制热功能的温变器件，促进自供电制冷或制热技术的应用和发展。
本发明提供一种具备自供电能力的温变器件，包括：
摩擦纳米发电机，其用于收集外部能量转换为电能；
前端电路，其用于将所述摩擦纳米发电机的电能提升输出电压；
后端电路，其用于给一个或多个铁电陶瓷片两端电极电荷积累激发温变；
气体放电管，其用于将所述前端电路的电压泵送给所述后端电路，以使所述铁电陶瓷片两端电极电荷积累。
本发明自供电的温变器件原理为：利用风能，生物机械能，水波能等对摩擦纳米发电机产生摩擦起电和静电感应，产生输出电压和电流。摩擦纳米发电机(TENG)产生的电能首先存储在前端电路中，直到前端电路的电压提升达到气体放电管的导通电压。然后开关打开，存储在前端电路中的电荷被送到后端电路的铁电陶瓷片的两端电极上，在铁电陶瓷片中产生电场。在开关关断时，通过后端电路设置二极管的单向导电性，铁电陶瓷片上的电荷无法消散，保持原有电场。而铁电陶瓷片中的电场强度通过TENG的反复工作不断积累，在铁电陶瓷片中产生不断增大的电场，使铁电陶瓷片的电畴发生变化。铁电陶瓷片的熵随着电畴的重新排列而变化，产生热能的传递。对铁电陶瓷片施加电场，它对周围环境放热，因此可以实现加热功能。相反，当中和铁电陶瓷两侧的电荷时，电畴由于还原而恢复到无序状态电场，陶瓷材料从周围吸收热能，达到冷却功能。
优选的是，前端电路包括高压瓷片电容器和两个二极管，所述两个二极管的其中一个二极管a的阳极与所述电容器的一端连接，另一个二极管b的阴极与所述电容器的另一端连接，二极管a的阴极与二极管b的阳极连接，所述电容器的两端作为电压输出；
其中，所述摩擦纳米发电机与所述二极管a并联，所述后端电路与所述电容器并联，所述气体放电管串联在所述后端电路和所述电容器之间。
优选的是，后端电路包括n个铁电陶瓷片和n个二极管通过导线连接，n为从2开始的正偶数、或者n为从1开始的正奇数，目的是给铁电陶瓷片充电并钳制铁电陶瓷片两端的极性不变。
优选的是，当n＝2时的具体电路连接为：
第一个二极管的阳极与所述电容器的一极板和所述摩擦纳米发电机的负极共同电连接，所述电容器的另一极板与所述气体放电管的一端电连接；
第一个二极管的阴极与第一个铁电陶瓷片的一个极板电连接，第一个铁电陶瓷片的另一个极板与所述气体放电管的另一端电连接；第二个铁电陶瓷片串联第二个二极管后与第一个二极管反向并联，且第二个铁电陶瓷片位于两个二极管之间，并以此类推。
本发明自供电的温变器件原理为：利用风能，生物机械能，水波能等对摩擦纳米发电机产生摩擦起电和静电感应，产生输出电压和电流。摩擦纳米发电机(TENG)产生的电能首先存储在电容器中，直到电容器Cin的电压达到气体放电开关的导通电压。然后开关导通，存储在电容器Cin中的电荷被泵送到铁电陶瓷片的两个电极上，在铁电陶瓷片中产生电场。在开关断开时，由于二极管的单向导电性，铁电陶瓷片上的电荷难以消散，保持原有电场。而铁电陶瓷片中的电场强度通过TENG的反复工作不断积累，在铁电陶瓷片中产生不断增大的电场，使铁电陶瓷片的电畴发生变化，产生热能的传递，实现加热功能。相反，当中和铁电陶瓷两侧的电荷时，电畴由于还原而恢复到无序状态电场，陶瓷材料从周围吸收热能，达到冷却功能。
本发明还提供了一种铁电陶瓷片，其为在陶瓷片两端面设置极板构成，所述铁电陶瓷片用于上述的温变器件中，铁电陶瓷片通过如下方法制得：
根据0.1PbTiO3-0.9PbSc0.5Ta0.5O3钪钛钽酸铅的摩尔比计算二氧化钛、五氧化二钽、三氧化二钪和二氧化铅原料的用量，采用固相烧结法，将原料研磨、煅烧、再研磨，然后压制成片、将片烧结成陶瓷片；将陶瓷片以3℃/min的升温速率升温到1100℃进行退火40小时，然后将退火后的陶瓷片打磨成厚度为0.4-0.7mm薄片，薄片上下表面涂覆银浆，在500℃温度下保温30min，得到具备银电极的铁电陶瓷片。
本发明至少包括以下有益效果：
一、本发明将TENG与铁电陶瓷的电卡效应巧妙结合，通过利用环境中的分布式高熵能源，实现自驱动的固态制冷或制热功能的温变器件，为开发小型紧凑的自供电固态冷却或加热设备提供了一种新方法。它具有很大的应用前景，促进自供电制冷或制热技术的应用和发展。
二、本发明通过在制备铁电陶瓷片的过程中调控退火时间，制备了在常温区具有大电卡效应的钙钛矿结构PSTT陶瓷，其温度敏感程度高，具有更卓越的电卡性能，在本发明温变器件中应用效果显著。
三、本发明利用TENG收集环境中的分布式高熵能源，如风能，水波能、人或动物运动动能、雨滴动能等，转化电能为器件供电，解决固态制冷或制热的能源供给问题，可应用于日常生活中各个领域。为发展小型化，自供电化的制冷或者制热技术提供了新的策略和方法，为降低能耗，实现碳中和目标提供了有效途径。
四、薄片的一个底面涂满银浆，另一底面的薄片不涂满，以此制成的PSTT铁电陶瓷片避免了陶瓷片边沿漏电，有利于减少能量损耗，提高应用效果。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明实施例制备PSTT陶瓷的流程图；
图2为退火40h制备的PSTT陶瓷XRD图谱；
图3为退火40h制备PSTT陶瓷的SEM图像；
图4为本发明具备自供电能力的温变器件的电路示意图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
<制备铁电陶瓷片的实施例>
铁电陶瓷片(0.9PST-0.1PT)采用固相烧结法制备，原料是PbO2(purity≥
97％),Ta2O5(purity≥99.99％),Sc2O3(purity≥99.99％)和TiO2(purity≥99％),根据0.1PbTiO3-0.9PbSc0.5Ta0.5O3计算得原料的摩尔质量比。原料用氧化锆球并以无水乙醇为介质球磨12小时，然后放在120℃的通风烘箱烘干。所得样品粉末被压柱，然后在900℃下煅烧2小时。然后陶瓷粉末被再一次球磨12小时。将样品粉末放入30Mpa的冷等静压机中15min压片。压好的片以升温速率为3℃/min升至1250℃烧结，保温9个小时，然后随炉自然降温到室温，烧结好的样品以升温速率为3℃/min到1100℃进行退火40小时，然后将退火后的陶瓷片打磨成直径6毫米，高0.65毫米的圆形薄片，薄片上下表面涂覆银浆，然后置于温度为600℃，保温30min得到具备银电极的铁电陶瓷片，简称PSTT陶瓷。制备流程图示意图如图1所示。
图2和图3分别为上述实施例退火40h制备的PSTT陶瓷XRD图谱和SEM图像，通过XRD图谱和SEM图像所示的PSTT陶瓷晶体结构，其呈现纯钙钛矿结构。
<具备自供电能力的温变器件的实施例>
一种具备自供电能力的温变器件，包括：摩擦纳米发电机、前端电路、后端电路和气体放电管。
摩擦纳米发电机，其用于收集外部能量转换为电能；摩擦纳米发电机简称TENG，它的具体设计可以是由12.5cm*8cm的PTFE和铜电极构成，PTFE和Cu作为摩擦材料，或者市购；
前端电路，其用于将所述摩擦纳米发电机的电能提升输出电压；前端电路包括高压瓷片电容器和两个二极管，所述两个二极管的其中一个二极管a的阳极与所述电容器的一端连接，另一个二极管b的阴极与所述电容器的另一端连接，二极管a的阴极与二极管b的阳极连接，所述电容器的两端作为电压输出；如图4所示的电路示意图；其中，摩擦纳米发电机与所述二极管a并联，摩擦纳米发电机的正极与二极管a的阴极和二极管b的阳极共同连接，后端电路与前端电路的电容器并联，气体放电管的一端与电容器的一极板和和二极管b的阴极共同连接，气体放电管的另一端与后端电路连接。
后端电路，其用于给一个或多个铁电陶瓷片两端电极积累电荷激发温变；所述后端电路包括n个铁电陶瓷片和n个二极管通过导线连接，n为从2开始的正偶数、或者n为从1开始的正奇数，目的是给铁电陶瓷片充电并钳制铁电陶瓷片两端的极性不变。具体以n取正偶数为例，当n＝2时的电路连接为：二极管c的阳极与所述电容器的一极板和所述摩擦纳米发电机的负极共同电连接，所述电容器的另一极板与所述气体放电管的一端电连接；二极管c的阴极与第一个铁电陶瓷片的一个极板电连接，第一个铁电陶瓷片的另一个极板与所述气体放电管的另一端电连接；第二个铁电陶瓷片串联二极管d后与二极管c反向并联，且第二个铁电陶瓷片位于两个二极管之间，也就是如图4所示，第二个铁电陶瓷片一极板与二极管d的阴极串联后，二极管d的阳极与二极管c的阴极并接，第二个铁电陶瓷片另一极板与二极管c的阳极并接，第二个铁电陶瓷片位于二极管d和二极管c之间。以此类推增加铁电陶瓷片数量，使增加的每个铁电陶瓷片串联一个二极管，并依次与前一个二极管反向并联，以钳制铁电陶瓷片两端的极性不变。
气体放电管，其用于将所述前端电路的电荷送给所述后端电路，以使所述铁电陶瓷片两端电极电荷积累。
二极管、气体放电管、电容器Cin均可市购，试验过程中采用的气体放电管的导通电压为800V，二极管全部是1N4007，气体放电管的导通电压为800V，电容器Cin为150pF耐压值为2000V，陶瓷片厚度0.65mm。陶瓷片可市购或上述实施例制备所得。
本发明的工作原理：由图4的电路示意图所示，TENG工作时产生的能量会首先储存在Cin中，当Cin的电压达到气体放电开关的导通电压时，开关闭合，将Cin中的电荷泵送到后端的电卡两极上以产生电场；当Cin的电压没有达到气体放电开关的导通电压时，开关打开，由于二极管组成的后端电路特性，PSTT陶瓷银电极上的电荷难以消散，在一段时间内维持原有的电场。如此反复，使得PSTT两端的电荷不断积累。在电场的作用下，铁电陶瓷由于电卡性能被激发释放出能量，对周围环境放热，因此实现加热功能。相反，当中和铁电陶瓷两侧的电荷时，电畴由于还原而恢复到无序状态电场，陶瓷材料从周围吸收热能，达到冷却功能。
<对本发明具备自供电能力的温变器件的测试实验>
实验过程中用到杯口直径为2.5cm，高5cm的真空保温杯；PSTT电热阵列(n＝12的后端电路)；由12.5cm*8cm的PTFE和铜电极构成100平方厘米的TENG；高精度温度传感器；直线电机等。TENG具体为使用氟乙烯(PTFE)膜作为负极摩擦电材料，铜膜作为正极摩擦电材料制造。将厚度为80μm的铜膜切割成12.5×8cm2的长方形，粘贴在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基板表面，形成正摩擦电层。将厚度为80μm的PTFE薄膜从CHUKOH购买，同样切成12.5×8cm2的长方形，并用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基材粘在铜薄膜表面，形成负摩擦片。
PSTT电热阵列和高精度温度传感器放置在真空保温杯中，通过一台直线电机以3赫兹频率带动触分式TENG工作，产生电能。随着电荷在PSTT两端电极的积累，温度不断上升。经上述实验表明，在30倍面积以及231倍体积的条件下，我们利用PSTT铁电陶瓷实现了0.54度温变。由此可见，本发明的器件可利用TENG收集环境中的分布式高熵能源(比如风能、水波能、人或动物运动动能、雨滴动能等)，转化电能为器件供电，实现器件的铁电陶瓷双向温变，解决固态制冷或制热的能源供给问题。这一应用展现出巨大的商业前景，不仅为未来TENG的研究提供参考与借鉴，还推动TENG商业化市场化进程。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。

Claims (8)

1.具备自供电能力的温变器件，其特征在于，包括：
摩擦纳米发电机，其用于收集外部能量转换为电能；
前端电路，其用于将所述摩擦纳米发电机的电能提升输出电压；
后端电路，其用于给铁电陶瓷片两端电极电荷积累激发温变；
气体放电管，其用于将所述前端电路的电荷送给所述后端电路，以使所述铁电陶瓷片积累电荷。
2.如权利要求1所述的具备自供电能力的温变器件，其特征在于，所述前端电路包括高压瓷片电容器和两个二极管，所述两个二极管的其中一个二极管a的阳极与所述电容器的一端连接，另一个二极管b的阴极与所述电容器的另一端连接，二极管a的阴极与二极管b的阳极连接，所述电容器的两端作为电压输出；
其中，所述摩擦纳米发电机与所述二极管a并联，所述后端电路与所述电容器并联，所述气体放电管串联在所述后端电路和所述电容器之间。
3.如权利要求1或2所述的具备自供电能力的温变器件，其特征在于，所述后端电路包括n个铁电陶瓷片和n个二极管通过导线连接，n为从2开始的正偶数、或者n为从1开始的正奇数，目的是给铁电陶瓷片充电并钳制铁电陶瓷片两端的极性不变。
4.如权利要求3所述的具备自供电能力的温变器件，其特征在于，当n＝2时的具体电路连接为：
第一个二极管的阳极与所述前端电路的电容器一极板和所述摩擦纳米发电机的负极共同电连接，所述电容器的另一极板与所述气体放电管的一端电连接；
第一个二极管的阴极与第一个铁电陶瓷片的一个极板电连接，第一个铁电陶瓷片的另一个极板与所述气体放电管的另一端电连接；第二个铁电陶瓷片串联第二个二极管后与第一个二极管反向并联，且第二个铁电陶瓷片位于两个二极管之间，并以此类推。
5.铁电陶瓷片，其特征在于，其为在陶瓷片两端面设置极板构成，所述铁电陶瓷片用于如权利要求1或2或3或4任一项所述的温变器件中，所述铁电陶瓷片通过如下方法制得：
根据0.1PbTiO3-0.9PbSc0.5Ta0.5O3钪钛钽酸铅的摩尔比计算二氧化钛、五氧化二钽、三氧化二钪和二氧化铅原料的用量，采用固相烧结法，将原料研磨、煅烧、再研磨，然后压制成片、将片烧结成陶瓷片；再将陶瓷片退火，然后将退火后的陶瓷片打磨成薄片，薄片上下表面涂覆银浆，保温过后得到具备银电极的铁电陶瓷片。
6.如权利要求5所述的铁电陶瓷片，其特征在于，陶瓷片退火过程升温温度为1100℃，升温速率为3℃/min，退火时长为40小时。
7.如权利要求6所述的铁电陶瓷片，其特征在于，将片烧结成陶瓷片的具体步骤为：将压好的片以升温速率为3℃/min升至1200-1400℃烧结，保温8-10个小时，随后以降温速率为5℃/min降至700℃，然后随炉自然降温到室温。
8.如权利要求7所述的铁电陶瓷片，其特征在于，所述薄片为圆形，薄片厚度为0.4-0.7mm，薄片上下表面涂覆银浆。
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