一種基于單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線的熱發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微/納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用一種基于單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線的熱發(fā)電機(jī)，適用于溫度隨空間位置變化、溫度隨時(shí)間變化以及溫度穩(wěn)定的環(huán)境中，并可在大氣環(huán)境中將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br>【背景技術(shù)】
[0002]近年來，新型微/納米器件技術(shù)高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在其相關(guān)研究上投入了大量精力，各式納米電子器件不斷被開發(fā)出來，成為一個(gè)具有前所未有的應(yīng)用前景的前沿科技領(lǐng)域。納米線、納米管、納米帶等一維納米結(jié)構(gòu)器件具有耗能少、尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，適用于傳感、探測(cè)、生物植入等領(lǐng)域。然而，供給納米結(jié)構(gòu)器件運(yùn)作的外電源直接或間接的來源于電池。由于電池的體積較大，質(zhì)量較重，并且對(duì)環(huán)境和人體存在潛在危害，使電池在微/納米應(yīng)用方面非常受限。2006年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授帶領(lǐng)的研究小組利用垂直的ZnO納米線陣列，成功地在納米尺度下將環(huán)境中的容易損失的振動(dòng)、流動(dòng)、運(yùn)動(dòng)等機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。首次研制出世界上最小的發(fā)電裝置。在日常環(huán)境中，除了易失的機(jī)械能之外，熱能源的浪費(fèi)也極大，如工業(yè)廢熱、人體及發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量、地?zé)岬鹊龋绾胃咝Ю眠@些易流失的熱量同樣至關(guān)重要。
[0003]2012年，一種基于熱電效應(yīng)的銻摻雜氧化鋅微/納米帶單根一維微/納米發(fā)電機(jī)研制成功，可利用器件兩端的溫差，將電子或空穴由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。由于微/納米熱電發(fā)電機(jī)尺寸小，因此實(shí)現(xiàn)空間上的溫度梯度非常困難。為了克服在微/納米尺寸上產(chǎn)生溫度梯度的難題，一種單根一維熱釋電微/納米發(fā)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。單根一維熱釋電發(fā)電機(jī)的極化強(qiáng)度隨溫度改變而表現(xiàn)出的電子或電荷釋放現(xiàn)象，宏觀上是溫度的改變是在材料的兩端出現(xiàn)電壓或產(chǎn)生電流，可以利用溫度隨時(shí)間的變化實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。但是，以上方法的共同存在的問題還在于熱/電轉(zhuǎn)換的條件依賴于空間或時(shí)間上溫度的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有熱/電轉(zhuǎn)換技術(shù)中存在的對(duì)溫差環(huán)境的依賴，本發(fā)明提供一種基于單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線的熱發(fā)電機(jī)，能夠用于溫度隨空間位置變化、溫度隨時(shí)間變化以及溫度穩(wěn)定的環(huán)境中，并可在大氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)發(fā)電。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明所述的一種基于單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線的熱發(fā)電機(jī)，包括絕緣基底
(101)、單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線(102)、電極一(103)、電極二(104)、導(dǎo)線(105)、封裝材料(106)。單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線(102)放置在絕緣基底(101)上，單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線(102)兩端分別焊接電極一(103)和電極二(104)，電極一(103)和電極二(104)分別連接有導(dǎo)線；封裝材料(106)將整個(gè)單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線(102)、電極一(103)、電極二(104)封裝在薄膜基底(101)上。
[0007]優(yōu)選地，所述的單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線為成分不均勻的單根一維錫酸鋅結(jié)微/納米線。
[0008]優(yōu)選地，所述絕緣基底為氧化鋁陶瓷基底、氮化鋁陶瓷基底或氮化硅陶瓷基底。
[0009]優(yōu)選地，所述的金屬電極為鋁、銀、鉑或金。
[0010]優(yōu)選地，所述的封裝材料為環(huán)氧樹脂、氨基甲酸乙酯、聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
[0011]本發(fā)明提供一種使用上述熱發(fā)電機(jī)在溫度穩(wěn)定的環(huán)境中的發(fā)電方法，包括如下步驟:
[0012]將所述的熱發(fā)電機(jī)與外電路相連，將熱發(fā)電機(jī)放置于溫度穩(wěn)定的環(huán)境中。
[0013]優(yōu)選地，所述溫度穩(wěn)定的環(huán)境為室溫至400°C內(nèi)的任一溫度。
[0014]本發(fā)明提供一種使用上述熱發(fā)電機(jī)在溫度隨空間位置變化的環(huán)境中的發(fā)電方法，包括如下步驟:
[0015]將所述熱發(fā)電機(jī)與外電路相連，將熱發(fā)電機(jī)一端固定于加熱器上，使加熱器對(duì)一端電極進(jìn)行加熱，另一端電極置于室溫環(huán)境中。
[0016]優(yōu)選地，所述加熱器溫度為室溫至400°C以內(nèi)的任一溫度。
[0017]本發(fā)明提供一種使用上述熱發(fā)電機(jī)在溫度隨時(shí)間變化的環(huán)境中的發(fā)電方法，包括如下步驟:
[0018]將所述熱發(fā)電機(jī)與外電路相連，將熱發(fā)電機(jī)周期性地與加熱器接觸，與加熱器接觸時(shí)，加熱器對(duì)整個(gè)所述的熱發(fā)電機(jī)進(jìn)行加熱。
[0019]優(yōu)選地，所述加熱器溫度為室溫至400°C以內(nèi)的任一溫度。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的熱發(fā)電機(jī)和利用熱發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的方法具有以下優(yōu)占.V.
[0021](I)應(yīng)用上的新突破。本發(fā)明的熱發(fā)電機(jī)克服現(xiàn)有熱/電轉(zhuǎn)換技術(shù)中存在的對(duì)溫差環(huán)境的依賴，能夠用于溫度隨空間位置變化、溫度隨時(shí)間變化以及溫度穩(wěn)定的環(huán)境中，并可在大氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)發(fā)電，具有更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0022](2)能量的高效利用。本發(fā)明的熱發(fā)電機(jī)無需大規(guī)模、高強(qiáng)度的能量輸入，僅需放置大氣環(huán)境中即可，因此可有效的收集自然環(huán)境和人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生各種易流失的能量，并轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。
[0023](3)工藝簡(jiǎn)便、體積小、輕巧便攜、兼容性好。本發(fā)明的熱發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，且無需特殊的工作環(huán)境，能夠在有溫差及無溫差的環(huán)境中工作，因此具有很好的兼容性。
[0024](4)用途廣泛。通過將熱發(fā)電機(jī)串聯(lián)還可以進(jìn)一步提高輸出功率，可用于工業(yè)排熱管道、供暖管道、地?zé)岬扔袩崃颗欧诺牡胤健?br>【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明熱發(fā)電機(jī)的一種典型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明熱發(fā)電機(jī)在溫度穩(wěn)定的環(huán)境中的發(fā)電方法示意圖。
[0027]圖3為本發(fā)明熱發(fā)電機(jī)在溫度隨空間位置變化的環(huán)境中的發(fā)電方法示意圖。
[0028]圖4為本發(fā)明熱發(fā)電機(jī)在溫度隨時(shí)間變化的環(huán)境中的發(fā)電方法示意圖。其中，圖4(a)為加熱器給熱發(fā)電機(jī)加熱時(shí)的狀態(tài)，圖4(b)為加熱器離開發(fā)電機(jī)時(shí)的狀態(tài)。
[0029]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中熱發(fā)電機(jī)在溫度穩(wěn)定的環(huán)境下通過的電流及電壓輸出圖。其中圖5(a)為電壓隨時(shí)間的輸出圖，圖5(b)為電流隨時(shí)間的輸出圖。
[0030]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中熱發(fā)電機(jī)在溫度隨空間位置變化的環(huán)境下通過的電流及電壓輸出圖。其中圖6(a)為電壓隨時(shí)間的輸出圖，圖6(b)為電流隨時(shí)間的輸出圖。
[0031]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中熱發(fā)電機(jī)在溫度隨時(shí)間變化環(huán)境下的電流及電壓輸出圖。其中圖7(a)為電壓隨時(shí)間的輸出圖，圖7(b)為電流隨時(shí)間的輸出圖。
[0032]其中，101為絕緣基底、102為單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線、103為電極一、104為電極二、105為導(dǎo)線、106為封裝材料、107為加熱器、108為數(shù)據(jù)采集器。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。
[0034]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0035]本發(fā)明提供一種將工業(yè)廢熱、人體及發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量、地?zé)岬茸匀唤绱嬖诘臒崮苻D(zhuǎn)化為電能的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的熱發(fā)電機(jī)，能夠?yàn)槲⑿碗娮悠骷峁┢ヅ涞碾娫?。本發(fā)明的熱發(fā)電機(jī)利用單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線中的成分差形成費(fèi)米能級(jí)不均勻分布，實(shí)現(xiàn)所述熱發(fā)電機(jī)在溫度隨空間位置變化、溫度隨時(shí)間變化以及溫度穩(wěn)定的環(huán)境中的應(yīng)用。
[0036]圖1示出的是本發(fā)明的熱發(fā)電機(jī)的一種典型結(jié)構(gòu)，依次包括絕緣基底101、單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線102、電極一 103、電極二 104、導(dǎo)線105、封裝材料106。所述的絕緣基底101由氧化鋁陶瓷基底、氮化鋁陶瓷基底、氮化硅陶瓷基底任一材料構(gòu)成。所述的單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線102為成分不均勻的錫酸鋅，其制備步驟為:
[0037]1、清洗剛玉陶瓷基片；
[0038]2、分別取出3?5g高純ZnO和3?5g高純SnOjI料作為蒸發(fā)源放入潔凈的陶瓷舟中，將陶瓷舟緩慢推入到陶瓷管中部，接著將裝有硅片的陶瓷舟從陶瓷管另一端放入，并保證裝有混合物的陶瓷舟正好對(duì)準(zhǔn)熱電偶處，以便更好地控制溫度，讓其有效蒸發(fā)；
[0039]3、設(shè)置管式爐溫度和調(diào)節(jié)氣體流速。首先在未加熱狀態(tài)下，讓陶瓷管中預(yù)通氬氣20min，排出管中的空氣，同時(shí)要控制好氣流速度，并控制管內(nèi)氣壓，并將管式爐溫度設(shè)定在1470°C，保持恒定的氣流速度一直升到所需溫度，接著保溫3?5小時(shí)。
[0040]所述的金屬電極一 103、電極二 104為同種材料，選自鋁、銀、鉑、金。為區(qū)別所述單根一維同質(zhì)結(jié)微/納米線的富鋅端和富錫端，對(duì)金屬電極分別進(jìn)行標(biāo)記。所述的封裝層選自環(huán)氧樹脂、氨