專利名稱：一種收集環(huán)境低品位能源發(fā)電的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)境能量利用系統(tǒng)，尤其涉及ー種利用毛細(xì)カ以及納米通道雙電層效應(yīng)的收集環(huán)境低品位能源發(fā)電的裝置。
背景技術(shù)：
在能源形勢(shì)以及環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻的背景下，尋求清潔高效的能量轉(zhuǎn)化方式是當(dāng)前能源研究工作的核心內(nèi)容，特別是低品位能量的回收利用越來(lái)越受到人們的關(guān)注。我們生活的環(huán)境中存在大量的能量，包括風(fēng)能，太陽(yáng)能和熱能等。現(xiàn)今利用太陽(yáng)能發(fā)電的主要方式是光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電，而利用風(fēng)能發(fā)電主要是利用風(fēng)機(jī)。太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電都存在時(shí)有時(shí)無(wú)，不能連續(xù)供電的問(wèn)題，因此很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)。其中一種較為可能的解決方法是風(fēng)光互補(bǔ)，風(fēng)光互補(bǔ)現(xiàn)仍然處于研究階段，仍有很多棘手問(wèn)題需要解決。納米通道雙電層發(fā)電是ー種利用固體表面雙電層效應(yīng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電方式， 其工作原理如圖I所示，在溶液中，固體表面由于自身的表面能從溶液中選擇性地吸附某種離子而帶電，從而在固體表面形成一定的電勢(shì)分布。使得帶電表面附近的液體中大多是與固體表面電荷數(shù)量相等但符號(hào)相反的反離子。帶電表面和反離子構(gòu)成雙電層，雙電層厚度為0. 2到20納米。納米通道雙電層發(fā)電利用固體表面在電解質(zhì)溶液中形成的雙電層，使得電解質(zhì)溶液在流過(guò)納米通道時(shí)只允許ー種電性的離子通過(guò)，從而形成正負(fù)電子的分離， 單種電荷的定向移動(dòng)則形成電流，從而產(chǎn)生電能。此前所有的納米通道雙電層發(fā)電系統(tǒng)以高品位的壓カ能為動(dòng)カ驅(qū)動(dòng)電解質(zhì)溶液流過(guò)納米通道，但由于納米通道雙電層發(fā)電方式本身的效率低，因此這種方法需要消耗大量的高品位的壓カ能，在實(shí)際應(yīng)用上有巨大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種收集環(huán)境低品位能源發(fā)電的裝置。該裝置利用毛細(xì)カ代替高品位的壓カ來(lái)驅(qū)動(dòng)電解質(zhì)溶液通過(guò)納米通道發(fā)電，井利用水的蒸發(fā)自動(dòng)收集環(huán)境中各種低品位能量(包括熱能，風(fēng)能，光照)來(lái)維持源源不斷的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，從而達(dá)到收集環(huán)境中各種能量發(fā)電的效果。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是—種收集環(huán)境低品位能源發(fā)電的裝置，它包括進(jìn)液管和儲(chǔ)液室，儲(chǔ)液室向上的表面為蒸發(fā)膜，進(jìn)液管和儲(chǔ)液室通過(guò)納米通道連接；進(jìn)液管中有Ag電極,儲(chǔ)液室中有Ag2CO3或 AgO電極，Ag電極和Ag2CO3或AgO電極通過(guò)導(dǎo)線連接負(fù)載或儲(chǔ)能裝置。工作時(shí)，進(jìn)液管和儲(chǔ)液室中充滿碳酸溶液。納米通道可以是單根納米管道，也可以由多根納米管道集成而成。所述的蒸發(fā)膜布有納米或微米尺度的通道，儲(chǔ)液室中的碳酸溶液通過(guò)毛細(xì)カ吸進(jìn)這些通道并蒸發(fā)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于
(I)利用毛細(xì)カ代替高品位的壓カ驅(qū)動(dòng)納米通道雙電層發(fā)電系統(tǒng)，并利用環(huán)境中各種低品位能量包括熱能，風(fēng)能，光照來(lái)促使水在毛細(xì)液面的蒸發(fā)，維持源源不斷的毛細(xì)抽吸力，從而使得該系統(tǒng)能夠同時(shí)收集利用環(huán)境各種低品位能量發(fā)電。(2)系統(tǒng)中使用碳酸溶液作為工作介質(zhì)，當(dāng)碳酸在氣液界面下濃度升高時(shí)，會(huì)自動(dòng)分解生成ニ氧化碳析出，使該系統(tǒng)既可以有效的二次利用ニ氧化碳，又可以持續(xù)不間斷的工作。


圖I為納米通道雙電層發(fā)電工作原理圖。圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1_碳酸溶液、2-進(jìn)液管、3-Ag電極、4-納米通道、5_Ag2C03或AgO電極、6_蒸發(fā)膜、7-儲(chǔ)液室、8-負(fù)載或儲(chǔ)能裝置。圖3為發(fā)電裝置發(fā)電功率與風(fēng)速關(guān)系曲線圖。圖4為發(fā)電裝置風(fēng)能利用效率與風(fēng)速關(guān)系曲線圖。圖5為發(fā)電裝置發(fā)電功率與溫度關(guān)系曲線圖。圖6為發(fā)電裝置發(fā)電功率與光照強(qiáng)度關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)ー步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例I參見(jiàn)圖2，一種收集環(huán)境低品位能源發(fā)電的裝置，它包括進(jìn)液管2和儲(chǔ)液室7，儲(chǔ)液室7向上的表面為蒸發(fā)膜6，進(jìn)液管2和儲(chǔ)液室7通過(guò)納米通道4連接；進(jìn)液管2中有Ag電極3,儲(chǔ)液室中有Ag2CO3或AgO電極5, Ag電極和Ag2CO3或AgO電極通過(guò)導(dǎo)線連接負(fù)載或儲(chǔ)能裝置8。工作時(shí)，儲(chǔ)液室的碳酸溶液通過(guò)蒸發(fā)膜中的氣液界面不斷蒸發(fā)，而蒸發(fā)膜為納米或微米多孔膜，蒸發(fā)膜產(chǎn)生的的毛細(xì)カ為碳酸溶液蒸發(fā)提供源源不斷的驅(qū)動(dòng)力。納米通道4 中的單種電荷離子的定向移動(dòng)所產(chǎn)生的電能通過(guò)Ag和Ag2CO3或AgO電極為負(fù)載供電或儲(chǔ)存于儲(chǔ)能裝置。本裝置運(yùn)行過(guò)程參見(jiàn)圖2，在裝置開(kāi)始運(yùn)行前，將進(jìn)液管朝上，通過(guò)進(jìn)液管向儲(chǔ)液室中注入碳酸溶液，施加壓カ使儲(chǔ)液室內(nèi)部填充碳酸溶液。然后將進(jìn)液管置于碳酸溶液液面下，使進(jìn)液管和儲(chǔ)液室都充滿碳酸溶液。工作吋，隨著碳酸溶液蒸發(fā)，液面降低，蒸發(fā)膜內(nèi)部的細(xì)小通道提供巨大的毛細(xì)抽吸力將蒸發(fā)膜下面的溶液往上抽吸，溶液往上流動(dòng)的流量等于蒸發(fā)膜上水分的蒸發(fā)流量。 隨著蒸發(fā)膜內(nèi)毛細(xì)カ的抽吸，溶液保持一定的流量通過(guò)進(jìn)液管中的納米通道。由于固體表面的雙電層效應(yīng)，納米通道內(nèi)壁表面形成帶特定電荷的雙電層，使得只有帶相反電荷的離子才能通過(guò)納米通道，因此在納米通道里形成單種離子的定向移動(dòng)(即電流)，而納米通道的兩端則形成帶不同電荷離子的聚集區(qū)，其中ー個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)Ag+C032_ —Ag2C03+2e_。 而另ー個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)Ag2C03+2e_ — Ag+C032_(或Ag20+2H++2e_ — Ag+H20)。發(fā)生反應(yīng)的方向與納米通道的材料有關(guān)。通過(guò)這樣的反應(yīng)，產(chǎn)生源源不斷的電子通過(guò)外部電路，從而
4給外部負(fù)載供電。系統(tǒng)自發(fā)的利用環(huán)境中的各種能量，包括太陽(yáng)能，風(fēng)能以及熱能等促使蒸發(fā)膜上液體的蒸發(fā)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供驅(qū)動(dòng)力。環(huán)境中可利用的能量密度決定了毛細(xì)界面上液體的蒸發(fā)速率，蒸發(fā)速率決定了納米通道中液體流速，從而決定了發(fā)電功率。在蒸發(fā)膜的氣液界面上，由于水分的不斷蒸發(fā)，氣液界面下面的碳酸濃度越來(lái)越高，當(dāng)高到碳酸的溶解度，碳酸自動(dòng)分解成ニ氧化碳析出，不會(huì)堵塞毛細(xì)孔。整個(gè)系統(tǒng)不需要消耗額外能量，電極的成分的變化可以通過(guò)對(duì)換電極或者更改溶液流動(dòng)方向的方式使其發(fā)生逆反應(yīng)回復(fù)到最初狀態(tài)，因此整個(gè)系統(tǒng)不消耗額外能量。實(shí)施例2風(fēng)能的利用。參見(jiàn)圖2，所述蒸發(fā)膜為納米多孔材料，面積為Icm2，碳酸溶液的濃度為3X10_4mol/L，納米通道由多個(gè)長(zhǎng)50 ii m，寬55nm，高4. 5mm的平行納米通道組成，通道數(shù)目為5X104。在25度的環(huán)境下，用O-lOm/s的不同風(fēng)速平行作用于蒸發(fā)膜，其他部分的結(jié)構(gòu)特征與實(shí)施例I相同。通過(guò)計(jì)算可以得到隨著風(fēng)速的増大，系統(tǒng)輸出功率増大，當(dāng)風(fēng)速為 10m/s時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率為52. Iii W，參見(jiàn)圖3。該系統(tǒng)具有極高的表觀風(fēng)能利用效率，風(fēng)速越低，效率越高，可達(dá)到100%以上，參見(jiàn)圖4，說(shuō)明環(huán)境中的熱能也得到了一定程度的利用。實(shí)施例3余熱利用。參見(jiàn)圖2，所述蒸發(fā)膜材料為納米多孔材料，面積為Icm2，碳酸溶液的濃度為3 X l(T4mol/L。納米通道由多個(gè)長(zhǎng)50 ii m，寬55nm，高4. 5mm的平行納米通道組成， 通道數(shù)目與余熱溫度匹配以得到最高發(fā)電功率。用30到80度的不同余熱作用于蒸發(fā)膜， 其他部分的結(jié)構(gòu)特征與實(shí)施例I相同。通過(guò)計(jì)算可以得出，參見(jiàn)圖5，隨著余熱溫度的升高， 系統(tǒng)輸出功率増加。當(dāng)蒸發(fā)溫度為80度時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率為55. W。實(shí)施例4太陽(yáng)能的利用。參見(jiàn)圖2，所述蒸發(fā)膜材料為納米多孔材料，面積為1cm2，碳酸溶液的濃度為3X 10_4mol/L。納米通道由多個(gè)長(zhǎng)50 ii m，寬55nm，高4. 5mm的平行納米通道組成， 通道數(shù)目為2850。用0-220W/m2的不同太陽(yáng)光照作用于蒸發(fā)膜，其他部分的結(jié)構(gòu)特征與實(shí)施例I相同。通過(guò)計(jì)算可以得出，參見(jiàn)圖6，隨著太陽(yáng)光照強(qiáng)度的増加，系統(tǒng)輸出功率増加。 當(dāng)光照強(qiáng)度為220W/m2時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率為I. 81 u W。本發(fā)明裝置可以自動(dòng)收集周邊環(huán)境中的低品位的能源，并將之轉(zhuǎn)化為可對(duì)外輸出的電能。雖然功率不是很高，但是具有很大的提升空間，本發(fā)明提供了ー種收集環(huán)境中低品位能源并將其轉(zhuǎn)化為電能的新思路。本發(fā)明可以為微環(huán)境中的低電能需求的電子器件供能，如傳感器等。另外，本方法是利用水的相變來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，水的相變可自發(fā)帶走熱量，因此在ー些需要散熱的環(huán)境或者器件中，該發(fā)明同時(shí)具有發(fā)汗冷卻功能，在納米器件集成體系中具有很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于上述的實(shí)施例，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā)明的精神，則本發(fā)明的意圖也包含這些改動(dòng)和變形在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種收集環(huán)境低品位能源發(fā)電的裝置，包括進(jìn)液管(2)和儲(chǔ)液室(7)，儲(chǔ)液室(7)向上的表面為蒸發(fā)膜(6)，進(jìn)液管⑵和儲(chǔ)液室(7)通過(guò)納米通道⑷連接；進(jìn)液管⑵中有 Ag電極(3)，儲(chǔ)液室中有Ag2CO3或AgO電極(5)，Ag電極(3)和Ag2CO3或AgO電極(5)通過(guò)導(dǎo)線連接負(fù)載或儲(chǔ)能裝置(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，工作時(shí)進(jìn)液管(2)和儲(chǔ)液室(7)中充滿碳酸溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于，納米通道(4)是單根納米管道或由多根納米管道集成而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于，所述的蒸發(fā)膜(6)布有納米或微米尺度的通道，儲(chǔ)液室中的碳酸溶液通過(guò)毛細(xì)力吸進(jìn)這些通道并蒸發(fā)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述碳酸溶液的濃度為3X10_4mol/L。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種環(huán)境能量利用系統(tǒng)，尤其涉及一種利用毛細(xì)力以及納米通道雙電層效應(yīng)的環(huán)境低品位能量利用系統(tǒng)。它包括進(jìn)液管，進(jìn)液管連接納米通道，納米通道的兩端緊貼兩片電極，納米通道另一側(cè)連接中間儲(chǔ)液室，儲(chǔ)液室連接蒸發(fā)膜。蒸發(fā)膜上液體的蒸發(fā)產(chǎn)生毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)電解質(zhì)溶液流經(jīng)納米通道，利用納米通道對(duì)離子的選擇性進(jìn)行發(fā)電。本發(fā)明提供了一種清潔高效的能源利用新方法，在收集利用環(huán)境中各種能量方面具有很好的前景。
文檔編號(hào)H02N3/00GK102611353SQ20121010371
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者劉抗, 李昌錚, 胡雪蛟, 黃志 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)