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    关 键 词:
    一种 声发 动机 驱动 摩擦 纳米 发电 系统
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611001831.6

    申请日:

    2016.11.14

    公开号:

    CN106368917A

    公开日:

    2017.02.01

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):F03G 7/00申请日:20161114|||公开
    IPC分类号: F03G7/00; H02N1/04 主分类号: F03G7/00
    申请人: 中国科学院理化技术研究所
    发明人: 罗二仓; 余国瑶; 朱顺敏; 吴张华; 戴巍; 胡剑英
    地址: 100190 北京市海淀区中关村东路29号
    优先权:
    专利代理机构: 北京方安思达知识产权代理有限公司 11472 代理人: 王宇杨;李彪
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611001831.6

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.03.01|||2017.02.01

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,所述摩擦纳米发电系统包括:热声发动机,以及安装在与所述热声发动机相连的谐振管(4)内的摩擦纳米发电机组(2)。本发明利用热声发动机将外部热能转化为声能,再利用摩擦纳米发电机将声能转化为电能输出。整个系统具有结构紧凑、可靠性高、和潜在热电效率高等优点。相比采用直线电机的热声发电技术,本发明采用的摩擦纳米发电机具有成本低廉、结构简单、集成度高和制备材料种类众多等优势;相比现有摩擦纳米发电机,本发明采用热声发动机驱动,可实现稳定、持续的热电转换。

    权利要求书

    1.一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,所述摩擦纳米发电系统
    包括:
    热声发动机,以及安装在与所述热声发动机相连的谐振管(4)内的摩擦纳米发电机组
    (2)。
    2.根据权利要求1所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,所
    述热声发动机为驻波热声发动机(11)或行波热声发动机。
    3.根据权利要求2所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,所
    述驻波热声发动机(11)包括依次相连的热腔(111)、加热器(112)、板叠(113)和室温换热器
    (114)。
    4.根据权利要求2所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,所
    述行波热声发动机为带驻波谐振管的环路行波热声发动机(121)或声学共振型行波热声发
    动机(122);
    当所述行波热声发动机为带驻波谐振管的环路行波热声发动机(121)时,所述带驻波
    谐振管的环路行波热声发动机(121)包括行波环路,所述行波环路与谐振管(4)相连,所述
    行波环路包括热声发动机单元和反馈管(1216);
    当所述行波热声发动机为声学共振型行波热声发动机(122),所述声学共振型行波热
    声发动机(122)包括三个热声发动机单元,所述三个热声发动机单元通过谐振管(4)连接在
    一起形成环状;
    所述热声发动机单元包括依次相连的主室温换热器(1211)、回热器(1212)、环路加热
    器(1213)、热缓冲管(1214)和次室温换热器(1215)。
    5.根据权利要求1所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,所
    述摩擦纳米发电机组(2)为薄壁圆筒体结构,位于所述谐振管(4)内,所述摩擦纳米发电机
    组包括至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元(21)和位于摩擦纳米发电机组两端的发电机支
    架(22);N为≥1的正整数;
    N个圆筒形摩擦纳米发电机单元同轴且沿谐振管(4)径向等间距分布;每一个圆筒形摩
    擦纳米发电机单元沿径向从内到外依次包括第一导电层(211)、第一聚合物层(212)、第二
    导电层(213)、基底(214)、第三导电层(215)、第二聚合物层(216)和第四导电层(217)。
    6.根据权利要求5所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,所
    述任一个圆筒形摩擦纳米发电机单元内表面和外表面均设有声孔(218),设置在内表面上
    的声孔穿透第一导电层和第一聚合物层,设置在外表面的声孔穿过第二聚合物层和第四导
    电层。
    7.根据权利要求6所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,设
    置在内表面的声孔的总面积与内表面面积之比为0.1~0.3;设置在外表面的声孔的总面积
    与外表面面积之比为0.1~0.3。
    8.根据权利要求5所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,所
    述第一聚合物层和第二聚合物层均选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯和聚酰亚胺中的一种
    或多种;
    第一聚合物层外表面、第二导电层内表面、第三导电层外表面和第二聚合物层内表面
    均有微纳米尺度结构,以增加摩擦面积,微纳米尺度结构选自纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳
    米管和纳米花中的一种或多种。
    9.根据权利要求5所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,所
    述第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层为金属薄膜,金属薄膜为铝膜、金膜
    或铜膜。
    10.根据权利要求5所述的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,其特征在于,
    所述基底为非导电固体材料或者镀有非导电层的金属材料。

    说明书

    一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统

    技术领域

    本发明涉及热声发电领域,特别涉及一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系
    统。

    背景技术

    热声发动机是一种利用管件和换热器在其内部获得合适声场,并通过工作介质和
    回热器之间的相互作用将外部热能转化为声能的装置。作为一种新型外燃式热机,其具有
    无机械运动部件、可靠性高、寿命长和潜在热效率高等优点。根据热声转换的声场特性,热
    声发动机可分为行波热声发动机和驻波热声发动机。

    热声发电技术是将热声发动机与声电转换装置耦合而成的一种新型发电技术,具
    有能源适应性好、可靠性高和潜在热效率高等显著优点,可广泛应用于太阳能、生物质能、
    汽车尾气和工业余热回收等领域,具有很好的应用前景。

    图1为传统驻波热声发电系统结构示意图。如图所示,该系统包括:驻波热声发动
    机11、直线发电机3。驻波热声发动机11包括热腔111、加热器112、板叠113、室温换热器114
    以及谐振管4。直线发电机包括活塞31、动子磁铁32、定子线圈33、气缸34。驻波热声发动机
    的加热器112和室温端换热器114在板叠113的两端形成温差,系统自激起振产生往复振荡
    的压力波动,将外部热能转化成声功。声功传递时产生分流,一部分声功流向谐振管4,以保
    证系统在特定的频率下稳定工作;另一部分声功流向直线发电机3并转化成了电功。

    尽管传统热声发电系统可高效地将外部热能转化为电能,但发明人发现该系统存
    在下述问题:首先,直线发电机的气缸与活塞之间必须采用高精度的间隙密封技术,这对零
    部件的加工制造和装配提出了严苛的要求;其次,直线发电机的使用引入了机械运动部
    件——活塞和电机动子等,严重削弱了“热声系统无运动部件”这一高可靠性优势。

    摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)是指通过摩擦起电和静
    电感应的耦合作用,利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差
    驱动外接电路中自由电子的流动,进而将外界环境中材料的接触分离或者摩擦产生的机械
    能收集起来并转化成电能的电学器件。摩擦纳米发电机具有结构简单、成本低廉、集成度
    高、制备材料种类众多等特点,可以广泛地用于环境机械能收集以及自供能传感器等方面。
    在环境机械能收集方面,可用于手指触屏动能、风能、滑动能、振动能,人体运动能、旋转动
    能、水浪冲击能等不同能量形式的收集。

    摩擦纳米发电机由王中林院士于2011年首次提出,该发明为能量收集技术提供了
    创新的方法和思路。从2011年问世至今,摩擦纳米发电机的输出功率已从3.67mW/m2提高到
    313W/m2,增长幅度约为5个数量级。通过材料改性和器件结构优化,摩擦纳米发电机的输出
    功率还将进一步提升。但目前对于摩擦纳米发电机的应用局限于环境随机能量的收集,这
    一应用场景决定了其无法提供持续、稳定的电能,限制了摩擦纳米发电机的应用范围。

    发明内容

    本发明的目的在于克服传统热声发电系统的缺点和现有摩擦纳米发电机缺乏稳
    定动力源的不足,提供一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统。

    本发明将摩擦纳米发电机组耦合在热声发动机的谐振管内,通过热声效应将外部
    热源的热能转化为工作气体往复振荡的声能(机械能),气体的往复振荡使得摩擦纳米发电
    机中两种摩擦电性质不同的材料表面周期性接触和分离,利用两种材料之间摩擦起电产生
    的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子流动,进而将驱动两种材料
    接触分离的机械能收集起来并转化成电能输出,最终实现从热能到电能的持续、稳定转换。

    相比于传统热声发电系统中的直线发电机,摩擦纳米发电机具有成本低廉、结构
    简单、集成度高和制备材料种类众多等突出优点。本发明兼具热声发动机的无机械运动部
    件、可靠性高、寿命长和潜在热电效率高等优点,在太阳能或生物质能利用、余热或废热回
    收、便携式电源等领域具有广阔的应用前景。

    为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:

    一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,所述摩擦纳米发电系统包括:

    热声发动机,以及安装在与所述热声发动机相连的谐振管4内的摩擦纳米发电机
    组2。

    优选地,所述热声发动机为驻波热声发动机11或行波热声发动机。

    进一步优选地,所述驻波热声发动机11包括依次相连的热腔111、加热器112、板叠
    113和室温换热器114。

    进一步优选地,所述行波热声发动机为带驻波谐振管的环路行波热声发动机121
    或声学共振型行波热声发动机122;

    当所述行波热声发动机为带驻波谐振管的环路行波热声发动机121时,所述带驻
    波谐振管的环路行波热声发动机121包括行波环路,所述行波环路与谐振管4相连,所述行
    波环路包括热声发动机单元和反馈管1216;

    当所述行波热声发动机为声学共振型行波热声发动机122,所述声学共振型行波
    热声发动机122包括三个热声发动机单元,所述三个热声发动机单元通过谐振管4连接在一
    起形成环状;

    所述热声发动机单元包括依次相连的主室温换热器1211、回热器1212、环路加热
    器1213、热缓冲管1214和次室温换热器1215。

    优选地,所述摩擦纳米发电机组2为薄壁圆筒体结构,位于所述谐振管4内,所述摩
    擦纳米发电机组包括至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元21和位于摩擦纳米发电机组两端
    的发电机支架22;N为≥1的正整数;

    N个圆筒形摩擦纳米发电机单元同轴且沿谐振管4径向等间距分布;每一个圆筒形
    摩擦纳米发电机单元沿径向从内到外依次包括第一导电层211、第一聚合物层212、第二导
    电层213、基底214、第三导电层215、第二聚合物层216和第四导电层217。

    进一步优选地,所述任一个圆筒形摩擦纳米发电机单元内表面和外表面均设有声
    孔218,设置在内表面上的声孔穿透第一导电层和第一聚合物层,设置在外表面的声孔穿过
    第二聚合物层和第四导电层。

    设置在内表面的声孔的总面积与内表面面积之比为0.1~0.3;设置在外表面的声
    孔的总面积与外表面面积之比为0.1~0.3。

    本发明中,所述第一聚合物层和第二聚合物层均选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙
    烯和聚酰亚胺中的一种或多种;

    第一聚合物层外表面、第二导电层内表面、第三导电层外表面和第二聚合物层内
    表面均有微纳米尺度结构,以增加摩擦面积,微纳米尺度结构选自纳米线、纳米颗粒、纳米
    棒、纳米管和纳米花中的一种或多种。

    本发明中,所述第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层为金属薄膜,
    金属薄膜为铝膜、金膜或铜膜。

    本发明中,所述基底为非导电固体材料或者镀有非导电层的金属材料。

    根据本发明的一个优选实施例,本发明提供的由热声发动机驱动的摩擦纳米发电
    系统,其包括:一台驻波热声发动机和安装在与所述驻波热声发动机相连的谐振管内的摩
    擦纳米发电机组。所述驻波热声发动机包括依次相连的热腔、加热器、板叠、室温换热器。所
    述摩擦纳米发电机组为薄壁圆筒体结构,位于所述谐振管内,包括至少N个圆筒形摩擦纳米
    发电机单元(N为正整数,且N≥1)和位于所述摩擦纳米发电机组两端的发电机支架;至少N
    个圆筒形摩擦纳米发电机单元同轴且沿所述驻波热声发动机谐振管径向等间距分布;所述
    至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元中每一摩擦纳米发电机单元沿径向从内到外依次包括
    第一导电层、第一聚合物层、第二导电层、基底、第三导电层、第二聚合物层、第四导电层。

    所述至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元中每一摩擦纳米发电机单元包括两台摩
    擦纳米发电机;所述第一聚合物层与所述第二导电层之间存在预定间隙,且所述第一聚合
    物层与所述第二导电层内表面摩擦电性质不同,二者之间存在得失电子能力的差异,在声
    波作用下,所述第一聚合物层外表面与所述第二导电层内表面周期性接触和分离,所述第
    一导电层和所述第二导电层向外电路输出电能,构成第一摩擦纳米发电机;所述第二聚合
    物层与所述第三导电层之间存在预定间隙,且所述第二聚合物层与所述第三导电层外表面
    摩擦电性质不同,二者之间存在得失电子能力的差异,在声波作用下,所述第二聚合物层内
    表面与所述第三导电层外表面周期性接触和分离,所述第三导电层和所述第四导电层向外
    电路输出电能,构成第二摩擦纳米发电机。

    所述摩擦纳米发电机单元内表面和外表面均设有声孔,所述声孔分别穿透第一导
    电层和第一聚合物层以及第二聚合物层和第四导电层;所述声孔用于在摩擦纳米发电机单
    元工作时减小所述第一聚合物层外表面与所述第二导电层内表面以及所述第二聚合物层
    内表面与所述第三导电层外表面之间的接触间隙。

    所述摩擦纳米发电机单元内表面声孔的总面积与所述摩擦纳米发电机单元内表
    面面积之比优选0.1~0.3,所述摩擦纳米发电机单元外表面声孔的总面积与所述摩擦纳米
    发电机单元外表面面积之比优选0.1~0.3。

    所述第一聚合物层和所述第二聚合物层由容易得到电子的高分子聚合物或半导
    体材料构成,可以选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等常见的高分子聚合物或半
    导体材料,所述第一聚合物层外表面和所述第二聚合物层内表面有微纳米尺度结构,以增
    加摩擦面积,优选包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花结构。

    所述第一导电层和所述第四导电层优选金属薄膜,例如铝膜、金膜、铜膜等。所述
    第一导电层和所述第四导电层通过磁控溅射或蒸镀等沉积方法将金属薄膜沉积在所述聚
    合物层表面而形成。

    所述第二导电层和所述第三导电层优选金属薄膜,例如铝膜、金膜、铜膜等。所述
    第二导电层内表面和第三导电层外表面有微纳米尺度结构,以增加摩擦面积,优选包括纳
    米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花结构。

    所述第二导电层和所述第三导电层通过在基底内表面和外表面分别沉积金属薄
    膜而形成,沉积方法为磁控溅射。

    所述基底用于支撑所述第二导电层和第三导电层,可以保证第二导电层和第三导
    电层不受声波影响而保持静止状态。所述基底为非导电固体材料,例如塑料(PMMA,PC等)、
    陶瓷等,或者镀有非导电层的金属材料。

    所述由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统中,气体工质可以是氦气、氮气或二
    氧化碳等。

    根据本发明的另一个优选实施例,本发明提供的由热声发动机驱动的摩擦纳米发
    电系统,其包括:一台行波热声发动机和安装在与所述行波热声发动机相连的谐振管内的
    摩擦纳米发电机组。所述行波热声发动机为带驻波谐振管的环路行波热声发动机,包括行
    波环路和与其相连的谐振管。所述行波环路包括热声发动机单元和反馈管1216,所述热声
    发动机单元由主室温换热器、回热器、加热器、热缓冲管和次室温换热器呈环形组成。所述
    摩擦纳米发电机组为薄壁圆筒体结构,位于所述行波热声发动机谐振管内,包括至少N个圆
    筒形摩擦纳米发电机单元(N为正整数,且N≥1)和位于所述摩擦纳米发电机组两端的发电
    机支架;至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元同轴且沿所述驻波热声发动机谐振管径向等
    间距分布;所述至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元中每一摩擦纳米发电机单元沿径向从
    内到外依次包括第一导电层、第一聚合物层、第二导电层、基底、第三导电层、第二聚合物
    层、第四导电层。

    根据本发明的再一个优选实施例,本发明提供的由热声发动机驱动的摩擦纳米发
    电系统,其包括:一台多级(级数≥3)声学共振型行波热声发动机、多个摩擦纳米发电机组
    (数量与热声发动机的级数相同),所述的多级声学共振型行波热声发动机由热声发动机单
    元和谐振管首尾相连以构成环路结构。所述热声发动机单元由依次串联的主室温换热器、
    回热器、加热器、热缓冲管和次室温换热器构成。所述摩擦纳米发电机组为薄壁圆筒体结
    构,位于所述多级声学共振型行波热声发动机谐振管内,包括至少N个圆筒形摩擦纳米发电
    机单元(N为正整数,且N≥3,数量与发动机单元数量相同)和位于所述摩擦纳米发电机组两
    端的发电机支架;至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元同轴且沿所述谐振管径向等间距分
    布;所述至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元中每一摩擦纳米发电机单元沿径向从内到外
    依次包括第一导电层、第一聚合物层、第二导电层、基底、第三导电层、第二聚合物层、第四
    导电层。

    本发明的由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统的优点在于:结构紧凑、无机械
    运动部件、可靠性高、功率灵活、潜在效率高。相比采用直线发电机的热声发电技术,本发明
    采用的摩擦纳米发电成本低廉、结构简单、集成度高、制备材料种类众多;相比现有的摩擦
    纳米发电方式,本发明可实现持续、稳定的热电转换。

    附图说明

    图1是传统热声发电系统结构示意图;

    图2是本发明实施例一中的摩擦纳米发电系统结构示意图;

    图3是本发明实施例一中的摩擦纳米发电机单元结构示意图;

    图4是本发明实施例一中的摩擦纳米发电机单元结构原理示意图

    图5是摩擦纳米发电机工作原理示意图;

    图6是本发明实施例二中的摩擦纳米发电系统结构示意图;

    图7是本发明实施例三中的摩擦纳米发电系统结构示意图;

    附图标记:11、驻波热声发动机;111、热腔;112、加热器;113、板叠;114、室温换热
    器;121、带驻波谐振管的环路行波热声发动机;1211、主室温换热器;1212、回热器;1213、环
    路加热器;1214、热缓冲管;1215、次室温换热器;1216、反馈管;122、声学共振型行波热声发
    动机;2、摩擦纳米发电机组;21、圆筒形摩擦纳米发电机单元;211、第一导电层;212、第一聚
    合物层;213、第二导电层;214、基底;215、第三导电层;216、第二聚合物层;217第四导电层;
    218、声孔;22、发电机支架;3、直线发电机;31、活塞;32、动子磁铁;33、定子线圈;34、气缸;
    4、谐振管。

    具体实施方式

    为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例
    中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是
    本发明一部分实施例,而不是全部的实施例?;诒痉⒚髦械氖凳├?,本领域普通技术人员
    在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明?;さ姆段?。

    本发明的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统,将摩擦纳米发电机耦合在
    与热声发动机相连的谐振管内,利用气体的往复振荡,将热声发动机加热器处的低品位热
    能转化为声能(机械能),气体的往复振荡使得摩擦纳米发电机中两种摩擦电性质不同的材
    料表面周期性接触和分离,利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的
    电势差驱动外接电路中自由电子流动,进而将两种材料的接触分离产生的机械能收集起来
    并转化成电能输出,最终实现从热能到电能的转换。

    相比于传统热声发电系统中采用直线发电机的发电技术,采用摩擦纳米发电机成
    本低廉,结构简单、集成度高、制备材料种类众多。本发明同时具有热声发动机的无机械运
    动部件、可靠性高、寿命长和潜在热效率高等优点,在太阳能或生物质能利用、余热或废热
    回收、便携式电源等领域具有广阔的应用前景。

    下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

    实施例一

    图2是本发明实施例一中的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统结构示意
    图,其包括:驻波热声发动机11和安装在与所述驻波热声发动机相连的谐振管4内的摩擦纳
    米发电机组2。

    所述驻波热声发动机11包括依次相连的热腔111、加热器112、板叠113、室温换热
    器114,所述室温换热器114与谐振管4相连通。所述摩擦纳米发电机组2为薄壁圆筒体结构,
    位于所述谐振管4内,包括3个结构相同的圆筒形摩擦纳米发电机单元21和位于所述摩擦纳
    米发电机组2两端的发电机支架22;所述3个摩擦纳米发电机单元21同轴且沿所述谐振管4
    径向等间距分布。

    如图3和图4所示,所述摩擦纳米发电机单元21沿径向从内到外依次包括第一导电
    层211、第一聚合物层212、第二导电层213、基底214、第三导电层215、第二聚合物层216、第
    四导电层217。

    所述摩擦纳米发电机单元21包括两台摩擦纳米发电机(分别编号NG1和NG2);所述
    第一聚合物层212与所述第二导电层213之间存在预定间隙,且所述第一聚合物层212与所
    述第二导电层213内表面摩擦电性质不同,二者之间存在得失电子能力的差异,在声波作用
    下,所述第一聚合物层212外表面与所述第二导电层213内表面周期性接触和分离,所述第
    一导电层211和所述第二导电层213向外电路输出电能,构成NG1摩擦纳米发电机;所述第二
    聚合物层216与所述第三导电层215之间存在预定间隙,且所述第二聚合物层216与所述第
    三导电层215外表面摩擦电性质不同,二者之间存在得失电子能力的差异,在声波作用下,
    所述第二聚合物层216内表面与所述第三导电层215外表面周期性接触和分离,所述第三导
    电层215和所述第四导电层217向外电路输出电能,构成NG2摩擦纳米发电机。

    所述摩擦纳米发电机单元21内表面和外表面均设有声孔218,所述声孔218分别穿
    透第一导电层211和第一聚合物层212以及第二聚合物层216和第四导电层217;所述声孔
    218用于在摩擦纳米发电机单元21工作时减小所述第一聚合物层212外表面与所述第二导
    电层213内表面以及所述第二聚合物层216内表面与所述第三导电层215外表面之间的接触
    间隙。

    所述摩擦纳米发电机单元21内表面声孔218的总面积与所述摩擦纳米发电机单元
    21内表面面积之比优选0.1~0.3,所述摩擦纳米发电机单元21外表面声孔218的总面积与
    所述摩擦纳米发电机单元21外表面面积之比优选0.1~0.3。

    下面具体说明本实施例提供的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统的工
    作过程:

    所述驻波热声发动机的加热器112吸收外界高温热源热量形成高温端,所述外界
    高温热源可为太阳能集热器采集的热能、工业余热、燃料燃烧热、生物质能等低品位热源。
    所述室温换热器114与循环冷却水换热形成室温端,从而在板叠113上建立起温度梯度,当
    温度梯度超过临界温度梯度时,驻波热声发动机开始工作,气体开始自激起振产生往复振
    荡的压力波动。板叠在该温度梯度条件下将热能转化为声能(机械能),产生的声功流向谐
    振管4,以保证热声发动机在特定频率下稳定运行,另一部分声功流向摩擦纳米发电机组2,
    推动摩擦纳米发电机单元21中两种摩擦电性质不同的材料表面周期性接触和分离,利用两
    种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子
    流动,进而将两种材料的接触分离产生的机械能收集起来并转化成电能输出。

    所述摩擦纳米发电机单元21包括两台摩擦纳米发电机:NG1摩擦纳米发电机和NG2
    摩擦纳米发电机,两台摩擦纳米发电机工作原理完全相同。以NG1摩擦纳米发电机为例,其
    工作原理如图5所示,其原理为:所述第一聚合物层212与所述第二导电层213内表面摩擦电
    性质不同,二者之间存在得失电子能力的差异,第一聚合物层212得电子能力强而第二导电
    层213内表面更容易失去电子。谐振管4中往复振荡的压力波动直接施加于第一导电层211
    内表面,当压力增加时,第一聚合物层外表面212与第二导电层213内表面相互接触,得电子
    能力强的材料将从得电子能力弱的材料上吸引电子,从而使得两个接触面带上等量异号的
    电荷,即摩擦电荷。当压力降低时,两个接触面分离开来,此时两个接触面之间将会产生电
    势差。如果这第二导电层213和第一导电层211通过负载连接起来,电势差将使得电子在两
    个电极之间流动,以平衡接触面间的静电电势差。一旦两个接触面再次重合,摩擦电荷产生
    的电势差消失,从而使电子反向流动。这样不断的接触和分离,摩擦发电机的输出端将输出
    交变的电流脉冲信号,从而对外输出电能。

    通过上述表述可以看出,在本实施例提供的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发
    电系统中,采用驻波热声发动机驱动摩擦纳米发电机组,尽管由于驻波热声发动机板叠内
    的热交换过程基于不可逆过程、热效率略低,但是其具有结构简单的优点,使得整个热声发
    动机驱动的摩擦纳米发电系统结构简单、无机械运动部件、可靠性高、功率灵活。相比采用
    直线发电机的热声发电技术,本发明的摩擦纳米发电成本低廉,结构简单、集成度高、制备
    材料种类众多。

    实施例二

    图6是本发明实施例二中的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统结构示意
    图,其包括:行波热声发动机和安装在与所述行波热声发动机相连的谐振管4内的摩擦纳米
    发电机组2。所述行波热声发动机为带驻波谐振管的环路行波热声发动机121,包括行波环
    路,所述行波环路与谐振管4相连通。所述行波环路包括热声发动机单元和反馈管1216,所
    述热声发动机单元由主室温换热器1211、回热器1212、环路加热器1213、热缓冲管1214和次
    室温换热器1215呈环形组成。所述摩擦纳米发电机组2为薄壁圆筒体结构,位于谐振管4内。
    所述摩擦纳米发电机组2结构和工作原理与实施例一中摩擦纳米发电机组的结构和工作原
    理基本相同。

    下面具体说明本实施例提供的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统的工
    作过程:

    所述行波热声发动机的环路加热器1213吸收外界高温热源热量形成高温端,所述
    外界高温热源可为太阳能集热器采集的热能、工业余热、燃料燃烧热、生物质能等低品位热
    源。所述主室温换热器1211与循环冷却水换热形成室温端,从而在回热器1212上形成温度
    梯度,当回热器1212达到一定温度梯度时,系统便自激起振产生往复振荡的压力波动,回热
    器1212在该温度梯度条件下将热能转化成声能(机械能),声功的传播方向沿着温度梯度的
    正方向,先传递到热缓冲管1214和次室温换热器1215,然后到达三通管处分流,一部分声功
    流向反馈管1216,并通过环路传递到主室温换热器1211,然后通过回热器1212放大;另一部
    分声功流向位于谐振管4中的摩擦纳米发电机组2,推动摩擦纳米发电机单元21中两种摩擦
    电性质不同的材料表面周期性接触和分离,利用两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和
    感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电子流动,进而将两种材料的接触分离产生的
    机械能收集起来并转化成电能输出。

    通过上述表述可以看出,在本实施例提供的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发
    电系统中,采用行波热声发动机驱动摩擦纳米发电机组。行波热声发动机基于可逆的热声
    斯特林循环,相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言,具有潜在的高效率,使得整个
    热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统潜在效率高、无机械运动部件、可靠性高、功率灵活。
    相比采用直线发电机的热声发电技术,本发明的摩擦纳米发电成本低廉,结构简单、集成度
    高、制备材料种类众多。

    实施例三

    图7是本发明实施例三中的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统结构示意
    图,其包括:一台3级声学共振型行波热声发动机、3个摩擦纳米发电机组,所述的3级声学共
    振型行波热声发动机由热声发动机单元和谐振管首尾相连以构成环路结构。所述热声发动
    机单元由依次串联的主室温换热器1211、回热器1212、环形加热器1213、热缓冲管1214和次
    室温换热器1215构成。所述摩擦纳米发电机组2为薄壁圆筒体结构,位于所述声学共振型行
    波热声发动机谐振管4内。所述摩擦纳米发电机组2结构和工作原理与实施例一中摩擦纳米
    发电机组的结构和工作原理基本相同。

    下面具体说明本实施例提供的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发电系统的工
    作过程:

    所述#1热声发动机单元的环形加热器1213吸收外界高温热源热量形成高温端,所
    述外界高温热源可为太阳能集热器采集的热能、工业余热、燃料燃烧热、生物质能等低品位
    热源。所述主室温换热器1211与循环冷却水换热形成室温端,从而在回热器1212上形成温
    度梯度,当回热器1212达到一定温度梯度时,系统便自激起振产生往复振荡的压力波动,回
    热器1212在该温度梯度条件下将热能转化成声能(机械能),声功的传播方向沿着温度梯度
    的正方向,先传递到热缓冲管1214和次室温换热器1215,一部分声功沿谐振管4传递到下一
    级热声发动机的回热器并被放大,另一部分声功流向位于谐振管4中的摩擦纳米发电机组
    2,推动摩擦纳米发电机单元21中两种摩擦电性质不同的材料表面周期性接触和分离,利用
    两种材料之间摩擦起电产生的电荷分离和感应电荷产生的电势差驱动外接电路中自由电
    子流动,进而将两种材料的接触分离产生的机械能收集起来并转化成电能输出。

    通过上述表述可以看出,在本实施例提供的一种由热声发动机驱动的摩擦纳米发
    电系统中,采用声学共振型行波热声发动机驱动摩擦纳米发电机组。

    相比于实施例二中的带驻波谐振管的环路行波热声发动机,采用声学共振型行波
    热声发动机大大减小了谐振管的尺寸,同时回收了耗散在谐振管中的声功,大大提高了系
    统的功率密度和潜在热效率。同时,该系统中每一热声发动机单元的回热器均处于理想的
    行波相位,有利于更高效率的声功转换。采用声学共振型行波热声发动机使得整个热声发
    动机驱动的摩擦纳米发电系统潜在效率更高、无机械运动部件、可靠性高、功率灵活。相比
    采用直线发电机的热声发电技术,本发明的摩擦纳米发电成本低廉,结构简单、集成度高、
    制备材料种类众多。

    最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽
    管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依
    然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进
    行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
    方案的范围。

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