专利名称：一种收集环境低品位能源发电的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环境能量利用系统，尤其涉及ー种利用毛细カ以及纳米通道双电层效应的收集环境低品位能源发电的装置。
背景技术：
在能源形势以及环境污染日趋严峻的背景下，寻求清洁高效的能量转化方式是当前能源研究工作的核心内容，特别是低品位能量的回收利用越来越受到人们的关注。我们生活的环境中存在大量的能量，包括风能，太阳能和热能等。现今利用太阳能发电的主要方式是光伏发电和太阳能热发电，而利用风能发电主要是利用风机。太阳能发电和风能发电都存在时有时无，不能连续供电的问题，因此很难实现大規模并网。其中一种较为可能的解决方法是风光互补，风光互补现仍然处于研究阶段，仍有很多棘手问题需要解決。纳米通道双电层发电是ー种利用固体表面双电层效应进行能量转换的发电方式， 其工作原理如图I所示，在溶液中，固体表面由于自身的表面能从溶液中选择性地吸附某种离子而带电，从而在固体表面形成一定的电势分布。使得带电表面附近的液体中大多是与固体表面电荷数量相等但符号相反的反离子。带电表面和反离子构成双电层，双电层厚度为0. 2到20纳米。纳米通道双电层发电利用固体表面在电解质溶液中形成的双电层，使得电解质溶液在流过纳米通道时只允许ー种电性的离子通过，从而形成正负电子的分离， 单种电荷的定向移动则形成电流，从而产生电能。此前所有的纳米通道双电层发电系统以高品位的压カ能为动カ驱动电解质溶液流过纳米通道，但由于纳米通道双电层发电方式本身的效率低，因此这种方法需要消耗大量的高品位的压カ能，在实际应用上有巨大的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种收集环境低品位能源发电的装置。该装置利用毛细カ代替高品位的压カ来驱动电解质溶液通过纳米通道发电，井利用水的蒸发自动收集环境中各种低品位能量(包括热能，风能，光照)来維持源源不断的毛细驱动力，从而达到收集环境中各种能量发电的效果。本发明所采用的技术方案是—种收集环境低品位能源发电的装置，它包括进液管和储液室，储液室向上的表面为蒸发膜，进液管和储液室通过纳米通道连接；进液管中有Ag电极,储液室中有Ag2CO3或 AgO电极，Ag电极和Ag2CO3或AgO电极通过导线连接负载或储能装置。工作时，进液管和储液室中充满碳酸溶液。纳米通道可以是单根纳米管道，也可以由多根纳米管道集成而成。所述的蒸发膜布有纳米或微米尺度的通道，储液室中的碳酸溶液通过毛细カ吸进这些通道并蒸发。与现有技术相比，本发明的有益效果在于
(I)利用毛细カ代替高品位的压カ驱动纳米通道双电层发电系统，并利用环境中各种低品位能量包括热能，风能，光照来促使水在毛细液面的蒸发，維持源源不断的毛细抽吸力，从而使得该系统能够同时收集利用环境各种低品位能量发电。(2)系统中使用碳酸溶液作为工作介质，当碳酸在气液界面下浓度升高时，会自动分解生成ニ氧化碳析出，使该系统既可以有效的二次利用ニ氧化碳，又可以持续不间断的工作。
图I为纳米通道双电层发电工作原理图。图2为本发明的结构示意图。其中1_碳酸溶液、2-进液管、3-Ag电极、4-纳米通道、5_Ag2C03或AgO电极、6_蒸发膜、7-储液室、8-负载或储能装置。图3为发电装置发电功率与风速关系曲线图。图4为发电装置风能利用效率与风速关系曲线图。图5为发电装置发电功率与温度关系曲线图。图6为发电装置发电功率与光照强度关系曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进ー步说明本发明。实施例I參见图2，一种收集环境低品位能源发电的装置，它包括进液管2和储液室7，储液室7向上的表面为蒸发膜6，进液管2和储液室7通过纳米通道4连接；进液管2中有Ag电极3,储液室中有Ag2CO3或AgO电极5, Ag电极和Ag2CO3或AgO电极通过导线连接负载或储能装置8。工作时，储液室的碳酸溶液通过蒸发膜中的气液界面不断蒸发，而蒸发膜为纳米或微米多孔膜，蒸发膜产生的的毛细カ为碳酸溶液蒸发提供源源不断的驱动力。纳米通道4 中的单种电荷离子的定向移动所产生的电能通过Ag和Ag2CO3或AgO电极为负载供电或储存于储能装置。本装置运行过程參见图2，在装置开始运行前，将进液管朝上，通过进液管向储液室中注入碳酸溶液，施加压カ使储液室内部填充碳酸溶液。然后将进液管置于碳酸溶液液面下，使进液管和储液室都充满碳酸溶液。工作吋，随着碳酸溶液蒸发，液面降低，蒸发膜内部的细小通道提供巨大的毛细抽吸力将蒸发膜下面的溶液往上抽吸，溶液往上流动的流量等于蒸发膜上水分的蒸发流量。 随着蒸发膜内毛细カ的抽吸，溶液保持一定的流量通过进液管中的纳米通道。由于固体表面的双电层效应，纳米通道内壁表面形成带特定电荷的双电层，使得只有带相反电荷的离子才能通过纳米通道，因此在纳米通道里形成单种离子的定向移动(即电流)，而纳米通道的两端则形成带不同电荷离子的聚集区，其中ー个电极上发生反应Ag+C032_ —Ag2C03+2e_。 而另ー个电极上发生反应Ag2C03+2e_ — Ag+C032_(或Ag20+2H++2e_ — Ag+H20)。发生反应的方向与纳米通道的材料有关。通过这样的反应，产生源源不断的电子通过外部电路，从而
4给外部负载供电。系统自发的利用环境中的各种能量，包括太阳能，风能以及热能等促使蒸发膜上液体的蒸发，为系统运行提供驱动力。环境中可利用的能量密度决定了毛细界面上液体的蒸发速率，蒸发速率决定了纳米通道中液体流速，从而决定了发电功率。在蒸发膜的气液界面上，由于水分的不断蒸发，气液界面下面的碳酸浓度越来越高，当高到碳酸的溶解度，碳酸自动分解成ニ氧化碳析出，不会堵塞毛细孔。整个系统不需要消耗额外能量，电极的成分的变化可以通过对换电极或者更改溶液流动方向的方式使其发生逆反应回复到最初状态，因此整个系统不消耗额外能量。实施例2风能的利用。參见图2，所述蒸发膜为纳米多孔材料，面积为Icm2，碳酸溶液的浓度为3X10_4mol/L，纳米通道由多个长50 ii m，宽55nm，高4. 5mm的平行纳米通道组成，通道数目为5X104。在25度的环境下，用O-lOm/s的不同风速平行作用于蒸发膜，其他部分的结构特征与实施例I相同。通过计算可以得到随着风速的増大，系统输出功率増大，当风速为 10m/s时，系统的输出功率为52. Iii W，參见图3。该系统具有极高的表观风能利用效率，风速越低，效率越高，可达到100%以上，參见图4，说明环境中的热能也得到了一定程度的利用。实施例3余热利用。參见图2，所述蒸发膜材料为纳米多孔材料，面积为Icm2，碳酸溶液的浓度为3 X l(T4mol/L。纳米通道由多个长50 ii m，宽55nm，高4. 5mm的平行纳米通道组成， 通道数目与余热温度匹配以得到最高发电功率。用30到80度的不同余热作用于蒸发膜， 其他部分的结构特征与实施例I相同。通过计算可以得出，參见图5，随着余热温度的升高， 系统输出功率増加。当蒸发温度为80度时，系统的输出功率为55. W。实施例4太阳能的利用。參见图2，所述蒸发膜材料为纳米多孔材料，面积为1cm2，碳酸溶液的浓度为3X 10_4mol/L。纳米通道由多个长50 ii m，宽55nm，高4. 5mm的平行纳米通道组成， 通道数目为2850。用0-220W/m2的不同太阳光照作用于蒸发膜，其他部分的结构特征与实施例I相同。通过计算可以得出，參见图6，随着太阳光照強度的増加，系统输出功率増加。 当光照强度为220W/m2时，系统的输出功率为I. 81 u W。本发明装置可以自动收集周边环境中的低品位的能源，并将之转化为可对外输出的电能。虽然功率不是很高，但是具有很大的提升空间，本发明提供了ー种收集环境中低品位能源并将其转化为电能的新思路。本发明可以为微环境中的低电能需求的电子器件供能，如传感器等。另外，本方法是利用水的相变来进行能量转换，水的相变可自发带走热量，因此在ー些需要散热的环境或者器件中，该发明同时具有发汗冷却功能，在纳米器件集成体系中具有很好的应用前景。本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
权利要求
1.一种收集环境低品位能源发电的装置，包括进液管(2)和储液室(7)，储液室(7)向上的表面为蒸发膜(6)，进液管⑵和储液室(7)通过纳米通道⑷连接；进液管⑵中有 Ag电极(3)，储液室中有Ag2CO3或AgO电极(5)，Ag电极(3)和Ag2CO3或AgO电极(5)通过导线连接负载或储能装置(8)。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，工作时进液管(2)和储液室(7)中充满碳酸溶液。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其特征在于，纳米通道(4)是单根纳米管道或由多根纳米管道集成而成。
4.根据权利要求I或2所述的装置，其特征在于，所述的蒸发膜(6)布有纳米或微米尺度的通道，储液室中的碳酸溶液通过毛细力吸进这些通道并蒸发。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述碳酸溶液的浓度为3X10_4mol/L。
全文摘要
本发明涉及一种环境能量利用系统，尤其涉及一种利用毛细力以及纳米通道双电层效应的环境低品位能量利用系统。它包括进液管，进液管连接纳米通道，纳米通道的两端紧贴两片电极，纳米通道另一侧连接中间储液室，储液室连接蒸发膜。蒸发膜上液体的蒸发产生毛细力驱动电解质溶液流经纳米通道，利用纳米通道对离子的选择性进行发电。本发明提供了一种清洁高效的能源利用新方法，在收集利用环境中各种能量方面具有很好的前景。
文档编号H02N3/00GK102611353SQ20121010371
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者刘抗, 李昌铮, 胡雪蛟, 黄志 申请人:武汉大学