一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，所述热声驱动摩擦纳米发电系统包括：热声发动机，以及若干个分别通过连接管道(2)与热声发动机连通的膜盒(3)；所述膜盒(3)的内腔体内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的弹性膜片，在下腔室中设置摩擦纳米发电机(5)。本发明专利技术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。整个系统具有可靠性高、成本低、结构简单、寿命长等优点。相比现有的摩擦纳米发电方式，本发明专利技术可实现持续、稳定和高功率的热电转换。

A thermally driven friction nano power generation system using an elastic diaphragm

The invention discloses a thermoacoustic using elastic diaphragm driven friction nano generator system, the thermoacoustic power generation system: including nano friction driven thermoacoustic engine, and a plurality of respectively through the connecting pipe (2) and the film box of thermoacoustic engine connected (3); the diaphragm (3) cavity in the installation of a film box is divided into two chambers of the elastic diaphragm isolated from each other, set in the lower chamber friction nano generator (5). The present invention utilizes thermoacoustic engine to convert external heat energy into sound energy, and then uses friction nano generator to convert sound energy into electric energy output. The whole system has the advantages of high reliability, low cost, simple structure and long service life. Compared with the existing friction nano power generation method, the invention can realize continuous, stable and high power thermoelectric conversion.

【技术实现步骤摘要】
一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统
本专利技术涉及热声发电领域，特别涉及一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统。
技术介绍
当一个管道中存在适当的温度梯度和声场时，声波振荡就会自发产生，将热能转化成声波形式的机械能，这就是热致声效应。热声发动机作为一种新型外燃式热机，它利用热致声效应将热能转化为声能，具有无机械运动部件带来的运行可靠和长寿命、潜在热效率高和环境友好等优点。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，两者各有优势：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；相比于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言，行波热声发动机基于可逆的斯特林循环，潜在热效率更高。将热声发动机和声电转换装置(发电机)耦合在一起就能将热声发动机产生的声能转换为电能，这就是热声发电技术。目前跟热声发动机耦合的声电转换装置主要包括基于电磁感应效应的直线发电机、液态金属磁流体发电机、压电换能器等。热声-直线发电机发电技术由于直线发电机中存在机械运动部件——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；此外，直线发电机中的间隙密封、板簧支撑、大量采用永磁体等因素导致其成本远高于旋转电机。热声-压电换能器发电系统中，由于压电换能器的高频和小振幅振动特性，仅适用于微小型热声发电系统的声电转换，且热电转换效率较低(<10％)。热声-液态金属磁流体发电机技术中，由于液态金属磁流体发电机的研究在国际上尚处于起步阶段，主要集中在原理性演示和示范研究，还有许多技术问题亟待解决，包括：液态金属在发电通道内的振荡和回流、流场不稳定、感生磁场对发电机输出特性的影响等，这些技术问题使得热声-液态金属磁流体发电机技术的可靠性降低、结构复杂且研发投资成本高。面对这一技术现状，探索新的具有高可靠性、低成本、结构简单且高效的声电转换方式成为了热声发电技术进一步发展的必经之路。摩擦纳米发电机(TriboelectricNanogenerator,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。摩擦纳米发电机由王中林院士于2011年首次提出，该专利技术提出了一种采用机械能发电的新方法，为能量收集技术提供了新的思路。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。摩擦纳米发电机具有结构设计简单、器件制作成本低廉、制备材料种类众多、使用寿命长等优点，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，主要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。但这些能量的分布随机性较强，这些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。随着摩擦纳米发电机技术的不断发展，热声发动机耦合摩擦纳米发电机的发电系统的提出，为热声发电
探索新的具有高可靠性、低成本、结构简单且高效的声电转换方式提供了新的思路，同时也能有效解决现有摩擦纳米发电机缺乏稳定动力源的缺点。但专利技术人在进行本专利技术创造的过程中发现，摩擦纳米发电机和热声发动机的耦合并非两种技术的简单组合，二者的结合存在以下技术难点：(1).迄今为止，摩擦纳米发电机的工作模式已经发展为5种，包括接触-分离模式、滑动模式、旋转模式、单电极模式、独立模式，选择能与热声发动机最优匹配的摩擦纳米发电机的工作模式是二者耦合的难点；(2).摩擦纳米发电机与热声发动机耦合位置的选择；(3).选择合适的耦合方式，从而确保热声发动机和摩擦纳米发电机均能够高效运行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有热声发电系统的缺点和摩擦纳米发电机缺乏稳定动力源的不足，并解决摩擦纳米发电机和热声发动机耦合的技术难点，提供一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，所述热声驱动摩擦纳米发电系统包括：热声发动机，以及若干个分别通过连接管道2与热声发动机连通的膜盒3；所述膜盒3的内腔体内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的弹性膜片，在下腔室中设置摩擦纳米发电机5。优选地，所述膜盒3内腔体为椭球形或球形或圆柱形。优选地，所述弹性膜片为圆形弹性膜片41或圆形片状刚性片421与环状弹性膜片422的组合片42。进一步优选地，所述圆形弹性膜片41为硅胶或天然橡胶或聚氨酯或PVDF等材料制成的呈圆形片状结构的弹性膜片；所述环状弹性膜片422与圆形片状刚性片421的组合片42中，环状弹性膜片422为硅胶或橡胶或聚酯塑料制成的呈圆环形状的弹性膜片，圆形片状刚性片421由尼龙或聚丙烯或镀有绝缘涂层的不锈钢片制成。优选地，所述上下两个腔室内采用同种气体工质且弹性膜片上布置有节流孔使两个腔室内气体工作压力相等，所述膜盒3内腔体内安装弹性膜片处的横截面积为连接管道2横截面积的2-5倍，所述弹性膜片的所在安装平面与连接管道2的轴线垂直。优选地，所述摩擦纳米发电机5包括背电极层51、高分子材料薄膜层52、金属材料薄膜层53和基底54；所述摩擦纳电机5的工作模式采用接触-分离模式，接触的两面分别为高分子材料薄膜层52和金属材料薄膜层53，高分子材料薄膜层52的背面有背电极层51，背电极层51和金属材料薄膜层53通过外电路相连；所述背电极层51固定在弹性膜片一侧，所述金属材料薄膜层53固定在基底54上，所述基底54为绝缘固体材料或者镀有非导电层的金属材料；所述基底54固定在膜盒3内腔体壁面上。本专利技术中，所述热声发动机为驻波热声发动机11或行波热声发动机12或N级声学共振型行波热声发动机13。优选地，当所述热声发动机为驻波热声发动机11时，所述驻波热声发动机包括依次相连的热腔111、加热器112、板叠113、室温换热器114和谐振管115；所述连接管道2的一端与膜盒3相连，所述连接管道2的另一端连接于谐振管115与室温换热器114相接处；当所述热声发动机为行波热声发动机12时，所述行波热声发动机12包括依次相连的主室温换热器124、回热器123、加热器122、热缓冲管126、次级室温换热器127、反馈管128，所述反馈管128的一端与主室温换热器连接，反馈管128的另一端通过一个四通分别与次级室温换热器127、谐振管125和连接管道2连通；当所述热声发动机为N级声学共振型行波热声发动机13时，所述N级声学共振型行波热声发动机13包括N个热声发动机单元，N为≥3的正整数；所述每一个热声发动机单元包括依次相连的主室温换热器134、回热器133、加热器132、热缓冲管136、次级室温换热器137和谐振管135；在每一个热声发动机单元的谐振管135与次级室温换热器134相接处旁接连接管道2的一端，所述连接管道2的另一端与膜盒3相连。优选地，所述热声驱动摩擦纳米发电系统中使用的气体工质选自氮气、氦气、二氧化碳、氩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述热声驱动摩擦纳米发电系统包括：热声发动机，以及若干个分别通过连接管道(2)与热声发动机连通的膜盒(3)；所述膜盒(3)的内腔体内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的弹性膜片，在下腔室中设置摩擦纳米发电机(5)。

【技术特征摘要】
1.一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述热声驱动摩擦纳米发电系统包括：热声发动机，以及若干个分别通过连接管道(2)与热声发动机连通的膜盒(3)；所述膜盒(3)的内腔体内安装一将膜盒分为相互隔离的上下两个腔室的弹性膜片，在下腔室中设置摩擦纳米发电机(5)。2.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述膜盒(3)内腔体为椭球形或球形或圆柱形。3.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述弹性膜片为圆形弹性膜片(41)或圆形片状刚性片(421)与环状弹性膜片(422)的组合片(42)。4.根据权利要求3所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述圆形弹性膜片(41)为硅胶或天然橡胶或聚氨酯或PVDF制成的呈圆形片状结构的弹性膜片；所述环状弹性膜片(422)与圆形片状刚性片(421)的组合片(42)中，环状弹性膜片(422)为硅胶或橡胶或聚酯塑料制成的呈圆环形状的弹性膜片，圆形片状刚性片(421)由尼龙或聚丙烯或镀有绝缘涂层的不锈钢片制成。5.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述上下两个腔室内采用同种气体工质且弹性膜片上布置有节流孔使两个腔室内气体工作压力相等，所述膜盒(3)内腔体内安装弹性膜片处的横截面积为连接管道(2)横截面积的2-5倍，所述弹性膜片的所在安装平面与连接管道(2)的轴线垂直。6.根据权利要求1所述的一种采用弹性膜片的热声驱动摩擦纳米发电系统，其特征在于，所述摩擦纳米发电机(5)包括背电极层(51)、高分子材料薄膜层(52)、金属材料薄膜层(53)和基底(54)；所述摩擦纳电机(5)的工作模式采用接触-分离模式，接触的两面分别为高分子材料薄膜层(52)和金属材料薄膜层(53)，高分子材料薄膜层(52)的背面有背电极层(51)，背电极层(51)和金属材料薄膜层(53)通过外电路相连；所述背电极层(51)...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱顺敏，余国瑶，罗二仓，吴张华，戴巍，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11