一种具有分形界面结构的新型风力发电机制造技术

本发明专利技术涉及绿色、环保、可再生能源获取技术领域，公开了一种具有分形界面结构的新型风力发电机，包括风车传动系统、发电单元、电能储存设备；所述的发电单元包括相互接触的转子和定子，转子上设有第一电极，定子上设有第二电极，在接触面上，转子表面为第一种半导体材料，且布满分形结构，定子表面为第二种半导体材料或金属，且布满分形结构，转子、定子二者所用表面材料的费米能级不同，转子由风车传动系统驱动可相对定子进行旋转，使转子定子接触面相对滑动形成直流发电，通过第一、第二电极接入电能储存设备。本发明专利技术的发电机与传统的电磁发电机相比，不需要冗长的线圈，且不需要外加整流电路就能输出直流电信号，成本更低。

A new type of wind turbine with fractal interface structure

【技术实现步骤摘要】
一种具有分形界面结构的新型风力发电机
本专利技术涉及一种具有分形界面结构的新型风力发电机，属于新型绿色环保可再生能源获取

技术介绍
在人类社会快速发展，化石能源日益枯竭，21世纪的能源危机已经引起越来越多的国家和科学研究者的重视，解决能源危机迫在眉睫。电能，作为日常生活和社会发展所利用最广泛的便捷能源，绝大部分都是以燃烧化石燃料产生，但所带来的经济效益相对较差，环境污染严重等问题较为突出，为解决这一问题，寻找绿色清洁能源显得尤为重要。科学研究者经过长时间的努力，对风能、太阳能等绿色清洁能源进行开发、利用，已取得初步成果，但能源供给还远远不能满足社会生产发展。在风能的开发利用中，以巨型风车利用风力推动风叶带动巨型的电磁线圈发电机组转动转化为电能的模式，虽已初步商业化，但面临成本高、设备体积重量庞大，运输及装配困难、发电效率相对较低等实际问题。为解决传统风力发电的一系列问题，需要寻找一种新型的风力发电机，通过优化风车发电装置，达到减小整个风力发电系统的体积和重量，同时达到降低成本、提高整个风能转化效率的目的，来更好地利用风能这一绿色、环保、可持续的能源，有效地缓解能源危机。近来，我们发现两种半导体或者半导体/金属间相对滑动，由于两者材料的费米能级不同，在两种材料接触表面，由于相对滑动，内部扩散电流与漂移电流平衡被打破，在内部电场作用下，从而输出电压和电流。这为开发新型发电机装置提供了新的思路。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有分形界面结构的新型风力发电机。该发电机具有极高的电流密度和发电电压，不需要外加整流电路即可输出直流电信号，且工作稳定。本专利技术的一种具有分形界面结构的新型风力发电机，包括风车传动系统、发电单元、电能储存设备；所述的发电单元包括相互接触的转子和定子，转子上设有第一电极，定子上设有第二电极，在接触面上，转子表面为第一种半导体材料，且布满分形结构，定子表面为第二种半导体材料或金属，且布满分形结构，转子、定子二者所用表面材料的费米能级不同，转子由风车传动系统驱动可相对定子进行旋转，使转子定子接触面相对滑动形成直流发电，通过第一、第二电极接入电能储存设备。所述的新型风力发电机可运用于远海、近海岸和西北地区等强风地带，也可运用于中部等弱风地区运用小型化风车集成和阵列设计进行风力发电。上述技术方案中，在转子表面还可以设有一层绝缘层，转子旋转时定子与绝缘层相互接触并相对滑动。所述的绝缘层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝、氧化铪等绝缘材料中的一种；绝缘层的厚度优选不超过100nm。所述的第一电极与第二电极均选自金、钯、银、铜、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极。所述的第一种半导体以及第二种半导体均选自硅、砷化镓、铟镓砷、二硫化钼、黑鳞、氧化锌、锗、氮化硅、碲化镉、氮化镓、磷化铟、石墨烯；所述的金属通常为金、铁、钯、铜、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种。所述的分形结构为树状、网格状、雪花状、同心圆等形状中的一种，产生的电信号为直流电信号，且电流密度极高，比其他纳米发电机高几个数量级，且可减少传统风车发电的机舱、电磁线圈发电机等笨重的结构等。制备上述新型风力发电机的方法，其制备过程可以包括如下步骤：1)在第一种半导体材质的转子背面制作第一电极；2)在转子正面制备分形界面结构并生长一层绝缘层；3)在以第二种半导体或金属为材质的定子背面制作第二电极，正面制备分形界面结构；4)将定子正面与转子的绝缘层形成可滑动的接触，利用风叶固定转子，在风叶轴心上固定定子，转子可随风叶相对定子转动从而形成风力发电系统，利用风吹动叶片，即可产生直流电能源输出；5)将产生的电能通过电能储存系统进行存储或者直接给智能电子设备持续供电；所述的分形结构的制备可以采用液压、对辊热压、纳米压印技术、光刻腐蚀或者其他任意已报道的方法。本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：本专利技术的风力发电系统中，采用半导体表面且布满分形结构的转子、以及采用半导体或金属表面且布满分形结构的定子，其利用的发电原理与结构上属于首创，该结构不受位移电流的限制，具有先进性：在转子和定子相对转动过程中，由于有一个动态平衡的耗尽层和周期性变化的内建电场的存在，使得电子空穴向两端电极运动并被收集，从而可以实现机械能转换为电能，但是由于该转换为电能的效果仅在两材料接触面边界处达到最佳，对于连续大面积接触的转子和定子而言，其实际输出效果难以达到应用要求，通过对半导体界面进行分形结构设计，可以有效加剧界面载流子反弹，大大提高输出电流与输出功率，使发电机具有极高的电流密度。此外，通过进一步加入绝缘层，对界面的能级进行调控，增加势垒高度，加强内建电场，可以极大提高电压输出，实现不使用外部电路即可直接给电子设备供电。本专利技术基于半导体转子和定子结构的风力发电系统，与传统的巨型风车发电系统相比，不需要外加整流电流即可得到直流电，可以直接给外部电路供电，且工作稳定，其制备工艺步骤和系统结构均简单很多，减少了传统风车发电的机舱和电磁线圈发电机等结构，可实现减小风叶大小同时达到同样的发电效果，有效降低了成本。附图说明图1为本专利技术基于分形界面结构的新型风力发电系统的结构示意图；图2为基于分形界面结构的半导体转子和半导体定子(P型硅/石墨烯)的新型风力发电系统的一种具体结构示意图；图3为基于P型硅/石墨烯的风力发电系统的I-V曲线图；图4为基于P型硅/石墨烯的风力发电系统所产生的电压图；图5为基于P型硅/10nm氮化铝/二硫化钼的风力发电系统的I-V曲线图；图6为P型硅/10nm氮化铝/二硫化钼异质结的风力发电系统连续电压发电图；图7为P型硅/10nm氮化铝/二硫化钼异质结的风力发电系统连续电流发电图；图8为P型硅/铝风力发电系统产生的电压图；图9为P型硅/铝风力发电系统产生的电流图；具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。参照图1，本专利技术的一种具有分形界面结构的新型风力发电机，包括风车传动系统1、发电单元2、电能储存设备3；所述的发电单元包括相互接触的转子4和定子7，转子4上设有第一电极5，定子7上设有第二电极8，在接触面上，转子表面为第一种半导体材料，且布满分形结构，定子表面为第二种半导体材料或金属，且布满分形结构，转子、定子二者所用表面材料的费米能级不同，转子4由风车传动系统1驱动可相对定子7进行旋转，使转子定子接触面相对滑动形成直流发电，通过第一、第二电极接入电能储存设备3。本专利技术利用风车传动系统带动风叶转子转动，与风车中定子形成相对滑动，构成直流发电系统，可以将外界的机械能直接转换为直流电能，并通过电能储存系统，将电能进行收集、利用，为社会发展和生产生活提供可再生、清洁的能源。该发电系统中通过对转子定子界面的分形结构设计，可以有效加剧界面载流子反弹，在结区极强的内建电场的作用下得到极高的电流密度；此外可设置绝缘层作为界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有分形界面结构的新型风力发电机，其特征在于，包括风车传动系统(1)、发电单元(2)、电能储存设备(3)；所述的发电单元包括相互接触的转子(4)和定子(7)，转子(4)上设有第一电极(5)，定子(7)上设有第二电极(8)，在接触面上，转子表面为第一种半导体材料，且布满分形结构，定子表面为第二种半导体材料或金属，且布满分形结构，转子、定子二者所用表面材料的费米能级不同，转子(4)由风车传动系统(1)驱动可相对定子(7)进行旋转，使转子定子接触面相对滑动形成直流发电，通过第一、第二电极接入电能储存设备(3)。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有分形界面结构的新型风力发电机，其特征在于，包括风车传动系统(1)、发电单元(2)、电能储存设备(3)；所述的发电单元包括相互接触的转子(4)和定子(7)，转子(4)上设有第一电极(5)，定子(7)上设有第二电极(8)，在接触面上，转子表面为第一种半导体材料，且布满分形结构，定子表面为第二种半导体材料或金属，且布满分形结构，转子、定子二者所用表面材料的费米能级不同，转子(4)由风车传动系统(1)驱动可相对定子(7)进行旋转，使转子定子接触面相对滑动形成直流发电，通过第一、第二电极接入电能储存设备(3)。


2.根据权利要求1所述的具有分形界面结构的新型风力发电机，其特征在于，在转子(4)表面还设有一层绝缘层(6)，转子(4)旋转时定子与绝缘层(6)相互接触并相对滑动。


3.根据权利要求2所述的具有分形界面结构的新型风力发电机，其特征在于，所述的绝缘层(6)选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝、氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：林时胜，余旭涛，陆阳华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33