[发明专利]一种多物理场纳米发电机

说明书

技术领域

本发明属于纳米发电与电源技术领域，特别涉及一种利用碳纳米管薄膜在光、热、流体等物理场发电特性构建的多物理场纳米发电机。

背景技术

纳米发电机是将纳米材料(如氧化锌纳米线、纳米压电陶瓷、碳纳米管等)、纳米结构通过光、热、磁、微压、流体、表面能等技术产生电的一种纳机电系统，可解决传统电源如电池带来的体积大、重量重、集成困难等缺点，实现微纳米器件的自主供电问题，为微纳机电系统在机械电子、生物医学、仪器仪表、无线通信、军事航天等领域的广泛应用奠定基础。

目前，国际上对纳米发电机的材料研究主要集中在氧化锌纳米线，美国专利11608865(2006)“Piezoelectric and Semiconducting Coupled Nanogenerator”最早公开一种利用氧化锌纳米线的压电效应，在纳米范围内将机械振动、流体振动等机械能转化为电能的纳米发电机，掀起了纳米发电与电源技术研究的热潮。中国专利CN101295941A(2008)“交流纳米发电机及升压方法”将氧化锌纳米棒阵列与微电机结构相结合构成交流发电机，并通过串联连接或二极管-电容升压器将其电压升高。专利CN101710744A(2010)“一种纳米发电机”利用氧化锌纳米阵列将空间中的各种高频交变电磁信号和电磁微波辐射能直接转化为电能。但是，为进一步拓宽纳米发电机的应用领域，需要在复杂环境下，将不同的环境能量转换为电能，这对纳米发电机的发电材料提出了更加苛刻的要求。

研究发现，碳纳米管以其独特的一维纳米管状结构和物理化学性能，可以在光、热、磁、微压、流体、表面能等多种物理场下产生电流。日本NEC公司首次观测到单壁碳纳米管纤维中的光电流，并将其归因为光子诱导电子-空穴对产生，同时在激光照射下电荷分离(Zhang and Iijima，Phys.Rev.Lett.，1999)。印度科学院利用氮或氩等气流以每秒钟几米的低速度流过半导体材料和碳纳米管时可产生电流(Sood andGhosh，Phys.Rev.Lett.，2004)。美国麻省理工学院在碳纳米管上覆盖一层反应燃料，然后用激光束或者高压火花将纳米管的一端引燃，产生一种快速移动的热波沿着纳米管移动，驱动产生了大量的电流(Choiet al，Nat.Mater.，2010)。我国国家纳米科学中心制备了定向性良好的碳纳米管绳，将其用电极固定，浸入酒精等极性液体时，在表面张力的作用下，极性溶剂沿着碳管之间的间隙流动，最终在管的两端产生稳定的电动势(Liu et al，Adv.Mater.，2010)。清华大学利用基于单壁碳纳米管薄膜的光电源，制备出阵列式发电单元，在近红外光照射下，通过光热电效应，其输出电压达到0.1V以上(Hu et al，ACS NANO，2010)。

因此，利用碳纳米管薄膜加工制备多物理场纳米发电机具有诱人的应用前景，其至少可以解决两个问题：一是单根碳纳米管发电电流通常较弱，不能达到稳定、持续供电的要求；二是纳米发电机应用场合通常是光、热、流体等多物理场复杂环境，单一物理场下的发电特性易受外界条件影响，具有一定局限性，同时也不能综合利用环境中的太阳能、风能等能源。

太阳能和风能是自然界中有巨大发展潜力的无污染、可再生绿色能源，越来越受到世界各国的重视开发。但是，由于其发电功率和稳定性受地理分布、季节变化和昼夜迁移等因素影响，近年来，太阳能和风能互补发电系统成为绿色能源领域研究的热点。如中国专利CN101191601A(2008)“一种高效的风光互补路灯”、CN102069731A(2011)“风光互补发电轨道电动车技术”、CN102013714A(2011)“风光互补绿色能源系统及充电方法”等成果已应用于照明、交通等领域。互补发电系统发电原理主要是利用太阳能电池板组、风力发电机互补发电，并对电能进行调节控制和存储。与单独利用太阳能或风能发电系统相比，互补发电系统能够全天候发电，具有较高的发电功率和稳定性，但是由于研究重点集中在能量互补控制技术上，其发电组件体积大、重量重，一定程度上限制了其应用范围。因此，如何利用碳纳米管薄膜材料的多物理场发电特性，直接将太阳能和风能转换成电能，将发电组件与用电装置结合为一体，成为亟待解决的问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提出一种利用碳纳米管薄膜在光、热、流体等物理场发电特性构建的多物理场纳米发电机，并构建矩阵式供电装置，提高发电机输出功率，能工作于光、热、流体等复杂多物理场环境中，稳定、持续、灵活地驱动用电负载正常工作。