本發(fā)明屬于納米發(fā)電與電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用碳納米管薄膜材料且基于多物理場(chǎng)的納米發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：
納米發(fā)電機(jī)是將納米材料(如氧化鋅納米線、納米壓電陶瓷、碳納米管等)、納米結(jié)構(gòu)通過(guò)光、熱、磁、微壓、流體、表面能等技術(shù)產(chǎn)生電的一種納機(jī)電系統(tǒng)，可解決傳統(tǒng)電源如電池帶來(lái)的體積大、重量重、集成困難等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微納米器件的自主供電問(wèn)題，為微納機(jī)電系統(tǒng)在機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)、儀器儀表、無(wú)線通信、軍事航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。目前，國(guó)際上對(duì)納米發(fā)電機(jī)的材料研究主要集中在氧化鋅納米線，美國(guó)專利11608865(2006)“PiezoelectricandSemiconductingCoupledNanogenerator”最早公開一種利用氧化鋅納米線的壓電效應(yīng)，在納米范圍內(nèi)將機(jī)械振動(dòng)、流體振動(dòng)等機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)，掀起了納米發(fā)電與電源技術(shù)研究的熱潮。中國(guó)專利CN101295941A(2008)“交流納米發(fā)電機(jī)及升壓方法”將氧化鋅納米棒陣列與微電機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成交流發(fā)電機(jī)，并通過(guò)串聯(lián)連接或二極管-電容升壓器將其電壓升高。專利CN101710744A(2010)“一種納米發(fā)電機(jī)”利用氧化鋅納米陣列將空間中的各種高頻交變電磁信號(hào)和電磁微波輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能。但是，為進(jìn)一步拓寬納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，需要在復(fù)雜環(huán)境下，將不同的環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為電能，這對(duì)納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電材料提出了更加苛刻的要求。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管以其獨(dú)特的一維納米管狀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能，可以在光、熱、磁、微壓、流體、表面能等多種物理場(chǎng)下產(chǎn)生電流。日本NEC公司首次觀測(cè)到單壁碳納米管纖維中的光電流，并將其歸因?yàn)楣庾诱T導(dǎo)電子-空穴對(duì)產(chǎn)生，同時(shí)在激光照射下電荷分離(ZhangandIijima，Phys.Rev.Lett.，1999)。印度科學(xué)院利用氮或氬等氣流以每秒鐘幾米的低速度流過(guò)半導(dǎo)體材料和碳納米管時(shí)可產(chǎn)生電流(SoodandGhosh，Phys.Rev.Lett.，2004)。美國(guó)麻省理工學(xué)院在碳納米管上覆蓋一層反應(yīng)燃料，然后用激光束或者高壓火花將納米管的一端引燃，產(chǎn)生一種快速移動(dòng)的熱波沿著納米管移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了大量的電流(Choietal，Nat.Mater.，2010)。我國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心制備了定向性良好的碳納米管繩，將其用電極固定，浸入酒精等極性液體時(shí)，在表面張力的作用下，極性溶劑沿著碳管之間的間隙流動(dòng)，最終在管的兩端產(chǎn)生穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)(Liuetal，Adv.Mater.，2010)。清華大學(xué)利用基于單壁碳納米管薄膜的光電源，制備出陣列式發(fā)電單元，在近紅外光照射下，通過(guò)光熱電效應(yīng)，其輸出電壓達(dá)到0.1V以上(Huetal，ACSNANO，2010)。因此，利用碳納米管薄膜加工制備多物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)具有誘人的應(yīng)用前景，其至少可以解決兩個(gè)問(wèn)題：一是單根碳納米管發(fā)電電流通常較弱，不能達(dá)到穩(wěn)定、持續(xù)供電的要求；二是納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合通常是光、熱、流體等多物理場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境，單一物理場(chǎng)下的發(fā)電特性易受外界條件影響，具有一定局限性，同時(shí)也不能綜合利用環(huán)境中的太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源。太陽(yáng)能和風(fēng)能是自然界中有巨大發(fā)展?jié)摿Φ臒o(wú)污染、可再生綠色能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視開發(fā)。但是，由于其發(fā)電功率和穩(wěn)定性受地理分布、季節(jié)變化和晝夜遷移等因素影響，近年來(lái)，太陽(yáng)能和風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成為綠色能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。如中國(guó)專利CN101191601A(2008)“一種高效的風(fēng)光互補(bǔ)路燈”、CN102069731A(2011)“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電軌道電動(dòng)車技術(shù)”、CN102013714A(2011)“風(fēng)光互補(bǔ)綠色能源系統(tǒng)及充電方法”等成果已應(yīng)用于照明、交通等領(lǐng)域?；パa(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電原理主要是利用太陽(yáng)能電池板組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)互補(bǔ)發(fā)電，并對(duì)電能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制和存儲(chǔ)。與單獨(dú)利用太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)相比，互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠全天候發(fā)電，具有較高的發(fā)電功率和穩(wěn)定性，但是由于研究重點(diǎn)集中在能量互補(bǔ)控制技術(shù)上，其發(fā)電組件體積大、重量重，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。因此，如何利用碳納米管薄膜材料的多物理場(chǎng)發(fā)電特性，直接將太陽(yáng)能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，將發(fā)電組件與用電裝置結(jié)合為一體，成為亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提出一種利用碳納米管薄膜在光、熱、流體三種物理場(chǎng)發(fā)電特性構(gòu)建的多物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)，并構(gòu)建矩陣式供電裝置，提高發(fā)電機(jī)輸出功率，能工作于光、熱、流體的復(fù)雜多物理場(chǎng)環(huán)境中，穩(wěn)定、持續(xù)、靈活地驅(qū)動(dòng)用電負(fù)載正常工作。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種多物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)包括外電極、內(nèi)電極、碳納米管薄膜和硅基復(fù)合材料基板；外電極和內(nèi)電極由鉑或鈀金屬材料加工制成條狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)銀膠與碳納米管薄膜兩端歐姆連接，碳納米管薄膜成肘形結(jié)構(gòu)，并淀積于硅基復(fù)合材料基板表面；當(dāng)碳納米管薄膜置于由光照和氣流組成的復(fù)雜多物理場(chǎng)環(huán)境中，并與來(lái)流氣體方向成一定角度時(shí)，太陽(yáng)能通過(guò)光熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換為熱能，致使碳納米管薄膜兩端之間產(chǎn)生溫度差；氣流以一定速度流經(jīng)碳納米管薄膜，由于伯努利效應(yīng)，碳納米管薄膜表面產(chǎn)生壓力差和溫度梯度，進(jìn)一步增大碳納米管薄膜兩端的溫度差，并通過(guò)塞貝克效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電勢(shì)差；為提高發(fā)電機(jī)輸出功率，碳納米管薄膜通過(guò)摻雜或功能化，制備p型或n型發(fā)電單元，將其外電極和內(nèi)電極以串聯(lián)或并聯(lián)方式交互連接，并以絕緣帶隔離，構(gòu)成矩陣式供電裝置。該裝置具有多個(gè)能量輸出節(jié)點(diǎn)，可配置發(fā)電單元數(shù)量，以滿足不同用電負(fù)載的供電要求。本發(fā)明的特點(diǎn)及效果如下：1.本發(fā)明利用碳納米管薄膜在光、熱、流體三種物理場(chǎng)發(fā)電特性構(gòu)建的多物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)，通過(guò)光熱效應(yīng)、伯努利效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)，將太陽(yáng)能、流體機(jī)械能等多種物理場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能。與單物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)相比，多物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)具有較高的輸出功率，并提高了供電穩(wěn)定持續(xù)性。2.本發(fā)明利用多個(gè)p型或n型碳納米管薄膜發(fā)電單元構(gòu)建的矩陣式供電裝置具有多個(gè)能量輸出節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)不同負(fù)載要求配置發(fā)電單元數(shù)量，具有一定冗余度，并避免了變壓器、整流器兩種適配電路。3.矩陣式供電裝置無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，能與用電裝置較好地結(jié)合成一體，可應(yīng)用于汽車、列車、飛機(jī)的蒙皮上，利用光照和氣流即可為內(nèi)部的微納米機(jī)電系統(tǒng)或器件裝置供電。附圖說(shuō)明圖1多物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖2p型發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)理示意圖圖3n型發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)理示意圖圖4矩陣式供電裝置結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明如下：多物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括外電極(1)、內(nèi)電極(2)、碳納米管薄膜(3)和硅基復(fù)合材料基板(4)。外電極(1)和內(nèi)電極(2)由鉑或鈀金屬材料加工制成條狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)銀膠與碳納米管薄膜(3)兩端歐姆連接，碳納米管薄膜(3)成肘形結(jié)構(gòu)，并淀積于硅基復(fù)合材料基板(4)表面。碳納米管薄膜(3)置于由光照(5)和氣流(6)組成的多物理場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境中，并與來(lái)流氣體方向成一定角度(7)。碳納米管是由石墨碳原子構(gòu)成的直徑為納米量級(jí)的空心圓柱管狀結(jié)構(gòu)，具有較高的比表面積和表面活性，致使碳納米管薄膜(3)對(duì)太陽(yáng)輻射具有較高的吸收率。碳納米管薄膜(3)成肘形結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)垂直相交的膜面構(gòu)成，當(dāng)光照(5)作用于碳納米管薄膜(3)的側(cè)面時(shí)，太陽(yáng)能通過(guò)光熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換為熱能，致使碳納米管薄膜(3)兩端產(chǎn)生溫度差。當(dāng)氣流(6)以一定速度流經(jīng)碳納米管薄膜(3)，由于伯努利效應(yīng)，碳納米管薄膜(3)表面產(chǎn)生壓力差和溫度梯度，進(jìn)一步增大碳納米管薄膜(3)兩端的溫度差，并通過(guò)塞貝克效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電勢(shì)差，電勢(shì)差大小由外電極(1)和內(nèi)電極(2)連接電位計(jì)(8)測(cè)量。p型發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)理示意圖如圖2所示，利用化學(xué)氣相沉積法制備的碳納米管薄膜(3)通常表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體性質(zhì)，主要靠多數(shù)載流子空穴(9)導(dǎo)電，受主原子吸收電子，形成負(fù)離子(10)。設(shè)碳納米管薄膜(3)兩端初始溫度為T0，對(duì)于尚未建立起溫差電動(dòng)勢(shì)，其內(nèi)部載流子呈均勻分布。當(dāng)光照和氣流對(duì)碳納米管薄膜(3)的共同作用時(shí)，溫度逐漸升高，在碳納米管薄膜(3)表面產(chǎn)生溫度梯度。設(shè)太陽(yáng)能的光熱效應(yīng)使碳納米管薄膜外電極(1)端溫度升高ΔT1，流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，使其溫度升高ΔT2，熱傳導(dǎo)作用使碳納米管薄膜內(nèi)電極(2)端溫度升高ΔT3，最終導(dǎo)致碳納米管薄膜(3)兩端的溫度差為ΔTs1+ΔT2-ΔT3。此時(shí)，處于熱端的載流子具有較大的動(dòng)能，趨于向冷端運(yùn)動(dòng)并堆積，使導(dǎo)體內(nèi)的電中性遭到破壞。載流子在冷端的積累致使在導(dǎo)體內(nèi)建立起一個(gè)自建電場(chǎng)E，該自建電場(chǎng)方向與溫度梯度方向相反，將阻止熱端載流子向冷端的進(jìn)一步擴(kuò)散。這樣當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)載流子的擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)無(wú)凈電荷的定向移動(dòng)，此時(shí)在導(dǎo)體兩端將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。碳納米管薄膜(3)熱端與冷端分別與外電極(1)和內(nèi)電極(2)歐姆連接，外部與金屬導(dǎo)線和電位計(jì)相連， 組成閉合回路。由于鉑或鈀電極材料和金屬導(dǎo)線的溫差電動(dòng)勢(shì)率較小，可以忽略不計(jì)，電位計(jì)(8)測(cè)量的電勢(shì)差約等于碳納米管薄膜(3)兩端的電勢(shì)差。n型發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)理示意圖如圖3所示，經(jīng)摻雜或功能化，碳納米管薄膜(3)表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體性質(zhì)，主要靠多數(shù)載流子自由電子(11)導(dǎo)電，載流子流動(dòng)方向與電流方向相反，施主原子提供電子，形成正離子(10)。n型發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)理與p型發(fā)電單元類似，但是產(chǎn)生的電流方向相反。矩陣式供電裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括p型發(fā)電單元(13)、n型發(fā)電單元(14)、絕緣帶(15)、底座(16)和能量輸出節(jié)點(diǎn)(17)。每個(gè)發(fā)電單元都是一個(gè)獨(dú)立的多物理場(chǎng)納米發(fā)電機(jī)，多個(gè)p型和n型發(fā)電單元的兩端電極通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式交互連接，中間以絕緣帶(15)隔離，固定于底座(16)。根據(jù)不同負(fù)載要求配置發(fā)電單元數(shù)量，提高了發(fā)電機(jī)輸出功率。多個(gè)能量輸出節(jié)點(diǎn)(17)具有一定冗余度，并提供多種不同供電參數(shù)，用電負(fù)載可根據(jù)需要選擇連接，避免了變壓器、整流器兩種適配電路。矩陣式供電裝置近似為長(zhǎng)方體薄板結(jié)構(gòu)，也適于工程應(yīng)用中的弧面結(jié)構(gòu)，其電能輸出功率影響不大。由于矩陣式供電裝置無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可應(yīng)用于汽車、列車、飛機(jī)的蒙皮上，利用光照和氣流即可為內(nèi)部的微納米機(jī)電系統(tǒng)或器件裝置供電。