一種復(fù)合能源裝置和發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型復(fù)合能源裝置，特別是涉及可以同時(shí)或分別收集太陽(yáng)能和雨水能量的復(fù)合綠色能源系統(tǒng)和發(fā)電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前社會(huì)，傳統(tǒng)能源的匱乏及其帶來(lái)的污染等問題，已經(jīng)引起了人們的高度關(guān)注。太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的環(huán)境友好型能源，是最有前途的新能源之一。太陽(yáng)能電池利用光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，是太陽(yáng)能利用的最有效形式。目前，太陽(yáng)能電池已經(jīng)被成熟的商業(yè)化，廣泛的應(yīng)用于屋頂、道路以及空曠而日照充足的地方進(jìn)行光伏發(fā)電，成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊环N發(fā)電方式。
[0003]在實(shí)際生產(chǎn)中，為了避免環(huán)境的污染和破壞，延長(zhǎng)太陽(yáng)能電池的使用壽命，太陽(yáng)能電池的表面一般都會(huì)被覆蓋一層透明的玻璃保護(hù)板。在晴天時(shí)，太陽(yáng)能電池可以有效的收集太陽(yáng)光的能量進(jìn)行光伏發(fā)電，然而在雨天或夜晚時(shí)，太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率急劇下降甚至消失，這時(shí)候的電池板便無(wú)法正常工作提供電能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)雨季中因日照不足或沒有日照的情況下，太陽(yáng)能電池發(fā)電效率急劇下降的問題，提出用透明的摩擦發(fā)電機(jī)覆蓋在太陽(yáng)能電池表面，代替太陽(yáng)能電池表面最上層的保護(hù)板，組成一種新型的復(fù)合能源裝置。這種新型復(fù)合能源裝置，在晴天時(shí)，照常收集太陽(yáng)光能量進(jìn)行光伏發(fā)電，而在雨天光伏發(fā)電效率大幅降低時(shí)，同時(shí)收集雨水能量進(jìn)行摩擦發(fā)電。該發(fā)明中的透明摩擦發(fā)電機(jī)一方面可以作為太陽(yáng)能電池的保護(hù)層，不影響太陽(yáng)能電池的光伏效率，另一方面，又可以收集自然界中雨水的能量，是對(duì)光伏發(fā)電的一種有益補(bǔ)充。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本方法提出一種復(fù)合能源裝置，包括:太陽(yáng)能電池和覆蓋在太陽(yáng)能電池上的摩擦發(fā)電機(jī)，其中:
[0006]所述摩擦發(fā)電機(jī)自下而上由透明襯底、透明導(dǎo)電層和透明摩擦層依次層疊組成，其中，所述摩擦層的下表面完全覆蓋所述導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層與等電位電連接。
[0007]優(yōu)選的，所述摩擦層的表面為疏水結(jié)構(gòu)。
[0008]優(yōu)選的，所述摩擦層的表面具有超疏水性，超疏水接觸角大于150°。
[0009]優(yōu)選的，所述摩擦層表面具有微納結(jié)構(gòu)層，所述微納結(jié)構(gòu)層為納米線、納米管、納米顆粒、納米棒、納米花、納米溝槽、微米溝槽,納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結(jié)構(gòu)，以及由前述結(jié)構(gòu)形成的陣列。
[0010]優(yōu)選的，所述微納結(jié)構(gòu)層與所述摩擦層的材料相同。
[0011]優(yōu)選的，所述微納結(jié)構(gòu)層為通過(guò)光刻蝕、化學(xué)刻蝕和等離子刻蝕的方法在所述摩擦層的上表面制備；或者所述微納結(jié)構(gòu)層在制備摩擦層材料時(shí)直接形成。
[0012]優(yōu)選的，所述摩擦層的材料為透明絕緣材料。
[0013]優(yōu)選的，所述絕緣材料為下列材料中的一種或者幾種:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯。
[0014]優(yōu)選的，所述摩擦層的厚度為50nm-lmm。
[0015]優(yōu)選的，所述透明導(dǎo)電層的材料為透明導(dǎo)電膜TC0、氧化銦錫透明導(dǎo)電膜ΙΤ0、摻氟氧化錫透明導(dǎo)電膜FT0或摻鋁氧化鋅透明導(dǎo)電膜ΑΖ0。
[0016]優(yōu)選的，所述透明襯底、透明導(dǎo)電層和透明摩擦層均為柔性材料；或者，所述透明襯底、透明導(dǎo)電層和透明摩擦層均為硬性材料。
[0017]優(yōu)選的，所述透明襯底材料為PET薄膜、玻璃或石英。
[0018]優(yōu)選的，所述摩擦發(fā)電機(jī)緊密貼合封裝并固定于太陽(yáng)能電池上表面；
[0019]或者，所述摩擦發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)能電池之間通過(guò)支撐體互相隔離開，在所述摩擦發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池之間形成空隙。
[0020]優(yōu)選的，所述空隙的厚度為lmm-5mm。
[0021]優(yōu)選的，所述太陽(yáng)能電池是表面具有微納凹凸結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽(yáng)能電池。
[0022]優(yōu)選的，所述太陽(yáng)能電池為單晶硅太陽(yáng)能電池，自下而上由底電極層、P+背反射層、單晶p型硅層、n+發(fā)射層、氮化硅膜、柵格狀銀線以及氧化銦錫ΙΤ0電極構(gòu)成。
[0023]優(yōu)選的，所述太陽(yáng)能電池為有機(jī)物柔性太陽(yáng)能電池或染料敏化太陽(yáng)能電池。
[0024]優(yōu)選的，所述透明導(dǎo)電層通過(guò)導(dǎo)線連接負(fù)載或檢測(cè)裝置后接地電位或者等電位電路。
[0025]優(yōu)選的，所述摩擦發(fā)電機(jī)還包括整流元件，上述整流元件連接在所述透明導(dǎo)電層與等電位之間。
[0026]優(yōu)選的，所述摩擦發(fā)電機(jī)摩擦層的表面與地面的夾角范圍為20°至70°。
[0027]優(yōu)選的，所述摩擦發(fā)電機(jī)與所述太陽(yáng)能電池均為平板狀，所述摩擦發(fā)電機(jī)置于所述太陽(yáng)能電池上方。
[0028]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種發(fā)電方法，采用上述任一項(xiàng)所述的復(fù)合能源裝置，太陽(yáng)光透過(guò)所述摩擦發(fā)電機(jī)照射到所述太陽(yáng)能電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；
[0029]和/或，帶電荷的雨滴或流動(dòng)的雨水與所述摩擦發(fā)電機(jī)的透明摩擦層表面接觸后分離，在所述透明導(dǎo)電層上產(chǎn)生感應(yīng)電荷并在透明導(dǎo)電層與等電位之間形成電流。
[0030]優(yōu)選的，所述摩擦發(fā)電機(jī)的接入電阻為5M-15M。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列有益效果:
[0032]1、本發(fā)明首次提出了一種新型復(fù)合能源裝置，用于同時(shí)或分別收集自然界中不同天氣狀況下的太陽(yáng)能和雨水能量。該復(fù)合能源電池系統(tǒng)由兩套獨(dú)立的發(fā)電組件構(gòu)成，下層是太陽(yáng)能電池，通過(guò)光伏效應(yīng)收集日照中的太陽(yáng)光能量；上層是透明的摩擦發(fā)電機(jī)，通過(guò)摩擦或接觸發(fā)電而收集下雨天雨水的靜電能，同時(shí)摩擦發(fā)電機(jī)還可以承擔(dān)太陽(yáng)能電池表面的環(huán)境保護(hù)板的角色。
[0033]2、本發(fā)明提出并制作的新型復(fù)合能源裝置，晴天時(shí)能夠保證太陽(yáng)能的有效光電轉(zhuǎn)換，雨天光伏發(fā)電效率大幅降低時(shí)，摩擦發(fā)電機(jī)收集雨水能量進(jìn)行發(fā)電輸出，是對(duì)太陽(yáng)能的一種有益補(bǔ)充。本發(fā)明拓展了單一利用光伏發(fā)電的太陽(yáng)能電池板為復(fù)合能源裝置，是一種全新的復(fù)合型綠色能源裝置，在雨水較多的地區(qū)和雨水較多的季節(jié)，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0034]3、本發(fā)明中的摩擦發(fā)電機(jī)的各層材料，在太陽(yáng)光波段是透明的，幾乎無(wú)吸收，類似現(xiàn)有商用太陽(yáng)能電池板的保護(hù)板，不影響太陽(yáng)能電池對(duì)日光的吸收，即不影響太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0035]4、摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層的表面，可以進(jìn)行微米、納米結(jié)構(gòu)修飾或者進(jìn)行表面化學(xué)改性，增強(qiáng)摩擦層的超疏水性，并進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出特性。
[0036]5、摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層表面的疏水的微納結(jié)構(gòu)層同時(shí)具有自清潔的功能，將有助于摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層維持一干凈表面，對(duì)于使用在戶外大自然環(huán)境中，可確保可長(zhǎng)時(shí)間潔凈并提供有效輸出。
【附圖說(shuō)明】
[0037]通過(guò)附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。
[0038]圖1為本發(fā)明復(fù)合能源裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖2為復(fù)合能源裝置中摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層表面包括微納結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖3為復(fù)合能源裝置中太陽(yáng)能電池表面包括微納結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖4為復(fù)合能源裝置中摩擦發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池之間包括空隙的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖5為復(fù)合能源裝置中摩擦發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖；
[0043]圖6為摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流密度曲線，和連接并通過(guò)電阻情況下電壓、電流密度及輸出功率密度的變化曲線；
[0044]圖7為隨著摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層與雨水下落方向之間的夾角不同時(shí)，摩擦發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出電壓和電流密度結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0045]現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池，在晴天可以有效的收集太陽(yáng)光的能量進(jìn)行光伏發(fā)電，然而在雨天或夜晚時(shí)，太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率急劇下降甚至消失，無(wú)法正常工作提供電能。
[0046]摩擦發(fā)電機(jī)是近兩年發(fā)明的一種新型的將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，利用得失電子能力不同的兩種材料之間的互相摩擦，發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移，能夠?qū)V泛存在的機(jī)械能，如風(fēng)能、各種運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能、以及人體活動(dòng)如步行、跑動(dòng)、跳動(dòng)等形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑸樾⌒碗娮悠骷绫銛y設(shè)備等提供電源。尤其最近新發(fā)現(xiàn)，水與一些材料也可以摩擦起電，這樣摩擦發(fā)電機(jī)就可以捕獲自然界中與水相關(guān)的能量，例如:水流、海浪、雨水等。
[0047]本發(fā)明采用透明的摩擦發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)能電池相結(jié)合，組成一種新型的復(fù)合能源裝置。晴天時(shí)，該系統(tǒng)中的太陽(yáng)能電池可以收集太陽(yáng)光能量進(jìn)行光伏發(fā)電，而在雨天太陽(yáng)能電池發(fā)電效率較低時(shí)，摩擦發(fā)電機(jī)可以收集雨水能量進(jìn)行摩擦發(fā)電。
[0048]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)、清楚地