專利名稱：一種天線紅外電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外能應(yīng)用領(lǐng)域，涉及
成電能的天線紅外電池。
種利用寬帶接收天線接收紅外能并高效轉(zhuǎn)化
背景技術(shù)：
煤、石油和天然氣等化石能源是最古老、應(yīng)用最普遍的能源。但它們是不可再生資源，正在不斷的耗竭之中。據(jù)能源專家預(yù)測，地球上所蘊(yùn)藏的可開采利用的煤和石油，分別將在200年和30 40年內(nèi)耗竭，天然氣按儲采比也只能用60年。然而，隨著社會的快速發(fā)展、人們生活水平的不斷提高和人口的不斷增長，能源消耗水平也將大幅度增長，尤其近50年來，其增長幅度相當(dāng)大，給世界能源造成了極大的壓力。 太陽能作為一種清潔能源，沒有溫室氣體排放，不產(chǎn)生污染，具有良好的環(huán)境效益和社會效應(yīng)，對人類來說幾乎是取之不盡，用之不竭。太陽每小時發(fā)出的總輻射能量為3. 8 X 1023kW. h。太陽輻射到地球大氣層的能量為17萬TW，除去近1/3的能源反射回太空，地球表面接收的太陽輻射能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類利用的太陽輻射能量，而一天內(nèi)太陽輻照能量相當(dāng)于全球所有發(fā)電廠運(yùn)轉(zhuǎn)250年所產(chǎn)生的能量。因此，在太陽能研究領(lǐng)域，如何將賜予地球的太陽能轉(zhuǎn)化為人類直接利用的能量，是我們需要解決的問題，也是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 在太陽能中，除了可見光能外，還有紅外能等形式。資料研究表明，太陽輻射光譜中，其中有40 %在可見光區(qū)，50 %在紅外區(qū)，10 %在紫外區(qū)。由于紅外線亦屬于電磁波，它具有電磁波的波動特性。與此同時，太陽照射在地球上，使地球和空氣溫度升高，使能量以熱能形式儲存起來，并源源不斷的以紅外能的形式輻射出來。 目前，太陽能利用不僅轉(zhuǎn)化效率低下，而且利用率也很低。在太陽能利用上，大部分局限在太陽光能范圍，而廣泛存在的紅外能量至今還沒有開發(fā)利用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供了一種天線紅外電池，可實現(xiàn)紅外——電的高效轉(zhuǎn)化。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提供的一種天線太陽能電池，包括紅外電池板，紅外電池板設(shè)有一個或以上紅外電池基本單元，所述紅外電池基本單元由紅外接收天線、交直流整流器和與紅外接收天線相鄰的電極構(gòu)成；所述紅外接收天線，接收紅外電磁波，將紅外電磁波的能量轉(zhuǎn)化成高頻交流電能后輸入交直流整流器；交直流整流器采用橋式整流電路實現(xiàn)，通過橋式整流電路將電極與紅外接收天線相連接；所述交直流整流器，將紅外接收天線所輸入高頻交流電能轉(zhuǎn)化成直流電，通過電極提供直流電；當(dāng)紅外電池板設(shè)有一個以上紅外電池基本單元時，紅外電池基本單元通過電極級聯(lián)。 而且，所述紅外電池基本單元由一個作為紅外線接收天線的寬帶對稱平面接收天線、四個構(gòu)成橋式整流電路的整流MIN 二極管和兩個電極組成。
而且，所述寬帶對稱平面接收天線采用寬帶平面蝶形天線，天線空間幾何尺寸根 據(jù)實際環(huán)境的紅外輻射頻率范圍而定。 而且，所述電極采用排列在紅外接收天線兩個饋電點(diǎn)所在直線兩側(cè)的金屬條帶， 電極延伸方向與紅外接收天線兩個饋電點(diǎn)所在直線方向一致；紅外接收天線與相鄰電極之 間有空白區(qū)域，在保障電極與紅外接收天線無直接電氣連接和不影響紅外接收天線電氣性 能條件下，由電極所用金屬條帶向空白區(qū)域作適當(dāng)延伸；紅外接收天線的天線體和電極材 料相同，紅外接收天線的表面為絕緣層。 而且，所述橋式整流電路構(gòu)成方式為，在紅外接收天線的每個饋電點(diǎn)與相鄰兩側(cè) 的電極之間分別跨接整流MIN二極管。 而且，整流MIN二極管與紅外接收天線為一體化融合設(shè)計，即紅外接收天線每個 饋電點(diǎn)兩側(cè)分別與兩側(cè)相向電極之間跨放有金屬窄條，金屬窄條橋搭在紅外接收天線的上 表面絕緣層和電極的上表面之間，同一紅外電池單元不同電極連接的金屬窄條材料不同。
而且，當(dāng)紅外電池板設(shè)有一個以上紅外電池基本單元時，紅外電池基本單元通過 電極級聯(lián)的構(gòu)成方式如下， 先由若干紅外電池單元沿著電極延伸方向排列，相鄰紅外電池單元的同側(cè)電極相 互連通，紅外電池單元呈并聯(lián)形式，得到并聯(lián)陣列；然后若干相鄰的并聯(lián)陣列共用一個電 極，沿著垂直于電極延伸方向排列構(gòu)成串聯(lián)陣列；最后將若干串聯(lián)陣列在主電極之間按照 主電極延伸的方向并聯(lián)排列組成紅外電池陣，設(shè)置紅外電池陣的主電極；各串聯(lián)陣列最外 側(cè)的兩個電極同時分別兼作該串聯(lián)陣列的正負(fù)電極，其中串聯(lián)陣列的正電極一端與正主電 極相連接，串聯(lián)陣列的負(fù)電極一端與負(fù)主電極相連接。 而且，設(shè)有透明玻璃蓋板、紅外反射薄膜、黑色吸光紅外輻射體和隔熱層密封容 器，透明玻璃蓋板、紅外反射薄膜、紅外電池板和黑色吸光紅外輻射體依次放置在隔熱層密 封容器中。 本發(fā)明設(shè)計一種天線紅外電池，采用紅外接收天線接收外界的紅外能量或?qū)⑻?能轉(zhuǎn)換成的紅外能，進(jìn)而將紅外能轉(zhuǎn)化成電能。由于紅外能無時不有，因此采用紅外電池可 實現(xiàn)晝夜發(fā)電。按照天線電磁波基本理論，天線接收電磁波能的效率和頻段可控，高效率天 線的效率可達(dá)70 80%以上。由于天線由導(dǎo)電金屬做成，相對于半導(dǎo)體太陽能光電池而 言，成本相對低廉。預(yù)計每個電池單元能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)65%以上?？紤]到電阻損耗，整個 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率可在50%以上。本發(fā)明所提供天線紅外電池易于批量生產(chǎn)，具有巨大社 會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)價值。
圖1為本發(fā)明實施例的紅外電池基本單元原理示意圖。 圖2為本發(fā)明實施例的并聯(lián)陣列結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明實施例的串聯(lián)陣列結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本發(fā)明實施例的紅外電池陣結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本發(fā)明實施例的整流MIN二極管與紅外接收天線的一體化融合設(shè)計示意 圖。 圖6為本發(fā)明實施例的天線紅外電池發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例，詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。 天線紅外電池中可以設(shè)置一個或以上紅外電池基本單元。只設(shè)置單個紅外電池基 本單元，輸出電壓和電流比較小。為了獲得大的輸出功率，可以設(shè)置多個紅外電池基本單 元，并進(jìn)行合理的組合和連接。每個紅外電池單元由紅外接收天線、交直流整流器和紅外接 收天線相鄰的電極構(gòu)成，交直流整流器采用橋式整流電路實現(xiàn)，通過橋式整流電路將電極 與紅外接收天線相連接；所述紅外接收天線，接收紅外電磁波，將紅外電磁波的能量轉(zhuǎn)化成 高頻交流電能后輸入交直流整流器；所述交直流整流器，將紅外接收天線所輸入高頻交流 電能轉(zhuǎn)化成直流電，通過電極可為負(fù)載或蓄電池提供直流電。本發(fā)明實施例中，所述紅外 電池基本單元由一個寬帶對成平面接收天線、四個整流二極管和兩個電極組成，即紅外接 收天線采用寬帶對稱平面接收天線，交直流整流器的橋式整流電路采用四個整流二極管構(gòu) 成，兩個電極分別提供正負(fù)極。 本發(fā)明中，為了充分接收紅外能量，紅外接收天線采用寬帶平面蝶形天線、寬帶平 面螺旋天線等寬帶平面對稱天線均可，天線實際空間幾何尺寸根據(jù)實際環(huán)境的紅外輻射頻 率范圍而定。紅外接收天線的主要功能是接收紅外電磁波，以便將紅外電磁波能高效轉(zhuǎn)化 成高頻電流能量。為了提高紅外能利用率，天線頻率范圍應(yīng)盡量覆蓋環(huán)境紅外輻射能量集 中的波段。紅外接收天線的天線體材料為導(dǎo)電金屬，紅外接收天線的表面為絕緣層。本發(fā) 明實施例采用寬帶平面蝶形天線。 本發(fā)明中，電極可采用排列在紅外接收天線兩個饋電點(diǎn)所在直線兩側(cè)的金屬條 帶(兩個電極分別分布在兩側(cè))，電極延伸方向與紅外接收天線兩個饋電點(diǎn)所在直線方向 一致；紅外接收天線與相鄰電極之間有空白區(qū)域，在保障電極與紅外接收天線無直接電氣 連接和不影響紅外接收天線電氣性能條件下，由電極所用金屬條帶向空白區(qū)域作適當(dāng)延伸 (外觀上表現(xiàn)為條帶的一側(cè)有凸出)；紅外接收天線的天線體和電極材料相同，采用同樣的 導(dǎo)電金屬即可。本發(fā)明實施例將電極設(shè)置為排列在寬帶平面蝶形天線兩側(cè)的良導(dǎo)體金屬條 帶，電極延伸方向與寬帶平面蝶形天線兩饋電點(diǎn)所在直線的延長線方向相一致，圖1中用 虛線表示該直線，由于寬帶平面蝶形天線為對稱結(jié)構(gòu)，該線是寬帶平面蝶形天線的一條中 心線。 本發(fā)明進(jìn)一步提供橋式整流電路實現(xiàn)方式，即采用整流MIN二極管組成的橋式電 路，主要任務(wù)是將高頻交流電能轉(zhuǎn)化成直流電。這種橋式電路的基本構(gòu)成為，在紅外接收天 線的每個饋電點(diǎn)與相鄰兩側(cè)的電極之間分別跨接MIN二極管。由于紅外接收天線輸出的交 流電頻率極高，因此交直流整流器也需要有相應(yīng)的工作頻率響應(yīng)。本發(fā)明實施例基于整流 MIM隧穿二極管設(shè)計思想，使電極與紅外接收天線直接相連構(gòu)成橋式整流電路，實現(xiàn)紅外接 收天線與MIN 二極管組成的橋式整流電路一體化融合設(shè)計，使每個寬帶平面蝶形天線成為 相應(yīng)的整流MM 二極管的一部分。由于紅外接收天線的輸出端與MIM 二極管直接相連，不 僅避免了極高頻交流電經(jīng)過傳輸線引起的傳輸損耗和趨膚損耗，保證系統(tǒng)電氣連接的可靠 性，還可大大簡化加工難度和方便批量生產(chǎn)。 實施例的紅外電池基本單元結(jié)構(gòu)如圖1中所示，1表示紅外電池單元的紅外接收 天線，2表示電極，3表示整流MIN二極管。電池基本單元由單個紅外接收天線1和與其相鄰的電極2，以及將電極與紅外接收天線相連的整流MIM 二極管3構(gòu)成，因此共有4個整流 MIM二極管3。具體實施設(shè)計時，紅外接收天線具體空間幾何尺寸可根據(jù)電磁場與天線理論 優(yōu)化得到。實施例的整流MIN二極管與紅外接收天線的一體化融合設(shè)計如圖5所示。其中， 6表示構(gòu)成天線體的金屬面片，7表示構(gòu)成電極的金屬條帶，8表示橋搭在金屬面片6上的紅 外接收天線饋電點(diǎn)與兩側(cè)的電極之間的金屬窄條，具體來說金屬窄條是橋搭在紅外接收天 線的上表面絕緣層和電極的上表面之間。實施例的紅外接收天線采用寬帶平面蝶型天線， 構(gòu)成天線體的金屬面片上表面上有一層絕緣層薄膜，每個天線饋電點(diǎn)分別與兩側(cè)的電極之 間跨放的金屬窄條外表面也有絕緣層，這兩種絕緣層厚度相同。金屬窄條、構(gòu)成天線體的金 屬面片，以及與金屬窄條接觸的天線面上表面絕緣層一起構(gòu)成整流MM二極管。每個紅外 電池單元中，紅外接收天線的饋電點(diǎn)與兩側(cè)相鄰的電極之間一共橋搭有四片金屬窄條，同 一電極一側(cè)的金屬窄條材料相同，但同一紅外電池單元中兩個電極分別連接的金屬窄條材 料不同，分別記為X和Y;天線體和電極的材料相同，設(shè)為Z。為了形成具有整流功能的MIN 二極管，材料X、Y和Z應(yīng)當(dāng)電阻率足夠小(一般要求小于10—7Qm)，其功能函數(shù)f()還應(yīng)滿 足f(X) > f(Z) > f(Y)或者f(Y) > f(Z) > f(X)條件。功能函數(shù)f()是材料的導(dǎo)電性與 材料的關(guān)系，相應(yīng)具體函數(shù)關(guān)系可查找相關(guān)文獻(xiàn)。 本發(fā)明進(jìn)一步提供了設(shè)置多個紅外電池基本單元時，對這些單元進(jìn)行合理的組合 和連接的建議方案，參見圖2、圖3和圖4，實施例的紅外電池陣采用先并再串后并聯(lián)的方式 得到 (1)先由若干紅外電池基本單元沿著電極延伸方向排列，相鄰紅外電池基本單元 的同側(cè)電極相互連通，排列的紅外電池基本單元呈并聯(lián)形式，得到并聯(lián)陣列，如圖2所示。
(2)按上述方式得到若干個并聯(lián)陣列，通過相鄰的并列陣列共用一個電極，沿著垂 直于電極延伸方向排列構(gòu)成串聯(lián)陣列，如圖3所示。 (3)按上述方式得到若干個串聯(lián)陣列，將這些串聯(lián)陣列置于在主電極之間，按照主 電極延伸的方向并聯(lián)排列組成整個紅外電池陣；如圖4所示。圖4中4和5分別為紅外電 池陣的正負(fù)主電極，當(dāng)向負(fù)載或蓄電池供電時由主電極提供電源接入。 具體實施時，構(gòu)成紅外電池陣的紅外電池單元個數(shù)、串聯(lián)陣列的個數(shù)可視要求輸 出量程和耐壓耐流的安全范圍而定。 由于太陽能光伏發(fā)電效率低，成本相對較高，為了提高太陽能利用效率，可將太陽 能先高效采集、吸收和儲存起來，然后利用本發(fā)明的天線紅外電池技術(shù)方案接收其紅外輻 射，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電能。本發(fā)明提供了優(yōu)選的天線紅外電池整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案，如圖6所示。 其中，9表示透明玻璃蓋板，10表示紅外反射薄膜，11表示黑色吸光紅外輻射體，12表示紅 外電池板(其中實現(xiàn)一個或以上紅外電池單元)，13表示隔熱層密封容器。隔熱層密封容 器13中，由上到下依次放置透明玻璃蓋板9、紅外反射薄膜10、黑色吸光紅外輻射體11和 紅外電池板12。太陽輻射通過透明玻璃蓋板9、紅外反射薄膜10、黑色吸光紅外輻射體11 收集后，由紅外電池板12上的紅外接收天線接收并轉(zhuǎn)換為電能。 本發(fā)明所用材料在目前市場上均可獲得。通過計算機(jī)仿真分析，本發(fā)明的單個電 池單元能量轉(zhuǎn)化效率不小于65%?？紤]到一般情況下的電阻損耗，整個天線紅外電池能量 轉(zhuǎn)化率可達(dá)50%以上。
權(quán)利要求
一種天線紅外電池，其特征在于包括紅外電池板，紅外電池板設(shè)有一個或以上紅外電池基本單元，所述紅外電池基本單元由紅外接收天線、交直流整流器和與紅外接收天線相鄰的電極構(gòu)成；所述紅外接收天線，接收紅外電磁波，將紅外電磁波的能量轉(zhuǎn)化成高頻交流電能后輸入交直流整流器；交直流整流器采用橋式整流電路實現(xiàn)，通過橋式整流電路將電極與紅外接收天線相連接；所述交直流整流器，將紅外接收天線所輸入高頻交流電能轉(zhuǎn)化成直流電，通過電極提供直流電；當(dāng)紅外電池板設(shè)有一個以上紅外電池基本單元時，紅外電池基本單元通過電極級聯(lián)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線紅外電池，其特征在于所述紅外電池基本單元由一個 作為紅外線接收天線的寬帶對稱平面接收天線、四個構(gòu)成橋式整流電路的整流MIN 二極管 和兩個電極組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線紅外電池，其特征在于所述寬帶對稱平面接收天線采 用寬帶平面蝶形天線，天線空間幾何尺寸根據(jù)實際環(huán)境的紅外輻射頻率范圍而定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線紅外電池，其特征在于所述電極采用排列在紅外接收 天線兩個饋電點(diǎn)所在直線兩側(cè)的金屬條帶，電極延伸方向與紅外接收天線兩個饋電點(diǎn)所在 直線方向一致；紅外接收天線與相鄰電極之間有空白區(qū)域，在保障電極與紅外接收天線無 直接電氣連接和不影響紅外接收天線電氣性能條件下，由電極所用金屬條帶向空白區(qū)域作 延伸；紅外接收天線的天線體和電極材料相同，紅外接收天線的表面為絕緣層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線紅外電池，其特征在于所述橋式整流電路構(gòu)成方式為， 在紅外接收天線的每個饋電點(diǎn)與相鄰兩側(cè)的電極之間分別跨接整流MIN二極管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線紅外電池，其特征在于整流MIN二極管與紅外接收天 線為一體化融合設(shè)計，即紅外接收天線每個饋電點(diǎn)兩側(cè)與相鄰電極之間分別跨放有金屬窄 條，金屬窄條橋搭在紅外接收天線的上表面絕緣層和電極的上表面之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線紅外電池，其特征在于當(dāng)紅外電池板設(shè)有一個以上紅 外電池基本單元時，紅外電池基本單元通過電極級聯(lián)的方式如下，先由若干紅外電池基本單元沿著電極延伸方向排列，相鄰紅外電池基本單元的同側(cè)電 極相互連通，紅外電池基本單元呈并聯(lián)形式，得到并聯(lián)陣列；然后若干相鄰的并聯(lián)陣列共用 一個電極，沿著垂直于電極延伸方向排列構(gòu)成串聯(lián)陣列；最后將若干串聯(lián)陣列在主電極之 間按照主電極延伸的方向并聯(lián)排列組成紅外電池陣；各串聯(lián)陣列最外側(cè)的兩個電極同時分 別兼作該串聯(lián)陣列的正負(fù)電極，其中串聯(lián)陣列的正電極一端與正主電極相連接，串聯(lián)陣列 的負(fù)電極一端與負(fù)主電極相連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l或2或3或4或5或6或7所述的天線紅外電池，其特征在于設(shè) 有透明玻璃蓋板、紅外反射薄膜、黑色吸光紅外輻射體和隔熱層密封容器，透明玻璃蓋板、 紅外反射薄膜、紅外電池板和黑色吸光紅外輻射體依次放置在隔熱層密封容器中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天線紅外電池，其結(jié)構(gòu)主要包括紅外電池基本單元，所述紅外電池基本單元由紅外接收天線、交直流整流器和紅外接收天線相鄰的電極構(gòu)成，所述紅外接收天線，接收紅外電磁波，將紅外電磁波的能量轉(zhuǎn)化成高頻交流電能后輸入交直流整流器；所述交直流整流器采用橋式整流電路實現(xiàn)，通過橋式整流電路將電極與紅外接收天線相連接；所述交直流整流器，將紅外接收天線所輸入高頻交流電能轉(zhuǎn)化成直流電，通過電極提供直流電；所述紅外電池陣由若干紅外電池基本單元級聯(lián)而成。本發(fā)明將太陽能高效采集-吸收-儲存、以紅外能形式輻射、通過電池接收，將太陽能高效轉(zhuǎn)化成電能。本發(fā)明能量轉(zhuǎn)化率高，易于制備和批量生產(chǎn)。
文檔編號H02J17/00GK101719697SQ20091027340
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者陳喆, 高可至, 高火濤 申請人:武漢大學(xué)