本发明涉及太阳能发电应用领域，更具体地说，涉及一种微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置。
背景技术：
太阳每年辐射至地球表面的能量约为3×1024焦耳，相当于目前全球商业能源消耗量的10000倍左右。因此，太阳能作为一种清洁、环保和广泛持久存在的新能源，是人类社会应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一。现阶段，一般主要采用热发电和光伏发电两种太阳能发电方式。热发电是将太阳辐射能转换成热能并加以发电应用；光伏发电是将半导体等材料的光伏效应原理制造太阳电池，将光能转换为电能、太阳能光伏发电可以直接转化太阳光能为电能，不需要燃料资源，也不会产生污染问题，同时具有许多优势，如维护难度较小，建设周期较短，不会产生噪声、能量获取容易等。因此近些年来，光伏发电得到了较快发展。但是，目前光伏发电在能源市场中所占比重还不足1％，阻碍其发展的因素主要是：①效率问题；②新材料及新结构的开发应用问题，如：如何进一步增强对太阳光的吸收，如何减小对太阳光反射造成的能量损失，如何将光伏发电与光热发电有机结合并高效地加以综合利用等，这些都极待人们去解决。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，提供一种发电效率高的微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置，包括：微纳米多重光陷阱发电器、光伏发电器和温差热电发电器，并复合构成一体化结构，具有微纳米多重陷光发电效应、压电-摩擦发电效应、光伏多次发电效应、温差热电发电效应的综合效应；
所述微纳米多重光陷阱发电器包括：三层微纳米材料阵列层、两层透明电极层、两层弹性垫层；所述微纳米材料阵列层包括：微纳米复合材料阵列层；所述第一透明电极层上侧面组装有第一微纳米材料阵列层，并具有陷光效应与压电发电效应的双重效应；所述第一透明电极层下侧面组装有第二微纳米材料阵列层；所述第二透明电极层上侧面组装有第三微纳米材料阵列层；所述第一透明电极层下侧面与第二透明电极层上侧面之间有第一弹性垫层；在第二透明电极层下侧面与光伏发电器之间有第二弹性垫层；所述第一透明电极层下侧面组装的第二微纳米材料阵列层与第二透明电极层上侧面组装的第三微纳米材料阵列层形成相互嵌套，在第一弹性垫层、第二弹性垫层共同作用下形成既能保持合适间隙，又能够在摩擦移动过程中保持有效接触，并构成多重光陷阱空间结构；在环境产生振动力或气流冲击摩擦力的作用下，能够产生压电-摩擦发电效应。
上述方案中，所述透明导电电极层采用石墨烯薄膜、石墨烯复合薄膜以及其它合适的透明导电薄膜。
上述方案中，所述微纳米材料阵列层中的微纳米材料包括：纳米线、纳米棒、纳米管、纳米球、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米孔、纳米锥、微米锥、微米球或微纳米结构复合材料；这些低维结构材料具有独特的光电性能如：量子尺寸效应、热电特性、比表面积增强引起的光敏度和生化灵敏度增强等，由于其微纳米结构特性和低维性产生了光散射和波导效应等现象，构成有效的微纳米捕光(天线)结构形态，具有多重光陷阱结构特征，利用太阳光的照射能够形成多次反射或折射。
上述方案中，所述第二透明电极层上侧面组装的第二微纳米材料的端面和侧壁都被导电膜包覆，包括：金膜、银膜、铂膜或其它金属膜、复合金属膜；第二微纳米材料层表面具有良好的导电性。
上述方案中，所述光伏发电器具有多次光伏发电效应；所述光伏发电器包括：太阳电池、衬底反射层；所述太阳电池包括：薄膜叠层太阳电池、叠层量子点太阳电池、硅基薄膜太阳电池、染料敏化纳米晶太阳电池、聚光型太阳能电池、胶体量子点电池、聚合物太阳电池或无机-有机杂化太阳能电池、非晶态太阳电池、微晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、碲化镉太阳电池、铜铟硒化物太阳电池；所述叠层量子点太阳电池包括：多结叠层太阳电池、多带隙叠层太阳电池或量子点叠层太阳电池；所述硅基薄膜太阳电池包括：叠层非晶硅/微晶硅叠层电池组件；所述光伏多次发电效应包括：微纳米多重光陷阱结构对太阳光形成多次反射或折射，对太阳电池产生多次作用，形成多次光伏发电效应。
上述方案中，所述衬底反射层包括：衬底和反射层；所述反射层在衬底表面；所述衬底是太阳电池的支撑结构；所述衬底包括：TCO玻璃衬底、塑料衬底、不锈钢衬底或复合材料衬底；所述TCO玻璃衬底包括：超白玻璃衬底或纳钙玻璃衬底；所述反射层包括：掺Er3+Yb3+的透明陶瓷、NaYF4、20％Er3+涂层、上转换薄膜或镀金属反射镜。
上述方案中，所述温差热电发电器包括：导热层、热端、热电层和冷端；所述热电层以温差发电片为基体；温差发电片通过串-并联链接起来组成发电模块；温差发电片单体与温差发电片单体之间的框型缝隙通过绝热材料填满；所述热端的一面与热电层相连接；所述热端的另一面与光伏发电部分相连接；所述导热层包括：采用石墨烯材料、石墨烯复合材料或其它导热材料。
上述方案中，所述热电层中温差发电片包括：n型热电元件、p型热电元件；所述n型热电元件、p型热电元件交替排列；所述n型热电元件与相邻的p型热电元件的顶端或底端相连接；每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的p型热电元件连接；每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件相连接。
本发明提供的微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置的工作过程如下：
太阳光照射在微纳米多重光陷阱发电器的第一透明电极、第一透明电极层上侧面的微纳米材料阵列层或第一透明电极层上侧面的微纳米复合材料阵列层；由于第一透明电极层、第二透明电极层均采用石墨烯薄膜或石墨烯复合薄膜材料，作为透明导电电极层，因此大部分太阳光能够直接穿透过第一透明电极层后，又直接穿透第二透明电极层；大部分太阳光能够有效地辐照在光伏电池上，产生光伏发电效应。由于第一透明电极层上侧面组装有微纳米材料阵列层或微纳米复合材料阵列层，形成微纳米多重光陷阱发电结构，充分利用光的多次反射或折射，有效降低了光的反射损失，并形成光伏多次发电效应。微纳米材料包括：纳米颗粒、纳米球、纳米线、纳米棒、纳米管或其它类似形态的微纳米材料等；这些低维结构材料具有独特的光电性能如：量子尺寸效应、热电特性、比表面积增强引起的光敏度和生化灵敏度增强等，由于其微纳米结构特性和低维性产生了光散射和波导效应等现象，构成有效的微纳米捕光(天线)结构形态，形成多次反射或折射；若在第一透明电极层上侧面组装金属纳米颗粒，则金属纳米颗粒表面的自由电子在入射光激励下的集体振荡，在共振状态下入射光子的能量被有效地转换为颗粒表面自由电子的集体振动能，从而能够产生许多特殊物理效应，如：强散射效应、局域场增强等，这些效应可增强太阳电池装置的光吸收及利用。
若在第一透明电极层上侧面组装纳米线、纳米棒或纳米管，则能够显著提高载流子的收集率，其阵列在很宽的波长范围内具有良好的吸收光子能力，具有减反射结构功能。若在第一透明电极层上侧面，将某些类型的纳米粒子相互依附、复合在一起，自我组装成纳米天线复合物，能够控制和引导从光中吸收的能量，能够捕捉各种波长的光，增加被吸收光，并能够将光释放到其内特定位置上，增强光转换效率。
当太阳光照射在微纳米多重光陷阱发电器的第一透明电极层上侧面以及上侧面微纳米材料阵列，一部分光则通过上侧面微纳米材料、第一透明电极层折射在第一透明电极层下侧面微纳米材料阵列、第二透明电极层上侧面微纳米材料或微纳米复合材料阵列；光通过在第一透明电极层与第二透明电极层之间的会产生不同角度的反射，并可能产生多次反射，增强了入射光子对光伏电池的作用，增强光伏电池捕捉、吸收光子能量几率，从而提高发电效率。因此，本装置由三层微纳米材料层或微纳米复合材料层、两层透明导电电极层共同构成有效的捕光“天线”的结构形态，能控制和引导从光中吸收能量，使其对光的反射率降低，提高捕光效率；有效的多重光陷阱结构提高了装置对太阳能的利用效率。
当环境振动、拉伸或气体流动对微纳米多重光陷阱发电器产生影响时(包括：晴天或阴天)，第一透明电极层上侧面的第一微纳米材料阵列会产生弯曲、拉伸作用，以压电材料Zn0纳米线为例，由于其生长方向对应于Zn0晶体的C轴方向，因Zn0纳米线材料的压电效应的存在，将会在Zn0纳米线阵列的顶端产生高的电势，在Zn0纳米线阵列的底部产生低的电势，从而产生压电效应并对外输出电量；因此第一透明电极层上侧面的第一微纳米材料阵列层具有陷光效应、压电效应的双重效应；第一透明电极层下侧面的第二微纳米材料阵列层或微纳米复合材料阵列层会受到不同程度的影响，其第二微纳米材料阵列也会产生相应的弯曲，而处于拉伸状态，也会产生压电效应；同时由于环境振动、拉伸或气体流动影响，第一透明电极层、第二透明电极层则分别产生不同程度的弯曲或拉伸，在第一弹性垫层、第二弹性垫层的共同作用下，第一透明电极层下侧面的第二微纳米材料阵列层与第二透明电极层上侧面的第三微纳米材料阵列层发生相对应的摩擦、错位、移动；由于在第二透明电极层上侧面组装的第三微纳米材料的端面和侧壁都被导电膜包覆，形成瞬间接触，并构成导电通道，产生压电-摩擦发电效应；因此在第一透明电极层、第二透明电极层构成的外电路形成电流输出。因而，第一透明电极层、第二透明电极层、上侧面与下侧面的三层微纳米材料阵列层、两个弹性垫层共同构成多重光陷阱型结构，能够产生微纳米压电-摩擦发电效应，对外输出电能。
太阳光照射在微纳米多重光陷阱发电器，大部分太阳光穿透过第一透明导电电极层、第二透明导电电极层后，辐照在光伏发电部分的太阳电池上，太阳电池下面有衬底反射层；光伏发电部分对外发电，并输出电流。若太阳电池采用薄膜叠层太阳电池或量子点叠层电池，高带隙的量子点材料位于太阳电池上层，用于吸收高能量光子，低带隙的量子点材料位于下层，能够多次利用不同叠层太阳电池对不同波长光的吸收；体硅材料为衬底位于电池的底层，能够对透过的光再反射，使薄膜叠层太阳电池能够再利用，能够多次产生光电效应，则薄膜叠层太阳电池能够产生多次对外输出较高的电能。
温差热电发电器位于光伏发电器下端，温差热电发电器的热端通过导热层与光伏发电器的衬底紧密相连接。光伏发电器的太阳电池由于太阳光的长期辐照，其工作温度会升高；太阳电池由于工作温度升高产生的热量通过导热层传递给温差热电发电器的热电层。热电层以温差发电片为基体；温差发电片通过串-并联链接起来组成发电模块；温差发电片单体与温差发电片单体之间的框型缝隙通过绝热材料填满，防止热量从发电模块的热端直接流向冷端。热电温差发电部分由于热端与冷端存在的温差，带动热电层对外发电并输出电流。
微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置的工作过程中产生了压电-摩擦发电效应、光伏多次发电效应、温差热电发电效应，其太阳能的综合利用率显著提高。
实施本发明的微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置具有以下有益效果：
a、本发明的微纳米多重光陷阱发电器，由于采用了第一透明电极层、第二透明电极层、三层微纳米材料阵列层、两层弹性垫层，共同构成有效的微纳米捕光“天线”多重光陷阱整体结构形态，通过充分利用太阳光在装置结构中的多次折射、反射，增加了对太阳能的吸收次数机会，提高了捕光效率，降低了光的反射率，提高了太阳能的有效作用。
b、本发明的微纳米多重光陷阱发电器，在第一透明电极层上侧面组装的第一微纳米材料阵列层具有陷光效应与压电效应的双重效应。
c、本发明的微纳米多重光陷阱结构特征结合薄膜叠层太阳电池、叠层量子点太阳电池的结构特征，能够充分利用微纳米捕光“天线”多重光陷阱整体结构形态的多次折射、反射，并结合利用不同叠层太阳电池对不同波长吸收产生的光电效应，能够产生协同效应，因此能够形成光伏多次发电效应。
d、本发明的微纳米多重光陷阱发电器，由于在第一透明电极层下侧面与第二透明电极层上侧面均组装了微纳米材料阵列或微纳米复合材料阵列，以及弹性垫层共同构成的结构，能够有效地收集由于环境振动、拉伸或气流移动的能量，充分利用第一透明电极层下侧面的第二微纳米阵列层与第二透明电极层上侧面的第三微纳米阵列层发生摩擦、错位、移动产生的微纳米压电-摩擦发电效应，对外输出电能。
e、本发明微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置的结构特征为：由三部分复合构成，包括：微纳米多重光陷阱发电器、光伏发电部器、温差热电发电器，其整体装置能够产生微纳米压电-摩擦发电效应、光伏多次发电效应、温差热电发电效应，因此太阳能的综合利用率显著提高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置的实施例结构示意图见图1，其包括：微纳米多重光陷阱发电器1、光伏发电器2、温差热电发电器3、并且构成整体结构。
微纳米多重光陷阱发电器1包括：第一透明电极层4、第二透明电极层5、第一微纳米材料阵列层6、第二微纳米材料阵列层7、第三微纳米材料阵列层8、第一弹性垫层9、第二弹性垫层10。第一透明电极层4、第二透明电极层5采用石墨烯复合薄膜作为透明导电电极层。第一透明电极层4上侧面第一微纳米材料阵列层6与下侧面第二微纳米材料阵列层7均为Zn0纳米线阵列；第二透明电极层5的上侧面第三微纳米材料阵列层8采用Zn0纳米线阵列表面镀金的Zn0纳米线阵列。第一透明电极层4下侧面与第二透明电极层5上侧面组装的Zn0纳米线阵列层之间通过第一弹性垫层9形成合适间隙；第一透明电极层4下侧面组装的Zn0纳米线阵列层与第二电极层上侧面组装的镀金Zn0纳米线阵列层相互嵌套，在第一弹性垫层9、第二弹性垫层10共同作用下，能够形成即能将保持合适间隙，又能够保持在摩擦移动过程中形成有效接触的空间结构。
本发明实施例的光伏发电器2包括：薄膜叠层电池11、镀银衬底反射层12。薄膜叠层电池11能够充分利用微纳米多重光陷阱结构提供的太阳光多次反射或折射，利用薄膜叠层电池11本身具有的不同禁带宽度材料组合，来增加可以吸收太阳光的不同波段，从而提高太阳能的利用率与转换率。
本发明实施例的温差热电发电器3包括：导热层13、热端14、热电层15、冷端16。热电层13以温差发电片为基体；温差发电片包括：n型热电元件、p型热电元件；n型热电元件、p型热电元件交替排列。n型热电元件与相邻的p型热电元件的顶端或底端相连接；每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的p型热电元件连接；每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相连邻的n型热电元件相连接；温差发电片通过串-并联链接起来组成发电模块；温差发电片单体与温差发电片单体之间的框型缝隙通过绝热材料填满，防止热量从发电模块的热端14直接流向冷端16；热端14的一面与热电层15相连接；热端14另一端与光伏发电部分2相连接，导热层13采用石墨烯薄膜材料。
本发明提供的实施例工作过程如下：
太阳光照射在微纳米多重光陷阱发电器1的第一透明电极4、第一透明电极层4上侧面的第一微纳米阵列层Zn0纳米线阵列层6；由于第一透明电极层4采用石墨烯复合薄膜透明材料，因此大部分太阳光直接穿透过第一透明电极层4后，又直接穿透第二透明电极层5；大部分太阳光能够有效辐照在薄膜叠层电池11上；薄膜叠层电池11的高带隙量子点材料位于太阳电池上层，用于吸收高能量光子，低带隙量子点材料位于下层，能够多次利用不同薄膜叠层太阳电池对不同波长的光电效应，形成光伏多次发电效应；镀银衬底于底层，能够对透过的光产生反射，薄膜叠层电池11也可以对反射光再利用，则薄膜叠层电池11对外能够输出较高的电能。由于第一透明电极层4上侧面组装有第一微纳米阵列层Zn0纳米线阵列层6，形成微纳米多重光陷阱结构，能够降低光的反射损失。
当太阳光照射在微纳米多重光陷阱发电器1的第一透明电极层4上侧面以及上侧面组装的第一Zn0纳米线阵列，一部分光则通过上侧面第一Zn0纳米线阵列层6、第一透明电极层4折射在第一透明电极层4下侧面第二Zn0纳米线阵列层、第二透明电极层5上侧面第三Zn0纳米线阵列层8；由于Zn0纳米线的尺寸等于或小于光波长，产生光的散射增强，导致明显的光双折射或光隧穿现象；光通过在第一透明电极层4与第二透明电极层5之间，并产生多次反射、折射，增加了入射光子对薄膜叠层电池11的反复多次作用，增强了光伏电池捕捉、吸收光子能量几率，从而提高了发电效率。因此，本装置由三层Zn0纳米线阵列层、两层透明导电电极层共同构成有效的捕光“天线”结构形态，能够控制和引导从光中吸收能量，使其对光的反射损失率降低，提高了捕光效率，并能够结合薄膜叠层电池11利用不同叠层对不同波长的光电效应，形成光伏多次发电效应；有效的微纳米多重光陷阱结构提高了装置对太阳能的利用效率。
当环境振动、拉伸或气体流动对微纳米阵列陷光结构发电部分1产生影响时(包括：晴天或者阴天)，第一透明电极层4上侧面的第一Zn0纳米线阵列会产生不同程度弯曲、拉伸作用，由于其生长方向对应于Zn0晶体的C轴方向，因Zn0纳米线材料的压电效应存在，将会在Zn0纳米线阵列的顶端产生高的电势，在Zn0纳米线阵列的底部产生低的电势，从而产生压电效应；第一透明电极层4下侧面的第二Zn0纳米线阵列会产生不同程度的弯曲，而处于拉伸状态，也会产生压电效应；同时，由于环境振动、拉伸或气体流动影响，第一透明电极层4、第二透明电极层5则分别产生不同程度的弯曲或拉伸，在第一弹性垫层9、第二弹性垫层10的共同作用下，第一透明电极层4下侧面的第二Zn0纳米线阵列层7与第二透明电极层5上侧面的第三Zn0纳米线阵列8发生相对应的摩擦、错位、移动；由于在第二电极层5上侧面组装的第三Zn0纳米线陈列层8的纳米线材料端面和侧壁都被导电的金膜包覆，形成瞬间接触，并构成导电通道，因此，第一透明电极层4、第二透明电极层5构成的外电路能够形成电流输出。因而，第一透明电极层4、第二透明电极层5、Zn0纳米线阵列6、Zn0纳米线阵列7、Zn0纳米线阵列8、弹性垫层10、弹性垫层9共同构成了复合结构，能够产生微纳米多重光陷阱结构型的微纳米压电-摩擦发电效应，对外输出电能。
温差热电发电器3位于光伏发电器2的下端。薄膜叠层电池11由于太阳光的长期辐照，其工作温度会升高；薄膜叠层电池11由于工作温度升高产生的热量通过导热层13传递给温差热电发电器3的热电层15。温差热电发电器3由于热端14与冷端16存在的温差，带动热电层15对外发电并输出电流。
微纳米多重光陷阱型太阳能复合发电一体化装置的工作过程中产生了微纳米压电-摩擦发电效应，光伏多次发电效应、温差热电发电效应，其太阳能的综合利用率显著提高。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。