光伏‑压电发电型蜂窝夹芯复合板的制作方法

本发明涉及功能复合材料，更具体地说，涉及一种光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板。

背景技术：

蜂窝夹芯复合板的结构具有轻质和高强度优异性能，因此已被大量应用于航天航空、高速列车、舰船、汽车、土木建筑等领域。蜂窝夹芯复合板由内外表皮的薄层面和厚夹芯部分构成，是新型轻量化材料，其中内外面层承受夹芯板的弯矩，并将作用力传输给中间蜂窝夹芯部分，因此具有特殊的回弹性，并可吸收振动能量。如何利用蜂窝夹芯复合板结构来收集太阳光辐照能量，如何来吸收采集由于环境气流扰动或者气流冲击、振动带来的能量，并给应用装置补充新能源，是面临需要解决的技术问题，也是功能型蜂窝夹芯复合板发展需要解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板，包括：蜂窝型压电发电器和光伏发电器；所述蜂窝型压电发电器包括：蜂窝夹芯压电发电结构层、电极层、弹性层和底板层；所述蜂窝夹芯压电发电结构层形态类型包括：平面型蜂窝夹芯结构类型、曲面型蜂窝夹芯结构类型、柔性蜂窝夹芯结构类型、可变形蜂窝夹芯结构类型；所述蜂窝夹芯压电发电结构层设置有至少一层，包括：多层；所述多层包括：多层形态相同类型或者多层形态不相同类型；所述电极层设置有至少两层，包括多层；所述弹性层设置有至少一层，包括多层；所述电极层在蜂窝夹芯压电发电结构层顶端面与底端面，当受到环境振动或外力冲击时，蜂窝型压电发电器能够产生压电效应；所述光伏发电器包括：光伏发电层、透光膜层和面板边框层；所述光伏发电器在阳光照射下能够产生光伏效应；所述蜂窝型压电发电器在光伏发电器下端，由穿过面板边框层的边框通孔与底板层通孔的连接件相连固定成整体一体化结构，或者通过采用胶接方式固定成整体一体化结构，构成光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板，并能够向外输出光伏发电和压电发电的综合电量。

上述方案中，所述压电发电装置的蜂窝夹芯压电发电结构层具有多种拓扑形态结构，包括：正泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构、负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构；所述正泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构包括：六边形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、矩形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、三角形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、菱形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、圆形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、椭圆形蜂窝夹芯压电发电层形态结构；所述负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构包括：内凹六边形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、箭头形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、星形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、手形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、类蛇形蜂窝夹芯压电发电层形态结构、纺织材料蜂窝夹芯压电发电层形态结构；所述不同拓扑形状类型蜂窝夹芯层形态结构以及不同组分压电材料或者不同结构压电材料共同构成的蜂窝夹芯压电发电层，具有不同的力学特性、振动特性、弹力特性；因此在不同外界环境影响下，具有不同的压电发电性能及压电发电效率。

上述方案中，所述不同拓扑形状类型蜂窝夹芯压电发电层结构包括：由不同组分压电材料或不同结构压电材料的压电复合材料构成；所述压电复合材料包括：压电材料和聚合物按一定连通方式，一定的体积比或质量比，以及一定的空间几何分布复合而成的材料；所述压电复合材料以压电材料提供压电效应；所述聚合物包括高分子材料，提供弹性柔顺性；所述压电复合材料结构包括：0-3型、1-3型、2-2型、3-3型；所述压电复合材料的各相以0、1、2、3维的方式自我连通，由两相复合而成，包括组合方式为：0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-3、2-1、2-2、2-3、3-3(a,b)型，其中第一个数代表压电相的连通维数，第二个数字代表聚合物的连通维数。

上述方案中，所述压电材料包括：钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)、铌酸盐钙钛矿、含铋钙钛矿、钛锆酸铅镧(PLZT)、钛酸铅(PT)、铌锌锆钛酸铅(PZN-PZT)、铌锑、铌镁酸铅、铌钴酸铅、LiNbO₃、LiTaO₃、纳米压电材料以及其它类型的压电材料。

上述方案中，所述聚合物包括：聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环氧树脂、硅橡胶、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE)、尼龙、聚氨基甲脂酸、聚氨脂(PU)以及其它类型的聚合物。

上述方案中，所述压电材料或压电复合材料包括：压电纤维材料或压电纤维复合材料；所述压电纤维材料或压电纤维复合材料包括：中空结构压电纤维陶瓷材料、中空管被嵌入导电物质的压电纤维材料、压电纤维PVDF复合材料、多层叠压电纤维复合材料、压电纤维-增强纤维复合材料、电极压电纤维复合材料(PFCs)、交叉指型电极压电纤维复合材料、压电纤维束复合材料；所述压电纤维材料或压电纤维复合材料形态结构包括：蜂巢状、编织结构、壳状、正泊松比结构、负泊松比结构；所述压电纤维材料或压电纤维复合材料中的压电纤维横截面几何形态包括：圆形、椭圆形、矩形、中空形和不规则形。

上述方案中，所述压电纤维-增强纤维复合材料中的增强纤维包括：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨纤维、硼纤维、石墨烯纤维、芳族聚酰胺纤维、碳纳米管、纳米材料纤维、石墨-环氧和芳香族聚酰胺(Kevlar)-环氧合成纤维；所述不同的压电纤维种类、增强纤维种类、预浸压电纤维材料铺层方式、预浸压电纤维与增强纤维材料组合形式、蜂窝夹芯形态、蜂窝夹芯组分及结构共同构成不同的蜂窝夹芯压电发电层，包括构成：不同类型的平面型蜂窝夹芯压电发电结构、曲面型蜂窝夹芯压电发电结构、柔性蜂窝夹芯压电发电结构、可变形蜂窝夹芯压电发电结构。

上述方案中，所述电极层包括：交叉螃蟹形电极层、交叉网格形电极层、交叉指形电极层、面板形电极层、蜂窝夹芯顶端与底端被银电极层、以及其它形式电极层；所述蜂窝夹芯顶端与底端被银电极层包括：在蜂窝夹芯顶端、底端复合材料表面涂上一层低导电银浆，然后干燥烘干形成蜂窝夹芯两端面电极层。

上述方案中，所述光伏发电装置的光伏发电层包括：光伏电池；所述光伏电池包括：硅基薄膜太阳电池、染料敏化纳米晶太阳电池(DSSCS)、叠层量子点太阳电池、胶体量子点电池、聚合物太阳电池(PSCS)、无机-有机杂化太阳能电池、聚光型太阳能电池、纳米阵列陷光结构型太阳电池；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、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；所述微纳米阵列陷光结构型太阳电池的表面具有微纳米材料阵列结构，并具有减反射陷光功能。

本发明提供的光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板的工作过程如下：

当太阳光照射在光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板的光伏发电器的透光膜层，照射在光伏发电层的光伏电池上，并产生光伏效应；光伏发电层的光伏电池对外输出光伏发电的电能。

当光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板的面板受到外界气流扰动或气流冲击作用时，会产生系列振动，并把外界气流扰动或气流冲击作用力或振动作用力传递给蜂窝型压电发电器的蜂窝夹芯压电发电结构层；蜂窝夹芯压电发电结构层所在平面内会产生一定的变形，为共面变形也称作面内变形，而对于与蜂窝夹芯平面垂直方向(面外方向)会发生异面变形。由于蜂窝夹芯的共面变形导致各蜂窝胞壁发生弯曲变形，而异面变形在垂直于蜂窝夹芯平面的方向上会产生胞壁的压缩变形或者拉伸变形。由于蜂窝型压电发电器包括一层或者多层蜂窝夹芯压电发电结构层，其蜂窝夹芯压电发电结构层形态结构包括：正泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构、负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构；正泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构指材料受到轴向拉伸时引起其横截面出现收缩现象；负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构指材料受到轴向拉伸时引起其横截面出现扩张现象。无论正泊松比蜂窝夹芯压电发电层还是负泊松比蜂窝夹芯压电发电层，在受到外界气流扰动或气流冲击作用力或振动作用力的作用影响时，其压电复合材料均会产生不同程度的压电效应，结合弹性层，通过电极层对外输出压电发电的电能。在蜂窝夹芯压电发电层形态结构中若采用负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构，具有弹性模量更大，变形能力更强，适用于柔性蜂窝夹芯压电发电结构、曲面型蜂窝夹芯压电发电结构、可变形蜂窝夹芯压电发电结构，并具有优异力学性能，且弯曲时容易形成圆顶形和其它形状，可用于圆形顶端、柔性顶端、可弯曲弹性基片、变形外壳以及自适应结构。

实施本发明的光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板，具有以下有益效果：

a、本发明的光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板，由于采用了蜂窝型压电发电器与光伏发电器相结合构成的一体化结构，能够通过光伏发电器将太阳光照射的能量转换为电能；能够通过蜂窝型压电发电器，不断地采集外界气流扰动、气流冲击作用力或振动作用对蜂窝夹芯压电发电层产生的作用力，充分利用压电复合材料的压电效应，并能够产生并输出压电发电的电能；本发明的功能型蜂窝夹芯复合板能够为航天航空器、太阳能飞行器、舰船、高速列车、汽车、土木建筑等提供持续不断的压电发电和光伏发电的综合电能。

b、本发明的光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板中蜂窝型压电发电器包括：能够采用一层或多层蜂窝夹芯压电发电层，其中包括采用：平面型蜂窝夹芯压电发电结构、曲面型蜂窝夹芯压电发电结构、柔性蜂窝夹芯压电发电结构、可变形蜂窝夹芯压电发电结构；也包括：采用正泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构、负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构；因此可以根据光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板使用的不同领域及需要，采用相适宜的结构形态；由于本发明采用蜂窝夹芯压电发电层与弹性层相结合的结构，可以方便地采集外界气流扰动、气流冲击作用力或振动作用对蜂窝夹芯压电发电层产生的作用力，并充分地利用蜂窝夹芯压电发电层的压电效应，有效地将其转化为输出电能。

c、本发明的光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板，由于蜂窝夹芯压电发电层采用负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构，具有弹性模量更大，变形能力更强，并具有优异的力学性能，可用于圆形顶端、柔性顶端、可弯曲弹性基片、变形外壳以及不同领域的自适应结构。

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是光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板的分层结构示意图；

图2是平面型蜂窝夹芯压电发电层结构示意图；

图3是曲面型蜂窝夹芯压电发电层结构示意图；

图4是不同的负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构示意图；

(a)内凹六边形，(b)箭头形，(c)星形，(d)手形

图5是纺织型蜂窝夹芯压电发电层形态结构示意图；

图6是复合型蜂窝夹芯压电发电层形态结构示意图；

图7是类蛇型蜂窝夹芯压电发电层形态结构示意图；

图8是正泊松比六边形蜂窝夹芯压电发电层形态结构示意图；

图9是10种压电复合材料结构及组成示意图。

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。

本发明光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板的分层结构示意图见图1，包括：光伏发电器1和蜂窝型压电发电器2；光伏发电器1包括：面板边框层3、透光膜层4和光伏发电层5；蜂窝型压电发电器2包括：第一弹性层6、第一电极层7、第一蜂窝夹芯压电发电层8、第二电极层9、第二蜂窝夹芯压电发电层10、第三电极层11、第二弹性层12和底板层13。蜂窝型压电发电器2在光伏发电器1下端，面板边框层3的边框通孔14与底板层13的通孔15相对，然后通过连接件连接，并结合一定胶接方式固定成一体化的光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板。

本实施例的光伏发电器1中光伏发电层5的光伏电池采用硅基薄膜太阳电池；第一蜂窝夹芯压电发电层8和第二蜂窝夹芯压电发电层10均采用平面型蜂窝夹芯压电发电层结构，见图2；第一蜂窝夹芯压电发电层8采用正泊松比六边形蜂窝夹芯压电发电层形态结构，见图8；第二蜂窝夹芯压电发电层10采用负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构，具体为内凹六边形蜂窝夹芯压电发电层形态结构，见图4(a)；第一蜂窝夹芯压电发电层8和第二蜂窝夹芯压电发电层10包括：采用压电纤维-增强纤维复合材料与聚合物按1-3连通方式复合而成；压电纤维采用锆钛酸铅(PZT)，增强纤维采用碳纤维，聚合物采用聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)。压电纤维-增强纤维复合材料提供压电效应，聚合物提供弹性柔顺性。第一电极层7、第二电极层9、第三电极层11均采用交叉指形电极层。

本发明提供的实施例工作过程如下：

当太阳光照射在光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板的光伏发电器1的透光膜层4，照射在光伏发电层5的光伏电池上，并产生光伏效应，光伏发电层5的硅基薄膜太阳电池对外输出光伏发电的电能。

当光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板的面板受到外界气流扰动、气流冲击作用力或振动作用力的作用时，会产生相应的系列振动，并把外界气流扰动、气流冲击作用力或振动作用力传递给蜂窝型压电发电器2的第一蜂窝夹芯发电层8和第二蜂窝夹芯发电层10；第一蜂窝夹芯发电层8和第二蜂窝夹芯发电层10所在平面内会产生一定的变形，为共面变形也称作面内变形，而对于与蜂窝夹芯平面垂直方向(面外方向)会发生异面变形。由于蜂窝夹芯的共面变形导致各蜂窝胞壁发生弯曲变形，而异面变形在垂直于蜂窝夹芯平面的方向上会产生胞壁的压缩变形或者拉伸变形。由于蜂窝型压电发电器2包括两层蜂窝夹芯发电层，其中第一蜂窝夹芯发电层8包括：采用正泊松比六边形蜂窝夹芯压电发电层形态结构；正泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构指材料受到轴向拉伸时引起其横截面出现收缩现象；第二蜂窝夹芯发电层10采用负泊松比内凹六边形蜂窝夹芯压电发电层形态结构材料，受到轴向拉伸时引起其横截面出现扩张现象。无论正泊松比蜂窝夹芯压电发电层还是负泊松比蜂窝夹芯压电发电层，在受到外界气流扰动、气流冲击作用力或振动作用力的作用影响时，其压电复合材料均会产生不同程度的压电效应，结合弹性层，通过电极层对外输出电能。由于第二蜂窝夹芯压电发电层形态结构中采用了负泊松比蜂窝夹芯压电发电层形态结构，具有弹性模量更大，变形能力更强，并具有优异力学性能。因此光伏-压电发电型蜂窝夹芯复合板能够通过光伏发电器1将太阳光照射的能量转换为电能；能够通过蜂窝型压电发电器2，不断地采集外界气流扰动、气流冲击作用力或振动作用对蜂窝夹芯压电发电层产生的作用力，充分利用压电复合材料的压电效应产生并输出电能；本发明的功能型蜂窝夹芯复合板能够为航天航空器、太阳能飞行器、舰船、高速列车、汽车、土木建筑等提供持续不断的压电发电和光伏发电的综合电能。

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。