一种低温等离子体场下静态多重换能系统的制作方法

本发明属于新能源开发应用领域，具体涉及一种低温等离子体场下静态多重换能系统。

技术背景

随着现代工业的快速发展，人类对能源的需求日益增加，地球上的化石等不可再生能源有限，这些常规能源利用的同时也带来了各种环境污染问题。现阶段太阳能发电虽然不消耗生物燃料、可持续发展、发电技术较为成熟，但对光照条件具有很强的依赖性，适用场合和占地面积等因素也较大限制其发展。随着人们对能源危机和环境污染的认识加深，寻找绿色可再生能源已经成为全社会的共识，因此开发新能源、提高能源利用能力刻不容缓。有效的可再生能源、新能源等的开发必将成为世界各国今后更加重视和重点开发的领域之一。

低温等离子体物理及应用是一个具有全球影响的重要科学工程，该技术在表面处理、材料改性、工业制造和环境保护等众多领域均具有广泛的应用。通常，等离子体包含电子、正离子、负离子和中性粒子等，自然界中普遍存在，也可以用人工生成的方式来产生。在等离子体中未被完全充分利用的电子、离子，甚至是等离子体产生时伴随的光亮现象，以及等离子体与金属靶材相互作用过程中可能释放的辐射产物等都可以作为新的反应机制的能量来源。调制外加射频场、电源电压和温度压强等反应条件可以改变等离子体的运动形态，调节材料组分、规格尺寸和作用时间可以改变整体反应装置的输出电功率等参数。同时，在以前的研究基础上发现，这些被浪费的能源如果通过合适的方式加以转换利用，可取得的能量输出效益是很可观的，该类型装置也将成为一种有效的辅助供电、电能储备新技术。因此，研究低温等离子体场下被浪费能源的开发应用具有重要的科学意义。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低温等离子体场下静态多重换能系统，已解决现有技术中存在的低温等离子体产生的能源浪费问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种低温等离子体场下静态多重换能系统，包括多重换能机制电池和低温等离子体发生装置；

所述多重换能机制电池置于低温等离子体发生装置内；

所述多重换能机制电池的主要部件是换能单元；

所述换能单元为半导体光伏组件或半导体光伏组件与辐致荧光层的结合。

进一步的，所述低温等离子体发生装置包括反应腔室；

所述反应腔室分别连接有等离子体发生器、气源、电源及真空泵。

进一步的，所述反应腔室和气源之间设置有流量显示器和流量控制器；所述反应腔室和真空泵之间设置有气压显示器。

进一步的，所述电源采用直流放电、射频放电、微波放电、电晕放电或电弧放电。

进一步的，所述多重换能机制电池还包括电路模块；

所述换能单元通过电极引出接口与电路模块相连；

所述电路模块包括电容器、dc-dc变换器、储能管理系统和电子电路控制板；

所述dc-dc变换器与电容器相连接，电容器与储能管理系统相连接；

所述电容器、dc-dc变换器、储能管理系统同时设置在电子电路控制板上。

所述半导体光伏组件的工艺设计可以根据所需的电流、电压参数需求和可能接收的激发源条件等要求选取半导体材料的种类、能带隙、掺杂浓度、电极形状和表面处理方式等。

根据低温等离子体发生装置内可能出现的产物，利用多种有效地能量转换机制将这些未被充分利用的能源转换成电能，以此作为一种新的备用电源系统。所述能量转换机制包含直接换能和间接换能，其中直接换能包括辐射能转换成电能、光能转换成电能，间接换能包括辐射粒子或者光激发荧光材料产生荧光，再由光伏组件通过光生伏特效应转换成电能。

所述多重换能机制电池是基于等离体产生腔室内的实际环境来设定的，所采用的换能材料也可以根据等离子体场模拟和前期尝试结果来进行调整优化。对于间接换能机制，所选辐致荧光层的发射光波段应尽可能和半导体光伏组件的光伏响应区间相匹配，两者耦合程度越高，电池的电学输出性能越好。电池可以直接贴合在反应腔室的内壁，也可以设计支架将其置于等离子体发射场周围。

电容器可以实现充放电，在这里是作为电池系统的辅助备用电源考虑的，用于满足长时间低功耗的负载需求，提高储能单元的利用率。

dc-dc变换器用于调节电容器的输出电压或者实现对电容器以恒定的电流充电。

其中腔室内的电池系统可以通过法兰或者接口端子引出腔室外，在等离子发生装置运行状态下，电池便可以直接向外输出电能，也可向电容器充电，将能量存储起来在需要的时候再输出。

进一步的，所述半导体光伏组件为三五族半导体、半导体合金或单晶。

进一步的，所述半导体光伏组件包括受光面和背光面；所述受光面设有荧光材料。

进一步的，所述荧光材料为硫化锌基质金属掺杂、稀土掺杂氧化物、纳米材料或闪烁体。

进一步的，所述辐致荧光层为平板状、波浪状或褶皱状；

所述辐致荧光层的制备工艺为聚合法、物理沉降法或直接粘附法。

本发明取得的有益效果在于：

本发明中的多重换能机制电池可以对低温等离子体发生装置中未被充分利用的能量进行有效回收，将该部分能量转换成电能供用电设备使用；在低温等离子体发生装置处于运行状态下时，可以实现同样有限的体积空间内增加了整体器件的电输出功率，避免了能量的浪费等，同时引入具有储能功能的电容器和具有升降压功能的dc-dc控制器可以很好的实现供电要求，达到不同负载下的高效率；将低温等离子体发生装置和多重换能机制电池相结合，既可以有效地回收等离子体产生过程中损失的能量，也可以促进等离子体应用技术的发展。

附图说明

图1是低温等离子体产生装置结构布局示意图；

图2是多重换能机制电池的结构布局示意图；

图3是多重换能机制电池中电路模块的结构布局示意图；

图4是多重换能机制电池的工作原理示意图；

图5是多重换能机制电池中涉及的能量转换过程图；

图6是低温等离子体场下自驱动式多重换能机制电池的输出参数随测试时间的变化图；

图7是低温等离子体场下自驱动式多重换能机制电池采用不同半导体组件在不同状态下的电压测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1、图2、图3所示，一种低温等离子体场下静态多重换能系统，包括低温等离子体发生装置和多重换能机制电池；

多重换能机制电池置于低温等离子体发生装置内；

多重换能机制电池的主要部件是换能单元；

换能单元为半导体光伏组件或半导体光伏组件与辐致荧光层的结合。

低温等离子体发生装置包括反应腔室；

反应腔室分别连接有等离子体发生器、气源、电源及真空泵。

反应腔室和气源之间设置有流量显示器和流量控制器；反应腔室和真空泵之间设置有气压显示器。

电源采用直流放电、射频放电、微波放电、电晕放电或电弧放电。

多重换能机制电池还包括电路模块；

换能单元通过电极引出接口与电路模块相连；

电路模块包括电容器、dc-dc变换器、储能管理系统和电子电路控制板；

dc-dc变换器与电容器相连接，电容器与储能管理系统相连接；

电容器、dc-dc变换器、储能管理系统同时设置在电子电路控制板上。

半导体光伏组件为三五族半导体、半导体合金或单晶。

半导体光伏组件包括受光面和背光面；所述受光面设有荧光材料。

荧光材料为硫化锌基质金属掺杂、稀土掺杂氧化物、纳米材料或闪烁体。

辐致荧光层为平板状、波浪状或褶皱状；

辐致荧光层的制备工艺为聚合法、物理沉降法或直接粘附法。

本发明公开了一种低温等离子体场下静态多重换能机制系统。对于气体电弧放电的等离子产生方式，所用气体可以是氘、氦气或者氩气等，不同气体产生等离子体的压力和电压的条件也不相同。低能核反应(冷核聚变)通常表示的是在常温至数百摄氏度下以相对简单的设备造成固体或凝聚态物质内的核反应或涉核反应，所以也被称为异常核反应。此类低能核反应可以通过液态电解、固态电解、金属钛融解、激光、气体加热、等离子体等很多种方式来进行。其中较为常见的是利用在极板上施加射频偏压，通过射频放电方式在极板附近形成射频等离子体鞘层，产生低气压、高密度的等离子体。

实验过程大致可以分为三个阶段：刚开始在反应腔室内添加了纳米颗粒，并抽成真空，进行脱气处理，把这作为环境背景或者基准，将这第一阶段称为常规状态；然后按照一定流速充入h2，到腔室内压强为800-900torr，大约到0.12mpa，持续几十个小时，把这个阶段称为增压处理；最后再减压，把腔室快速抽成真空，压强大约为1.33e-4pa，即1.32e-9atm标准大气压，在真空状态下持续十几个小时，这个阶段称为真空状态。利用srim、comsol等模拟软件和朗缪尔探针、残余气体分析仪等测试工具分析腔室内的反应过程，通过多种手段获取电子温度、密度和等离子体通量、能量等信息，分析其随入射角度、电学条件等的变化趋势和作用规律对比校准实现理论计算和实验测试结果的统一，便于后续指导研究工作的进行。

如图4、图5所示，在这个反应的过程中同时可能会伴随着辐射现象，辐射类型有x射线、α、β、γ、he-3、质子和氚等，不同反应条件下辐射的能量也各不相同。通过在电池作用面的前端加载合适厚度的非透明材料，然后观察荧光材料的发光情况，或者光伏组件的电学输出变化情况，分对比析变化的节点、信号的强弱，以及光信号、电信号与辐射信号之间的关联性。在实验探索过程中，也可采用腔室内放置探头和腔室外连接盖革弥勒计数管等方式可以辐射信号探测。

在h2与纳米颗粒的反应过程中进行反复多次加压，利用不同种类的荧光材料和光伏组件进行多次试验，图6记录了光伏组件的电压随着反应过程进行的变化情况。光伏组件是基于光的入射强度产生可测量的电压(对于给定的光伏材料，存在一定范围的发射波长)，所使用的光伏组件在相当明亮的房间中可产生～1v的电位，图7给出了光伏组件在反应腔室内外界环境处于黑暗常压时的电压输出。实验中利用cr-39进行了辐射探测，并根据反应前后cr-39的形貌变化分析猜测辐射中应该存在α粒子。此外，计算分析能量的输入与产出情况，并可根据结果去反馈优化提升反应效率和电池设计。

其中光伏组件的电学信号监测方法具体如下：

1、基于模拟输入和时间分辨率的考虑，选取可用c++编程的arduinouno单元作为记录软件；

2、将光伏电池连接到任何arduino的模拟引脚和地，可以通过命令行：analogread(<pin#>)的方式读取电压；

3、在arduino程序中，以波特率的形式将arduino与计算机建立串行通信，并初始化。也可以在主函数循环中发送前一个analogread函数报告的值，以此作为基准值；

4、利用putty中的程序对arduino发送的数据的接收和记录。putty允许与com端口以及许多其他通信和记录功能的接口建立串行通信，并将这些数据直接发送到先前创建的.txt文件中。putty会自动将记录会话开始的时间戳放入文件中，并且还会提供一个显示当前读数的实时窗口。

表1是电池系统在不同状态下的电学性能输出参数，其中电压单位为v。

电池系统在不同状态下的测试计数和输出电压值

本发明阐述的多重换能机制电池，是指一种不需要外界专门提供或者补充燃料的换能装置，而且整个换能过程中无运动部件，性能安全稳定，可靠性高。该机制所利用的能量来源均源于低温等离子体发生装置反应腔室内的产物或者伴随发生的效应，在不改变原有的等离子发射过程中，另外增加了一条新的电能源产生路线。此外，电池还可以作为反应腔室内的辐射监测器，在电池表面加载一层厚度适中的非透明材料阻挡住荧光等的激发作用，如果此时电池系统依然可以检测出电流输出，则表明腔室内产生了放射性产物，甚至可以根据输出性能参数大致预估辐射强度，反推出腔室内发生的核反应过程等。

本发明采用这种多重机制相结合的方式，可以长时间为各类指示器、传感器、探测器等低功耗装置供电，适用于长期、免维护、高可靠的微弱用电要求场合，潜在应用行业非常广泛。该系统的建立可以有效的提升电能利用性价比，很好的完善稳固该类型能源的发展，所产生的经济效益也是巨大的、可持续的。该发明为能源供应提供了新思路，拓宽电能源的产生形式，同样也可为相似类型、机制的装置设备提供参考思路和理论依据。

最后应说明的是：显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范畴。上述实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范畴的前提下本发明还会有其他的变化和改进，同样这些变化和改进都应当视为本发明的保护范围。