大气电力收集装置和方法与流程

本发明涉及装置，特别是用于从大气中收集电力的电力收集装置。

背景技术：

目前，大量资源花费在开发能源生产和采集方法，以提高效率。特别令人感兴趣的是对发电的研究。现有技术通常可分为两类：不可再生资源(诸如发电厂中的煤燃烧)以及可再生能源(诸如使用风力涡轮机转换风能或使用太阳能电池)。一个共同特征在于，前述方法均通过从其他能源(例如化学能、动能或热能)转换而产生电力。因此，这些方法在效率上固有地受到转换能量形式时出现的能量损失的限制。

可再生能源也往往具有附加缺点，因为它们很少产生连续能量。例如，太阳能板通过太阳能或光能产生电能，但在云层下或夜间无法有效运行。同样，风力涡轮机依赖于速度在最小极限和最大极限之间的风，后者是为了避免损坏涡轮机。水电大坝(通常提供更为连续的电力生产)的电力生产仍然可受限于上游降雨的缺乏。因此，提供更加持续和/或当条件意味着现有方法可无法提供电力供应时能够提供电力供应的来源是有利的。

存在的潜在能源为地球大气内的大气电力。这种大气电力可来自几种来源，包括：1)进入地球大气并使空气分子电离的宇宙射线；2)太阳风(或来自太阳的带电粒子)也可进入地球的高层大气并引起空气分子电离；3)形成离子的放射性元素的自然衰变；4)由于空气分子通过地球磁场的移动而发生的电磁生成；5)通过上升和下降的冰和冰雹晶体的碰撞产生的静电，以及6)由于水分子(例如在云中)倾向于将自身排列成较重的负载电子端部朝下而造成的势能积累。

已做出一些努力以收集这种电力，但在进入大气的这些部分以及将电流传输回地表或地面方面出现困难，特别是考虑到所涉及的长距离。需要改进技术，以及特别是布线和能量传递方法。

技术实现要素：

本发明的一个方面提供用于从大气中收集电力的装置，该装置包括适于从大气中汲取电力的收集元件、电连接到收集元件用于将由收集元件收集的电力传输到输出端的导电元件，以及能够将收集元件保持在升高的位置的支撑构件。导电元件包括至少部分沿其长度延伸的复合结构，该复合结构包括包含石墨烯的第一层。

因此，实施方案提供用于从大气中收集或汲取静电(更具体地，电流)的电力收集或采集装置。该装置包括适于从大气中汲取或收集以闪电或静电形式的电力的收集元件，以及电连接或附接到收集元件用于将由收集元件收集的电力(即电流)传递/传输到输出端(例如用于存储装置或传递到外电路或系统)的导电构件或元件。因此，导电构件可在收集元件和输出端(例如，位于地面上)之间延伸，并且用作电缆或导线管，以将由收集装置收集的电力传输到输出端。该装置还包括能够将收集元件保持在高处或处于升高的位置的支撑元件，使得在使用时支撑元件将收集元件保持在大气中并且允许通过该收集元件进行收集。导电构件包括至少部分沿其长度延伸的复合结构，该复合结构包括包含石墨烯的第一层。复合物还可包括第二层，诸如可在其上提供石墨烯层的基底。

因此，实施方案提供可再生且用于通过静电收集(例如以云或闪电内的静电形式)从地球大气中采集电力的基本连续的手段。特别地，由于使用石墨烯，实施方案提供具有导电构件的装置，该装置能够有效且高效地在位于大气中的电力收集元件和为电流/电力选择的任何输出端之间使用所需的显著距离上传递电流。此外，凭借包括石墨烯的复合结构(其可形成异常坚固且轻质的层)，实施方案提供元件，该元件可延伸长距离并且抵抗例如通过剪切力(例如风、支撑件的移动)或冲击(例如来自碎片)的损坏，并且该元件可有助于在整个元件的长度上支撑其自身重量。

特别地，实施方案使得能够从大气中的多个来源收集电力。例如，云内、云之间或云与地面之间存在的较低水平的电位差(其通常不会引起放电)仍然可形成合适的电力来源并且处于更持续、更低的电压。此外，虽然大气内的宇宙射线和太阳风提供最多的电能，但云，特别是雷云，提供以静电的形式的电能的最大集中。通常，云的最高点会比云的最低点带更多的正电荷；这是因为，在碰撞期间，一些水分子带正电并上升，而往往更重的带负电的分子位于云的底部。此外，一些分子排列成其带正电荷的端部朝上，而更重的带负电荷的端部朝下。因此，随着更多的水分子积聚(例如在雷云中)，云的顶部和底部之间，特别是云的底部和地球表面之间可存在差异。当这些电位差达到一定水平时，形成的电场强度使得电位差的点之间的空气经历介质击穿，其中空气从正常非导电状态变为导电状态。这种介质击穿可发生在云本身内，引起云的顶部和底部之间的放电(云内闪电)，或者介质击穿可发生在云和地面之间，或者相邻的云之间，引起云和地面之间的放电，或云之间的放电(云间闪电)。云内闪电和云间闪电均为收集和重复使用提供合适的电力来源。

如上所述，设置在导电元件中的复合物包括包含石墨烯的第一层。石墨烯层为具有单层石墨烯的二维碳同素异形体，其包括sp2杂化碳原子的单个平面片材。石墨烯因其极高的内在强度而闻名，这源于共价键合碳原子的二维(2d)六角晶格。此外，石墨烯还显示出许多其他有利的性质，包括层的平面的高导电性。因此，实施方案将凭借石墨烯层提供优异的导电性，特别是在石墨烯沿整个导电元件(例如在收集装置和输出端之间，或者在连接到收集装置的电端子和输入端之间)延伸的情况下。此外，由于在结构中使用石墨烯，导电元件将相对坚固并且抗损坏。导电元件通常采取细长构件的形式，并且第一层(以及其他层，如果存在的话)在细长轴线上延伸。换言之，由第一层的平面限定的轴线与由细长导电元件限定的轴线相同或平行。在一个实施方案中，第一层为第一表面层并且形成导电元件(或导电构件，如果存在的话)的外表面。

如上所述，来自大气的电力(或大气电力)包括主要呈静电形式的电力。这种静电可集中在云中，特别是暴风云中，但也可在没有云的情况下存在。特别地，该装置可适于基于来自大气的电力和输出端之间的电位差提供电流。在一些实施方案中，该装置可适于向输出端提供基本持续的电流。在其他实施方案中，该装置可适于向输出端提供不规则电流，由于突然的高强度静电放电(闪电)而产生的不规则电流。

“大气”指地球表面上方和围绕地球表面的空气或环境，因此，该装置适于使得电力收集装置可凭借支撑元件定位在该区域中。因此，这种大气位于地面或海平面(其围绕的区域)以上，例如，在海平面或地平面以上0m至100000m之间，或在海平面或地平面以上0m至20000m、0至m10000m、200m至10000m、500m至10000m、1000m至10000m或2000m至10000m之间。在一些实施方案中，支撑装置能够保持或适于保持收集装置在地平面以上至少50m、地平面以上至少200m、地平面以上至少500m或地平面以上至少1km的高度。地平面意指装置附近的地面或装置所连接到的输出端。在一些实施方案中，导电元件(或导电构件，如果存在的话)的长度至少为20m、至少50m、至少100m、至少500m或至少1k(例如，20m至10k、20m至5k、20m至1k、100m至800m或100m至500m)。因此，在一些实施方案中，该装置包括位于地面上的输出端，其中导电构件在收集元件和输出端之间延伸，并且支撑元件将收集构件保持在地面以上一定高度。收集元件可适于从处于上面列出的地平面以上高度的大气中汲取大部分收集的电力，但也可适于从处于比上面列出那些高度低的地平面以上高度的大气中汲取更少量的电力。应理解，地平面将根据环境(例如山脉)而变化，并且该装置可设置在建筑物上，使得可通过其他手段来补充支撑元件。

在一个实施方案中，复合物还包括含有气凝胶的第二层。气凝胶为一类高度多孔(通常为纳米多孔)的固体材料，密度非常低，相对于其重量而言非常坚固，使其可用于复合物。如下面更详细解释的，通过产生凝胶并随后干燥凝胶以去除液体组分(例如使用超临界干燥)形成气凝胶。这产生独特的结构，其有助于有利的性质，包括低密度、高传递和消散冲击力的能力以及高的电绝缘和绝热性质。这至少部分是由于这些层在层的平面中以及通过层的高度传播冲击的能力。特别是，气凝胶的“纳米拉胀”结构可为气凝胶提供减震性质——纳米大小的树枝状原子结构沿这些分支传播冲击力，从而迅速消散冲击力。这还允许这些层对由元件周围的运动或气流引起的振动提供振动抑制，从而降低损坏装置的导电元件或任何其他部分的风险。

使用包含气凝胶的至少一个层以及石墨烯层引起许多有利的性质，使得复合物能够形成高强度且抗损坏但又轻质的电缆或构件，该电缆或构件可延伸很长的距离并且有效地导电。特别地，气凝胶层和石墨烯层的组合为有利的，因为石墨烯层提供高拉伸导电层(即，第一层(基于石墨烯)的拉伸强度比第二层(基于气凝胶)的拉伸强度更强)并且至少部分减小任何冲击力，同时气凝胶可吸收大部分冲击并减小例如振动损坏和由剪切力引起的损坏。这意指复合结构引起比先前可开发的元件更坚固和更耐用的元件。

此外，气凝胶非常轻(特别是与其强度相比)，并且石墨烯可以薄层形式提供，同时仍然提供优异的导电性，这意指包含这两种组分的复合物可特别轻，但仍然非常有效。在气凝胶为绝缘体的实施方案中，气凝胶还降低由于高压传输(例如来自闪电击穿)的损坏的风险。

如上所述，气凝胶为一类具有极低密度的高度多孔(通常为纳米多孔)固体材料。更具体地，气凝胶为孔隙率为至少为50％(但优选孔隙率为至少为95％的空气(例如95％至99.99％)，任选至少为99％)的开孔结构，其通过在溶液中形成凝胶并随后使用超临界加热去除凝胶的液体组分而产生。由于干燥条件，当液体组分被去除时，凝胶的固体部分保持其结构，从而产生多孔体。气凝胶的孔的孔径范围通常为0.1nm至100nm，通常小于20nm。然而，在实施方案中，气凝胶的孔的孔径范围可为0.1nm至1000nm，任选为0.1nm至900nm；10nm至900nm；20nm至900nm；20nm至500nm；或20nm至100nm。在实施方案中，气凝胶的孔隙率和孔径分布可使用77k下的氮吸收并应用brunauer、emmit和teller(bet)等式测量(参见《纯化学和应用化学(pureandappliedchemistry)》第57卷第603页(1985年)中的“报告气体/固体系统的物理吸附数据(reportingphysisorptiondataforgas/solidsystems)”。气凝胶可由多种材料形成，包括二氧化硅、有机聚合物(包括聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸酯、环氧树脂)、以生物学方式产生的聚合物(例如明胶、果胶)、碳(包括碳纳米管)、一些金属氧化物(例如铁或锡氧化物)和一些金属(例如铜或金)。在一些实施方案中，气凝胶为交联气凝胶(例如气凝胶由交联聚合物例如交联聚酰亚胺形成)。这种气凝胶有利地为柔性的和坚固的。

在本发明的一个实施方案中，复合结构包括多个第一层，每个第一层包含石墨烯；以及多个第二层，每个第二层包括气凝胶，其中第一层和第二层在复合结构中交替。这提供具有显著益处的复合结构。如上所述，使用含石墨烯的层和含气凝胶的层引起高强度、抗损伤和轻质复合物。还发现包含交替的石墨烯和气凝胶的层越多，这就越有效。而且，层越多，外层可吸收的力越大。这被认为是因为每个气凝胶层减少传输到下一个石墨烯层和每个石墨烯层的直接流向力，保护相邻气凝胶层免受冲击(例如在气凝胶已分散足够的力之前从碎片中的穿透)。这些共同使得复合结构能够在更大程度上分散力，并且因此复合物更加耐用。

在一个实施方案中，复合结构包含2个至250个第一层和/或2个至250个第二层。例如，复合物可包括至少5个、至少10个或者(在一些实施方案中)至少25个第一层和/或第二层。在一些实施方案中，可存在10个至200个层、25个至150个层、50个至125个层。第一层的数量可与第二层的数量相同。在一些实施方案中，第一层的数量为至少5、至少10，或者在一些实施方案中，至少25。例如，可存在10个至100个层或25个至50个第一层。已发现，相比于在层数较少的情况下，增加层数可引起弹丸在复合物中更早地停止。这可为剪切稠化效应的结果。

在一个实施方案中，第一层中的至少一个基本上由石墨烯组成。在另一个实施方案中，第一层中的每一个(所有)基本上由石墨烯组成。术语“基本上由......组成”意指第一层几乎完全由石墨烯形成，但可含有少量其他材料(例如，由于污染或由于形成石墨烯层的方法)。例如，第一层中的至少一个或第一层中的每一个可由95％或更多的石墨烯(按重量或按体积)，优选98％或更多，更优选99％或更多，或甚至更优选99.9％或更多的石墨烯形成。

在一个实施方案中，第一层或者在存在多个第一层的情况下第一层中的至少一个为石墨烯的平面层，其在实施方案中在与由收集元件限定的平面平行的平面中延伸。换言之，石墨烯形成为沿收集元件的纵向轴线(例如，在收集元件为细长构件的情况下的细长轴线)的平面层。这为有利的，因为当石墨烯平面在收集装置和输出端之间延伸时石墨烯层在该方向上的对准提供最有效的导电取向，并且因为剪切力或冲击将垂直于或基本垂直于石墨烯平面且因此将不得不在石墨烯最强方向上对抗石墨烯。在存在含气凝胶的层的情况下，随后，任何力都将在其中气凝胶可容易地在层的平面中消散力的方向上冲击气凝胶。因此，这些实施方案在吸收在基本垂直于石墨烯层的平面的方向上提供的冲击方面特别有效。在一个实施方案中，第一层或者在存在多个第一层的情况下第一层中的每一个为与由相邻第二层限定的平面平行的平面中延伸的石墨烯的平面层。在一个实施方案中，第一层或者在存在多个第一层的情况下第一层中的每一个为单层、双层或三层石墨烯。换言之，第一层包括1个石墨烯原子层、2个石墨烯原子层或3个石墨烯原子层。有利地，两个或三个石墨烯原子层的抗冲击性显著大于单个石墨烯原子层。在一些实施方案中，第一层或者在存在多个第一层的情况下每个第一层独立地包括至少1个石墨烯原子层、至少5个石墨烯原子层、至少10个石墨烯原子层。优选地，在一些实施方案中，第一层或者在存在多个第一层的情况下每个第一层独立地包括1至10个石墨烯原子层。已观察到，抗冲击性和导电性随着更多的层而劣化，并且在大约10层时，性能开始降低。

在一个实施方案中，第一层或者在存在多个第一层的情况下每个第一层独立地具有0.34nm至20μm的厚度。这可包括1nm至10μm、10nm至5μm、10nm至1μm或20nm至100nm的厚度。在一些实施方案中，在存在多个第一层的情况下，第一层均具有基本相同的厚度。

在一些实施方案中，第一层或者在存在多个第一层的情况下第一层中的至少一个包括以石墨烯薄片形式的石墨烯。石墨烯薄片可指横向尺寸(即在薄片表面的最大宽度处)的平均粒径(即数均粒径)为至少1μm，任选至少2μm、至少5μm(例如1μm至10μm或1μm至5μm)的石墨烯小颗粒。薄片的数均厚度可小于200nm，例如小于100nm、小于50nm。这些测量结果均可通过sem来测量。薄片可包含单层或多层石墨烯。石墨烯薄片可呈纯石墨烯薄片的形式或者作为基质中的石墨烯薄片。在一些情况下，例如通过使用等离子体处理进行的官能化，可使石墨烯官能化以改善制造过程中与溶剂的相容性。例如，在一些实施方案中，可使用羧基来官能化石墨烯。一个示例为在wo2010/142953a1中阐述的使用hydalehdlpas工艺的“氧”官能化的等离子体处理。

在一些实施方案中，石墨烯层为多孔石墨烯层——即，其中包括孔或洞(1纳米至几百纳米，例如1nm至300nm)的石墨烯。已发现此类材料具有高导电性，并且它们的制备在us9120677中有所阐述，该专利通过引用并入本文。

在存在第二层或存在多个第二层的实施方案中，第二层或每个第二层独立地具有20μm至1000μm的厚度。例如，这可包括50μm至800μm、100μm至500μm或125μm至250μm的厚度。在一些实施方案中，在存在多个第二层的情况下，第二层均具有基本相同的厚度。

在一个实施方案中，复合结构还包括支撑层或保护层。支撑层或保护层的拉伸强度大于第二层(如果存在的话)的拉伸强度，并且任选还大于含石墨烯的层和复合物的其他层的拉伸强度。这里，拉伸强度可意指在断裂之前可由该层支撑的拉伸应力(以帕斯卡为单位)，或者意指在断裂之前可由该层支撑的拉伸载荷(以牛顿为单位)。例如，支撑层或保护层的拉伸强度可为至少200mpa、至少500mpa、至少1000mpa；例如，250mpa至5000mpa；1000mpa至5000mpa)。这可通过例如astmd7269(其中支撑层或保护层为基于纤维的层)和astmd3039(用于基于聚合物基质的材料)来测量。在一些实施方案中，拉伸强度可类似于层的极限拉伸强度。

使用拉伸强度大于复合物的其他层的拉伸强度的支撑层可允许复合物支撑更大的拉伸载荷或具有减小的质量。

支撑层可有助于在复合结构的长度上支撑复合结构的其余部分，并且可帮助防止对导电元件/复合结构的损坏。当与第一层和第二层结合时，这特别有效，因为支撑层提供高拉伸层，该高拉伸层用作穿透屏障并且在结构的剩余部分可吸收冲击的大部分(或其余部分)之前至少部分减小冲击的初始力。这降低气凝胶层在初始峰值力下失效的可能性，从而降低气凝胶破裂的可能性。反过来，这允许气凝胶吸收更多的冲击力，从而提供更好的保护。此外，这种布置还减小用作保护性组件的一个或多个含石墨烯层上的张力，并且从而降低石墨烯层由于损坏而中断连续性的风险。

在一个实施方案中，支撑层包括金属、合金、聚合物和/或含碳材料，优选聚合物和/或含碳材料。例如，保护层可包括高拉伸聚合物和/或含碳材料(例如碳纤维)。在另一个实施方案中，支撑层包括选自由以下组成的组的高拉伸材料：芳纶(芳族聚酰胺)纤维、芳族聚酰胺纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯(例如纤维或片材)、聚(对亚苯基-2,6-苯并双噁唑)(pbo)、聚氢醌-二咪唑并吡啶(pipd)或其组合。在本发明的一个实施方案中，支撑层包括碳纳米管(cnt)纤维(在一些实施方案中，其可与前面提到的其他高拉伸材料组合)。这里，cnt纤维可沿单个轴线或沿多个轴线基本上对准。如果cnt纤维基本上与单个轴线或多个轴线对准，则它们可以基本均匀或随机的方式布置。这里，均匀指其中各个cnt纤维沿其长度基本上平行于相邻纤维的布置。相比之下，随机布置指其中各个cnt纤维沿其长度在多个点处与其他纤维交叉的布置。可选地，cnt纤维可不与轴线对准，而是可随机对准。cnt纤维的拉伸强度可为10gpa至150gpa，并且可增加复合物的整体拉伸强度。在一些实施方案中，cnt纤维也可沿复合物的长度基本上连续。

包含第二(气凝胶)层和保护层的实施方案特别有利，其中第二层布置在第一层和保护层之间，因为气凝胶层为热和电流的强绝缘体。以这种方式，保护层增强导电元件(或导电构件)，并且气凝胶层保护保护层免受由于流过第一层的电流造成的损坏。这种布置并不总是必需的，但在一些实施方案中可为有利的，例如在电压较高的情况下。

在一个实施方案中，装置包括导电构件，该导电构件包括收集元件和导电元件。换言之，收集元件基本上为导电元件的延伸部，该延伸部适于从大气中收集电力。因此，收集元件可与导电元件成一体，并且可例如包括导电元件的外导电区域，该外导电区域适于从大气中收集电力。例如，第一层或在存在多个第一层的情况下第一层中的一个可至少部分位于导电元件的外表面上以形成收集元件。导电元件还可包括外绝缘区域或导电性低于外导电区域的外区域。在一些实施方案中，收集元件可包括导电元件的至少一部分，其中该部分已去除外绝缘层或涂层。这在其中收集元件为导电元件的延伸部的实施方案中可降低设计和组装的复杂性。导电构件可例如为圆柱形构件，并且可采取基本上圆柱形电缆的形式。

在本发明的一个实施方案中，导电元件适于使得在使用时导电元件从收集元件延伸到地面。这里，地面可指地平面(即在海平面以上或以下小于50米)处的导电盖。地面可指固体地面，例如土地、土壤或专用接地装置，但也可指非固体地面，例如水体。在一些实施方案中，导电元件可直接从收集元件延伸到地面。在其他实施方案中，导电元件可间接地从收集元件延伸到地面，例如，在导电元件和地面之间可存在另外的传输元件。

在本发明的一个实施方案中，导电元件包括用于连接到输出端的端子部分，并且其中复合结构从收集元件延伸到端子部分。在一些实施方案中，端子部分提供与输出端的永久连接。在其他实施方案中，端子部分提供与输出端的非永久性或可释放的连接。

在本发明的一个实施方案中，该装置还包括能量存储装置，其中导电元件电连接到能量存储装置，以便将从大气收集的电力中的至少一部分传输到能量存储装置。因此，能量存储装置用作装置的输出端。能量存储装置的使用可允许收集和存储更大量的电力。另外，能量存储装置的使用可提供电压平滑效果，其中输出端处的电压电平可比收集元件处的电压电平更均匀。这里，电压电平指测量点和公共参考点(例如地面)之间的电位差。

在本发明的一个实施方案中，能量存储装置为电容器阵列或超级电容器阵列。电容器或超级电容器的使用可为有利的，因为它们提供具有高充放电速率的电存储手段。如果装置适于收集由突然的高强度静电放电(闪电)产生的电力，则这可为特别有利的。在一些实施方案中，超级电容器阵列中使用的超级电容器包括石墨烯，例如欧洲专利申请ep2564404中公开的弯曲石墨烯。超级电容器可为任何可商购获得的超级电容器，并且可单独地具有500法拉至4000法拉的电容，和500安培至4000安培的峰值充放电速率，质量在0.1kg至0.5kg之间。超级电容器的工作电压可单独地为2.5v至3.5v。如果超级电容器以串联配置使用，则可增加超级电容器阵列的工作电压。

在本发明的一个实施方案中，支撑构件为提供升力的支撑构件。提供升力的支撑构件可意指任何装置，该装置能够提供提升力并且特别地能够升高或降低装置高度。提供升力的支撑构件可包括例如主动装置诸如飞行器，或密度小于周围大气的被动装置。被动装置可仅能够响应其密度、大气密度或其支撑的质量的变化而升高或降低其高度。这里，飞行器可包括飞机、直升机或无人机。

在本发明的一个实施方案中，提供升力的支撑构件为可充气构件。可充气构件通过浮力提供升力。特别地，如果可充气构件的密度小于周围大气的密度，则提供升力。参考上述定义，在实践中，可充气构件为被动装置。然而，可主动地管理可充气构件的某些性质以改变所提供的升力。例如，完全被动的可充气构件可为填充有轻质气体诸如氦气或氢气或者为排空所有物质的气球。可选地，可充气构件可包括热气球、飞船和飞艇，它们可具有控制其总体密度的手段以及其他特征。在一个实施方案中，提供升力的支撑构件为高空气球(例如，天气或探空气球)。

在复合结构的上述实施方案中，复合结构可包括多个层(例如，多个石墨烯层、石墨烯和含气凝胶层等)。每个连续层可直接或间接地与复合结构的其他层接触。例如，复合结构还可包括设置在第一层和第二层之间的附加层。复合结构还可包括设置在复合结构的顶部(例如在最上层的上表面上)或底部(例如在最下层的下表面上)的附加层。每层可完全覆盖相邻层的表面，或者可仅部分覆盖相邻层的表面。在一些实施方案中，层可延伸超出相邻层的边缘。层还可各自包含其他组分或添加剂。例如，在一些实施方案中，石墨烯层可包含聚合物(例如聚氨酯)。在复合结构中，这些层可各自具有薄片材结构——即具有由四个较小边缘连接的两个较大相对面。

在本发明的第二方面中，提供从大气中收集电力的方法，该方法包括：提供根据第一方面的任何实施方案的装置；使用收集元件从大气中汲取电力；以及将由收集元件收集的电力沿导电元件传输到输出端。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施方案，其中：

图1示出根据本发明的装置的实施方案；

图2a和图2b示出根据本发明的实施方案的复合结构的横向截面；

图3示出根据本发明的实施方案的复合结构的径向截面；

图4示出根据本发明的装置的另一个实施方案；

图5示出用于根据本发明的装置中的复合结构的侧视图；

图6a示出用于根据本发明的装置中的复合结构的sem图像；

图7a示出根据本发明的实施方案的复合结构；

图7b示出根据本发明的实施方案的另一种复合结构；

图7c示出根据本发明的实施方案的另一种复合结构；

图8a和图8b分别通过侧视图和侧透视图示出根据本发明的复合结构的另一个实施方案；以及

图9通过侧视图示出根据本发明的复合结构的另一个实施方案。

相似的部件被赋予相似的附图标记。例如，石墨烯层可被称为“151a”、“251”或“351”。此外，在示出复合结构的附图中，应理解，层的厚度纯粹为代表性的(除了提供照片或sem图像的那些厚度之外)。

具体实施方式

本发明的第一实施方案在图1中以用于从大气a收集电力的装置100的形式示出。装置100包括以电缆形式的导电构件101，该导电构件101包括适于从大气a汲取电力的收集元件102和将收集元件102电连接到输出端108的导电元件103。导电构件101以及特别是收集元件102由充氢乳胶天气气球120在地面g(即地球表面)上方的大气保持在高处，该气球通过一系列护套线121系到导电构件101，其中导电元件103从位于大气a中的收集元件102延伸回输出端108所在的地面g。在此实施方案中，输出端108为超级电容器阵列110的输入端子(参见ep2564404的示例性合适超级电容器阵列)。

此实施方案中的导电构件101为由复合结构150形成的电缆，该复合结构150沿电缆的长度从用于连接到位于地面g上的输出端108的端子延伸到位于大气a中的导电构件101的相对端部。因此，此实施方案中的复合结构150形成收集元件102和导电元件103这两者的一部分。

在图2a中可更详细地看到复合结构150，该图2a示出通过收集元件102的直径的截面。通过复合结构150的径向截面也在图3中示出。可看出复合结构150包括布置成一系列同心环的多个层151a-c、层152a-b、层153a-b，这些同心环通过复合结构150的截面重复。在此实施方案中，结构150中的最内层为呈碳纳米管纤维层(cnt)形式的支撑层153a。这提供通过复合结构150的高强度支架。紧邻中心支撑层153a的为呈石墨烯层形式的第一层151a，该第一层151a设置在由聚酰亚胺气凝胶膜形成的第二层152a的表面上。在第一气凝胶层152a的另一侧上设置另一个石墨烯层151b。然后，结构继续(从石墨烯层151b移出)具有另外的cnt层153b、另外的气凝胶层152b和最终的外石墨烯层151b。尽管在图2a中不可见，但电缆101的端部提供暴露的端部表面，由此内层石墨烯层151a、石墨烯层151b暴露于大气，使得电流可沿这些层151a、层151b以及最外面的石墨烯层151c通过。这种复合结构150特别有利，因为所使用的材料提供柔性、轻质且抗损坏的延伸很长距离的导电构件101。特别地，高强度支撑层153a、支撑层153b、气凝胶层152a、气凝胶层152b和石墨烯层151a至石墨烯层151c均有助于沿导电构件101的长度支撑结构150的重量并且每个均能够有助于防止由剪切力(例如，由于例如当正在向适当位置移动时或在风的作用下导电构件101的移动)以及来自碎片、冰等的冲击而造成的损坏。

层的此配置在复合结构150的整个长度上继续，以提供沿导电构件101的长度延伸的石墨烯层151a至石墨烯层151c的连续集合。除此之外，复合结构150包括呈绝缘层154形式的附加层，该附加层沿限定导电元件103的导电构件101的一部分围绕复合结构150的其余层。此绝缘层154降低人或财物与流过导电构件的电流接触的风险并因此用作保护罩。导电元件103区域中的导电构件101的截面在图2b中示出，其中绝缘层154为可见的。

在使用时，气象气球120位于大约八英里的高度，使得收集元件102大约位于云层水平。如果忽略电阻热和电力损耗，则收集元件102在使用之前处于与输出端108基本相同的电压电平。因此，当收集元件101不收集电力时，收集元件102和输出端108处的电压电平基本上与超级电容器阵列110所连接到的地面g相同。当收集元件101正在收集电力时，收集元件101和输出端108处的电压电平基本上与静电力来源相同。因此，如果收集元件102未在收集电力，则超级电容器阵列110两端没有电位差，并且没有流入阵列110的电流。当收集元件102正在收集电力时，超级电容器阵列110两端存在电位差，并且电流流入阵列110，从而将电能存储在阵列110中。在此实施方案中，暴露的最外面的石墨烯层151c与内石墨烯层151a、石墨烯层151b的端部提供高导电性层，电流可沿该高导电性层有效地行进到输出端108，并且正是这些部分通过提供两端存在电位差的导电表面来采集或收集静电。

在此实施方案中，为了将能量传递到电网(未示出)，超级电容器阵列110将其电连接端(即，在输入端子和输出端子处)从导电元件102和地面g(当其在收集电力时被连接)切换到电网连接(未示出)。当切换时，超级电容器110的配置可适于提供所需的输出电压，例如，与收集电力时相比，当向电网传递电力时，可并联更多数量的单个超级电容器，这将提供电压降低。电网连接包括逆变器，用于从直流电到在适合于电网的频率下的交流电的转换。在一些情况下，静电力来源和输出端108之间的电位差可过大，并且通过提供接地点106的次级导电路径将电能直接分流到地面g，可防止过电流或过电压造成的电损坏。应理解，沿导电构件101的最大能量流量受到超级电容器110的吸收率的限制，因此，过流将被传输到接地点106或者像现有避雷针一样被分散。在此实施方案中，到接地点106的次级导电路径响应于超过特定阈值的电位差而自动打开。

因此，此实施方案中的装置100可用于从大气中采集静电，从而提供清洁和可再生能源。此外，电力采集装置100还可用于通过用作闪电的接地杆来采集更高电平的电力。由于收集元件102位于高带电云中，导电构件101为云内以及云与地面g之间的闪电提供最小电阻的新路径。此外，复合结构150对于该功能特别有效。因为可通过周围的气凝胶层152a、气凝胶层152b将通过石墨烯层151a至石墨烯层151c的高电压有效地包含在这些层内，该气凝胶层152a、气凝胶层152b为有效的绝缘体，因此降低对复合物的其他部分的损坏风险。此外，次级导电路径106的存在有助于确保在高压传输期间保护输出端108处的电气部件。

如上所述，此实施方案中的复合结构150包括多个石墨烯层151a至石墨烯层151c和多个其他层152a、层152b、层153a、层153b。这可通过使用原子沉积在柔性基底上提供石墨烯层(具有多个石墨烯层的层)，随后将此石墨烯层施加到柔性聚酰亚胺气凝胶上并在气凝胶的另一侧上进行重复来构建。然后可围绕中心cnt层153b卷绕此子单元，并且对其他层重复该过程。

本发明的第二实施方案在图4中示出，其中存在电力收集装置200。此装置200包括由两个直立支撑桅杆221形成的支撑框架220，支撑臂222从支撑桅杆221中的每一个向外延伸到另一个桅杆221。支撑臂222在两个桅杆220之间接合并保持大气a中的导电构件201，使得可使用导电构件201收集电力。在此实施方案中，支撑框架220与地面g绝缘，因此电力不穿过支撑框架220。导电构件201包括复合材料250，复合材料250包括气凝胶层252，石墨烯层251形成在气凝胶层252上。然后将该材料片材(其在图5中示出)卷绕到其自身上以形成螺旋形圆形导电构件201。图6a中示出处于其展开配置中的复合材料250的sem图像，并且图6b中示出处于其部分卷绕配置中的复合材料250的sem图像。此复合材料贯穿导电构件201的整个长度，并且限定位于导电构件顶部的收集元件或部分203以及导电元件或部分203。因此，收集元件203用作传导和收集来自大气的电力的手段。

此实施方案中的装置200被设计成位于升高的位置处，例如在建筑物的顶部或者在具有高海拔(即，在海平面以上)的区域中，使得导电构件201可具有减小的长度，但使得收集元件202仍然位于含有大气电力(或者可能地，在特定条件下，例如一旦云开始形成，可含有大气电力)的大气的一部分中。与图1的实施方案一样，此装置200被布置成形成导电构件201两端的电位差，使得电流可流到输出端208并且随后经由导线209提供给外电路。还提供二次过流接地端206，以避免对装置200的部件的损坏。

在此实施方案中，通过在柔性聚酰亚胺气凝胶层252上形成石墨烯层251来提供复合结构250。在这种情况下，使用以油墨形式提供的石墨烯薄片或粉末将石墨烯设置在气凝胶基底上。这是通过将石墨烯薄片分散在溶剂中，将油墨施加到气凝胶表面并去除溶剂以在表面上留下一层石墨烯薄片来实现的。这允许将高导电性石墨烯层简单且相对便宜地施加到气凝胶。而且，该层中不需要另外的添加剂(例如基质)。可选地，在气凝胶层252上提供石墨烯层251的方法可包括使用轧机轧制，诸如使用三辊轧机施加石墨烯粉末或薄片。这可允许在不需要溶剂的情况下和以相对高通量的方式使石墨烯成层。

现在将参考图7a至图7c描述替代复合结构。现在参考图7a，示出导电元件303的截面，该导电元件303包括复合结构350，该复合结构350具有交替通过该结构的多个第一层351和多个第二层352。第一层351包括使用被干燥到基底上的石墨烯油墨溶液形成为均匀石墨烯层的石墨烯薄片。第二层352由气凝胶组成。由于仅使用气凝胶和石墨烯，此结构非常轻质，并且因此提供可在无需显著支撑的情况下在非常大的距离上在导电元件303中使用的复合物350。此实施方案中的复合结构350可用作方形或矩形导电构件和/或导电元件，而不是像先前实施方案那样被提供为圆形电缆。这种复合结构的示例(标记为350')示于图8a和图8b中。在图8b中，很明显这种结构为柔性的。

现在参考图7b，示出导电元件403的截面，该导电元件403包括具有多个第一层451、第二层452和支撑层453的复合结构450。第一层451包括形成为石墨烯层的石墨烯薄片。第二层452为柔性聚酰亚胺气凝胶层。支撑层453由cnt形成。可看出，第一层451、第二层452和支撑层453形成重复结构，其中一个重复单元的支撑层453与下一个重复单元的第一层451相邻。在此实施方案中，第一层451粘合到相邻的第二层452，第二层452又粘合到相邻的支撑层453。一个重复单元的支撑层453在一个表面上粘合到下一个重复单元的第一层451的重合表面上。

图7中示出另一实施方案。在此实施方案中，示出导电元件503的复合结构550。在此实施方案中，复合结构550包括第一层551、第二层552和支撑层553，它们已被卷绕以便形成一系列重叠层。第二层552为气凝胶层。支撑层553由碳纳米管纤维层(cnt)形成。如图7c中可看出，第一层551、第二层552和支撑层553中的每一个因此为连续的。在此实施方案中，第一层551粘合到第二层552，第二层552又粘合到支撑层553。在层重叠的情况下，支撑层553的内表面靠近第一层的外表面551，使得表面之间存在气隙。在此实施方案中，在支撑层553的内表面和第一层551的外表面之间不发生粘合。这种布置提供易于制造并且由于所使用的重叠层和材料而提供相当大强度的复合结构。这还提供大的石墨烯表面积，这引起用于穿过复合结构550的电流的大容量。

在一些实施方案中，复合结构550的制造可包括1)通过原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、真空沉积或物理气相沉积(pvd)(包括溅射或狭缝涂布工艺)将至少一个石墨烯层沉积到气凝胶层上以形成石墨烯/气凝胶复合物，2)使用涉及真空粘合的工艺，包括使用热和压力(例如，辊压)，将至少一个碳纳米管纤维层粘合到石墨烯/气凝胶复合物上，使得纤维沿复合物纵向取向，并且诸如以形成石墨烯/气凝胶/碳纳米管复合物，3)沿复合物的宽度轧制石墨烯/气凝胶/碳纳米管复合物，使得轧制轴线沿复合物纵向取向，并且使得石墨烯层为轧制层压合结构的最外层，以及4)粘合轧制的复合物，使得其保持在轧制状态。在一些实施方案中，上述制造工艺可另外包括将另外的气凝胶层粘合到碳纳米管纤维层的步骤。

尽管在上述一些实施方案中，以形成为层的石墨烯薄片的形式，或者通过使用薄膜沉积方法构建石墨烯层提供石墨烯层，但也可使用其他类型的石墨烯或制造方法。在一些实施方案中，石墨烯层为多孔石墨烯层——即，其中包括孔或洞(1纳米至几百纳米，例如1nm至300nm)的石墨烯。已发现此类材料具有高导电性，并且它们的制备在us9120677中有所阐述，该专利通过引用并入本文。为了形成可用于本发明复合结构的多孔石墨烯层，可使用轧机轧制，诸如使用三辊轧机进行分散。这可允许在不需要溶剂的情况下和以相对高通量的方式分散石墨烯。特别地，形成层的一种方法为使用轧机技术形成在聚合物膜基底上的多孔石墨烯层。us9120677中公开的材料还包括多孔石墨烯碳纳米管(cnt)，其也可用作支撑层的cnt。

尽管关于上述实施方案描述的复合结构基本上沿相应导电构件的整个长度延伸，唯一的例外为用于连接到输出端的端子部分，但在一些实施方案中，复合结构可仅沿长度部分延伸。优选地，复合结构延伸导电构件和/或导电元件的长度的至少30％、至少50％、至少75％、至少90％或至少95％。在一些实施方案中，复合结构沿导电构件和/或导电元件的长度的基本上全部延伸。基本上全部意指复合结构沿导电构件和/或导电元件的长度中的全部延伸，但可存在以端部端子形式的一些附加部件，其形成导电构件的长度的一部分。此外，沿导电构件和/或导电元件延伸的复合结构可为单个连续结构，或者可包括一系列处于电连接(例如，粘合在一起或保持在一起)的单独复合结构。后者可有助于制造。

图9中示出另一实施方案，其说明为什么包含石墨烯和气凝胶这两者的复合物对于提供用于根据本发明的装置的长导电构件(例如电缆或导线)特别有效。在此实施方案中，在横向截面中存在复合结构650。结构650包括与石墨烯层652交替的多个气凝胶层652。此结构650为电缆提供有用的支架，因为存在于第一层651和第二层652中的气凝胶和石墨烯提供在显著剪切力670(由箭头675所描绘的机构在结构650中消散)将作用于细长设计的情况下起作用所需的强度和弹性。类似地，振动被结构中的气凝胶层652抑制和吸收，从而最小化通过结构的振动。

如上所述，制造上述层压材料可通过许多方法进行。例如，在石墨烯为平面层的情况下，可使用薄膜沉积方法或者可选地，通过使用剥离技术来沉积石墨烯。在一个实施方案中，使用卷到卷制造工艺。具体地，柔性气凝胶层(例如，交联气凝胶)设置在柔性基底(例如，聚合物基底膜)上，并且使用薄膜沉积方法在气凝胶上形成石墨烯层。在另一个实施方案中，可使用石墨烯的外延形成在柔性金属基底上形成石墨烯，然后可用柔性气凝胶进行成层。因此，石墨烯可在金属(例如钌)上生长并置于气凝胶上，然后将这些石墨烯从基底上去除并用于构建包含多层石墨烯和气凝胶的复合结构。在另一个实施方案中，石墨烯层可形成为用于涂覆气凝胶层或膜的油墨。以这种方式，例如，可在相对简单的制造过程中容易地施加呈薄片或粉末形式的石墨烯到多个基底上。构成油墨的其他组分可保留在石墨烯层中，或者可在施加该层之后被去除。

实施例

除了上述实施例之外，下面提供用于上述部件中的复合结构的另外的具体实施例：

实施例1

将125μm柔性聚酰亚胺气凝胶层(aerozero125微米聚酰亚胺气凝胶膜；蓝移公司(blueshiftinc)(美国))切割成一定尺寸，并使用狭缝涂布工艺向该气凝胶层涂覆聚氨酯基质(px30；xencastuk柔性系列聚氨酯树脂(xencastukflexibleseriespuresin)体系。制造商报告的性质：硬度30至35(肖氏a)；拉伸强度0.7mpa至1.2mpa；断裂伸长率100％至155％；撕裂强度3.5kn/m至3.8kn/m)中的20μm石墨烯层(elicarb石墨烯粉末；英国托马斯·斯旺有限公司(thomasswan&coltduk)，产品编号pr0953)。涂覆后，使石墨烯/聚氨酯层固化并随后切割成一定尺寸。

石墨烯/聚氨酯层包含5wt％官能化石墨烯(elicarb石墨烯粉末；英国托马斯·斯旺有限公司，产品编号pr0953)，其在狭缝涂布工艺之前分散在聚氨酯中。更具体地，在分散之前，使用hydalehdlpas工艺用“氧”官能化的等离子体处理来处理石墨烯，该hydalehdlpas工艺在wo2010/142953a1中有所阐述(可选地，等离子体官能化的石墨烯纳米薄片可从hydale“hdplasgnp”商购，例如hdplasgnp-o2或hdplasgnp-cooh)。处理后，将石墨烯和聚氨酯在行星式离心混合器中预混合，并将树脂在真空下脱气以去除气泡。然后使用三辊研磨机(在40℃下，间隙<5μm)使混合物通过分散级，并通过八次。然后将石墨烯/聚氨酯混合物与硬化剂混合，随后使用行星式离心混合器进行脱气。

一旦石墨烯/聚氨酯混合物形成，就用20μm拉拔盘条(其将厚度调节至20μm)将该混合物成层到聚丙烯片材上。在完成成层后，使层干燥。然而，在石墨烯/聚氨酯层完全固化之前，将气凝胶粘附到层上以将这些层粘合在一起。然后将构成该结构的组合层静置固化24小时，并且然后将气凝胶和聚氨酯/石墨烯树脂混合物的组合层切割成形。

超高分子量聚乙烯(uhmwpe)织物(spectra1000；200d；霍尼韦尔公司(honeywell)；80gsm；warpyarn24tex；weftyarn25tex；encsxpicks/10cm177x177；平纹组织)被切割成与背衬结构相同的尺寸，并被施加到背衬结构的上表面(即聚氨酯层的暴露表面)。

然后通过在每对石墨烯和气凝胶层之间添加石墨烯层和气凝胶层的附加交替层以及uhmwpe织物来进一步构建复合结构，以形成多层复合物。重复此过程以提供包含90层的多层复合物，该90层包含30个气凝胶层、30个石墨烯/聚氨酯层和30个具有重复结构的uhmwpe层：uhmwpe/石墨烯层/气凝胶层。复合物的层粘合在一起。

这种复合结构既柔性又轻质，因此可用作电缆。复合结构还提供对损坏的有效防护。

实施例2

使用上面关于实施例1描述的技术，制备包含26层uhmwpe纤维(doyentrontexbulletproof单向片材；wb-674；160g/m²；0.21mm厚度)与25层背衬结构交替的复合结构。背衬结构包括125μm柔性聚酰亚胺气凝胶(来自蓝移公司(美国)的aerozero125微米膜)，其与20μm的聚氨酯层(px60；xencastuk)(即25层气凝胶与25层聚氨酯交替)层叠。在此实施例中，使用关于实施例2所阐述的技术使聚氨酯注有0.2％石墨烯(elicarb石墨烯粉末；英国托马斯·斯旺有限公司，产品编号pr0953)。因此，该复合物具有以下层的重复图案布置：“......uhmwpe层/聚氨酯+石墨烯层/气凝胶层/uhmwpe层/聚氨酯+石墨烯层/气凝胶层......”。

实施例3

使用上面关于实施例1描述的技术，包括26层uhmwpe织物(spectra1000；200d；霍尼韦尔公司；80gsm；warpyarn24tex；weftyarn25tex；encsxpicks/10cm177x177；平纹组织)，25层125μm柔性聚酰亚胺气凝胶(来自蓝移公司(美国)的aerozero125微米膜)和25层20μm聚氨酯层(px60；xencastuk)的复合结构掺杂有1％石墨烯(elicarb石墨烯粉末；英国托马斯·斯旺有限公司，产品编号pr0953)。因此，层压体具有以下层的重复图案布置“......uhmwpe层/聚氨酯层+石墨烯层/气凝胶层/uhmwpe层/聚氨酯层+石墨烯层/气凝胶层......”。

实施例4

复合结构1101在图14a(俯视图)和14b(仰视图)中示出。复合结构1101包括重复结构，该重复结构包括气凝胶膜(125μm柔性聚酰亚胺气凝胶；来自蓝移公司(美国)的aerozero125微米膜)，注入石墨烯颗粒的环氧树脂(elicarb石墨烯粉末；英国托马斯·斯旺有限公司，产品编号pr0953)和高拉伸聚甲醛(pom)层(delrin)。因此，复合结构1101具有气凝胶/注入石墨烯的环氧树脂/pom的子单元，该子单元在整个结构中重复以形成具有交替的含石墨烯和气凝胶的层的复合物。

通过首先在haydale等离子体反应器中将石墨烯纳米薄片功能化(使用羧基工艺)并随后将石墨烯纳米薄片分散在柔性环氧树脂中来制造复合结构1101。随后将石墨烯/环氧树脂混合物经狭缝涂覆到气凝胶膜上，并且然后与pom层(以织物的形式)成层。然后将此子单元在室温下真空固化。然后，通过将多个子单元彼此粘合在一起以形成复合结构1101来构建结构。以这种方式，将一个子单元的气凝胶层粘合到相邻子单元的pom层。此外，复合结构1101的最下面的子单元在其下侧设置有pom层，使得pom层形成最上和最下层。

复合结构1101为柔性的、坚固的和轻质的，并且因此提供用于航空航天和/或车辆蒙皮应用的优异复合物。所示的复合结构1101(尺寸143mm×193mm)的重量为61g，而具有类似性质的类似尺寸(厚度除外)的碳纤维航空航天复合物的比较实施例的重量为514g。对比碳纤维航空复合板比原型板厚4倍；然而，即使按比例缩放复合结构1101，复合结构的可比重量也将为244g，或者小于碳纤维航空复合物重量的一半，具有改进的性质。

实施例修改

应理解，可对上述实施例进行修改以优化所需的性质。例如，如果希望增加一个或多个第一(含石墨烯)层的复合材料的导电性，则可增加石墨烯相对于聚合物的量。可选地，可去除聚合物，并且在无基质情况下施加石墨烯(例如作为油墨中的薄片或颗粒，或者使用任何其他合适方法)或将石墨烯施加为平面石墨烯层(例如通过任何其他合适方法的薄膜沉积)施加。

尽管已参考上面的具体实施方案和实施例对本发明进行描述，但应理解，在不脱离本发明的情况下，可对实施方案和实施例进行修改。例如：

导电构件和收集构件可为同一部件、元件或构件的不同部分或者可为独立元件或构件；

收集元件可为能够从大气中汲取电力的任何部件，包括例如天线、复合物的暴露导电表面(例如，其可采取穿过其他层的孔的形式)、金属杆和其他类似装置；并且

可提供附加层(除了上面提到的那些层)。