CN101136599B - 温度发电装置及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种温度发电装置及发电方法，其应用电场与游离能原理，将两种不同的材料连接构成一个闭合回路，使该两个接点的温度与游离能不同而诱使电子产生，将产生的电子以电场吸引方式诱导到特定的电极上，藉以产生电流与电压，供应外界能源的温度发电装置及发电方法。

Description

温度发电装置及发电方法

技术领域

本发明有关于一种温度发电装置及发电方法。

背景技术

由于科技发展的快速，加上全球人口的增长，能源的使用也不断地增加，目前最重要的能源应属石油，现今石油的存量正在迅速减少中，专家预估可能在半世纪后会有供应上的危机，此一世界性的能源危机，迫使人们再度致力于寻找新的可利用能源。

目前许多先进国家已致力于减少现有能源使用的浪费，及新能源的开发，例如核能发电设备的更新、太阳能与风力发电的应用。其中，核能发电的安全顾虑及公害问题，使得其应用存在着许多争议；太阳能发电能量转换及应用上的效率，仍需一段时间的研究才能在技术层面上有所突破；而风力发电则须考量地理因素，且在执行上对生态造成的破坏也必须关注。

爰此，本发明提供另外一种比传统发电更方便与更经济的新能源，以减少地球日益暖化的危机，以及能源的消耗，达到环保的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度发电装置及发电方法，其比传统发电更方便与更经济，可减少地球日益暖化的危机以及能源的消耗，达到环保的目的。

为达此目的，本发明采如下方案：一种温度发电装置及发电方法，其包括有：温度反应层，该温度反应层具有一反应面，为低比热、太阳放射吸收率接近1且低黑体放射率的材料；接地电极，是以接地电极的一面披覆于温度反应层上，其材料为低游离能材料；第一绝缘层，设置于接地电极上，其厚度为10^-10m-10^-2m，该第一绝缘层是为绝缘性材料或绝缘间隔其中任一种，吸引电极，具有网状孔洞，连接第一绝缘层，该吸引电极的材料为高熔点且高游离能材料；第二绝缘层设置于吸引电极上，其厚度为10^-10m-10^-2m，又该第二绝缘层为绝缘性材料或绝缘间隔其中任一种；输出电极，连接第二绝缘层上，该输出电极的材料为高熔点且高游离能材料，外接电源，其正极连接吸引电极，负极连接温度反应层，提供吸引电极一高电场环境；封装罩体，为一密闭中空罩体，封罩住上述组件，封装罩体内为真空。

上述温度反应层选自不锈钢、氧化铜、镍及铬所组成材料群组的任一种。

当大气质量为2时上述温度反应层的太阳放射吸收率接近1，其黑体放射率为对100℃黑体放射的放射率，且放射率趋近0；

上述温度反应层的反应面为深色。

上述接地电极的低游离能材料为第一游离能小于140kcal/mole的材料。

上述低游离能材料选自镧、铝、铪、化学周期表的碱金属元素的锂、钠、钾、铷及化学周期表的碱土金属元素的铍、镁、钙、锶、钡、镭所组成材料群组的任一种。

上述吸引电极与输出电极的材料为铜、铁、银、硅或钛其中任一种。

上述第一绝缘层与第二绝缘层的绝缘性材料为二氧化硅、钛酸钡、钛酸铅钡其中任一种，且该绝缘性材料上具有网状孔洞。

上述第一绝缘层与第二绝缘层的绝缘间隔是于吸引电极与接地电极之间留有一10^-10m-10^-2m的间隔，待真空封装后，该绝缘间隔为真空状态。

上述的温度发电装置可将两个温度发电装置以输出电极为中心以面对面的方式合并，两端接受热能的接地电极短路成共同接地，形成一对称结构。

上述的温度发电装置可利用串联组合多个温度发电装置。

本发明公开一种温度发电方法，其步骤为：在真空环境中，

A、设置一接地电极：于一温度反应层上披覆一层低游离能材料；

B、设置一第一绝缘层：于上述接地电极上设置极薄的第一绝缘层；

C、设置一吸引电极：设置一层低电阻、高熔点且高游离能的吸引电极与第一绝缘层相连；

D、设置一第二绝缘层：于吸引电极上设置极薄的第二绝缘层；

E、设置一输出电极：设置一低电阻、高熔点且高游离能的输出电极与第二绝缘层相连，以产生电流与电压。

上述步骤A、C、E中，电极制备的方式为蒸镀、溅镀、物理气相磊晶法、化学气相磊晶法或物理化学气相磊晶法其中任一种。

上述步骤B、D中，设置绝缘层的方式为镀上绝缘性材料或绝缘间隔。

所述镀上绝缘性材料的方式为蒸镀、溅镀、物理气相磊晶法、化学气相磊晶法或物理化学气相磊晶法其中任一种，该绝缘性材料厚度为10^-10m-10^-2m。

所述绝缘间隔是在电极间存在一10^-10m-10^-2m的绝缘间隔，待真空封装后，该绝缘间隔为真空状态。

上述步骤B到D中，该第一绝缘层、吸引电极及第二绝缘层须以蚀刻技术做出网状孔洞，若第一、第二绝缘层为绝缘间隔，则不需蚀刻。

所述蚀刻方式是于待蚀刻表面涂上光阻，再以黄光微影与显影，透过光罩与光阻于其上曝晒出网状图案，再将不要的部分蚀刻去除。

所述真空环境是大气压小于100微托以下。

采用上述温度发电装置及发电方法，本发明是以低游离能材料与高吸收热能材料，透过外加的高电场，吸收因温度所产生的热电子，进而产生电流的温度发电装置及方法，其优点体现如下：

1、本发明的温度发电装置，是以低游离能材料与高吸收热能材料，透过外接电源产生一高电场，吸引因温度所产生的热电子，进而产生电流，在此过程中热能会被消耗，所以必须不断地从外界中取得热能，而热能在自然界中垂手可得，故可有效降低能源成本。

2、本发明于常温常压下即可操作，不需外在的压力平衡设计且重量小、体积小、系统结构简单。

3、本发明于产生电能后，不会有毒性副产物产生，具有良好的环保性。

附图说明

图1为本发明的温度发电装置材料能带图；

图2为本发明的温度发电装置材料能带图的第二实施例；

图3为本发明的温度发电方法流程方块图；

图4为本发明的网状孔洞蚀刻图形；

图5为本发明的温度发电方法中网状孔洞第一蚀刻样态截面图；

图6为本发明的温度发电方法中网状孔洞第二蚀刻样态截面图；

图7为本发明的温度发电方法中网状孔洞第二蚀刻样态截面图。

主要元件符号说明

1温度反应层    11反应面        2接地电极

3第一绝缘层    31绝缘性材料    4吸引电极

5第二绝缘层    51绝缘性材料    32a绝缘间隔

4a吸引电极     5a第二绝缘层    51a绝缘性材料

32b绝缘间隔    4b吸引电极      52b绝缘间隔

6输出电极      7外接电源       8封装罩体

A光阻          B网状图案       C蚀刻部

具体实施方式

本发明的温度发电装置，请参见图1，包括：温度反应层1、接地电极2、第一绝缘层3、吸引电极4、第二绝缘层5、输出电极6、外接电源7、封装罩体8，其中：

温度反应层1，用以吸收外界的热能，为低比热、太阳放射吸收率接近1且低黑体放射率的材料，具有一反应面11，用以吸收外界热能，其中，该温度反应层1为不锈钢、氧化铜、镍或铬其中任一种；该温度反应层1的太阳放射吸收率接近1时大气质量为2；该温度反应层1的黑体放射率为对100℃黑体放射的放射率，且放射率趋近0；该温度反应层1的反应面11为深色，本实施例中涂为黑色，本发明选择的温度反应层1材料相关数据，如下表所示：

代号	温度反应层材料	α	Ep
				A	理想温度反应层	1.00	0.00
B	一面涂成黑色的不锈钢	0.93	0.11
				C	氧化铜	0.90	0.10
D	一面涂成黑色的镍	0.90	0.12
				E	一面涂成黑色的铬	0.93	0.10

α：为对大气质量等于2的太阳放射吸收率。

εp：为对100℃黑体放射的放射率。

由上表可知，一面涂成黑色的镍最近似理想温度反应层1，然其成本较高，基于经济考量，本实施例中是以一面涂成黑色的不锈钢作为温度反应层1。

接地电极2，为产生热电子的来源，其材料为低游离能材料，是以接地电极2的一面镀于温度反应层1上，其中，该接地电极2的低游离能材料为第一游离能小于140(kcal/mole)的材料，是选自镧、铝、铪、化学周期表的碱金属元素的锂、钠、钾、铷及化学周期表的碱土金属元素的铍、镁、钙、锶、钡、镭所组成材料群组的任一种。

本发明的接地电极2材料相关数据，如下表所示：

材料名称	镧	铝	铪	锂	钠	钾	钙	锶	钡
										游离能kcal/mole	129	138	127	124	119	100	121	131	120
熔点℃	920	660.4	2222	180.5	98	63.7	839	768	714

本实施例中，选用铝作为接地电极2。

第一绝缘层3，设置于接地电极2上，用以隔离接地电极2与吸引电极4，该第一绝缘层3的厚度为10^-10m-10^-2m，又本实施例的第一绝缘层3的材料为绝缘性材料31，其中，绝缘性材料31为二氧化硅、钛酸钡、钛酸铅钡其中任一种，采用二氧化硅作为第一绝缘层3，且其上具有网状孔洞，是利用蚀刻成型。

吸引电极4，供应吸引热电子所需高电场的电压，具有网状孔洞，设置于第一绝缘层3上，该吸引电极4的材料，为高熔点且高游离能材料，为铜、铁、银、硅或钛其中任一种。

本发明的吸引电极4材料相关数据，如下表所示：

材料名称	铜	铁	银	硅	钛
						游离能(kcal/mole)	178	170	175	188	158
熔点(℃)	1083	1535	962	1410	1660

本实施例中，选用铜材料作为吸引电极4。

第二绝缘层5，设置于吸引电极4上，用以隔离供应吸引热电子的电压的吸引电极4；其第二绝缘层5的厚度为10^-10m-10^-2m，该第二绝缘层5的另一面设置输出电极，又本实施例的该第二绝缘层的材料为绝缘性材料51，其中，绝缘性材料51为二氧化硅、钛酸钡、钛酸铅钡其中任一种，且其上具有网状孔洞，本实施例中采用二氧化硅作为第二绝缘层5。

输出电极6，镀于第二绝缘层5上，作为提供输出功率的电极，该输出电极6的材料，为高熔点且高游离能材料，为铜、铁、银、硅或钛其中任一种。本实施例中是以铜作为输出电极6。

外接电源7，其正极连接吸引电极4，负极连接温度反应层1，提供吸引电极4一高电场环境。

封装罩体8，为一密闭中空罩体，封罩住上述组件，封装罩体8内为真空，需抽真空至100微托mTorr以下。

由于接地电极2与吸引电极4的距离非常小，因此外接电源7产生的高电场位能吸引接地电极2产生的热电子，热电子离开接地电极2的表面往高电场的吸引电极4移动，由于第二绝缘层5相当薄，故吸引电极4与输出电极6非常靠近，由于吸引电极4具有网状孔洞的电极，所以大多数电子将穿过吸引电极4，使电子碰撞到与吸引电极4相距非常近的输出电极6，进而产生输出电流。

本发明的另一实施例，如图2所示，是将两个温度发电装置以输出电极6为中心以面对面的方式合并，两端接受热能的接地电极2短路成共同接地，形成三明治状对称结构，以减少制造成本与热电池所占用的面积，提高热电池的效率。

本发明亦可利用串联组合多个温度发电装置，以提供更高电压或并联组合提供更多电流。

本发明的温度发电方法，请参照图1及图3所示，是在真空环境中：

A、设置一接地电极：于一温度反应层1上披覆一层低游离能材料；本实施例中选用黑色的不锈钢为温度反应层1，在黑色不锈钢上镀上铝作为接地电极2，其中，设置接地电极2的方式为蒸镀、溅镀、物理气相磊晶法、化学气相磊晶法或物理化学气相磊晶法其中任一种，本实施例中采用蒸镀。

B、设置一第一绝缘层：于上述接地电极2上设置第一绝缘层3，其中，设置第一绝缘层3的方式为镀上绝缘性材料31，该绝缘性材料31为二氧化硅、钛酸钡、钛酸铅钡其中任一种，本实施例是采用二氧化硅；镀上绝缘性材料31的方式为蒸镀、溅镀、物理气相磊晶法、化学气相磊晶法或物理化学气相磊晶法其中任一种，本实施例中是采用蒸镀；该第一绝缘层3须以蚀刻技术做出网状孔洞，该蚀刻方式是于待蚀刻表面涂上光阻A，再以黄光微影与显影，透过光罩(图中未示)与光阻A于其上曝晒出如图4所示的网状图案B，再将不要的部分蚀刻去除，形成具有蚀刻部C的网状构造，若第一绝缘层3是以绝缘间隔法，则不需蚀刻。

C、设置一吸引电极：设置一层低电阻、高熔点且高游离能的吸引电极4与第一绝缘层3相连；其材料为铜、铁、银、硅或钛其中任一种，本实施例中是以铜作为吸引电极4；其设置吸引电极4方式请参考步骤A的设置接地电极2方式；该吸引电极4须以蚀刻技术做出网状孔洞，其蚀刻方式请参考步骤B。

D、设置一第二绝缘层：于吸引电极4上设置第二绝缘层5，其中，设置第二绝缘层5的方式为镀上绝缘性材料51，其中绝缘性材料51为二氧化硅、钛酸钡、钛酸铅钡其中任一种，本实施例是采用二氧化硅，镀上绝缘性材料51的方式请参考步骤B；该第二绝缘层5须以蚀刻技术做出网状孔洞，若第二绝缘层5以绝缘间隔法，则不需蚀刻，其蚀刻方式请参考步骤B。

E、设置一输出电极：设置一低电阻、高熔点且高游离能的输出电极6与第二绝缘层5相连；该输出电极6的材料，为铜、铁、银、硅或钛其中任一种，本实施例中是以铜作为输出电极6；其披覆输出电极6方式请参考步骤A的披覆接地电极2方式。

如图5所示，当第一绝缘层3与第二绝缘层5为绝缘性材料31、51(如：二氧化硅)时，于第一绝缘层3表面涂上光阻A，再以黄光微影与显影，透过光罩(图中未示)与光阻A于其上曝晒出网状图案B，再将第一绝缘层3、吸引电极4、第二绝缘层5不要的部分蚀刻去除，形成具有蚀刻部C的网状构造。

如图6所示，若步骤B采绝缘间隔法时，在吸引电极4a上存在一10^-10m-10^-2m的绝缘间隔32a，待真空封装后，该绝缘间隔32a系为真空状态，具有绝缘效果，此时则不需蚀刻，则直接在吸引电极4a表面涂上光阻A，透过光罩(图中未示)与光阻A在上面曝出网状图案B，若第二绝缘层5a为绝缘性材料51a，以蚀刻技术，将吸引电极4a、第二绝缘层5a不要的部分蚀刻去除，形成具有蚀刻部C的网状构造。

如图7所示，若步骤B及D采绝缘间隔法时，是在吸引电极4b上存在一10^-10m-10^-2m的绝缘间隔32b，在吸引电极4b及输出电极6间存在一10^-10m-10^-2m的绝缘间隔52b，在吸引电极4b表面涂上光阻A，透过光罩(图中未示)与光阻A在上面曝出网状图案B，只要将吸引电极4b不要的部分以蚀刻去除。

将上述组件封装后，需抽真空至100微托(mTorr)以下，以减少接地电极2被电子碰撞而活化的机率。

Claims (19)

1.一种温度发电装置，其特征在于：包括有，

温度反应层，该温度反应层具有一反应面，为低比热、太阳放射吸收率接近1且低黑体放射率的材料；

接地电极，以接地电极的一面镀于温度反应层上，其材料为低游离能材料；

第一绝缘层，设置于接地电极上，其厚度为10^-10m-10^-2m，该第一绝缘层为绝缘性材料或绝缘间隔其中任一种；

吸引电极，具有网状孔洞，连接于第一绝缘层上，该吸引电极的材料为高熔点且高游离能材料；

第二绝缘层设置于吸引电极上，其厚度为10^-10m-10^-2m，该第二绝缘层为绝缘性材料或绝缘间隔其中任一种；

输出电极，连接于第二绝缘层上，该输出电极的材料为高熔点且高游离能材料；

外接电源，其正极连接吸引电极，负极连接温度反应层，提供吸引电极高电场环境；

封装罩体，为一密闭中空罩体，封罩住上述组件，封装罩体内为真空。

2.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：该温度反应层材料选自不锈钢、氧化铜、镍及铬所组成材料群组的任一种。

3.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：当大气质量为2时该温度反应层的太阳放射吸收率接近1；其黑体放射率为对100℃黑体放射的放射率，且放射率趋近0。

4.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：该温度反应层的反应面为深色。

5.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：该接地电极的低游离能材料为第一游离能小于140kcal/mole的材料。

6.如权利要求5所述的温度发电装置，其特征在于：该低游离能材料选自镧、铝、铪、化学周期表的碱金属元素的锂、钠、钾、铷、铯及化学周期表的碱土金属元素的铍、镁、钙、锶、钡、镭所组成材料群组的任一种。

7.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：该吸引电极与输出电极的材料为铜、铁、银、硅或钛其中任一种。

8.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：第一绝缘层与第二绝缘层的绝缘性材料为二氧化硅、钛酸钡、钛酸铅钡其中任一种，且绝缘性材料上具有网状孔洞。

9.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：第一绝缘层与第二绝缘层的绝缘间隔，是于吸引电极与接地电极之间留有一10^-10m-10^-2m的间隔，待真空封装后，该绝缘间隔为真空状态，具有绝缘效果。

10.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：将两个温度发电装置以输出电极为中心以面对面的方式合并，两端接受热能的接地电极短路成共同接地，形成一对称结构。

11.如权利要求1所述的温度发电装置，其特征在于：利用串联或并联组合多个温度发电装置。

12.一种温度发电的方法，在真空环境中：

A、设置一接地电极：于一温度反应层上披覆一层低游离能材料；

B、设置一第一绝缘层：于上述接地电极上设置极薄的第一绝缘层；

C、设置一吸引电极：设置一层低电阻、高熔点且高游离能的吸引电极与第一绝缘层相连；

D、设置一第二绝缘层：于吸引电极上设置极薄的第二绝缘层；

E、设置一输出电极：设置一低电阻、高熔点且高游离能的输出电极与第二绝缘层相连；

以产生电流与电压。

13.如权利要求12所述的温度发电的方法，其中步骤A、C、E中，电极制备的方式为蒸镀、溅镀、物理气相磊晶法、化学气相磊晶法或物理化学气相磊晶法其中任一种。

14.如权利要求12所述的温度发电的方法，其中步骤B、D中，设置绝缘层的方式为镀上绝缘性材料或绝缘间隔。

15.如权利要求14所述的温度发电的方法，其中镀上绝缘性材料的方式为蒸镀、溅镀、物理气相磊晶法、化学气相磊晶法或物理化学气相磊晶法其中任一种，该绝缘性材料厚度为10^-10m-10^-2m。

16.如权利要求14所述的温度发电的方法，其中绝缘间隔是在电极间存在一10^-10m-10^-2m的绝缘间隔，待真空封装后，该绝缘间隔为真空状态，具有绝缘效果。

17.如权利要求12所述的温度发电的方法，其中上述步骤B到D中，该第一绝缘层、吸引电极及第二绝缘层须以蚀刻技术做出网状孔洞，若第一、第二绝缘层是以绝缘间隔，则不需蚀刻。

18.如权利要求17所述的温度发电方法，其中，该蚀刻方式是于待蚀刻表面涂上光阻，再以黄光微影与显影，透过光罩与光阻于其上曝晒出网状图案，再将不要的部分蚀刻去除。

19.如权利要求12所述的温度发电方法，其中真空环境是大气压力小于100微托。

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