專利名稱：接觸半導(dǎo)體電容脈沖發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。
與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)有溫差電偶，在不同金屬組成的閉合電路中，如果兩個接觸點具有溫差，電路中則有電流通過。溫差電裝置現(xiàn)在從金屬向半導(dǎo)體方向發(fā)展，雖然它能把熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，但效率很低，大規(guī)模把熱能轉(zhuǎn)化為電能還是先把熱能轉(zhuǎn)化為機械能，再帶動發(fā)電機發(fā)電。熱能的取得主要是靠燃燒化學(xué)燃料取得，這是目前人類社會面臨的許多困境中最難以擺脫的中心環(huán)節(jié)，是一切現(xiàn)有公害的總根源。《接觸電容脈沖發(fā)電裝置》(專利號98114180.3)應(yīng)用電子開關(guān)控制電源電容器和放電電容器的充、放電作用，將常溫物體的熱能轉(zhuǎn)化為脈沖電流，開辟了能源利用的新方法。半導(dǎo)體在導(dǎo)電機制方面雖然與金屬有差別，但也有共同點。本征半導(dǎo)體通過摻雜形成的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電性能，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕雽?dǎo)體利用絕緣體隔開也可以形成電容，利用溫差電現(xiàn)象制成的發(fā)電及致冷裝置大都采用半導(dǎo)體。
本發(fā)明的目的就在于提供一種應(yīng)用半導(dǎo)體電子技術(shù)將常溫物體中的熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備。
半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類具有二重性的物質(zhì)，雖然它本身導(dǎo)電性能不如金屬導(dǎo)體，但是通過摻入雜質(zhì)元素卻可大大改變它的導(dǎo)電性能，將同一塊半導(dǎo)體一邊摻入三價元素硼形成P型半導(dǎo)體，另一邊摻入五價元素磷形成N型半導(dǎo)體，在中間PN結(jié)的空間電荷區(qū)，形成勢壘，阻止了載流子的繼續(xù)運動。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，加正向電壓，PN結(jié)可以導(dǎo)通，加反向電壓，使勢壘加強，PN結(jié)阻斷，相當(dāng)于一個電容器，但它的電容量比較小。為了加大半導(dǎo)體電容器的電容量，可以根據(jù)金屬平板電容器的原理，加大半導(dǎo)體電容器極板的面積，縮小半導(dǎo)體極板間的距離，以及在N型極板和P型極板間放入介電系數(shù)高的絕緣介質(zhì)。半導(dǎo)體的逸出功與摻入雜質(zhì)的濃度有關(guān)，通過高摻雜，N型半導(dǎo)體的逸出功比金屬低，P型半導(dǎo)體的逸出功比金屬的高。用導(dǎo)體將半導(dǎo)體電容器的N型極板和P型極板連接起來，N型極板的電子將沿著導(dǎo)體流向P型極板，半導(dǎo)體電容器將自行充電，N極板帶正電，P極板帶負(fù)電。如果將兩個半導(dǎo)體電容器的極板對應(yīng)相連，即一個電容器的N極與另一個半導(dǎo)體電容器的P極相連，它的P極與另一個半導(dǎo)體電容器的N極相連，這兩個相連的半導(dǎo)體電容器就將自行充電。如果再用一個金屬極板的電容器的兩極與一個半導(dǎo)體電容器的兩極板相連，由于金屬逸出功介于N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間，根據(jù)接觸電原理，接觸電位差只發(fā)生在相互接觸的導(dǎo)體兩端與中間導(dǎo)體的性質(zhì)無關(guān)，金屬電容器將被充電，與它相連的半導(dǎo)體電容器由于處在中間，將不帶電，另一個半導(dǎo)體電容器仍帶原來的電荷。當(dāng)把金屬電容器與半導(dǎo)體電容器斷開后，它仍帶原來的電荷，不帶電的半導(dǎo)體電容器由于和另一半導(dǎo)體電容器相連，它將恢復(fù)原來的帶電狀態(tài)，在它們連接線上將產(chǎn)生脈沖電流。如果把帶電的金屬電容器與另一個半導(dǎo)體電容器的兩極板相連，金屬電容器將放電并被反向充電，與它相連的半導(dǎo)體電容器由于處在中間變?yōu)椴粠щ?。?dāng)金屬電容器與它斷開時，金屬電容器仍帶原來的電荷，半導(dǎo)體電容器將恢復(fù)原來的帶電狀態(tài)，在連接半導(dǎo)體電容器的電路中將產(chǎn)生脈沖電流?？傊?，金屬電容器的兩極板與相連兩個半導(dǎo)體電容器交替接觸，金屬電容器的極板將發(fā)生充電與放電作用，在電路中將發(fā)生交變的脈沖電流。在連接兩個半導(dǎo)體電容器的電路中發(fā)生方向不變的脈沖電流。金屬電容器與兩個半導(dǎo)體電容器的導(dǎo)通與關(guān)斷用電子開關(guān)控制，在開路電路中，在常溫條件下，由于電容器的充放電作用，就將物體的熱能轉(zhuǎn)化為脈沖電流的能量。
在閉合電路中將熱能轉(zhuǎn)化為電能，溫差的存在是必要條件。但是在開放電路中，沒有溫差也能形成電位差。半導(dǎo)體中載流子由于熱運動的作用，能夠從濃度大的地方向濃度小的地方擴散，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)在交界面處形成勢壘，以阻止載流子的繼續(xù)流動。以往的技術(shù)在平衡態(tài)面前就無能為力。本發(fā)明把平衡看作是暫時的，它可以通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段使其不停止地變換，而自行打破平衡。本發(fā)明所要開發(fā)的熱能存在于空氣、江河湖海及大地中，在地球的每一個角落都可以取得。因此，那種以燃燒燃料來取得熱能的方法就成為不必要。大氣污染的主要原因就是由于大量消耗化學(xué)能源造成的。由于受傳統(tǒng)習(xí)慣勢力的束縛，面對著臭氣沖天的空氣污染，無情的酸雨損壞森林、牧場、農(nóng)田、建筑物和文物卻束手無策。本發(fā)明開發(fā)的常溫物體的熱能是無限的，不需要燃料，這樣就降低能耗在生產(chǎn)成本中的比重。能量循環(huán)利用使大氣污染的難題得到最終解決了。另外能量的轉(zhuǎn)變使物體溫度自行下降，在制冷的過程中，不用特殊的化學(xué)物質(zhì)致冷，不會給大氣臭氧層造成破壞作用。
下面結(jié)合附圖進一步說明。


圖1，X和Y是兩個半導(dǎo)體電容器，中間連接具有一個PN結(jié)的二極管。X的N極與Y的P極相連，X的N極與Y的P極相連，由于載流子的運動，使兩個電容器的N極帶正電，P極帶負(fù)電。電容器Z就是一般金屬極板的電容器，兩極板C和D為同一種金屬。電容器Z的C極與電容器X的N極之間接有電子開關(guān)K1，電容器Z的D極與電容器X的P極之間接有開關(guān)K2，電容器Z的D極與電容器Y的N極之間接有電子開關(guān)K3，電容器Z的C極與電容器Y的P極之間接有電子開關(guān)K4。
圖2、同時關(guān)閉開關(guān)K1和K2，K3和K4仍斷開，電容器Y和Z處在兩端帶電，電容器X處在中間不帶電。電容器Y的P極帶負(fù)電，與它相連的電容器Z的C板帶正電。電容器Y的N極帶正電，與它相連的電容器Z的D板帶負(fù)電。
圖3、同時開啟開關(guān)K1和K2，K3和K4仍斷開，電容器Z的C板仍帶正電，D板仍帶負(fù)電。電容器X由處在中間變?yōu)樘幵谝欢?，恢?fù)它原來的帶電狀態(tài)。在連接兩個半導(dǎo)體電容器的連線中發(fā)生電子由N極到P極箭頭所示方向的脈沖電子流。
圖4、同時關(guān)閉開關(guān)K3和K4，K1和K2仍斷開。電容器X和Z處在兩端帶電，電容器Y處在中間不帶電。電容器X的N極帶正電，與它相連的電容器Z的C極由帶正電變?yōu)閹ж?fù)電，電容器X的P極帶負(fù)電，與它相連的電容器Z的D板由帶負(fù)電變?yōu)閹д姟?br> 圖5，同時打開開關(guān)K3和K4，K1和K2仍斷開。電容器Z的C板仍帶負(fù)電，D板仍帶正電，電容器Y由處在中間變?yōu)樘幵谝欢?，恢?fù)它原來的帶電狀態(tài)。在連接兩個半導(dǎo)體電容器的連接線中發(fā)生由N極到P極箭頭所示的脈沖電子流。
在開關(guān)K1、K2和K3、K4相互交替關(guān)閉和開啟的過程中，半導(dǎo)體電源電容器和金屬放電電容器間發(fā)生充電和放電作用，在不同半導(dǎo)體的界面上發(fā)生能量轉(zhuǎn)變過程，把熱能轉(zhuǎn)化為電能。
半導(dǎo)體的接觸電壓，由半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的濃度決定，為了提高半導(dǎo)體電容器的接觸電壓，電容器的極板就要用高滲雜的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體制造。在兩個半導(dǎo)體電容器之間接入兩個隧道二極管，如圖6所示。半導(dǎo)體電容器X的N極與隧道二極管a的負(fù)極相連，隧道二極管a的正極與半導(dǎo)體電容器Y的P極相連。半導(dǎo)體電容器Y的N極與隧道二極管b的負(fù)極相連，隧道二極管b的正極與半導(dǎo)體電容器X的P極相連。電容器X的N極板與金屬放電電容器Z的C極之間接入可控硅KD1，電容器X的P極板與電容器Z的D極板之間接入可控硅KD2。電容器Y的N極板與電容器Z的D極之間接入可控硅KD3。電容器Y的P極板與電空器Z的C極板之間接入可控硅KD4?？刂频某绦蚴峭瑫r導(dǎo)通KD1和KD2，然后同時關(guān)斷。再同時導(dǎo)通KD3和KD4，然后同時關(guān)斷，循環(huán)往復(fù)，每秒導(dǎo)通與關(guān)斷幾萬次。如果電容器的電容量較小，可采用快速可控硅，作為電路開關(guān)。為了提高發(fā)電裝置的功率，就要增大半導(dǎo)體電容器的電容量，在增大極板面積的基礎(chǔ)上縮小兩極板間的距離，以及在兩極板間放入介電系數(shù)高的絕緣介質(zhì)。將多組電容器串聯(lián)起來，即提高接觸電壓，同時又隨著總的電容量減小，提高了單位時間的放電次數(shù)。按傳統(tǒng)觀點，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，需要有溫差，轉(zhuǎn)換的效率不能等于1。從高溫物體吸收熱量，一部分轉(zhuǎn)化為電能，另一部分向低溫物體放熱，并有消除現(xiàn)有溫差的趨勢，接觸發(fā)電裝置把這個關(guān)系顛倒過來從常溫物體吸收熱量，一部分轉(zhuǎn)化為電能，另一部分向高溫物體放出。這是矛盾的，又是統(tǒng)一的。因為按傳統(tǒng)方法，是在閉合電路中尋找電源，閉合電路中由逸出功引起的接觸電位差的總和為零，由于電子密度引起的接觸電位差是由溫差決定的所以當(dāng)接觸點的溫度不同，在閉合電路中將有一部分熱能轉(zhuǎn)化為電能。接觸發(fā)電裝置卻不同，它串聯(lián)的是一個個的電容器，電路是開放的，并不閉合，由逸出功引起的電位差不但不會消失，反而可以疊加。但是在開放的、不閉合的電路中不會直接產(chǎn)生閉合電路那樣的連續(xù)電流，它只能以電容器充電和放電形式產(chǎn)生脈沖電流，然后再轉(zhuǎn)化為其他所需要的電流形式加以利用。接觸電容器充電能量來源于常溫物體中的熱能。在常溫下，由于逸出功的不同，引起的接觸電位差將使電子發(fā)生運動，達(dá)到新的平衡，使電容器處于充電狀態(tài)。將充電的電容器的能量以電的形態(tài)釋放出來，這樣就把常溫物體的熱能轉(zhuǎn)化為可利用的電能了。
權(quán)利要求
1.一種將熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌雽?dǎo)體發(fā)電裝置，在現(xiàn)有技術(shù)中雖然半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置也能在閉合電路中將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但效率較低，本發(fā)明卻不同，其特征在于利用開放電路，串聯(lián)的是用高滲雜的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成的電容器，半導(dǎo)體電容器X的N極與隧道二極管a的負(fù)極相連，隧道二極管a的正極與半導(dǎo)體電容器Y的P極相連，半導(dǎo)體電容器Y的N極與隧道二極管b的負(fù)極相連，隧道二極管b的正極與半導(dǎo)體電容器X的P極板相連，電容器X的N極板與金屬放電電容器Z的C點之間接入可控硅KD1，電容器X的P極板與金屬放電電容器Z的D點接入可控硅KD2，電容器Y的N極板與放電電容器Z的D點接入可控硅KD3，電容器Y的P極板與放電電容器Z的C點之間接入可控硅KD4，控制的程序是同時導(dǎo)通KD1和KD2，然后關(guān)斷再同時導(dǎo)通KD3和KD4，然后關(guān)斷，循環(huán)往復(fù)，在電容器充電和放電過程中，將常溫物體的熱能轉(zhuǎn)化為可利用的脈沖電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸半導(dǎo)體電容脈沖發(fā)電裝置，其特征在于該發(fā)電裝置在工作時把常溫物體中的熱量轉(zhuǎn)化為電能的同時，可將周圍環(huán)境自行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用半導(dǎo)體充放電作用將熱 能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。利用遂道二極管激發(fā)兩個相連的半導(dǎo)體 電容器的N極板和P極板帶電,用電子開關(guān)KD1、KD2連接電 容器X和金屬電容器Z,用電子開關(guān)KD3、KD4連接電容器Y 和金屬電容器Z。導(dǎo)通KD1、KD2,然后關(guān)斷,導(dǎo)通KD3、KD4 然后關(guān)斷,循環(huán)往復(fù),電容器就將常溫物體的熱量轉(zhuǎn)化為脈沖電 流,周圍物體的溫度自行下降。
文檔編號H02N11/00GK1277488SQ99125648
公開日2000年12月20日 申請日期1999年12月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月24日
發(fā)明者石運達(dá), 張金鋒, 石鐘艷 申請人:石運達(dá)