本发明专利技术揭示了一种将热转换成电能的新方法及设备。本发明专利技术运用相改变期间发生在铁电材料内的自发极化的迅速改变。在一个态样内，本发明专利技术是关于一种将热转换成电能的设备，其包含一对电极；一铁电层由一铁电材料形成在其间，该材料具有一居里温度(Curie?temperature)Tc，当该铁电材料的温度低于该居里温度Tc时，该铁电材料会处于一铁电相内，在该铁电相中该铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化，而该铁电材料的温度高于该居里温度Tc时，不建立起自发极化；以及一装置，用于交替地传递一冷流体和一热流体流至该铁电层，以交替地以低于Tc的一第一温度TL冷却该铁电层，并且以高于Tc的一第二温度TH加热该铁电层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般是关于热转换成电能，尤其关于运用铁电材料的自发极化来将热转换成电能的设备及方法，该自发极化会在该铁电材料位于对应其铁电相的温度范围时发生， 而在该铁电材料随着温度改变而转移进入其顺电相或反铁电相时迅速消失。现有技术使用具有随温度而变的介电常数的电容来将热转换成电能为已熟知的技术。在 Drummond提出的第4，220，906号美国专利、Olsen提出的第4，425，540号和第4，647，836 号美国专利、Ikura等人提出的第6，528，898号美国专利以及Kouchachvi 1 i等人提出的第 7，323，506号等美国专利当中已经揭示使用介电质作为可变电容来产生电力的代表装置。 这些装置简单地运用如铁电体这些特定材料的介电常数会随温度变化而变的事实，尤其是这些装置使用该介电质作为随温度而变的可变电容，其电容量会随着因吸收热量温度的增加而减少。该电容在低温及电场的施加下会部分充电，然后藉由提升电场来完整充电。然后该电容会在较大电场下加热，并随温度升高、介电常数下降而部分放电，因此对应地降低电容量。降低所施加电场同时维持高温将可进一步放电(Olsen提出的第4，425，540号美国专利)。这种在施加电场下电容的温度与介电常数循环称为「Olsen循环」。电容装置的物理特性简单易懂，电容量为C的一电容之电压V与介电常数ε成反比V = Q/C = Q/当电容在Olsen循环下藉由施加外部电场完全充电之后，电容会被加热至一温度，于该温度介电常数ε会下降。在Olsen循环的加热期间，因为电容所保存的电荷Q会下降而同时V维持不变，所以会发生部分放电的情况。Olsen 在「Cascaded Pyroelectric Converter,59FERR0ELECTRICS 205(1984)」 当中也提出使用介电质作为可变电容来产生电力的报告，Olsen提出使用铁电性的PZST 作为一具有多阶相变与再生性质的可变电容装置内的介电材料，其最大功率强度为33W/ L(大约4ff/kg)。运用有限元素法(finite element)仿真，Vanderpool计算出Olsen循环在使用PZST作为其可变电容内介电材料的特定条件下会产生24W/L(大约3W/kg)的功率强度。见Vanderpool，「使用热电材料来收取废热的原型装置仿真Simulations of a Prototypical Device Using Pyroelectric Materials for Harvesting Waste Heat,51 INT. J. HT & MASS TRANSFER 5051 (2008)J 然而，将热转换成电力的可变电容法并非是使用铁电体产生电力的最有效方法。 真正的热电产生其实集中于铁电相内发生的既有极化上，与施加电场所引发的极化无关。 该既有极化可提供更有效率的电能来源。在无施加电场的情况下，可变电容并不会有效利用铁电体内所发生强大的既有自发极化。再者，施加大外部电场以及于循环期间连续地施加外部电场会妨碍铁电体所能达到更强大的能量转换。这种外部电场会导致无法有效使用自发于铁电材料的电偶极且未受外部电场诱发的大量能源。因此，业界至今仍有待解决上述的缺陷与不完备。
技术实现思路
本专利技术提供了一种藉由使用一或多个铁电体将热转换成电能的设备及方法，其铁电相的相转换是发生在所要的温度上。在铁电相中，在一或多铁电体的单位晶胞内都自发地产生非常强烈极性的电偶极，其不需施加任何的外部电场就会发生。藉由极化来排列该些单位晶胞与晶域，个别的单位晶胞和晶域的极化会结合而在整个材料系统内产生非常大的净自发极化。该净极化被指定为ps，在无外部电场的情况下也可称为残余极化Pp本专利技术特别运用自发极化，搭配相转换期间发生的极化快速改变，以将热转换成电能。本专利技术不需要介电常数的温度变异性。因自发极化所产生且因极化消失所释放的电能可远大于铁电体藉由可变电容模式的外部电场施加所能产生的电能。铁电材料的温度可藉由运用一或多个热交换器来控制，使其转换进入铁电相。在转换进入铁电相期间或之后，施加小电场来将该铁电体极化。极化场会将自发电偶极排列对齐，其程度为在特定材料的晶体结构所允许的范围，除了这种初始极化以外，该外部电场并不需是该装置的处理或循环的一部分。本专利技术一般应避免电场的应用(最小极化场除外)，因为这种施加电场一般会干扰运用自发极化及极化改变来将热转换为电能的效果。虽然大电场的应用对于可变电容装置与Olsen循环来说是必要的(例如Olsen在第 4，425，540号美国专利内提出的^kV/cm)，这种外部电场以及超越极化所需最小场的电场一般将降低本专利技术生成电能的效果。当本专利技术的铁电材料处在铁电相内且已经极化时，因为铁电体内自发极化的强度，其自然会产生非常强烈的既有电场，不需要施加外部电场。自发极化会在铁电体的表面上产生非常密集的束缚电荷(bound charge)，结果电流会流向铁电体反面的电极，直到电极上已屏蔽的电荷等于铁电体个别表面上电性相反的束缚电荷。此时，电极内的净电场可忽略不计。依所使用的特定材料以及该材料的相转换温度而定，藉由运用一或多个热交换器来变更铁电体的温度可使材料通过相转换变成顺电相或反铁电相。当铁电材料经过相转换，其整体净自发极化可忽略不计，且铁电体表面上的束缚电荷会消失。电极上已屏蔽的电荷因此变成未屏蔽状态，如此，电荷可在非常高的电压下从电极移至外部电路。然后铁电电能产生模块会(1)藉由使用热交换器将材料加热至可导致相转换的温度，之后再循环回到铁电相，以及( 在该相转换期间运用小电场重新极化。然后连续重复该循环，其结果为热能量可连续转换成高电压的电能。本专利技术可使用固态或液态的铁电体，后者包含液态铁电体以及悬浮在液体内的铁电性细微结晶。运用本专利技术的铁电体自发极化可允许在各种温度下有效率地将各种热源供应的热能转换为电能，无论这些热能是自然发生或生产出来的。热可从热源输入铁电体，或利用传导、转换或辐射等方式或利用任何这些方式的组合从铁电体抽出至散热片。利用相变化循环的自发极化的改变所获得的电能可用L andau-Ginzburg-Devonshire (LGD)原理预测其产量，其中自由能量的泛涵数是以温度T和极化量P来表示G(T，P) = Q1(T) - P2+αη. P4+αηι. P60这些参数随材料系统而定。根据LGD泛函的模型也允许计算使用大施加电场来感应属于先前技术和Olsen循环的极化时可获得的自由能量。虽然由这两种方式产生的净能量的数值比较随特定材料系统和操作手法而变，不过LGD原理指出，针对典型铁电体以及可用参数，使用自发极化产生的电能会远超出先前技术中单仅使用大施加电场诱导极化所能获得的电能。单阶的铁电功率转换模块包含单一铁电材料，如此，其通常具有单一的相转换温度，其反映出铁电相与非极化相(像是顺电相或反铁电相)之间的转换。根据此处所描述的流程与方法，铁电模块在相转换温度上下循环改变就可产生电能。为了在热源与散热片之间的温度差ΔΤ充足的应用中能更有效率地将可用热能转换成电能，可使用一系列具有连续相转换温度的铁电材料，其相转换温度以递增方式涵盖热源与散热片之间全部或至少一部分的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔贝拉·艾哈迈德，大卫·F·艾伯特，
申请(专利权)人：地热能源公司，
类型：发明
国别省市：
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