本发明专利技术描述了一种将热能转换为电能的方法。该方法直接通过铁电体或者其他可极化材料高效和经济地从热能发电，而不需要先将热能转换成机械能、其他形式的能或者是功。采用该方法时，可极化材料经历一个热力学循环，包括两个等温步骤和两个常数极化步骤。在理想实施例中，该热力学循环能够在满足卡诺极限条件下将热能转换成电能。铁电体材料能够持续在进入和退出铁电相过程中循环，从而热能持续转换成高电压电能。由此所产生的电能能够应用在不同应用中，几乎没有范围限制，或者储存起来做后续使用。本发明专利技术还描述了一种用于将热能转换成电能的装置。
Apparatus and method for converting thermal energy into electrical energy using a new thermodynamic cycle
A method of converting thermal energy into electrical energy is described. The method is efficient and economical to generate electricity directly from a ferroelectric or other polarizable material without the need to convert heat energy into mechanical energy, other forms of energy, or energy. With this method, the polarizable material undergoes a thermodynamic cycle, including two isothermal steps and two constant polarization steps. In the ideal embodiment, the thermodynamic cycle is capable of converting heat energy into electrical energy at the Kano limit. Ferroelectric materials can continue to enter and exit the ferroelectric phase in the process of circulation, which continues to convert thermal energy into high voltage electrical energy. The resulting electrical energy can be used in different applications, with little or no limits, or stored for subsequent use. The invention also relates to a device for converting heat energy into electric energy.
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及热能转换为电能
，尤其涉及一种利用铁电材料自发极化现象将热量转换为电能的方法，当铁电材料处于其铁电相的温度范围内发生自发极化，随着温度的改变，当铁电材料接近或者转换成顺电相或者反铁电相时极化现象快速减小或者消失，从而将热能转换成电能。
技术介绍
众所周知的是，可使用具有温度依赖性介电常数的电容器将热量转换为电能。例如，在德拉蒙德(Drummond)的美国专利N0.4，220，906、奥尔森(01 sen )的美国专利N0.4，425，540和N0.4，647，836、伊仓(Ikura)等的美国专利N0.6，528，898和库恰什维利(Kouchachvili)等的美国专利N0.7，323，506中公开了将电介质用作可变电容器来发电的代表装置。这些设备简单地运用诸如铁电体的某些材料的介电常数会随温度变化而改变的事实。特别地，这些装置将电介质用作温度依赖性可变电容器，其电容量会随着因吸收热量温度的增加而减少。该电容器在低温及外加场(applied field)的作用下会部分充电，然后藉由提升电场来充分充电。然后该电容器在较大场下被加热，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。使电容器保持在高温下的同时，通过降低外加场可进一步放电(奥尔森的美国专利N0.4，425，540)。在外加场作用下电容器的温度与介电常数的这种循环操作(cycling)称为奥尔森循环(Olsen cycle)。电容器装置的物理现象简单易懂。电容量为C的电容器的电压V与介电常数e成反比:V=Q/C=Q/根据奥尔森循环，当电容器在外部电场的作用下完全充电后，电容加热到一定温度，在这个温度下介电常数e减小。在奥尔森循环的加热步骤中，电容器的电荷Q减小，电压V保持不变，从而产生部分放电现象。奥尔森在1984年出版的第59期205页中的《级联热电转换器》(CascadedPyroelectric Converter, 59FERR0ELECTRICS205 (1984))中曾经报道过，利用介电材料作为可变电容器来发电。奥尔森报道了米用铁电材料PZST作为介电材料时，在可变电容器的多个阶段和循环再生中所获得的最大功率密度是33W/L (约为4W/kg)。凡达普洱(Vanderpool)使用有限元模拟计算得知，当可变电容器中使用PZST作为介电材料时，在一定条件下奥尔森循环产生的功率密度为24W/L(约为3W/kg)。参见Vanderpool, Simulationsof a Prototypical Device Using Pyroelectric Materials for Harvesting WasteHeat, 51 INT.J.H x &MASS TRANSFER5051 (2008)。然而，对于使用铁电材料发电来说，将热能转换成电能的可变电容器方法并不是最有效的。真正热电产生的重点在于，铁电相内不受外加电场诱导的极化作用影响的固有的自发极化现象。该固有极化现象提供了更大量来源的电能。如果没有施加外加电场，可变电容器不能利用铁电体强大的固有的自发极化现象。进一步来说，在循环中，外部强电场和持续电场的应用将阻碍铁电体通过自发极化现象转换成更多的电能。该外部电场导致不能有效利用由铁电材料的电偶极子自发和未经外部电场电磁感应产生的大量的电能。伊尔比尔的美国专利申请N0.12/465，924和美国专利N0.7，982，360中公开了使用铁电体的固有自发极化进行热-电转换的装置和方法。与现有技术不同，这里提出的专利技术主要利用铁电材料的自发极化现象，以及在相变过程中发生的自发极化快速的改变，从而将热能转换成电能。与可变电容器法不同的是，这些专利技术并不依赖于施加电场从而在铁电材料中感生出电偶极子。他们考虑在铁电相变过程中或完成相变后施加一个小电场，以极化铁电体，但该电场并不用来引起每个晶胞自身的基础极化现象。该极化电场仅仅在当材料处于铁电相变的零界温度时，使得自发出现的固有电偶极子对齐。申请号为N0.12/465，924的申请和专利号为N0.7，982，360的美国专利中阐述的装置和方法是将热能转换为电的新方法。采用该新方法时需要解决使用自发极化、从而由热能发电的最佳方式。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种利用铁电体在所需温度下转变到和转变出铁电相从而实现热能转换成电能的装置和强化方法。本专利技术中也可以使用其他电极化材料。本专利技术公开了一种新的热力学循环，与其他可能的循环相比，该种循环能够产生更多的电能。在铁电相中，一个或多个铁电体的晶胞中将自发产生强烈极化的电偶极子，不需要外部电场的作用。在整个材料体系中，通过对个别晶胞和晶域极化并对齐，个别晶胞和晶域结合产生一个很大的净极化。该净极化指定为Ps，在没有外部电场的作用下，也被称为剩余极化匕。本专利技术利用自发极化现象，以及在热循环和相变过程中极化的快速变化，从而实现热能转换成电能。本专利技术不要求介电常数随温度而变化。电能通过自发极化产生，并通过极化现象的减少或消失释放电能，与在外电场作用下利用铁电体采用可变电容器方法相t匕，该方法能够产生更多的电能。可利用一个或多个热交换器，控制铁电材料的温度，从而使其转变到铁电相。在铁电相变过程中或者相变完成后，施加一个小电场以使得铁电体极化。该极化电场使得自发电偶极子在特定材料的分子和晶体结构允许范围内对齐。除了这种初始极化以外，在该装置的处理过程以及循环过程中，外加电场是不必要的。虽然施加大电场对可变电容器设备的运行和奥尔森循环来说是必不可少的，但施加的这种外电场以及超出极化所需最小值的场通常会降低本专利技术产生电能的效率。当本专利技术的铁电材料处于其铁电相或者极化状态时，在没有外部电场的感生下，电偶极子自发地产生强大的固有电场。自发极化在铁电体表面产生非常致密的束缚电荷，从而诱导了铁电材料表面的电极产生屏蔽电荷，屏蔽电荷与束缚电荷电荷相反。然而，电极的净电场是微不足道的。通过利用一个或者多个热交换器，改变铁电体的温度，使铁电体经过相变成为顺电相，或者反铁电体，这取决于使用的特定材料和材料循环过程中周围环境的相变温度。通过引起铁电体的相变，使得束缚电荷可以忽略不计，电极上的屏蔽电荷成为非屏蔽状态，并转移到外部电路中，作为一般用途使用。在伊尔比尔申请号为N0.12/465, 924的美国专利申请和专利号为N0.7.982，360的美国专利中，公开了使用一个或者多个热交换器，其铁电材料的温度能在其相变温度或者居里温度T。范围内循环，通过该专利技术对热源和热沉的操作，使得热能有效地转换为电能。依据该专利申请中的装置和方法，通过使铁电体模块在温度高于或者低于相变温度之间循环，从而产生电能。为了将热能转换成电能，可以利用各种热力学循环来引起铁电体的自发极化现象。为了实现该目的，本申请公开了 一种新的热力学循环。本专利技术提供了一种利用热力学循环使得铁电体和其他可电极化材料将热能大量转换为电能的装置和方法。该循环具有四个步骤。在循环第一步中，对于铁电相发生在相变温度以下的材料，铁电体冷却到相变温度以下相对较低的温度IV，同时保持电路断开，使得总极化现象维持在相对低的值1\，该值可能是零。在接下来的步骤中，热量等温地散出，直到本文档来自技高网...
【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：阿赫迈特·伊尔比尔，戴维·F·沃尔伯特，
申请(专利权)人：地热能源公司，
类型：
国别省市：
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