描述了一种通过开发可电极化材料中出现的自发极化的变化，将热量转换为电的方法。该方法在每个循环操作过程中使用内部产生的场来实现极化。在每个循环的合适点处通过在电极上保留的剩余自由电荷产生内极化场。该方法消除了在循环操作期间需要施加DC电压，并允许使用极化过程中出现的电能，而不是使用使每个循环产生的净能量减损的外部极化电压。该方法并不受限于特定热力学循环，可结合任何热力学循环、通过使可电极化材料热循环将本发明专利技术用于将热量转换为电。产生电能可用于各种应用或储存起来供后续使用。还描述了一种将热量转换为电的装置。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总地涉及将热量转换为电能，更具体地，本专利技术涉及利用铁电材料的自发极化以便将热量转换为电能的方法；所述铁电材料的自发极化在铁电材料处于与其铁电相(ferroelectric phase)对应的温度范围内时发生,并在该铁电材料随着温度变化接近或转变(transition)为其顺电相或反铁电相(paraelectric or anti ferroelectric phase)时快速减少或消失。
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(Olsen)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设备。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，这些设备将电介质用作温度依赖性可变电容器，其电容值会随着因吸收热量温度的增加而减少。该电容器在低温及施加场(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值。使电容器保持在高温下的同时，通过降低施加场可进一步放电(奥尔森的美国专利N0.4，425，540)。这种在施加场时电容器的温度与介电常数的循环称为奥尔森循环(Olsen cyc le)。电容器设备的物理特性简单易懂。电容值为C的电容器的电压V与介电常数ε成反比:V=Q/C=Q/当电容器在奥尔森循环下藉由施加外源场完全充电之后，将电容器加热到介电常数ε会下降的温度。在奥尔森循环的加热步骤期间，因为电容器所保存的电荷Q会下降而同时V维持不变，所以会发生部分放电。奥尔森在级联热电转换器，59铁电体205 (1984) (Cascaded PyroelectricConverter, 59FERR0ELECTRICS205)中还报导了将电介质用作可变电容器来发电。奥尔森报导了将铁电PZST用作具有多级再生性质(multiple stages and regeneration)的可变电容器设备内的介电材料时，其最大功率密度为33W/L (约4W/kg)。范德普(Vanderpool)使用有限元模拟计算出，奥尔森循环在特定条件下、在将PZST用作可变电容器内的介电材料时会产生24W/L (约3W/kg)的功率密度。见范德普的使用热电材料来收取废热的原型设备模拟，51期国际传热与传质杂质5051 (2008) (Simulations of aPrototypicalDevice Using Pyroelectric Materials for Harvesting Waste Heat,51INT.J.HT & MASSTRANSFER5051 (2008))。然而，将热量转换成电的可变电容器法并非是使用铁电体来发电的最有效的方法。相反，产生热电其实真正集中在铁电相内自发发生的固有极化上，而与施加场所感生(induce)的极化无关。该固有极化提供更稳定(robust)的电能来源。在无施加场的情况下，可变电容器并不会利用发生于铁电体内的强大的固有自发极化。再者，施加大外源场以及在循环操作期间连续地 施加外源场会妨碍铁电体通过自发极化达到更强大的能量转换。这种外源场会导致无法有 效使用自发于铁电材料的电偶极(electric dipole)且未受外源场感生的大量电能。伊尔比尔(Erbil)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，这里所呈现的专利技术利用铁电体的自发极化以及发生于相变期间的自发极化的快速变化将热量转换为电能。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。它们的确注重于在转变到铁电相期间或之后使用小电场，以便使铁电体极化，但该电场并不是用来在其自身的晶胞内生成基础极化。当材料处于使其位于其铁电相的温度时，极化场简单地使自发出现的固有电偶极对齐(align)。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
本专利技术提供了通过使用铁电体将热量转换为电能的装置和强化方法，在所述铁电体中在所需温度下转变到和转变出铁电相。该专利技术公开了在每个循环过程中不使用外加电压(external voltage)而提供铁电体的基本极化(essential poling)的新方法。取而代之的是，每个循环过程中保留有剩余场(residual field),且该场在铁电体转变到其铁电相时使铁电体极化。还可结合其他可电极化(electrically polarizable)材料使用本专利技术。该专利技术公开了一新的热力学循环；相比于采用其他循环，所述新的热力学循环可能允许输出更高电能。处于铁电相时，一个或多个铁电体的晶胞内自发形成极强的极化电偶极，这发生在没有施加外源场的情况下。通过极化使晶胞和晶域对齐时，个别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(net spontaneous polarization)。该净极化指定为Ps。本专利技术利用自发极化，以及热循环操作过程中发生的自发极化的快速变化来将热量转换成电能。本专利技术不需要介电常数的温度可变性。相比于在可变电容器模式下使用铁电体、凭借施加外电场产生的电能，因自发极化而产生、且因极化减少或消失而释放的电能可能大得多。可利用一或多个热交换器来控制铁电材料的温度，这样铁电材料将经历到铁电相的转变。在该转变期间，较小电场使铁电体极化。极化场将自发电偶极对齐到特定材料的分子结构和晶体结构所允许的程度。对于在铁电体中将自发偶极用作实现热电转换的有效方式而言，极化是必不可少的。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，但施加的这种外源场以及超出极化所需最小值的场通常会妨碍将自发极化用作产生电能的方式。本专利技术公开了一种在转变为铁电相的过程中使自发电偶极极化的新颖途径。在申请号为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，由外部电压源生成极化场。相反，采用本专利技术时则由铁电材料表面的电极上的剩余自由电荷产生极化场。在该专利技术中，控制热电循环，以便在电极上留下较小剩余电荷，而不是如前述公开中完全去除(remove)剩余电荷。剩余电荷生成的极化场使得转变为铁电相期间自发建立的电偶极被极化。当本专利技术的铁电材料处于其铁电相且被极化时，自发地由偶极产生非常强的固有电场，而不用施加外源场进行感生。自发极化在铁电体的表面上引起非常密集的束缚电荷(bound charge),所述束缚电荷转而在位于铁电材料表面的电极上感生出相反的屏蔽电荷(screened cha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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