CN102317625A - 将热能转化为电能的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种装置和方法，其用于使用当受到相应场影响时温度改变的场响应材料结合热能到电能转化器来完成电能生产。当相应的电场或磁场发生改变时，所述场响应材料例如电热或磁热的材料改变温度。应用于场响应材料上的场的改变引发场响应材料温度的改变，以便加热或冷却所述场响应材料。热能到电能转化器与所述场响应材料热接触，以使场响应材料中温度的变化反过来改变了热能到电能转化器的温度，于是所述转化器将其转化为电能。以这种方式，适当的电场或磁场的应用可被用于产生能被转化为电能的热能变化。

Description

将热能转化为电能的设备和方法

相关申请

本申请要求于2007年6月8日提交的名为“Apparatus and Method forGenerating Energy”美国临时申请序列号60/933,815的利益和优先权，所述临时申请的内容在此通过引用被全部并入。

背景

此公开涉及将热能转化为电能，以及更特别地，涉及在热能到电能的转化中使用时变的电场和/或磁场。

将热能转化成为电能的许多已有尝试导致了极低的能源转化效率，常常低至1％到5％的转化效率。而且，将热能转化成为电能的许多已有尝试要求高压操作。以前，这些及其它缺陷已最小化将热能转化为电能的尝试的有效性。

概述

根据本公开的一个或多个实施方式，提供一种设备和方法，其用于使用当受到各自场影响时改变温度的场响应材料，与热能到电能转化部件的组合来完成电能生产。所述设备包括受到各自场影响时改变温度的场响应材料，如当受到电场的改变的影响时改变温度的电热材料，和/或当受到磁场改变的影响时改变温度的磁热材料。适当的场被施加到场响应材料，以引起该场响应材料的温度改变来加热该场响应材料。所述设备还包括与所述场响应材料热接触的热能到电能的转化部件，使得在所述场响应材料中产生的热量反过来加热所述热能到电能转化部件。于是所述热能到电能转化部件将热量转化为电能。用这样的方法，适当的电场或磁场的施加可以被用于产生可以转化为电能的热能(即，热量)。

在一个或多个实施方式中，所述热能到电能转化设备和方法包括场发生器，所述场发生器用于对所述场响应材料施加具有“开启(on)”时间段和“关闭(off)”时间段的时变的交变场。在“开启”时间段期间，当所述场响应材料受到适当场的影响时，热量通过所述场响应材料在所述热能到电能的转化部件中产生，并且最终转化为电能。热能到电能转化设备利用温度的改变来产生能量。在热能已被充分转化为电能后，在“关闭”时间段期间，将所述场从所述场响应材料上移除，以允许所有部件都能返回到它们的平衡温度。然后，所述场发生器继续向所述场响应材料施加时变的交变场来循环往复地加热设备的部件，以在部件每次被加热时都能产生电能。在一个或多个实施方式中，所述热能到电能转化设备和方法可以因此产生AC电流形式的能量，该能量可以被存储于捕获来自热能到电能转化部件的电流的能量捕获部件中。

在一个或多个实施方式中，所述热能到电能的转化设备以及方法包括与以堆叠关系形成的热能到电能转化设备组合使用的电热设备。所述电热设备包括被安置于一对板电极之间的一层电热材料，其中板电极与所述场发生器相连使所述电热材料受到交变电场的影响。所述热能到电能转化设备以堆叠关系放置为与所述电热设备相邻并热接触。目标基底(substrate)被放置为与热能到电能转化设备相邻并热接触，以提供进入设备的热流。所述热能到电能转化设备可以包括呈现出热电偶或塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应和/或热电效应的设备。电连接与所述热能到电能转化设备的各个部分连接，以便捕获来自所述热能到电能转化设备的电流并且将其传递给能量捕获部件。

在一个或多个实施方式中，所述热能到电能转化设备及方法包括与热能到电能转化设备结合使用的磁热设备。在一个或多个实施方式中，所述磁热设备和热能到电能的转化设备被形成为拥有管状或圆形的部分，以便有利地用螺线管型线圈形成强磁场，其中管状热能到电能转化设备被管状磁热设备围绕。一层磁热材料被形成为围绕管状热能到电能转化设备，并且电线的绕组(如螺线管)或印刷线路围绕磁热材料层形成，并且进一步与所述场发生器相连接，使所述磁热材料受到交变磁场的影响。所述磁场以依赖于时间的方式变化，以向热能到电能转化设备提供温度差的“脉冲”，该脉冲反过来被转化成为电能。电连接与所述热能到电能转化设备的各个部分连接，以便捕获来自所述热能到电能转化设备的电流并且将其收集到能量捕获部件中。

附图

参考结合相应附图的以下描述，本公开的上述特征和目的将变得更加明显，附图中相同参考标号表示相同的元件，其中：

图1示出根据本公开的一个或多个实施方式形成的热能到电能转化设备的示意性的框图。

图2示出根据本公开的一个或多个实施方式形成的呈现出电热效应的热能到电能转化设备的横截面图。

图3示出根据本公开的一个或多个实施方式形成的呈现出电热效应的热能到电能转化设备的横截面图。

图4示出根据本公开的一个或多个实施方式形成的呈现出汤姆逊电热效应的热能到电能转化设备的横截面图。

图5示出根据本公开的一个或多个实施方式形成的呈现出汤姆逊电热效应的热能到电能转化设备的局部剖面俯视图。

图6示出根据本公开的一个或多个实施方式形成的热能到电能转化设备的示意性电路图。

图7示出根据本公开的一个或多个实施方式形成的呈现出磁热效应的热能到电能转化设备的横截面图。

图8A示出根据本公开的一个或多个实施方式形成的呈现出磁热效应的热能到电能转化设备的横截面侧视图。

图8B示出图8A的热能到电能转化设备的横截面端视图。

详细描述

这里描述的实施方式针对一种热能到电能的转化设备和方法，其用于使用当受到各个场影响时改变温度的场响应(field-responsive)材料，结合热能到电能转化部件来实现电能的生产。

根据一个或多个实施方式，如图1的方框图所示，提供一种热能到电能转化设备10，其包括热交换器热源12、热能到电能转化部件14、场响应材料20、场发生器22、再生场模块24、和蓄能器28。场响应材料20包括一种材料，该材料或在受电场影响时呈现出电热效应(ECE)，或在受磁场影响时呈现出磁热效应(MCE)。在以下讨论中，由于无论所述材料加热或冷却，整个过程的结果都将是一样的，所以所述效应只是简单地被称为具有加热的电热效应(ECE)或磁热效应(MCE)。ECE和MCE可以被表征为加热或冷却材料20的温度。就MCE材料20而言，浸入到磁场中将在材料20中产生加热效应。对于已经存在于磁场中的材料20，当磁场被移除时，材料20将冷却。就ECE材料20而言，当建立电场时，材料20温度将升高。当电场移除时，材料20将冷却。

在一个或多个实施方式中，热能到电能转化部件14可以包括任意数量的设备中至少之一，所述设备从部件14的一个部分到另一个部分从热量中的变化或热量应用产生电压和随后的电流。可以用于热能到电能转化部件14的有代表性的设备和材料包括这些设备，该设备呈现：(1)热电偶效应或塞贝克效应，(2)珀尔帖效应，(3)汤姆逊效应，和/或(4)热电效应(Pyroelectricity effect)。依赖于“热电偶效应”的设备包括那些呈现塞贝克和珀尔帖效应的设备。塞贝克效应是当两个不同的导体被放置为彼此接触、当保持在不同温度时，产生的电流和电压。汤姆逊效应是当单个导体沿其长度保持有温度差时所产生的电流。热电效应是由材料，如聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride)，在被加热时产生的电压和电流。虽然这里后面描述的许多实施方式将论及使用呈现塞贝克和汤姆逊效应的材料的热能到电能转化部件14，但应了解的是，呈现任何以上列出的热能到电能转化效应的材料都可以被单独或组合地用在任何实施方式中。

热交换器热源12是加热装置10的热源并且可以包括周围的环境、热源、或甚至可选地除了其他材料之外的冷热交换器源。热交换器热源12相邻于热能到电能转化部件14放置并且通过传热区域16与热能到电能转化部件14热接触，传热区域16期望为尽可能地导热，而不必是导电的。在热能到电能转化部件14的相对侧，场响应材料20(即，MCE或ECE材料)进一步相邻于热能到电能转化部件14放置并且通过传热区域18与热能到电能转化部件14热接触。

布置场发生器22，如磁场发生器或电场发生器，以便能够向场响应材料20施加适当的场，以引起场响应材料20中的温度变化，从而加热或冷却场响应材料20。例如，场发生器22可以包括双初级线圈交流变压器，该变压器输出5到50KHz的“回扫”AC信号，AC输出为1到50mA和1到5KV。所述场发生器22可以包括元件26，在一种普通磁场发生器的情况下，元件26可以包括螺线管，其中普通磁场发生器被定位为使其最强的磁场体部分地或全部地包围场响应材料20，或者，在一种普通电场发生器的情况下，元件26可以可选择地包括实质上平行的板，其中普通电场发生器被定位为使板之间的场大部分(如果不是全部)覆盖场响应材料20。如本领域技术人员所熟悉的，再生场模块24关于场发生器22被布置从而为再循环电流供应能量。例如，再生场模块24可以包括电流控制器，如本领域技术人员所熟悉的电流模式PWM控制器。在施加磁场的情况下，用于再循环电流的能量可以被保存在用作再生场模块24的电感器的磁场中。在施加电场的情况下，形成场的能量可以被存储在用作再生场模块24的电感器或电容器中。蓄能器28或能量捕获部件可进一步被布置为接收和存储由热能到电能转化部件14产生的电能。蓄能器28可以包括能够积累电能的任意类型的电路或模块。在热能到电能转化部件14是珀尔帖或热电偶加热器/冷却器的一个或多个实施方式中，小的温度差导致以相对低的电压从部件14流动的电流。这个电流中的能量可以被变压器“捕获”并且被以本领域技术人员熟悉的各种方法来利用。以其最简单的形式，蓄能器28还可以简单的是负载电阻，以测量热能到电能转化部件14的输出。

对图1的设备的操作的代表性的描述将通过实例阐述。场发生器22连同相应的螺线管或电容板26将围绕场响应材料20产生场(在场响应材料20是MCE材料的情况下为磁场，或在场响应材料20是ECE材料的情况下为电场)，从而在场响应材料20中产生加热效应。再生场模块24产生进入元件26中的电流，即根据具体情况是螺线管或电容板，使得在场响应材料20中发生温度的升高，并且反过来，在热能到电能转化部件14中发生温度的升高。在传热区域16处的温度此时将通过这样的加热而被升高，并且流入热能到电能转化部件14的热量也因此出现。由于在传热区域16处新形成的温度差，存在流出热能到电能转化部件14而进入所述蓄能器28的电流。流出热能到电能转化部件14的电流流动使得传热区域16的温度保持在平衡状态，或由于电流流入了蓄能器28而实际上稍有降低。当来自热能到电能转化部件14的电流开始减小时，允许场发生器22施加的磁场衰减，并且场中的能量被存储或移动到另一个设备中，以便之后被再生场模块24使用。当场从场响应材料20上移除时，该材料冷却到小于其原始温度的温度。允许来自热交换器热源12的、通过热能到电能转化部件14的热流将场响应材料20带到接近其原始温度的“较暖的”温度。在热能到电能转化部件14中未“被转化”成电流的残余热量也被加到这个热量上。但是，由于热能到电能转化部件14中的一些能量已经以电能的方式被移除，因此这个热量的数量小于原来从20放入热能到电能转化部件14中的热量。因此，总的来说，存在从热交换器热源12到热能到电能转化部件14(并随后流入场响应材料20)的热流。当场响应材料20的温度已充分升高时，该过程通过将场再施加到场响应材料20而再次重新开始。以交替的“开启”和“关闭”周期重复地再次施加的场允许在设备10中产生热“脉冲”，该脉冲在有效的转化中被转化成电能。

在一个或多个实施方式中，热能到电能转化方法包括用于施加时变的交变场到场响应材料20的场发生器22，其使用调制部件以允许生成时变场的变化。时变的交变场被施加到场响应材料20，场响应材料20响应于其所受到的场强的变化而改变温度。不同于与场响应材料20热接触的电转化器的热量根据变化的温度产生电能，并且能量捕获部件随后捕获来自不同于电转换器的热量的电流，并允许产生能量从热到电的净转移。

在一个或多个实施方式中，当设备10被制成相对薄时(即大约80微米)，其热转移特性最佳，并且设备10的总的电能生产的速率决定步骤由在场响应材料20上形成的温度差以及横跨场响应材料20与热能到电能转化部件14之间的边界18的传热效率决定。在一个或多个实施方式中，以下述方式操作设备10是更有利的，即，场发生器22的工作频率尽可能低，以最小化设备10中由于来自场的调制的外部非理想损耗而导致的损耗。在一个或多个实施方式中，能量捕获部件28被以这种电流和电压进行操作，所述电流和电压是通常在使用本质上安全的电压和电流的典型电子电路中找到的电流和电压。

利用电热效应的电热设备

在一个或多个实施方式中，热能到电能转化设备被设置为包括至少一个利用ECE材料的电热设备。电热材料被利用，当该材料受电场影响时，电热材料(典型地)显示出温度的升高。由于电场的性质，当处于平行且靠近在一起的电极板被用来产生电场时，可以产生最强的场。照此，在一个或多个实施方式中，ECE热能到电能转化设备非常好地适合于平面类型的布置，设备的元件被布置在平面内并且堆叠在彼此之上用于有效的传热。在一个或多个实施方式中，层被制成非常薄(即厚度为1到2微米)，以快速地传热到环境或快速地从环境传热。

现在参考图2，示出了根据一个或多个实施方式的ECE热能到电能转化设备100的一个实例的横截面图。设备100以堆叠的布置形成，目标基底102作为热交换器热源12，在那里目标基底102为在导热表面上形成的导热材料或薄的隔热材料。目标基底102作为源，热流从该源进入设备100。热能到电能转化部件14包括热电偶，该热电偶包括第一电极层104和第二电极层106。高传导性金属层108在第二电极层106上形成，其中绝缘层(未示出)可选择性地形成于金属层108和第二电极层106之间。作为场响应材料20的ECE材料的层110被形成于金属层108上，并且第二高传导性金属层112被形成于该ECE材料的层110之上。金属层108和112被连接到场发生器22并且作为电容器极板26，以使ECE材料的层110受到时变的电场的影响。

在一个或多个实施方式中，ECE热能到电能转化设备100可以包括多个热电偶14，热电偶被以堆叠的布置形成在ECE材料的层110的两侧上，以增加设备100的电压输出，如图3的横截面图所示。不是将第一电极层104和第二电极层106形成为在所有或大部分设备上延伸的连续的层，而是将第一电极层104形成为多个分离的第一电极段104a、104b、104c、...、104n，对于n个电极段。第二电极层106也形成为在第一电极段104a-104n的相应部分之上的多个分离的第二电极段106a-106n。第一电极段104a-104n和第二电极段106a-106n包括显示良好的热电效应的两种不同的材料，即对于给定的温度变化，具有相当大的电压生产的系数。通过将热电偶设备14分割为段，由于每一对热电偶段(如，104a和106a)输出被馈送给下一个热电偶段(如，104b和106b，等等)的电压，以产生热电堆，因此设备100有利地产生增加的电压输出。

在该布置中，热电偶14包括热电偶14的“堆叠的”层，所述层在目标基底102的区域上展开，在每一对段104a-106a到下一相邻的对段104b-106b等等之间进行互连。以这种方式，段104n-106n的对以彼此并排的“头对尾(head-to-toe)”的布置方式进行布置，以产生平且薄的热电堆，与热电堆的层简单地直接堆叠在彼此之上的其它种类的热电堆布置相比，该热电堆具有许多优点。比如，该平且薄的结构允许在设备100的相邻的层之间来回快速传热。

如图3中所示，包括“堆叠的”电极段104n-106n的对的热电堆的另外的热电偶14也可以在ECE材料的层110的相对侧上形成，以增加设备100的电压输出。目标基底114(作为另外的热交换器热源12)在该另外的热电偶14上形成，其中目标基底114是在导热表面上形成的导热材料或薄的隔热材料。在一个或多个实施方式中，绝缘层116可以在电极段104n-106n的对与相应的金属层108和112之间、在ECE材料的层110的两侧上形成。

在一个或多个实施方式中，为了通过金属层108和112施加电场并且收集由热电偶14产生的电能，多个电连接形成到设备100的各个层。电连接器1和2分别与底部热电偶14的层104和106连接，同时电连接器5和6分别与顶部热电偶14的层104和106连接。每一个电连接器1、2、4和5都进一步与所述蓄能器28连接。另外，电连接器3和6分别与金属层108和112连接，其中电连接器3和6还与场发生器22连接，用于电场的产生。接着，时变的交变电场就被施加在ECE材料的层110上，同时电场与热电偶层104和106电隔离。可选择地，电极层108和112中一个或多个层可以包括热电偶层104和106中的一个，在这种情况下，这种热电偶层104或106将不会与电场电隔离。

应了解的是热能到电能转化部件14可以包括形成于ECE场响应材料的一侧上的单个热电偶(如图2中所示)、形成于ECE场响应材料的同侧或相对侧上的多个热电偶(如图3中所示)、在ECE场响应材料一侧或两侧上的多个“堆叠的”热电偶设备(如图3中所示)、呈现汤姆逊效应的ECE材料的单个层(如图4中所示)、或这种布置或其它热能到电能转化布置的任何组合。

现在参考图4，在一个或多个实施方式中，ECE热能到电能转化设备120可以包括形成为呈现汤姆逊效应的材料122的单个层的热能到电能转化部件14。图4中所示的设备122实质上与以上结合图2和3描述的设备100同样地进行操作，只是热能到电能转化部件14被形成为呈现出大的汤姆逊系数的材料122单个层，而不是被形成为两种材料的热电偶。该汤姆逊效应材料122可以包括铜、镍或呈现出大的汤姆逊系数的其它材料。在本实施方式中，对ECE场响应材料的层110的加热产生汤姆逊效应材料122的层的一侧到另一侧的温度差，这引起连接到汤姆逊效应材料122上的电连接器124中的电流流动。类似于图2中的热电堆，每一个汤姆逊效应组件122以“头对尾”的方式串联连接，以使由小的温度升高所产生的电压输出可以是相当大的。另外，所述汤姆逊效应材料122的热平衡迅速地发生，并且设备120可以以一种形式循环，以使设备120所产生的电压和电流通过电连接器124，在交替的电场循环期间，同步地从设备120中移除。呈现汤姆逊效应的设备是有利的，因为单个材料可用作热能到电能转化部件14，这样简化了生产过程。

现在参考图5，局部剖面俯视图示出所述ECE热能到电能转化设备120的另一个实施方式，该设备包括形成为汤姆逊效应材料122的热能到电能转化部件14。在一个或多个实施方式中，汤姆逊效应材料122以盘旋的方式布置在目标基底102上，其中绝缘材料130的条可以形成于盘旋的汤姆逊效应材料122的间隔开的区域上，以产生或者被绝缘材料130覆盖的交替区域132，或者不被绝缘材料130覆盖的交替区域134。盘旋的汤姆逊效应材料122和绝缘材料130的这种组合起到热能到电能转化部件14的作用。在一个或多个实施方式中，位于绝缘材料130的交替区域下的汤姆逊效应材料122保持在一个相当稳定的温度上，而没有被覆盖的区域134的“条”被交变场热循环。高导热但不导电的金属层108于是将形成于热能到电能转化部件14的这种构成之上，并且设备的结构的剩余部分将与这里描述其它实施方式类似地形成。

在形成为呈现电热效应(ECE)的热能到电能转化设备的许多不同实施方式中，不同的可能的材料可以被应用于设备的不同部分。在一个或多个实施方式中，在热电偶部件被用作热能到电能转化部件14的情况下，材料可以从铜、康铜(Cu/Ni合金)或呈现类似性质的其它材料中选择。利用与氧化铝坩埚接触的钨丝，通过在真空下金属的热蒸发，来将金属蒸发到底座基底(base substrate)上，其中这种薄膜沉积技术通常是制作金属镀层领域的技术人员所熟知的。

在另一个实施方式中，热电偶可以用厚膜工艺形成，通常被称为丝网印刷工艺，在厚膜工艺中，这样的“丝网印刷(screen)”工艺是本领域技术人员所熟知的。一种这样的丝网印刷工艺可以用同样的铜/康铜结构式制成，但当使浆料在底座基底上展开时，将面临相当大的困难。在微米尺度的金属颗粒上累积氧化物层导致最终电路中相当大的电阻。为了防止氧化物层的累积，可以采用两种可能的解决方案。第一种可能的解决方案包括让铜颗粒悬浮于用于中等温度焊接的松香熔剂中，加热最终的浆料(在丝网印刷后)，以便在铜表面上形成减少的铜氧化物(以及其它铜的氧化产物)。这增加了电极的传导性。接着，所述电极可以用乙烷冲洗来除去多余的熔剂，并且在丝网印刷下一个焊接点前烘干。第二种防止氧化物的层累积的可能的解决方案包括将铜颗粒悬浮于导电聚合物的溶解的基质(matrix)中。这种聚合物能够通过混合吡咯和烷基磺酸或聚苯胺导电聚合物而“在原地(in situ)”被合成，然后在那里完成银的纳米颗粒或其它银颗粒到以上描述的最终混合物的添加。

作为实例且不进一步限制其它实施方式，这里将阐述一个具体的有代表性的实施方式，其用于形成呈现电热效应(ECE)的热能到电能转化设备。用导热基底12，如大约6英寸乘6英寸的非导电的阳极铝板，铜的涂层可以施加在其表面中大约5英寸×4英寸的区域上。涂层的厚度优选为3到10微米厚。一种形成铜层的方法是铜在真空中的热蒸发。铜导线连接到这一层之上(或由用于遮蔽的或热蒸发镀层膜的掩膜形成)并且连接铜导线到电路的电负荷的一个导线上。在如此形成的铜层之上施加另一层铜/镍合金(康铜)。执行在真空下的材料的热蒸发，以使在康铜层下的铜层除了到电负荷的导线之外被完全覆盖。层的厚度优选为3到10微米厚。康铜导线连接到最新形成的顶层上并且之后连接到通向电负荷的余下的导线上。另一层绝缘层被涂在康铜层的顶部上。该层可以被旋转涂敷或者作为一层虫漆或将提供强大的电绝缘屏蔽的其它材料被小心地施加。然而该层应该尽可能地导热。该层的厚度优选为1到10微米厚。镍层的热蒸发于是在烘干后覆在虫漆层上。导线连接到这一层上，其连接到场生成电子驱动器上。在这一层上增加一个罗谢尔盐和硫脲以(50∶50)的比例溶入乙醇的浓度为每100毫升1克的稀释溶液。在以25摄氏度适当地烘干后，所述层在一小时的时间段内被缓慢加热到110摄氏度。另一薄虫漆层可以如以上方式被施加，并且另一个与如上所述的铝、虫漆、康铜及铜类似的涂层于是可以以相反的顺序如以前一样被施加。

最终的ECE设备200或呈现电热效应(ECE)的任意其它热能到电能转化设备可以如图6所示的电路布置而被布置。在一个或多个实施方式中，ECE设备200的操作通过比较器202自次级线圈缓慢地驱动变压器204的初级电子线圈进入的振荡中来完成。当选定或以其它方式决定适当的振荡频率时(其取决于设备以及并联的电感器的电容量)，当振荡降到某一预先定义的水平之下时，比较器202将只驱动变压器204的初级线圈。接着发现ECE设备200中热电偶的输出产生与场发生器的谐振频率相应的频率的电压和电流。在一个或多个实施方式中，在此实施方式中的场发生器包括ECE设备200的电容极板和/或MCE设备206的线圈，它们都与变压器204的次级线圈相连接，其中变压器204提供开始系统的谐振的方式。ECE设备200的适当的并联和串联或通过外部连接来连接多个设备200将产生电压和电流的波形，所述波形适于被在功率管理领域中受到正常训练的人员普遍公认的电子控制装置进一步更改。

应用磁热效应的磁热装置

在一个或多个实施方式中，热能到电能转化设备被设置为包括利用MCE材料的至少一个磁热装置。磁热材料被利用，该材料受到磁场的作用时，其显示出温度上的加热或冷却。当MCE材料从场中移除时，可以观察到相反的温度效应。由于磁场的性质，当用来形成磁场的电极处于圆形的或管形的布置中时，如螺线管线圈，能够产生最强的磁场。但是，应理解的是，包含了呈现MCE的磁热材料的热能到电能转化设备可以被形成为拥有非圆形或管形布置的构成，比如形成为平的或薄的，特别是当设备被形成为很小的时候。

现在参考图7，根据一个或多个实施方式，示出MCE热能到电能转化设备300的一个实例的横截面图。设备300包括热能到电能转化部件14，该部件包括至少一个具有管状的、柱状的或圆形形状的第一热电偶部分302、以及相应的第二热电偶部分304，第二热电偶部分304形成为相邻于第一热电偶部分302并且在第一热电偶部分302的表面上，以便与第一热电偶部分302的形状相一致。在一个或多个实施方式中，第一个热电偶部分302具有管状形状，该管状形状具有形成于粘结材料的内层306上的内径，该粘结材料用于电隔离管状结构并且将管状结构粘结在一起，其中第一热电偶部分302的内径围绕流道308延伸，流道308允许液体流或气态物质穿过设备300的中心以提供传热(比如，类似于热交换器热源12的功能)。第一热电偶部分302还拥有具有较大直径的后部部分310和具有较小直径的前部部分312。在后部部分310的中心可以形成腔(cavity)314，以使腔314拥有大于前部部分312直径与第二热电偶部分304的厚度的组合的直径。这样的构成允许多对第一热电偶部分302和第二热电偶部分304能够处于“嵌套的”或“堆叠的”布置中，如图7中所示，来自一个对的部分延伸到另一个对中，从而增加设备300的电压输出。

围绕着管状热电偶14外面形成呈现MCE的磁热材料的层316，并且电线318的绕组(比如，螺线管)或印刷电路被围绕MCE材料316形成并且还与场发生器22相连接以使MCE材料316受交变磁场的作用。在一个或多个实施方式中，可选的保护材料的外层320可以围绕电绕组318形成，来限制热量损耗和/或提供保护膜。磁场以依赖时间的方式变化，以向MCE材料316提供温度不同的“脉冲”，反过来，给管状热电偶14提供温度不同的“脉冲”，然后这个温度不同的“脉冲”被转化成电能。电连接与热电偶14的各个部分相连接，以便捕获来自热电偶14的电流并且在能量捕获部件28中将其进行收集。

在一个或多个实施方式中，图7中所示的热电偶14是通过将多个形状独特的单独的热电偶堆叠在彼此中的以独特方式形成的线性阵列的热电堆，单独的热电偶包括第一热电偶部分302和第二热电偶部分304的对。每一对热电偶部分302和304以“头对尾”结构相互电连接，以自设备300提供更高的电压输出。应该理解的是，所述热电偶14可以被形成为拥有不同形状的热电堆的嵌套布置，或可以形成为延伸通过设备的单个热电堆。此外，大量单个的单独设备可以并行地使用，以提供与上述线性堆叠的热电偶同样的特性。

在一个或多个实施方式中，MCE热能到电能转化设备330可以包括形成为呈现汤姆逊效应的单层材料332的热能到电能转化部件14，如图8A和图8B的横截面图所示。呈现汤姆逊效应的MCE设备330在其他方面与结合图7的以上描述实质上相似地形成和进行操作。

在一个或多个实施方式中，用于MCE设备204(代表MCE设备300、330或用于MCE设备的任何其它实施方式)的驱动电子器件参考回图6所示，该图中到电子器件的连接是通过管状布置中的任意一端进行的。对于时变的磁场，电流可以通过本质上是坚固的管状设备204产生。在一个或多个实施方式中，磁场的初级电压驱动器206可以被简单地描述为包含电感器和电容的“振荡电路”。在这样的布置中，初级电压驱动器206的电路由通过电感器和通MCE设备204的线圈318的电流的开始而被触发。这个电流产生开始加热或冷却磁热材料的磁场。当所述磁场完全被形成并且准备好放电时，电流源于是被断开且允许磁场衰减。如果在衰退的磁场附近没有其它“紧密耦合的”感应线圈存在，则感应到线圈318中的反电动势于是排入电容器中当作积累的电荷。这样感应出的电压依赖于磁场中的能量存储以及电容器的大小。

在一个或多个实施方式中，热能到电能转化设备以及方法可以被形成，其使用磁热效应和电热效应材料中的至少一种且可能两者。在一个或多个实施方式中，利用磁热和电热两个效应的设备可以形成为“共享”电路来利用ECE材料的电容性质和MCE材料的电感性质。在如图6所示的电路中，ECE设备200被用作振荡电路的电容元件并且MCE设备206被用作电感元件。变压器204的初级侧包括两个分离的线圈。初级线圈中的一个由初级电压驱动器208电源电路驱动，以提供初始功率以触发次级线圈及设备200和206的振荡。次级线圈是检测元件，其通过适当的调节电子器件连接到比较电路202上。当振荡的衰减发生时，比较器202以适当的方式触发初级线圈，以将更多的电荷“泵”入次级电路从而保持振荡。该振荡的周期被选择为使得LC谐振电路具有非常小的电抗，以便用于在每个设备中产生和移除场的功率是非常小的。热能到电能转化设备消耗的功率的准确数量通常非常小，以使电路的每次振荡效率通常高于95％。但是，依赖于热能到电能转化的效率以及设备电容极板和线圈的电阻，这个效率可能比较低并且设备仍然以期望的每热量单位输入的电瓦特输出进行工作。

作为实例而不进一步限制其它实施方式，现在将陈述用于形成呈现出磁热效应(MCE)的热能到电能转化设备的一个具体的有代表性的实施方式。使用导热基底12，例如直径为1/4英寸、壁厚为3/32英寸的一段铜管，镍层可被施加到其表面上约为4英寸的长度上。层的厚度可以选为3到10微米厚。用于形成镍层的方法是通过化学淀积镍于铜上。铜导线连接到这一层(或由用于遮蔽或热蒸发镀层的掩膜形成)并且连接铜导线到电路的电负荷的一个导线上。镍导线连接到新形成的顶部镍层并且之后连接到通向电负荷的余下的导线上。另一个绝缘层涂在镍层顶部之上。这个层可以被旋转涂敷或者作为一层虫漆或将提供强大的电绝缘屏蔽的其它材料被小心地施加。然而这些层应该尽可能导热。层的厚度优选为1到10微米厚。在这个外圆直径上增加一个罗谢尔盐和硫脲以(50∶50)的比例溶入乙醇的浓度为每100毫升1克的稀释溶液，以形成大约10到50微米厚的层。在以25摄氏度适当的烘干后，所述层在一小时的时间段内被缓慢加热到110摄氏度。另一薄的虫漆层可以如上施加以维持结构强度。磁导线的线圈(30AWG)被缠绕在铜管约4英寸的长度上。铜线圈的每一端于是自场电子发生器连接到电流驱动器。MCE设备通过比较器202自次级线圈缓慢地驱动初级电子线圈进入振荡来操作。当发现适当的振荡频率时(其取决于设备以及并联的电感器的电容量)，当振荡降到某一预先定义的水平之下时，比较器202将只驱动初级线圈。在一个或多个实施方式中，场的驱动频率可以根据不同电学上的尺寸和容量以及被加热材料的尺寸来选择。例如，实质上较低的频率可以用于质量更大的设备，而获得良好的效果。

在一个或多个实施方式中，提供一种热能到电能转化设备和方法，其电路中不需要高压电子电容器。本设备和方法在转化热能到电能的过程中提供了改进的效率，其不具有需要“冷却散热片(cold sink)”的单独的热力学过程。由于来自换能器周围环境的热量被“直接地”(直接是就外部观察者而言的)转化为能量，因此不存在与转换本身相关的热量损失。可能存在来自其他源的热量损失，例如从热源到环境的隔热损失，但是就转化而言，如果在该过程中有任何热量损失，则存在极少的热量损失(辐射)。允许除去单独的冷却散热片是场响应材料的性质。当场响应材料受场的作用时，该材料进入具有反向状态的电子布局数(electronic population)。即，场响应材料的偶极子具有与场校准的逆熵(anti-entropic)。因此，当场被移除时，场响应材料的冷却发生，并且熵增加。考虑整个热环境以及电能的利用，还显示出该过程使得熵的总体增加，并且因此该过程为自然过程循环。本设备和方法实现的另一个好处是，电能是以AC电流的形式产生的。以这种方式，电能以“高质量的”能量的形式产生，该形式相对地易于使用以及传输。就这点而论，实现了把“低等级”的热量转换成高等级能量的能力。

根据这里描述的一个或多个实施方式形成的热能到电能转化设备还提供了一种设备，其能够产生比制造设备本身所需的能量更多的能量。由于该技术的非移动性质，该材料和电路在小于设备的能量产生时间的任一时间段内，通常将不会“磨损”，因此需要少的甚至不需要设备的维护。设备能够以紧凑的布置形成，因此有助于进行生产的低能量需求。用于操作设备的电路材料可在家庭中普遍能找到的大多通用技术的已有的指导方针中操作。由于没有一种材料已知是放射性的或具有很高的毒性，循环使用设备中所使用的材料也是可能的。

在一个或多个实施方式中，热能到电能转化设备所消耗的电能的比率小于该设备产生功率数量。此外，所述热能到电能转化设备所产生的电能的量大于该设备不具有场响应材料时所产生的功率数量。

应该注意的是热能到电能转化设备和方法可用于各种可能的不同种类的热能可被转化成电能的情况中，该情况包括但不局限于运输(例如，燃烧汽油来产生热量以提供设备需要的热量的机动车，较大的运输设备例如船只，用于照明的应用，如交通工具的照明设备，用于飞机的应用，在那里周围的空气用作热源，来自燃料燃烧的其它热量，等等)、加工材料(例如，钢、铜、铝，等等)、以及电子上的应用例如在铝及其它矿石的加工过程中、手持电子设备(如，便携式电脑、分析设备、遥感设备等)、工业/或家庭电器(如，空调、热水器、空间加热器、炉子、电冰箱、基本照明、洗碗机、微波炉、电视机、洗衣机及烘干机，等等)、使用了电动机的设备(如，农业机器、小型摩托车、自行车，等等)、电池操作的设备(如，闪光灯、照相机、CD播放机、交通工具中的电池、移动电话、表、时钟，等等)、远洋轮船或用于海运用途的船只、或根据本教导可将热能转化成电能的任何其它可能的应用。

尽管依据目前被考虑的具体实施方式已经描述所述系统和方法，但本公开不必局限于所述公开的实施方式。旨在涵盖包括在权利要求的精神和范围内的各种更改和相似的布置，该权利要求的范围应该符合最广泛的理解，以便包含所有这样的更改和类似的结构。本公开包括下述权利要求的任何和所有实施方式。

Claims (34)

1.一种热能到电能转化的方法，其包括：

(a)使场响应材料受到电场和磁场中的至少一种的影响，以在所述场响应材料中引起温度变化；

(b)基于所述场响应材料中的所述温度变化，在与所述场响应材料热接触的至少一个热能到电能转化部件中产生温度变化；

(c)基于所述热能到电能转化部件所经历的所述温度变化而在所述至少一个热能到电能转化部件中产生电能，并且输出所产生的所述电能；

(d)从所述场响应材料移除所述场，以允许所述场响应材料以及所述至少一个热能到电能转化部件趋近热平衡；

(e)重复步骤(a)-(d)，以重复地产生并输出电能。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述场响应材料包括电热材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述场响应材料包括磁热材料。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括施加时变的交变场作为电场和磁场中的所述至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

以AC电流的形式产生电能；

将所述AC电流存储在能量捕获部件中，所述的能量捕获部件捕获来自所述至少一个热能到电能转化部件的电流。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述场响应材料中的所述温度变化，在与所述场响应材料热接触的多个热能到电能转化部件中产生温度变化；

基于所述热能到电能转化部件所经历的所述温度变化而在所述多个热能到电能转化部件中产生电能并且输出所产生的电能；

从所述场响应材料上移除所述场，以允许所述场响应材料以及所述多个热能到电能转化部件趋近热平衡。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个热能到电能转化部件包括分别与所述场响应材料的不同部分相邻的热能到电能转化部件。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个热能到电能转化部件包括以堆叠地头对尾的关系相互连接在一起的热能到电能转化部件，以使由每一个热能到电能转化部件输出的所述电能被组合在一起以产生组合的电能输出。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括通过允许热能从与所述热能到电能转化部件热接触的热交换器传递至所述场响应材料来帮助实现热平衡。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述热能到电能转化部件包括热电偶材料、汤姆逊效应材料和热电材料中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括利用具有每周期至少75％的效率的谐振电路产生电场和磁场中的所述至少一种。

12.一种热能到电能转化设备，包括：

场发生器，其用于产生时变的交变场；

场响应材料，其在受到电场和磁场中的至少一个的作用时改变温度；

至少一个热能到电能转化部件，其与所述场响应材料热接触，并基于所述场响应材料的温度变化而改变温度，其中所述至少一个热能到电能转化部件基于所述热能到电能转化部件所经历的所述温度变化而产生电能，并且输出所产生的电能；

蓄能器，其被布置为接收和存储由所述热能到电能转化部件所产生的电能。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述场响应材料包括电热材料。

14.根据权利要求12所述的设备，其中所述场响应材料包括磁热材料。

15.根据权利要求12所述的设备，其中所述时变的交变场包括电场和磁场中的至少一个。

16.根据权利要求12所述的设备，其中以AC电流的形式产生所述电能。

17.根据权利要求12所述的设备，还包括多个热能到电能转化部件，每个所述热能到电能转化部件都与所述场响应材料在关于所述场响应材料的不同的相应位置热接触。

18.根据权利要求12所述的设备，所述场发生器包括与电源连接的一对导电金属材料层，以使所述场响应材料被置于所述一对导电金属材料层之间，以便所述场响应材料受到由所述导电金属材料层产生的电场的作用。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述至少一个热能到电能转化部件包括至少一层材料，所述材料响应于温度改变而产生电能，所述一层材料形成为与所述导电金属材料层中的一层相邻并且热接触。

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述至少一个热能到电能转化部件包括呈现热电偶效应的两层不同材料。

21.根据权利要求19所述的设备，还包括：

第一热能到电能转化部件，其包括至少一层材料，所述材料响应于温度变化产生电能，所述至少一层材料形成为与所述导电金属材料层中的一层相邻并且热接触；以及

第二热能到电能转化部件，其包括至少一层材料，所述材料响应于温度变化产生电能，所述至少一层材料形成为与所述导电金属材料层中的其他层相邻并且热接触。

22.根据权利要求17所述的设备，其中所述多个热能到电能转化部件包括以堆叠地头对尾的关系相互连接在一起的热能到电能转化部件，以使由每一个热能到电能转化部件输出的电能被组合在一起以产生组合的电能输出。

23.根据权利要求22所述的设备，其中所述多个热能到电能转化部件包括以堆叠关系形成的呈现热电偶效应的不同材料的层的段的对，其中段的所述对中的每一个被布置为以头对尾的关系彼此并排，并且与所述导电金属材料层中的一层相邻并且热接触。

24.根据权利要求12所述的设备，还包括与所述热能到电能转化部件热接触的热交换器，所述热交换器被布置为通过所述热能到电能转化部件将热量从所述热交换器传递到所述场响应材料，以在所述场响应材料没有受到场的作用时使所述场响应材料返回到热平衡。

25.根据权利要求12所述的设备，其中所述热能到电能转化部件包括热电偶材料、汤姆逊效应材料和热电材料中的至少一种。

26.根据权利要求1所述的设备，其中所述场发生器包括谐振电路，所述谐振电路在产生电场和磁场中的至少一个时具有每周期至少75％的效率。

27.根据权利要求12所述的设备，其中所述场响应材料被形成为拥有管状形状。

28.根据权利要求27所述的设备，其中所述场发生器包括围绕管状场响应材料缠绕并到达电源的导线，以使所述场响应材料受到由缠绕的导线所产生的磁场的影响。

29.根据权利要求28所述的设备，其中所述至少一个热能到电能的转化设备被形成为拥有管状形状。

30.根据权利要求27所述的设备，其中每个至少一个热能到电能转化部件被形成为具有如下形状，所述形状包括具有较大直径的第一部分和具有较小直径的第二部分，其中形成腔，腔处于所述第一部分的内部，所述设备还包括多个热能到电能转化部件，所述多个热能到电能转化部件以嵌套的布置方式布置，每一个热能到电能转化部件的所述第二部分在相邻的热能到电能转化部件的所述第一部分的所述腔中。

31.根据权利要求12所述的设备，其中在所述蓄能器中接收并且存储的所述电能大于产生所述时变的交变场所需要的电能。

32.根据权利要求12所述的设备，还包括比较器电路，所述比较器电路利用从所述设备中收到的反馈，来管理产生所述时变的交变场所需要的额外功率。

33.根据权利要求1所述的方法，其中由所述至少一个热能到电能转化部件产生并输出的所述电能大于产生电场和磁场中的所述至少一个所需要的电能。

34.根据权利要求1所述的方法，还操作比较器电路以利用从所述设备中接收到的反馈，来管理产生所述时变的交变场所需要的额外功率。

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