CN103210574B - 采用新的热力学循环将热能转换为电能的装置和方法 - Google Patents
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Classifications
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
- H10N15/10—Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point
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Abstract
本发明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。本发明还描述了一种用于将热能转换成电能的装置。
Description
以地热能源公司(The Neothermal Energy Company)的名义、按照PCT国际专利申请的方式于2011年9月13日提出本申请，其中地热能源公司这一美国国家公司是除美国之外其他所有国家的申请人，两个美国公民阿赫迈特·伊尔比尔(Ahmet Erbil)和戴维·F·沃尔伯特(David F.Walbert)仅指定为在美国的申请人。
相关申请的交叉引用
本PCT申请要求申请日为2011年9月7日、申请序列号为No.13/226,799的美国专利申请的优先权和权益，该美国专利申请是申请日为2009年5月14日、申请序列号为No.12/465,924的现在已授权的美国专利申请的部分继续申请案。本PCT申请还要求申请日为2010年9月29日、申请序列号为No.61/387,752的美国临时专利申请的优先权和权益。以上每个申请在此全文引用，以供参考。
本发明的描述中记载和讨论了一些参考文献，这些参考文献可能包括专利、专利申请和各种出版物。提供记载和/或讨论的上述参考文献仅用来阐明对本发明的描述，而不是承认任何上述参考文献是本文所描述的该发明的“现有技术”。这一说明书中所记载和讨论的所有参考文献在此全文引用，并得到仿佛单独引用每个参考文献的相同引用程度，以供参考。
技术领域
本发明涉及热能转换为电能技术领域，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。
背景技术
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No.4,220,906、奥尔森(Olsen)的美国专利No.4,425,540和No.4,647,836、伊仓(Ikura)等的美国专利No.6,528,898和库恰什维利(Kouchachvili)等的美国专利No.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No.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ε成反比：
V＝Q/C＝Q/[ε(T)ε0(A/d)]
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ε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,59 FERROELECTRICS 205(1984))中曾经报道过，利用介电材料作为可变电容器来发电。奥尔森报道了采用铁电材料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,Simulations of a PrototypicalDevice Using Pyroelectric Materials for Harvesting Waste Heat,5 1 INT.J.Ητ&MASS TRANSFER 505 1(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No.12/465,924和美国专利No.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，这里提出的发明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，这些发明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No.12/465,924的申请和专利号为No.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。
发明内容
本发明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。本发明中也可以使用其他电极化材料。本发明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Pr。本发明利用自发极化现象，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。本发明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比，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发明产生电能的效率。
当本发明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No.12/465,924的美国专利申请和专利号为No.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Tc范围内循环，通过该发明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。
本发明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TL，同时保持电路断开，使得总极化现象维持在相对低的值PL，该值可能是零。在接下来的步骤中，热量等温地散出，直到极化增加到循环的最大值PH，在这个极值处，电极表面存在非常致密的束缚电荷。在该步骤中，电路闭合，以便电流能够从铁电体一端的电极流向另一端的电极。在电极上产生的屏蔽电荷与在铁电体表面上的相反束缚电荷的电荷量相等。进一步在该循环步骤中，施加一个小的极化电场，从而使产生的电偶极子向一个方向偏离，即，它们被极化了。
在循环的下一步中，电路断开，铁电体或者其他极化材料被加热到高于相变温度的相当高的温度TH。在该步骤中，总极化保持不变，材料进入亚稳态。在循环的最后一步中，电路再次闭合，等温热量输入，直到极化减少到PL。在该步骤中，电极上的屏蔽电荷不再屏蔽，以自生的高电压释放到外部电路。与其他循环方式相比，以这种方式控制铁电体的循环使得每个完整周期中放出的电能增加。所述循环在一个由计算机控制的控制电路的控制下进行操作，根据循环的各步骤引起热量的增加和散出。所述控制电路在计算机控制下，还引起所述电路的断开和闭合，并且根据所述循环施加极化电场。
然后循环不断重复，其结果是热能持续转换为高电压的电能。本发明可采用固态或液态的铁电体，后者包括液态铁电体和悬浮在液体中的铁电体结晶。例如，可使用的固体材料包括陶瓷铁电体、铁电体聚合物和其它的可极化聚合物。除了普通的铁电体，异常(或不规则)铁电体如方硼盐和方钠石，也可用于本发明。对于异常铁电体，极化表现为与一些初阶参数耦合的二阶参数。以本发明来利用铁电体的自发极化，能够在一个较宽的温度范围内使用多种热源(包括自然出现的和生成的)供应的热量实现热能到电能的强力转换。热量可以通过热传导、对流、热辐射或者这多种形式的结合，并通过单相或两相热传导系统从热源输入到铁电体或者从铁电体传到热沉并散出。
单级功率转换模块包括单个铁电体或其他极化材料。因此，它通常有单一的相变温度，用于反映铁电相和顺电相或反铁电相间的转变。当热源和热沉之间的温差ΔΤ较大，为了更有效地将热能转换为电能，可使用一系列的铁电体或其它极化材料，产生一系列的相变温度，从而可以覆盖全部或者至少一部分热源和热沉之间的温度范围。保证多级装置的ΔΤ的大小取决于应用的参数和要求以及所用的特定材料的特征。热再生技术的使用，还可能会影响在特定应用中所需的级数。
一方面，本发明涉及一种用于将热转换成电能的装置。在一个实施例中，所述装置具有铁电层，所述铁电层具有第一表面和与之相对的第二表面，所述铁电层由带有相变温度的铁电材料组成，当材料处于铁电相时，自发极化在每个铁电体晶胞中发生，被极化的铁电层发生整体的净自发极化现象；因此，当铁电体的温度变化到越过相变温度时，材料进入顺电相或反铁电相，其中该铁电层具有可忽略不计的整体的净自发极化、或不具有整体的净自发极化。
所述装置还有一对电极，分别位于所述铁电层的所述第一表面和所述第二表面上，其中，所述电极由导热和导电的材料组成，以及相对于所述一对电极设置的用于通过对流、传导或辐射交替地对铁电层进行热量的输入和散出的构件，以便分别在高于相变温度的温度TH下加热铁电层，并交替地在低于相变温度的温度TL下冷却铁电层，从而使得铁电层的铁电材料能够在(1)铁电相和(2)顺电相或反铁电相之间交替相变。
另一方面，本发明涉及一种将热能转换成电能的装置。在一个实例中，所述装置包括铁电层，所述铁电层具有第一表面和与之相对的第二表面。所述铁电层由铁电材料构成，所述铁电材料有居里温度Tc，从而当铁电材料的温度低于居里温度Tc时，铁电材料处于铁电相，铁电材料中的晶胞自发极化；当铁电材料的温度高于居里温度Tc时，铁电材料中的晶胞不发生自发极化。所述装置还包括一对电极，所述一对电极分别位于所述铁电层的所述第一表面和所述第二表面上。所述一对电极由导热和导电的材料组成。
进一步来说，所述装置还包括与所述一对电极相对设置的构件，用于在铁电层的第一表面和第二表面之间交替地传输冷流体和热流体，以便交替地(1)在低于居里温度Tc的第一温度TL下冷却铁电层，和(2)在高于居里温度Tc的第二温度TH下加热铁电层，从而使得铁电层的铁电材料随着温度的循环在铁电相和顺电相之间交替相变。
此外，所述装置可具有与所述一对电极电连接的两根导线，使得当铁电层的铁电材料处于或者转变成铁电相时，在两根导线之间施加一直流电压从而使得铁电材料的晶胞或者晶域极化，当铁电材料循环到铁电层的总极化减少时，与屏蔽电荷相对应的相反电荷的电能，以远高于所施加的用于极化的直流电压的电压输出到所述两根导线上。
此外，所述装置可包括监测设备，用于监测铁电层的温度和电容以及冷热流体的温度和压力中的一个或多个。
在另一实施例中，所述传输构件包括分别形成于所述一对电极上的第一流道和第二流道，当冷流体通过第一和第二流道中的至少一个时，冷却该铁电层，而当热流体通过第一和第二流道中的至少一个时，加热铁电层；一个或者多个热交换器，用于使第一和第二流道交替地于铁电层的第一表面和第二表面上传输冷流体和热流体，以便交替地在第一温度TL冷却铁电层和在第二温度TH加热铁电层；以及与所述一个或多个热交换器连通的多个控制阀，用于控制冷热流体的流动。所述多个控制阀由微控制器控制，并且他们被计算机通过一控制电路来协调以实现本文所描述的循环。
另一方面，本发明涉及一种将热转换成电能的方法。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：提供具有第一表面和相对的第二表面的铁电层，其中，所述铁电层由带有相变温度的铁电材料组成，从而当材料处于铁电相时，自发极化在每个铁电体晶胞中产生，被极化的铁电层产生整体的净自发极化现象，并由此，当铁电体温度变化到越过相变温度时，材料进入顺电相或反铁电相，其中该铁电层具有可忽略不计的整体的净自发极化、或不具有整体的净自发极化；包括一对电极，分别位于所述铁电层的所述第一表面和所述第二表面上，所述电极由导热和导电的材料组成。
所述方法还包括交替提供冷流体和热流体的步骤，以便交替地冷却铁电层到低于居里温度TC的温度，和加热铁电层到高于居里温度TC的第二温度。在这些步骤中，电路断开，冷却和加热在恒定极化作用下发生。
所述方法还包括交替地对铁电层等温地输入热量和从铁电层中等温地散出热量的步骤，通过交替地传输热流体和冷流体以对铁电层增加或散出热量，而总极化作用变化到相应的低和高水平，分别表示为PL和PH。在这些步骤中，所述电路闭合以允许改变极化作用，并且散出或增加的热量对应于相变的热焓。
所述方法还包括当铁电层的铁电材料在温度TL下为铁电相时极化该铁电材料的步骤。在一个实施例中，通过对铁电层施加一个小的外部电场，使得所述铁电层的电偶极子对齐，从而实现铁电材料的极化。所述方法还包括以下步骤，当热量等温地输入到铁电层且极化现象减小到可以忽略不计或者为零时，其对应值为PL，通过闭合电路将由铁电层的铁电材料产生的电能释放至外部电路中。
在一个实施例中，热量传输步骤通过一个或多个热交换器完成，所述热交换器与热源和热沉流体连通，以便将热量从热源输入到铁电层以完成铁电层的加热，以及将热量从铁电层散出至热沉以完成铁电层的冷却。在另一个实施例中，热量传输步骤通过一个或多个热交换器和与所述一个或多个热交换器连通的多个控制阀完成，其中设有第一和第二流道，用于在所述铁电层的所述第一表面和所述第二表面上交替地提供冷流体和热流体，以便交替地冷却和加热铁电层，并且所述多个控制阀用于控制冷流体和热流体的流动。在每个实例中，电路在断开和闭合状态之间切换，以配合加热和冷却循环，从而实现本文所述的四步骤循环，包括两个等温步骤和两个恒定总极化步骤。
除带晶体结构的材料外，可电极化的无定形聚合物材料也可用于本发明中。对于这样的无定形聚合物，在原子和分子水平极化单元存在电偶极行为。例如当可极化无定形聚合物(和共聚物)的体系极化时，将出现整体净极化现象，当材料的温度达到去极化转变温度时，所述净极化将会减少和消失。本发明利用了无定形聚合物体系在其去极化温度范围内循环将影响极化变化的现象，与发生在晶体铁电体内的自发极化和极化变化的使用方式相似。对于无定形材料，去极化转变温度与TC或铁电体相变温度类似。本发明参考使用的材料为铁电材料和铁电层，但应该理解，具有合适的极化现象和相变特征的可极化无定形聚合物(和共聚物)也可用于本发明。
进一步，本发明涉及一种将热转换成电能的装置。在一个实施例中，该装置具有多个铁电体模块{FMn}，布置在一个堆栈中，其中，n＝1，2，3，...N，N为大于1的整数。每个铁电体模块FMn包括一铁电层，所述铁电层具有第一表面和相对的第二表面，所述铁电层由铁电材料构成，所述铁电材料有相变温度Tn，当铁电材料处于铁电相时，每个铁电体的晶胞产生自发极化现象，经极化的铁电层产生一个整体净自发极化，并由此当铁电体的温度变化达到相变温度时，材料进入顺电相或反铁电相，其中该铁电层具有可忽略不计的整体的净自发极化、或不具有整体的净自发极化。在一个实施例中，由导热和导电材料组成的一对电极分别设置在所述铁电体堆栈的所述第一表面和第二表面上。在另一实施例中，这些电极同样设置在每个铁电体模块FMn的所述第一表面和第二表面上；在另一实施例中，相邻的铁电体模块之间的电极由绝缘体隔开。多个铁电体模块{FMn}的相变温度{Tn}可以依次在热源和热沉之间的温度范围内变化。
所述装置还包括相对于堆叠的铁电体模块{FMn}设置的用于交替地通过对流、传导或辐射将堆叠的铁电体模块{FMn}的热量输入和散出的构件，以便交替地在低于每个相变温度Tn的第一温度下冷却堆叠的铁电体模块{FMn}，在高于每个相变温度Tn的第二温度下加热堆叠的铁电体模块{FMn}，使得堆叠的铁电体模块{FMn}的每一铁电层在(1)铁电相和(2)顺电相或反铁电相之间交替相变。
所述装置还进一步包括监测设备，用于监测一个或多个铁电体模块FMn的温度和电容以及热流体和冷流体的温度和压力。根据本发明利用两个等温步骤和两个恒定极化步骤以及极化和放电的一般循环过程，热循环在计算机控制下与铁电体模块{FMn}的供电状态协调配合，使加热和冷却与电输入和散出同步。
进一步来说，在另一方面，本发明涉及一种将热转换成电能的装置。在一个实施例中，该装置具有多个铁电体模块{FMn}，布置在一个堆栈中，其中，n＝1，2，3，...N，N为大于1的整数。每个铁电体模块FMn包括一铁电层，所述铁电层具有第一表面和相对的第二表面，所述铁电层由铁电材料构成，所述铁电材料有居里温度Tc n，当铁电材料的温度低于居里温度Tc n时，铁电材料处于铁电相，铁电材料中的晶胞自发极化，当铁电材料的温度高于居里温度Tc n时，铁电材料中的晶胞不能发生自发极化。在一个实施例中，第一电极和第二电极分别设置在所述铁电体堆栈的第一表面和第二表面上；在另一实施例中，第一电极和第二电极分别设置在各个铁电体模块FMn的第一表面和第二表面上。多个铁电体模块FMn的不同铁电层由一种相同的铁电材料或不同的铁电材料组成的。在一个实施例中，第一电极和第二电极分别设置在各个铁电体模块FMn的第一表面和第二表面上，相邻的铁电体模块由绝缘体隔开。多个铁电体模块{FMn}的居里温度{Tc n}可以依次在热源和热沉之间的温度范围内变化。
所述装置还包括相对于堆叠的铁电体模块{FMn}设置的用于在堆叠的铁电体模块{FMn}上交替地传输冷流体和热流体的构件，以交替在低于每个居里温度Tc n的第一温度下冷却堆叠的铁电体模块{FMn}，在高于每个居里温度Tc n的第二温度下加热堆叠的铁电体模块{FMn}，从而堆叠的铁电体模块{FMn}的每个铁电层随着温度循环在铁电相和顺电相之间交替相变。
所述装置还进一步包括监测设备，用于监测一个或多个铁电体模块FMn的温度和电容以及热流体和冷流体的温度和压力。根据本发明利用两个等温步骤和两个恒定极化步骤的一般循环过程，热循环在计算机控制下与铁电体模块{FMn}的供电状态协调配合，使加热和冷却与电输入和散出同步。
本发明应用范围极其广泛，包括对现有设备的改进和应用于新设备。以下将通过实施例进行说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，但不对本发明的应用做任何限制，其他应用对本领域技术人员而言是显而易见的；这些应用包括：(1)通过将废热转换成额外的功率输出使热电站的产能增加；(2)将本发明用作电厂内将热能转换成电的主要方式或唯一方式；(3)从地热能源产生电力，所述地热能源包括被动式地热加热系统和冷却系统；(4)由太阳能提供的热量产生电力，产生的电力可为任何规模，例如从几瓦或更少到超过1,000MW；(5)由使用各种热源的可携式或准可携式发电机产生分布式电源，其运行规模从几瓦或更少到100kW或更多；(6)将来自于工业、采矿和其他类似来源的废热转换成电源；(7)利用由热能产生的电力为电动车辆供电，所述热能产生自燃烧气体或其它方式的车辆；(8)由柴油电力机车的废热产生电力、或作为发电的主要方式；(9)利用海洋热梯度产生电源；(10)在众多特定应用中进行冷却与冷藏，这样电能用于从所需来源提取热量，该循环操作的反向运行则用于由热量发电；(11)用体热产生个人用途或医疗用途的电；(12)个人电子设备、个人计算机、全球卫星定位系统和类似设备的小型电源；(13)由来自于生物量或城市垃圾的热量来发电；以及(14)在太空中由诸如放射性同位素产生的热量来发电。
结合以下附图，本发明的各个方面在优选实施例的以下描述中变得显而易见，但在不背离所公开的新颖概念的精神和范围的情况下可对其进行变化和调整。
附图说明
附图阐释了本发明的一个或多个方面或一个或多个实施例，附图连同其书面说明用于解释本发明的原理。在实际应用时，附图中通篇使用相同标号来指代实施例的相同或相似元件，其中：
图1是本发明的一个实施例的铁电体装置的横截面剖视图，该铁电体装置利用发生在温度循环中自发极化的变化产生电荷，从而实现热能转换为电能。该电荷能以高电压形式输出给外部电路。
图2是铁电体内各个晶域的排列情况示意图，其中图(a)展示了未极化条件下的铁电体，铁电体内部取向任意，每个晶域包含了大量的电偶极子，在各个晶域内朝向相似；图(b)展示了基本极化的材料，其电偶极子处于大体相同的方向；图(c)展示了一种理想的完全极化的铁电体，一般只在合适的原子和分子结构的特定条件下达到。
图3是铁电体结构/铁电层表面的束缚电荷以及当大量净自发极化Ps存在时在相邻电极表面产生的电荷相反的屏蔽电荷的示意图，在没有添加外部电场时Ps也可表示为Pr。
图4是本发明另一个实施例中将热能转换成电能的铁电体装置的横截面剖视图。
图5是图4中铁电体装置的立体结构示意图。
图6是本发明一个实施例中的与电阻负载配合的铁电体发电机的示意图。
图7是本发明一个实施例中热能转换为电能过程的流程图。
图8是本发明一个实施例中将热能转换为电能的铁电体装置的示意图。
图9是本发明另一个实施例中将热能转换为电能的铁电体装置的示意图。
图10是本发明又一个实施例中将热能转换为电能的铁电体装置的示意图。
图11是本发明一个替代实施例中将热能转换为电能的铁电体装置的示意图。
图12是本发明进一步实施例中将热能转换为电能的铁电体装置的示意图。
图13是本发明更进一步实施例中将热能转换为电能的铁电体装置的示意图。
图14是(a)钙钛矿晶体的顺电立方结构到(b)四方结构的转变示意图，后者反映了一种铁电状态，该状态下晶胞变形产生游离粒子，使得每个晶胞成为一个电偶极子，并与整个材料中的其他电偶极子共同引起自发极化。
图15是位于铁电状态下的KNbO3角上和面上的钾离子和氧离子的位移示意图，其中离子位移产生自发极化。
图16是处于铁电状态下钙钛矿型钛酸钡BaTiO3晶胞的离子位移距离示意图，其中离子位移产生自发极化Ps。
图17是钛酸铅PbTiO3样本在温度T和极化P的作用下的自由能曲线图。G是吉布斯自由能。温度以K为单位；极化单位是C/m2；自由能G单位是J/m3。极化是一个完整的热力学变量，它代表了由G(T，P)所表述的全极性系统。
图18是极化作用恒定为P＝0.4C/m2时钛酸铅PbTiO3样本在不同温度T作用下的自由能曲线图。
图19是不同电场值E下的极化曲线示意图。温度以K为单位，E电场值的单位是V/m。
图20是钛酸铅PbTiO3样本在温度T和电场E作用下的熵的曲线图。温度以K为单位，熵的单位是J/m3·K。
图21是不同温度下在极化作用下的自由能曲线图。曲线中还展示了本发明所公开的热力学循环的步骤。极化是一个完整的热力学变量，它代表了由G(T，P)所表述的全极性系统。
图22是铁电体的热力学循环示意图，其中该循环包括两个等温步骤和两个恒定极化步骤。在等温步骤中，QL和QH分别表示热量的散出和输入。
图23是图22中的循环在温度作用下的熵的示意图。其中只考虑了对自由能产生作用的极化。其他程度的自由都被忽略，如晶格潜热和聚合物主链。
图24展示了测量到的在加热相期间产生的电流，所述电流由永久极化的变化产生，该变化对应于50μm厚的P(VDF-TrFE)共聚物薄膜的不同继电器开启温度。
具体实施方式
在以下实例中对本发明进行更具体的说明；由于许多调整和变化对本领域技术人员而言是显而易见的，因此所述实例仅用于阐释目的。现在详细描述本发明的各个实施例。参考图，通篇视图中相似编号表示相似部件。在本文的描述和后续的权利要求中，除非文中明确表明，通篇使用的“一”和“该”的含义包括引用复数。同样，在本文的描述和后续的权利要求中，除非文中明确表明，通篇使用的“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。另外，以下对该说明书中使用的某些用语予以更具体的限定。
在说明书中使用的术语属于本领域的常用词语，在本发明的范围内并在特定的上下文中使用。用来描述本发明的某些特定术语将在以下或者本说明书中的其他地方中讨论的，以对本发明作进一步指导。本说明书中使用的实例，包括所讨论的任何术语的有关实例，仅仅起说明作用，并非限制本发明或任何术语的使用范围和含义。同样地，本发明并不限于在本说明书中给出的各种实施例。
本文所用的术语“左右”、“大约”或“大概”通常是指在一个给定值或范围的20％之内，优选地在10％以内，更优地在5％以内。本文中给出的数值数量是大概的，这意味着在未明确声明的情况下可推断术语“左右”、“大约”或“大概”的含义。
本文所使用的术语“晶胞”是指的晶体中原子唯一排列的晶体结构。晶体结构由结构基元、一组以特定的方式排列的原子以及晶格组成。结构基元位于晶格点上，晶格是在三维空间中周期性重复的点阵列。所述点可以认为形成填充晶格空间的相同的小长方体，称为晶胞。一个晶胞的边缘的长度和边缘之间的角度称为晶格参数。材料的晶体结构或者晶体结构中原子的排列可以用其晶胞来描述。晶胞是一个小立方体，包括一个或多个结构基元和原子的空间排列。晶胞在三维空间中的堆叠，用以描述晶体原子的排列。晶体结构呈现出三维形状。晶胞通过晶格参数，即晶胞边缘的长度和边缘之间的角度来描述的，而晶胞里的原子位置关系则通过从一个晶格点中测量的一组原子的位置进行描述。有关晶胞的例子具体如图14和图15所示。
本文所用的术语“居里温度”或Tc指的是铁电材料的特性。在居里温度以下的温度，铁电材料一般处于铁电相，铁电材料的晶胞开始形成自发极化。随着温度的升高，当温度接近居里温度时，晶胞内产生的自发极化减小。当温度高于居里温度时，铁电材料一般处于在顺电相，铁电材料的晶胞内不形成自发极化。然而，存在特殊的铁电体，其中当其温度高于相变温度时仍存在铁电相，当温度低于相变温度时材料处于顺电相。另外，在本发明中，在铁电相和反铁电相之间存在相变温度，与反铁电相相比，铁电相可能出现在较高的温度。关于“居里温度”是否也适用于这些后面几种相变的相变温度，并不存在明确的用法。本文中使用的术语“相变温度”和“转变温度”包括所有的上述类型的相变。“居里温度”或Tc仅可结合第一种类型的相变使用，或者用于从上下文可知的更广的范围。
在实际中，所有上述的相变类型，随着温度过渡到转变温度时的相变清晰度由组成成分的同质性和晶体结构所决定，因而各相间的转变，可能会随着铁电材料的温度在材料的指定转变温度范围内升高或降低逐步实现。
本发明所公开的使用的铁电材料，包括普通的和异常铁电体，铁电材料相对于所描述的相变不断循环。
除了具有晶体结构的铁电材料，可极化的无定形材料也可用于本发明。这些材料能够为热能转换为电能提供一个强大的基础。对于这样的无定形材料，去极化转变温度是类似于上述的TC或铁电体相变温度。本发明所公开的铁电材料的用途，应当包括这种极化的无定形材料的循环。在该实例中，可极化的无定形材料的循环类似铁电材料，循环中用去极化转变温度代替铁电相的相变温度。
各种可极化的无定形材料对于本发明是特别有用的，因为其去极化转变温度可应用在温度小于250℃的有用范围内，虽然它们也可以是在更高的温度下，在循环过程中将产生强大的电能输出。电能、极化和介电常数之间的关系是：
U＝Ρ2/2εε0.
无定形聚合物的极化P通常较小，例如，比铁电陶瓷材料条件下小，这种材料的介电常数更小的，从而产生较高的能量密度U。
可用于本发明的可极化的无定形材料包括MXD6尼龙，其转变温度约为78℃，对于70μm厚的试样产生的放电电压约800V。50μm厚的PANMA-4丙烯腈共聚物试样转变温度约为100℃，产生的放电电压约1300V。
这里所使用的“极化”更精确的表达为“电位移”。由于在本文中这两个术语不存在显着差异，为了简单和清楚，全文中使用极化一词。
根据本发明的实施例的实例装置和方法和他们的相关结果将在下面给出，需要注意的是以上并不用于限制本发明的。需要注意的是，在没有限制本发明的范围内，为了读者的方便，在实施例中可以使用标题或者副标题。此外，本发明提出并公开了某些理论，无论是正确的还是错误的，都绝不应该限制本发明的范围，只要是根据本发明并不考虑任何特定的理论或主题来执行本发明的。
根据本发明的目的，如本发明所述，本发明一方面，涉及一种通过铁电体介质直接将热能转换为电能的装置和方法，能量没有经过中介的机械机制或其他形式传输。本发明利用了当铁电材料处于铁电相时产生固有自发极化。本发明在没有外部电场E的作用下，利用了铁电材料或其他可极化材料的晶胞中产生的自发极化。由于材料转变成铁电相，从而使得晶胞极化现象自发地发生。当晶胞和晶域在极化作用下排列时，晶胞强大的自发极化导致在铁电材料中产生一个巨大的整体净极化现象。本发明还利用了当铁电材料温度发生变化导致其转变成具有可以忽略不计的净极化的新相时，整体净自发极化将发生巨大变化。
本发明允许移除和使用当材料处于铁电相时产生自发极化从而产生的电能。电能采用该种方法产生，并结合材料从铁电相到非极性相的转变，因此可以导出到外部电路。材料转变到非铁电相，固有的净自发极化Ps随之消失。一般的，从铁电相到顺电相转变的Ps可以忽略不计，但也可能是从铁电相到反铁电相的转变，这是由于反铁电相在整体材料中产生可以忽略不计的净自发极化。
本发明为了实现热能转换为电能，基本的铁电体模块围绕其相变温度循环。该温度循环是通过在铁电体模块之间的一个或多个热交换器、热源和热沉完成的。热交换器和热源不受限制，可以包括传递热能的任何模式，包括对流、传导、辐射，和单相或者两相热传输系统。本发明能够实现以下的热能转换：(1)至少热源温度TH和热沉温度TL之间的一部分温度范围，处于一个或者多个铁电材料的相变温度范围内；(2)温度差ΔΤ＝(TH-TL)足够大，以便在特定应用中能够有效实现电能的转换。
已有铁电体的相变温度的范围从最低至约0℃到最高达约700℃，本发明可使用这些铁电体工作于该温度范围。对于本发明装置或方法的操作温度没有理论限制，只要有合适的铁电材料可用，该装置或方法也可在温度低于0℃或者高于700℃的范围内操作。
使用该设备所需的温度差的大小ΔΤ，在很大程度上取决于实际的问题，特别是应用过程中的需求。对于相变发生在温差ΔΤ为1℃的铁电材料，该设备可用来从具有该幅度的温差ΔΤ的热源和热沉中产生电能，若TH和TL限定了相变温度的话。根据热力学第二定律，以这样小温差工作的实际可用性是受到限制的。可用热能的最大转换效率通过卡诺效率公式ηc＝ΔΤ/ΤΗ给出。因此，用于在实际应用中操作设备的所需温差ΔΤ的大小将取决于具体的应用、与应用相关的工程参数和约束、热源和热沉的特征、热流量、有必需的相变温度的特定铁电体的性能、经济成本考虑、从特定热源发电的实际意义和其他。例如，当温差ΔΤ>5℃可基本上允许本发明的有效使用时，根据前面所述的原因，对于特定应用和材料系统，温差可能需要更大或者更小。
本领域技术人员都公认，在铁电材料和处于温度TH的热源以及处于温度TL的热沉之间存在温度梯度。在一个理想的等温传热工作介质(这里是铁电体)、热源和热沉之间建立准静态热力学分析，尽管温度梯度在分析中经常忽略，然而在实际应用中热量的流动需要温度梯度。为了简单起见，在这里忽略该梯度，TH可以用来指所述热源的温度和铁电体的加热温度。同样，TL可以用来指热沉的温度和铁电体的冷却温度。在实践中，实际的梯度大小可能会影响整体的热效率、功率密度和其他因素。
本发明并不限定于任何特定的热交换器形式或配置、任何特定的热源或热沉，也没有限定热源或热沉的热学性能。相反，该设备是普通的，可以用来有效地将热能转换为电能，并反过来使用电能冷却。铁电体的热输入和散出引起温度和相循环，可以通过热量的对流、传导或辐射以及通过单相或两相热传导系统实现。
在一般情况下，实施本发明可以采用不同的材料。当一个特定的铁电体围绕其相变温度循环时，能有效地实现热能转换为电能。正如前面所述，本发明往往将利用从铁电相到顺电相再返回铁电相的相变。然而，从铁电相到反铁电相再返回铁电相的相变也同样适用于本发明。铁电体材料中通常存在一阶转变，本发明能够使用很多一阶转变材料。存在二阶相变的铁电材料同样适用于本发明。
影响特定应用环境下铁电材料的适用性标准包括：(1)与热源和热沉的可用热能范围相匹配的相变温度；(2)在温度作用下该材料相变的清晰度；(3)从极化状态转变到非极化状态所释放的能量，表示为U＝Ρ2/2εε0(对于具有较高介电常数的铁电体，铁电相的自发极化优选≥2μC cm-2，但也可以采用极化程度低得多的无定形聚合物，因为它们具有非常低的介电常数)；(4)具有足够高的电阻率，以免在存储电能在高电压下释放前，通过铁电体介质中泄漏电极上的电荷；(5)在相对较小的电场作用下，在转变成铁电相期间极化的能力，在该电场作用下极化电压将比释放电荷的电压充分小(一般的，理想的极化电压比一般电压低20％，优选地，低于约5％)；(6)与循环过程中晶格加热所需的能量相比的较高的铁电体相变能量或焓(这一因素将在某种程度上取决于高和低的循环温度之间的温度差)。
本发明也可以使用较宽范围内材料的组合的铅基铁电材料系统，如PZT、PZST和PLT等。构成组合物的特定百分比会影响材料的具体性能特点，其中包括相变温度。在聚合物体系中，相变温度可变，并由形成的共聚物和共混物控制。许多可用于本发明的铁电体和反铁电体，在以下文献中有列出：M.Lines and A.Glass,PRINCIPLES AND APPLICATIONS OFFERROELECTRICS AND RELATED MATERIALS,APP.F(1977,Oxfordreprint 2004)，虽然该列表是不完整的。本发明引入了其附录F。本发明使用的铁电体可以是固态或液态形式，后者根据特定的应用，主要包括液态的铁电体和悬浮在液体中的铁电体细晶体。以下通过实例说明可以使用的固态材料，其包括陶瓷铁电体、铁电体聚合物和其它可极化聚合物。
以下实例中使用了存在相变现象的钙钛矿晶体，该钙钛矿晶体为本发明提供了一种有效的铁电体。钙钛矿型铁电体如PZT或PLT，当其晶胞结构从立方体(顺电相)转变为四面体(铁电体相)时，主要经历从铁电相到顺电相的一阶转变，。图14(a)示出当材料温度高于Tc时顺电相状态下的钙钛矿型晶体的晶胞结构。在该实例中，铅原子占据了立方体的八个角，立方体的六个面被氧原子占据；立方体的中心被钛或锆原子占据。图14(b)表示当材料处于铁电相以及T<Tc时，原子的相对位置的移动。正是这种移动引起了晶胞电偶极子的产生，并且正是这些电偶极子，在总体上产生铁电体材料的自发极化Ps。图15展示出另一铁电体铌酸钾KNbO3处于铁电相时的类似的位移和晶胞极化现象。图16示出以埃(angstrom)为单位的物理位移的幅度，该位移可能会发生在铁电相晶胞的原子上，该位移将会引起晶胞的电偶极子的产生。
根据本发明的一个实施例，如图1所示为单级的铁电体转换设备/装置100，该装置100利用温度循环中产生的自发极化的变化产生电荷并在高压下将电荷输出到外部电路。该装置100包括具有第一表面112和相对的第二表面114的铁电层110。铁电层110由带有相变温度的固态或液态的铁电材料组成，在该温度下该材料经历从铁电相到顺电相或反铁电相的相变，随着温度反向变化，然后再变回铁电相。铁电层110可以由带有居里温度Tc的铁电材料组成，当铁电材料的温度低于居里温度Tc时，铁电材料处于铁电相，铁电材料中的晶胞自发极化；当铁电材料的温度高于居里温度Tc时，铁电材料中的晶胞不发生自发极化或者可以忽略不计。铁电层110可以由一种铁电材料组成，当该铁电材料温度降低到低于转变温度时，该材料经历从铁电相到顺电相的相变。铁电层110也可以由一种铁电材料组成，当该铁电材料处于相变温度时，该材料经历从铁电相到反铁电相的相变，随着温度反向变化，再变回铁电相。将第一表面112和第二表面114之间的间距定义为铁电层110的厚度。在实际中所需的厚度大小取决于几个参数，包括特定的应用、可被转换成电能的热的特性和量、所使用特定的铁电材料和铁电材料的热导率。特别的，装置100第一阶段的铁电层110厚度约为0.01mm到1cm之间。本发明也可以采用其他范围的厚度。铁电层110可以是平面或者其他形状，其结构仅由生产技术和装置的操作方式所限制。
铁电层110的宽度和长度取决于铁电材料的物理属性、特定的应用条件、可被转换成电能的热的特性与量、传热机制以及其他条件。铁电层110的宽度和长度理论上没有限制。主要限制因素为特定的铁电材料生产条件的限制，和具体应用的操作因素的限制。尽管铁电层110的宽度和长度是受到实际因素的限制，一些类似或相同的装置可以安排在一列或一个堆栈中，以便有效地扩展可用于与热交换器连通的表面，该热交换器将图1所示的装置与热源和热沉连接。在该应用中，与电极连接的导线接入到总线中，阵列装置累积成为更大的装置，其面积与各个装置的总面积大致相等，从而使得电力的产生只受所提供热能的量和性质的限制。图8是这种阵列装置的一个例子。
一对电极122和124分别位于铁电层110的第一表面112和第二表面114上。电极122和124由导热和导电的材料组成。电极122和124与铁电材料/铁电层110上的第一表面112和第二表面114充分接触，从而提供电连接和最大热传导率。电极122和124可以由银薄膜组成，其厚度足够实现生成的电流的传导，但又足够薄以最小化对热交换器和铁电材料之间热传导率的干扰。银电极的厚度可以是约为1-5μm。在一些实施例中，需要电极从铁电层110的边缘略微往回设置例如1mm，以避免在铁电层110的边缘周围放电。
进一步来说，装置100还包括与一对电极122和124相对设置的用于交替地对铁电层110的第一表面112和第二表面114传输热量和散出热量的构件140，以在比相变温度更低的第一温度TL下冷却铁电层110，在高于相变温度TH的第二温度下加热铁电层110，从而使得铁电层110的铁电材料能够在(1)铁电相和(2)顺电相或反铁电相之间交替相变。在这个具体实施例中，该传输构件包括两个与热源和热沉(图中并未显示)连通的热交换器132和134，用于将热量从热源传输到铁电层110以在第二温度TH下对铁电层110进行加热，以及将热量从铁电层110传输到热沉以在第一温度TL下冷却铁电层110。这种吸热和放热整体上是符合热力学第二定律的，该定律允许只通过吸热和散热的过程将热能转换成另一种形式的能量或做功。
装置100还包括两根分别与电极122和124电连接的导线152和154，使得当铁电层110的铁电材料处于亚稳态时，电路闭合，在导线152和154之间施加一个直流电压从而极化铁电材料的晶域，从而当铁电材料从亚稳态转变成稳定的铁电体状态时可以产生巨大的整体净自发极化现象。该现象进而在电极122和124间诱发了非常致密的电荷相反的屏蔽电荷。接着电路断开，铁电层110的铁电材料通过对其晶格的额外加热从而加热到温度TH，此时因为电路断开，总极化保持不变，仍为PH，以防止电极电荷的放电。然后电路闭合，热量等温地增加到铁电层上，引起电荷相反的屏蔽电荷以远高于所施加的极化直流电压的电压通过导线152和154放电。两根导线152和154实现直流电源的连接以用于极化，并实现放电电流从电极传送到任何外部负载或总线，以由多个设备收集和分发所产生的电能。除了极化电压以外，导线152和154之间不需要施加额外电压。
如图2所示为处于铁电相时铁电体210中的晶域215的排列，即，铁电体210的温度低于其居里温度TC。铁电体210具有第一表面212和相对的第二表面214，两个表面之间定义铁电层主体216。铁电层主体216的特征在于具有如聚合物内一样的大量晶胞或可极化单位的多个晶域215。如图2(a)中所示，每个晶域215的特征在于由电偶极子箭头217表示的自发极化，但是箭头取向杂乱无章，因此，在铁电体210中不存在整体净自发极化。图2(b)表示的电偶极子217朝向相同的方向，使得铁电体210中存在一个非常强大的净自发极化。该种排列可以通过对铁电层主体216施加极化电场从而实现。图2(c)中公开了一种理想的完全极化的铁电体，一般只在合适的原子和分子结构的特殊条件下达到。
在给定的铁电体的热循环过程中通过利用自发极化变化从而产生的电能量，可以通过相变中和相变周围材料体系的Landau现象模型计算出来。与传统的准静态热力学分析相比，这种模型属于一个更全面的热力学表示。前者仅仅处于平衡条件下，而Landau现象模型更广泛，包括非平衡条件下的动态表示。对于普通铁电体，Landau-Ginzburg-Devonshire自由能函数以独立参数温度T和顺序参数P(代表电偶极子自发产生和诱导的总极化)表示铁电材料系统的自由能。Landau-Ginzburg-Devonshire自由能函数表示如下：
G(T,P)＝α1(Τ)·P2+α11·P4+a111·P6
其中，G代表自由能函数，单位是J/m3，P的单位是C/㎡。极化现象是一个热力学变量，它代表了由G(T，P)所描述的全极性系统。参数α对于给定的材料系统是明确的，对于那些给定的参数，Landau-Ginzburg-Devonshire自由能函数对相变中和相变周围铁电体的热循环提供了完整的信息，也对去极化转变过程中和周围的可极化聚合物系统提供给了完整的信息。
图17是钛酸铅PbTiO3样本在温度T和极化P的作用下的自由能曲线图，其中Tc≈766K。极化是一个热力学变量，它代表了G(T，P)所描述的全极性系统。不同曲线代表材料的不同温度。G是吉布斯自由能，单位是J/m3。当材料处于非极性状态即P＝0时，定义G的值为0。然后依据Landau-Ginzburg-Devonshire自由能函数，针对从750K到820K之间不同温度值计算出自由能G。当温度高于相变温度时，自由能永远不会低于处于顺电态时材料的所设定的参考值。不同曲线的极小值代表平衡状态。
当材料处于铁电相时，系统存在两个自由能极小值，每个极小值都处于曲线两个井部的低点处。在每个平衡点处都没有施加电场的，由于材料体系的对称性，在两个井部自由能的减小幅度相同。当材料体系进入铁电相时，通过对电偶极子的极化使得体系发生偏向，从而造成体系会降到与极化方向相对应的一个曲线井部。极化对自由能并不构成重大影响。
图18是极化作用P＝0.4C/m2固定不变时钛酸铅PbTiO3在不同温度作用下的自由能曲线图，其中Tc≈766K。自由能和温度间的线性关系用于决定本发明中所使用的铁电材料的合适的热力学循环。图18表示，在某些情况下，需要在很宽的温度范围内实现铁电体的循环，因为自由能的变化会随着铁电体循环温度范围的扩大而增加。在理想的情况下，这可以实现为一个完美的卡诺热机提供尽可能高的效率。但是，由于为在更宽的温度范围内循环而增加了晶格显热贡献，又不能实现完美再生的话，在更宽的温度范围内循环的热效率可能会降低还应当认识到，Landau-Ginzburg-Devonshire自由能函数的精确性随着温度与相变温度相差更远而精度降低，因此在更宽的温度范围内线性关系不再精确。
图19是相同的钛酸铅参数但不同的电场值条件下自发极化对比温度的曲线图。电场E、自由能G、P和T之间的关系可以从自由能函数中得到，并表示为：
在本发明的情况下，E值表示由铁电层表面的电极上的非屏蔽电荷产生的电场，以及用于极化的直流电压所施加的小电场。
图20是在温度T和电场E作用下熵的曲线图，其中参数E的单位是V/m。熵与Ρ2成正比，且：
S＝-α0·[Ps(T,E)]2
此处熵的单位是J/(m3·K)。参数α0与材料参数有关，可表达为：
α1＝α0(T-T0)
其中T0是Gurie-Weiss温度，其是拥有二阶相变的材料的相变温度，但对于一阶相变材料具有不同的值。
图22是本发明中理想的铁电体热力学循环示意图。该循环包括两个等温步骤DA和BC，以及两个恒定极化步骤CD和AB。这样的循环能够获得高电能输出。该循环的具体操作将在下文中详细描述。
从该循环的任意一点C开始，材料处于较高的温度TH，并且处于顺电相或者反铁电相。总极化达到最小值PL，数值为0或者可以忽略不计。铁电体表面的电极在C点处已经完成放电，使电极上的非束缚电荷可以忽略不计或者不存在非束缚电荷。然后在CD步骤阶段，铁电体冷却到一个相当低的温度TL，此时电路断开，总极化维持在最小值PL，当铁电体在C点处完全为非极性时PL为0。在CD阶段热量散出，与晶格显热量相对应，从而冷却材料。铁电材料在D点处于亚稳态。
在循环的D点处电路闭合。在DA步骤阶段，热量QL等温地散出，铁电体处于TL温度下，直到自发极化达到最大值PH。在没有引起铁电层电力故障或者重大漏电情况下，PH的值可以达到特定铁电材料系统中的最大值。在所有其他因素相同的情况下，获得较高的PH值会使得每个循环中产生较大的电能输出。PH值随着铁电材料体系、铁电层的结构以及其他因素而变化。在钛酸铅的示例中，PH值可为0.4C/㎡，如图21所示。
在DA步骤阶段，电路闭合，电流从铁电体一侧的电极流向铁电体另一侧的电极，直到产生的屏蔽电荷与铁电体表面的电荷相反的束缚电荷电荷量相等。进一步在DA步骤阶段，施加一个较小的极化电场使得电偶极子开始偏向一个方向，即，电偶极子被极化了。本发明中所使用的较小的极化电场可以是来自直流电压源的外部电场。在DA步骤中散出的热量QL与相变潜热几乎一致。在DA步骤阶段，材料体系从D点处的亚稳态转变成A点处的稳态。
在另一个实施例中，在DA步骤阶段，经过在D点和A点之间的等温线TL的最大局部自由能后在达到A点前可关闭该较小极化电场，如图21所示。由于极化电场的消失，体系自发地松弛过渡到A点。局部自由能的最大值点取决于铁电材料体系。例如，对于T≈760K，PL≈0.15C/㎡的PbTiO3铁电体试样，通常能够产生一个足够大的极化电场，如图21所示。按照这种方式，在DA阶段中，当铁电层温度为TL时，关闭该极化电场要求系统和负载的阻抗相匹配，从而使得在外部极化电场关闭后，去极化电场不会超过矫顽场(coercive field)。当极化电场关闭后，DA阶段产生的电能在一个实施例中被图6中切换到位置B的开关S1所用。当开关S1位于B位置时，在电路中增加一个全波整流器(图中并未显示)能够利于DA阶段产生的电能的利用。这种整流器使得流向和流自电极822和824的电流在负载RL上有相同的电流方向，无论该电流是发生在循环的BC还是DA阶段。该全波整流器可以由一个桥接电路组成。以该种方式进行信号的整流可以简化循环过程中产生的电能的后续使用和存储。
在循环的下一个步骤AB中，电路断开，铁电体在恒定极化条件下，加热到高于材料相变温度的温度TH。在AB阶段的热量输入与加热材料到温度TH的晶格显热相对应。在该阶段中输入的热量与在CD阶段中用以冷却晶格所散出的热量相等，由此使得热量不断重生，达到Carnot效率。
在循环的B点处，铁电体再一次进入亚稳态，电路处于闭合状态。在BC阶段中，随着极化降低到PL，热量等温地输入。在BC阶段中所增加的热量QH与极化作用的变化引起的焓变相对应。在该阶段中，电极上的屏蔽电荷开始变得非屏蔽状态，大部分或者全部屏蔽电荷开始向外部电路放电，以使得电路工作。C点处的总极化再一次降低到PL，该PL值为0或者可以忽略不计。
一个由计算机控制的控制电路被用来根据循环的不同步骤控制热量的增加或者减少。根据热力学循环过程，该在计算机控制下的控制电路同时也控制电路的断开和闭合，以及直流极化电压的施加和去除。
在循环的这几个步骤中，材料体系状态由稳态转变为亚稳态，这种现象能够用Landau-Khalatnikov时间相变理论解释，该理论可用来使负载的响应时间等于从亚稳态相变的相变时间。
TH和TL分别高于和低于相变温度，以实现材料的相变。依据材料的性能，如晶体结构的同质性，TH和TL与相变温度相差摄氏温度几度或更少。TH和TL与相变温度也可以相差很大，比如相差20℃或者更多。
本发明的循环引起了极化的变化，铁电体的热量输入或者散出仅仅存在于当铁电体处于温度的极值TH和TL时。当温度在TH和TL之间时，只有晶格显热增加或者减少。当工作介质(这里是铁电体)在分别和热源与热沉的温度相对应的最大和最小温度之间存在热量的输入和散出时，热力学循环的效率一般会降低，通过这种方式进行循环可以提高导热效率。以上都遵循热力学第二定律，焓变与热量间的关系(dQ＝TdS)，以及当极化为恒定时焓也为恒定的事实。忽略加热和冷却时显热的输入和散出，图22所示的循环是等熵的，因此在理想实施例中达到Carnot极限。
本领域技术人员可知的是，本发明所公开的循环四个步骤描述的是理想条件下的循环。在实际应用中，会与该循环中的理想等温与恒定极化步骤存在偏差。意识到本发明一般会应用到实际的循环中，并且与理想循环存在一定的差异，故本发明的适用范围并不限定在理想循环中，只是为了公开循环所使用的装置和方法。
正如本文其他地方所述，本发明一些实施例中，铁电相发生在高于相变温度的温度下，而顺电相或反铁电相发生在低于相变温度的温度下。在这些实施例中，其操作与图22所示的循环相同，但是方向相反。此处循环的四个步骤分别是DC、CB、BA和AD。步骤DC和BA分别发生在恒定极化条件PL和PH。在步骤DC和BA中只有晶格潜热输入和散出。热量QH在步骤CB中等温输入，而在步骤AD中，热量QL等温散出。在步骤CB中，电路闭合，在直流电压作用下发生了极化，电流从铁电体电极的一侧流向电极上的另一侧，直到屏蔽电荷与铁电体表面上的电荷相反的束缚电荷电荷量相等。在步骤AD中，电路闭合，电能向负载放电。
在本发明的又一实施例，使用铁电材料并未严格进入顺电相或者反铁电相的循环过程使热能转换成电能。相反，这样的循环也可以使用，即铁电体材料一直处于铁电相，但是从较大程度的极化转变为较小程度的极化。在本实施例中，如图22所示的循环是相同的，但TH不能足以使得材料变成严格的顺电相或反铁电相。在此实施例中，最小值PL是一些大于零的值。它的特定值将依赖于该材料体系和TL，具体取决于TL离造成铁电相的完全相变有多远。
一个特定的热力学循环的稳定性，可以使用从自由能函数中计算出的值进行评价。图21，与图17相似，是自由能函数在温度T和极化P作用下的一个例子的曲线图，其中材料为钛酸铅PbTiO3，TC≈766K。不同的曲线对应于材料的不同温度下的情况。图21包括图22所示的循环的各点(A、B、C和D)，在这里包括两个等温步骤，和两个恒定极化步骤。图21和图22中T和P的值仅仅用来示例说明，并不代表它们是理想的或唯一的。
图23示出了图22所示的循环中在温度作用下熵的示意图。此处只考虑了对自由能产生贡献的极化作用。其他可能对熵变化有贡献的自由度(比如晶格潜热和聚合物长链)都不纳入考虑范围。当不考虑其他这些因素时，即使没有再生利用，该循环也是等熵的。
图3示出了处于铁电相的铁电体模块500，其中束缚电荷在铁电层510表面产生，并对应于在电极522和524上产生的屏蔽电荷。在该具体实施例中，在一个较小的极化电场作用下，电偶极子517重新排列，从而使得大量的整体净自发极化在铁电层510中产生。所得的大量的净自发极化在铁电层510的表面512和514上产生非常密集的束缚电荷511和513，使得有电流流过电极522和524。由此在电极上522和524上产生屏蔽电荷521和523，和铁电层510两个表面512和514上的束缚电荷511和513电荷量相等，但电荷正负相反。由于电极522和524是导体，在电极522和524中的净电场是可以忽略不计或者为零的。排列的电偶极子517和Ps在铁电层510中引发了束缚电荷511和513，而电极522和524上的屏蔽电荷521和523，反过来是由束缚电荷511和513引发的，并与束缚电荷511和513相反。
由于铁电体经过相变成为顺电相或反铁电相，铁电层510的自发极化消失。因此，电极522和524上的屏蔽电荷521和523在电极522和524之间的非常高的电位差作用下成为非屏蔽的。确切的电位差将取决于特定的铁电体和其模块的结构，适当的材料在介质未击穿之前，可以达到超过30,000伏的电位。
图4和图5是本发明另一个实施例中的热-电转换装置600。在这个实施例中，装置600包括铁电层610、分别形成在铁电层610表面上的一对电极622和624、和与该一对电极622和624相对设置的传输构件，该传输构件用于交替地在铁电层610的表面上传送冷流体和热流体，以便交替地在第一温度TL<Tc冷却铁电层610，和在第二温度TH>Tc加热铁电层610，从而使铁电层610的铁电材料在温度循环中交替地进行铁电相和顺电相或反铁电相的相变。
如图4所示，所述传输构件包括第一流道631和第二流道633、包含了该第一和第二流道631和633的多个热交换器632和634、以及与热交换器632和633连通的多个控制阀660。
当冷流体流过第一流道631和第二流道633中的至少一个，铁电层610冷却到第一温度TL，当热流体通过第一流道和第二流道中的至少一个，铁电层加热到第二温度TH。冷流体和热流体通过管道传输分别由热沉644和热源642提供，例如管道640。
热交换器632和634用于交替地传输冷流体和热流体以便于在第一温度TL冷却铁电层610，在第二温度TH加热铁电层610。多个控制阀660用于对冷流体和热流体的流动进行控制，以便铁电体模块围绕相变温度进行循环。多个控制阀660由微控制器控制，与加热和冷却流体中的热电偶连接，并连接到铁电体，铁电体的温度和其它数据如电容可用于控制控制阀660的打开和关闭。热流体和冷流体中的压力也可以在一个或多个位置分别进行监测。通过电路的开闭实现铁电体的加热和冷却来实现所描述的循环，这些都在受计算机控制的控制电路的指导下实现。此外还有，通过直接监测铁电体的温度(通过热电偶或晶闸管等器件)、流体的加热和冷却温度、铁电体体系的电容(电容和铁电层的温度在整体上相关联)、铁电层的极化、和/或热流体和冷流体的压力(特别是在两相热交换器中的压力)，电和热循环得到协调。还可以监测电极622和624上的非束缚电荷的程度，并可以用于循环的控制上。
图6是本发明一个实施例的一种热能-电能转换装置800的示意图，它接到一个直流电源以实现极化，并且外接一个负载电阻RL以接收产生的电能。根据一个实例，一个或多个监测设备(图中未示出)连接到或嵌入到该铁电体装置上以监测铁电体材料的温度。以上监测可以例如通过一个或多个热电偶或晶闸管来实现，或通过监测该装置的电容来实现。此外，电阻器R1和R2可能会保留在电路中用以监测电流，因为相比于负载电阻RL，它们的阻抗可忽略。可以对流过电阻器Rl和/或R2的电流求积分，可以监测极化程度。在整个循环过程中，铁电体模块800经历由一台或者多台计算机控制的控制电路(图中并未显示)所执行的动作，控制加热和冷却，并控制开关S 1。
实际上，只要该装置用于从热能中发电，铁电体模块600和800的循环是持续重复的。因此，对该循环的描述可以在任何点开始。为了说明一个实例中装置的动作，假设铁电体模块600和800是在如图22所示中的C点开始循环的。此时，开关S1打开，铁电层810温度为TH，极化程度为PL。随后开关S1保持打开，铁电层810通过热量的散出冷却到温度TL，从而使循环来到图22所示的D点。保持开关S1打开，可防止电荷流向电极822和824或从其流出。在循环的该步骤中，极化保持在PL。
在循环中的D点，开关S1切换到位置A，如图6所示，这样使得电极822和824和直流电压源之间的回路闭合。当开关S1切换到位置A时，热量将等温地从铁电体810中散出，对应于图22中的循环的步骤DA。直流电压源产生的最小电场引起的极化使电偶极子在材料体系结构允许的范围内充分排列，从而在铁电层810的表面产生密集的束缚电荷。这些束缚电荷使得在电极822和824上产生屏蔽电荷，屏蔽电荷与在铁电层810表面上的束缚电荷电荷相反，电荷量相等。在循环的步骤DA中散出的热量Ql对应于相变过程中的焓。在A点处，铁电层810的自发极化达到最大值PH，电极中的净电场可以忽略不计，因为由于PH的作用，电极拥有足够的电荷来平衡束缚电荷。在步骤DA中，形成了大量的自发电能，对应于图21中D和A点之间的自由能差异。图3示出了(1)由排列的电偶极子和Ps引起的位于铁电体上的屏蔽电荷和(2)在循环的A点处出现的在电极上产生的与束缚电荷电荷相反的屏蔽电荷(尽管在A点负载电阻RL不像图3所示的在电路中)。
与铁电体装置800放电时的电压相比，所需的极化电压是很小的，而且步骤BC过程中的净电功输出是远远大于极化过程中的电功输入的。在这些实例中，除了极化所需要的最小电压外，铁电层810不需要施加和维持电压。当极化程度达到PH时开关S1打开(如图6所示的中间位置)，该装置处于如图22所示的循环中的A点。足够的极化电场取决于其特定材料、材料的几何形状、该装置是否在单级或多级结构下操作以及其他因素。例如，对于一些单级的约1.0mm厚的铅陶瓷铁电体，通过大约200伏特的电压就可以取得足够大的极化电场。相比之下，电功率输出期间产生的电压会超过6000伏特。如果没有极化，当材料为铁电相时晶胞会自发地出现电偶极子，但在整体的整合中，电偶极子不会自动排列。要获得较高的总体Ps值，本发明的这种排列是十分必要的。
图22所示的循环的步骤AB中，开关S1打开，铁电层810加热到TH，使得铁电相发生转化。因为开关是打开的，在步骤AB中的晶格加热期间，电极上的非束缚电荷放电受到阻止，反过来又使总极化值维持在PH。
在循环的B点处，开关S1切换到位置B，在温度TH下，热量等温地输入到铁电层810，从而使大量的电能从铁电体模块800释放到负载RL上。由于电荷从电极822和824散出，电荷被负载电阻RL或其他合适的用于存储、传送或利用电做功的设备以高电压接收。当电极822和824上的剩余的自由电荷已经减少到PL为零或可忽略不计时，电能从电极的散出已经完成，开关S1打开，对应循环的C点。此时，总极化值为PL，铁电层810温度为TH。
图24所示为测得的在加热阶段产生的电流，电流的产生来自永久极化的变化，相当于50μm厚度的P(VDF-TrFE)分子共聚物膜的不同继电器接通温度所产生的。负载电阻RL的电阻10ΜΩ，相应的，测量电阻器Rl和R2分别选为0和22KΩ。由于共聚物大量的转变，横轴已在很大程度上延展了，这使得原始峰值(1号线)比较平。图24中的2-6号线显示出随着延迟温度(时间)的升高而产生的电流。这些线对应于图22所示的热力学循环的步骤AB。随着延迟温度变得更大，试样两端产生的电势(场)急剧增大，电位达到1号线中的本来的峰值的10倍左右。随更大的延迟温度增大的电势对应于矩形循环的恒定极化(AB步骤)下沿温度轴的放大。热力学上，这将导致一个更高的效率。整体的强度基本保持不变，与预期相符。
整个循环过程中，热循环和电能输入和输出由计算机控制。循环过程各个步骤中的加热和冷却通过由微控制器控制热流体和冷流体交替地流向铁电体模块800来完成。适应于特定应用条件和特定的加热和冷却系统的不同的控制，可通过使用微控制器与计算机和控制电路的结合实现。控制流向铁电体的加热和冷却流体的控制阀如图4、5所示。计算机控制器从热电偶或其它设备装置接收温度值，这些装置监测加热和冷却流体的温度以及铁电材料的温度。还可以监测热流体和冷流体的压力。计算机控制器也监测极化和负载电流，比如通过电阻器R1和R2测得的电流，如图6所示。极化可通过对流过电阻器Rl和/或R2的电流求积分来进行监测。计算机和控制电路控制热交换器，从而导致铁电体模块发生合适的热循环。在计算机控制下接收这样的监测数据的微控制器同时也控制着开关S1的位置。除热电偶或晶闸管之外，一个或多个控制铁电体的电容或其他测量值可作为监测对象，并且控制循环时间与控制电路的切换。
根据本发明的一个实施例，图7展示了一种将热转换为电能的发明装置的工作方法900。在一个实施例中，该方法900包括以下步骤：在步骤910中，提供铁电层。铁电层由一种具有居里温度TC的铁电材料组成。一对电极分别设置在铁电层的第一表面和第二表面上，通过导线使电极连接到外部电路。该电极由导热和导电的材料组成。
在步骤920中，冷流体和热流体交替传输以交替冷却铁电层到低于居里温度TC的第一温度TL以及加热铁电层到高于居里温度TC的第二温度TH。在步骤920过程中，电路断开，以便当晶格冷却和加热发生时，在有效的恒定极化下进行冷却和加热。冷流体和热流体可以由热交换器、控制阀或其他类似器件进行传输，由数据监测仪和控制电路的指导共同控制。
在步骤930中，冷流体和热流体交替传输以交替地在低于居里温度TC的第一温度TL下等温地将热量从铁电层散出，和在高于居里温度TC的第二温度TH下等温于地加热铁电层。在步骤930过程中，电路闭合，随着极化从PL变化到PH，热量将会散出，当极化从PH变化到PL时，将会增加热量。冷流体和热流体可以由热交换器、控制阀或其他类似器件进行传输，由数据监测仪和控制电路的指导共同控制。
在步骤940中，铁电材料初始状态为亚稳态，铁电材料晶域内的自发极化在温度TL时发生极化，以致在一对电极上产生电荷相反的屏蔽电荷。在一个实施例中，通过在铁电层施加一个小直流电压来产生一个能够对电偶极子进行排列的极化电场，从而实现极化的过程。
在步骤950，当在温度TH对铁电材料的铁电层等温加热且电路闭合时，与该一对电极上产生的屏蔽电荷相反的对应的电能，以非常高的电压输出给外部电路。
应当指出的是，对于给定的铁电材料，与单层的铁电材料所能发挥的基本功能相比，相连的多层铁电材料能够使这项发明在实际应用更有价值，能够从一个特定热源中产出更多电能。在一些应用中，如果热源与热沉之间的温差很小，单层铁电材料是合适的。然而这种情况下，热能不太可能转化成为电能，这是一个不可避免的热力学结果，这也表明任何系统热能转化为其他能的最大效率是卡诺效率ηc＝ΔT/TH。在ΔΤ较大的情况下，需要使用多级转换模块，该多级模块包括一系列铁电材料以，具有一系列相变温度，该相变温度对应于TH和TL之间的适用温度。保证多级处理的ΔT的大小取决于特定的应用情况和体系所使用的材料。但在ΔT较大的有些情况下使用单层也可以，比如说100℃或更高，这种特殊情况下可能使用了热再生技术。
很多实例和结构都说明本发明的基本机理能够在多级形式应用，该多级形式采用具有多个相变温度的多种铁电材料，以下将介绍其中几个实例。这些说明性的描述并非是为了限制本发明为这些结构。此外，在这些描述和实例参考居里温度TC时，这些描述也同样适用于铁电相在相变温度以上的铁电材料、在相变温度下为顺电相的材料、相变在铁电相和反铁电相之间的铁电材料，和可极化的聚合物。
如图8所示的装置1000具有多个铁电体模块FM1、FM2...FMn-1和FMn，以阵列的形式排列，以扩大与热交换器接触的工作表面，从而提高从热源得到的热能，并将之转化成电能。电能通过与每个模块电极相连的总线1001进行输出。
在多层结构中，一系列铁电层可以堆叠的方式设置来最大化热导率。将得到的多层铁电体结构放置在一对电极之间，该对电极与前面所述的单层装置类似。这种结构示意图如9和图10所示。这些连续层FE1、FE2...FEnl和FEn由相同的铁电材料或者大体上不同的铁电材料形成。居里温度Tc l、Tc 2...Tc n-1和Tc n，对应于连续层中的铁电材料FE1、FE2...FEn-1。在一个实施例中，多层铁电材料顺序排列，以使Tc i+1＞Tc 1。在一个实施例中，合并的多层模块进行热电循环，各个层在包括两个等温步骤和两个恒定极化步骤的循环中绕其相变温度循环。对于每一层，在循环过程中，进行了如本申请中针对单层装置所描述的带有极化和放电的铁电相-顺电相或铁电相-反铁电相的转变。如图9和图10中显示的多层结构，在循环过程的放电步骤中以高压输出的电能与电极和铁电材料(表示为FE1和FEn)的接合处的总自发极化Ps有关，该自发极化是每个FE层的自发极化作用在一起累积的结果。
图11展示了本发明另一个实施例中的多层铁电体装置1300。多层铁电体装置1300的结构与图9中的装置类似，但在装置1300中每个铁电层间设置隔开的第三电极。例如，铁电层FE1和FE2由第三电极1321隔开，而铁电层FEn1和FEn由第三电极1328隔开。这些第三电极1320、1321……1328和1329是由导热和导电材料制成的。装置1300的热电循环和操作与图9和图10中所示装置的类似。但是，该装置的电能的输出不同。在本结构中，电能在循环过程的放电步骤中从图11中的所有第三电极1320、1321……1328和1329输出。从第三电极1320、1321……1328和1329中获得的电能可以通过连接导线传送给负载电阻或者总线，从而将电能输出到外部电路中，并按照所需的方法使用。
图12展示了又一个实施例中的多层铁电体装置1400。这个多层铁电体装置1400的结构与图11所示装置的结构很相似，但是每两个相邻的铁电材料的铁电层之间都用第三电极和第四电极隔开，而这第三电极和第四电极被一个电绝缘体1480隔开，电绝缘体1480是用来最低限度地阻止热量传递。
图13展示了具有一系列不同的相变温度Tc l到Tc n的n个独立铁电体模块的系统的示意图，这些铁电体模块按热源温度TH和热沉温度TL之间的温度升序或降序排列，并通过热交换系统来实现每一铁电层FEi在其对应的相变温度Tc i下的循环。在这个结构中，不同铁电层FE1、FE2...FEn-1和FEn均有不同的相变温度。如图13所示，一系列如图4所示的单层装置排列成一个堆栈。每个单层设备通过热交换器对相应铁电体模块进行加热或冷却，因此第i层可以在各自的相变温度Tc i上下进行热循环。在这个结构中，铁电体模块集成了一个网络化的换交热器，使得每个铁电模块FMi围绕其相变温度Tc i进行循环。热交换器可互联以利于重复的加热和冷却或便于按温度降序以级联方式操作各铁电模块。相邻的热交换器可通过热绝缘器1580进行热绝缘，如图13所示。在这个系统中，通过热电偶来监测整个系统中加热和冷却流体的温度，各个铁电体模块的温度和电容也一样。控制电路中采用微控制系统引导在合适的温度下加热和冷却流体，从而使得每个铁电层FEi以与所述单级装置相类似的极化和热电循环方法在各自相变温度Tc1上下进行循环。在一个实施例中，不同铁电层的每个循环，都经历着与这里所述的单级的热电循环一样的热电循环，该热电循环包括两个等温步骤和两个总极化保持恒定的步骤。从电极获得的电能可以通过连接导线传送给负载电阻或者总线，以将电能输出到外部电路中，并按照所需的方法使用。
综上所述，本发明公开了采用一个或多个铁电体或其它可根据温度变化而改变自发极化的材料将热能转换成电能的装置和方法。铁电体或其它可极化材料通过温度在相变温度上下浮动以利用由此产生的自发极化的变化来进行循环。整个循环有四个步骤，其中两个步骤为等温步骤，另两个步骤为恒定极化步骤。在循环的其中一个步骤中，采用等温的小极化场，使得产生的电偶极子排列成一个方向，即电偶极子被极化了。在另一个步骤中，热量等温地输入同时减少极化，因此电极上的电荷以高电压传输到外部电路中。通过以这种方式控制铁电体循环，与其他循环方式相比，每次放电的电量增加。尽管这种装置可以采用单个这样的铁电材料，而有些情况下采用一系列具有不同相变温度的铁电体可以得到更多的热电转换，其中铁电体的相变温度在热源和热沉温度范围内变化。电热冷却可以通过反向操作实现。
前面提到的本发明的实施例只是为了对发明进行描述和说明，并不是要完全公开或限制本发明的具体形式。根据前面所述的很多修改和变化是可能存在的。
实施例的选择和描述是为了说明发明原理和实际应用，以便使得本领域技术人员能利用本发明和不同的实施例，以及根据特定情况做相应修改的设想。替代性的实施例对那些本领域技术人员而言是显而易见的，不会偏离本发明的精神和范围。因此，本发明的保护范围是由所附的权利要求决定的，而不是前面的描述和具体实施例所决定的。
Claims (51)
1.一种用于将热转换为电能的装置，其特征在于，包括：
(a)由导热和导电材料形成的第一电极；
(b)由导热和导电材料形成的第二电极，其中所述第二电极与所述第一电极间隔开；
(c)位于所述第一和第二电极之间的一层或多层的可电极化材料；
(d)一个或多个热交换器，所述热交换器用于从所述一层或多层的可电极化材料散出热能或向其增加热能；
(e)直流电压源，用于施加直流极化电压给所述一层或多层的可电极化材料；
(f)控制电路，所述控制电路：
(i)使用所述一个或多个热交换器，将所述一层或多层的可电极化材料的热能散出，从而将所述一层或者多层的可电极化材料冷却到温度TL，其中在所述冷却过程中没有电流流过所述第一电极和第二电极；
(ii)随后对所述一层或多层的可电极化材料施加直流极化电压；
(iii)当对所述一层或者多层可电极化材料施加直流电压并且允许电流流经所述第一电极和第二电极时，使用所述一个或多个热交换器将所述一层或多层的可电极化材料的热能散出，由此所述可电极化材料形成整体净极化，并在所述第一电极和第二电极上产生屏蔽电荷；
(iv)从所述一层或多层可电极化材料中撤除所述直流极化电压；
(v)随后使用所述一个或多个热交换器对所述一层或多层的可电极化材料增加热能，从而将所述一层或多层可电极化材料加热到温度TH，同时不允许电流流过所述第一电极和第二电极，其中，当热能增加到所述可电极化材料时，没有直流极化电压施加到所述一层或多层可电极化材料中；
(vi)随后通过一个负载连接所述第一电极和第二电极；以及
(vii)随后对所述一层或多层可电极化材料增加热能，同时所述第一电极和第二电极通过所述负载相连，因此与产生在所述第一电极和第二电极上的屏蔽电荷相对应的电能被输出给所述负载；
其中，当所述可电极化材料处于温度TL时，所述可电极化材料形成自发极化，而且所述可电极化材料在温度TH下形成的自发极化少于在温度TL下形成的自发极化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一层或多层可电极化材料中的每一层具有一相变温度，在所述相变温度下，所述可电极化材料在存在自发极化的相与不存在自发极化的相之间进行转变。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料在温度TL和TH时处于存在自发极化的相中。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料在温度TL时处于存在自发极化的相中，所述可电极化材料在温度TH时处于不存在自发极化的相中。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料是可电极化无定形聚合物材料。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在从所述可电极化材料中散出热能(iii)时以及在随后向所述可电极化材料增加热能(v)之前，所述控制器从所述可电极化材料中撤除直流极化电压(vi)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在从所述可电极化材料中散出热能时(iii)出现局部自由能最大值，并且其中，当经过所述局部自由能最大值后，所述直流极化电压从所述可电极化材料上撤除(ii)。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在撤除直流极化电压(vi)之后且随后向所述可电极化材料增加热能(v)之前，所述控制器在从所述可电极化材料中散出热能(iii)的同时通过所述负载将所述第一电极和第二电极连接起来。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制电路进一步包括一全波整流器，从而使得流向和流自所述第一电极和第二电极的电流在负载中具有相同的方向；
所述第一电极和第二电极通过所述负载连接时，热能从所述可电极化材料中散出(iii)；以及
所述第一电极和第二电极通过所述负载连接时，热能向所述可电极化材料增加(iii)。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一层或多层的可电极化材料中的每一层由存在居里温度Tc的铁电材料组成，当所述铁电材料的温度低于所述居里温度Tc时，所述铁电材料处于铁电相内；当所述铁电材料的温度大于所述居里温度Tc时，所述铁电材料处于顺电相或反铁电相内。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个热交换器中的每一个热交换器包括一设备，所述设备用于向所述一层或多层的可电极化材料、或向与所述一层或多层的可电极化材料直接或间接接触的材料传输流体，以便在所述流体与所述一层或多层的可电极化材料间进行热能交换。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括用于监控所述流体的温度的温度测量设备和/或用于监控所述流体的压力的压力测量设备。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在每个所述第一电极或第二电极内、在每个所述第一电极或第二电极上、或邻近每个所述第一电极或第二电极形成一个或多个流道；其中所述一个或多个热交换器向所述流道内传输流体，以便在所述流体与所述一层或多层的可电极化材料间进行热能交换。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括多个控制阀，所述控制阀用于控制所述流体的流动。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，还包括一个或多个微控制器，其中所述多个控制阀由一个或多个微控制器控制。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
温度测量设备，用于监测所述一层或多层的可电极化材料的温度；
电容量测量设备，用于监测所述一层或多层的可电极化材料的电容量；
极化测量设备，用于监测所述一层或多层的可电极化材料的极化；和/或
电流测量设备，用于监测流向到所述第一电极和第二电极和/或来自于所述第一电极和第二电极的电流。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括在所述第一电极和第二电极之间的堆栈内的多层可电极化材料。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，每层可电极化材料包括相同的可电极化材料。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述多层可电极化材料包括至少两种不同的可电极化材料，每一种具有TL和TH之间的相变温度。
20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述堆栈内的至少两个相邻层的可电极化材料层通过第三电极隔开，所述第三电极由导热和导电材料形成。
21.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，至少两个相邻层的可电极化材料层通过第三电极和第四电极隔开，所述第三电极和第四电极由导热和导电材料形成，且所述第三电极和第四电极通过一电绝缘体隔开。
22.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括具有断开位置、以及第一闭合位置和第二闭合位置的开关，所述开关连接在所述第一电极与第二电极之间；其中：
当所述开关处于断开位置时，所述第一电极和第二电极间没有电流流动；
当所述开关处于第一闭合位置时，所述直流电压源连接在所述第一电极和第二电极之间；以及
当所述开关处于第二闭合位置时，所述负载连接在所述第一电极和第二电极之间。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述控制电路还包括第一电阻和第二电阻，其中：
当所述开关处于第一闭合位置时，所述第一电阻与所述直流电压源串联；
当所述开关处于第二闭合位置时，所述第一电阻和第二电阻与所述负载串联。
24.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述控制电路还包括储电设备，其中当所述开关处于第二闭合位置时，所述储电装置连接在所述第一电极和第二电极之间。
25.一种用于将热转换为电能的方法，其特征在于，包括：
(a)将可电极化材料的热能散出，从而将所述可电极化材料冷却到温度TL，其中所述可电极化材料位于由导热和导电材料形成的第一电极和第二电极之间，且在所述热能散出时没有电流流过所述第一电极和第二电极；
(b)随后通过对所述可电极化材料施加直流极化电压从而将所述可电极化材料极化；
(c)在对所述可电极化材料施加直流电压并且允许电流流经所述第一电极和第二电极时，将所述可电极化材料的热能散出，由此所述可电极化材料形成整体净极化，并在所述第一电极和第二电极上产生屏蔽电荷；
(d)从所述可电极化材料中撤除所述直流极化电压；
(e)随后通过增加所述可电极化材料的热能，从而将所述可电极化材料加热到温度TH，同时不允许电流流过所述第一电极和第二电极，其中当热能增加到所述可电极化材料时，没有直流极化电压施加到所述可电极化材料中；
(f)随后通过一个负载连接所述第一电极和第二电极；以及
(g)随后在所述第一和第二电极通过所述负载相连时，对所述可电极化材料增加热能，因此与产生在所述一对电极上的屏蔽电荷相对应的电能被输出给所述负载；
其中，当所述可电极化材料处于温度TL时，所述可电极化材料形成自发极化，而且所述可电极化材料在温度TH下形成的自发极化少于在温度TL下形成的自发极化。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述可电极化材料具有相变温度，在所述相变温度下，所述可电极化材料在存在自发极化的相与不存在自发极化的相之间进行转变。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述可电极化材料在温度TL和TH时处于存在自发极化的相中。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述可电极化材料在温度TL时处于存在自发极化的相中，所述可电极化材料在温度TH时处于不存在自发极化的相中。
29.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在从所述可电极化材料中散出热能(c)的同时从所述可电极化材料中撤除直流极化电压(d)，由此在将所述直流极化电压撤除后(d)且随后向所述可电极化材料增加热能(v)之前，热能从所述可电极化材料中散出(c)。
30.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在从所述可电极化材料中散出热能时(c)出现局部自由能最大值，并且其中，当经过所述局部自由能最大值后，所述直流极化电压从所述可电极化材料上撤除(d)。
31.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，在撤除直流极化电压d)之后且随后向所述可电极化材料增加热能(e)之前，在从所述可电极化材料中散出热能(e)的同时通过所述负载将所述第一电极和第二电极连接起来。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述控制电路进一步包括一全波整流器，从而使得流向和流自所述第一电极和第二电极的电流在负载中具有相同的方向；
所述第一电极和第二电极通过所述负载连接时，热能从所述可电极化材料中散出(c)；以及
所述第一电极和第二电极通过所述负载连接时，热能向所述可电极化材料增加(g)。
33.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，步骤(a)、(c)、(e)和(g)中，通过对流、传导、辐射或其任意组合对铁电材料进行热量的增加或者散出。
34.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述可电极化材料由存在居里温度Tc的铁电材料组成，当所述铁电材料的温度低于所述居里温度Tc时，所述铁电材料处于铁电相内；当所述铁电材料的温度大于所述居里温度Tc时，所述铁电材料处于顺电相或反铁电相内。
35.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，增加或散出热能包括对所述可电极化材料、或向与所述可电极化材料直接或间接接触的材料传输一个或多个流体流，以便在所述一个或多个流体与所述可电极化材料间进行热能交换。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述一个或多个流体与所述可电极化材料的一个或多个表面直接或间接热接触。
37.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，在每个所述第一电极或第二电极内、在每个所述第一电极或第二电极上、或邻近每个所述第一电极或第二电极形成一个或多个流道；其中所述一个或多个流体流经所述一个或多个流道，以便在所述一个或多个流体与所述可电极化材料间进行热能交换。
38.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述极化包括对所述一对电极之间施加所述直流电压，使得所述自发电偶极子和铁电材料的晶胞和晶域对齐，由此形成整体自发净极化和在所述铁电材料表面产生束缚电荷，从而分别在所述一对电极上产生电荷相反的屏蔽电荷。
39.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，输出到所述负载的所述电能的电压高于所述直流极化电压。
40.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)-(g)多次重复。
41.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，包括监测以下的一个或多个：
所述可电极化材料的温度；
所述一个或多个流体的温度；
所述一个或多个流体的压力；
所述可电极化材料的电容；
所述可电极化材料的极化；以及
流向所述第一电极和第二电极和/或从所述第一电极和第二电极流走的电流。
42.一种用于将热转换成电能的装置，其特征在于，包括：
(a)由导热和导电材料形成的第一电极；
(b)由导热和导电材料形成的第二电极，其中所述第二电极与所述第一电极间隔开；
(c)位于所述第一和第二电极之间的一层或多层的可电极化材料；
(d)一个或多个热交换器，所述热交换器用于从所述一层或多层的铁电材料散出热能或向其增加热能；
(e)直流电压源，用于施加直流极化电压给所述一层或多层铁电材料；
(f)控制电路，所述控制电路：
(i)使用所述一个或多个热交换器，对所述一层或多层的可电极化材料增加热能，从而将所述一层或者多层的可电极化材料加热到温度TH，其中在所述加热过程中没有电流流过所述第一电极和第二电极；
(ii)随后对所述一层或多层的可电极化材料施加直流极化电压；
(iii)当对所述一层或者多层可电极化材料施加直流电压并且允许电流流经所述第一电极和第二电极时，使用所述一个或多个热交换器，对所述一层或多层的可电极化材料增加热能，由此所述可电极化材料形成整体净极化，并在所述第一电极和第二电极上产生屏蔽电荷；
(iv)从所述一层或多层可电极化材料中撤除所述直流极化电压；
(v)随后使用所述一个或多个热交换器，将所述一层或多层的可电极化材料的热能散出，从而将所述一层或多层可电极化材料冷却到温度TL，同时不允许电流流过所述第一电极和第二电极，其中，当热能从所述可电极化材料中散出时，没有直流极化电压施加到所述一层货多层可电极化材料中；
(vi)随后通过一个负载连接所述第一电极和第二电极；以及
(vii)随后从所述一层或多层可电极化材料散出热能，同时所述第一电极和第二电极通过所述负载相连，与产生在所述第一电极和第二电极上的屏蔽电荷相对应的电能被输出给所述负载；
其中，当所述可电极化材料处于温度TH时，所述可电极化材料形成自发极化，而且所述可电极化材料在温度TL下形成的自发极化少于在温度TH下形成的自发极化。
43.根据权利要求42所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料具有相变温度，在所述相变温度下，所述可电极化材料在存在自发极化的相与不存在自发极化的相之间进行转变。
44.根据权利要求43所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料在温度TL和TH时处于存在自发极化的相中。
45.根据权利要求43所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料在温度TH时处于存在自发极化的相中，所述可电极化材料在温度TL时处于不存在自发极化的相中。
46.根据权利要求43所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料由存在居里温度Tc的铁电材料组成，当所述铁电材料的温度高于所述居里温度Tc时，所述铁电材料处于铁电相内；当所述铁电材料的温度低于所述居里温度Tc时，所述铁电材料处于顺电相或反铁电相内。
47.一种用于将热转换为电能的方法，其特征在于，包括：
(a)对可电极化材料增加热能，从而将所述可电极化材料加热到温度TH，其中所述可电极化材料位于由导热和导电材料形成的第一电极和第二电极之间，且在所述冷却过程中时没有电流流过所述第一电极和第二电极；；
(b)随后通过对所述可电极化材料施加直流极化电压从而将所述可电极化材料极化；
(c)在对所述可电极化材料施加直流电压并且允许电流流经所述第一电极和第二电极时，对所述可电极化材料增加热能，由此所述可电极化材料形成整体净极化，并在所述第一电极和第二电极上产生屏蔽电荷；
(d)从所述可电极化材料中撤除所述直流极化电压；
(e)随后通过将所述可电极化材料的热能散出，从而将所述可电极化材料冷却到温度TL，同时不允许电流流过所述第一电极和第二电极，其中当热能从所述可电极化材料中散出时，没有直流极化电压施加到所述可电极化材料中；
(f)随后通过一个负载连接所述第一电极和第二电极；以及
(g)随后在所述第一和第二电极通过所述负载相连时，将所述可电极化材料的热能散出，因此与产生在所述一对电极上的屏蔽电荷相对应的电能被输出给所述负载；
其中，当所述可电极化材料处于温度TH时，所述可电极化材料形成自发极化，而且所述可电极化材料在温度TL下形成的自发极化少于在温度TH下形成的自发极化。
48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，所述可电极化材料具有相变温度，在所述相变温度下，所述可电极化材料在存在自发极化的相与不存在自发极化的相之间进行转变。
49.根据权利要求48所述的方法，其特征在于，所述可电极化材料在温度TL和TH时处于存在自发极化的相中。
50.根据权利要求48所述的方法，其特征在于，所述可电极化材料在温度TH时处于存在自发极化的相中，所述可电极化材料在温度TL时处于不存在自发极化的相中。
51.根据权利要求48所述的方法，其特征在于，所述可电极化材料由存在居里温度Tc的铁电材料组成，当所述铁电材料的温度高于所述居里温度Tc时，所述铁电材料处于铁电相内；当所述铁电材料的温度低于所述居里温度Tc时，所述铁电材料处于顺电相或反铁电相内。
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