CN105164410A - 热电发电机 - Google Patents
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Abstract
一种热电发电机，所述热电发电机包括形状记忆材料，所述形状记忆材料配置成由于温度的改变而改变形状，所述形状记忆材料被进一步配置成周期性地接收来自热源的热量。所述热电发电机进一步包括压电材料，所述压电材料联接至所述形状记忆材料，所述压电材料被配置成响应于所述形状记忆材料的形状改变而产生电力。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年3月15日递交的申请号为61/792,464的美国临时申请的权益，该申请所有内容通过引用并入，就如同在本文中完整地陈述。
技术领域
本申请通常涉及热电发电机装置以及用于产生热电的方法。更具体地，本申请通常涉及利用压电材料和形状记忆材料的热电发电机装置以及用于产生热电的方法。
背景技术
传统上，已知的是，具有拥有塑性基体的压电材料(例如，氧化锌绞线)的装置在弯曲或发生应变时产生电力。例如，Yang等人的于2008年11月9日在线公布的文献《PowerGenerationwithLaterallyPackagedPiezoelectricfineWires》(《通过横向封装的压电细线发电》)中讨论了这种材料。
独立地，通常传统的形状记忆聚合物在其温度循环变化时改变形状并恢复到之前的形状。举例而言，这种材料已经被用于生物和商业应用。
独立地，存在很多废热源，这些废热源包括发电厂、交通工具、机器、制冷装置、电气装置、人体、太阳能、生物反应或类似物。除了它们的具体应用之外，这些热源通常基本不使用剩余的废热提供额外的产能。此外，这些热源可能对环境有害。
因此，需要更有成效地使用多种热源产生的废热。
发明内容
根据一方面，一种热电发电机包括：形状记忆材料，所述形状记忆材料配置成由于温度的改变而改变形状，所述形状记忆材料被进一步配置成周期性地接收来自热源的热量；以及压电材料，所述压电材料联接至所述形状记忆材料，所述压电材料被配置成响应于所述形状记忆材料的形状改变而产生电力。
根据一方面，一种产生热电的方法包括：提供包括联接至压电材料的形状记忆材料的热电发电机；将来自热源的热量转移到所述热电发电机；产生热电；以及将热量从所述热源到所述热电发电机的转移中断。
根据又一方面，一种热电发电机系统包括：形状记忆材料，所述形状记忆材料配置成由于温度的改变而改变形状，所述形状记忆材料被进一步配置成周期性地接收来自热源的热量；压电材料，所述压电材料联接至所述形状记忆材料，所述压电材料被配置成响应于所述形状记忆材料的形状改变而产生电力；以及用于捕获和利用所述压电材料产生的电力的装置。
因此，本文已经概括地(而不是宽泛地)描述了本发明的特定方面，以便本文中的详细说明在此可被更好地理解并且以便本发明对现有技术的贡献可以更好地被理解。当然，本申请的另外的方面将在下文描述并且将形成本文所附的从属权利要求的主题。
在这方面，在详细地说明至少一个方面之前，应明白，本申请在应用中并不限于以下说明中陈述的或附图中示出的构造的细节和部件的布置。本申请能够是除了所描述的那些方面以外的方面，并且能够以多种方式被实践和执行。并且，应当理解的是，本文中所使用的用语和术语以及摘要是为了进行描述并且不应当认为是限制性的。
照此，本领域技术人员应理解，本申请内容所基于的设想可容易地被用作用于设计执行本发明的数个目的的其它结构、装置、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求被认为包括这种等价构造，只要其不超出本申请的精神和范围。
附图说明
图1示出根据本申请的一个方面的热电发电机的示意图；
图2示出根据本申请的另一方面的热电发电机的具体应用；
图3示出使用根据本申请的另一方面的热电发电机的过程。
具体实施方式
将参照附图来说明本申请，附图中相同的附图标记始终代表相同的部件。本申请的各个方面提供了一种热电发电机。热电发电机包括形状记忆材料和压电材料。压电材料被联接至配置成由于温度改变而改变形状的形状记忆材料，使得压电材料由于形状记忆材料的形状改变导致的相互作用而发电。
本申请的形状记忆材料可包括塑料、合金、塑料与合金的组合以及类似物。在一个方面中，形状记忆材料可具有双向形状记忆效应。双向形状记忆效应可允许材料记住两种不同形状：一种低温时的形状和一种高温时的形状。对此，所设想的是，本申请的形状记忆材料可包括任何能够具有至少两种不同形状的材料：一种低温时的形状和一种高温时的形状。
单纯示例性并且非限制性地，这种形状记忆材料可包括铜基材料、镍钛基材料等。例如，可基于下述特性来选择和利用所述形状记忆材料：主要元素、激励模式、工作温度或所需的特性。这种形状记忆材料的另一示例包括但不限制于：多种比例的银-镉、金-镉、铜-铝、铜-锡、铜-锌、铁-铂、锰-铜、铁-锰-硅、铂基合金、钴-镍-铝、钴-镍-镓、镍-铁-镓、各种浓度的钛-钯、镍-钛-铌、镍-锰-镓、它们的组合及类似物。
此外，形状记忆材料可包括铜-铝-镍的形状记忆合金以及镍-钛(NiTi)合金。形状记忆材料还可用过使锌、铜、金和铁合金化来创造。铁基和铜基形状记忆材料可包括：铁-锰-硅、铜-锌-铝和铜-铝-镍。形状记忆材料能够以两种不同的相存在，并可能具有三种不同晶体结构(即，孪晶马氏体、退孪晶马氏体和奥氏体)和六种可能的转变。例如，NiTi合金可通过冷却从奥氏体转变成马氏体。因此，在加热期间，形状记忆材料可从马氏体转变成奥氏体。
压电材料包括能够由于施加机械力而在内部产生电荷的任何材料。例如，压电材料可包括氧化锌绞线(例如布置为纳米线)，但是也可以使用诸如石英、钛酸钡、铌酸铅、锆钛酸铅的其它材料以及它们的组合或类似物。例如，下述材料可被用作压电材料：钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、通常也被称为PZT的锆钛酸铅(Pb[ZrxTi1-x]O30≤x≤1)、铌酸钾(KNbO3)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、钨酸钠(Na2WO3)、氧化锌(ZnO)、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15和类似物。
图1示出根据本申请的一个方面的热电发电机的示意图；具体地，如图1所示，形状记忆材料102可被布置成与压电材料104接合。形状记忆材料102的这种布置可以使得：当形状记忆材料102在周围温度改变时改变形状的时候，通过形状记忆材料102使得相关联的压电材料104可被物理地移动、被挤压、机械地受力、被操纵、发生应变或经受类似作用。
形状记忆材料102和压电材料104可具有任何布置，只要这种布置通过形状记忆材料102使得形状记忆材料102可以被物理地移动、被挤压、机械地受力、被操纵、发生应变或类似作用。例如，形状记忆材料102和压电材料104可一起被保持基体中、可被交织在一起、可平行地布置、可线性地布置、可通过机械连接布置、可粘接在一起、可通过紧固件保持在一起，或类似布置。
如图1进一步示出的，热源106可被布置成向形状记忆材料102提供热量来源。应注意，相反地，热源106也可以是冷源。来自热源106的热量可被引导至形状记忆材料102，并借此使得形状记忆材料102发生变形或形状改变108。一旦形状记忆材料102改变形状，随后可停止或减弱施加来自热源106的热量，以便使形状记忆材料102恢复到其初始形状。
对压电材料104的移动或操纵将导致电力、电力输出或电流的产生，所述电力、电力输出或电流可被用电装置110捕获。用电装置110随后可根据需要使用电力。
热源106可以是任何热量来源或冷却来源。举例而言，热源106可以是发电厂、交通工具、机器、制冷装置、电气装置、人体、太阳能、生物反应或类似物产生的热量。举例而言，热源可以是包括冷却塔的发电厂产生的热量，所述冷却塔运行以便从发电厂排放热量。例如，核动力发电厂、燃煤发电厂或类似发电厂。所述热量可以是废热。
替代性地，热量可以由交通工具中的内燃机产生，并且热源106可与内燃机或来自内燃机的废气相关联。在另一替代性实施例中，热源可以来自制冷单元，制冷单元排放热量并且产生冷却空气。在另一替代性实施例中，热源可以来自电气部件，所述电气部件例如为变压器、计算机或在工作时产生热量的类似电气部件。在又一替代性实施例中，热源可以是太阳能，其基于阳光产生热量。在附加的替代性方面中，热源可以来自人体。对此，热电发电装置可由于靠近或与使用者身体接触而被使用者磨损。在又一替代性实施例中，热电发电装置被采用成与生物反应相联系。例如，热电发电装置可利用生物物质的分解过程。
在对流、传导、辐射和/或类似方法的基础上，来自热源106的热量可被从热源中引出。例如，来自热源106的热量可被转移到空气、一些其它气体、液体或类似物中，所述类似物从热源106取出热量并通过使用导管、通道、管道或类似元件将该热量转移到形状记忆材料102。替代性地或附加地，可通过使用中间材料经过传导将来自热源106的热量转移到形状记忆材料102。应注意的是，本申请可设想任何类型的热量转移。
热源106可被配置成向形状记忆材料102周期性地提供热量来源或冷却来源。对此，热源106可包括控制器，以便控制热量从热源106到形状记忆材料102的转移。控制器可包括如本文中所限定的专用硬件和/或计算装置。所述控制器可包括软件。例如，控制器可包括处理器、随机存取存储器、只读存储器、输入装置、输出装置和类似物。输入装置可包括温度传感装置，以便感测形状记忆材料102和热源106的温度。例如，温度传感装置可为热电偶，热敏电阻或类似物。输入装置可进一步包括测量装置，以便测量压电材料104的移动。例如，测量装置可包括应变计、测压元件、电位计以及类似物。输出装置可包括显示器、指示装置、螺线管和驱动器。具体地，输出装置可被配置成控制热源106提供的热量。例如，输出装置可操作螺线管来打开一系列导管，以便将加热的空气引导至形状记忆材料102。在诸如电位计之类的输入装置感测到形状记忆材料102改变形状之后，输出装置/螺线管关闭一系列导管以便停止将热量施加至形状记忆材料102。随后，所述过程可被重复。
用电装置110被配置成对压电材料104产生的电力进行储存和/或利用。具体地，用电装置110可包括电线、终端以及连接至压电材料104以便捕获压电材料104产生的电力的类似装置。用电装置110可包括电池、换流器(inverter)、变压器或类似装置。用电装置110可用于驱动负载。
因此，图1所示的系统利用热源106产生的废热来发电，所产生的电力能够以富有成效的方式被利用。此外，富有成效的发电对环境具有积极的影响并且可减少系统的总体碳排放量。
图2示出根据本申请的一个方面的热电发电机的具体应用。具体地，如图2所示，形状记忆材料202可被布置成连通压电材料204与热源206一起实施，所述热源为冷却塔。冷却塔可与发电厂或任何制冷系统相关联。在这种情况下，形状记忆材料202可形成具有压电材料204的基体。替代性地，形状记忆材料202可与压电材料204交织在一起。也可以设想其他构造。
形状记忆材料202的布置可以使得形状记忆材料202在周围温度以响应于来自冷却塔的热量212的方式变化时改变形状。随后，相关联的压电材料204可通过形状记忆材料202而被物理地移动或操纵。例如，形状记忆材料202的温度的改变可引起膨胀208。
例如，来自热源206的热量可引起形状记忆材料202的变形、膨胀或形状改变208。如图2进一步示出的，热源206可以是到形状记忆材料202的热量212来源。热源212可以是热源206产生的热量/热辐射。停止施加来自热源206的热量212将使形状记忆材料202恢复到其初始形状。
对此，热源206可包括控制器，以便控制热量从热源206到形状记忆材料202的转移。控制器可包括如本文中所限定的专用硬件和/或计算装置。所述控制器可包括软件。例如，控制器可包括处理器、随机存取存储器、只读存储器、输入装置、输出装置和类似物。输入装置可包括温度传感装置，以便感测形状记忆材料202和热源206的温度。例如，温度传感装置可为热电偶，热敏电阻或类似物。输入装置可进一步包括测量装置，以便测量压电材料204的移动。例如，测量装置可包括应变计、测压元件以及类似物。
对压电材料204的移动或操纵将导致电力、电力输出或电流的产生，所述电力、电力输出或电流可被输出装置210捕获。例如，输出装置210于是可按需利用所述电力并且将所述电力施加到负载。
因此，图2所示的系统利用发电厂(热源206)产生的废热来发电，所产生的电力能够以富有成效的方式被利用。此外，富有成效的发电对环境具有积极的影响并且可减少发电厂的总体碳排放量。
图3示出使用根据本申请的另一方面的热电发电机的过程。根据这一方面，提供了一种用于产生热电的方法。所述方法包括：布置包括联接至压电材料的形状记忆材料的热电发电机的步骤302。将热电发电机布置的靠近或接近热源。布置包括联接至压电材料的形状记忆材料的热电发电机靠近或接近热源的步骤可包括或不包括：如本文所述的那样布置形状记忆材料102，202、压电材料104，204和热源106，206。
所述方法可进一步包括将热量从热源转移到热电发电机的步骤304。正如本文所述的，热量可通过对流、传导、辐射和/或其它方法提供。所述转移可包括通过空气、一些其它气体、液体或类似物来进行转移，所述类似物从热源取出热量并且该热量通过使用导管、通道、管道或类似元件转移到形状记忆材料。替代性地，可通过使用中间材料通过传导将来自热源的热量转移到形状记忆材料。
所述方法包括基于热源提供的温度变化产生热电的步骤306，热源提供的温度变化导致形状记忆材料改变形状，并导致压电材料基于使该压电材料发生应变的形状记忆材料的形状改变来输出电力。
所述方法可进一步包括中止热量从热源到热电发电机的转移的步骤308。中止转移还可涉及为热电发电机提供冷源。这导致形状记忆材料恢复到其初始形状。随后，可重复这一过程以产生另外的电力。产生电力的方法可包括如本文所限定的专用的硬件、软件和/或计算装置，以便对所述方法进行监测和控制。
在一个方面中，传统压电材料中使用的塑料基体可以取代形状记忆材料来形成本申请的热电发电机。热电发电机还可被可互换地称为热偶发电机(thermogenerator)。温度的改变致使压电发电机发生应变并产生电力。这用于通过热源产生电力，所述热源例如为发电厂的冷却塔的低等级废热。根据所涉及的温度，可使用不同的形状记忆材料聚合物或形状记忆材料合金来在加热或冷却期间获得不同程度的应变，并借此基于热偶发电机通过压电效应取得所需的电力输出。
仅示例性地，如果Δt为形状记忆材料所接收的温度的改变量，下述变量之间的数学关系可以包括：
Δi＝kf(Δx)，因此Δx＝pg(Δt)，
其中，Δi＝来自热电发电机的输出电流“i”的改变量；
Δx＝由于形状记忆材料的弯曲导致的应变引起的压电材料沿方向“x”的形状改变量；
k，p为比例系数；以及
f(.)和g(.)为函数算子。
换言之，ΔxαΔt；并且ΔiαΔx，并且因此ΔiαΔt，其中α表示比例关系。
所述方法可包括使用本方法中的步骤来制造或创造热电发电机。所述方法的步骤可包括将压电材料(例如，氧化锌绞线)和形状记忆材料(例如，塑料或合金)缠绕或接合。替代性地，所述步骤可包括：将压电材料与形状记忆材料联接，或将压电材料连接至形状记忆材料。例如，所述联接可包括压电材料和形状记忆材料的直接接触。
热源可以是从发电厂的冷却塔产生的废热或本文中所述的其它热源。替代性地，热源可以是人体，热电发电机被附接至人体以便基于人体温度改变来产生热电。例如，所述热电可用于为可穿戴电子装置充电，所述可穿戴电子装置例如为音乐播放器、计步器、起搏器、智能电话、通讯装置、战斗相关的军事器件以及类似物。
本申请能够以与任何类型的计算装置相联系方式实施，所述计算装置包括台式计算机、个人计算机、笔记本计算机/移动计算机、个人数据助理(PDA)、移动电话、平板电脑、云计算装置以及类似物。
进一步根据本发明的多种不同方面，本文中所述的方法可以通过专用的硬件工具运行，所述专用的硬件工具包括但不限于个人电脑(PC)、个人数据助理(PDA)、半导体、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，ASIC)、可编程逻辑阵列、云计算装置以及构造成实施本文所述的方法的其它硬件装置。
还应注意的是，本申请在文中描述的软件工具被可选地存储在实体存储介质上，所述实体存储介质例如为：诸如磁盘或磁带之类的磁介质；诸如光盘之类的磁光介质或光介质；或固态介质，例如记忆卡或容纳有一个或多个只读(非易失)存储器、随机存取存储器或其它可擦写(易失)存储器的封装件。电子邮件或其它自包含信息档案或档案组的数字文件附件被认为是与实体存储介质等价的发布介质。因此，认为本申请包括文中列出的实体存储介质或发布介质，并且还包括领域内认可的等价物和未来出现的介质，软件工具被储存在这些介质中。
本文中讨论的方面的许多特征和优点通过详细的说明而变得更加清楚，并且因此，所附权利要求旨在覆盖落入这些方面的实质精神和范围内的所有这种特征和优点。此外，因为本领域技术人员容易想到许多修改和变型，所以不希望限制在所示的和所描述的精确构造和操作，并且因此，所有适当的修改和等价物都可被认为落入本申请各方面的范围内。
Claims (20)
1.一种热电发电机，包括：
形状记忆材料，所述形状记忆材料配置成由于温度的改变而改变形状，所述形状记忆材料被进一步配置成周期性地接收来自热源的热量；以及
压电材料，所述压电材料联接至所述形状记忆材料，所述压电材料被配置成响应于所述形状记忆材料的形状改变而产生电力。
2.根据权利要求1所述的热电发电机，其中，所述形状记忆材料包括塑料和合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的热电发电机，其中，所述压电材料包括氧化锌绞线。
4.根据权利要求1所述的热电发电机，其中，所述压电材料包括布置为纳米线的氧化锌绞线。
5.根据权利要求1所述的热电发电机，其中，所述形状记忆材料和压电材料通过机械连接、粘合构造和紧固件被共同配置在基体、交织构造、平行构造、线性构造中的至少一种中。
6.根据权利要求1所述的热电发电机，进一步包括所述热源，所述热源包括发电厂、交通工具、机器、制冷装置、电气装置、太阳能以及生物反应中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的热电发电机，进一步包括所述热源，并且所述热源被配置成向所述形状记忆材料周期性地提供热量。
8.根据权利要求1所述的热电发电机，进一步包括：
所述热源，所述热源被进一步配置成对所述热源、所述形状记忆材料和所述压电材料中的至少一个的工作加以控制。
9.一种产生热电的方法，包括：
提供包括联接至压电材料的形状记忆材料的热电发电机；
将来自热源的热量转移到所述热电发电机；
产生热电；以及
将热量从所述热源到所述热电发电机的转移中断。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述形状记忆材料包括塑料和合金中的至少一种。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述压电材料包括氧化锌绞线。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述压电材料包括布置为纳米线的氧化锌绞线。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述热源包括发电厂、交通工具、机器、制冷装置、电气装置、太阳能以及生物反应中的至少一种。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
对所述热源、所述形状记忆材料和所述压电材料中的至少一个的工作进行控制。
15.一种热电发电机系统，包括：
形状记忆材料，所述形状记忆材料配置成由于温度的改变而改变形状，所述形状记忆材料被进一步配置成周期性地接收来自热源的热量；
压电材料，所述压电材料联接至所述形状记忆材料，所述压电材料被配置成响应于所述形状记忆材料的形状改变而产生电力；以及
用于捕获和利用所述压电材料产生的电力的装置，
其中，所述形状记忆材料和压电材料通过机械连接、粘合构造和紧固件被共同配置在基体、交织构造、平行构造、线性构造中的至少一种中。
16.根据权利要求15所述的热电发电机系统，其中，所述压电材料包括氧化锌绞线。
17.根据权利要求15所述的热电发电机系统，其中，所述压电材料包括布置为纳米线的氧化锌绞线。
18.根据权利要求15所述的热电发电机系统，进一步包括所述热源，所述热源包括：发电厂、交通工具、机器、制冷装置、电气装置、人体、太阳能以及生物反应中的至少一种。
19.根据权利要求15所述的热电发电机系统，进一步包括所述热源，并且所述热源被配置成向所述形状记忆材料周期性地提供热量。
20.根据权利要求15所述的热电发电机系统，进一步包括：
所述热源，所述热源被进一步配置成对所述热源、所述形状记忆材料和所述压电材料中的至少一个的工作加以控制。
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