CN111835230A - 借助相变材料的能量转换系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种能量转换系统和方法，用于在没有任何外部电源的情况下，通过铁电材料的相变直接从热能产生电能。能量转换系统包括电路，该电路包括相变电容器和电荷储存器。相变电容器具有包含相变铁电材料的介电层。当相变电容器初始化并且受到跨过相变铁电材料的相变温度的热循环时，介电层的极化强度在铁电相和顺电相之间产生突变，从而使得电流在相变电容器和电荷储存器之间通过负载流动，进而将热能转换为电能。本能量转换方法在能量转换过程中不需要任何外部偏置电场。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月17日提交的美国临时专利申请第62/920,172号的全部权益，该申请通过引用整体并入此文。
技术领域
本公开涉及一种借助相变材料的能量转换系统和方法。
背景技术
从废热中回收和收集能源是能源科学和技术中最紧迫的挑战之一。燃料燃烧、计算机和机器运行、运输甚至发电过程本身都不可避免的会产生废热。近年来，每年废热排放已经达到了全球年度总能量输入的30％左右。当人们致力于减少废热排放时，利用它并将其转换为有用的能源在减少废热和提高可再生能源发电方面起着重要作用。具有最先进技术设计的热电器件是最适合此目的的技术，但其性能在低温下受到很大阻碍，尤其是在温度低于200℃时。
近年来，能够进行一阶相变并伴有铁电性质突变的材料引起了通过低阶废热进行能量转换领域的广泛关注。这种材料的一个例子是BaTiO3(钛酸钡)，在加热时通过四方晶系到立方晶系的晶体结构转换，实现了相变前后极化强度的突变。许多使用此类材料发电的传统能源转换设计都基于奥森循环(Olsen cycle)。但是，所有这些设计都使用外部直流电压或电源在等热过程中为相变中的材料提供偏置电场。然而，合理的发电装置不应依赖于另一个电压源。
因此，通过相变铁电材料进行能量转换在许多能量转换系统中得到了广泛的研究。与温度相关的极化或电容通常被理解为传统设计中的热释电效应。这些系统使用的材料是铁电材料。材料可以制成介电层，使其成为与温度相关的电容器。这些热释电能量转换设计包括外部电压源，用于在埃里克森循环(Ericsson cycle)中在等压过程中提供偏置场。电阻器上收集的电能经常与从热能转换的静电能相混淆。然而，这两者并非一定相等。因此，在评估铁电材料产生的、在电阻器上收集的电能时应小心谨慎。当连接外部电压源时，我们无法区分从相变和外部电源偏置场产生的静电能。
因此，需要通过相变铁电材料建立新的能量转换系统，从而消除或至少减少上述缺点和问题。
发明内容
本文提供了一种用于将热能转换为电能的系统，该系统具有初始化模式和能量转换模式，并且包括电路，该电路包括：具有一个或多个介电层的相变电容器，每个介电层包含相变铁电材料，使得每个相变电容器具有与温度相关的电容，当相变电容器的温度从低于相变铁电材料的相变温度的第一温度转变至高于相变温度的第二温度时，与温度相关的电容从第一电容值切换至第二电容值，反之亦然；电荷储存器，用于释放和接收电荷；开关网络，该开关网络配置为：当系统处于初始化模式时，该开关网络将外部电源连接至电路，以初始化相变电容器和电荷储存器，以存储电荷；以及在相变电容器和电荷存储器被初始化并且外部电源与电路断开之后，当系统处于能量转换模式时，该开关网络在相变电容器和电荷存储器之间连接负载，使得当相变电容器经受一个或多个热循环并且相变电容器的温度在第一温度和第二温度之间振荡时，电流在相变电容器和电荷储存器之间通过负载来回地流动，从而将来自一个或多个热循环的热能转换为电能以驱动负载。
在某些实施例中，系统还包括外部电源，当系统处于初始化模式时，该外部电源用于初始化相变电容器和电荷储存器。
在某些实施例中，系统还包括当系统处于能量转换模式时连接到电路的负载。
在某些实施例中，该系统还包括用于协助产生一个或多个热循环的温度变化装置。
在某些实施例中，相变铁电材料具有铁电相和顺电相，铁电相提供第一电容值，顺电相提供第二电容值。
在某些实施例中，第一电容值高于第二电容值，第一电容值在1nF与1F之间，第二电容值在0.1pF和1mF之间。
在某些实施例中，相变温度在0℃和250℃之间。
在某些实施方案中，相变铁电材料是钛酸钡、锆钛酸铅、或聚偏二氟乙烯。
在某些实施例中，相变铁电材料是化学式为CavBawCexZryTizO3的掺杂的钛酸钡，其中，v在0和0.5之间，w在0.5和1之间，x在0和0.25之间，y在之间0和0.25，z在0.5和1之间。
在某些实施例中，相变电容器是通过并联连接多个子相变电容器而形成的，一个或多个介电层分布在子相变电容器中。
在某些实施例中，相变电容器是通过串联连接多个子相变电容器而形成的，一个或多个介电层分布在子相变电容器中。
在某些实施例中，电荷储存器是参考电容器或莱顿瓶。
在某些实施例中，参考电容器具有在1nF和1F之间的参考电容值。
在某些实施例中，交换网络还包括一个或多个开关，其被配置为：当系统处于初始化模式时，将外部电源连接到电路；以及当系统处于能量转换模式时，将负载连接到电路。
在某些实施例中，电路还包括整流器，该整流器通过开关网络连接到相变电容器和电荷储存器，以用于将电流从交流电信号整流为直流电信号。
本文提供了一种用于将热能转换为电能的方法，该方法包括：提供上述系统，该系统处于能量转换模式，使得相变电容器和电荷储存器被初始化并且负载被连接至电路；以及使相变电容器经历一个或多个热循环，从而使得当相变电容器的温度在第一温度和第二温度之间振荡时，电流在相变电容器和电荷储存器之间通过负载来回地流动，从而将来自一个或多个热循环的热能转换为电能来驱动负载。
在某些实施例中，通过以下步骤来初始化相变电容器和电荷储存器：当系统处于初始化模式时，将外部电源连接到电路；初始化相变电容器和电荷存储器以存储电荷；以及将外部电源与电路断开，从而使系统处于能量转换模式。
在某些实施例中，一个或多个热循环中的每一个具有在0.001Hz至1000Hz之间的频率。
本文提供了一种用于将热能转换为电能的系统，该系统包括电路，该电路包括：具有一个或多个介电层的相变电容器，每个介电层包括相变铁电材料，使得每个相变电容器具有与温度有关的电容，当相变电容器的温度从低于相变铁电材料的相变温度的第一温度值切换到高于相变温度的第二温度值时，与温度相关的电容值从第一电容值变化到第二电容值，反之亦然；电荷储存器，用于释放和接收电荷；以及网络，所述网络配置成将负载连接在相变电容器和电荷储存器之间，使得在相变电容器和电荷储存器被初始化以存储电荷之后，并且当相变电容器经受一个或多个热循环且相变电容器的温度在第一温度和第二温度之间振荡时，电流在相变电容器和电荷储存器之间通过负载来回地流动，从而将来自一个或多个热循环的热能转换为电能来驱动负载。
在某些实施例中，相变电容器和电荷储存器通过感应充电或无线充电来初始化。
本发明内容是意图以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容部分不是意图区分与主题相关的关键特征或重要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。如下文的实施例所示，其公开了本发明的其他方面。
附图说明
附图中相似的附图标记指的是相同的或者具有相似功能的元器件，附图中包含某些实例的图形，用来进一步说明和阐述本发明的上述方面及其他方面的优点和特征。值得注意的是，这些附图描绘了本发明的一些实例而无意限制其范围。本发明通过使用所附的附图进行描述和详细说明：
图1是一幅示意图，描绘了根据某些实施例将热能转换为电能的系统；
图2是一幅流程图，描绘了根据某些实施例将热能转换为电能的方法；
图3根据某些实例显示了相变铁电材料在低温TL和高温TH下的极化强度随电场强度变化的曲线，其中，TL和TH满足以下关系：TH>Tc>TL，Tc代表了相变铁电材料的相变温度；
图4显示了不同电场下，相变铁电材料经历相变时的极化强度-温度曲线；
图5根据某些实施例描绘了在初始化模式下的能量转换系统；
图6描述能量转换模式下的能量转换系统；
图7描绘了相变铁电材料在TL和TH之间周期性振荡的温度曲线，其中温度上下限应按照包含每一循环的全部相变来选择；
图8描绘了相变铁电材料中极化行为的周期性变化，其中与时间有关的温度已经在图7中预先限定；
图9描绘了能量转换系统将热能转换为电能时的能量转换信号；
图10描述了相变铁电材料中极化强度-电场强度关系的平面上的热力学循环；
图11描述了相变铁电材料中极化强度-温度关系的平面上的热力学循环；
图12描述了据某些实施例的包括整流器的无外部电源能量转换系统；
图13描绘了根据某些实施例的无外部电源能量转换系统中的能量转换信号，该系统包含整流器；
图14描述了根据某些实施例，合成钙、铈和锆掺杂钛酸钡的合成方法；
图15描述了根据某些实施例，在不同温度下钙、铈和锆掺杂钛酸钡的相变铁电材料的极化强度随电场强度变化的曲线；
图16描绘了通过钙、铈和锆掺杂钛酸钡的相变铁电材料从热能转换出的电能；
图17描绘了根据某些实施例的无外部电源能量转换系统中的并联相变电容器组；以及
图18描绘了根据某些实施例的无外部电源能量转换系统中的串联相变电容器组。
本领域技术人员将能理解的是，附图中的元件是为了简单和清楚而示出的，且不一定按比例描绘。
具体实施方式
对本领域技术人员来说，显然，可以在不违背本发明的范围和精神的情况下进行修改。为防止发明的模糊不清，一些具体细节将被省略；然而，本发明是为了让本领域技术人员能够在适量的实验下实践这里的教导。
本发明提供了一种借助相变铁电材料的能量转换系统和方法。这种能量转换方法在能量转换模式下无需任何外部电源，此方法中将相变铁电材料作为一个泵，其在相变过程中将电流压缩进入相连的电路中。本方法是通过在本系统中移动电荷从而将热能转换为电能的直接技术。
本发明的能量转换系统在不与任何外部电源相连的情况下，通过一阶相变把热能转换为电能。本系统包括相变电容器及电荷储存器，并且本系统在周期性变化的温度场下运行，也可以通过附加的变温装置在具备温度梯度的环境下运行。在铁电材料的热驱动相变过程中，相变电容器中的与温度有关的电容值将由于介电层中极化状态的改变而改变，因此，相变电容器携带的电荷将流入电路中。与传统方法不同的是，本能量转换系统不需要任何外部电源，从而保证了在负载上获得的能量全部来自于铁电材料的相变而不是外部电源的操作。
本发明的系统包含相变铁电材料制作的一个或多个相变电容器。相变铁电材料可以是钛酸钡，锆钛酸铅，聚偏二氟乙烯等。这些材料在加热与冷却时产生相变，从而使得这些相变电容器的电容随温度产生变化。在加热和冷却条件下，变化的电容在系统中产生电荷移动。电荷移动包括从一个或多个电荷储存器中流出或流入。电荷储存器的一个例子是参考电容器，参考电容器可以是定电容的普通电容器，例如1μF，1mF等。电荷储存器的形式可以是不同的。在某些温度下，电荷储存器与相变电容连接在一起，并且被外部电源初始化。相变电容中的铁电材料会在外部电源提供的电场下极化，从而确定了能量转换的起始点。这个过程叫做初始化。初始化所需的电场强度和温度可以由铁电材料的极化行为来确定。在初始始化后，外部电源被移除。通过移除电源，使得系统中保持有固定数量的电荷。系统中电荷的总量可以借助相变电容器和参考电容器在初始温度和电压或电场条件下的总电容计算得到。因此，本方法是在无外部电源下将热能转换成为电能。通过串联或并联多个电容，从而产生大量的电能。
图1是根据某些实施例将热能转换为电能的系统示意图。该系统具有初始化模式和能量转换模式，并且包括电路110。电路110包括相变电容器111、电荷储存器112和开关网络113。电荷储存器112释放并接收电荷。相变电容器111具有包括相变铁电材料的介电层，使得当相变电容的温度从低于相变铁电材料的相变温度的第一温度切换到高于相变温度的第二温度时，具有与温度相关的电容的相变电容器111从较高的电容值切换到较低的电容值，反之亦然。开关网络113由电连接器(例如电线)和三个电开关114a，114b，115组成。在初始化模式下，电开关114a，114b闭合，使得相变电容器111和电荷储存器112被并联连接在一起并且电路110被连接到外部电源120以初始化相变电容器111和电荷储存器112以便存储电荷。初始化是使相变电容器111在给定电场下极化。较高的电场导致相变电容器111中的材料的极化更高并且电容更高。由外部电源120提供的电压或电场的上限是使相变电容器饱和。然后，断开电开关114a，114b，使得外部电源120与电路110断开。在能量转换模式中，闭合电开关115，使得负载130连接在相变电容器111和电荷储存器112之间。当相变电容器111经历热循环并且相变电容器111的温度在第一温度和第二温度之间振荡时，在加热条件下电荷从相变电容器111流出，而在冷却条件下电荷流入相变电容器111，从而使得电流通过负载130在相变电容器111和电荷储存器112之间来回流动，从而将热循环中的热能转换为电能以驱动负载130。
在某些实施例中，系统还包括在系统处于初始化模式时用于初始化相变电容器和电荷储存器的外部电源。
在某些实施例中，系统还包括当系统处于能量转换模式中时连接在相变电容器和电荷储存器之间的荷载。
在某些实施例中，该系统还包括温度变化装置，用于帮助生成适用于相变电容器的热循环。
在某些实施例中，相变铁电材料具有铁电相和顺电相，铁电相中的相变铁电材料为相变电容器提供了较高的电容值，而顺电相中的相变铁电材料为相变电容器的提供了较低的电容值。
在某些实施例中，较高的电容值介于1nF和1F之间，而较低电容值介于0.1pF和1mF之间。
在某些实施例中，相变温度介于0℃和250℃之间。
在某些实施例中，相变铁电材料是钛酸钡、锆钛酸铅、或聚偏二氟乙烯。
在某些实施例中，相变铁电材料是钙、铈、和/或锆掺杂的钛酸钡材料。
在某些实施例中，相变铁电材料是掺杂的钛酸钡材料，其化学式为CavBawCexZryTizO3.，其中v介于0和0.5之间，w介于0.5和1之间，x介于0至0.25之间，y介于0至0.25之间，z介于0.5和1之间。
在某些实施例中，相变电容器是通过并联多个子相变电容器而形成。并联的数量在2到100之间。
在某些实施例中，相变电容器是通过串联多个子相变电容器而形成。串联的数量在2到100之间。
在某些实施例中，电荷存储器是参考电容器或莱顿瓶。
在某些实施例中，参考电容器的参考电容值介于1nF和1F之间。
在某些实施例中，开关网络还包括一个或多个开关，其配置为：当系统在初始化模式下，用来将外部电源连接到电路；当系统在能量转换模式下，用来将负载连接至电路中。开关可以是机械开关、电开关、或电子开关。
在某些实施例中，电路还包括连接开关网络的整流器，从而将电流从交流整流为直流电。
在某些实施例中，外部电源是外部电压源或外部电流源。外部电压源可以是外部直流电压源。
在某些实施例中，外部电源产生的电压在0.1mV和100V之间。
在某些实施例中，负载是电子器件、光学器件、电阻、传感器、电感器、发光二极管、电能储存装置或可重复充电电池。
在某些实施例中，变温装置是带有叶片的旋转风扇，用于在具有温度梯度的环境中产生变化的温度。在能量转换模式中的系统安装在叶片的一端。当风扇旋转时，叶片的位置会随之改变，从而使得系统的温度也发生改变。则本系统可以在高温-低温的温度循环中产生电能。
在某些实施例中，变温装置是附在热源上的导热片，比如附在汽车发动机上。当发动机运行时，发动机的气缸内存在温度波动。导热片可以将热量从气缸内传导至处于能量转换模式的系统中，从而产生电能。
图2是是描绘根据某些实施例将热能转换为电能的方法的流程图。在第S21步，介绍了上述的能量转换系统。在第S22步，外部电源与系统的电路相连。在第S23步，相变电容器和电荷储存器被外部电源初始化以储存电荷。在第S24步，外部电源被从电路中移除。在第S25步，负载被连接在电路中，在相变电容器和电荷存储器之间。在第S26步，热循环加载到相变电容上，从而使得电流在相变电容器和电荷存储器之间来回地流动以将热循环中的热能转换为电能，用来驱动负载。
在某些实施例中，热循环由燃料的燃烧、计算机、机器、或发电厂的余热产生。
在某些实施例中，每个热循环在0℃与250℃之间循环。
在某些实施例中，每个热循环的频率介于0.001Hz到1000Hz之间。
在某些实施例中，每个热循环具有三角形、矩形、正方形或正弦形模式。
在本能量转换方法中，热力学循环不仅可以由相变铁电材料中极化强度-电场关系或极化强度-温度关系来描述，也可以由相变电容器中电荷-电压关系或电荷-温度关系来描述。
图3根据某些实施例显示了相变铁电材料的极化强度随电场强度的变化。在低温TL条件下，相变铁电材料展示出滞回曲线，这表现为材料在最大电场下存在饱和极化，在零电场下存在残余极化。当温度从TL经历相变温度Tc升高到TH时，相变铁电材料经历相变。相变铁电材料从铁电相转变为顺电或近顺电相。在顺电和近顺电相中，相变铁电材料在极化强度-电场强度关系中失去滞回曲线的特征表现形式，理想情况下为一条直线。然而，在大多数相变铁电材料中，由于漏电流的存在，极化强度-电场关系并不是一条完美的直线。与之相反，它可能显示一个狭窄的椭圆。理想关系由实线表示，实际关系以虚线绘制。
图4显示了相变铁电材料的极化-温度关系。在不同电场强度下，例如E1、E2和E3，其中E1>E2>E3，当温度从TL变为TH时，铁电极化值从高值变为低值。Tc是铁电材料的相变温度，且满足TL<Tc<TH。在实际测量中，不同电场下低温和高温下的极化值可能不同。
根据相变铁电材料中的极化强度-温度关系和极化强度-电场强度的表现行为，相变铁电材料的相变电容器中的电荷-电压关系和电荷-温度关系分别与图3和图4相似。在低温条件下，相变电容器的电容-电压曲线有一个滞回曲线；而在高温条件下，滞回曲线往往是一条直线。在电荷-温度关系中，当温度升高时，相变电容器的电容从高值变为低值，反之亦然。在各种不同的电压和电场条件下，也表现出了同样的趋势。
对于相变铁电材料中的极化行为，这种变化是可逆的，且材料和电容器在起始状态下的极化状态与结束时的状态相同。这种可逆过程可确保连续能量转换的稳定性，这意味着在热循环条件下，系统将固定量的热能转换为电能。
为了利用上述温度相关材料的行为进行能量转换，根据某些实施例，我们提供了一种可用于能量转换的电路系统。图5显示了能量转换系统在初始化模式下的电路。该电路具有由相变铁电材料制成的相变电容器51和参考电容器52。相变电容器51与参考电容器52之间通过网络55连接了负载电阻53。系统达到初始化状态是通过连接到网络55的外部直流电压源54实现的，这样就在相变电容器51和参考电容器52中分别建立了初始电压。
在某些实施例中，其他充电方法，例如，引入式充电和无线充电，都可以用来初始化。
当系统的初始化完成以后，外部电压源54被移除。然后，能量转换模式下的能量转换系统变为如图6所示的电路。我们将热源59放置在相变电容器51附近，用于施加热循环到相变电容器51，以使得电流通过负载电阻53在相变电容器51和参考电容器52之间来回流动，从而将热源59中产生的热能转换为电能来驱动负载电阻53。
为实现能量转换，如图7所示，在相变电容器51的相变铁电材料上加入了从TL经过相变温度Tc到TH之间的周期性变化地温度场。在t1时刻时，系统的温度是TL，在t2时刻时，系统的温度是TH。从t1到t3是一个加载周期，图7显示了加载周期中的三个。实际上，要获得稳定和周期性的温度曲线并不容易，因此可以添加额外的温度振荡组件，以产生一个有稳定温度梯度的温度波动。例如，相变电容器可以放入旋转叶片中，因此，相变铁电材料可以经历振荡的温度条件。在这种温度曲线下，相变电容器51中的极化也会随温度而周期性变化。在图8中，在t1时刻时，极化强度是PL；在t2时刻时，极化强度是PH。当温度从t1过渡到t2，极化强度从PL过渡到PH。对于相变电容器51，其电容也表现出随时间变化的相同形式。因此，如图9所示，在负载电阻53上产生了一个随时间变化的电流信号。从t1到t3，生成了两个电信号。在实际应用中，特别是对于相变电容器的多个组合，电信号的形状可能不是一个完美的三角形。加热和冷却条件下的电信号方向相反，与相变铁电材料的可逆相变相对应。
如图10所示，其热力学过程可以从极化-电场关系的平面上说明。最初，通过系统初始化，相变电容器上产生了一个电场Eb。在与外部电源分离后，电路总电荷是恒定的。在低温TL条件下，极化强度从A点开始。当温度从TL变为TH时，相变铁电材料中的极化强度减小，相变电容器中的电容也会降低。在电容的定义C＝Q/V下，Q和V分别代表电容器中的电荷和电压。因此，相变电容器中的电压增加，相变铁电材料中的电场也增加，这对应于B点。当相变铁电材料全相转换后，温度升高至TH，相变铁电材料此时的极化强度对应电场E'b，即C点。C点是加热过程的终点。当温度从TH降至TL时，返回路径将形成为C-D-A。因此，在极化强度-电场强度关系的平面中，完整的热力学循环为A-B-C-D，由虚线圆形表示。同样，图11显示了极化强度-温度关系的平面的热力学循环。
图6中的电路在连续能量转换循环中生成交流信号。交流信号可以通过将整流器57应用于电路转换成直流信号，如图12所示。那么，能量转换信号位于同一方向，于图13中绘制。因此，可以根据特定的应用环境生成交流信号或直流信号。
目前能源转换系统的发电量取决于优度值(FoM)。优度值包括材料因子和系统因子。在材料因素方面，在众多铁电材料中，钙、铈、锆掺杂的钛酸钡材料可产生高电能输出。系统因子由相变电容器中铁电材料的有效面积、厚度、负载电阻的电阻组成。发电量与相变电容器的有效面积、负载电阻的电阻大小成正比，与相变电容器的厚度成反比。
图14根据某些实施例，描述了制备各种铁电材料的合成程序。首先，根据目标比例，称量适量的碳酸钙、二氧化锆、二氧化铈、碳酸钡和二氧化钛。在充分球磨后，干燥成粉末并放入高温炉进行煅烧。煅烧的粉末被压成长且直的生胚杆。一根作为上杆另一根作为下杆放入红外炉中。两根杆垂直对齐。通过调整红外炉的功率，使得两根杆上的温度在可以烧结的温度范围内。采用合适的移动速度。同时，两根杆旋转以使其均匀受热。生胚杆开始烧结，直到烧结结束。然后，两根杆再次垂直对齐，通过调节红外炉的功率，两根杆熔化同时旋转，形成一个稳定的区域。通过同时移动两根杆，熔化的区域开始扩展，从而获得高优度值材料。铁电材料的材料因子的优度值列于表1。与多晶钛酸钡相比，掺杂其他元素的钛酸钡具有更高的优度值。
表1
图15显示了具有Ca0.05Ba0.95Ce0.005Zr0.01Ti0.985O3组分的铁电材料的极化-电场关系。该极化-电场关系曲线显示：当温度为80℃时，材料表现出了最大的极化强度，超过了20μC/cm2；同时，残余极化强度超过了14μC/cm2。当温度升高到140℃时，极化-电场趋向为一条直线。
图16显示了利用具有Ca0.05Ba0.95Ce0.005Zr0.01Ti0.985O3组分的铁电材料发电。这种铁电材料用于形成有效面积为90mm2、厚度为0.3mm的相变电容器。在此测试中，参考电容器的电容为50μF，负载电阻器的电阻为1000kΩ。系统由30V直流电源进行初始化。之后，将电源从系统中移除。然后，将在80℃和140℃之间的温度循环应用于相变电容器。每个包括加热和冷却的循环的频率为0.05Hz。在负载电阻器上测量的电能如图16所示。在80℃至140℃的温度循环作用下，拥有最高优度值成分的铁电材料通过本系统产生约1μA的电流，这就是表1中铁电材料中最高的结果。同时，也使用了多晶钛酸钡做了对比发电实验。图16表明由多晶钛酸钡形成的相变电容器仅产生约0.05μA的电流。
此外，通过多个相变电容器的组装，可以实现大发电量。例如，图17显示了无外部电源能量转换系统中的并联相变电容器系统组60。该组60包含了N个相变电容器61，其中N可以从2到100。
图18显示了无外部电源能量转换系统，其具有包括N个相变电容器71的串联相变电容器组70，其中N可以从2到100。特定的多组合系统可以根据预期应用来设计。
因此，这种能量转换方法是基于热力学循环的。这是通过负载设备上的自生背场实现的。从TL到TH，背场可以在铁电材料和相变电容器之间产生差异的电场，从而在热力学平面上形成一个闭合的曲线。结合极化强度-电场强度和极化强度-温度特性，形成一个完整的热力学循环。
因此，可以看出，本申请公开了一种用于将热能转换成电能的改进的能量转换系统和方法，其消除或者至少减少了与现有技术系统和方法相关的缺点和问题。本能量转换系统可以在不连接到任何外部电源的情况下，通过初始化后在任何地点发电。这种能量转换系统可以持续发电很长一段时间。此外，还可以通过向钛酸钡中加入钙、锆和铈元素来提高系统的发电量。上述掺杂钙、锆和铈元素的钛酸钡产生了有应用前景的电量，并且高于已知的传统多晶能量转换的结果(例如：通过铁电性氧化锌纳米阵列产生250pA的电流，通过铌镁酸铅-钛酸铅薄膜产生30至40nA的电流)。
尽管本发明已用某些实施例进行了描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，本发明显然还包括其他实施例。因此，本发明的范围仅意图由所附权利要求来界定。
Claims (20)
1.一种用于将热能转换为电能的系统，该系统具有初始化模式和能量转换模式，并且包括电路，所述电路包括：
具有一个或多个介电层的相变电容器，每个介电层都包含相变铁电材料，使得每个相变电容器具有与温度相关的电容，当所述相变电容器的温度从低于所述相变铁电材料的相变温度的第一温度转变到高于所述相变温度的第二温度时，所述与温度相关的电容从第一电容值切换到第二电容值，反之亦然；
用于释放和接收电荷的电荷储存器；以及
开关网络，所述开关网络配置为：
当所述系统处于初始化模式时，所述开关网络将外部电源连接到所述电路，以初始化所述相变电容器和所述电荷储存器，从而存储电荷；以及
在所述相变电容器和所述电荷储存器被初始化并且所述外部电源与所述电路断开之后，当所述系统处于能量转换模式时，所述开关网络在所述相变电容器和所述电荷储存器之间连接负载，使得当所述相变电容器受到一个或多个热循环并且所述相变电容器的温度在所述第一温度和所述第二温度之间振荡时，电流在所述相变电容器和所述电荷储存器之间通过所述负载来回地流动，从而将来自所述一个或多个热循环的热能转换为电能来驱动所述负载。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括外部电源，所述外部电源用于在所述系统处于初始化阶段时，将所述相变电容器和所述电荷储存器初始化。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括当所述系统处于能量转换模式时连接到所述电路的负载。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括温度变化装置，以协助产生一个或多个热循环。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相变铁电材料具有铁电相和顺电相，所述铁电相提供第一电容值，所述顺电相提供第二电容值。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电容值高于所述第二电容值，所述第一电容值在1nF和1F之间，所述第二电容值在0.1pF和1mF之间。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相变温度在0℃和250℃之间。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相变铁电材料是钛酸钡、锆钛酸铅、或聚偏二氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相变铁电材料是化学式为CavBawCexZryTizO3的掺杂的钛酸钡，其中，v在0和0.5之间，w在0.5和1之间，x在0和0.25之间，y在0和0.25之间，z在0.5和1之间。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相变电容器通过并联连接多个子相变电容器形成，一个或多个介电层分布在所述子相变电容器中。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相变电容器通过串联连接多个子相变电容器形成，一个或多个介电层分布在所述子相变电容器中。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电荷储存器是参考电容器或莱顿瓶。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述参考电容器的参考电容值在1nF和1F之间。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关网络还包括一个或多个开关，所述一个或多个开关配置为：当所述系统处于初始化模式时，将所述外部电源连接到所述电路；以及当所述系统处于能量转换模式时，将所述负载连接到所述电路。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路还包括整流器，该整流器通过所述开关网络连接到所述相变电容器和所述电荷储存器，以用于将电流从交流电信号转换为直流电信号。
16.一种用于将热能转换为电能的方法，其包括：
提供根据权利要求1所述的系统，所述系统处于能量转换模式，使得所述相变电容器和所述电荷储存器被初始化，并且所述负载连接到所述电路；以及
使所述相变电容器经历一个或多个热循环，从而使得当所述相变电容器的温度在所述第一温度和所述第二温度之间振荡时，电流在所述相变电容器和所述电荷储存器之间通过所述负载来回地流动，从而将来自所述一个或多个热循环的热能转换为电能来驱动所述负载。
17.根据权利要求17所述的方法，其中，所述相变电容器和所述电荷储存器通过如下步骤被初始化：
当所述系统处于初始化模式时，将所述外部电源连接到所述电路；
初始化所述相变电容器和所述电荷储存器以储存电荷；以及
将所述外部电源与所述电路断开，从而使所述系统处于能量转换模式。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述一个或多个热循环中的每一个的频率在0.001Hz至1000Hz之间。
19.一种用于将热能转换为电能的系统，该系统包括电路，所述电路包括：
具有一个或多个介电层的相变电容器，每个介电层都包含相变铁电材料，使得每个相变电容器具有与温度相关的电容，当所述相变电容器的温度从低于所述相变铁电材料的相变温度的第一温度转变到高于所述相变温度的第二温度时，所述与温度相关的电容从第一电容值切换到第二电容值，反之亦然；
用于释放和接收电荷的电荷储存器；以及
网络，所述网络配置成将负载连接在所述相变电容器和所述电荷储存器之间，使得在所述相变电容器和所述电荷储存器被初始化以储存电荷之后，并且当所述相变电容器受到一个或多个热循环且所述相变电容器的温度在所述第一温度和所述第二温度之间振荡时，电流在所述相变电容器和所述电荷储存器之间通过负载来回地流动，从而将来自所述一个或多个热循环的热能转换为电能来驱动所述负载。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述相变电容器和所述电荷储存器通过感应充电或无线充电来初始化。
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