TWI431921B - 用於使用可極化材料及內部產生之成極場將熱量轉換至電能之方法及裝置 - Google Patents

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    • H10N15/10—Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
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Description

用於使用可極化材料及內部產生之成極場將熱量轉換至電能之方法及裝置
本發明大體上係關於熱量至電能之轉換，且更明確而言，係關於利用鐵電材料之自發極化以便將熱量轉換至電能之方法，當鐵電材料處於對應於其鐵電相之溫度範圍中時發生該自發極化，且隨著溫度改變時該等鐵電材料接近或轉變至其順電或反鐵電相時，自發極化迅速減少或消失。
使用具有溫度相依的介電常數之電容器將熱量轉換至電能係熟知的。使用介電質作為可變電容器來發電之代表性器件揭示於(例如)頒予Drummond之美國專利第4,220,906號、頒予Olsen之美國專利第4,425,540號及第4,647,836號、頒予Ikura等人之美國專利第6,528,898號及頒予Kouchachvili等人之美國專利第7,323,506號中。彼等器件簡單地利用以下事實：諸如鐵電體之某些材料之介電常數隨溫度變化而變化。特定言之，彼等器件使用介電質作為溫度相依的可變電容器，當該等可變電容器之溫度因吸收熱量而增加，而該等可變電容器之電容則減小。在較低溫度下，電容器在所施加場下部分充電，接著藉由增加電場而完全充電。電容器接著在此增大的電場下加熱，且隨著介電常數隨溫度之增加及對應的電容之減小而減小，此時電容器部分放電。更進一步的放電發生在當電容器保持在高溫，且減低施加的電場時。(頒予Olsen之美國專利第4,425,540號)。而在施加場下的電容器之溫度及介電常數之此循環被稱作Olsen循環。
電容器器件之物理算式係直接簡明的。具有電容C的電容器之電壓V與介電常數ε成反比：
V=Q/C=Q/[ε(T)ε0(A/d)]。
在Olsen循環下，電容器因外部場之施加而完全充電後，將電容器加熱至使介電常數ε減小之溫度。在Olsen循環之加熱步驟期間，電容器因為V保持恆定時由電容器保持之電荷Q減少，所以發生部分放電。
使用介電質作為可變電容器來發電亦由Olsen在Cascaded Pyroelectric Converter,59 FERROELECTRICS 205(1984)中報告。Olsen報告出一33 W/L(約4 W/kg)之最大功率密度，其在多個階段與再生中使用PZST鐵電材料於可變電容器中。，Vanderpool在Vanderpool之Simulations of a Prototypical Device Using Pyroelectric Materials for Harvesting Waste Heat,51 INT. J. HT & MASS TRANSFER 5051(2008)中。使用有限元模擬，計算出在可變電容器中使用PZST為介電材料在某些條件下產生24 W/L(約3 W/kg)之功率密度。。
然而，將熱量轉換至電之可變電容器方法並非使用鐵電體發電之最有效方法。實情為，真實的熱電產生集中於鐵電相中自發發生之固有極化，與由施加場誘發之極化無關。彼固有極化提供電能之更穩固得多之來源。可變電容器在無施加場之情況下，於鐵電體中發生強大的自發極化。另外，在循環期間連續施以強大的外部電場阻礙了可藉由鐵電體之自發極化而達到之更強大的能量轉換。此等外部電場阻止了鐵電材料無外部電場誘發之自發電偶極所產生的巨大電能之有效使用。用於使用鐵電體之固有自發極化將熱量轉換至電之裝置及方法揭示於頒予Erbil之美國專利申請案第12/465,924號及美國專利第7,982,360號中。與先前技術不同，在其中呈現之發明利用鐵電體之自發極化連同在相轉變期間發生的自發極化之迅速改變來將熱量轉換至電能。與可變電容器方法不同，彼等發明不依賴於施加電場以在鐵電材料中誘發電偶極。其確實設想了在轉變至鐵電相期間或之後使用小電場以便使鐵電體成極(pole)，但彼場並不用以在單位晶胞自身中產生基本極化。成極場僅對準當材料處於使其處於其鐵電相之溫度下時自發發生之固有電偶極。
在申請案第12/465,924號及美國專利第7,982,360號中闡明之裝置及方法為將熱能轉換至電之新方式。在彼新方法之情況下，存在解決為了自熱能發電之目的使用自發極化之最佳方式之需要。
本發明提供一種在所要溫度下進入鐵電相及離開鐵電相之相轉變的鐵電體將熱量轉換至電能之裝置及增強之方法。本發明揭示提供鐵電體之必要成極(essential poling)在每一循環期間不使用外部電壓之新方式。實情為，殘餘場在每一循環期間保留，且彼場使鐵電體在轉變至其鐵電相時成極。本發明亦可與其他可電極化材料一起使用。本發明揭示一種新熱力循環，其允許比其他循環更大的電能輸出。
在不施加外部場之情況下，鐵電相中非常強極化之電偶極自發地在一或多個鐵電體之單位晶胞中產生。藉由成極以對準單位晶胞及晶疇，個別單位晶胞及晶疇之極化組合而在整個材料系統中產生極大之淨自發極化。將彼淨極化命名為Ps。本發明利用自發極化連同在熱循環期間發生的彼極化之迅速改變來將熱量轉換至電能。本發明不需要介電常數之溫度可變性。作為自發極化之結果而產生且藉由極化之減少或消失而釋放的電能可比在可變電容器模式下經由外部電場之施加使用鐵電體產生之電能大得多。
藉由利用一或多個熱交換器，控制鐵電材料之溫度使得其經歷至鐵電相之轉變。在彼轉變期間，相對小的電場使鐵電體成極。彼成極場在由特定材料之分子及晶體結構允許之程度上對準自發電偶極。成極對於將鐵電體中之自發偶極用作將熱量轉換至電之有效方式係至關重要的。雖然大電場之施加對於可變電容器器件之操作及Olsen循環係必要的，但此等外部場及超出成極所需之最小限度之場的施加通常會阻礙將自發極化用作產生電能之方式。
本發明揭示一種在轉變至鐵電相期間使自發電偶極成極之新穎方式。在美國專利申請案第12/465,924號及美國專利第7,982,360號中，自外部電壓源建立成極場。藉由本發明，改為自鐵電材料之表面上的電極上之殘餘自由電荷產生成極場。在本發明中，熱及電循環經控制，使得相對小的殘餘電荷留在電極上，而非如在先前揭示內容中被較完全的移除。彼殘餘電荷建立成極場，其使在轉變至鐵電相期間自發建立之電偶極成極。
當本發明之鐵電材料處於其鐵電相中且經成極時，自發地由偶極產生非常強的固有電場，而無須外部場之施加的誘發。自發極化引起在鐵電體之表面上的非常密集的束縛電荷，其又誘發在鐵電材料之表面上的電極上之相反的屏蔽電荷。在彼點，電極中之淨電場可忽略。藉由利用一或多個熱交換器，接著改變鐵電體之溫度，使得鐵電體視所使用之特定材料及材料圍繞著循環之相轉變溫度而變為順鐵電或反鐵電。藉由使鐵電體經歷相變且使束縛之表面電荷可忽略，電極上之屏蔽電荷變得不受屏蔽，且可為了一般目的而移除至外部電路。
如在頒予Erbil之美國專利申請案第12/465,924號及美國專利第7,982,360號中所揭示，藉由利用一或多個熱交換器，可使鐵電材料之溫度圍繞相轉變溫度或居里(Curie)溫度Tc循環，使得可藉由在熱源與散熱片之間操作的發明將熱能有效地轉換至電能。藉由根據在彼申請案中描述之裝置及方法使鐵電模組循環至高於及低於相轉變溫度來產生電能。可使用各種熱力循環以將鐵電體中之自發極化用於將熱量轉換至電之目的。在美國專利申請案第12/465,924號及美國專利第7,982,360號中闡明之一般循環可與本發明一起使用，以便大體上消除對在每一循環期間施加外部電壓以使鐵電體成極之需要。
具有四個步驟(其中之兩者為等溫，且其中之兩者發生於恆定極化下)之特定熱力循環揭示於美國專利申請案第13/226,799號中。本發明可與彼特定熱力循環或其他熱力循環相結合使用，藉此消除對施加外部成極電壓的需要。將彼循環或另一循環與本發明一起使用，不允許總極化在該循環之任一點處降至低於值PL。PL為當鐵電體轉變至其鐵電相時所得場的足以引起成極之最小位準。
使用美國專利申請案第13/226,799號中揭示之循環，在彼循環之第一步驟期間將鐵電體冷卻至低於轉變溫度之相對低溫度TL，而將總極化保持恆定在相對低的值PL，且電路斷開。在下一個步驟期間，等溫地抽取熱量，直至將極化增大至該循環之最大值PH，在該點，在電極之表面上存在非常密集的束縛電荷。在彼步驟期間，閉合電路，使得電流自鐵電體之一側上的電極流至鐵電體之相反側上的電極。在電極上產生的屏蔽電荷等於在鐵電體之表面處的相反束縛電荷。正是在彼步驟期間殘餘成極場使所得偶極被偏壓於一個定向上，亦即，其變得成極。
在該循環之下一個步驟中，電路斷開，同時鐵電體或其他可極化材料經加熱至高於轉變溫度之相對高的溫度TH。總極化在彼步驟期間保持恆定，且材料進入介穩態。在該循環之最後步驟期間，電路再次閉合且等溫地輸入熱量，直至將極化減小至PL。在彼步驟期間，電極上之屏蔽電荷變得不受屏蔽，且以自行產生之高電壓放電至外部電路內。然而，並不移除電極上之所有電荷。實情為，在足夠大的殘餘電荷保留以建立足夠用於成極之場之點(其對應於PL)處，電路斷開。自此殘餘場而非藉由施加外部電壓成極可增強在一循環之過程期間的電能之總輸出。
接著連續地重複該循環，結果為將熱能連續地轉換至高電壓之電能。本發明可與處於固體或液體形式之鐵電體一起使用，後者包括液體鐵電體及懸浮於液體中之鐵電細晶體。舉例而言，可使用之固體材料包括陶瓷鐵電體、鐵電聚合物及其他可極化聚合物。除了普通鐵電體之外，諸如方硼石及方鈉石之外質(或非固有)鐵電體可與本發明一起使用。在本質鐵電體之情況下，極化表示二階參數，其耦合至某一一階參數。將鐵電體之自發極化用於本發明允許使用自許多來源供應之熱量(自然發生及產生的)在廣泛之溫度範圍上穩固地將熱量轉換至電能。可藉由傳導、對流或輻射或藉由其任一組合，及藉由一相或兩相熱轉移系統，將熱量自熱源輸入至鐵電體或自鐵電體抽取至散熱片。
單級電力轉換模組包括一單一鐵電或其他可極化材料。因而，其通常具有一反映鐵電相與順電或反鐵電相之間的轉變之單一相轉變溫度。為了在熱源與散熱片之間的溫差△T足夠之應用中更有效地將可利用之熱能轉換至電，可使用一系列鐵電或其他可極化材料，該等材料具有漸增地覆蓋熱源與散熱片之間的溫度範圍中之所有或至少一些溫度之一連串相轉變溫度。保證多級器件的△T之量值視應用之參數及要求及使用的特定材料之特性而定。熱再生技術之使用亦可影響在特定應用中需要的級數。
在一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉換至電能之裝置。在一實施例中，該裝置具有一鐵電層，該鐵電層具有一第一表面及一相反第二表面，其中該鐵電層包含一具有一相轉變溫度之鐵電材料，使得當該材料處於一鐵電相中時，在該鐵電體之單位晶胞中建立自發極化，且該鐵電層當經成極時產生一總體淨自發極化；且使得鐵電體之溫度隨著改變而越過該轉變溫度，該材料進入一順電或反鐵電相，在該順電或反鐵電相中該鐵電層具有可忽略的或沒有總體淨自發極化。
該裝置亦具有：一對分別定位於該鐵電層之該第一表面及該第二表面上之電極，其中該等電極由一導熱且導電材料組成；及相對於該對電極定位之構件，其用於經由對流、傳導或輻射交替地將熱量輸入至該鐵電層及自該鐵電層移除熱量，以便分別地在比該相轉變溫度高之溫度TH下加熱該鐵電層，及交替地在比該相轉變溫度低之溫度TL下冷卻該鐵電層，使得該鐵電層之該鐵電材料藉此經歷在(1)該鐵電相與(2)該順電或反鐵電相之間 的交替相轉變。
在另一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉換至電能之裝置。在一實施例中，該裝置包括一鐵電層，該鐵電層具有一第一表面及一相反第二表面。該鐵電層由一特徵為一居里溫度Tc之鐵電材料組成，使得當該鐵電材料之溫度比該居里溫度Tc低時，該鐵電材料處於一鐵電相，在該鐵電相中自發極化建立於該鐵電材料之單位晶胞中，且當該鐵電材料之溫度比該居里溫度Tc大時，自發極化不建立於該鐵電材料之該等單位晶胞中。該裝置亦包括一對分別定位於該鐵電層之該第一表面及該第二表面上之電極。該對電極包含一導熱且導電材料。
此外，該裝置包括相對於該對電極定位之構件，其用於在該鐵電層之該第一表面及該第二表面之上交替地傳遞一冷流體及一熱流體，以便交替地(1)在比該居里溫度Tc低之一第一溫度TL下冷卻該鐵電層，及(2)在比該居里溫度Tc高之一第二溫度TH下加熱該鐵電層，使得該鐵電層之該鐵電材料藉此隨著溫度循環而經歷在該鐵電相與順電相之間的交替相轉變。
另外，該裝置可具有一對電連接至該對電極之電導線，使得當該鐵電材料經循環以減少該鐵電層之總極化時，在高電壓下將對應於電性相反之屏蔽電荷的電能輸出至該對電導線。該等電導線亦可經由一開關連接，以准許在該對電導線之間施加一DC電壓，以便建立當鐵電材料處於其鐵電相中或正轉變至其鐵電相時施加之成極場。在第一循環後，通常將不需要此外部電壓之施加，此係因為如本發明中揭示的殘餘場之使用將在隨後循環中實現成極，但在殘餘場因任何原因而變得不足以成極之情況下，可能需要DC電壓源之存在以用於強加外部成極場，使得補充場可為有用的，但非必需的。
此外，該裝置可包括用於監視該鐵電層之溫度與電容，及加熱與冷卻流體之溫度與壓力中之一或多者之構件。
在另一實施例中，傳遞構件包含：一第一流體通道及一第二流體通道，其分別形成於該對電極上，使得當一冷流體穿過該第一及該第二流體通道中之至少一者時，該鐵電層經冷卻，且當一熱流體穿過該第一及該第二流體通道中之至少一者時，該鐵電層經加熱；一或多個熱交換器，其經定位使得該第一及該第二流體通道在該鐵電層之該第一表面及該第二表面上交替地傳遞一冷流體及一熱流體，以便交替地在一第一溫度TL下冷卻該鐵電層及在一第二溫度TH下加熱該鐵電層；及複數個控制閥，其與該一或多個熱交換器連通，用於控制冷及熱流體之流動。該複數個控制閥由微控制器控制，且其由電腦控制經由一控制電路協調以達成所要的循環。
在又一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉換至電能之方法。在一實施例中，該方法包括以下步驟：提供一具有一第一表面及一相反第二表面之鐵電層，其中該鐵電層包含一具有一相轉變溫度之鐵電材料，使得當該材料處於一鐵電相中時，自發極化建立於該鐵電體之單位晶胞中，且該鐵電層在成極後產生一總體淨自發極化，且使得，隨著鐵電體之溫度改變使得其越過該轉變溫度時，該材料進入一順電或反鐵電相，在該順電或反鐵電相中該鐵電層具有可忽略的或沒有總體淨自發極化；及包括一對分別定位於該鐵電層之該第一表面及該第二表面上之一對電極，該等電極包含一導熱且導電材料。
該方法亦包括以下步驟：交替地傳遞一冷流體及一熱流體以便交替地將該鐵電層冷卻至一比居里溫度Tc低之溫度及將該鐵電層加熱至一比該居里溫度Tc高之第二溫度。在此等步驟期間，電路斷開，且在恆定極化下發生冷卻及加熱。
該方法亦包括以下步驟：交替並等溫地將熱量提供至該鐵電層及自該鐵電層移除熱量，其藉由交替地傳遞熱流體之一流及冷流體之一流以便交替地添加或移除至該鐵電層之熱量，同時總極化改變至分別表示為PL及PH之對應的低及高位準。在此等步驟期間，電路經閉合以允許改變之極化，且移除或添加之熱量對應於轉變焓。
該方法亦包括當該鐵電層之該鐵電材料在溫度TL下處於該鐵電相中時使該鐵電材料成極。在一實施例中，該成極由一由在該第一循環後留存該等電極上之殘餘自由電荷產生的場執行。該方法亦包含將在該鐵電層之該鐵電材料中產生的該電能放電至外部電路中之步驟，此步驟藉由將熱量等溫地輸入至該鐵電層內且極化減少至一足以在轉變至該鐵電相期間提供成極之最小位準PL的同時閉合電路。
在一實施例中，該熱傳遞步驟由與一熱源及一散熱片流體連通之一或多個熱交換器執行，該一或多個熱交換器用於將來自該熱源的熱量輸入至該鐵電層以便將其加熱，及自該鐵電層抽取熱量至該散熱片以便將鐵電層冷卻。在另一實施例中，該熱傳遞步驟由一或多個熱交換器及與該一或多個熱交換器連通之複數個控制閥執行，其中定位用於在該鐵電層之該第一表面及該第二表面上交替地傳遞一冷流體及一熱流體以便交替地冷卻及加熱該鐵電層之第一及第二流體通道，且其中該複數個控制閥經調適用於控制冷及熱流體之流動。在每一情況下，與本文中描述之加熱及冷卻循環協調地在斷開與閉合位置之間切換電路。
除了具有晶體結構之材料之外，可電極化之非晶形聚合物材料亦可與本發明一起使用。對於此等非晶形聚合物，可極化單元展現在原子及分子層級之電偶極行為。在此等可極化非晶形聚合物(及共聚物)系統之情況下，當經成極時，發生總體淨極化，且當材料之溫度越過去極化轉變溫度時，彼淨極化減少及消失。本發明按與本發明使用在結晶鐵電材料中發生的自發極化及極化改變的方式相同的大體方式採用藉由使此等非晶形聚合物系統圍繞其去極化轉變溫度循環而發生的極化改變。對於非晶形材料，去極化轉變溫度類似於Tc或類似於鐵電相轉變。在本發明中對使用鐵電材料及鐵電層進行參考之處，應理解，具有適當極化及轉變特性之可極化非晶形聚合物(及共聚物)亦可與本發明一起使用。
在另一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉換至電能之裝置。在一實施例中，該裝置具有按一堆疊排列之複數個鐵電模組{FMn}，其中n=1、2、3、……、N，N為大於一之整數。每一鐵電模組FMn包括一鐵電層，該鐵電層具有一第一表面及一相反第二表面，其中該鐵電層由一特徵為一轉變溫度Tn之鐵電材料形成，使得當該鐵電材料處於一鐵電相中時，自發極化建立於該鐵電體之單位晶胞中，且該鐵電層在成極後產生一總體淨自發極化，且使得，隨著鐵電體之溫度改變使得其越過該轉變溫度，該材料進入一順電或反鐵電相，在該順電或反鐵電相中該鐵電層具有可忽略的或沒有總體淨自發極化。在一實施例中，由一導熱且導電材料組成之一對電極定位於該鐵電堆疊之該第一表面及該第二表面上。在另一實施例中，此等電極亦定位於每一鐵電模組FMn之該第一表面及該第二表面上；且在又一實施例中，在鄰近鐵電模組之間的此等電極由一電絕緣體分開。複數個鐵電模組{FMn}之轉變溫度{Tn}可在熱源與散熱片之溫度之間的範圍上連續變化。
該裝置進一步包括相對於該等堆疊之鐵電模組{FMn}定位之構件，其用於經由對流、傳導或輻射交替地將熱量輸入至該等堆疊之鐵電模組{FMn}及自該等堆疊之鐵電模組{FMn}移除熱量，以便交替地在比每一轉變溫度Tn低之一第一溫度下冷卻該等堆疊之鐵電模組{FMn}，及在比每一轉變溫度Tn高之一第二溫度下加熱該等堆疊之鐵電模組{FMn}，使得該等堆疊之鐵電模組{FMn}之每一鐵電層藉此經歷在(1)該鐵電相與(2)該順電或反鐵電相之間的交替相轉變。
該裝置可進一步包括用以監視一或多個鐵電模組FMn之溫度與電容，及加熱與冷卻流體之溫度與壓力之器件。依據可與本發明一起使用的熱力循環中之一者，經由一控制電路使熱循環與該等鐵電模組{FMn}之電狀態協調，以使加熱及冷卻與電輸入及輸出同步。
在再一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉換至電能之裝置。在一實施例中，該裝置具有按一堆疊排列之複數個鐵電模組{FMn}，其中n=1、2、3、……、N，N為大於一之整數。每一鐵電模組FMn包括一鐵電層，該鐵電層具有一第一表面及一相反第二表面，其中該鐵電層由一特徵為一居里溫度Tcn之鐵電材料形成，使得當該鐵電材料之溫度比該居里溫度Tcn低時，該鐵電材料處於一鐵電相，在該鐵電相中自發極化建立於該鐵電材料之單位晶胞中，且當該鐵電材料之該溫度比該居里溫度Tcn大時，自發極化不建立於該鐵電材料之該等單位晶胞中；且在一實施例中，一第一電極及一第二電極分別定位於該鐵電體堆疊之該第一表面及該第二表面上；且在另一實施例中，一第一電極及一第二電極定位於每一鐵電模組FMn之該第一表面及該第二表面上。該複數個鐵電模組{FMn}之不同鐵電層包含一相同鐵電材料或不同鐵電材料。在一第一電極及一第二電極定位於每一鐵電模組FMn之該第一表面及該第二表面上之一實施例中，每兩個鄰近鐵電模組由一電絕緣體分開。複數個鐵電模組{FMn}之居里溫度{Tcn}可在熱源與散熱片之溫度之間的範圍上連續變化。
該裝置進一步包括相對於該等堆疊之鐵電模組{FMn}定位之構件，其用於在該等堆疊之鐵電模組{FMn}上交替地傳遞一冷流體及一熱流體，以便交替地在比每一居里溫度Tcn低之一第一溫度下冷卻該等堆疊之鐵電模組{FMn}，及在比每一居里溫度Tcn高之一第二溫度下加熱該等堆疊之鐵電模組{FMn}，藉此該等堆疊之鐵電模組{FMn}之每一鐵電層隨著溫度循環而經歷在該鐵電相與順電相之間的交替相轉變。
該裝置可進一步包括用以監視一或多個鐵電模組FMn之溫度及電容及加熱及冷卻流體之溫度之器件。依據利用兩個等溫步驟及具有相等極化之兩個步驟連同成極及放電的本發明之一般循環，在電腦控制下協調熱循環與鐵電模組{FMn}之電狀態，以便使加熱及冷卻與電輸入及輸出同步。
本發明可用於極其廣泛範圍的應用，包括用於對現有器件之改良及用於新器件。以說明性實例說明且並無任何限制本發明之應用的意圖(其他應用對熟習此項技術者而言係顯而易見的)，此等應用包括：(1)藉由將廢熱轉換至額外電力輸出使熱力發電廠完全發揮效能(bottoming up)；(2)使用本發明作為在發電廠將熱能轉換至電之主要或唯一方式；(3)以地熱能源產生電力，包括被動地熱加熱及冷卻系統；(4)自太陽能提供之熱量產生電力，此產生為自(例如)數瓦特或較少超過1,000 MW之任一規模；(5)藉由使用各種各樣之熱源且在自(例如)數瓦特或較少100 kW或以上之規模上操作的攜帶型或準攜帶型發電機產生分散式電力；(6)將來自工業、礦業及其他此等來源之廢熱轉換成電力；(7)電動機動車輛，其藉由自在車輛上或相反藉由燃燒氣體或其他方式產生之熱能發電；(8)自柴油電力火車之廢熱或作為發電之主要方式，產生用於柴油電力火車之電力；(9)自海洋熱梯度產生電力；(10)在大量特定應用中之冷卻及冷凍，藉此使用電能自所要的源提取熱量，其與用以自熱量發電之循環的操作相反；(11)自體熱發電以用於個人或醫療用途；(12)用於個人電子器件、PC、GPS系統及類似者之小型電源；(13)自來自生物質量或都市廢棄物之熱量產生電力；及(14)自(例如)由放射性同位素產生之熱量在太空中產生電力。
自結合下列圖式的較佳實施例之以下描述，本發明之此等及其他態樣將變得顯而易見，但在不脫離本發明之新穎概念之精神及範疇的情況下，可實行其中之變化及修改。
隨附圖式說明本發明之一或多個態樣或實施例，且與書面描述一起，用以解釋本發明之原理。在實用處，將相同參考數字貫穿圖式用以指代實施例之相同或相似元件。
本發明更特定地描述於僅意欲作為說明性之下列實例中，此係因為其中之眾多修改及變化將對熟習此項技術者顯而易見。現詳細描述本發明之各種實施例。參看圖式，貫穿該等視圖，相似的數字指示相似的組件。如在本文中之描述中且貫穿接下來之申請專利範圍所使用，「一」及「該」之意義包括複數個參考物，除非上下文另有清晰地指示。又，如在本文中之描述中且貫穿接下來之申請專利範圍所使用，「在……中」之意義包括「在……中」及「在……上」，除非上下文另有清晰地指示。另外，在此說明書中使用之一些術語更特定地在下文予以定義。
在此說明書中使用之術語通常具有其在此項技術中、在本發明之脈絡內及在使用每一術語之特定脈絡中之普通意義。用以描述本發明之某些術語在以下或本說明書中之其他處論述以對實踐者提供關於本發明之描述之額外指導。在此說明書中任何處之實例(包括本文中論述的任何術語之實例)之使用僅為說明性，且決不限制本發明或任一舉例說明之術語的範疇及意義。同樣地，本發明不限於在此說明書中給出之各種實施例。
如本文中使用，「大約」、「約」或「大致」應大體上意謂在給定值或範圍之百分之20內、較佳地百分之10內且更佳地百分之5內。本文中給出之數量為近似數，其意謂若未明確陳述，則可推斷術語「大約」、「約」或「大致」。
如本文中使用，術語「單位晶胞」指為晶體中的原子之唯一排列之晶體結構。晶體結構由一主結構、按一特定方式排列之一組原子，及一晶格構成。主結構位於晶格之點上，晶格為在三維中週期性地重複之點的陣列。可將該等點看作形成填充晶格之空間之相同的微小框(叫作單位晶胞)。單位晶胞之邊緣之長度及其間之角度叫作晶格參數。材料之晶體結構或晶體結構中的原子之排列可按其單位晶胞來描述。單位晶胞為含有一或多個主結構(原子之空間排列)的微小框。在三維空間中堆疊之單位晶胞描述晶體之原子的本體排列。晶體結構具有三維形狀。單位晶胞由其晶格參數、晶胞邊緣之長度及晶胞邊緣間之角度給出，而在單位晶胞內部的原子之位置由自一晶格點量測之原子位置之集合描述。單位晶胞之實例說明於圖14及圖15中。
如本文中使用，術語「居里溫度」或Tc指鐵電材料之特性屬性。在低於居里溫度之溫度下，鐵電材料大體上處於鐵電相，在該鐵電相中自發極化建立於鐵電材料之單位晶胞中。隨著溫度朝向居里溫度增加，在單位晶胞中建立之自發極化減少。在高於居里溫度時，鐵電材料大體上處於順電相，在該順電相中自發極化未建立於鐵電材料之單位晶胞中。然而，存在鐵電相存在於高於轉變溫度之溫度下之鐵電體，且該材料在低於彼轉變溫度時為順電性的。又，存在與本發明有關的鐵電相與反鐵電相之間的轉變溫度(如本文中所描述)，且鐵電相可發生於比反鐵電相高的溫度下。似乎並不存在關於「居里溫度」是否亦適用於此等後面的種類之相轉變的轉變溫度之明確確定之用法。術語「相轉變溫度」及「轉變溫度」在本文中用以包括所有前述類型之相轉變。可僅將「居里溫度」或Tc與第一類型之相轉變相結合使用，或當自上下文顯而易見時，可更廣泛地使用其。
實務上，對於所有以上描述之類型之相轉變，當材料溫度跨越轉變溫度時的相變之銳度由組合物及晶體結構之均質性判定，使得相之間的轉變可隨著鐵電材料之溫度在材料之指定轉變溫度周圍之溫度範圍上增加或減少而漸進地發生。
無論何時當在本文中揭示鐵電材料之用途時，希望此等使用包括普通及非固有鐵電體兩者，其中使鐵電材料相對於其如所描述之相轉變而循環。
除了具有晶體結構之鐵電材料之外，可極化之非晶形材料亦可與本發明一起使用。一些此等材料提供用於將熱能轉換至電之非常穩固基礎。對於此等非晶形材料，去極化轉變溫度類似於Tc或如上所述之鐵電相轉變溫度。無論何時當在本文中揭示鐵電材料之用途時，希望彼用途包括此等可極化非晶形材料之循環。在彼情況下，類似鐵電材料地循環可極化非晶形材料，其中代替鐵電相轉變溫度在循環中使用去極化轉變溫度。
各種可極化非晶形材料具有關於本發明之特定效用，此係因為對於許多應用而言，其去極化轉變溫度處於有用範圍中，通常小於~250℃，但其亦可處於較大溫度下，且當經循環時，其產生電能之穩固放電。能量、極化與電容率之間的關係為：U=P2 /2εε0 。
其中P在此等非晶形聚合物之情況下通常比(例如)鐵電陶瓷之情況小，此等材料之電容率小得多，從而產生較高之能量密度U。
可與本發明一起使用之可極化非晶形材料之實例包括MXD6耐綸，其具有大致78℃之轉變溫度，且對於70μm厚的樣本而言已產生大致800V的量測之放電電壓。50μm厚的PANMA-4丙烯腈共聚物樣本已產生大致1,300V之放電電壓，轉變溫度為大致100℃。
有時，在本文中使用「極化」，在該情況下，其可能更精確地指「電位移」。因為在此脈絡中不存在術語之間的顯著差異，所以為了簡單且清晰，貫穿全文使用極化。
並不意欲限制本發明之範疇，以下給出根據本發明之實施例的例示性裝置及方法及其有關結果。注意，為了讀者之方便起見，可能在實例中使用標題或副標題，其決不應限制本發明之範 疇。此外，本文中提議且揭示了某些理論；然而，不管其正確或是錯誤，只要根據本發明實踐本發明，其就決不應限制本發明之範疇，而不考慮動作之任一特定理論或方案。
根據如本文中體現且廣泛描述的本發明之目的，本發明在一態樣中係關於一種用於經由鐵電介質(不使能量經過中間機械機構或不經由其他形式)將熱能直接轉換至電能之裝置及方法。本發明採用當鐵電材料處於其鐵電相中時在其中產生之大的固有自發極化。在不施加外部E場之情況下發生由本發明採用的出現於鐵電材料或其他可極化材料之單位晶胞中之自發極化。作為材料轉變至鐵電相內之結果，單位晶胞極化自發地發生。當藉由成極來對準單位晶胞及晶疇時，單位晶胞之強大的自發極化總體上在鐵電材料中產生大的總淨極化。本發明進一步採用當鐵電材料之溫度之改變造成至具有可忽略之淨極化的相之轉變時發生的總淨自發極化之大改變。
本發明准許移除及使用當材料處於鐵電相中時發生之自發極化所產生的電能。如此產生之電能可與材料自鐵電相至非極性相之相轉變相結合地輸出至外部電路。當材料轉變至非鐵電相時，固有的淨自發極化Ps消失。通常，致使Ps可忽略之相轉變將為自鐵電相至順電相，但其亦可為自鐵電相至反鐵電相，此係因為反鐵電相在整體材料中產生可忽略之淨自發極化。
為了允許藉由本發明將熱能轉換至電能，使基本鐵電模組圍繞其相轉變溫度循環。彼溫度循環由在鐵電模組與熱源及散熱片之間界面連接的一或多個熱交換器實現。熱交換器及熱源不受限制，且可包括轉移熱能之任一模式，包括對流、傳導及輻射轉移，及一相及兩相熱轉移系統。在以下情況下：(1)在熱源溫度TH與散熱片溫度TL之間的溫度範圍之至少一部分處於存在的許多鐵電材料中之一者之相轉變溫度之範圍內；及(2)溫差ΔT=(TH-TL)足以允許用於特定應用之有效轉換，本發明可大體上用以轉換熱能。
存在具有在自低達約0℃至高達約700℃之範圍內的相轉變溫度的鐵電體，且可藉由此等鐵電體在彼範圍中操作本發明。不存在對裝置或方法之操作溫度的理論限制，且其亦可在0℃以下及700℃以上之溫度下使用(在有適當鐵電體可利用之範圍內)。
可足以使用該器件的溫差ΔT之量值主要地視實際問題(諸如，對於一應用所要的效率)而定。對於相轉變實質上在(比方說)1℃之溫差ΔT上發生之鐵電材料，該器件可用以自具有彼量值之ΔT的熱源及散熱片產生電能(假設TH及TL限定相轉變溫度的邊界)。藉由此小的溫差操作之實際效用將受到熱力學第二定律約束。在任一脈絡下可利用之熱能之最大可能轉換效率由卡諾(Carnot)效率給出，藉此ηc=ΔT/TH。因此，在實際應用中操作器件所需的溫差ΔT之量值將視以下者而定：應用之具體細節；與應用相關聯之工程參數或約束；熱源及散熱片之特性；熱通量；具有必要的相轉變溫度之特定鐵電體之效能特性；經濟考慮；自特定熱源發電之實際重要性；及其他考慮。雖然(例如)溫差ΔT5℃可大體上准許對本發明之有效使用，但基於尤其陳述之因素，對於一特定應用及材料系統而言，可能需要溫差較大，或其可較小。
熟習此項技術者應認識到，在鐵電材料與處於TH之熱源及處於TL之散熱片之間將存在某種溫度梯度。雖然在假定工作介質(此處，其為鐵電體)與熱源及散熱片之間的理想等溫熱轉移之準靜態熱力分析中常忽視彼梯度，但在實務上，熱量之流動要求某一梯度。為了簡單起見，此處忽視彼梯度，且TH可用以指定熱源之溫度及鐵電體被加熱至的溫度兩者。類似地，TL可用以指定散熱片之溫度及鐵電體被冷卻至的溫度兩者。實務上，實際梯度之程度可影響總熱效率、功率密度及其他因素。
本發明不限於或具體針對任一特定熱交換器格式或組態；不限於或具體針對任一特定熱源或散熱片；亦不限於或具體針對熱源或散熱片之任何特定熱特性。相反，器件係一般的，且可用以有效地將可利用之熱能轉換至電，及相反地，使用電能冷卻。可藉由經由對流、傳導或輻射之熱輸送及藉由一相或兩相熱轉移系統實現將熱量輸入至鐵電體及自鐵電體抽取熱量以造成溫度及相循環。
一般而言，可使用不同材料實踐本發明。特定鐵電體在圍繞其相轉變溫度循環時將可有效地將熱量轉換至電能。如提及，將常與本發明一起利用之相轉變為自鐵電至順電且返回至鐵電之相轉變。然而，自鐵電至反鐵電且返回之相轉變亦可與本發明一起利用。一階轉變在鐵電材料中係常見的，且許多一階轉變材料適合於與本發明一起使用。展現二階轉變之鐵電材料亦可與本發明一起使用。
影響鐵電材料對於一特定應用之合適性之準則包括：(1)匹配來自熱源及散熱片的熱能之可利用範圍之相轉變溫度；(2)隨溫度而變的彼材料之相轉變之銳度；(3)在自極化狀態至非極化狀態之轉變期間釋放的能量，如由U=P2 /2εε0 表達(在高電容率鐵電體之情況下，鐵電狀態中之自發極化較佳地2μC cm-2 ，但可使用具有低得多之極化的非晶形聚合物，此係因為其可具有非常低的電容率)；(4)足夠高的電阻率，以避免在儲存之電能可在高電壓下移除到外部之前電極上之電荷經由鐵電介質洩漏；及(5)與在循環期間加熱晶格所需之能量相比，比較高的鐵電轉變能量或焓(此因素將部分視在高與低循環溫度之間的溫差之量值而定)。
舉例而言，基於鉛之鐵電材料系統提供廣泛範圍的可使用之材料組合，諸如，PZT、PZST、PLT等。構成元素之特定百分比組成將影響材料之特定效能特性，包括相轉變溫度。在聚合物系 統中，可藉由形成共聚物及摻合物來變化及控制相轉變溫度。可與本發明一起使用的許多鐵電體及反鐵電體之清單闡明於M.Lines及A.Glass之PRINCIPLES AND APPLICATIONS OF FERROELECTRICS AND RELATED MATERIALS,APP.F(1977，Oxford 2004年再版)中，但該清單並非詳盡的。彼附錄F併入本文中。本發明可與處於固體或液體形式之鐵電體一起使用，後者包括(例如)液體鐵電體及懸浮於適合於特定應用之液體中之鐵電細晶體。以實例說明，可使用之固體材料包括陶瓷鐵電體、鐵電聚合物及其他可極化聚合物。
以實例說明，許多鈣鈦礦晶體展現相轉變現象，其提供待在本發明中使用之有效鐵電體。當單位晶胞結構經歷自立方體(順電相)至四面體(鐵電相)之轉變時，鈣鈦礦鐵電體(諸如，PZT或PLT)主要地經歷自鐵電相至順電相之一階轉變。圖14(a)說明在順電相中的鈣鈦礦晶體之單位晶胞結構，在該情況下，材料溫度大於Tc。在該實例中，立方體之八個角由鉛原子佔據；立方體之六個面由氧原子佔據；且立方體之中心由鈦或鋯原子佔據。圖14(b)描繪當材料處於鐵電相且T<Tc時離子之相對位置之偏移。正是彼偏移引起單位晶胞之局部電偶極，且正是彼等電偶極合計地產生鐵電材料之自發極化Ps。圖15為另一鐵電體鈮酸鉀KNbO3(當在鐵電相中時)之位移及單位晶胞極化之類似說明。圖16說明以埃為單位的實體位移之量值，該實體位移可發生於處於鐵電相中的單位晶胞中之離子間，該位移引起單位晶胞電偶極。
參看圖1，根據本發明之一實施例示意性展示利用自溫度循環發生的自發極化之改變以產生在高電壓下放電至外部電路之電荷的單級鐵電轉換器件/裝置100。裝置100包括一鐵電層110，其具有一第一表面112及一相反第二表面114。鐵電層110由由相轉變溫度表徵之固體或液體鐵電材料組成，在相轉變溫度下，材料經歷自鐵電相至順電或反鐵電相之相變，且當顛倒溫度改變時，再次返回之相變。鐵電層110可由特徵為居里溫度Tc之鐵電材料組成，使得當鐵電材料之溫度比居里溫度Tc低時，鐵電材料處於一鐵電相，其中自發極化建立於鐵電材料之單位晶胞中，且當鐵電材料之溫度比居里溫度Tc大時，自發極化不建立於鐵電材料之單位晶胞中或可忽略。鐵電層110亦可由當鐵電材料之溫度降低至轉變溫度下時經歷自鐵電至順電之相轉變的鐵電材料組成。鐵電層110亦可由在相轉變溫度下經歷自鐵電相至反鐵電相之相轉變的鐵電材料組成，當顛倒溫度改變時，此材料改變回至鐵電相。鐵電層110具有界定於第一表面112與第二表面114之間的厚度。實務上需要之厚度視若干參數而定，包括：特定應用及可用以轉換至電的熱量之特性及量；利用之特定鐵電材料；及鐵電材料之熱導率。通常，在裝置100之一級中的鐵電層110之厚度處於約0.01 mm與約1 cm之間。亦可利用其他厚度值實踐本發明。鐵電層110可在形狀上為平坦的或具有任一其他形狀，其組態僅受到用於器件之製造技術及操作考慮限制。
鐵電層110之寬度及長度由鐵電材料之性質、特定應用、可用以轉換至電的熱量之特性及量、熱轉移機構及其他因素判定。不存在對鐵電層110之寬度及長度的理論限制。限制為可對於特定鐵電材料及特定應用之操作因素時常存在之實際製造限制。在鐵電層110之寬度及長度受到實際考慮限制之情況下，可按一陣列或按一堆疊排列許多類似或相同器件以有效地擴大可用於與將圖1中描繪之器件與熱源及散熱片界面連接之熱交換器連通之表面。在此應用中，自電極之傳導導線可接合至電匯流排，且累積陣列將接著充當具有大致等於個別器件之總面積之面積的較大器件，藉此准許產生僅受到可利用之熱能之數量及特性限制的電力。此陣列之一實例由圖8說明。
一對電極122及124分別定位於鐵電層110之第一表面112及第二表面114上。電極122及124由導熱且導電材料組成。此等電極122及124實質上與熱電材料/層110之第一表面112及第二表面114接觸，以便提供電接觸且使熱導率最大化。該對電極122及124可包含(例如)具有足以准許傳導所產生的電流但足夠薄以使對熱交換器與鐵電材料之間的熱導率之干擾最小化之厚度的薄銀塗層。銀電極之厚度可為約(例如)1微米至5微米。在一些實施例中，可能需要具有自鐵電層110之邊緣稍微倒退(例如)1 mm之電極，以避免在鐵電層110之邊緣周圍的放電。
另外，裝置100包括相對於該對電極122及124定位之構件，其用於交替地將熱量傳遞140至鐵電層110之第一表面112及第二表面114及自鐵電層110之第一表面112及第二表面114傳遞140熱量，以便交替地在比轉變溫度低之第一溫度TL下冷卻鐵電層110，及在比轉變溫度高之第二溫度TH下加熱鐵電層110，使得鐵電層110之鐵電材料藉此隨著溫度循環經歷在(1)鐵電相與(2)順電或反鐵電相之間的交替相轉變。在此例示性實施例中，傳遞構件包含與熱源及散熱片(未圖示)流體連通之兩個熱交換器132及134，用於將來自熱源之熱量輸入至鐵電層110以便在第二溫度TH下加熱鐵電層110，及將來自鐵電層110之熱量抽取至散熱片以便在第一溫度TL下冷卻鐵電層110。熱能之此吸收及排斥是滿足熱力學第二定律所必需的，其准許僅經由熱吸收及熱排斥之過程將熱能轉換至另一形式之能量或功。
裝置100亦具有一對分別電連接至該對電極122及124之電導線152及154，使得當鐵電層110之鐵電材料處於介穩態中時，電路可閉合。使鐵電材料之晶疇成極使當鐵電材料自介穩態轉變至穩定鐵電狀態時非常大的總淨自發極化能夠在鐵電層中產生。彼總淨自發極化又分別在該對電極122及124上誘發非常密集的電性相反的屏蔽電荷。藉由本發明，成極場由在電極上之在該循環之放電步驟後保留的殘餘電荷建立。在先前發明中，成極場由在每一循環期間施加之外部DC電壓提供，例如，美國專利第7,982,360號。雖然根據本發明因此在循環期間通常不施加此DC電壓，但此電壓源應仍可用以針對初始循環及在允許殘餘電荷在操作期間減小至低於建立成極場所需位準之情況下建立成極場。
當經由將熱量添加至晶格將鐵電層110之鐵電材料加熱至溫度TH時，電路接著斷開，同時總極化保持恆定在PH，此係因為電路斷開以便防止在電極上的電荷之放電。電路接著閉合，同時等溫地將熱量添加至鐵電層，從而使電性相反的屏蔽電荷在非常高的電壓下放電至該對電導線152及154。該對電導線152及154准許將放電電流自電極傳導至可使用之任何外部負載，或至匯流排以收集及分配由多個器件產生之電。除了在第一循環及在如本文中描述的隨後操作中之偶爾使用期間之外，在該對電導線152與154之間不需要外部施加之電壓。
當藉由由電極122及124上之殘餘不受屏蔽電荷產生之場達成成極時，電流將回應於在鐵電層中發生的淨自發極化之改變而在彼等電極之間流動。可將彼電流用作輸出至外部負載的電能之額外來源。在系統自介穩態至穩定狀態之鬆弛期間輸出的此能量由在圖21中展示之TL等溫線之自由能曲線中的點D與A之間的下向鬆弛(downhill relaxation)描繪。此發生於當正自鐵電層移除QL時之TL處。在一實施例中，藉由使在DA步驟期間之電流穿過當開關S1處於位置B中時亦包括於電路中的一全波整流器(未圖示)，可使在該循環之DA部分期間的電流之方向與在主要放電(如圖22中描繪及其他處描述之步驟BC)期間的電流之方向重合。此整流器可(例如)為橋接電路。整流器使電流流動至電極822及824及自電極822及824流動，以在負載RL處具有同一方向，而不管電流在該循環之BC或是DA步驟期間發生。
圖2示意性展示處於鐵電相中的鐵電體210中之晶疇215之對準，亦即，鐵電體210之溫度比鐵電體210之居里溫度Tc低。鐵電體210具有一第一表面212及一相反第二表面214，其界定其間之鐵電層體216。鐵電層體216特徵為具有大量單位晶胞或可極化單元(如在聚合物中)之複數個晶疇215。如在圖2(a)中，每一晶疇215由一自發極化(由偶極箭頭217指示)表徵，但隨機定向，使得在鐵電體210中不存在總淨自發極化。圖2(b)展示朝向同一總方向對準之偶極217，使得在鐵電體210中存在非常強大的淨自發極化。可藉由將成極場施加至鐵電層體216來達成此對準。圖2(c)說明通常僅在關於材料之晶體結構之特殊條件下達到的理想對準之鐵電體。
可自在相變中及前後的材料系統之蘭道(Landau)現象模型計算出可藉由採用在給定鐵電體之熱循環期間的自發極化之改變 提取之電能。此模型化為比傳統準靜態熱力分析更全面的系統之熱力表示。傳統準靜態熱力分析實際上限於平衡條件，而蘭道模型化為包括非平衡條件之較廣動態表示。對於普通鐵電體，蘭道-金茲柏格-得文夏(Landau-Ginzburg-Devonshire)自由能泛函按獨立參數溫度T及階參數P(其表示由系統中之偶極自發及誘發地產生之總極化)表達了鐵電材料系統之自由能。將蘭道-金茲柏格-得文夏自由能泛函表達為：G(T,P)=α1 (T)．P2 +α11 ．P4 +α111 ．P6
其中G為自由能泛函。G的單位為J/m3 ，且P的單位為C/m2。極化為熱力變數，且其表示由G(T,P)描述之全極系。α參數具體針對一給定材料系統，且對於彼等給定參數，蘭道-金茲柏格-得文夏自由能泛函提供用於鐵電體之經由相轉變及在相轉變前後的熱循環及用於經由可極化聚合物系統之去極化轉變及在去極化轉變前後之可極化聚合物系統之全部資訊。
圖17為就溫度T及極化P而言的自由能泛函之曲線圖之一實例，具有表示鈦酸鉛PbTiO3之樣本的材料參數，其中Tc766K。極化為全熱力變數，且其表示由G(T,P)描述之全極系。個別曲線圖係針對材料之各種溫度。按J/m3量測自由能值G。當材料處於非極性狀態下時(亦即，在P=0之情況下)，對G指派值0。接著按根據蘭道-金茲柏格-得文夏泛函之計算針對自750K至820K之各種溫度值用曲線表示自由能G。對於高於轉變 溫度之溫度，自由能從不低於針對順電狀態下之材料所指派之參考值。各種曲線圖中之全域最小值表示平衡狀態。
在材料處於其鐵電相之情況下，系統將具有兩個自由能最小值，在兩個井之低點中之每一者處有一個。在不存在場之情況下，彼等平衡點中之每一者同等地有可能，且自由能之減少在兩個井中係相同的，此係因為材料系統為對稱的。藉由當材料系統進入鐵電相時使偶極成極，對系統加偏壓，使得系統將下落至對應於成極之定向的特定井內。成極並不顯著地影響系統之自由能。
圖18為作為溫度之函數之自由能的曲線圖，其中將極化恆定保持在0.4C/m2。再次，在繪製自由能泛函之曲線圖過程中使用之參數為鈦酸鉛之樣本之彼等特性，其中Tc766K。在自由能與溫度之間的此線性關係可為在判定在本發明中使用的鐵電材料之適當熱力循環過程中之考慮因素。圖18指示在一些情況下在寬的溫度範圍上循環鐵電體可為理想的，此係因為自由能之改變隨著循環之溫度範圍增大而增大。理想地，可將此作為提供最高可能效率之完美的卡諾引擎執行。然而，藉由在較寬溫度範圍上循環而實現之熱效率可降低，此係由於若不能執行完美的再生，則對於較寬溫度循環有增大的晶格熱量影響。亦應認識到，蘭道-金茲柏格-得文夏模型之準確度通常隨著溫度更遠離相變溫度而降低，因此在大的溫度範圍上，線性關係可能並不如此準確。
圖19呈現針對相同鈦酸鉛參數之各種電場值的自發極化對溫度之曲線圖。在E、自由能G、P與T之間的關係係自自由能泛函得出，且可表達為：
在本發明之情況下，E值表示由在電極上之不受屏蔽電荷產生之場。電場值E亦包括自DC電壓源施加之小成極場(在施加外部成極場之情況下)。
圖20為針對各種E值的作為溫度之函數之熵值S的曲線圖，其中按伏特每公尺量測參數E。熵值與P2 成比例，且S=-α0 ．[PS (T,E)]2
其中熵值按J/(m3．K)量測。按以下表達式，參數α0與材料參數有關α1 =α0 (T-T0 )，其中T0 為居里-韋斯(Curie-Weiss)溫度，其為具有二階相轉變之材料的相轉變溫度，但對於一階轉變材料，具有不同值。
可與本發明一起使用之一熱力循環按理想形式描繪於圖22中。其具有兩個等溫步驟DA及BC，及保持極化恆定之兩個步驟CD及AB。在該循環之步驟BC後保留在電極上之殘餘電荷用以當鐵電體轉變回至鐵電相且總極化增加時使鐵電體成極。此循環可用以達成每個循環之高的電能輸出。本文中更詳細地描述此循環之特定操作。
如同使用本發明之任一循環，電極之放電在任一點處未完成。相反，藉由在放電在點C處完成前斷開電路，使小的不受屏蔽殘餘電荷留在電極上。系統與負載之阻抗必須匹配，使得在切斷外部成極場後之任何時間，去極化場不超過矯頑場。留下的殘餘電荷之量PL為足以建立將在轉變至鐵電相期間使自發電偶極成極之內部成極場之量。除了按需要提供成極場以外，通常需要允許自電極移除電荷，以便使在該循環之彼步驟期間抽取的電能之量最大化。必須用來產生內部成極場之殘餘電荷將視材料系統、鐵電層之組態及其他因素而定。PL之值由發生在TL等溫線上之局部自由能最大值處的P之值判定，在圖21中展示一例示性材料之針對各種T值的等溫線之曲線。藉由在該循環之點C處停止放電使得PL在彼局部自由能最大值處保持高於P之值，系統自發地鬆弛至點A，同時總極化增加至PH，而無外部施加之成極場。以實例說明，對於在T760 K下PbTiO3之鐵電樣本，PL0.15 C/m2通常建立足夠的成極場，如在圖21中指示。
與經由施加在每一循環期間自外部DC電壓源施加之場的成極相比，使用本發明之成極方法(藉以成極場由保留在電極上之殘餘不受屏蔽電荷建立)增強了每循環之淨能量輸出及器件之總效率。
開始於由圖22說明的特定循環之任意點C，材料處於相對高溫度TH下，且處於順電或反鐵電相。在鐵電體之表面上的電極已在點C處放電到僅足夠的殘餘電荷保留在電極上以提供當鐵電體循環回至其鐵電相時用於使鐵電體成極之足夠場的程度。將對應於彼最小成極場之極化值命名為PL。接著，在該循環之CD步驟期間，將鐵電體冷卻至相對低的溫度TL，同時電路斷開，使得總極化保持恆定在最小值PL。在CD步驟期間抽取之熱量對應於用以冷卻材料的可感測之晶格熱量。鐵電材料在點D處處於介穩態。
電路在該循環之點D處閉合。在DA步驟期間，在鐵電體處於TL下時等溫地抽取熱量QL，直至自發極化達到最大值PH。彼值PH可與由特定鐵電材料系統所准許一樣大，而不造成電崩潰或經由鐵電層之顯著電洩漏。在所有其他因素皆相等之情況下，達到高PH值將通常對應於在每一循環中的電能之較大輸出。PH將視鐵電材料系統、鐵電層之組態及其他因素而變化。在鈦酸鉛樣本之說明性情況下，PH可具有0.4 C/m2之值，如在圖21中所示。
在DA步驟期間，電路閉合，使得電流自鐵電體之一側上的電極流動至在鐵電體之相反側上的電極，直至產生等於鐵電體之表面上的相反束縛電荷之屏蔽電荷。又，在該循環之DA步驟期間，在點D處由電極上之不受屏蔽電荷產生的小殘餘場使所得偶極朝向一個方向定向，亦即，其變得成極。在DA步驟期間抽取之熱量QL大致對應於相轉變之潛熱。在DA步驟期間，材料系統自在點D處之介穩態鬆弛至在點A處之穩定狀態。在DA步驟期間，藉由與在步驟BC期間產生之電流方向相反的電流產生電力。在步驟DA期間產生之電力可放電至外部電路以執行電功。如其他處指出，可存在可藉由跨越在鐵電層上之表面上之電極自一DC電壓源施加外部場來達成成極之情況，諸如，初始循環。在彼等場合，在系統上執行電功，而非由系統產生電功。
在該循環之下一個步驟AB中，電路斷開，且在恆定極化下將鐵電體加熱至高於材料轉變溫度之TH。在AB步驟期間輸入之熱量對應於用以將材料加熱至TH的可感測之晶格熱量。在此步驟中輸入與在步驟CD中經移除以冷卻晶格相同量的熱量，因此准許完美地再生及達到卡諾效率。
在該循環之點B處，鐵電體再次處於介穩態下，且電路閉合。在BC步驟期間添加之熱量QH等於對應於極化之改變的焓改變。在彼步驟期間，電極上之屏蔽電荷變得不受屏蔽，且大部分放電至外部電路內以執行電功。在點C處之總極化減小至PL，在該點，電路斷開以防止在電極上的不受屏蔽電荷之進一步放電。
在電腦控制下操作之控制電路用以根據該循環之各種步驟造成熱量之添加及抽取。在電腦控制下作用之控制電路亦根據循環使電路斷開及閉合。
在該循環之若干步驟期間自穩定狀態至介穩態的材料系統之轉變或自介穩態至穩定狀態的材料系統之轉變由蘭道-卡拉尼科夫(Landau-Khalatnikov)時間相依相轉變理論良好地描述，該理論可用以使負載之回應時間與自介穩態之轉變時間匹配。
TH及TL分別高於轉變溫度及低於轉變溫度，以便允許相變。視材料之特性(諸如，晶體結構之均質性)而定，TH及TL可與轉變溫度相差數攝氏度或更少。TH及TL亦可與轉變溫度相差相當大的量，例如，相差20攝氏度或更多。
熟習此項技術者應認識到，圖22中說明之循環描繪按一理想方式執行之循環。實務上，通常可能存在與該循環之理想或完美等溫或恆定極化步驟之偏離及與在PH與PL之間的完美循環之偏離。本發明之意圖並不在於限於理想或完美之循環，而實情為，意圖揭示藉由採用保留在電極上之殘餘不受屏蔽電荷作為成極場之來源進行成極之裝置及方法。應認識到，本發明將通常經實踐，使得實際成極可在一定程度上與理想脫離。
可使用根據自由能泛函計算之值評估特定熱力循環之穩固性。圖21與圖17一樣，為依據溫度T及極化P的自由能泛函之曲線圖之一實例，其中材料參數表示鈦酸鉛PbTiO3 之樣本，其中Tc766K。個別曲線圖係針對材料之各種溫度。圖21包括在圖22中描繪及本文中描述的循環之點之名稱(A、B、C及D)，該循環具有兩個等溫步驟及極化恆定之兩個步驟。用於圖21及圖22中之T及P之值僅為說明性的，且並不意欲表明其為理想的或唯一的。
圖23說明針對在圖22中描繪之循環的作為溫度之函數之熵值。僅考慮極化對自由能之影響。在該說明中忽視可對熵值改變有影響之其他可能自由度，諸如，晶格熱量及聚合物主鏈。在彼等其他因素可忽略之情況下，甚至在不存在再生之情況下，循環為等熵的。
在其他實施例中，在不施加外部場之情況下提供成極之本發明可與任一其他熱力循環一起利用。本發明僅需要在放電後有足夠的電荷保留在電極上以提供足夠用於成極之電場。在本發明之又一實施例中，可在鐵電材料不嚴格進入順電或反鐵電相之循環中進行按此方式之成極。相反，可使用鐵電材料始終保持處於其鐵電相、但自較大極化程度循環至較少極化程度之循環。在一個此實施例中，圖22中描繪之循環相同，但TH不足以使材料變得嚴格順電或反鐵電。在此實施中之最小PL將為大於零之某一值。其特定值將視材料系統及TL而定，且特定言之，視TL與造成完全轉變離開鐵電相相隔多遠而定。
圖3示意性展示在鐵電相中之鐵電模組500，其具有產生於鐵電層510之表面上的束縛表面電荷，及產生於電極522及524上的對應的屏蔽電荷。在例示性實施例中，(例如)藉由小的成極場，對準電偶極517，藉此使大的總淨自發極化能夠發生於鐵電層510中。所得大的淨自發極化在鐵電層510之表面512及514上產生非常密集的束縛電荷511及513。結果，電流流動至電極522及524。屏蔽電荷521及523藉此產生於電極522及524上，該等屏蔽電荷521及523等於在鐵電層510之表面512及514處的束縛電荷511及513，但在電荷上與束縛電荷511及513相反。在彼點，因為電極522及524為導體，所以電極522及524中之淨電場必要地可忽略或為零。鐵電層510中之束縛電荷511及513由對準之電偶極517及Ps產生，而電極522及524上之屏蔽電荷521及523又由束縛電荷511及513產生，且與彼等束縛電荷511及513相反。
當鐵電體經歷相轉變且變得順電或反鐵電時，鐵電層510中之自發極化消失。結果，在電極522與524之間的極其高之電位差下，電極522及524上之屏蔽電荷521及523變得不受屏蔽。精確的電位差將視特定鐵電體及模組之組態而定，但在介電質崩潰前藉由適當材料可達到超過30，000伏特之電位。
圖4及圖5展示根據本發明的熱量至電轉換器件600之另一實施例。在該例示性實施例中，器件600具有一鐵電層610、分別形成於鐵電層610之表面上的一對電極622及624，及關於該對電極622及624之一傳遞構件，該傳遞構件用於在鐵電層之表面上交替傳遞冷流體及熱流體，以便交替地在第一溫度TL<Tc下冷卻鐵電層610及在第二溫度TH>Tc下加熱鐵電層610；藉此鐵電層610之鐵電材料隨著溫度循環經歷在鐵電相與順電或反鐵電相之間的交替相轉變。
如圖4中所示，傳遞構件具有一第一流體通道631及一第二流體通道633、包括第一流體通道631及第二流體通道633之許多熱交換器632及634，及與熱交換器632及633連通之複數個控制閥660。
第一流體通道631及第二流體通道633經組態使得當冷流體穿過第一流體通道631及第二流體通道633中之至少一者時，朝向第一溫度TL冷卻鐵電層610，且當熱流體穿過第一流體通道及第二流體通道中之至少一者時，朝向第二溫度TH加熱鐵電層。分別經由(例如)管道640自散熱片644及熱源642供應冷及熱流體之流。
熱交換器632及634經調適用於交替地傳遞冷流體與熱流體之流，以便交替地在第一溫度TL下冷卻鐵電層610及在第二溫度TH下加熱鐵電層610。複數個控制閥660經調適用於控制冷及熱流體之流，以便圍繞鐵電模組之各別轉變溫度循環鐵電模組。由微控制器控制之複數個控制閥660連接至加熱及冷卻流體中之熱電偶，且附接至鐵電體，且可使用溫度及其他資料(諸如，鐵電體之電容)控制控制閥660之打開及關閉。亦可分別監視在一或多個位置處的熱及冷流體中之壓力。使鐵電體之冷卻及加熱與電路之斷開及閉合協調(所有皆在經受電腦控制的控制電路之引導下)，以達成圖22中描繪且本文中描述之循環。藉由直接監視尤其鐵電體之溫度(用諸如熱電偶或閘流體之器件)、加熱及冷卻流體之溫度、鐵電系統之電容、與鐵電層之總體溫度相關之電容、鐵電層之極化及/或熱及冷流體之壓力(特定言之，在兩相熱交換器組態中)，協調電及熱循環。亦可監視在電極622及624上的無束縛電荷之範圍且可將其用於控制循環，且尤其，用於判定在鐵電層110轉變至其鐵電相期間由彼電荷產生之場保持足以使偶極成極之時間。
圖6根據本發明之一實施例示意性說明連接至若必要則可用於成極之DC電源供應器且至用於接收產生之放電之外部負載電阻RL的熱量至電能轉換器件800。根據一實施例，一或多個監視器件(未圖示)附接至鐵電器件或嵌入於鐵電器件中以監視鐵電材料之溫度。舉例而言，可藉由一或多個熱電偶或閘流體或藉由監視器件之電容來進行此監視。另外，電阻器R1及R2可保持處於電路中以監視電流，此係因為與負載電阻RL相比，其具有可忽略之電阻。可藉由積分流經電阻器R1及/或R2的電流來監視極化。經由該循環，鐵電模組800藉由一或多個電腦中之控制電路控制(未描繪於圖示)的動作。其中，該一或多個電腦控制加熱及冷卻且控制開關S1。
實務上，只要器件將用以自熱量發電，鐵電模組600及800之循環就重複且在進行中。因此，循環之描述可開始於該循環中之任一點。為了說明在一實施例中的器件之操作之目的，最初假定鐵電模組600或800處於圖22中描繪的循環之點C處。在彼點，開關S1斷開，且鐵電層810處於TH，且極化處於PL。如其他處所描述，PL之值對應於建立足夠用於當鐵電層810轉變至鐵電相時使自發引起之電偶極成極之場的殘餘無束縛電荷。當開關S1保持斷開時，藉由熱量之抽取，將鐵電層810冷卻至TL，從而將該循環帶入至圖22中之點D。保持開關S1斷開防止電荷流至電極822及824或自電極822及824流動，使得在該循環之AB步驟期間，極化保持處於PL。
在第一循環後的本發明之通常操作中的循環之點D處，開關S1切換至如圖6上展示之位置B，其閉合電極822及824與負載電阻RL之間的電路。當開關S1處於位置B中時，對應於圖22中描繪的循環之步驟DA，在TL下等溫地自鐵電層810抽取熱量。在步驟DA中，極化保持其方向，但在量值上增長至值PH。藉此自發地產生對應於在圖23中之點D與A之間的自由能差的大的電能量。所得總自發極化Ps在鐵電層810之表面上產生非常大的束縛電荷。彼等束縛電荷使屏蔽電荷產生於電極822及824上，屏蔽電荷與在鐵電層810之表面處之束縛電荷相等且相反。在該循環之DA步驟期間抽取之熱量QL對應於相轉變之焓。在點A處，鐵電層810中之自發極化處於最大值PH，且電極中之淨電場可忽略，此係因為電極現在載有足夠電荷以平衡束縛電荷(歸因於PH)。在步驟DA期間，自發產生對應於在圖21中之點D與A之間的自由能差的大量電能。圖3說明(1)為對準之電偶極與Ps之結果的在鐵電體中之束縛電荷，及(2)與彼等束縛電荷相反的在電極上出現之屏蔽電荷，如將發生在該循環之點A處(但在點A處，負載電阻RL將不像在圖3中所描繪地處於電路中)。
在一實施例中，當開關S1處於位置A中時，DC電壓源包括於電路中，且在第一循環中，或若因任何原因在操作期間在該循環之點D處來自電極822及824上之殘餘電荷的場變得不足以使鐵電層810成極，則彼電壓源可用於成極。在彼情況下，在該循環之點D處，開關S1切換至位置A，且跨越鐵電層施加一DC電壓以在轉變期間使自發引起之偶極成極。成極所需之電壓視材料而定，但與自鐵電器件800放電電荷之電壓相比較小。除了在此等情況下成極所需之最小量以外，不需要跨越鐵電層810施加電壓，且電壓間斷。當極化達到PH時，開關S1斷開至圖6中說明之中間位置，且器件處於圖22之循環中的點A處。
足夠用於成極之場視特定材料、其幾何形狀、器件在單級或是多級組態中操作及其他因素而定。最小成極場通常將具有相同強度，不管其是否由在該循環之點C及D處在電極822及824上之殘餘電荷建立，或其是否自一外部DC電壓源強加。以實例說明，對於大致1.0 mm厚度的一些單級基於鉛的陶瓷鐵電體而言，藉由大致200伏特之電壓可達成足夠的成極場。相比之下，在電功率輸出期間，產生之電壓可超過6,000伏特。在不成極之情況下，當材料處於鐵電相時，單位晶胞將自發展現電偶極，但總體合計而言，偶極將不對準。此對準對於達成由本發明採用之高的總Ps值係至關重要的。
在圖22中描繪的循環之AB步驟期間，開關S1斷開，且將鐵電層810加熱至TH，使得其轉變出鐵電相。因為開關斷開，所以防止電極上之無束縛電荷在發生於AB步驟期間之晶格加熱期間放電，此又使總極化保持處於PH。
在該循環之點B處，開關S1切換至位置B，且在TH下將熱量等溫地添加至鐵電層810，使得將大量電能自鐵電模組800釋放至負載RL。當自電極822及824移除電荷時，電荷在非常高的電壓下由負載電阻器RL或由可用以儲存、傳輸或利用電以做功之任一其他合適器件接收。當保留在電極822及824上之自由電荷已減小至足以建立一場以在轉變回至鐵電狀態期間使自發偶極成極之最小值時，藉由斷開開關S1停止自電極抽取電能，其對應於該循環之點C。在彼點處之總極化為PL，且鐵電層810處於TH。
在一實施例中，當開關S1處於位置B中時，一全波整流器(未圖示)包括於該電路中。該整流器使電流流動至電極822及824及自電極822及824流動，以在負載RL處具有同一方向，而不管電流在該循環之BC或是DA步驟期間發生。此全波整流器可由(例如)橋接電路組成。以此方式整流信號可簡化在循環期間產生的電能之隨後使用或儲存，且將大體上增加可用於外部使用之總能量。
在另一實施例中，鐵電材料不依據圖22中闡明且如本文中其他處描述之熱力循環而循環。相反，鐵電模組可藉由任一熱力循環來被循環。此熱力循環允許鐵電材料從一鐵電狀態至順電或反鐵電狀態中被循環。其中，此鐵電狀態之自發偶極已成極；此順電或反鐵電狀態維持極化使得其不減小至低於最小位準PL，而PL對應於產生足以在轉變至鐵電相期間成極之場的極化位準。圖24展示在加熱階段期間產生的量測之電流，其由永久極化之改變產生，改變對應於50 μm厚度之P(VDF-TrFE)共聚物薄膜之不同替續器接通溫度。負載電阻器RL具有10 MΩ之電阻，且分別選擇量測電阻器R1及R2處於0及22 kΩ。歸因於共聚物之稍微寬的轉變，水平軸已經大大地擴大，其使原始峰值(線1)看起來平。圖24中之線2-6展示隨著增加延遲溫度(時間)產生之電。此等線對應於圖22中展示的熱力循環中之AB步驟。在樣本上產生之電位(場)隨著延遲溫度愈大而顯著地增大，達到藉由線1之原始峰值獲得之電位的約10倍。隨著延遲溫度愈大而增大電位對應於在恆定極化(AB步驟)下沿著溫度軸的矩形循環之擴大。在熱力學上，此導致較大的效率。如所預期，積分之強度很大程度上保持恆定。
經由該循環，熱循環及電輸入及輸出受電腦控制。在該循環之各種步驟期間的加熱及冷卻由微控制器使熱與冷流體交替地引導至鐵電模組800來實現。可藉由使用微控制器結合電腦及控制電路獲取如可適合於一特定應用及適合於一特定加熱及冷卻系統之不同控制。在一實施例中調節至鐵電體之加熱及冷卻流體之流的控制閥說明於圖4及圖5中。電腦控制自熱電偶或監視加熱及冷卻流體中及鐵電材料中之溫度之其他器件接收溫度值。亦可監視熱及冷流體中之壓力。電腦控制亦監視如(例如)由如圖6中展示之電阻器R1及R2量測之極化及負載電流。可藉由積分流經電阻器R1及/或R2之電流來監視極化。電腦及控制電路控制熱交換器以引起鐵電模組之適當的熱循環。在電腦控制下接收此監視資料之微控制器亦引導開關S1之位置。替代熱電偶或閘流體或除了熱電偶或閘流體之外，可將一或多個控制鐵電體之電容或其他量測結果用作監視器及用以藉由控制電路控制循環及切換之時序。
參看圖7，根據本發明之一實施例展示用於操作用於將熱量轉換至電能的本發明器件之方法900。在一實施例中，方法900包括下列步驟：在步驟910處，提供一鐵電層。鐵電層包含特徵為居里溫度Tc之鐵電材料。一對電極分別定位於鐵電層之第一表面及第二表面上，其中電導線自電極行進至外部電路。該等電極包含一導熱且導電材料。
在步驟920處，交替地傳遞冷流體及熱流體以便交替地將鐵電層冷卻至比居里溫度Tc低之第一溫度TL及將鐵電層加熱至比居里溫度Tc高之第二溫度TH。在步驟920期間，電路斷開，使得冷卻及加熱發生在實際上恆定極化下，同時發生晶格冷卻及加熱。冷流體及熱流體可交替地由熱交換器、控制閥或類似者傳遞，與資料監視器協調地且在來自控制電路之引導下受到控制。
在步驟930處，交替地傳遞冷流體及熱流體以便交替地在比居里溫度Tc低之第一溫度TL下等溫地自鐵電層移除熱量，及在比居里溫度Tc高之第二溫度TH下等溫地將熱量添加至鐵電層。在步驟930期間，電路閉合，使得當極化自PL改變至PH時發生熱量之移除，及當極化自PH改變至PL時發生熱量之添加。冷流體及熱流體可交替地由熱交換器、控制閥或類似者傳遞，與資料監視器協調地且在來自控制電路之引導下受到控制。
在步驟940處，其中鐵電材料最初處於介穩態下，鐵電材料中的晶疇之自發極化在溫度TL下成極，以便在該對電極上產生電性相反之屏蔽電荷。成極場由在鐵電層之表面上的電極上之殘餘電荷提供，在該循環之放電步驟期間未抽取該等殘餘電荷。保留之殘餘電荷為當鐵電層轉變回至其鐵電相時足以建立一成極場之電荷。在另一實施例中，當必要時，藉由將小的外部場施加至鐵電層來執行成極。
在步驟950處，在TH下將熱量等溫地添加至鐵電層，且電路閉合。在非常高的電壓下，將對應於在該對電極上的所產生之電性相反之屏蔽電荷的電輸出至外部電路。並非在該對電極上的所有電性相反之屏蔽電荷皆被放電。電路斷開，以允許保留在電極上之足夠的殘餘電荷提供用於成極之場。
應注意，雖然器件之必要功能發生在具有一給定鐵電材料之單一層中，但本發明通常可在實際應用更為有用，且可自許多鐵電材料組合於一系列級中之特定熱源產生更大量的電能。在熱源與散熱片之間的溫差較小之一些應用中，單一層可為適當的。雖然彼情形允許用於將熱量轉換至電之較不穩固機會，但彼為熱力學之不可避免的結果，其規定將熱能轉換至另一形式之能量或功的任一系統之最大效率為卡諾效率，ηc=ΔT/TH。在ΔT較大之應用中，可能需要利用包括一系列鐵電材料之多級轉換模組，該等鐵電材料具有對應於TH與TL之間的可利用溫度之一連串相轉變溫度。保證多級處理的ΔT之量值將取決於特定應用及使用之材料系統而變化。可存在適合在相對大的ΔT(例如，100℃或以上)上操作單一器件之應用，且結合熱再生技術，情況可尤其如此。
存在可按具有多個鐵電體(具有多個相轉變溫度)之多級格式使用本發明之基本原理之許多組態或實施例，此處將描述該等實施例中之若干者。藉由提供此等描述，並不意欲將本發明限於此等組態，其僅為說明性的。又，在此等描述及實施例參考居里溫度Tc之情況下，應理解，該等描述同等地可適用於鐵電相存在於高於轉變溫度之溫度下且在低於彼轉變溫度時材料為順電之鐵電體；可適用於轉變在鐵電相與反鐵電相之間的鐵電體；及可適用於可極化聚合物。
圖8展示具有複數個鐵電模組FM1、FM2、……、FMn-1及FMn之裝置1000，該等鐵電模組按一陣列排列以擴大與熱交換器界面連接之工作表面，以便增加可自熱源接收且轉換至電能的熱能之量。電輸出由連接至每一模組之電極的匯流排1001移除。
在多層組態中，可按經形成以便使熱導率最大化之堆疊排列一系列鐵電層。將所得多層鐵電結構置放於一對電極之間，該多層鐵電結構類似於如上文揭示之單層器件。此組態由圖9及圖10圖解說明。依序的層FE1、FE2……FEn-1及FEn由相同的鐵電材料或實質上不同的鐵電材料形成。居里溫度Tc1、Tc2……Tcn-1及Tcn對應於依序層FE1、FE2……FEn-1及FEn中之鐵電材料。在一實施例中，多層鐵電材料經陣列排列使得Tci+1>Tci。在一實施例中，伴隨著如本文中針對單層器件所描述之成極及放電，接著熱且電循環組合之多層模組，使得每一個別層圍繞其相轉變溫度循環。藉由此多層組態，如圖9及圖10中所示，在循環之放電步驟期間在高電壓下移除之電能與在電極與命名為FE1及FEn之鐵電材料之接合點處的總自發極化Ps有關，該極化由一起起作用的每一FE層之累積自發極化產生。
參看圖11，根據本發明展示多層鐵電器件1300之另一實施例。多層鐵電器件1300之此組態類似於如在圖9中揭示之器件，但將分開的電極置放於每一鐵電層之間。舉例而言，鐵電層FE1與FE2由電極1321分開，而鐵電層FEn-1與FEn由電極1328分開。此等電極1320、1321……1328及1329由導熱且導電材料形成。器件1300之熱及電循環及操作類似於如在圖9及圖10中揭示之器件。然而，來自器件的電能之提取不同。在此組態中，在該循環期間，自所有電極1320、1321……1328及1329抽取電能，如在圖11中所示。自電極1320、1321……1328及1329抽取之電能可接著經由連接導線輸送至負載電阻或至匯流排以用於輸出至此外部電路及按需要使用。
圖12示意性展示多層鐵電器件1400之一替代實施例。多層鐵電器件1400之此組態類似於如在圖11中揭示之器件，但每一鐵電層與鐵電材料之鄰近層相隔兩個電極，該兩個電極又由電絕緣體1480分開，電絕緣體1480經選擇以最低限度地阻礙熱轉移
圖13示意性說明具有一系列不同相轉變溫度Tc1至Tcn的n個個別鐵電模組之系統，該等不同相轉變溫度位於在熱源之溫度TH與散熱片之溫度TL之間的增大(或減小)序列中，且藉由一熱交換器系統操作以便使每一鐵電級FEi圍繞其各別相轉變溫度Tci循環。在此組態中，相轉變溫度在不同鐵電層FE1、FE2……FEn-1及FEn間有變化。如圖13中所示，如圖4中展示之一系列單層器件按一堆疊排列。每一單層器件藉由選擇性加熱及冷卻個別鐵電模組之熱交換器操作，使得第i層圍繞其各別相轉變溫度Tci熱循環。在此組態中，將鐵電模組與使每一鐵電模組FMi圍繞其轉變溫度Tci循環的網路化之熱交換器整合。熱交換器可經互連以有助於再生性加熱及冷卻，或有助於操作具有降低之溫度的級聯之鐵電模組。鄰近的熱交換器可藉由熱絕緣體1580相互熱絕緣，如在圖13中所示。在此系統中，熱電偶經定位，使得貫穿系統監視加熱及冷卻流體之溫度，以及個別模組中的鐵電體之溫度或電容。在一控制電路中起作用的微控制器之系統接著按本文中針對單級器件描述之成極及熱及電循環之格式及方法引導在適當溫度下之加熱及冷卻流體以使每一鐵電級FEi圍繞其各別相轉變溫度Tci循環。在一實施例中，各種鐵電級FEi之每一循環經歷如本文中針對單級描述的經協調之熱及電循環，該循環具有兩個等溫步驟及將層中之總極化維持恆定之兩個步驟。自電極抽取之電能可經由連接導線輸送至負載電阻或至匯流排以用於輸出至此外部電路及可按需要使用。
總之，本發明尤其揭示用於藉由使用展現隨溫度改變的自發極化之改變之一或多個鐵電或其他可極化材料將熱量轉換至電之裝置及方法。鐵電或其他可極化材料在高於及低於相轉變溫度之溫度之間循環，以利用自發極化之改變。在該循環之一步驟期間，施加一成極場，使得將所得偶極偏壓於一個定向上-亦即，其變得成極。彼成極場由在放電後保留在鐵電體之表面上的電極上之殘餘電荷產生。藉由以此方式控制鐵電體之循環，與其他循環格式相比，在每一循環期間放電的電能之量得以增強。雖然該器件可與單個此種鐵電材料一起使用，但在一些應用中，藉由使用具有在用於應用之熱源之溫度與散熱片之溫度之間的溫度範圍上變化之一連串相轉變溫度的一系列鐵電體，可達成熱量至電之更穩固轉換。藉由顛倒該過程，可達成電熱冷卻。
僅為了說明及描述之目的而呈現本發明之例示性實施例之前述描述，且其並不意欲為詳盡的或將本發明限制於揭示之精確形式。按照上述教示，可能作出許多修改及變化。
選擇及描述該等實施例以便解釋本發明之原理及其實際應用，以便啟發其他熟習此項技術者利用本發明及各種實施例，及適合於設想之特定用途的各種修改。在不脫離本發明之精神及範疇的情況下，替代實施例將對熟習本發明關於之技術者變得顯而易見。因此，本發明之範疇由隨附申請專利範圍而非本文中描述之前述描述及例示性實施例界定。
100．．．單級鐵電轉換器件/裝置
110．．．鐵電層
112．．．第一表面
114．．．相反第二表面
122．．．電極
124．．．電極
132．．．熱交換器
134．．．熱交換器
140．．．傳遞
152．．．電導線
154．．．電導線
210．．．鐵電體
212．．．第一表面
214．．．相反第二表面
215．．．晶疇
216．．．鐵電層體
217．．．偶極
500．．．鐵電模組
510．．．鐵電層
511．．．束縛電荷
512．．．鐵電層之表面
513．．．束縛電荷
514．．．鐵電層之表面
517．．．電偶極
521．．．屏蔽電荷
522．．．電極
523．．．屏蔽電荷
524．．．電極
600．．．熱量至電轉換器件
610．．．鐵電層
622．．．電極
624．．．電極
631．．．第一流體通道
632．．．熱交換器
633．．．第二流體通道
634．．．熱交換器
640．．．管道
642．．．熱源
644．．．散熱片
660．．．控制閥
800．．．鐵電模組
810．．．鐵電層
822．．．電極
824．．．電極
900．．．用於操作用於將熱量轉換至電能的本發明器件之方法
1000．．．裝置
1001．．．匯流排
1300．．．多層鐵電器件
1320．．．電極
1321．．．電極
1328．．．電極
1329．．．電極
1329．．．電極
1400．．．多層鐵電器件
1480．．．電絕緣體
1580．．．熱絕緣體
FE1 ．．．鐵電層
FE2 ．．．鐵電層
FEn-1 ．．．鐵電層
FEn ．．．鐵電層
FM1．．．鐵電模組
FM2．．．鐵電模組
FMn-1．．．鐵電模組
FMn．．．鐵電模組
FMn-1．．．鐵電模組
R1．．．電阻器
R2．．．電阻器
RL．．．負載/負載電阻/負載電阻器
S1．．．開關
圖1示意性地為根據本發明之一實施例的用於將熱量轉換至電能之鐵電器件之橫截面圖，該鐵電器件利用在溫度循環中發生的自發極化之改變產生可在高電壓下移除至外部電路的電荷；
圖2示意性說明在鐵電體中的晶疇之對準，其中(a)說明未成極之隨機定向，其中每一晶疇由將在彼個別晶疇中類似地定向之大量電偶極組成；(b)說明偶極在同一總方向上定向之實質上成極之材料；及(c)說明一理想的、完全成極之鐵電體，其通常僅在關於材料之原子及分子結構之特殊條件下獲得；
圖3示意性說明在鐵電結構/層之表面上之束縛電荷及當存在相當大的淨自發極化Ps(在不存在外部場之情況下，其亦可表示為Pr)時在電極之鄰近表面上誘發之相反屏蔽電荷；
圖4示意性展示根據本發明之另一實施例的用於將熱量轉換至電能之鐵電器件之橫截面圖；
圖5示意性展示如圖4中展示的鐵電器件之透視圖；
圖6示意性展示根據本發明之一實施例的用於與電阻性負載一起操作之鐵電發電機；
圖7為根據本發明之一實施例的用於將熱量轉換至電能之過程之流程圖；
圖8示意性展示根據本發明之一實施例的用於將熱量轉換至電能之鐵電器件；
圖9示意性展示根據本發明之另一實施例的用於將熱量轉換至電能之鐵電器件；
圖10示意性展示根據本發明之又一實施例的用於將熱量轉換至電能之鐵電器件；
圖11示意性展示根據本發明之一替代實施例的用於將熱量轉換至電能之鐵電器件；
圖12示意性展示根據本發明之另一實施例的用於將熱量轉換至電能之鐵電器件；
圖13示意性展示根據本發明之再一實施例的用於將熱量轉換至電能之鐵電器件；
圖14示意性說明自(a)鈣鈦礦晶體之順電立方狀態至(b)四邊形組態之偏移，後者反映具有由單位晶胞之變形引起的位移離子之鐵電狀態，藉此使單位晶胞成為電偶極，其與貫穿材料之其他偶極總計而引起自發極化Ps；
圖15示意性說明在鐵電狀態中的KNbO3之分別在角及面上的鉀及氧離子之位移，其中離子位移產生自發極化；
圖16說明當在鐵電相中時在鈣鈦礦鈦酸鋇BaTiO3之單位晶胞中發生且引起自發極化Ps的離子位移之量值；
圖17為使用用於鈦酸鉛PbTiO3 之樣本的參數的依據溫度T及極化P之自由能泛函之曲線圖。G為吉布斯自由能。溫度按克耳文(Kelvin)量測；極化按C/m2量測；且自由能G按J/m3量測。極化為全熱力變數，且其表示由G(T,P)描述之全極系。
圖18為鈦酸鉛PbTiO3之樣本的作為溫度之函數的自由能之曲線圖。極化恆定在P=0.4 C/m2。
圖19為在各種電場值E下的極化之曲線圖。溫度按克耳文量測，且E場值單位為伏特每公尺。
圖20為鈦酸鉛PbTiO3之樣本的針對各種E場值的作為溫度之函數的熵值之曲線圖。溫度按K量測，且熵值按J/m3‧K之單位量測。
圖21為針對各種溫度值的作為極化之函數之自由能之曲線圖。疊加於曲線圖上的為由本發明揭示的熱力循環之步階。極化為全熱力變數，且其表示由G(T,P)描述之全極系。
圖22為鐵電體之熱力循環之說明，其中兩個步驟為等溫的且兩個步驟為等極化的。QL及QH指示分別在等溫步驟期間的熱量之移除及添加。
圖23說明針對在圖22中描繪之循環的作為溫度之函數之熵值。僅考慮極化對自由能之影響。忽視其他自由度，諸如，晶格熱及聚合物主鏈。
圖24展示在加熱階段期間的量測之電流產生，其由永久極化之改變產生，該等改變對應於具有50 μm厚度之P(VDF-TrFE)共聚物薄膜之不同替續器接通溫度。
100．．．單級鐵電轉換器件/裝置
110．．．鐵電層
112．．．第一表面
114．．．相反第二表面
122．．．電極
124．．．電極
132．．．熱交換器
134．．．熱交換器
140．．．傳遞
152．．．電導線
154．．．電導線

Claims (54)

  1. 一種用於將熱量轉換至電能之裝置，其包含：一第一電極，其由一導熱且導電材料形成；一第二電極，其由一導熱且導電材料形成，其中該第二電極與該第一電極間隔開；在該第一電極與該第二電極之間的一或多個可電極化材料層；一或多個熱交換器，其用於自該一或多個可電極化材料層移除熱能或將熱能添加至該一或多個可電極化材料層；一控制電路，該控制電路：藉由使用該一或多個熱交換器交替地將熱能添加至該一或多個可電極化材料層及自該一或多個可電極化材料層抽取熱能而在一第一溫度T1 與一第二溫度T2 之間熱循環該一或多個可電極化材料層，其中該可電極化材料在T1 下展現自發極化，且其中由該可電極化材料在T2 下展現之該自發極化比由該可電極化材料在T1 下展現之該自發極化小；其中一DC成極電壓經施加至該一或多個可電極化材料層，使得當該材料處於包括該溫度T1 的該循環之一第一部分中時，該可電極化材料產生一總淨自發極化且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；及其中該第一電極及該第二電極連接至一負載，使得當該可電極化材料處於包括該溫度T2 的該循環之一第二部分中時，電能自該第一電極及該第二電極輸出至該負載；及其中在電能輸出至該負載後殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上，且其中該等殘餘電荷提供用於下一個循環之 該DC成極電壓。
  2. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中在電能輸出至該負載後，留在該第一電極及該第二電極上之該等殘餘電荷使得該所得極化超過當該可電極化材料自該溫度T1 熱循環至該溫度T2 時發生的在局部自由能最大值下之該極化。
  3. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該控制電路進一步包含一在一電路中與該第一電極及該第二電極及該負載連接之全波整流器。
  4. 如請求項3之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中當在該初始循環後進行熱循環時，該第一電極及該第二電極保持連接至該負載。
  5. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，該控制電路：在每一循環之該第二部分期間，將該第一電極及該第二電極連接至該負載；及在每一循環之該第一部分期間，將該DC成極電壓施加至該一或多個可電極化材料層。
  6. 如請求項5之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該控制電路在每一循環期間在該DC成極電壓與該負載之間切換該第一電極及該第二電極，使得在每一循環期間該第一電極及該第二電極連接至該DC成極電壓或該負載。
  7. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中T2 比T1 高。
  8. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中T1 比T2 高。
  9. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該一或多個可電極化材料層中之每一者具有一相轉變溫度，在該相轉變溫度處在該材料展現自發極化之一相與該材料不展現自發極化之一相之間轉變。
  10. 如請求項9之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該可電極化材料在該溫度T1 及T2 下處於展現自發極化的該相中。
  11. 如請求項9之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該可電極化材料在該溫度T1 下處於展現自發極化的該相中，且其中該可電極化材料在該溫度T2 下處於不展現自發極化的該相中。
  12. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該可電極化材料為一可電極化非晶形聚合物材料。
  13. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該一或多個可電極化材料層中之每一者包含一具有一居里溫度Tc 之鐵電材料，使得當該鐵電材料之該溫度比該居里溫度Tc 低時，該鐵電材料處於一鐵電相，且當該鐵電材料之該溫度比該居里溫度Tc 大時，該鐵電材料處於一順電或反鐵電相。
  14. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進一步包含一DC電壓源，在該初始循環期間，該控制電路將來自該DC電壓源之一DC成極電壓施加至該一或多個可電極化材料層。
  15. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進一步包含一用於量測保留在該第一電極及該第二電極上的殘餘電荷之量之器件，當該殘餘電荷達到一預定位準時，該控 制電路將該第一電極及該第二電極與該負載斷開連接。
  16. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該一或多個熱交換器中之每一者包含一器件，其用於將一或多個流體之一流傳遞至該一或多個可電極化材料層或至與該一或多個可電極化材料層直接或間接接觸之一材料，使得在該一或多個流體與該一或多個可電極化材料層之間交換熱能。
  17. 如請求項16之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進一步包含一用於監視該一或多個流體之溫度之溫度量測器件及/或一用於監視該一或多個流體之壓力之壓力量測器件。
  18. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中一或多個流體通道形成於該第一電極及該第二電極中之每一者中、上或鄰近該第一電極及該第二電極中之每一者形成，且其中使該一或多個熱交換器將一或多個流體傳遞至該等流體通道，使得在該一或多個流體與該一或多個可電極化材料層之間交換熱能。
  19. 如請求項16之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進一步包含用於控制該一或多個流體之該流的複數個控制閥。
  20. 如請求項19之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進一步包含一或多個微控制器，其中該複數個控制閥由一或多個微控制器控制。
  21. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進一步包含：一溫度量測器件，其用於監視該一或多個可電極化材料層之該溫度；一電容量測器件，其用於監視該一或多個可電極化材料層之電容；一極化量測器件，其用於監視該一或多個可電極化材料層之極化；及/或一電流量測器件，其用於監視去往及/或來自該等電極之該電流。
  22. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其包含在該第一電極與該第二電極之間按一堆疊排列之複數個可電極化材料層。
  23. 如請求項22之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該等可電極化材料層中之每一者包含相同可電極化材料。
  24. 如請求項22之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該複數個可電極化材料層包含至少兩種不同可電極化材料。
  25. 如請求項22之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該堆疊中至少兩個鄰近的可電極化材料層由一由一導熱且導電材料形成之電極分開。
  26. 如請求項22之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中至少兩個鄰近的可電極化材料層由兩個電極分開，每一電極由一導熱且導電材料形成，且其中該兩個電極由一電絕緣體分開。
  27. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該控制電路包含一具有一斷開位置及第一及第二閉合位置的開關，其中該開關連接於該第一電極與該第二電極之間，且其中：當該開關處於該斷開位置中時，電流不在該第一電極與該第二電極之間流動；當該開關處於該第一閉合位置中時，該DC電壓源跨越該第一電極及該第二電極而連接；及當該開關處於該第二閉合位置中時，該負載跨越該第一電極及該第二電極而連接。
  28. 如請求項27之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該控制電路進一步包含一第一電阻器及一第二電阻器，其中：當該開關處於該第一閉合位置中時，該第一電阻器與該DC電壓源串聯；及其中當該開關處於該第二閉合位置中時，該第一電阻器及該第二電阻器與該負載串聯。
  29. 如請求項27之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該控制電路進一步包含一電儲存器件，且其中當該開關處於該第二閉合位置中時，該電儲存器件跨越該第一電極及該第二電極而連接。
  30. 如請求項7之用於將熱量轉換至電能之裝置，在該初始循環中，該控制電路：使用該一或多個熱交換器自該一或多個可電極化材料層抽取熱能以將該一或多個可電極化材料層冷卻至該溫度T1 ，同時在冷卻期間不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；隨後將該DC成極電壓施加至該一或多個可電極化材料層；使用該一或多個熱交換器自該一或多個可電極化材料層抽取熱能，同時將該DC成極電壓施加至該一或多個可電極化材料層且允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，使得該可電極化材料產生一總淨自發極化，且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；自該一或多個可電極化材料層移除該DC成極電壓；隨後使用該一或多個熱交換器將熱能添加至該一或多個可電極化材料層以將該可電極化材料加熱至該溫度T2 ，同時不允許電流在該等電極之間流動，其中在將該可電極化材料加熱至溫度T2 時，該DC成極電壓未施加至該一或多個可電極化材料層；隨後跨越一負載而連接該第一電極與該第二電極；及隨後在該等電極跨越該負載而連接時將熱能添加至該一或多個可電極化材料層，使得電荷自該第一電極及該第二電極放電，殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上以提供用於接下來的循環之該成極電壓；及在該初始循環後之隨後循環中，該控制電路：使用該一或多個熱交換器自該一或多個可電極化材料層抽取熱能以將該一或多個可電極化材料層冷卻至該溫度T1 ，同時在冷卻期間不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；使用該一或多個熱交換器自該一或多個可電極化材料層抽取熱能，同時允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，使得該可電極化材料產生一總淨自發極化，且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；隨後使用該一或多個熱交換器將熱能添加至該一或多個可電極化材料層以將該可電極化材料加熱至該溫度T2 ，同時不允許電流在該等電極之間流動；隨後跨越一負載而連接該第一電極與該第二電極；及隨後在該等電極跨越該負載而連接時將熱能添加至該一或多個可電極化材料層，使得電荷自該第一電極及該第二電極放電，殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上以提供用於該等接下來的循環之該成極電壓。
  31. 如請求項8之用於將熱量轉換至電能之裝置，在該初始循環中，該控制電路：使用該一或多個熱交換器將熱能添加至該一或多個可電極化材料層以將該一或多個可電極化材料層加熱至該溫度T1 ，同時在冷卻期間不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；隨後將該DC成極電壓施加至該一或多個可電極化材料層；使用該一或多個熱交換器將熱能添加至該一或多個可電極化材料層，同時將該DC成極電壓施加至該一或多個可電極化材料層且允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，使得該可電極化材料產生一總淨自發極化，且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；自該一或多個可電極化材料層移除該DC成極電壓；隨後使用該一或多個熱交換器自該一或多個可電極化材料層抽取熱能以將該可電極化材料冷卻至該溫度T2 ，同時不允許電流在該等電極之間流動，其中在將該可電極化材料冷卻至溫度T2 時，該DC成極電壓未施加至該一或多個可電極化材料層；隨後跨越一負載而連接該第一電極與該第二電極；及隨後在該等電極跨越該負載而連接時自該一或多個可電極化材料層抽取熱能，使得電荷自該第一電極及該第二電極放電，殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上以提供用於該等接下來的循環之該成極電壓；及在該初始循環後之隨後循環中，該控制電路：使用該一或多個熱交換器將熱能添加至該一或多個可電極化材料層以將該一或多個可電極化材料層加熱至該溫度T1 ，同時在冷卻期間不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；使用該一或多個熱交換器添加來自該一或多個可電極化材料層之熱能，同時允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，使得該可電極化材料產生一總淨自發極化，且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；隨後使用該一或多個熱交換器自該一或多個可電極化材料層抽取熱能以將該可電極化材料冷卻至該溫度T2 ，同時不允許電流在該等電極之間流動；隨後跨越一負載而連接該第一電極與該第二電極；及隨後在該等電極跨越該負載而連接時自該一或多個可電極化材料層抽取熱能，使得電荷自該第一電極及該第二電極放電，殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上以提供用於該等接下來的循環之該成極電壓。
  32. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之裝置，該控制電路：在將熱能添加至該一或多個可電極化材料層及/或自該一或多個可電極化材料層抽取熱能時將該對電極連接至該負載。
  33. 一種用於將熱量轉換至電能之方法，其包含：藉由交替地將熱能添加至一可電極化材料及自該可電極 化材料抽取熱能而在一第一溫度T1 與一第二溫度T2 之間熱循環該可電極化材料，其中該可電極化材料定位於第一電極與第二電極之間，每一電極由一導熱且導電材料形成，其中該可電極化材料在T1 下展現自發極化，且其中由該可電極化材料在T2 下展現之該自發極化比由該可電極化材料在T1 下展現之該自發極化小；其中一DC成極電壓經施加至該可電極化材料，使得當該可電極化材料處於包括該溫度T1 的該循環之一第一部分中時，該可電極化材料產生一總淨自發極化且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；及其中該第一電極及該第二電極連接至一負載，使得當該可電極化材料處於包括該溫度T2 的該循環之一第二部分中時，電能自該第一電極及該第二電極輸出至該負載；其中在電能輸出至該負載後殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上，且其中該等殘餘電荷提供用於下一個循環之該DC成極電壓。
  34. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其中在電能輸出至該負載後，該等殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上，使得該所得極化超過當將該可電極化材料自T1 熱循環至T2 時發生的在局部自由能最大值下之該極化。
  35. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含整流自該第一電極及該第二電極輸出至該負載的該電能。
  36. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其中T2 比T1 高。
  37. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其中 T1 比T2 高。
  38. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該可電極化材料具有一相轉變溫度，在該相轉變溫度處在該材料展現自發極化之一相與該材料不展現自發極化之一相之間轉變。
  39. 如請求項38之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該可電極化材料在該溫度T1 及T2 下處於展現自發極化的該相中。
  40. 如請求項38之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該可電極化材料在該溫度T1 下處於展現自發極化的該相中，且其中該可電極化材料在該溫度T2 下處於不展現自發極化的該相中。
  41. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該可電極化材料為一可電極化非晶形聚合物材料。
  42. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該一或多個可電極化材料層中之每一者包含一具有一居里溫度Tc 之鐵電材料，使得當該鐵電材料之該溫度比該居里溫度Tc 低時，該鐵電材料處於一鐵電相，且當該鐵電材料之該溫度比該居里溫度Tc 大時，該鐵電材料處於一順電或反鐵電相。
  43. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將熱能添加至該可電極化材料及自該可電極化材料抽取熱能包含將一或多個流體之一流傳遞至該可電極化材料或至與該可電極化材料直接或間接接觸之一材料，使得在該一或多個流體與該可電極化材料之間交換熱能。
  44. 如請求項43之用於將熱量轉換至電能之方法，其中 一或多個流體通道形成於該第一電極及該第二電極中之每一者中、上或鄰近該第一電極及該第二電極中之每一者形成，且其中該一或多個流體傳遞至該等流體通道內，使得在該一或多個流體與該一或多個可電極化材料層之間交換熱能。
  45. 如請求項43之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含監視該一或多個流體之溫度及/或該一或多個流體之壓力。
  46. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含監視下列中之一或多者：該可電極化材料之該溫度；該可電極化材料之電容；該可電極化材料之該極化；及/或流至該第一電極及該第二電極及/或自該第一電極及該第二電極流動之電流。
  47. 如請求項36之用於將熱量轉換至電能之方法，其中(a)在該初始循環中，該方法包含：(i)自該可電極化材料抽取熱能以將該可電極化材料冷卻至該溫度T1 ，同時不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；(ii)隨後藉由將該DC成極電壓施加至該可電極化材料而使該可電極化材料成極；(iii)自該可電極化材料抽取熱能，同時將該DC成極電壓施加至該可電極化材料且允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，使得該可電極化材料產生一總淨自發極化，且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；(iv)自該可電極化材料移除該DC成極電壓；(v)隨後將熱能添加至該可電極化材料以將該可電極化材料加熱至該溫度T2 ，同時不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，其中在將該可電極化材料加熱至該溫度T2 時，該DC成極電壓未施加至該可電極化材料；(vi)隨後跨越該負載而連接該第一電極與該第二電極；及(vii)在該第一電極與該第二電極跨越該負載而連接時將熱能添加至該可電極化材料，使得電荷自該第一電極及該第二電極放電，殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上以提供用於接下來的循環之該成極電壓；及(b)在該等接下來的循環中，該方法包含：(i)自該可電極化材料抽取熱能以將該可電極化材料冷卻至該溫度T1 ，同時不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；(ii)自該可電極化材料抽取熱能，同時允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，使得該可電極化材料產生一總淨自發極化，且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；(iii)隨後將熱能添加至該可電極化材料以將該可電極化材料加熱至該溫度T2 ，同時不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；(iv)隨後跨越該負載而連接該第一電極與該第二電極；及(v)在該第一電極與該第二電極跨越該負載而連接時將熱能添加至該可電極化材料，使得電荷自該第一電極及該第二電極放電，殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上以提供用於該等接下來的循環之該成極電壓。
  48. 如請求項47之用於將熱量轉換至電能之方法，其中在(b)(ii)期間，跨越該負載而連接該第一電極與該第二電極。
  49. 如請求項48之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含在(b)(ii)與(b)(v)期間整流穿過該第一電極與該第二電極之間的該電流。
  50. 如請求項37之用於將熱量轉換至電能之方法，其中(a)在初始循環中，該方法包含：(i)將熱能添加至該可電極化材料以將該可電極化材料加熱至該溫度T1 ，同時不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；(ii)隨後藉由將該DC成極電壓施加至該可電極化材料而使該可電極化材料成極；(iii)將熱能添加至該可電極化材料，同時將該DC成極電壓施加至該可電極化材料且允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，使得該可電極化材料產生一總淨自發極化，且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；(iv)自該可電極化材料移除該DC成極電壓；(v)隨後自該可電極化材料抽取熱能以將該可電極化材料冷卻至該溫度T2 ，同時不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，其中在將該可電極化材料冷卻至該溫度T2 時，該DC成極電壓未施加至該可電極化材料；(vi)隨後跨越一負載而連接該第一電極與該第二電極；及(vii)在該第一電極與該第二電極跨越該負載而連接時自該可電極化材料抽取熱能，使得電荷自該第一電極及該第二電極放電，殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上以提供用於該等接下來的循環之該成極電壓；及(b)在該等接下來的循環中，該方法包含：(i)將熱能添加至該可電極化材料以將該可電極化材料加熱至該溫度T1 ，同時不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；(ii)將熱能添加至該可電極化材料，同時允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動，使得該可電極化材料產生一總淨自發極化，且屏蔽電荷產生於該第一電極及該第二電極上；(iii)隨後抽取至該可電極化材料之熱能以將該可電極化材料冷卻至該溫度T2 ，同時不允許電流在該第一電極與該第二電極之間流動；(iv)隨後跨越一負載而連接該第一電極與該第二電極；及(v)在該第一電極與該第二電極跨越該負載而連接時抽取至該可電極化材料之熱能，使得電荷自該第一電極及該第二電極放電，殘餘電荷留在該第一電極及該第二電極上以提供用於該等接下來的循環之該成極電壓。
  51. 如請求項50之用於將熱量轉換至電能之方法，其中在(b)(ii)期間，該第一電極與該第二電極跨越該負載而連接。
  52. 如請求項51之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含在(b)(ii)與(b)(v)期間整流穿過該第一電極與該第二電極之間的該電流。
  53. 如請求項33之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該方法包含：在該對電極連接至該負載時，將熱能添加至該可電極化材料，及/或在該對電極連接至該負載時，自該可電極化材料抽取熱能。
  54. 如請求項38之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該方法包含：在自該可電極化材料展現自發極化之該相的該轉變中或期間，將該成極電壓施加至該可電極化材料；及在該對電極連接至該負載時，將熱能添加至該可電極化材料，及/或在該對電極連接至該負載時，自該可電極化材料抽取熱能。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8946538B2 (en) * 2009-05-14 2015-02-03 The Neothermal Energy Company Method and apparatus for generating electricity by thermally cycling an electrically polarizable material using heat from condensers
US9166139B2 (en) * 2009-05-14 2015-10-20 The Neothermal Energy Company Method for thermally cycling an object including a polarizable material
US8711599B2 (en) * 2010-10-04 2014-04-29 Nutech Ventures Polarization-coupled ferroelectric unipolar junction memory and energy storage device
US20140360547A1 (en) * 2013-06-06 2014-12-11 Hamilton Sundstrand Corporation Energy recovery and regeneration system
US9109818B2 (en) * 2013-09-20 2015-08-18 Palo Alto Research Center Incorporated Electrocaloric cooler and heat pump
WO2016037762A1 (en) * 2014-09-11 2016-03-17 Sicpa Holding Sa Pyroelectric generator
US20160076798A1 (en) * 2014-09-15 2016-03-17 Nascent Devices Llc Methods to enhance the performance of electrocaloric dielectric polymer
CN109477673B (zh) * 2016-06-27 2021-07-06 联合工艺公司 电热传热系统
US11581417B2 (en) * 2018-09-13 2023-02-14 Intel Corporation Improper ferroelectric active and passive devices
US11228197B2 (en) * 2019-04-17 2022-01-18 The Hong Kong University Of Science And Technology Energy conversion system and method by phase transforming materials
CN112487616B (zh) * 2020-11-18 2024-04-09 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 基于lgd理论的电场调控电介质的介电常数物理模型的构造方法
CN113460951B (zh) * 2021-07-06 2023-07-25 北方工业大学 一种主动式mems固态制冷器件及其制造方法

Family Cites Families (52)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3243687A (en) 1960-02-03 1966-03-29 Itt Energy converter
US3073974A (en) 1959-06-17 1963-01-15 Itt Energy converter
US3554515A (en) 1967-05-11 1971-01-12 Furukawa Mining Co Waste heat recovery apparatus for flash smelting furnace
US3824448A (en) 1972-12-21 1974-07-16 Rivas R De Contact potential generator system
JPS5818787B2 (ja) 1974-09-03 1983-04-14 呉羽化学工業株式会社 コウブンシフイルムデンキソシ ノ セイゾウホウホウ
US4058729A (en) * 1975-11-14 1977-11-15 Arden Sher Pyroelectric apparatus including effectively intrinsic semiconductor for converting radiant energy into electric energy
US4074660A (en) 1975-11-24 1978-02-21 The Lummus Company Waste heat recovery from high temperature reaction effluents
US4099019A (en) 1976-08-24 1978-07-04 Joetsu Denro Kogyo Co., Ltd. Electric furnace waste heat recovery method and apparatus
US4220906A (en) 1977-04-08 1980-09-02 Maxwell Laboratories, Inc. Dielectric thermal power converter
JPS5512508A (en) 1978-07-10 1980-01-29 Kureha Chem Ind Co Ltd Information recording sheet
US4210820A (en) 1978-08-17 1980-07-01 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Open cycle ocean thermal energy conversion system structure
US4226606A (en) 1978-10-06 1980-10-07 Air & Refrigeration Corp. Waste heat recovery system
US4245693A (en) 1978-10-11 1981-01-20 Phillips Petroleum Company Waste heat recovery
US4296800A (en) 1980-04-18 1981-10-27 Phillips Petroleum Company Waste heat recovery
US4372937A (en) 1980-04-18 1983-02-08 Phillips Petroleum Company Waste heat recovery
US4327670A (en) 1980-05-30 1982-05-04 Teller Charles J Waste heat recovery unit
US4425540A (en) * 1981-06-03 1984-01-10 Power Conversion Technology, Inc. Apparatus and method for pyroelectric power conversion
US4647836A (en) 1984-03-02 1987-03-03 Olsen Randall B Pyroelectric energy converter and method
JPS61106900U (zh) 1984-12-17 1986-07-07
US4589890A (en) 1985-01-10 1986-05-20 Dedert Corporation Heat recovery method and apparatus
US4766952A (en) 1985-11-15 1988-08-30 The Furukawa Electric Co., Ltd. Waste heat recovery apparatus
JPS6361125A (ja) 1986-09-01 1988-03-17 Omron Tateisi Electronics Co 焦電センサ
JPS63233340A (ja) 1987-03-20 1988-09-29 Kureha Chem Ind Co Ltd 焦電型赤外線センサ−
US4983839A (en) 1989-08-18 1991-01-08 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Pyroelectric materials
US5274249A (en) 1991-12-20 1993-12-28 University Of Maryland Superconducting field effect devices with thin channel layer
US5625245A (en) 1993-10-19 1997-04-29 Bass; John C. Thermoelectric generator for motor vehicle
US5555838A (en) 1994-10-31 1996-09-17 Seatek International, Inc. Ocean thermal energy conversion platform
US5891581A (en) 1995-09-07 1999-04-06 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Thermally stable, piezoelectric and pyroelectric polymeric substrates
DE69627313T2 (de) 1995-12-14 2004-02-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Katalytische verbrennungsvorrichtung
US5851498A (en) 1996-12-02 1998-12-22 Catalytic Systems Technologies, Ltd. Boiler heated by catalytic combustion
US5943111A (en) 1998-06-09 1999-08-24 Symetrix Corporation Layered superlattice ferroelectric liquid crystal display
JP3955437B2 (ja) 1998-12-14 2007-08-08 カナダ ピロ電気変換システム
JP2003258202A (ja) 2002-02-28 2003-09-12 Nec Electronics Corp 半導体装置の製造方法
US6742337B1 (en) 2002-10-22 2004-06-01 Energent Corporation Waste heat recovery system
EP1653801A4 (en) 2003-07-26 2007-05-30 Biogen Idec Inc MODIFIED ANTIBODIES HAVING IMPROVED ANTIGEN BINDING AFFINITY
US7593250B2 (en) 2004-06-18 2009-09-22 Board Of Trustees Of The University Of Arkansas Ferroelectric nanostructure having switchable multi-stable vortex states
US7328578B1 (en) 2004-10-15 2008-02-12 Eduardo Saucedo Integrated OTEC platform
US7323506B2 (en) 2004-12-02 2008-01-29 Natural Resources Canada High performance P(VDF-TrFE) copolymer for pyroelectric conversion
US7043912B1 (en) 2004-12-27 2006-05-16 Utc Power, Llc Apparatus for extracting exhaust heat from waste heat sources while preventing backflow and corrosion
WO2006082930A1 (ja) 2005-02-07 2006-08-10 Hochiki Corporation 熱感知器及び熱感知素子の製造方法
US7569194B2 (en) 2005-04-29 2009-08-04 Thomas Russell, L.L.C. Waste heat energy recovery method and system
KR100735617B1 (ko) 2005-11-29 2007-07-04 장달원 폐열을 이용한 열전발전장치
US8682590B2 (en) 2006-05-23 2014-03-25 The Research Foundation Of State University Of New York Method for determining an equilibrium structure of a protein in a predetermined environment
US7768050B2 (en) 2006-07-07 2010-08-03 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Ferroelectric thin films
US7807917B2 (en) 2006-07-26 2010-10-05 Translucent, Inc. Thermoelectric and pyroelectric energy conversion devices
US7728697B2 (en) 2006-09-26 2010-06-01 Mg Materials Corporation Systems and methods for electrically reducing ferroelectric materials to increase bulk conductivity
US20080175033A1 (en) 2007-01-19 2008-07-24 Nanochip, Inc. Method and system for improving domain stability in a ferroelectric media
US20100037624A1 (en) * 2008-01-15 2010-02-18 Epstein Richard I Electrocaloric refrigerator and multilayer pyroelectric energy generator
US7735321B2 (en) 2008-01-15 2010-06-15 Lockheed Martin Corporation OTEC cold water pipe system
US8337766B2 (en) 2008-11-27 2012-12-25 Hpt (Hydrogen Production Technology) Ag Method and apparatus for an efficient hydrogen production
US8035274B2 (en) 2009-05-14 2011-10-11 The Neothermal Energy Company Apparatus and method for ferroelectric conversion of heat to electrical energy
US20110298333A1 (en) * 2010-06-07 2011-12-08 Pilon Laurent G Direct conversion of nanoscale thermal radiation to electrical energy using pyroelectric materials

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