TWI517460B - 用於藉由使用來自各種來源之熱量熱循環可電極化材料發電之方法及裝置及包含該裝置之載具 - Google Patents

Description

用於藉由使用來自各種來源之熱量熱循環可電極化材料發電之方法及裝置及包含該裝置之載具

本發明大體係關於在某些應用中的熱量之產生及捕獲及自彼熱量發電。按本發明，藉由利用鐵電或其他可極化材料之自發極化將熱量轉換至電，當該等材料處於對應於其鐵電相之溫度範圍中時發生自發極化，且當隨著溫度改變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。

存在對發電之新技術的眾所公認之需求。詳言之，存在對可藉以自熱能發電之新技術之需求。本發明揭示用於自各種來源產生或捕獲熱量及使用如此產生之電之裝置及方法。

本發明與美國專利第7,982,360號及2009年5月14日申請之現在承認的美國專利申請案第12/465,924號中及美國專利申請案第13/226,799號及第13/228,051號中揭示之熱至電轉換裝置及方法有關。彼等申請案揭示用於使用鐵電體及其他可極化材料之固有自發極化將熱量轉換至電之裝置及方法。與先前技術不同，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。前述專利案及申請案中闡明之裝置及方法為將熱能轉換至電之新方式。將彼等裝置及方法與本文中之其他技術一起使用，以便自特定應用中可利用之熱量發電。

本發明提供用於使用鐵電及其他可極化材料將熱量轉換至電能之特定應用之裝置及方法。本發明之特定應用包括自燃燒熱發電；自載具上產生之熱量發電及使用電；自太陽能發電；自工業過程熱量發電；自來自核反應過程之熱量發電；自地熱能發電；及自海洋熱能發電。

對於此等應用中之每一者，熱力學之法則要求藉由自熱源抽取熱量及將在較低溫度下之熱量排除至散熱片而發生熱能至電之轉換。來自燃燒之熱量為可與本發明一起使用的一普遍熱源。一般而言，產生熱量之淨輸出的任何化學反應或一系列反應為可與本發明一起使用之燃燒熱之來源。燃料與氧化劑(不管是氧或其他)之間的放熱化學反應(藉此產生熱量)為此種熱源。燃燒可為催化或其他的。存在熟習此項技術者熟知且可與本發明一起使用的用於自燃燒產生熱量之許多裝置及方法。舉例而言，可使用各種各樣之不同鍋爐藉由燃燒產生熱量，包括火管鍋爐、水管鍋爐、分段鍋爐、盤管鍋爐及其他。

藉由來自燃燒的此等或其他熱源中之任一者，如此產生之熱能由本發明之鐵電發電機用以將熱量轉換至電。自燃燒獲得之熱量可直接用以加熱鐵電材料或加熱接著用以加熱鐵電發電機之工作流體；或可使用一或多個熱交換器以有助於燃燒之熱能至鐵電發電機之轉移。自鐵電發電機在較低溫度下排除之熱量接著經抽取且轉移至散熱片。

本發明亦在一實施例中提供一種用於對電動載具供電之裝置及方法。在此實施例中，使用本發明之熱量至電轉換器件在載具上發電，其中熱能亦在載具上產生。經產生以對發電機提供動力之熱量可來自各種各樣之來源，包括傳統燃燒、催化燃燒及許多其他放熱反應。烴為可藉以產生熱量以供轉換至電之一燃料源。其他熱能載體可用以避免對基於石油之燃料的依賴性。

由器件產生之電經傳輸至一或多個電儲存及控制單元，包括適合於電力調節及電能儲存之電儲存及控制單元。舉例而言，可使用超電容器或電池儲存電。如此產生及調節之電能用以對推進載具之電動馬達供電及用以操作載具上之周邊裝置。

本發明亦可用以藉由首先將太陽輻射吸收為熱量來將太陽能轉換至電。存在熟習此項技術者熟知且可與本發明一起使用的用於捕獲太陽能作為熱量之許多裝置及方法。在一實施例中，太陽輻射由收集器吸收，收集器之表面經設計以具有表徵在太陽能吸收器之表面上達到的溫度之吸收高百分比之較短波長太陽輻射且發射低百分比之較長波長輻射的吸收及發射特性。吸收之熱能可直接用於鐵電發電機中，或可經儲存以稍後用作用於發電之熱源。

在一實施例中，藉由本發明將包含太陽能吸收表面之平板太陽能收集器用以將太陽能轉換至熱量。在另一實施例中，使用真空管太陽能收集器，真空減少了熱損失。在其他實施例中，真空管太陽能收集器包括兩相熱管以有助於熱轉移。

藉由非成像輻射能反射器或集光器，可達成增強之太陽能吸收。諸如抛物線槽之成像集光器亦可與本發明一起使用，此等成像集光器通常達到較高集中率，所以達到較高工作流體溫度。集光器亦可經設計使得其跟蹤太陽，從而允許比藉由靜止的吸收器所達成的太陽能吸收大的太陽能吸收。

來自工業及有關過程之廢熱為可與本發明一起使用之另一熱源。來自工業及其他過程之熱源尤其包括：來自化學、石油及林產品工業中的氣體及液體之廢熱；來自食品生產及加工之熱量；來自煉油廠之熱量；及來自金屬加工、鐵及鋼製造、鋁廠、水泥廠及許多製造設施之熱量。

在一實施例中，過程廢熱經回收且經由熱交換器轉移至一或多個工作流體，且彼等工作流體接著用以將熱量提供至鐵電發電機以產生電。本發明可用以將直接自過程回收之廢熱轉換至電，或其可與其他熱電共生系統一起使用，藉此將較高溫度廢熱首先用於某一其他目的(例如，包括重新加熱或預加熱)。

存在熟習此項技術者熟知且可與本發明一起使用的可用以回收來自工業過程之廢熱之許多裝置及方法。可在存在可用以將熱能源提供至本發明之鐵電發電機的熱量之排氣或廢熱流中之任一點處插入熱量回收裝置。

在另一實施例中，本發明可與經由核反應過程產生之熱量一起使用。許多裝置及方法為熟習此項技術者已知，藉此核反應過程產生可被移除且接著供本發明之鐵電發電機使用的熱能。此等核反應過程包括核裂變、核聚變及放射性衰變，其中之任何者皆釋放熱能。當本發明與產生特別高的溫度之核反應過程一起使用時，本發明可直接用以自所產生的全部範圍之熱能發電，或可與利用所產生之較高溫度熱能之其他裝置相結合使用本發明。

地熱能提供可與本發明一起使用之另一熱源。在一實施例中，本發明利用地熱能之特性伴隨使用機械中間物(例如，有機冉肯(Rankine)引擎)驅動電磁式發電機之地熱產生設施。本發明可直接與自地球移除之此地熱能一起使用，或可與現有地熱產生系統相結合使用本發明以藉由自彼等設施處的較低溫度熱量產生額外電來增強電廠輸出。

在其他實施例中，本發明可用以自在周圍表面溫度與近地表下地溫之間可利用之較低溫度熱量發電。用於在地表下與地表上周圍環境之間的熱交換之裝置及方法為熟習此項技術者所熟知且可與本發明一起使用。

海洋熱能轉換(OTEC)提供可與本發明一起使用之另一熱源。通常，在大致1000 m之深度處的海水處於約4-5℃之相對一致溫度下，而熱帶水表面通常處於22℃至29℃之溫度下，從而准許高達8%之卡諾(Carnot)效率。用於採用彼熱差發電之系統包括兩個分開的功能：(1)用於將較溫水表面及較冷水表面下帶至電廠之系統；及(2)發電機構自身。存在達成此等中之第一者(將溫水及冷水提供至發電廠)的為熟習此項技術者所熟知之各種各樣的技術。彼等技術中之任一者及其他者可與本發明一起使用。

前述應用中之每一者提供可供本發明之發電機使用的熱能源，以及適合彼特定應用之散熱片。在所有此等實例中，發電機包括鐵電或其他可極化材料，其中當處於其鐵電相時，電極化自發地產生，而無須藉由施加外部場進行誘發。藉由使彼等電偶極成極以便對準可極化單元及晶疇，合作作用之個別電偶極之極化組合而在整個材料系統中產生極大之淨自發極化。本發明利用該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。

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。彼場可自外部施加，或其可內部產生。彼成極場在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手段係必要的。

當本發明之鐵電或其他可極化材料處於其鐵電相中且經成極時，非常強的固有電場自發地由於該等偶極產生，而無須外部場之誘發。彼自發極化引起在鐵電體之表面上的密集束縛電荷，其又誘發在處於鐵電材料之表面上的電極上之相反的屏蔽電荷。藉由利用一或多個熱交換器，接著改變鐵電體之溫度，使得視使用之特定材料及材料圍繞著循環的相轉變溫度而定，其變為順電或反鐵電的。藉由使鐵電體經歷相變且致使束縛表面電荷可忽略，電極上之屏蔽電荷變得未屏蔽，且可為了一般目的而在高電壓下移除至外部電路。

如在美國專利申請案第12/465,924號中所揭示，藉由利用一或多個熱交換器，可圍繞相轉變溫度循環鐵電材料之溫度，使得可藉由在熱源與散熱片之間操作的本發明而將熱能有效地轉換至電能。各種熱力循環可用以將鐵電體中之自發極化用於將熱量轉換至電之目的，包括在美國專利申請案第12/465,924號中闡明之一般循環。可與本發明一起使用之一熱力循環為具有兩個等溫步驟及在恆定極化下之兩個步驟之循環，如在美國專利申請案第13/226,799號中揭示。藉由彼循環，在第一步驟期間將鐵電體冷卻至低溫TL，同時將總極化保持恆定在相對低值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相反側上之電極。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。正是在彼步驟期間成極場使所得偶極被偏壓於一定向上(亦即，其變得成極)。在美國專利申請案第13/228,051號中闡明之裝置及方法中，自在鐵電材料之表面上的電極上之在放電後留下的殘餘自由電荷產生成極場。

電路接著斷開，且在恆定總極化PH下將鐵電體加熱至相對高溫TH。在該循環之最後步驟期間，電路閉合，且等溫地輸入熱量，直至極化減小至PL，使得電極上之屏蔽電荷變得未屏蔽且在高電壓下放電至外部電路。在如美國專利申請案第13/228,051號中所揭示的一實施例中，未移除電極上之所有電荷。實情為，在留下足夠用於成極之殘餘電荷(其對應於PL)的點處，電路斷開。接著連續重複該循環。

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(或不適當)鐵電體可與本發明一起使用。藉由本發明採用鐵電體之自發極化允許在本發明之應用中的熱量至電能之穩固轉換。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。然而，可能需要使用一系列鐵電材料，該等鐵電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。熱再生技術之使用亦可影響可能需要的級數。

在一態樣中，本發明係關於一種用於將來自過程熱量之熱能轉換至電之裝置。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的第二表面，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，自發極化建立於該材料中，且該鐵電層當經成極時產生一全面淨自發極化；且使得鐵電體隨著溫度之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，其中該鐵電層具有可忽略之總體淨極化或無總體淨極化。

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一溫度TL下冷卻該鐵電層，使得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的第二表面。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，在該鐵電相中建立自發極化，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。亦可經由一開關連接該等電導線，以准許在該對電導線之間施加一DC電壓，以產生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。此外，該裝置可包括用於監視該鐵電層之溫度及電容及加熱及冷卻流體之溫度及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、形成於該對電極處或鄰近該對電極而形成，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交替地傳遞一冷流體及一熱流體，以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(Microllers,MC)控制，且其由具有該器件之電路的電腦控制經由一控制電路進行協調以達成本文中描述之循環。

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的第二表面之鐵電層，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：交替地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。

該方法亦包括使在溫度TL下處於鐵電相中的該鐵電層之該鐵電材料成極。在一實施例中，該成極由一自在該鐵電體之表面上的該等電極上之殘餘自由電荷產生的場執行。該方法亦包括在正將熱量等溫地輸入至該鐵電層且極化減少至最小位準PL的同時藉由閉合電路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之步驟。PL對應於足以建立一足夠用於成極之場的殘餘電荷。在另一實施例中，藉由施加來自DC電壓源之小成極場來實現成極。在彼實施例中，在將在鐵電層之鐵電材料中產生的電能放電至外部電路(其中電路閉合)同時等溫地加熱鐵電層之步驟期間，最小極化可變得可忽略或為零。

在一實施例中，該熱傳遞步驟由與一熱源及一散熱片熱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之熱量輸入至該鐵電層及自該鐵電層抽取熱量至該散熱片。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，其中定位用於交替地傳遞一冷流體及一熱流體以便分別自該鐵電層移除熱量及將熱量輸入至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配合地在斷開與閉合位置之間切換電路。

在其他實施例中，替代使鐵電材料循環經過相轉變，其自始至終保持在鐵電相中且自較大的極化程度循環至較少的極化程度。

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的第二表面，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尤其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及壓力中的一或多者之器件。依據本發明之一般循環(包括成極及放電)，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。

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的第二表面，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，自發極化通常不建立於該鐵電材料中；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及壓力之器件。依據可與本發明一起使用的熱力循環中之任一者(包括利用兩個等溫步驟及在恆定極化下之兩個步驟連同成極及放電之循環)，經由控制電路協調熱循環與鐵電模組{FMn}之電狀態，以使加熱及冷卻與電輸入及輸出同步。

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。在可行之情況下，將相同參考數字於圖式中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，該等視圖中，相似的數字指示相似的組件。如在本文中之描述中且接下來之申請專利範圍所使用中，「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於接下來之申請專利範圍中所使用，「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，存在鐵電相高於轉變溫度之溫度之鐵電體，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，或可更廣泛地使用當自上下文顯而易見時。

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轉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。在外質鐵電體之情況下，極化表示二階參數，其耦合至某一一階參數。

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，從而增加能量密度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70 μm厚的樣本而言已產生大致800 V的量測之放電電壓。50 μm厚的PANMA-4丙烯腈共聚物樣本已產生大致1,300 V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，於全文中使用極化。

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之單位晶胞中或其他可極化材料中之自發極化。作為材料轉變至鐵電相內之結果，發生自發極化。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或其他可極化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℃至大於約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)。

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，亦不限於或具體針對熱源或散熱片之任一特定熱特性。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2 μC 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。

本發明揭示可藉以在使用來自特定來源及用於特定應用之熱量之實際應用中使用鐵電轉換發明之實施例。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有關應用。在所有情況下，不僅有必要有用來提供用於熱量至電之鐵電轉換的熱能的熱源，而且必須存在散熱片以自鐵電發電機移除熱量。

可使用中間熱交換器將散熱片耦接至直接自鐵電發電機移除熱量之工作流體來實踐本發明。此散熱片及熱交換器可根據熟習此項技術者已知之許多技術及設計與本發明一起使用。視特定應用而定，可經由散熱片將熱量驅逐至環境大氣、至土地、至水源或至可用以吸收及耗散熱量之任一其他固體、液體或氣體物質。舉例而言，視熱產生裝置之規模而定，散熱片可尤其為鰭片輻射器熱交換器、殼管式熱交換器或冷卻塔。用於建構及操作散熱片之裝置及方法在此項技術中係熟知的。與熱源及散熱片之特定組態及熱特性無關，鐵電發電機將使用加熱及冷卻流體，將按本文中針對熱循環描述之方式使用該等加熱及冷卻流體。

來自燃燒之熱量。燃燒為可供本發明用以發電的熱能之最普遍來源中之一者。如圖25中所說明，熱量被從燃燒裝置832移除且經由一或多個熱交換器834轉移至一或多個工作流體，且彼等工作流體接著用以將熱量提供至鐵電發電機836且根據熱力循環來循環材料(如本文中描述)，以便將熱量轉換至電。散熱片838經由一或多個熱交換器耦接至鐵電發電機以移除在循環期間排除之熱量。用於燃燒之可利用之燃料、可藉以執行燃燒之裝置及方法及可藉以自燃燒器件移除熱量以用於外部使用之熱交換器系統為眾多的且為熟習此項技術者熟知。可藉由對於給定應用實用之任一此燃料及燃燒過程來實踐本發明。此燃燒過程包括在燃料與氧化劑(不管是氧或其他)之間的任何一連串之放熱化學反應，藉此當將燃燒燃料轉換至不同化學物質時產生熱量。燃料可呈氣體、液體或固體相。燃燒可為催化或其他。普通燃料包括有機化合物，特別地，烴、氫及生物質。燃燒可為完全或不完全，且可具有任一種類或特性，不管是迅速、緩慢、陰燃、湍流或其他。用於與本發明一起使用之燃燒包括可存在許多截然不同的中間物之彼等過程，只要存在熱能之淨產生便可。舉例而言，固體燃料可經歷產生更易於氧化之氣態燃料的許多熱解反應。熱解反應為吸熱的，且需要自燃燒反應輸入之能量。此等部分吸熱之反應可用作本發明的燃燒熱量之來源，只要總體上在總反應序列中存在熱量之淨產生便可。

多年來，通常已將鍋爐用於廣泛之應用範圍。鍋爐為在其中加熱水或另一流體之密閉容器。經加熱或汽化之流體退出鍋爐，用於在加熱應用或各種過程中使用。在本發明之一實施例中，此等鍋爐用以自由燃燒釋放熱量產生經加熱之工作流體。存在此項技術中熟知之許多不同鍋爐設計，包括火管鍋爐、水管鍋爐、分段鍋爐、盤管鍋爐及其他。

某些實施例使用在飽和溫度下產生蒸汽的普通類型之鍋爐。此等過熱之蒸汽鍋爐使水汽化，且接著進一步在一或多個過熱器中加熱蒸汽，從而在比其他情況下高的溫度下產生蒸汽。在另一實施例中，可使用超臨界蒸汽產生器。其在非常高的壓力(通常在22.06 MPa以上)下之臨界點以上操作，在該點，實際沸騰停止發生，且鍋爐不具有水-蒸汽分離。此等及許多其他類型之燃燒及蒸汽產生裝置為熟習此項技術者熟知，且可與本發明一起使用。

藉由參考燃燒及蒸汽產生之此等特定實施例及實例，並不意謂暗示在本發明內涵蓋的燃燒之裝置或方法限於此等器件。其僅用作實例。可藉由自小於1 mW之小規模至超過100 MW之大規模的燃燒來實踐本發明。亦可藉由產生熱量之任一燃料源實踐本發明，且其不限於加熱水或蒸汽之彼等燃燒系統。通常，可由燃燒裝置加熱之適當流體為具有相對高比熱及相對高潛熱特性之流體。

在一實施例中，本發明之裝置及方法可用以自由傳統及其他燃料之催化燃燒釋放的熱量發電。傳統燃料之燃燒可藉由使用各種催化劑而加以增強。傳統有焰燃燒或氧化通常僅在特定燃料對氧比率範圍內發生。當混合物偏離理想或化學計量比時，燃燒將常為不完整的，且除了常規燃燒產物之外，亦產生污染物。異質催化劑之使用允許在廣泛範圍之燃料對氧比率上對氧化之較大控制，且可產生較少的污染物。在操作中，通常在足夠高以允許全部或幾乎全部氧化之溫度下在催化劑之上傳送燃料與空氣之混合物。藉由正確的催化劑，此溫度比在無催化劑之情況下需要之溫度低，且允許無焰燃燒。在催化劑表面上發生之反應釋出熱能及燃燒產物兩者。

尤其可應用於發電的催化燃燒之一例示性實施例描述於頒予Rozenshtein等人之美國專利第5,851,498號中，其被以引用的方式併入本文中。此實施例特徵為一鍋爐，其具有使用催化劑來促進氣態烴類燃料在空氣中之無焰燃燒之爐頭。

電動載具。各種各樣之技術在現今用於藉由電動馬達對載具提供動力。本發明揭示在載具上發電以對其供電之新方式。藉由本發明之鐵電發電機來使用熱量發電。可自廣泛的各種各樣之來源(包括傳統燃燒、催化燃燒及許多不同放熱反應)在載具上產生彼熱能。烴為可藉以在載具上產生熱量之一燃料源。亦可使用並非烴或基於石油之燃料的其他熱能載體。

如圖26中所說明，在生熱載具840上產生熱量且經由一或多個熱交換器834將熱量轉移至一或多個工作流體，且彼等工作流體接著用以在循環材料(如本文中所描述)以便將熱量轉換至電的過程中將熱量提供至鐵電發電機836。在一實施例中，生熱載具840(例如，汽車、卡車或公共汽車)由接收由本發明自熱量產生的電之電動馬達推進，該熱量由燃燒氫、柴油、汽油、乙醇或其他烴類燃料提供。經由工作流體將熱量自燃燒器轉移至鐵電產生器件。類似地，冷儲集器與鐵電發電機熱連通。冷儲集器可為輻射散熱載具842或將自鐵電發電機836抽取之熱量排除至環境之其他器件。

由鐵電器件產生之電由電路傳輸至一或多個電儲存及控制單元(其可包括各種各樣之控制件及儀錶)，包括適合於電力調節及電能儲存之電儲存及控制單元。可使用超電容器、電池或熟習此項技術者熟知之其他儲存技術實現電在載具上之儲存。另外，電儲存及控制單元可包括電分佈及控制電路以調整或調節電壓及電流，電壓及電流接著由電路或電纜傳輸至一或多個馬達以推進載具及操作其周邊裝置。

在一實施例中，一或多個超電容器與一或多個可再充電電池之組合用以儲存在載具上產生之電。超電容器按重量計比傳統電容器儲存更多能量，且其通常以比可再充電電池高的額定功率傳遞電能。然而，可再充電電池通常具有比超電容器大的能量儲存容量。載具在行進期間具有變化之電力需求，例如在加速期間需要較大電力。由於汽車當閒置或減慢時需要極少或不需要電力且可經由再生性制動產生可儲存之電能，因此可將本發明之發電設備的大小設定得比峰值電力要求顯著小。在一實施例中，替代地藉由自(例如)超電容器之短期、高功率放電而達成峰值電力。在另一實施例中，可再充電電池可為了其他目的(諸如，初始起動及當鐵電發電機關閉時對周邊裝置供電)提供額外電儲存容量。應注意，由於將自載具上產生之熱量連續地產生電能，因此與本發明一起使用的任何電池之容量將通常小於所需，例如，對於插入式EV，其僅具有在最後一次電池再充電時獲得之電能作為電源。

如圖26中所說明，在生熱載具840上產生熱量且接著將熱量經由一或多個熱交換器834轉移至一或多個工作流體，且接著將彼等工作流體用以將熱量提供至鐵電發電機836以便根據熱力循環來循環材料(如本文中描述)，以便將熱量轉換至電。如圖26中所說明，散熱載具亦經由一或多個熱交換器耦接至鐵電發電機以移除在循環期間排除之熱量。可藉由來自各種來源的熱量實踐本發明，但對於許多載具而言，燃燒為熱能之特別方便的來源。

用於燃燒之可利用之燃料、可藉以執行燃燒之裝置及方法及可藉以自燃燒器件移除熱量以用於外部使用之熱交換器系統為熟習此項技術者熟知。以上揭示了一些此等實施例。燃燒包括在燃料與氧化劑(不管是氧或其他)之間的任何一連串之放熱化學反應，藉此當將燃燒燃料轉換至一組不同化學物質時產生熱量。普通燃料包括有機化合物。以實例說明，催化燃燒提供可經產生且轉移至鐵電發電機以用於轉換至電的熱源。可藉由使用其方法及裝置為熟知之各種催化劑來增強燃料之燃燒。

可在此等實施例中使用之催化燃燒器及熱交換器可為許多設計中之任一者。適合於在汽車或其他載具中使用的催化燃燒器及熱交換器之一實施例描述於頒予Maenishi之美國專利第6,431,856號中，其被併入本文中。在此建構中，將燃料氣體與空氣在預混合室中混合，且饋入至預加熱爐頭。藉由點火器件在預加熱爐頭中形成火焰，且藉由由火焰產生之熱排氣加熱催化元件。當催化元件達到其具有活性之溫度時，在控制電路之指導下，暫時中止燃料氣體之供應，且熄滅火焰。在使火焰熄滅後，立即重新啟動燃料供應，藉此起始在催化元件中之催化燃燒。

在催化燃燒期間，催化元件之上游表面可由燃燒熱量加熱至高達800℃至850℃之溫度，且自催化元件之上游表面輻射大量熱量。因為熱量自催化劑至熱接收板之轉移係藉由輻射達成，所以或多或少均勻地自催化元件之整個表面移除熱量，且催化元件之表面在溫度下相對均一。舉例而言，可將具有黑漆之高容量輻射吸收層塗覆至經輻射之熱接收板的內表面。在黑漆之吸收係數在0.9至1.0之情況下，來自催化元件之上游表面的輻射由高容量輻射吸收層有效率地接收，傳導至經輻射之熱接收板，且與加熱介質交換。結果，可在低於耐熱性之極限的溫度獲得較高燃燒容量，且可減小催化燃燒裝置之大小。本文中提供之特定實例及實施例並不意欲為限制性的，而是表示普通裝置及過程，藉此熱量經產生且可接著經由一或多個熱交換器轉移以將熱源提供至如本發明中揭示之鐵電發電機。

使用非烴類燃料在載具中產生熱能之一實施例使用鋁。鋁可用於利用鋁作為熱能之穩固載體的潛能、無對石油產品之依賴且無作為不當副產物之污染物或溫室氣體的一系列化學反應中。一種此反應用水氧化鋁，藉此2Al+3H2O→Al2O3+3H2，且彼反應釋放熱能。此外，氫副產物可經燃燒以釋放更多熱量，且無不良副產物：2H2+O2→2H2O。氧化鋁廢物Al2O3經還原以完成能量載體循環。用於還原氧化鋁之技術為熟習此項技術者熟知。藉由非烴類燃料之另一實例，可將鋰用作能量載體，在該情況下，反應2Li+2H2O→2LiOH+H2釋放大量熱量。再一次，如此產生之氫可經燃燒以依據反應2H2+O2→2H2O產生更多的熱量。產生大量熱能之許多其他燃燒反應為熟習此項技術者熟知且可與本發明一起使用。

太陽能發電。現今存在用於將太陽能轉換至電之兩個熟知技術-光伏轉換及太陽能熱轉換。太陽能熱轉換聚集太陽能，且將其轉換至高溫工作流體，高溫工作流體接著用以對機械引擎及電磁式發電機提供動力。史特靈(Stirling)引擎為一個此實例。本發明使用太陽作為能源來按完全不同方式發電，如在圖27中示意性表示。使用本發明之鐵電發電機836，將太陽能轉換至熱量，且接著使用由本發明揭示之鐵電產生系統，在無中間機械引擎或電磁式發電機之情況下將彼熱量直接轉換至電能。本發明具有相比於現有太陽能發電之許多優勢，其中之一者為自比可與使用電磁式發電機之現有熱-機械系統一起使用的熱源溫度低的熱源發電之能力。

許多熟知器件可用以將太陽能轉換至可與本發明一起使用之熱量。此處呈現之實施例僅為實例，且在不脫離本發明之精神及範疇之情況下，可對其進行眾多更改及修改。太陽輻射由在廣泛頻率範圍(包括可見光、紅外光及紫外光)上之電磁能組成。當太陽輻射撞擊物件時，一部分經反射，另一部分經吸收，且另一部分可透射穿過物件。相對比例視物件之性質及其表面而定。太陽能熱收集器844經設計以吸收高百分比之入射太陽輻射，藉此增加熱收集器裝置之溫度。當流體流過該裝置時，熱量經由一相或兩相熱交換器834自收集器面板轉移至流體。

此經加熱之流體可直接傳遞至鐵電發電機836，或熱量可儲存於熱儲存器件內以用於稍後在鐵電發電機836中使用。可直接將流體儲存於絕緣之儲集器中，而不使用熱交換器。或者，流體可穿過熱交換器834以將熱量轉移至待儲存於絕緣之儲集器中的不同介質。在適當之情況下，可將儲存槽中之經加熱之介質用作工作流體以用於加熱鐵電層。在另一實施例中，使用熱交換器834將熱量自儲存介質轉移至用以加熱發電機之鐵電層的工作流體。儲存器件(較佳地，良好絕緣)含有具有適當高比熱容量之流體儲存介質。

在一實施例中，可使用平板太陽能收集器將流體大體上加熱至高於環境溫度約100℃，增加量視各種因素而定。平板太陽能收集器包含具有用於將吸收之能量轉移至所要的流體之構件之一太陽能吸收表面及具有絕緣以減少因傳導之熱損失之一背面。其亦可具有一絕緣之框及蓋。平板收集器通常安裝於靜止的位置中，其具有針對位置最佳化之定向。太陽能吸收表面或平板收集器之吸收器板可包含銅、鋼或鋁或具有高熱導率之另一材料。亦可使用塑膠(例如，EPDM、聚丙烯及聚乙烯)。附接至吸收器板之管道允許所要的流體在其中通過，且經由流體傳導熱量。

最有效率的太陽能收集器844具有高吸收率α(對於在太陽能光譜中之輻射)以及低長波長發射率ε以使熱損失最小化。由於吸收器之表面與太陽之表面(太陽光譜大致由6000°K黑體輻射表示)之間的溫差極大，因此來自太陽能吸收器844表面的發射之輻射之光譜與太陽輻射之光譜極不相同。百分之九十八的太陽輻射處於小於3.0 μm之波長下，而來自200℃表面之黑體輻射的小於百分之一處於小於3.0 μm之波長下。在此等情況下，選擇性表面可具有高的太陽吸收率及低的長波發射率。

在另一實施例中，可使用真空管太陽能收集器，此係因為真空減少了熱損失。在一實施例中，真空管收集器在玻璃管內含有一長、細吸收器。輻射太陽能行進穿過玻璃及真空，但減少了因對流之熱損失。僅有的顯著熱損失是由於再輻射。與平板收集器相比，真空管收集器通常能夠將流體介質加熱至較高的溫度。存在可與本發明一起使用、熟習此項技術者已知的用於真空管太陽能收集器之許多組態。

在其他實施例中，真空管太陽能收集器亦可含有一熱管以有助於熱轉移。可將薄的波長選擇性塗層塗覆於吸收器板之頂部上以增強效能。對此等選擇性表面塗層之考慮類似於以上結合平板收集器之設計描述的考慮，以增加捕獲的太陽能之量且使熱損失之程度最小化。

透明玻璃管較佳地包含硬玻璃材料(諸如，硼矽酸鹽或強化鈉鈣玻璃)，其經選擇以獲得耐久性及對在應用中達到之較高溫度之耐性。玻璃管准許吸收器由真空包圍，從而防止熱量因對流或傳導而散逸。應瞭解，存在既抽空玻璃管內之空氣且又將管密封之許多方式。在其他實施例中，使用兩個玻璃管，一者在另一者內。自吸收器所位於之內部管及自兩個玻璃管之間抽空空氣以獲得額外絕緣。

在一實施例中，熱管在兩端被密封，且在一端處具有熱界面(有時被稱作汽化器)且在另一端處具有冷界面(有時被稱作冷凝器)。熱界面將熱量傳導至位於管內之工作流體。空氣可被部分或實質上抽空，從而使工作流體在比其將在正常大氣壓力下沸騰時的溫度低的溫度下沸騰，藉此允許在較低溫度下發生熱轉移。在熱管中使用之工作流體將影響熱管之操作溫度。工作流體汽化且上升至位於熱管之頂部的冷界面。在冷界面處，蒸氣釋放潛熱，冷凝回至其液體相。熱管及吸收器板相互附接，以便使熱轉移最佳化。

在熱管中使用之適當工作流體視若干因素而定。由於液體-氣體相轉變對於熱管功能係必要的，因此流體應在適當溫度範圍及操作壓力內具有兩個相。另外，用於流體之汽化之潛熱通常應高。在熱管中使用的工作流體之實例包括丙酮(對於其而言，在56℃下汽化之潛熱為518kJ/kg)及水(對於其而言，在100℃下汽化之潛熱為2260kJ/kg)。水為在各種壓力下在約5℃至230℃之操作溫度範圍上使用之普通工作流體。

應瞭解，此描述僅為真空管太陽能收集器之一實例，其存在許多組態及建構。在其他實施例中，真空管收集器不具有熱管，而是利用直流系統，在該情況下，待加熱之流體行進通過吸收器板上之升流管。

可藉由與平板收集器或真空管收集器一起使用之非成像輻射能反射器或集光器達成增強之太陽能吸收。所有在給定接受角度範圍內入射於入口孔隙上之能量藉此被引導至真空管並集中於真空管上。集光器之輪廓對應於橫截面，如在美國專利第4,142,510號中所描述，該專利案描述最佳集中比且被併入本文中。

可藉由減小可發生熱損失之面積而在較高溫度下傳遞熱能。此可(例如)藉由在太陽輻射源與能量吸收表面之 間插入一光學器件以充當集光器來達成。此等集光太陽能收集器可與本發明一起使用以將太陽能吸收至較高溫度介質。集中比指代收集器孔隙面積對吸收器面積之比率。彼比率可自稍大於1變化至大於1,000。可與本發明一起使用的用於集光收集器之許多設計為熟習此項技術者已知。集光收集器可使用鏡或透鏡反射或折射光以將太陽能集中至小的吸收器區上。收集器可具有各種幾何形狀，包括圓柱形、球形及抛物線形狀。此外，收集器之表面可為連續或分段的。接收器可為凸形、扁平或凹形，且可有蓋或無蓋。收集器或接收器亦可經移動以全天瞄向太陽，以獲得增加之效率。

一般而言，可將集光器分為兩個種類：非成像及成像。非成像集光器不在吸收器上產生太陽之清晰界定之影像，而相反，將來自孔隙之輻射大體分佈至吸收器。非成像集光器之一實例為將反射器添加至真空管，此產生小於10且通常小於5之較低的集中比。成像集光器之一實例為抛物線槽集光器，其通常可具有15-45之間的集中比，且將工作流體加熱直至約500℃。

當直接面對太陽時，集光器最有效，且藉由集光系統跟蹤太陽之方法係熟知的，包括手動及機械化定向系統。另外，機械化系統可為經程式化之系統、向日系統，或經程式化方法與太陽跟蹤方法之組合。向日系統使用偵測器來控制系統對準。此等系統中之所有者及其他者可與本發明一起使用。

用於發電之過程熱量。存在可與本發明一起使用之許多過程廢熱源。可與本發明一起使用的來自工業及其他過程之熱源包括來自化學、石油及林產品工業(包括廢液流之熱氣淨化及脫水)中的氣體及液體之廢熱。產生大量熱量之其他工業尤其包括食品生產及加工、煉油廠、金屬、機械生產、鐵及鋼、鋁、水泥及許多製造設施。此等過程的典型溫度狀況在自130℃至1600℃的範圍中。在較高溫度應用中，有時按某一方式重新使用較高溫度熱能，不管用於加熱、使用電磁式發電機發電或是其他。

如圖28中所說明，過程熱量846或廢熱經回收且經由一或多個熱交換器834轉移至一或多個工作流體，且彼等工作流體接著被用以將熱量提供至鐵電發電機836以便根據熱力循環(如本文中描述)來循環材料，以便將熱量846轉換至電。如圖28中所說明，散熱片838亦經由一或多個熱交換器834耦接至鐵電發電機以移除在循環期間排除之熱量。

可在此等應用中按兩個基本方式中之任一者使用本發明。可藉由將來自一或多個熱電共生或重新使用系統之廢熱轉換至電來實踐本發明，或本發明可用以在無其他介入重新使用或熱電共生系統之情況下自為在討論中的過程之副產物的熱能之整個能譜發電。轉換之潛在熱效率在後一脈絡中較大，此係因為高溫TH與低溫TL之間的差ΔT較大。本發明是否最佳地用於具有所有產生之過程熱量或是具有全部過程熱量之僅一部分(結合其他熱電共生或重新使用模態)的特定應用中將視應用之特定特徵、經濟因素、替代性重新使用機遇之性質及其他因素而定。

不管所有產生之過程熱量與本發明一起使用或是在使用其他熱電共生及重新使用系統後僅留下熱量之部分，可藉以捕獲可利用之熱能之裝置及方法係熟知的，且用於將回收之熱量轉移至可用於將熱能輸入至鐵電發電機內之工作流體的裝置及方法亦為熟習此項技術者熟知。可藉以回收過程熱量之特定裝置及方法視特定過程及應用而變化。其包括(例如)頒予Onodera之美國專利4,766,952、頒予Ito等人之美國專利4,651,814、頒予Tonooka之美國專利3,554,515、頒予Radcliff之美國專利7,043,912、頒予Teller之美國專利4,327,670、頒予Horibe之美國專利4,099,019、頒予Cheng之美國專利4,245,693、頒予Johnson之美國專利4,372,937及4,296,800、頒予Russell之美國專利7,569,194、頒予Hays之美國專利6,742,337、頒予Tsao之美國專利4,074,660、頒予Gronvaldt之美國專利4,589,890、頒予Yaeger之美國專利4,226,606，其皆被併入本文中。此等特定裝置及方法僅意謂提供可藉以自各種過程移除熱量之實例，且存在熟習此項技術者已知之許多其他合適裝置及方法。

當本發明耦合至現有熱電共生設施以自來自熱電共生器件之廢熱產生電時，圖28中描繪之熱源為自熱電共生器件排除之熱量846。如在圖28中描繪之散熱片838可為在設施處之現有散熱片，或其可為另一散熱片。更穩固地，可將本發明用作完整發電機，而非作為對其他熱電共生設備之附屬物用以倒出廢熱。此完全實施描繪於圖28中，其中經由一或多個熱交換器834作用的用於鐵電發電機836之熱源為直接自設施、機器、過程或其他此來源提供之熱量846。一般而言，可藉由結合散熱片838移除廢熱之裝置及方法中之任何者實踐本發明。此操作總體描繪於圖28之示意圖中。

可在存在可用以將熱能提供至鐵電發電機的熱量之排氣或廢熱流中之任一點處插入熱量回收裝置。舉例而言，用於鐵電發電機之熱源可為爐排煙道或煙囪或附屬於其之任何器具，諸如，靜電集塵器、洗滌器、給水加熱器及節熱器。在其他實施例中，在(例如)煉油廠、紙廠、化工廠、氣體管線及壓縮機站及其他工廠及設施中，可將鐵電器件與冷卻迴路、輻射器及用以冷卻設備且移除廢熱之其他冷卻系統配合。

在回收廢熱過程中有用之設備尤其包括熱交換器、熱儲存系統及組合熱儲存-熱交換器系統。在一實施例中，熱交換器由兩個封閉之流動路徑及一個分離表面組成，該分離表面防止混合、支撐兩種流體之間的壓力差、且提供藉以將熱量自較熱流體轉移至較冷流體之方式。該等流體可為氣體、液體、冷凝蒸氣、汽化液體或流體化固體。

輻射複熱器為高溫燃燒空氣預加熱器，其用於將熱量自爐排氣轉移至燃燒空氣。在一實施例中，此複熱器可由兩個同心圓筒組成，內部者作為用於爐之堆疊，且內圓筒與外圓筒之間的同心空間作為經加熱之空氣的路徑，經加熱之空氣通常向上移動，且因此平行於排氣之流動。藉由適當建構材料，此等器件可處理1350℃的爐氣。在各種實施例中，輻射複熱器可與本發明一起使用以自排氣移除熱量及將來自排氣之熱量轉移至一或多個熱交換器以加熱一或多個工作流體以將熱量輸入至鐵電發電機內。除了空氣之外的其他流體可與複熱器一起使用以移除熱量。

在另一實施例中，對流空氣預熱器可與本發明一起使用。此等預加熱器通常為用以在~120-650℃之溫度範圍上預加熱烤爐、爐、鍋爐及燃氣輪機的燃燒空氣或加熱來自溫度低至~20℃之來源的通風空氣之波紋金屬或管狀器件。在各種實施例中，此等加熱器可用以移除煙氣熱量，以用於供鐵電發電機使用。除了空氣之外的其他流體可與該器件一起使用以移除且轉移熱量，以用於供鐵電發電機使用。

節熱器傳統上指氣體至液體熱交換器，其用以自排氣流中之廢熱預加熱鍋爐中之給水。節熱器常由迴路、螺旋形物或鰭片管(給水流經其且排氣經過其)之平行陣列組成。節熱器亦可用以藉由來自液流之廢熱加熱空氣或其他流體。節熱器可在各種實施例中與本發明一起使用以將由一過程產生之熱量經由一或多個熱交換器轉移至鐵電發電機，如在圖28中所描繪。

廢熱鍋爐為通常用以自氣流(諸如，柴油引擎排氣、燃氣輪機排氣及污染控制焚火爐或後燃器)中之高溫廢熱產生飽和蒸汽之水管鍋爐。在各種實施例中，此廢熱鍋爐可與本發明一起使用以移除氣流中之過程熱量，使得彼熱量可經由一或多個熱交換器用於鐵電發電機中，如圖28中所描繪。

本文中提供之特定實例及實施例決不意欲為限制性，而是表示普通裝置及過程，藉此工業過程熱量可被回收且經由一或多個熱交換器用以將熱源提供至如本發明中揭示之鐵電發電機。自來源提取熱能之裝置及方法及熱轉移及熱交換器機構之設計及工程技術為熟習此項技術者熟知的。

自核反應過程獲得熱量。產生可供本發明使用之熱能的核反應過程包括核裂變及聚變反應及放射性衰變。在裂變期間產生之能量主要表現為裂變碎片及(在較少程度上)發射之中子及其他粒子之動能及諸如伽瑪射線之輻射的形式。隨著各種粒子減慢或被吸收，其能量被轉換至熱量。

如圖29中所說明，熱量由裝置中之核反應過程產生848且經由一或多個熱交換器834轉移至一或多個工作流體，且彼等工作流體接著被用以將熱量提供至鐵電發電機836以便根據熱力循環(如本文中描述)來循環材料，以便將熱量轉換至電。可利用之核燃料、可藉以用核反應過程產生熱能之裝置及方法及可藉以移除熱量以用於外部使用之熱交換器系統為眾多的且為熟習此項技術者熟知。可藉由對於給定應用實用之任一此器件及過程來實踐本發明。如圖29中所說明，散熱片838亦經由一或多個熱交換器834耦接至鐵電發電機836以移除在熱循環期間排除之熱量。

在用以發電之許多反應器中，自由冷卻劑經由熱交換器移除之熱量產生蒸汽，且彼蒸汽接著被用以在冉肯循環中驅動渦輪機及電磁式發電機。在各種實施例中，可將此等各種反應器設計用作用於鐵電發電機的熱能之來源。在某些實施例中，並非其次加熱水以產生蒸汽以用作工作流體，冷卻劑迴路自身可用以直接經由熱交換器加熱用於鐵電體之工作流體。

核反應器用於各種各樣之目的，包括發電、研究、育種或此等之組合。雖然反應器核心溫度在動力反應器中比在其他反應器中顯著高且因此特別適合於產生用於藉由本發明轉換至電之熱能，但由其他反應器在較低溫度下產生之熱能亦可供本發明使用。

在一實施例中，液體冷卻之反應器利用液體冷卻劑，其冷卻反應器，且當退出反應器時，處於足夠高以在熱交換器中產生蒸汽之溫度下。冷卻劑迴路通常被稱作一級迴路。水一蒸汽迴路通常被稱作次級迴路，或在使用(例如)蒸汽驅動渦輪機發電之傳統反應器中被稱作工作流體迴路。此等反應器可與本發明一起使用，藉此與一或多個熱交換器相結合將蒸汽用作鐵電發電機之熱源。

在另一實施例中，液體冷卻之反應器可使用水作為一級冷卻劑，在該情況下，反應器通常被稱作壓水反應器。來自反應器的經加熱加壓水在此實施例中用作鐵電發電機的熱能源，如在圖29中示意性地說明。在又一實施例中，一級冷卻劑為有機液體，例如，聯三苯。因為此等有機液體之蒸氣壓力通常比水之蒸汽壓力低，所以加壓之程度顯著較低，其可具有設計及建構優勢。在此實施例中，將經加熱之冷卻劑用作熱能源以加熱鐵電發電機之工作流體，如在圖29中示意性地說明。

在又一實施例中，一級冷卻劑可為諸如熔融鈉之液體金屬。在此液體金屬冷卻之反應器中，通常存在中間迴路，其將一級及次級迴路與額外熱交換器分開以便將工作流體迴路與在一級鈉中誘發之放射性隔離。液體金屬冷卻之反應器之一優勢在於，其可在較高溫度下操作，使得可達成較高熱效率。以實例說明，作為一級冷卻劑之液體鈉在大致535℃下退出Clinch River Breeder反應器之核心。在此實施例中，將次級迴路用作熱能源以加熱鐵電發電機之工作流體，如在圖29中示意性地說明。

任一反應器可與本發明一起使用，只要藉此產生熱能且彼能量可被移除且經由熱交換器轉移至鐵電發電機之工作流體便可。用於此等核反應器之許多實用設計為熟習此項技術者熟知。隨著核反應器之設計進步，預期將存在產生可供本發明用作熱能源之熱能的許多其他反應器組態、裝置及方法。

各種同位素之放射性衰變釋放可供本發明用作鐵電發電機之熱源的能量。此等同位素包括(例如)鈈238、鋦244、鍶90、釙210、鉕147、銫137、鈰144、釕106、鈷60及鋦242。適當的同位素產生高能量輻射。在彼方面，鍶90或銫137之阿伐衰變通常釋放約十倍於貝他衰變的能量。輻射亦必須具有易於吸收且轉換至熱輻射之類型，較佳為阿伐輻射。通常，較佳的同位素不經由其他衰變模式或衰變鏈產物產生大量伽瑪輻射、中子輻射或穿透輻射。貝他輻射可經由二次輻射產生而造成顯著的伽瑪或x射線輻射，因此需要重型屏蔽。放射性同位素熱能單元之設計及建構在此項技術中係熟知的。

本文中提供之特定實例及實施例決不意欲為限制性，而是表示普通裝置及過程，藉此自核反應過程產生熱量，其中此熱量可被移除且經由一或多個熱交換器用以將熱源提供至如本發明中揭示之鐵電發電機。

用於發電之地熱能。傳統上，「地熱能」最常指儲存於地殼中之較高溫度熱能源。通常使用大量井及其他裝置來開採此熱能，且因此其對於發電通常並不實用，除非在比較大的規模上，例如，在裝置產生許多千瓦且較佳地超過1 MW之情況下。可藉由來自此等熱能儲集層的作為熱源之地熱能來實踐本發明。

此外，可藉由可在表面附近接取且通常不需要此複雜、大規模且成本高昂的設備來接取之較低品質熱量來實踐本發明。存在當前可利用且用於(例如)地熱加熱及冷卻(通常結合熱泵技術)之許多裝置及方法，其中在周圍環境與地下相對淺的深度之間的溫差用於加熱及冷卻。在此種系統中存在之熱能及溫差通常不足夠用於藉由其他技術發電。然而，可實踐本發明以使用淺地表下土地與地面上之周圍環境之間的溫差發電。本發明可用以作為獨立裝置或結合亦用於加熱及/或冷卻之地熱泵或地源熱泵自此等熱源發電。

如圖30中所說明，地熱850經回收且經由一或多個熱交換器834轉移至一或多個工作流體，且彼等工作流體接著用以將熱量提供至鐵電發電機836以便循環材料(如本文中描述)，以便將熱量轉換至電。如圖30中所說明，散熱片838亦經由一或多個熱交換器834耦接至鐵電發電機836以移除在循環期間排除之熱量。可藉由來自各種地熱源之熱量實踐本發明。

諸如「地熱交換(geo exchange)」或「地源熱量」之術語有時用以區分在周圍表面溫度與近地表地溫之間可利用之較低溫度熱量。本文中，術語「地熱能」可用以在最廣泛之意義上指可自地球獲得之熱能，或指較窄種類之較高溫度、較高品質熱量(其通常在較大深度處可利用)。術語之意義自上下文將顯而易見。

地熱能之可利用性隨位置變化。在一些地方，不存在可合理接取之地熱。在其他地方，存在可實用地且具成本效益地接取之穩固地熱源。世界地熱發電容量現在超過10,000 MW。現在發生此發電之所有位點及類似者提供了可藉以實踐本發明之熱能源。此外，由於與其他發電技術相比的本發明之較大效率，因此全世界上可被實用地開採作為地熱源以發電的可利用之位置擴充，超出了對於現有技術而言實用之彼等位置。地殼中之總地熱含量主要集中在150℃範圍中。甚至在高達10 km之深度處，在250℃或更大之溫度下的可用地熱顯著較少。因為本發明可比現有技術更有效地用以自較低溫度熱源(d150℃)發電，所以本發明之潛在益處尤其巨大。

本發明可耦合至現有地熱產生設施以在電廠自廢熱產生額外電。在彼實施中，如在圖30中描繪之熱源為自電廠排除之熱量。如在圖30中描繪之散熱片為在設施處之現有散熱片。然而，更穩固地，可將本發明用作完整發電機，而非作為至傳統地熱發電設備之附屬物用以倒出廢熱。此完全實施描繪於圖30中，其中經由一或多個熱交換器作用的用於鐵電發電機之熱源將為由地熱源提供之熱量。

一般而言，可藉由結合散熱片提取地熱之裝置及方法中之任何者實踐本發明。用於鑽探及另外接取及回收來自地熱源之熱量的裝置及方法(包括現有增強型地熱系統及新興的鑽探技術)為熟習此項技術者熟知，且可藉由本發明在各種實施例中實踐所有該等裝置及方法。

傳統地熱資源通常分為四個種類：水熱、地質高壓、熱乾岩及岩漿。同時產生熱流體之系統稱作水熱或對流支配型。在世界上大多數地方，水熱儲集層的必要組分中之一或多者正在丟失。詳言之，儲集岩可能熱(e200℃)，但由於低岩層滲透性或不存在天然含有之流體而產生不足夠用於商業熱量提取的流體。此等構造形成被稱作熱乾岩(HDR)或增強型地熱系統的地熱資源之一部分。原則上，藉由鑽探至足以產生適用於熱量提取之岩石溫度之深度，HDR系統可用於世界各地。對於平緩坡度、低梯度區域(~20-40℃/km)中之發電，需要4-8 km之深度以達到＞150℃的溫度。在陡坡、高梯度系統(~60℃/km)中，2-5 km就足以達到此等溫度。HDR資源具有藉由相當大的資源基礎提供大量一次能量之潛力。對於低滲透性構造，熱提取方法直接了當：鑽井至足夠深度以達到有用溫度，藉由以液壓方式使岩石斷裂來產生大的熱轉移表面區，且藉由第二井與斷裂相交。藉由使水自一個井經由斷裂之區域循環至另一個井，可自岩石提取熱量。若在有限的幾何形狀中存在具有足夠天然滲透性之岩石，則尤其可使用類似於用於油回收之注水或蒸汽驅動之技術。

在地熱鑽探中之當前技術狀態主要為油及氣鑽探之技術狀態，其併有針對與地熱環境相關聯之問題(諸如，對器具之溫度影響、套管柱之熱膨脹、鑽探硬度及逸水)的工程技術方法。此技術為熟習此項技術者熟知。在地熱源在地質上適當之情況下，所有此等技術及鑽探系統可與本發明一起使用。正繼續努力推進鑽探技術超越當前技術，且此等新興鑽探技術亦將適合於與本發明一起使用。

如所提及，可藉由亦被稱作「地熱交換」或「地源熱泵」之較低溫度地熱能源來實踐本發明。視緯度而定，地球之表面的最頂部三公尺維持在大致10℃與16℃之間的相對恆定溫度。熱泵通常用以基於地表下與地面上周圍環境之間的溫差開採彼熱儲集層(用於加熱及冷卻兩者)。可結合此加熱/冷卻系統或獨立地實踐本發明，其中鐵電發電機在處於環境溫度之熱儲集層與土地中之熱儲集層之間操作。在彼組態中的熱流之方向可基於哪一熱儲集層處於較高溫度而視位置而定在一年中變化。

用於在地表下與地表上周圍環境之間的熱交換之裝置及方法為熟習此項技術者所熟知。可藉由彼等技術中之許多者來實踐本發明。在圖30中示意性描繪之關係反映了基本操作。如所提及，熱源在地表下或是地面上視相對溫度而定。

海洋作為熱能源。長久以來已認識到，可自存在於海洋中深部較冷水與淺部較溫水之間的熱梯度發電。已修建了實驗及演示OTEC設施，但迄今效率及成本限制防止了OTEC之商業化。本發明提供自海洋熱能發電之較具成本效益且有效率之方式。

如圖31中所說明，溫水被從海洋汲取，且來自其之熱量852被經由一或多個熱交換器834轉移至一或多個工作流體。彼等工作流體接著用以將熱量提供至鐵電發電機836，以便根據熱力循環來循環材料，如本文中所描述。如在圖31中所說明，冷海水充當散熱片854。彼冷水經由一或多個熱交換器834自一或多個工作流體移除熱量，且彼等工作流體用以根據熱力循環自鐵電發電機836移除熱量，如本文中所描述。可藉以將溫海水及冷海水帶至鐵電發電設施之裝置及方法及熱交換器系統為熟習此項技術者熟知。可藉由任一此種裝置及方法實踐本發明。

深海水之溫度TL與較溫水表面之溫度TH之間的差(亦即，ΔT)愈大，則將可利用之熱能轉換至電力之機會愈大。在世界範圍內，在約1000 m之深度處的海水相對一致地處於溫度TL H 4℃至5℃。熱帶水表面通常處於溫度TH H 22℃至29℃。轉換可利用之熱能的最大可能效率(其中ηc=ΔT/TH)對於OTEC為~8%，忽略在將所需溫水及冷水移動至發電裝置的過程中所招致之寄生損失。

具有等於至少20℃之ΔT的OTEC系統需要~25℃之TH。一般而言，在緯度20° N與20° S之間的海水足夠用於彼目的，但由於在一些位置中之強寒流而存在例外。舉例而言，沿著南美西海岸，熱帶沿海水域溫度保持在20℃以下，且南部非洲之西海岸在較少程度上存在類似的情形。TH亦於全年中有變化，歸因於由風之作用誘發的較深水之上湧，有時展現顯著的季節性下降。除了溫水源之TH值之外，深冷海水之可接取性為OTEC位點選擇之重要準則。

可按可藉由本發明實踐之各種組態建構OTEC廠。舉例而言，OTEC設施可建構於岸上、浮動之工廠船上或主要或完全淹沒之裝置中。在給定實例中使用的OTEC設施之類型部分地由位點判定。舉例而言，在浮動廠之情況下，可藉由定位設施而使冷海水可接取，但將產生之電力傳輸至岸的海底電力電纜之長度變為重要的準則。彼考慮因素通常亦適用於淹沒之OTEC設施。

用於使用傳統發電技術之OTEC廠的兩個主要方法係熟知的-閉式循環及開式循環。在前者中，將海水用以使工作流體(諸如，氨)汽化及冷凝，工作流體接著在閉式循環中驅動渦輪發電機。在開式循環系統中，表面水被閃蒸至真空腔室內，且所得低壓蒸汽驅動渦輪發電機。將冷海水用以在蒸汽穿過渦輪機後將其冷凝。本發明僅在以下方面類似於現有設計：本發明需要在TL下的冷深海水源及在TH下的溫水源。在電轉換裝置中不存在類似性。

可藉以將在TL下的冷深海水及在TH下的溫表面水帶至OTEC設施以用於轉換至電力的裝置及方法為熟習此項技術者熟知，且描述於文獻中。實例尤其包括頒予Saucedo之美國專利7,328,578、頒予Bergman之美國專利5,555,838及頒予Wittig之美國專利4,210,820，且所參考之來源被併入本文中。

在一實施例中，與一或多個熱交換器相結合地，將冷水自泵經由冷水管(CWP)擷取至轉換裝置。溫水由泵擷取且亦與一或多個熱交換器相結合地傳遞至鐵電裝置。在一實施例中，退出各別熱交換器之溫水及冷水經混合且排放回至海洋。熟習此項技術者應瞭解，存在用於各種管及泵之許多可能設計及組態。

圖31說明將溫水流用作在溫度TH下之加熱流體且將來自深海之冷水用作在TL下之冷卻流體，其用以與熱交換器及用以循環鐵電材料之工作流體相結合地將熱能提供至鐵電發電機及移除由鐵電發電機排除之熱量。

OTEC設施之重要且昂貴部分為CWP，其可長達數百或數千公尺。CWP之近端可緊固至岸上結構、浮動表面結構或淹沒之結構，且遠端可延伸至水為~5℃之必要深度。CWP之直徑通常必須相對大，以便將充足的冷水供應至設施，及當向上抽汲冷水時使能量及壓力損失最小化。CWP組件可穿過洋流，且經受洋流誘發之拖曳力。雖然CWP可由許多材料構成，但高密度聚乙烯之耐久性、強度、可撓性、浮力及惰性屬性使其成為一種適當材料。冷水管至浮動結構之安裝需要特定考慮。用於OTEC廠之CWP將通常在CWP與熱交換器及發電機所位於之平台之間的接合處經受大的應力。在一實施中，可藉由垂直滑動、滾動器件將CWP接合於管與浮動結構之間，如在頒予Howard之美國專利7,735,321中所描述，該專利被併入本文中。

藉由提供此等實例及實施例，不存在將本發明限於此等特定組態之意圖。只要經由任一液壓系統使深冷海水及較溫海水在具有適當熱交換器的鐵電發電機所位於之位點可用，則可實踐本發明。本發明之意圖為包括及涵蓋將實現彼目標且將溫水及冷水提供至鐵電發電機以用於藉由本發明發電之所有此等液壓組態及系統。

用於熱量至電之鐵電轉換。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，且當溫度反向改變時，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，當溫度反向改變時，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亦具有分別電連接至該對電極122及124之一對電導線152及154。在各種實施例中，導線可經組態至一或多個外部負載、至一外部DC源，或經組態以產生開路，或一開關可准許藉由一控制電路在一或多個此等組態之間切換，該控制電路根據可與本發明一起使用的電熱力循環中之一者而作用。使鐵電材料之晶疇成極使得當其自介穩態轉變至穩定鐵電狀態時能夠在鐵電層中產生非常大的總淨自發極化。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。在一些實施例中，成極場可由在每一循環期間施加之外部DC電壓提供，如(例如)在美國專利申請案第12/465,924號中。在其他實施例中，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，如(例如)在美國專利申請案第13/228,051號中。雖然當成極由在電極上之殘餘電荷所產生之場達成時在循環期間不需要外部DC電壓，但DC電壓源應仍可用以針對初始循環及在殘餘電荷在操作期間減少至低於成極所需量的情況下建立成極場。

在一實施例，如(例如)在美國專利申請案第13/226,799號中，當經由將熱量添加至晶格而將鐵電層110之鐵電材料加熱至溫度TH時，電路斷開，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准許來自電極之放電電流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。當藉由自電極上之殘餘未屏蔽電荷產生的場達成成極時，在該對電導線152與154之間不需要外部施加之電壓(除了在第一循環期間及針對如本文中描述的隨後操作中之偶爾使用之外)。

當使用電極122及124上之殘餘電荷達成成極時，電流將回應於在鐵電層中發生的淨自發極化之改變在彼步驟期間在電極之間流動。可將彼電流用作輸出至外部負載的額外電能來源。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之間的下坡鬆弛描繪。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處於圖6中之位置B中時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20及圖21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及一相反的第二表面214，其界定其間之鐵電層體216。鐵電層體216特徵為具有大量可極化單元之複數個晶疇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或分子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，諸如，依據蘭道-卡拉尼科夫(Landau-Khalatnikov)等式自介穩態朝向較穩定狀態之鬆弛。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地及若存在電場則誘發地產生之總極化)表達了鐵電材料系統之自由能。電場可歸因於在電極上施加外質電位，或其可歸因於電極上的未屏蔽電荷。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。極化為全熱力變數，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材料系統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16為就溫度T及極化P而言的自由能泛函之曲線圖之實例，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。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17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0.4 C/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17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18表示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：

藉由本發明，E值表示由在電極上之未屏蔽電荷產生之場。電場值E亦可包括自DC電壓源施加之小成極場(在施加外部成極場之情況下)。

圖19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。

可依據各種熱力-電循環實踐本發明，且本文中的循環之實例僅為說明性且決不限制本發明之範疇及意義。可與本發明一起使用之一個此熱力循環之實例按理想形式描繪於圖22中。其具有兩個等溫步驟BC及DA，及保持極化恆定之兩個步驟AB及CD。本文中更詳細地描述此循環之特定操作。

在一些熱力循環中，在循環之過程期間電極至外部負載之放電可完全或幾乎完全。在其他循環之情況下，電極之放電不完全。實情為，在完成放電前，使小的未屏蔽殘餘電荷留在電極上，且彼殘餘電荷用以在下一個循環期間使材料成極。除了按需要提供成極場外，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。足以在轉變至鐵電相期間建立使自發電偶極成極之場的對應於PL之留下來的殘餘電荷之量將視材料系統、鐵電層之組態及其他因素而定。系統與負載之阻抗必須匹配，以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(coercive field)。PL之值由在針對該循環之局部自由能最大值下發生的P值判定。在使用本文中描述之例示性循環之一實施例中，將彼局部自由能最大值描繪為在圖21中的自由能等溫線上之點D。以實例說明，對於PbTiO3之鐵電樣本，PL0.15 C/m2通常產生足夠的成極場，如在圖21中所指示。亦可藉由使PL至零來實踐本發明，其中藉由在該循環之DA步驟期間施加外部場來執行隨後成極。

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。在一實施例中，在鐵電體之表面上的電極已在點C處放電，使得僅足夠的殘餘電荷保留在電極上以提供足以當鐵電體循環回至其鐵電相時使鐵電體成極之場。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。在步驟CD期間，鐵電材料自點C轉到點D處之介穩態。

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20及圖21中所示。

在DA步驟期間，電路閉合且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處由電極上之未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，其經成極。在另一實施例中，成極場可為外部施加之電位之結果。在DA步驟期間抽取之熱量QL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，如在圖21及圖22中所示。

在DA步驟期間，在不同於藉由外部施加之電壓進行成極之彼等實施例中，產生電能。在步驟DA期間如此產生之能量可放電至外部電路以執行電功。在一實施例中，可將全波整流器用以整流去往及來自電極822及824之電流，以在負載處具有同一方向，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。如其他處提到，亦可藉由跨在鐵電層上之表面上的電極自DC電壓源施加外部場來達成成極。在彼等場合，對系統執行電功，而非在步驟DA期間由系統產生電功。

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。在該循環之點B處，鐵電體處於介穩態下，且接著閉合電路。在該循環之BC步驟期間，當極化減小至PL且鐵電體自點B處之介穩態朝向點C鬆弛時，等溫地輸入熱量。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，電路斷開以防止進一步放電。

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可與轉變溫度相差攝氏數度或更少。TH及TL亦可與轉變溫度相差相當大的量，例如，相差攝氏20度或更多。在另一實施中，若在較大極化值與較小極化值之間循環材料，則TH及TL可皆低於轉變溫度。

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。應認識到，通常將實踐本發明使得實際循環及實際成極可在一定程度上脫離於理想狀態。

在本發明之一些實施例中，鐵電相發生在比轉變溫度高之溫度下，且順電相或反鐵電相發生在轉變溫度之下的溫度。在此等實施例中，圖22中描繪之循環除了在相反方向上外相同地操作。四個步驟為DC、CB、BA及AD。步驟DC及BA分別發生在恆定極化PL及PH下。在步驟DC及BA期間分別僅輸入及抽取晶格熱量。在步驟CB期間等溫地輸入熱量QH，且在步驟AD期間等溫地抽取熱量QL。在步驟CB期間，電路閉合，發生藉由DC電壓或內部產生之場之成極；且電流自鐵電體之一側上的電極流動至在相反側上的電極，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。在步驟AD期間，電路閉合且將電放電至負載。

可使用自自由能泛函計算之值評估特定熱力循環之穩固性。如同圖16，圖20及圖21為依據溫度T及極化P的自由能泛函之曲線圖之實例，其中材料參數表示鈦酸鉛PbTiO₃之樣本，其中Tc766K。個別曲線係針對材料之各種溫度。圖20包括在圖22中描繪的循環之點之名稱(A、B、C及D)，其具有兩個等溫步驟及極化恆定之兩個步驟。在圖20中，在循環之過程期間，PL減小至可忽略位準或零。圖21為針對在圖22中描繪之循環的自由能之類似曲線圖，其具有標明於其上的循環之點，但不允許PL變為零。實情為，在循環之放電步驟BC期間，保留足夠的電荷以在下一個循環期間成極。PL之值由出現在循環之局部自由能最大值處的P值判定，如在圖21中所示。在圖17、圖20及圖21中的T及P之值僅為說明性，且並不意欲暗示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，在步驟AB及CD期間，甚至在不存在再生之情況下，循環為等熵的。

圖24展示對應於50 μm厚度之P(VDF-TrFE)共聚物之不同替續器接通溫度的由永久極化之改變導致的加熱階段期間產生的量測之電流。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，水平軸已經大幅擴大，其使原始峰值(線1)看起來平坦。圖24中之線2-6展示隨著增加延遲溫度(時間)而產生之電。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)隨著延遲溫度變大而顯著地增大，達到藉由線1之原始峰值所達到之電位的約10倍。隨著延遲溫度變大而增大的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。

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(Microllers,MC)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自彼電荷產生之場何時保持足夠使偶極成極。

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830且連接至用於接收產生之電能之外部負載電阻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。於該循環中，鐵電模組800經歷由經由未圖示之控制電路作用之一或多個電腦控制的動作，該一或多個電腦控制加熱及冷卻且控制開關S1(如本文中所描述)。

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，該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之值可對應於產生當鐵電層810轉變至鐵電相時足夠用於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在中間位置處保持斷開時，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CD步驟期間，極化保持處於PL。

在將殘餘電荷用於成極之彼等實施例中，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，但增大至值PH。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(例如)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值外，不需要跨鐵電層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當強度，不管其是否由在該循環之點C及D處在電極822及824上之殘餘電荷產生，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之陶瓷鐵電體而言，藉由大致200伏特之電壓可達成足夠的成極場。相比之下，在放電期間，此材料的所產生之電壓可超過6,000伏特。在不成極之情況下，當材料處於鐵電相時，可極化材料將自發展現電偶極，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，且總極化保持於PH。

在該循環之點B處，開關S1切換至圖6中之位置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夠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，在經由內部產生之場達成成極之彼等實施例中，藉由斷開開關S1來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隨後對在循環期間產生的電能之使用或儲存。

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，可使用允許鐵電材料自自發偶極經成極之鐵電狀態循環至其中維持極化使得其不減小至低於最小位準PL之順電或反鐵電狀態之任一熱力循環來循環鐵電模組，其中PL對應於產生足夠在轉變至鐵電相期間成極之場的極化位準。在又一實施例中，在圖22中描繪的循環之步驟DA期間使圖6中之開關S1處於位置A中的同時，允許PL變得可忽略或變為零，且藉由施加外加DC電壓而達成成極。

在又一實施例中，替代使鐵電材料循環經過相轉變，一直將其維持在鐵電相中，且使其自較大的極化程度循環至較少的極化程度。

於該循環中，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。可使用微控制器結合電腦及控制電路獲得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。電腦及控制電路根據正使用之熱力循環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S910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S920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S920期間，電路斷開，使得冷卻及加熱發生在實際上恆定極化下(分別PL及PH)，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S930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S930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S940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。在一實施例中，藉由將小的DC電壓施加至鐵電層以建立對準偶極之成極場來執行成極。

在步驟S950處，在TH下將熱量等溫地添加至鐵電材料，且使電路閉合。在非常高的電壓下，將對應於在該對電極上的產生之電性相反之屏蔽電荷的電能輸出至外部電路。在一實施例中，使電路斷開，以允許保留在電極上之足夠的殘餘電荷提供用於在下一個循環期間進行成極之場。

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，但本發明可在實際應用中更為有用，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。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，組合之多層模組接著經熱且電循環，使得在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的一循環中，每一個別層圍繞其相轉變溫度循環。在一循環之過程期間，單層器件之每一層經歷如本文中所描述之鐵電-順電或鐵電-反鐵電循環及成極與放電。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，自器件的電能之提取不同。在此組態中，在該循環之放電步驟期間，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，使得透過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。

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．．．相反的第二表面

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．．．相反的第二表面

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

830．．．DC電源供應器

832．．．燃燒裝置

834．．．熱交換器

836．．．鐵電發電機

838．．．散熱片

840．．．生熱載具

842．．．輻射散熱載具

844．．．太陽能熱收集器

846．．．熱量

848．．．核反應生熱

850．．．地熱

852．．．溫水表面之熱

854．．．冷海水散熱

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

1400．．．多層鐵電器件

1480．．．電絕緣體

1580．．．熱絕緣體

FM1．．．鐵電模組

FM2．．．鐵電模組

FMn-1．．．鐵電模組

FMn．．．鐵電模組

FE¹．．．鐵電層

FE²．．．鐵電層

FE^n-1．．．鐵電層

FEⁿ．．．鐵電層

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示意圖，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2(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；2(b)說明偶極在同一總方向上定向之實質上成極之材料；及2(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P _s(在不存在外部場之情況下，其亦可表示為P _r)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，其與於材料中之其他偶極總計而引起自發極化P _s。

圖15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P _s的離子位移之量值。

圖16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17為鈦酸鉛PbTiO₃之樣本的作為溫度之函數的自由能之曲線。極化恆定在P=0.4 C/m²。

圖18為在各種電場值E下的極化之曲線。溫度按克耳文量測，且E場值單位為伏特每公尺。

圖19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20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可與本發明一起使用的一熱力循環之步階。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可與本發明一起使用的一熱力循環之步階。此循環提供藉由內部產生之成極場進行的成極。在循環之放電步驟BC期間，保留足夠的電荷以在下一個循環期間成極。P_L之值由在針對該循環之局部自由能最大值下發生的P值判定。

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。Q_L及Q_H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。

圖25為說明總體裝置之示意圖，藉此熱量產生於燃燒裝置中且被自其移除；經由一或多個熱交換器轉移至一或多個工作流體；彼等工作流體用以將熱量提供至鐵電發電機；且散熱片經由一或多個熱交換器提供一或多個工作流體以自鐵電發電機移除熱量。

圖26為說明總體裝置之示意圖，藉此產生於載具上之熱量與一或多個熱交換器一起用以加熱接著用以將熱量提供至鐵電發電機之工作流體；且散熱片經由一或多個熱交換器自鐵電發電機移除熱量。總體上，熱量藉此產生於載具上且用作能源以產生用於對載具供電之電。

圖27為說明總體裝置之示意圖，藉此熱量自太陽能產生；經由一或多個熱交換器轉移至一或多個工作流體；彼等工作流體用以將熱量提供至鐵電發電機；且散熱片經由一或多個熱交換器提供一或多個工作流體以自鐵電發電機移除熱量。

圖28為說明總體裝置之示意圖，藉此藉由一或多個熱交換器將過程熱量或廢熱用以加熱接著用以將熱量提供至鐵電發電機之工作流體；且散熱片經由一或多個熱交換器提供一或多個工作流體以自鐵電發電機移除熱量。

圖29為說明總體裝置之示意圖，藉此熱量由裝置中之核反應過程產生且被自該裝置移除；熱量接著經由一或多個熱交換器轉移至一或多個工作流體；彼等工作流體接著用以將熱量提供至鐵電發電機；且散熱片經由一或多個熱交換器提供一或多個工作流體以自鐵電發電機移除熱量。

圖30為說明總體裝置之示意圖，藉此藉由一或多個熱交換器將來自地熱源之熱量用以加熱接著用以將熱量提供至鐵電發電機之工作流體；且散熱片經由一或多個熱交換器自鐵電發電機移除熱量。

圖31為說明總體裝置之示意圖，藉此自溫暖的海洋水表面接收熱量；熱量接著自其經由一或多個熱交換器轉移至一或多個工作流體；彼等工作流體用以將熱量提供至鐵電發電機；且冷的海水充當經由一或多個熱交換器冷卻一或多個工作流體以自鐵電發電機移除熱量之散熱片。

100．．．單級鐵電轉換器件/裝置

110．．．鐵電層

112．．．第一表面

114．．．相反的第二表面

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 (73)

1. 一種用於將熱量轉換至電能之方法，其包含：藉由交替地將一熱能添加至一可電極化材料及自該可電極化材料抽取該熱能而在一第一溫度與一第二溫度之間熱循環該可電極化材料，其中該可電極化材料定位於一第一電極與一第二電極之間，每一電極由一導熱且導電材料形成，其中該可電極化材料展現在該第一溫度下之自發極化，且其中由該可電極化材料在該第二溫度下展現之該自發極化比由該可電極化材料在該第一溫度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第一溫度的熱循環之一第一部分中時，該可電極化材料產生一總體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；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第二溫度的熱循環之一第二部分中時，一電能自該第一電極及該第二電極輸出至該負載；其中當該第二溫度大於該第一溫度時，該第一電極與該第二電極連接至該負載並將該熱能添加至該可電極化材料，其中當該第二溫度小於該第一溫度時，該第一電極與該第二電極連接至該負載並從該可電極化材料抽取熱量；及其中將該熱能添加至該可電極化材料包含： 自一燃燒反應提取該熱能，且將該熱能轉移至該可電極化材料；自太陽能產生該熱能，且將該熱能轉移至該可電極化材料；自一核反應提取該熱能，且將該熱能轉移至該可電極化材料；自海水提取該熱能，且將該熱能轉移至該可電極化材料；自地球提取該熱能，且將該熱能轉移至該可電極化材料；或自一工業過程回收該熱能，且將該熱能轉移至該可電極化材料。
2. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將該熱能添加至該可電極化材料包含自一燃燒反應提取該熱能及將該熱能轉移至該可電極化材料。
3. 如請求項2之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該燃燒反應為一催化燃燒反應。
4. 如請求項2之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該燃燒反應包含一燃料與一氧化劑之反應。
5. 如請求項4之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該燃料係選自由下列各物組成之群：有機化合物、烴、氫、鋁、鋰、生物質及其組合。
6. 如請求項2之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將來自該燃燒反應之該熱能用以產生一蒸汽，且其中來 自該蒸汽之該熱能經轉移至該可電極化材料。
7. 如請求項4之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該燃料為鋁，且其中該氧化劑為水。
8. 如請求項7之用於將熱量轉換至電能之方法，其中鋁與水反應以產生氫及Al₂O₃，且其中該方法進一步包含：燃燒氫及/或還原Al₂O₃；提取自該燃燒反應及/或該還原反應產生之該熱能；及將該熱能轉移至該可電極化材料。
9. 如請求項4之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該燃料為鋰，且其中該氧化劑為水。
10. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將該熱能添加至該可電極化材料包含自太陽能產生該熱能及將該熱能轉移至該可電極化材料。
11. 如請求項10之用於將熱量轉換至電能之方法，其中自太陽能產生該熱能包含：使一熱量轉移流體通過一太陽能收集器以將來自該太陽能收集器之該熱能轉移至該熱量轉移流體，以形成一經加熱之流體；及隨後將該熱能自該經加熱之流體轉移至該可電極化材料。
12. 如請求項11之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含在將該熱能自該經加熱之流體轉移至該可電 極化材料前儲存該經加熱之流體。
13. 如請求項11之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含：使該經加熱之流體通過一熱交換器以將該熱能自該經加熱之流體轉移至一熱能儲存介質，以加熱該熱能儲存介質；及其中將該熱能自該經加熱之流體轉移至該可電極化材料包含將該熱能自該經加熱之熱能儲存介質轉移至該可電極化材料。
14. 如請求項11之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含在將該熱能自該經加熱之該熱能儲存介質轉移至該可電極化材料前儲存該經加熱之熱能儲存介質。
15. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將該熱能添加至該可電極化材料包含自一工業過程回收熱能及將該熱能轉移至該可電極化材料。
16. 如請求項15之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該工業過程係選自由以下各者組成之群：一化工過程、一造紙過程、一食品生產過程、一煉油過程、一金屬過程、一機械生產過程、一煉鐵過程、一煉鋼過程、一煉鋁過程及一水泥製造過程。
17. 如請求項15之用於將熱量轉換至電能之方法，其中來自該工業過程之熱能經由一熱電共生過程而轉換至該熱能及該電能，且其中來自該熱電共生過程之熱能經轉移至該可電極化材料。
18. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將該熱能添加至該可電極化材料包含自一核反應提取熱能及將該熱能轉移至該可電極化材料。
19. 如請求項18之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該核反應為一核裂變反應、一核聚變反應或一放射性衰變。
20. 如請求項18之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該熱能係自一用以冷卻一核反應器之一冷卻劑提取。
21. 如請求項20之用於將熱量轉換至電能之方法，其中使該冷卻劑通過一熱交換器以產生一蒸汽，且其中自該蒸汽提取該熱能。
22. 如請求項20之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該冷卻劑係選自由一加壓水、一有機液體、一聯三苯、一液體金屬及一液體鈉組成之群。
23. 如請求項19之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該核反應為該放射性衰變。
24. 如請求項23之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該核反應為選自由以下各物組成之群的同位素之該放射性衰變：鈈238、鈰244、鍶90、釙210、鉕147、銫137、鈰144、釕106、鈷60及鋦242。
25. 如請求項1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包含自地球提取該熱能及將該熱能轉移至該可電極化材料。
26. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其 中自地球提取該熱能包含使一熱轉移流體通過埋入於土地中之一導管，使得在該熱轉移流體與土地之間轉移該熱量。
27. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將該熱能添加至該可電極化材料包含自處於一比該可電極化材料高之溫度下的海水提取該熱能及將該熱能轉移至該可電極化材料。
28. 如請求項27之用於將熱量轉換至電能之方法，其中自該可電極化材料抽取該熱能包含將該熱能自該可電極化材料轉移至處於一比該可電極化材料低之溫度下的海水。
29. 如請求項27之用於將熱量轉換至電能之方法，其中：自海水提取該熱能以加熱該可電極化材料包含自一第一深度汲取海水、自海水提取該熱能及將該熱能轉移至該可電極化材料；及將該熱能自該可電極化材料轉移至海水包含自比該第一深度大的一第二深度汲取海水及將該熱能自該可電極化材料轉移至海水。
30. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中在該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該下一個循環之該DC成極電壓。
31. 如請求項30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將該可電極化材料自該第一溫度熱循環至該第二溫度時發生的在局部自由能最大值下之該極化。
32. 如請求項1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。
33. 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將該熱能添加至該可電極化材料及自該可電極化材料抽取該熱能包含將一流體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，使得在該流體與該可電極化材料之間交換該熱能。
34. 如請求項33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而形成，且其中該流體經傳遞至該等流體通道，使得在該一或多個流體與該可電極化材料的一或多個層之間交換該熱能。
35. 如請求項34之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一步包含監視該流體之溫度及/或壓力。
36. 如請求項1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：該可電極化材料之溫度；該可電極化材料之電容； 該可電極化材料之極化；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。
37. 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；一第一熱交換器，其用於將一熱能添加至該一或多個可電極化材料層，其中該熱交換器與一熱源熱連通；一第二熱交換器，其用於自該一或多個可電極化材料層移除該熱能，其中該熱交換器與一散熱片熱連通；及一控制電路，該控制電路：藉由分別使用該第一熱交換器及該第二熱交換器交替地將該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該熱能在一第一溫度與一第二溫度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展現在該第一溫度下之自發極化，且其中由該可電極化材料在該第二溫度下展現之該自發極化比由該可電極化材料在該第一溫度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第一溫度的 熱循環之一第一部分中時，該可電極化材料產生一總體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第二溫度的熱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，其中當該第二溫度大於該第一溫度時，該第一電極與該第二電極連接至該負載並將該熱能添加至該可電極化材料，其中當該第二溫度小於該第一溫度時，該第一電極與該第二電極連接至該負載並從該可電極化材料抽取熱量；其中該熱源為一燃燒裝置、一太陽能熱收集器或一爐排氣器件之一組件；或其中該第一熱交換器包含：一用於自地球提取熱能之器件；一用於自太陽提取熱能之器件；一用於自海水提取熱能之器件；一用於自一工業過程提取熱能之器件；一用於自一燃燒反應提取熱能之器件；或一用於自一核反應提取該熱能之器件。
38. 如請求項37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。
39. 如請求項38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將該可電極化材料自該第一溫度熱循環至該第二溫度時發生的在局部自由能最大值下之該極化。
40. 如請求項37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。
41. 如請求項40之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中當在初始循環後熱循環時，該第一電極及該第二電極保持連接至該負載。
42. 如請求項37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。
43. 如請求項40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。
44. 如請求項37之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該第二溫度比該第一溫度高。
45. 如請求項37之用於將熱量轉換至電能之裝置， 其中該第一溫度比該第二溫度高。
46. 如請求項37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，在該相轉變溫度處該材料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。
47. 如請求項46之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該可電極化材料處於在該第一溫度及該第二溫度下展現自發極化的該相中。
48. 如請求項46之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該可電極化材料處於在該第一溫度下展現自發極化的該相中，且其中該可電極化材料處於在該第二溫度下不展現自發極化的該相中。
49. 如請求項37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。
50. 如請求項37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T_c之一鐵電材料，使得當該鐵電材料之溫度比該居里溫度T_c低時，該鐵電材料處於一鐵電相，且當該鐵電材料之溫度比該居里溫度T_c大時，該鐵電材料處於一順電或一反鐵電相。
51. 如請求項37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。
52. 如請求項38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。
53. 如請求項37之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該第一熱交換器及該第二熱交換器中之每一者包含一器件，其用於將一流體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，使得在該流體與該一或多個可電極化材料層之間交換該熱能。
54. 如請求項53之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該第一熱交換器及該第二熱交換器中之每一者進一步包含一用於監視該流體之溫度之溫度量測器件及/或一用於監視該流體之壓力之壓力量測器件。
55. 如請求項37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而形成，且其中該第一熱交換器及該第二熱交換器中之每一者將一流體傳遞至該等流體通道，使得在該流體與該一或多個可電極化材料層之間交換該熱能。
56. 如請求項53之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中該第一熱交換器及該第二熱交換器中之每一者包含用於控制該流體之該流的一或多個控制閥。
57. 如請求項56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(Microllers,MC)，其中該一或多個控制閥中之每一者由一或多個微控制器控制。
58. 如請求項37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/或來自該等電極之電流。
59. 如請求項37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。
60. 如請求項37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，該負載跨該第一電極及該第二電極而連接。
61. 如請求項60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。
62. 如請求項60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，該電儲存器件跨該第一電極及該第二電極而連接。
63. 一種載具，其包含：一如請求項37之用於將熱量轉換至電能之裝置；及一電動馬達；其中用於將熱量轉換至電能之該裝置與該電動馬達電連通。
64. 如請求項63之載具，其中該電動馬達提供動力以推進該載具。
65. 如請求項63之載具，其中該載具為一電動載具或一混合電動載具。
66. 如請求項64之載具，其中該散熱片為一輻射器。
67. 如請求項63之載具，其進一步包含一用於儲存電能之器件。
68. 如請求項67之載具，其中用於儲存電能之該器件包含一或多個電容器及/或一或多個可再充電電池。
69. 如請求項63之載具，其中該熱源為一燃燒裝置。
70. 如請求項69之載具，其中該燃燒裝置為一內燃引擎或一催化燃燒器。
71. 如請求項69之載具，其中該燃燒裝置為一催化燃燒裝置，其包含一催化元件及一經調適成自該催化元件接收熱量之一熱量接收部件，其中該熱源為該熱量接收部件。
72. 如請求項69之載具，其進一步包含一經調適成將燃料供應至該燃燒裝置之一燃料儲存器件。
73. 如請求項72之載具，其進一步包含在該燃料儲存器件中含有之一燃料，其中該燃料包含鋁或鋰金屬。