描述了一種通過開發(fā)可電極化材料中出現(xiàn)的自發(fā)極化的變化，將熱量轉(zhuǎn)換為電的方法。該方法在每個循環(huán)操作過程中使用內(nèi)部產(chǎn)生的場來實(shí)現(xiàn)極化。在每個循環(huán)的合適點(diǎn)處通過在電極上保留的剩余自由電荷產(chǎn)生內(nèi)極化場。該方法消除了在循環(huán)操作期間需要施加DC電壓，并允許使用極化過程中出現(xiàn)的電能，而不是使用使每個循環(huán)產(chǎn)生的凈能量減損的外部極化電壓。該方法并不受限于特定熱力學(xué)循環(huán)，可結(jié)合任何熱力學(xué)循環(huán)、通過使可電極化材料熱循環(huán)將本發(fā)明專利技術(shù)用于將熱量轉(zhuǎn)換為電。產(chǎn)生電能可用于各種應(yīng)用或儲存起來供后續(xù)使用。還描述了一種將熱量轉(zhuǎn)換為電的裝置。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)總地涉及將熱量轉(zhuǎn)換為電能，更具體地，本專利技術(shù)涉及利用鐵電材料的自發(fā)極化以便將熱量轉(zhuǎn)換為電能的方法；所述鐵電材料的自發(fā)極化在鐵電材料處于與其鐵電相(ferroelectric phase)對應(yīng)的溫度范圍內(nèi)時發(fā)生,并在該鐵電材料隨著溫度變化接近或轉(zhuǎn)變(transition)為其順電相或反鐵電相(paraelectric or anti ferroelectric phase)時快速減少或消失。
技術(shù)介紹
眾所周知的是，可使用具有溫度依賴性介電常數(shù)的電容器將熱量轉(zhuǎn)換為電能。例如，在德拉蒙德(Drummond)的美國專利(N0.4，220，906)、奧爾森(Olsen)的美國專利(N0.4，425，540 和 N0.4，647，836)、伊倉(Ikura)等的美國專利(N0.6，528，898)和庫恰什維利(Kouchachvili)等的美國專利(N0.7，323，506)中公開了將電介質(zhì)用作可變電容器來發(fā)電的代表設(shè)備。這些設(shè)備簡單地運(yùn)用諸如鐵電體的某些材料的介電常數(shù)會隨溫度變化而改變的事實(shí)。特別地，這些設(shè)備將電介質(zhì)用作溫度依賴性可變電容器，其電容值會隨著因吸收熱量溫度的增加而減少。該電容器在低溫及施加場(applied field)的作用下會部分充電，然后藉由提升電場來充分充電。然后該電容器在較大場下被加熱，并隨溫度升高、介電常數(shù)下降而部分放電，因此對應(yīng)地降低電容值。使電容器保持在高溫下的同時，通過降低施加場可進(jìn)一步放電(奧爾森的美國專利N0.4，425，540)。這種在施加場時電容器的溫度與介電常數(shù)的循環(huán)稱為奧爾森循環(huán)(Olsen cyc le)。電容器設(shè)備的物理特性簡單易懂。電容值為C的電容器的電壓V與介電常數(shù)ε成反比:V=Q/C=Q/當(dāng)電容器在奧爾森循環(huán)下藉由施加外源場完全充電之后，將電容器加熱到介電常數(shù)ε會下降的溫度。在奧爾森循環(huán)的加熱步驟期間，因?yàn)殡娙萜魉４娴碾姾蒕會下降而同時V維持不變，所以會發(fā)生部分放電。奧爾森在級聯(lián)熱電轉(zhuǎn)換器，59鐵電體205 (1984) (Cascaded PyroelectricConverter, 59FERR0ELECTRICS205)中還報導(dǎo)了將電介質(zhì)用作可變電容器來發(fā)電。奧爾森報導(dǎo)了將鐵電PZST用作具有多級再生性質(zhì)(multiple stages and regeneration)的可變電容器設(shè)備內(nèi)的介電材料時，其最大功率密度為33W/L (約4W/kg)。范德普(Vanderpool)使用有限元模擬計算出，奧爾森循環(huán)在特定條件下、在將PZST用作可變電容器內(nèi)的介電材料時會產(chǎn)生24W/L (約3W/kg)的功率密度。見范德普的使用熱電材料來收取廢熱的原型設(shè)備模擬，51期國際傳熱與傳質(zhì)雜質(zhì)5051 (2008) (Simulations of aPrototypicalDevice Using Pyroelectric Materials for Harvesting Waste Heat,51INT.J.HT & MASSTRANSFER5051 (2008))。然而，將熱量轉(zhuǎn)換成電的可變電容器法并非是使用鐵電體來發(fā)電的最有效的方法。相反，產(chǎn)生熱電其實(shí)真正集中在鐵電相內(nèi)自發(fā)發(fā)生的固有極化上，而與施加場所感生(induce)的極化無關(guān)。該固有極化提供更穩(wěn)定(robust)的電能來源。在無施加場的情況下，可變電容器并不會利用發(fā)生于鐵電體內(nèi)的強(qiáng)大的固有自發(fā)極化。再者，施加大外源場以及在循環(huán)操作期間連續(xù)地 施加外源場會妨礙鐵電體通過自發(fā)極化達(dá)到更強(qiáng)大的能量轉(zhuǎn)換。這種外源場會導(dǎo)致無法有 效使用自發(fā)于鐵電材料的電偶極(electric dipole)且未受外源場感生的大量電能。伊爾比爾(Erbil)的美國專利申請(N0.12/465，924)和美國專利(N0.7,982, 360)中公開了使用鐵電體的固有自發(fā)極化進(jìn)行熱-電轉(zhuǎn)換的裝置和方法。與現(xiàn)有技術(shù)不同，這里所呈現(xiàn)的專利技術(shù)利用鐵電體的自發(fā)極化以及發(fā)生于相變期間的自發(fā)極化的快速變化將熱量轉(zhuǎn)換為電能。與可變電容器法不同的是，這些專利技術(shù)并不依賴于施加電場從而在鐵電材料中感生出電偶極。它們的確注重于在轉(zhuǎn)變到鐵電相期間或之后使用小電場，以便使鐵電體極化，但該電場并不是用來在其自身的晶胞內(nèi)生成基礎(chǔ)極化。當(dāng)材料處于使其位于其鐵電相的溫度時，極化場簡單地使自發(fā)出現(xiàn)的固有電偶極對齊(align)。申請?zhí)枮镹0.12/465，924的申請和專利號為N0.7，982，360的美國專利中闡述的裝置和方法是將熱能轉(zhuǎn)換為電的新方法。采用該新方法時需要解決使用自發(fā)極化、從而由熱能發(fā)電的最佳方式。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了通過使用鐵電體將熱量轉(zhuǎn)換為電能的裝置和強(qiáng)化方法，在所述鐵電體中在所需溫度下轉(zhuǎn)變到和轉(zhuǎn)變出鐵電相。該專利技術(shù)公開了在每個循環(huán)過程中不使用外加電壓(external voltage)而提供鐵電體的基本極化(essential poling)的新方法。取而代之的是，每個循環(huán)過程中保留有剩余場(residual field),且該場在鐵電體轉(zhuǎn)變到其鐵電相時使鐵電體極化。還可結(jié)合其他可電極化(electrically polarizable)材料使用本專利技術(shù)。該專利技術(shù)公開了一新的熱力學(xué)循環(huán)；相比于采用其他循環(huán)，所述新的熱力學(xué)循環(huán)可能允許輸出更高電能。處于鐵電相時，一個或多個鐵電體的晶胞內(nèi)自發(fā)形成極強(qiáng)的極化電偶極，這發(fā)生在沒有施加外源場的情況下。通過極化使晶胞和晶域?qū)R時，個別晶胞和晶域的極化會結(jié)合而在整個材料系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生非常大的凈自發(fā)極化(net spontaneous polarization)。該凈極化指定為Ps。本專利技術(shù)利用自發(fā)極化，以及熱循環(huán)操作過程中發(fā)生的自發(fā)極化的快速變化來將熱量轉(zhuǎn)換成電能。本專利技術(shù)不需要介電常數(shù)的溫度可變性。相比于在可變電容器模式下使用鐵電體、憑借施加外電場產(chǎn)生的電能，因自發(fā)極化而產(chǎn)生、且因極化減少或消失而釋放的電能可能大得多。可利用一或多個熱交換器來控制鐵電材料的溫度，這樣鐵電材料將經(jīng)歷到鐵電相的轉(zhuǎn)變。在該轉(zhuǎn)變期間，較小電場使鐵電體極化。極化場將自發(fā)電偶極對齊到特定材料的分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)所允許的程度。對于在鐵電體中將自發(fā)偶極用作實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的有效方式而言，極化是必不可少的。雖然施加大電場對可變電容器設(shè)備的運(yùn)行和奧爾森循環(huán)來說是必不可少的，但施加的這種外源場以及超出極化所需最小值的場通常會妨礙將自發(fā)極化用作產(chǎn)生電能的方式。本專利技術(shù)公開了一種在轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相的過程中使自發(fā)電偶極極化的新穎途徑。在申請?zhí)枮镹0.12/465，924的美國專利申請和專利號為N0.7.982，360的美國專利中，由外部電壓源生成極化場。相反，采用本專利技術(shù)時則由鐵電材料表面的電極上的剩余自由電荷產(chǎn)生極化場。在該專利技術(shù)中，控制熱電循環(huán)，以便在電極上留下較小剩余電荷，而不是如前述公開中完全去除(remove)剩余電荷。剩余電荷生成的極化場使得轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相期間自發(fā)建立的電偶極被極化。當(dāng)本專利技術(shù)的鐵電材料處于其鐵電相且被極化時，自發(fā)地由偶極產(chǎn)生非常強(qiáng)的固有電場，而不用施加外源場進(jìn)行感生。自發(fā)極化在鐵電體的表面上引起非常密集的束縛電荷(bound charge),所述束縛電荷轉(zhuǎn)而在位于鐵電材料表面的電極上感生出相反的屏蔽電荷(screened cha本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：阿赫邁特·伊爾比爾，戴維·F·沃爾伯特，
申請(專利權(quán))人：地?zé)崮茉垂?/a>，
類型：
國別省市：
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