[发明专利]以铁电转换将热转换为电能的设备及方法

说明书

【技术领域】

本发明一般是关于热转换成电能，尤其关于运用铁电材料的自发极化来将热转换成电能的设备及方法，该自发极化会在该铁电材料位于对应其铁电相的温度范围时发生，而在该铁电材料随着温度改变而转移进入其顺电相或反铁电相时迅速消失。

【现有技术】

使用具有随温度而变的介电常数的电容来将热转换成电能为已熟知的技术。在Drummond提出的第4,220,906号美国专利、Olsen提出的第4,425,540号和第4,647,836号美国专利、Ikura等人提出的第6,528,898号美国专利以及Kouchachvili等人提出的第7,323,506号等美国专利当中已经揭示使用介电质作为可变电容来产生电力的代表装置。这些装置简单地运用如铁电体这些特定材料的介电常数会随温度变化而变的事实，尤其是这些装置使用该介电质作为随温度而变的可变电容，其电容量会随着因吸收热量温度的增加而减少。该电容在低温及电场的施加下会部分充电，然后藉由提升电场来完整充电。然后该电容会在较大电场下加热，并随温度升高、介电常数下降而部分放电，因此对应地降低电容量。降低所施加电场同时维持高温将可进一步放电(Olsen提出的第4,425,540号美国专利)。这种在施加电场下电容的温度与介电常数循环称为「Olsen循环」。

电容装置的物理特性简单易懂，电容量为C的一电容之电压V与介电常数ε成反比：

V＝Q/C＝Q/[ε(T)ε₀(A/d)]

当电容在Olsen循环下藉由施加外部电场完全充电之后，电容会被加热至一温度，于该温度介电常数ε会下降。在Olsen循环的加热期间，因为电容所保存的电荷Q会下降而同时V维持不变，所以会发生部分放电的情况。

Olsen在「Cascaded Pyroelectric  Converter，59FERROELECTRICS 205(1984)」当中也提出使用介电质作为可变电容来产生电力的报告，Olsen提出使用铁电性的PZST作为一具有多阶相变与再生性质的可变电容装置内的介电材料，其最大功率强度为33W/L(大约4W/kg)。运用有限元素法(finite element)仿真，Vanderpool计算出Olsen循环在使用PZST作为其可变电容内介电材料的特定条件下会产生24W/L(大约3W/kg)的功率强度。见Vanderpool，「使用热电材料来收取废热的原型装置仿真Simulations of a Prototypical Device Using Pyroelectric Materials for Harvesting Waste Heat，51 INT.J.HT & MASS TRANSFER 5051(2008)」。

然而，将热转换成电力的可变电容法并非是使用铁电体产生电力的最有效方法。真正的热电产生其实集中于铁电相内发生的既有极化上，与施加电场所引发的极化无关。该既有极化可提供更有效率的电能来源。在无施加电场的情况下，可变电容并不会有效利用铁电体内所发生强大的既有自发极化。再者，施加大外部电场以及于循环期间连续地施加外部电场会妨碍铁电体所能达到更强大的能量转换。这种外部电场会导致无法有效使用自发于铁电材料的电偶极且未受外部电场诱发的大量能源。

因此，业界至今仍有待解决上述的缺陷与不完备。

【发明内容】

本发明提供了一种藉由使用一或多个铁电体将热转换成电能的设备及方法，其铁电相的相转换是发生在所要的温度上。在铁电相中，在一或多铁电体的单位晶胞内都自发地产生非常强烈极性的电偶极，其不需施加任何的外部电场就会发生。藉由极化来排列该些单位晶胞与晶域，个别的单位晶胞和晶域的极化会结合而在整个材料系统内产生非常大的净自发极化。该净极化被指定为P_s，在无外部电场的情况下也可称为残余极化P_r。本发明特别运用自发极化，搭配相转换期间发生的极化快速改变，以将热转换成电能。本发明不需要介电常数的温度变异性。因自发极化所产生且因极化消失所释放的电能可远大于铁电体藉由可变电容模式的外部电场施加所能产生的电能。