[发明专利]采用新的热力学循环将热能转换为电能的装置和方法

说明书

以地热能源公司（The Neothermal Energy Company）的名义、按照PCT国际专利申请的方式于2011年9月13日提出本申请，其中地热能源公司这一美国国家公司是除美国之外其他所有国家的申请人，两个美国公民阿赫迈特·伊尔比尔（Ahmet Erbil）和戴维·F·沃尔伯特（David F.Walbert）仅指定为在美国的申请人。

相关申请的交叉引用

本PCT申请要求申请日为2011年9月7日、申请序列号为No.13/226,799的美国专利申请的优先权和权益，该美国专利申请是申请日为2009年5月14日、申请序列号为No.12/465,924的现在已授权的美国专利申请的部分继续申请案。本PCT申请还要求申请日为2010年9月29日、申请序列号为No.61/387,752的美国临时专利申请的优先权和权益。以上每个申请在此全文引用，以供参考。

本发明的描述中记载和讨论了一些参考文献，这些参考文献可能包括专利、专利申请和各种出版物。提供记载和/或讨论的上述参考文献仅用来阐明对本发明的描述，而不是承认任何上述参考文献是本文所描述的该发明的“现有技术”。这一说明书中所记载和讨论的所有参考文献在此全文引用，并得到仿佛单独引用每个参考文献的相同引用程度，以供参考。

技术领域

本发明涉及热能转换为电能技术领域，尤其涉及一种利用铁电材料自发极化现象将热量转换为电能的方法，当铁电材料处于其铁电相的温度范围内发生自发极化，随着温度的改变，当铁电材料接近或者转换成顺电相或者反铁电相时极化现象快速减小或者消失，从而将热能转换成电能。

背景技术

众所周知的是，可使用具有温度依赖性介电常数的电容器将热量转换为电能。例如，在德拉蒙德（Drummond）的美国专利No.4,220,906、奥尔森（Olsen）的美国专利No.4,425,540和No.4,647,836、伊仓（Ikura）等的美国专利No.6,528,898和库恰什维利（Kouchachvili）等的美国专利No.7,323,506中公开了将电介质用作可变电容器来发电的代表装置。这些设备简单地运用诸如铁电体的某些材料的介电常数会随温度变化而改变的事实。特别地，这些装置将电介质用作温度依赖性可变电容器，其电容量会随着因吸收热量温度的增加而减少。该电容器在低温及外加场（applied field）的作用下会部分充电，然后藉由提升电场来充分充电。然后该电容器在较大场下被加热，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。使电容器保持在高温下的同时，通过降低外加场可进一步放电（奥尔森的美国专利No.4,425,540）。在外加场作用下电容器的温度与介电常数的这种循环操作（cycling）称为奥尔森循环（Olsen cycle）。

电容器装置的物理现象简单易懂。电容量为C的电容器的电压V与介电常数ε成反比：

V=Q/C=Q/[ε(T)ε₀(A/d)]

根据奥尔森循环，当电容器在外部电场的作用下完全充电后，电容加热到一定温度，在这个温度下介电常数ε减小。在奥尔森循环的加热步骤中，电容器的电荷Q减小，电压V保持不变，从而产生部分放电现象。

奥尔森在1984年出版的第59期205页中的《级联热电转换器》（Cascaded Pyroelectric Converter,59FERROELECTRICS205(1984)）中曾经报道过，利用介电材料作为可变电容器来发电。奥尔森报道了采用铁电材料PZST作为介电材料时，在可变电容器的多个阶段和循环再生中所获得的最大功率密度是33W/L（约为4W/kg）。凡达普洱（Vanderpool）使用有限元模拟计算得知，当可变电容器中使用PZST作为介电材料时，在一定条件下奥尔森循环产生的功率密度为24W/L（约为3W/kg）。参见Vanderpool,Simulations of a Prototypical Device Using Pyroelectric Materials for Harvesting Waste Heat,51INT.J.Ητ&MASS TRANSFER5051(2008)。