[发明专利]使用化学热力发动机和压电材料产生电的系统和方法

说明书

本申请是申请日为2007年9月10日，申请号为200780041252.7，发明名称为“使用化学热力发动机和压电材料产生电的系统和方法”的申请的分案申请。

发明领域

本发明广泛涉及用于产生电的机构。更具体地，本发明涉及使用压电材料产生电的机构。

技术水平

压电是在没有中心对称性的晶体结构内电荷位移的结果。当承受机械载荷(比如，振动、压缩和/或挠曲)时，压电元件在压电材料的相对面上感应电荷。在现有技术中，压电元件已经用于致动器、换能器、谐振腔、变压器、微型发电机和各种类型的传感器。最近，为了能量提取研究和开发压电元件。压电元件响应应力或应变，起电容器的作用。

当压电材料承受压应力或张应力时，由于压应力或张应力寻求均衡，在材料上产生电场，引起电压梯度以及随后的电流。由导电材料来提供电流，该导电材料允许通过从压电材料移走不等电荷，而使压电材料的不等电荷均衡。压电材料产生高电压和低电流电。因为压电材料在承受外部施加的电压时，能改变形状，所以压电效应是可逆的。一些物质(比如，石英、罗谢尔盐)的正压电现象能产生数千伏的电压。

压电材料将能量储存为电场和机械位移(应变)两种形式。应变和电场之间的关系由SC＝1/ST(SR-(d*e))给出，其中“SC”是压电元件在恒定电场中的柔量，“SR”是机械变形(mechanical deformation)以及“d”是压电电荷常数。当施加压力时，生成的电荷为：Q＝d*P*A，其中P是施加的压强，A是加压的面积。利用一个在一个上面的多重压电堆叠(stack)并将它们并联连接增加压力相关的电荷。产生的输出电压可表示为堆叠的总电荷除以的电容。

在现有技术中，压电材料已经被用来从风、海浪、环境声、机动车交通、机动车轮胎的变形和人脚对地板的冲击引起的振动能量来提取能量。然而，现有技术方法导致了非常低的功率输出，这使得这种解决方案只适用于小功率应用。

发明概述

本发明提供了一种系统，其用于产生电信号，所述系统包括：至少一个热力发动机，其具有一室，所述室经历加热和冷却循环以及相应的压力变化；至少一个压电换能器，其可操作地耦合到所述热力发动机，所述压电换能器响应于所述热力发动机的所述压力变化而被变形，并因变形而产生电输出信号。

所述系统还可包括：功率变换器，其可操作地耦合到所述至少一个压电换能器，所述功率变换器将所述电输出信号转换成期望的电力供应信号。

在所述系统中：所述热力发动机可具有冷地热源和热环境源。

在所述系统中：所述热力发动机可具有热地热源和冷环境源。

在所述系统中：氢可作为工作流体被布置在所述热力发动机的所述室内。

至少一种金属氢化物材料可布置在所述热力发动机的所述室内，所述金属氢化物材料可用于在所述热力发动机的所述加热和冷却循环期间吸收和解吸氢。

至少一种相变材料可布置在所述热力发动机的所述室里。

所述金属氢化物材料可在所述室里的第一压力和第一温度下吸收氢，所述第一温度对应所述相变材料放热的温度。

所述金属氢化物材料可在所述室里的第二压力和第二温度下解吸氢，所述第二温度对应所述相变材料吸热的温度。

所述功率变换器可包括具有储存转动能的飞轮的机电电池。

所述功率变换器可包括用于将所述飞轮的转动能转换成所述期望的电力供应信号的设备。

所述机电电池可包括电磁耦合到定子的转子，所述转子可以可操作地耦合到所述飞轮，其中所述转子和定子中的一个可包括永磁体阵列。

所述功率变换器可包括可操作地耦合到所述机电电池的静电电动机，所述静电电动机可将转动能加到所述飞轮。

所述静电电动机可包括经由排斥的库仑力而相对彼此转动的转子和定子，所述转子可以可操作地耦合到所述机电电池的所述飞轮。

所述功率变换器可包括可操作地耦合在至少一个压电换能器元件和所述静电电动机之间的接口电路。

所述接口电路可包括Marx发生器电路。

所述接口电路可包括AC-DC整流器和滤波电容器，所述AC-DC整流器和滤波电容器可合作产生用于输入到所述Marx发生器电路的充电电压信号。

本发明还提供了一种装置，其用于能量转化，所述装置包括：机电电池，其具有储存转动能的飞轮；以及静电电动机，其可操作地耦合到所述机电电池，所述静电电动机将转动能加到所述机电电池的所述飞轮。

所述装置还可包括：用于将所述飞轮的转动能转换成期望的电力供应信号的设备。