[发明专利]使用可极化材料及内部产生的极化场将热量转换为电能的方法及装置

说明书

以地热能源公司（Neothermal Energy Company）的名义、按照PCT国际专利申请的方式于2011年9月14日提出该申请，其中地热能源公司这一美国国家公司（national corporation）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申请享有申请日为2011年9月8日、申请序列号为No.13/228,051的美国专利申请的优先权和权益，该美国专利申请其自身是现在已获准授权的、申请日为2009年5月14日、申请序列号为No.12/465,924的美国专利申请的部分继续申请。该PCT申请也享有申请日为2010年9月29日、申请序列号为No.61/387,760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

本发明总地涉及将热量转换为电能，更具体地，本发明涉及利用铁电材料的自发极化以便将热量转换为电能的方法；所述铁电材料的自发极化在铁电材料处于与其铁电相（ferroelectric phase）对应的温度范围内时发生，并在该铁电材料随着温度变化接近或转变（transition）为其顺电相或反铁电相（paraelectric or antiferroelectric phase）时快速减少或消失。

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设备。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，这些设备将电介质用作温度依赖性可变电容器，其电容值会随着因吸收热量温度的增加而减少。该电容器在低温及施加场（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值。使电容器保持在高温下的同时，通过降低施加场可进一步放电（奥尔森的美国专利No.4,425,540）。这种在施加场时电容器的温度与介电常数的循环称为奥尔森循环（Olsen cycle）。

电容器设备的物理特性简单易懂。电容值为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)]

当电容器在奥尔森循环下藉由施加外源场完全充电之后，将电容器加热到介电常数ε会下降的温度。在奥尔森循环的加热步骤期间，因为电容器所保存的电荷Q会下降而同时V维持不变，所以会发生部分放电。

奥尔森在级联热电转换器，59铁电体205（1984）（Cascaded Pyroelectric Converter，59FERROELECTRICS205）中还报导了将电介质用作可变电容器来发电。奥尔森报导了将铁电PZST用作具有多级再生性质（multiple stages and regeneration）的可变电容器设备内的介电材料时，其最大功率密度为33W/L（约4W/kg)。范德普（Vanderpool）使用有限元模拟计算出，奥尔森循环在特定条件下、在将PZST用作可变电容器内的介电材料时会产生24W/L（约3W/kg）的功率密度。见范德普的使用热电材料来收取废热的原型设备模拟，51期国际传热与传质杂质5051(2008)（Simulations of aPrototypical Device Using Pyroelectric Materials for Harvesting Waste Heat，51INT.J.HT & MASS TRANSFER5051(2008)）。