[發(fā)明專利]借助相變材料的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010241413.4
• 申請(qǐng)日: 2020-03-31
• 公開（公告）號(hào): CN111835230B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張晨波;陳弦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 香港科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N11/00
• 分類號(hào): H02N11/00
• 代理公司: 北京世峰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11713
• 代理人: 卓霖;許向彤

本公開提供了一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和方法，用于在沒有任何外部電源的情況下，通過鐵電材料的相變直接從熱能產(chǎn)生電能。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括電路，該電路包括相變電容器和電荷儲(chǔ)存器。相變電容器具有包含相變鐵電材料的介電層。當(dāng)相變電容器初始化并且受到跨過相變鐵電材料的相變溫度的熱循環(huán)時(shí)，介電層的極化強(qiáng)度在鐵電相和順電相之間產(chǎn)生突變，從而使得電流在相變電容器和電荷儲(chǔ)存器之間通過負(fù)載流動(dòng)，進(jìn)而將熱能轉(zhuǎn)換為電能。本能量轉(zhuǎn)換方法在能量轉(zhuǎn)換過程中不需要任何外部偏置電場(chǎng)。

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2019年4月17日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第62/920,172號(hào)的全部權(quán)益，該申請(qǐng)通過引用整體并入此文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及一種借助相變材料的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

從廢熱中回收和收集能源是能源科學(xué)和技術(shù)中最緊迫的挑戰(zhàn)之一。燃料燃燒、計(jì)算機(jī)和機(jī)器運(yùn)行、運(yùn)輸甚至發(fā)電過程本身都不可避免的會(huì)產(chǎn)生廢熱。近年來，每年廢熱排放已經(jīng)達(dá)到了全球年度總能量輸入的30％左右。當(dāng)人們致力于減少廢熱排放時(shí)，利用它并將其轉(zhuǎn)換為有用的能源在減少廢熱和提高可再生能源發(fā)電方面起著重要作用。具有最先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)的熱電器件是最適合此目的的技術(shù)，但其性能在低溫下受到很大阻礙，尤其是在溫度低于200℃時(shí)。

近年來，能夠進(jìn)行一階相變并伴有鐵電性質(zhì)突變的材料引起了通過低階廢熱進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。這種材料的一個(gè)例子是BaTiO₃(鈦酸鋇)，在加熱時(shí)通過四方晶系到立方晶系的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了相變前后極化強(qiáng)度的突變。許多使用此類材料發(fā)電的傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)都基于奧森循環(huán)(Olsen cycle)。但是，所有這些設(shè)計(jì)都使用外部直流電壓或電源在等熱過程中為相變中的材料提供偏置電場(chǎng)。然而，合理的發(fā)電裝置不應(yīng)依賴于另一個(gè)電壓源。

因此，通過相變鐵電材料進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換在許多能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中得到了廣泛的研究。與溫度相關(guān)的極化或電容通常被理解為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的熱釋電效應(yīng)。這些系統(tǒng)使用的材料是鐵電材料。材料可以制成介電層，使其成為與溫度相關(guān)的電容器。這些熱釋電能量轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)包括外部電壓源，用于在埃里克森循環(huán)(Ericsson cycle)中在等壓過程中提供偏置場(chǎng)。電阻器上收集的電能經(jīng)常與從熱能轉(zhuǎn)換的靜電能相混淆。然而，這兩者并非一定相等。因此，在評(píng)估鐵電材料產(chǎn)生的、在電阻器上收集的電能時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎。當(dāng)連接外部電壓源時(shí)，我們無法區(qū)分從相變和外部電源偏置場(chǎng)產(chǎn)生的靜電能。

因此，需要通過相變鐵電材料建立新的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而消除或至少減少上述缺點(diǎn)和問題。

發(fā)明內(nèi)容

本文提供了一種用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有初始化模式和能量轉(zhuǎn)換模式，并且包括電路，該電路包括：具有一個(gè)或多個(gè)介電層的相變電容器，每個(gè)介電層包含相變鐵電材料，使得每個(gè)相變電容器具有與溫度相關(guān)的電容，當(dāng)相變電容器的溫度從低于相變鐵電材料的相變溫度的第一溫度轉(zhuǎn)變至高于相變溫度的第二溫度時(shí)，與溫度相關(guān)的電容從第一電容值切換至第二電容值，反之亦然；電荷儲(chǔ)存器，用于釋放和接收電荷；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置為：當(dāng)系統(tǒng)處于初始化模式時(shí)，該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將外部電源連接至電路，以初始化相變電容器和電荷儲(chǔ)存器，以存儲(chǔ)電荷；以及在相變電容器和電荷存儲(chǔ)器被初始化并且外部電源與電路斷開之后，當(dāng)系統(tǒng)處于能量轉(zhuǎn)換模式時(shí)，該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在相變電容器和電荷存儲(chǔ)器之間連接負(fù)載，使得當(dāng)相變電容器經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)熱循環(huán)并且相變電容器的溫度在第一溫度和第二溫度之間振蕩時(shí)，電流在相變電容器和電荷儲(chǔ)存器之間通過負(fù)載來回地流動(dòng)，從而將來自一個(gè)或多個(gè)熱循環(huán)的熱能轉(zhuǎn)換為電能以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)還包括外部電源，當(dāng)系統(tǒng)處于初始化模式時(shí)，該外部電源用于初始化相變電容器和電荷儲(chǔ)存器。

在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)還包括當(dāng)系統(tǒng)處于能量轉(zhuǎn)換模式時(shí)連接到電路的負(fù)載。

在某些實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括用于協(xié)助產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)熱循環(huán)的溫度變化裝置。