专利名称：以铁电转换将热转换为电能的设备及方法
以铁电转换将热转换为电能的设备及方法
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Kouchachvi 1 i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) ε 0 (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,59FERR0ELECTRICS 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4ff/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)J 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ps，在无外部电场的情况下也可称为残余极化Pp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。铁电材料的温度可藉由运用一或多个热交换器来控制，使其转换进入铁电相。在转换进入铁电相期间或之后，施加小电场来将该铁电体极化。极化场会将自发电偶极排列对齐，其程度为在特定材料的晶体结构所允许的范围，除了这种初始极化以外，该外部电场并不需是该装置的处理或循环的一部分。本发明一般应避免电场的应用(最小极化场除外)，因为这种施加电场一般会干扰运用自发极化及极化改变来将热转换为电能的效果。虽然大电场的应用对于可变电容装置与Olsen循环来说是必要的(例如Olsen在第 4，425，540号美国专利内提出的^kV/cm)，这种外部电场以及超越极化所需最小场的电场一般将降低本发明生成电能的效果。当本发明的铁电材料处在铁电相内且已经极化时，因为铁电体内自发极化的强度，其自然会产生非常强烈的既有电�。恍枰┘油獠康绯�。自发极化会在铁电体的表面上产生非常密集的束缚电荷(bound charge)，结果电流会流向铁电体反面的电极，直到电极上已屏蔽的电荷等于铁电体个别表面上电性相反的束缚电荷。此时，电极内的净电场可忽略不计。依所使用的特定材料以及该材料的相转换温度而定，藉由运用一或多个热交换器来变更铁电体的温度可使材料通过相转换变成顺电相或反铁电相。当铁电材料经过相转换，其整体净自发极化可忽略不计，且铁电体表面上的束缚电荷会消失。电极上已屏蔽的电荷因此变成未屏蔽状态，如此，电荷可在非常高的电压下从电极移至外部电路。然后铁电电能产生�？榛�(1)藉由使用热交换器将材料加热至可导致相转换的温度，之后再循环回到铁电相，以及( 在该相转换期间运用小电场重新极化。然后连续重复该循环，其结果为热能量可连续转换成高电压的电能。本发明可使用固态或液态的铁电体，后者包含液态铁电体以及悬浮在液体内的铁电性细微结晶。运用本发明的铁电体自发极化可允许在各种温度下有效率地将各种热源供应的热能转换为电能，无论这些热能是自然发生或生产出来的。热可从热源输入铁电体，或利用传导、转换或辐射等方式或利用任何这些方式的组合从铁电体抽出至散热片。利用相变化循环的自发极化的改变所获得的电能可用L andau-Ginzburg-Devonshire (LGD)原理预测其产量，其中自由能量的泛涵数是以温度T和极化量P来表示G(T，P) = Q1(T) - P2+αη. P4+αηι. P60这些参数随材料系统而定。根据LGD泛函的模型也允许计算使用大施加电场来感应属于先前技术和Olsen循环的极化时可获得的自由能量。虽然由这两种方式产生的净能量的数值比较随特定材料系统和操作手法而变，不过LGD原理指出，针对典型铁电体以及可用参数，使用自发极化产生的电能会远超出先前技术中单仅使用大施加电场诱导极化所能获得的电能。单阶的铁电功率转换�？榘ヒ惶绮牧希绱耍渫ǔ＞哂械ヒ坏南嘧晃露龋浞从吵鎏缦嘤敕羌�(像是顺电相或反铁电相)之间的转换。根据此处所描述的流程与方法，铁电�？樵谙嘧晃露壬舷卵犯谋渚涂刹缒�。为了在热源与散热片之间的温度差ΔΤ充足的应用中能更有效率地将可用热能转换成电能，可使用一系列具有连续相转换温度的铁电材料，其相转换温度以递增方式涵盖热源与散热片之间全部或至少一部分的温度范围。能确保多阶装置的ΔΤ幅度是取决于应用的参数与需求以及所使用的特定铁电体的特性，像是与温度成函数关系的相转换锐利度。在一个态样内，本发明是关于一种将热转换成电能的设备。在一个具体实施例内， 该设备具有一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料构成，该材料的特征在于具有一相转换温度，如此该材料在一铁电相时，该铁电体的单位晶胞内会建立起自发极化，且该铁电层经过极化后会产生一整体净自发极化；如此随着该铁电的温度变化经过该转换温度，该材料会进入一顺电相或反铁电相，其中该铁电层具有可忽略不计的或无任何整体净自发极化。该设备也具有一对电极，分别形成于该铁电层的该第一表面与该第二表面上，其中该对电极由一导热与导电材料所形成；以及装置，其与该对电极关连设置，用于透过对流、传导或辐射等方式来交替地将来自该铁电层的热移除，或是将热输入该铁电层，如此可分别以高于该相转换温度的一温度Th加热该铁电层，并交替地以低于该相转换温度的一温度IY冷却该铁电层，如此该铁电层的铁电材料会在⑴该铁电相与(2)该顺电相或反铁电相之间进行交替转换。该铁电层、该对电极以及该传递装置都设置成使得该铁电层的铁电材料处于该铁电相时会分别在该对电极上产生电性相反的屏蔽电荷，且该铁电层的铁电材料转换进入该顺电相或反铁电相时该对电极上所产生该电性相反的屏蔽电荷会放电形成为电能。在其它态样内，本发明是关于一种将热转换成电能的设备。在一个具体实施例内， 该设备包含一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面。该铁电层由一铁电材料形成，该材料的特征在于具有一居里温度(Curie temperature)!；，如此当该铁电材料的温度低于该居里温度T。时，该铁电材料会处于一铁电相内，在该相中该铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化，而当该铁电材料的温度高于该居里温度T。时，该铁电材料的单位晶胞内不会建立起任何自发极化。该设备也包含一对电极，其分别形成于该铁电层的该第一表面与该第二表面上。 该对电极由一导热与导电材料所形成。再者，该设备包含与该对电极关连设置的装置，其用于交替地传递一冷流体流和一热流体流过该铁电层的该第一表面与该第二表面，如此以交替地以低于该居里温度Tc的一第一温度IY冷却该铁电层，并以高于该居里温度Tc的一第二温度Th加热该铁电层，如此该铁电层的铁电材料可藉此温度循环在该铁电相与该顺电相之间进行交替转换。该铁电层、该对电极以及该传递装置都设置成使得该铁电层的铁电材料在处于该铁电相时会分别在该对电极上产生电性相反的屏蔽电荷，且当该铁电层的铁电材料转换进入该顺电相时，该对电极上所产生的该电性相反的屏蔽电荷会放电形成电能。此外，该设备可具有一对电导线，其电性连接至该对电极，如此当该铁电层的铁电材料在该铁电相内或正在转换成该铁电相时，一 DC电压会施加在该对电导线之间，以将该铁电材料的单位晶胞与晶域极化，如此以在该对电极上分别产生该电性相反的屏蔽电荷； 而在该铁电层的铁电材料转换成该顺电相时，对应该所产生电性相反的屏蔽电荷的电能会以远高于极化用的该DC电压之一电压输出至该对电导线。再者，该设备可包含装置，其用于监控该铁电层的温度、电容量、及该加热流体与冷却流体的温度。在一个具体实施例内，该传递装置包含一或多热交换器，其与一热源和一散热片流体连通，用于将来自该热源的热输入该铁电层如此以该第二温度Th加热该层，以及从该铁电层中抽出热至该散热片如此以该第一温度IY冷却该铁电层。在其它具体实施例内，该传递装置包含分别形成于该对电极上的一第一流体通道和一第二流体通道，如此当冷流体流过至少该第一和第二流体通道的其中一者时该铁电层会朝该第一温度IY冷却，且当热流体流过至少该第一和第二流体通道的其中一者时该铁电层会朝该第二温度Th加热；放置一或多热交换器，如此该第一和第二流体通道会交替地传递一冷流体流和一热流体流过该铁电层的该第一表面和该第二表面，如此以交替地以该第一温度IY冷却该铁电层，且以该第二温度Th加热该铁电层；以及复数个控制阀，其与该一或多个热交换器连通，用于控制该冷与热流体的流动。该复数个控制阀受到微处理器的控制。在又一其它态样内，本发明是关于一种将热转换成电能的方法。在一具体实施例内，该方法包含下列步骤提供一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料形成，该材料的特征在于具有一相转换温度，如此当该材料处于铁电相时，在该铁电体的单位晶胞内会建立起自发极化，且该铁电层经过极化后会产生一整体净自发极化；如此，当该铁电的温度变化经过该转换温度时，该材料会转变进入一顺电相或反铁电相，其中该铁电层具有可忽略不计的或并无整体净自发极化；以及一对电极分别形成于该铁电层的该第一表面与该第二表面上，其中该对电极是由一导热与导电材料所形成。该方法也包含步骤透过对流、传导或辐射等方式以交替地将来自该铁电层的热移除以及将热输入该铁电层，如此以分别以高于该相转换温度的一温度Th加热该铁电层， 并交替地以低于该相转换温度的一温度IY冷却该铁电层，如此该铁电层的铁电材料恨在 ⑴该铁电相与⑵该顺电相或反铁电相之间进行交替转换。该方法另包含步骤极化该铁电层的铁电材料中单位晶胞和晶域的自发极化，如此当该铁电层的铁电材料处于该铁电相时该对电极上会产生电性相反的屏蔽电荷，且在该铁电层的铁电材料转换成顺电相或反铁电相时输出对应该对电极上所产生该电性相反的屏蔽电荷的电能。在又一其它态样内，本发明是关于一中将热转换成电能的方法。在一具体实施例内，该方法包含下列步骤提供一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料形成，其特征在于具有一居里温度T。，如此当该铁电材料的温度低于该居里温度T。时，该铁电材料会处于一铁电相内，该相中该铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化；以及在该铁电材料的温度高于该居里温度T。时，该铁电材料的单位晶胞内不会建立起自发极化；以及分别在该铁电层的该第一表面和该第二表面上形成一对电极， 该对电极由一导热与导电材料形成。该方法也包含下列步骤交替地传递一冷流体流和一热流体流过该铁电层的该第一表面与该第二表面，如此以交替地以低于该居里温度Tc的一第一温度IY冷却该铁电层， 并以高于该居里温度Tc的一第二温度Th加热该铁电层；如此该铁电层的铁电材料会藉此温度循环在该铁电相与该顺电相之间进行交替转换。该方法另包含下列步骤极化该铁电材料中单位晶胞和晶域的自发极化，如此当该铁电材料处于铁电相时该铁电层的净自发极化会在该对电极上产生整体电性相反的屏蔽电荷，而当该铁电层的铁电材料转换成该顺电相时，其会输出对应该对电极上所产生的该电性相反的屏蔽电荷的电能。此外，该方法也包含下列步骤分别在该对电极上形成一第一流体通道和一第二流体通道，如此当冷流体流过该第一和第二流体通道的至少其中一者时，该铁电层会朝该第一温度IV冷却，且当热流体流过该第一和第二流体通道的至少其中一者时，该铁电层会朝该第二温度Th加热。该方法也包含下列步骤监控该铁电层的温度与电容量以及该加热与冷却流体的温度。在一个具体实施例内，藉由在该对电极之间供应一 DC电压来排列该铁电层中该铁电材料的单位晶胞与晶域的自发极化，如此以在该铁电层的该第一和第二表面上分别产生电性相反的束缚电荷，藉此在该对电极上产生电性相反的屏蔽电荷。之后结合该转换至该顺电相，从该电极输出的该电能的电压会远高于极化用的该DC电压。在一个具体实施例内，该传递步骤会由一或多个于一热源和一散热片流体连通的热交换器执行，用于将来自该热源的热输入该铁电层如此以该第二温度Th加热该层，以及从该铁电层中抽出热至该散热片如此以该第一温度IY冷却该铁电层。在其它具体实施例内，该传递步骤会由一或多热交换器以及复数个与该一或多热交换器连通的控制阀所执行，其中该第一和第二流体通道会设置成交替地传递一冷流体流和一热流体流过该铁电层的该第一表面和该第二表面，如此以交替地以一第一温度IY冷却该铁电层，并以该第二温度Th加热该铁电层，并调整该复数个控制阀以用于控制该冷流体和热流体。在另一态样内，本发明是关于一种将热转换成电能的设备。在一个具体实施例内， 该设备具有复数个堆栈排列的铁电�？閧FMn}，其中n=l，2，3，...，N，N为大于一的整数。 该每一铁电�？镕Mn包含一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料形成，该材料的特征在于具有一转换温度Tn，如此当该铁电材料处于一铁电相时，该铁电体的单位晶胞内会建立起自发极化，且该铁电层经过极化后会产生一整体净自发极化；如此随着该铁电的温度变化经过该转换温度，该材料会转变进入一顺电相或反铁电相，其中该铁电层具有可忽略不计的或并无整体净自发极化。在一个具体实施例内， 该堆栈的铁电�？榈牡谝槐砻嬗敫玫诙砻嫔匣嵝纬捎杏梢坏既扔氲嫉绮牧纤纬傻囊欢缘缂�。在其它具体实施例中，这种电极也形成于每一该铁电�？镕Mn的第一表面和第二表面上；以及在另一其它具体实施例内，位于相邻铁电�？橹涞恼庵值缂嵊梢坏缇堤宸指�。该复数个铁电�？閧FMn}的相转换温度{Tn}可在介于一热源与一散热片之间的温度范围内连续变化。该设备另包含装置，其与该堆栈的铁电模块{FMn}关连设置，用以透过对流、传导或辐射等方式将来自该堆栈的铁电模块{FMn}的热移除以及将热输入该堆栈的铁电�？閧FMn}，如此以交替地以低于每一相转换温度Tn的一第一温度IY冷却该堆栈的铁电�？� {FMn}，并且以高于每一相转换温度Tn的一第二温度Th加热该堆栈的铁电�？閧FMn}，如此该堆栈的铁电�？閧FMn}中的每一个铁电材料会在⑴该铁电相与(2)该顺电相或反铁电相之间进行交替转换。该铁电�？閧FMn}、该电极以及该传递装置都设置成使得当该铁电层的铁电材料处于铁电相时会分别在该电极上产生电性相反的屏蔽电荷，且在该铁电层的铁电材料转换进入该顺电相或反铁电相时，该电极上所产生的该电性相反的屏蔽电荷会放电形成电能。在又另一态样内，本发明是关于一种将热转换成电能的设备。在一个具体实施例内，该设备具有复数个堆栈排列的铁电�？閧FMn}，其中η = 1，2，3，...，N，N为大于一的整数。每一铁电�？镕Mn都包含一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料形成，其特征在于具有一居里温度Τ。η，如此当该铁电材料的温度低于该居里温度Τ。η时，该铁电材料会处于一铁电相，在该相中该铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化，而当该铁电材料的温度高于该居里温度Τ。η时，该铁电材料的单位晶胞内并未建立起自发极化；以及在一个具体实施例内，该铁电堆栈的该第一表面和该第二表面上会分别形成有一第一电极和一第二电极；以及在其它具体实施例内，在每一铁电�？镕Mn的该第一表面和该第二表面上会形成有一第一电极和一第二电极。该复数个铁电�？閧FMn} 是可由一相同铁电材料或不同铁电材料所形成。在一个具体实施例内，每一铁电�？镕MnW 该第一表面和该第二表面上会形成有一第一电极和一第二电极，每一两相邻的铁电�？槎加梢坏缇堤宸指�。该复数个铁电模块{FMn}的居里温度{T。n}是在介于一热源与一散热片之间的温度范围内连续变化。该设备另包含装置，其与该堆栈的铁电�？閧FMn}关连设置，用于交替地传递一冷流体流和一热流体流过该堆栈的铁电�？閧FMn}，如此以交替地以低于每一居里温度T。n 的一第一温度IY冷却该堆栈的铁电�？閧FMn}，并且以高于每一居里温度T。n的一第二温度 Th加热该堆栈的铁电�？閧FMn}，藉此该堆栈的铁电模块{FMn}中的每一铁电材料会在该铁电相与该顺电相之间运用温度循环来进行交替转换。该设备可另包含装置，用于监控一或多该铁电�？镕Mn的温度、电容量、以及该加热与冷却流体的温度在运作中，当该堆栈的铁电�？閧FMn}中的每一铁电层都处于该铁电相内时，一DC 电压会施加至该堆栈的铁电�？閧FMn}，以利用对齐每一铁电�？镕Mn中铁电材料的单位晶胞和更域来将该�？閧FMn}极化，如此在一个具体实施例内，在该铁电堆栈{FMn}的该第一和第二电极上；并且在其它具体实施例内，在每一铁电�？镕Mn的该第一和第二电极上会分别产生该电性相反的屏蔽电荷。当该堆栈的铁电�？閧FMn}中的铁电层转换至该顺电相时， 对应一个具体实施例内该铁电堆栈{FMn}中该第一和第二电极上以及在其它具体实施例内每一铁电�？镕Mn中该第一和第二电极上所产生的该电性相反的屏蔽电荷的电能会以比极化用的DC电压还要高出许多的电压输出。除了极化用的最小电压以外，运作期间不会施加任何其它的电压。在一个具体实施例内，该传递装置包含一或多热交换器，其分别与该堆栈的铁电�？閧FMn}中该第一和第二电极关连设置，并与一热源和一散热片流体连通，以将来自该热源的热输入至该堆栈的铁电�？閧FMn}，如此以该第二温度Th加热该堆栈的铁电�？� {FMn}，并且可从该堆栈的铁电�？閧FMn}中抽出热至该散热片，如此以第一温度IY冷却该堆栈的铁电�？閧FMn}，藉此导致使每一铁电�？镕Mn在其个别的相转换温度T。n周遭循环， 如此每一铁电�？镕Mn会在该铁电相与该顺电相之间藉此温度循环进行交替转换。在其它具体实施例内，该传递装置包含复数个第一流体通道和第二流体通道，其分别形成在对应的铁电�？镕MnW该第一电极和该第二电极上，如此当一冷流体流过该第一和第二流体通道的至少其中一者时，该对应的铁电�？镕Mn会朝该第一温度IY冷却，而当一热流体流过该第一和第二流体通道的至少其中一者时，该对应的铁电�？镕Mn会朝该第二温度Th加热；复数个第一热交换器与第二热交换器，每一第一热交换器和每一第二热交换器是分别设置成对应该铁电模块FMn的该第一流体通道和该第二流体通道，用于交替地传递一冷流体流和一热流体流过该对应的铁电�？镕Mn的该第一表面和该第二表面，如此以冷却与加热该对应铁电�？镕Mn，这样以使该铁电�？镕Mn在其个别的相转换温度内循环；以及复数个控制阀与该复数个第一热交换器和第二热交换器连通，用于控制该冷流体与热流体的流动。在一个具体实施例内，该复数个控制阀受到微处理器的控制。本发明可用于极广的应用范围中，包含改善现有装置以及用于新装置之中。藉由范例的方式及不对作为例示且对本领域熟习技艺人士显而易见的范例做任何限制，这种应用包含(1)将废热转换成电力输出，让热电厂的产能增加；( 使用本发明作为电厂内将热能转换成电力的主要或唯一方式；C3)从地热能源产生电力，包含被动式地热加热与冷却系统；(4)从太阳能提供的热当中产生电力，产生的电力可为任何规模，例如几瓦或更少到超过1，000MW ； (5)由使用多种热源的可携式或准可携式发电机产生配电，其规�？纱蛹竿呋蚋俚絀OOkW或更多；(6)从工业、采矿的废热与其它这种热源当中转换成电力；(7) 利用从燃烧汽油或其它方式的车辆上所产生的热能中产生的电力来驱动电动车；(8)为柴电火车从废热产生电力或作为发电的主要方式；(9)利用海洋热梯度发电；(10)在多种特定应用当中进行冷却与冷藏动作，其使用电力来从所欲来源中取出热量，以及用于由热量产生电力的相反作业程序循环中；(11)用体热产生个人或医疗用的电力；(12)个人电子装置、个人计算机和全球卫星定位系统等的小型电源；(13)由生物或都市废弃物所发出的热来发电；以及(14)在太空中从如放射性同位素产生的热来发电。从下列较佳具体实施例结合附图的说明中将可了解本发明的这些与其它范围，不过本发明可在不背离所揭露的创新概念的精神与范畴下可进行变化与修改。
了本发明的一或多个具体实施例，其与所撰内容说明一同用来解释本发明的原理。无论在文中何处，所有图式中所使用的相同组件符号是用来代表相同或相似的部分，其中图1为根据本发明一具体实施例一用于将热转换成电力的铁电装置截面示意图， 其运用温度循环内所发生自发极化改变来产生可以高电压输出至外部电路的电荷；
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图2是简略描绘出一铁电体内晶域的排列，其中(a)表示出未极化、随机的方位， 其每一晶域是由大量在个别晶域内具类似方位的单位晶胞所构成；(b)表示出大体上已极化的材料，其中的偶极会朝向整体相同的方向；以及(c)表示出一种理想、完整的已极化铁电体，其通常要在该材料晶体结构所属特定条件下才能获得；图3是简略描绘出(a) —处于铁电状态、温度T < Τ。的铁电材料，其中该铁电材料已经极化且其晶域已完成排列；(b)开始转换进入顺电状态，一开始只有该铁电材料的底端部分温度会上升超过T。； (c)随着热量吸收及温度上升，相转换会持续进行，其位于底端热源处的温度最高；以及(d)铁电材料完全处于顺电态，其中T > T。；图4是显示(a) —阶相变中当温度接近Τ。且材料转换至顺电相时自发极化Ps(单位为每平方公尺库仑)与Τ。间的理论关系；以及(b) 二阶相变中当温度T接近T。时铁电材料中自发极化与温度呈函数关系；图5是简略描绘出当具有一实质净自发极化Ps时(其在无外加电场时标示为P》 铁电结构/层表面上的束缚电荷以及在电极相邻表面上所感应出电性相反的屏蔽电荷；图6是简略描绘出根据本发明其它具体实施例一用于将热转换成电力的铁电装置的截面图；图7是简略表示出图6内所示铁电装置的立体图；图8是简略表示出根据本发明一个具体实施例以一阻抗负载来运作的铁电发电机；图9为根据本发明一个具体实施例用于将热转换成电能的流程图；图10简略表示出根据本发明一个具体实施例用于将热转换成电能的铁电装置；图11是简略表示出根据本发明其它具体实施例用于将热转换成电能的铁电装置；图12是简略表示出根据本发明又一具体实施例用于将热转换成电能的铁电装置；图13是简略表示出根据本发明一替代具体实施例用于将热转换成电能的铁电装置；图14是简略表示出根据本发明又一具体实施例用于将热转换成电能的铁电装置；图15是简略表示出根据本发明又一具体实施例用于将热转换成电能的铁电装置；图16是简略表示出从(a) —钙钛矿结晶的顺电性立方体状态转移至(b)四方晶系组态的转变，后者以单位晶胞变形所产生的错位离子来反映出其铁电态，藉此让单位晶格成为电偶极，其与整个材料内其它的偶极集合来产生自发极化Ps ；图17是简略表示出该铁电态下KNbO3的角落与表面上钾与氧离子的移位，该离子移位产生了自发极化；图18是表示出发生在铁电相时钙钛矿钛酸钡(BaTiO3)的单位晶胞内所发生的离子移位幅度，其导致自发极化Ps的产生；图19是呈现出以IkHz加热(实线)和冷却(虚线)期间与PZT的铁电�？槲露瘸屎叵档牟饬康缛萘浚肞ZT的居里温度T。约为180°C ；
图20是呈现出在以IkHz加热(实线)和冷却(虚线)期间所量测到与PZT —阶相变铁电材料的温度呈函数关系的(a)质量系数Q(耗损正切的倒数)和(b)单位为千欧姆的取样阻抗；图21是呈现出以IkHz加热(实线)和冷却(虚线)期间与PZT的铁电�？槲露瘸屎叵档牟饬康缛萘浚煌�22是呈现了加热期间所量测到与PLT�？榈母涸刈杩筊L(单位为千欧姆)呈函数关系在任意单位内的最大电压输出，其说明了负载阻抗匹配对于有效耦合的重要性；图23是表示出与负载阻抗率χ = RL/Ri呈函数关系的阻抗负载的比例理论电压输出，其中RL为负载阻抗而Ri为某些任意单位内铁电发电机的内阻；此曲线显示不同Ri 值的结果Ri =0.1(下方虚线)、Ri = 1. 0 (实线)和Ri = 10 (上方虚线)；请注意，较大 Ri可获得较大的输出功率；图M是表示出与负载阻抗对内阻的比例χ = RL/Ri呈函数关系的理论功率输出， 该理论功率输出是以最大可用功率输出的比例来表示；图25为通过图8内所描绘的220kQ电阻Rl (虚线)和R2 (实线)所测量到的电压，其起因于PZT�？�(尺寸为lX58X58mm3)加热期间的切换电流；对于此电流位准，通过负载阻抗RL可获得高达6，500V的压降；图26a如图1所描绘下电极处的铁电体的温度与秒数时间呈函数关系曲线，其单位为绝对温度；图^b自发极化量与秒数时间呈函数关系曲线，其测量单位为每平方公尺库仑；图^c是通过负载电阻产生的电压与秒数时间呈函数关系曲线；以及图26d产生用于阻抗负载的功率强度与秒数时间呈函数关系曲线，其测量单位为铁电体每平方公尺瓦。
具体实施方式本发明在以下将会有更具体的说明，但其仅做为例示的用，因为本领域的熟习技艺人士将可根据所示范例而推衍出许多的修改与变化。在此将详细说明本发明的多种具体实施例。请参阅图式，图式中相同的号码是表示相同的组件。针对文中描述及随后整个申请专利范围中所使用者，除非文义中有明确予以指示，否则「一」和「该」等词是包含复数的意涵。另外，针对文中描述及随后整个申请专利范围中所使用者，除非文义中有明确予以指示，否则「之中」一词是包含「之中」和「之上」的意涵。此外，本说明书内所使用的某些词汇在下文中将会有更具体的定义。本说明书内所使用的词汇一般具备在业界内、本发明文义范围内、以及每一使用该些词汇的特定内文处的平常定义。下文或说明书其它地方将会讨论用来描述本发明的某些词汇，其将提供本发明描述相关的额外指引给从业者。使用于本说明书内任何地方的范例(包含此处所讨论任何的词汇范例)是仅为例示性质，其并未限制本发明或任何示范词汇的范畴与意涵。同样地，本发明并不受限于本说明书中所提出的许多具体实施例。如文中所使用者，「左右」、「大约」或「约略」等词一般是表示在已知数值或范围的百分之二十内，其中以在百分之十内为佳，以在百分之五内为最佳。且文中所给予的数量是为约略值，意味着在未明确声明的情况下其可推论出「左右」、「大约」或「约略」等词的意涵。如文中所使用者，「单位晶胞」一词是指晶体内独特的原子排列的晶体结构。晶体结构由一晶序(motif)、一组用特定方式排列的原子、以及一晶格(lattice)所构成。晶序是位在晶格点上，就是立体空间内周期性重复的点数组。这些点可视为是形成界定相同的微小方块(其称为单位晶胞)，其可填满晶格空间。单位晶胞的边长以及其间的角度都可称为是晶格参数。材料的晶体结构或晶体结构内原子的排列都可以其单位晶胞的观点来描述，单位晶胞为一内含一或多个晶序或原子空间排列的细小方块。三度空间堆栈的单位晶胞可说明晶体原子的块状排列。晶体结构具有立体形状，单位晶胞由其晶格参数、晶胞边长、以及其间的角度所定义，同时单位晶胞内原子的位置是以从一晶格点处所测量到的原子位置的组合来描述。单位晶胞的范例在图16与图17内有例示。如文中所使用者，「居里温度」(Curie temperature) 一词或Τ。是指铁电材料的一个特性。在温度低于居里温度时，铁电材料一般会处于铁电相(ferroelectric)，在该相中铁电材料的单位晶胞内会产生自发极化现象。随着温度朝居里温度上升，单位晶胞内产生的自发极化会降低。当温度高于居里温度时，铁电材料一般会处于顺电相(paraelectric)， 在该相中铁电材料的单位晶胞内不会产生自发极化现象。不过也有一些铁电体其铁电相会存在于温度高于转换温度时，亦有些材料其温度低于转换温度时是为顺电相。另外，如文中所述者，在与本发明有关的铁电相与反铁电相(antiferroele ctric)之间存在有转换温度。至于「居里温度」是否也适用于这些后文提到的晶格相转换的转换温度，目前似乎并无已建立的用法。在本说明书中，「相转换温度」与「转换温度」等词是用来包含所有前述的相转换类型。「居里温度」或T。一般只结合第一种相转换类型来使用，不过若上下文中有明确陈述的话也可使用于他处。实际上，针对所有上述的相转换类型，当其材料温度通过转换温度时所出现的相转换锐利度是由其成份和晶体结构的同构型所决定，如此相与相之间的转换可分别随铁电材料在所选定的材料转换温度或居里温度附近的温度范围内上升或下降而逐渐发生。在不限制本发明范畴之下，下文中将赋予根据本发明具体实施例的示范设备和方法及其相关结果。请注意，范例中为方便阅者之故会使用标题或副标题，然其绝不会限制本发明的范畴。再者，文中有揭示与提出的特定原理；然而不论对或错，只要根据本发明在不考虑任何其它特定的理论或行动方案的情况下实施本发明，其绝不会限制了本发明的范根据本发明目的，如文中所具体实施以及广泛描述者，本发明在一个态样内是关于一种透过铁电媒介直接将热能转换成电能的设备及方法，其能量不用通过中介的机械或其它机构或藉由其它型态来传递。本发明运用铁电材料处于铁电相时所产生的大量既有自发极化，本发明所运用铁电材料的单位晶胞内不必施加外加电场就可产生自发极化，该单位晶胞极化在该材料转换成为铁电相时会自发产生。单位晶胞中强大的自发极化会在单位晶胞与晶域(domain)因极化而排列整齐时于铁电材料内产生大幅的整体净极化量。本发明进一步运用该整体净自发极化内的大量改变，其发生于铁电材料温度的改变导致晶相转换至一净极化可忽略的晶相。本发明允许在该材料处于铁电相时移除或使用自发极化所产生的电能。该电能会被输出至外部电路以用于与本发明无关的一般用途。所储存的电能会在材料从铁电相转换途中达成其输出动作。既有的净自发极化Ps会随着转换发生而消失。一般来说，从铁电相转换成顺电相时该相转换会使Ps变成可忽略不计，但是从铁电相转换成反铁电相也会造成此现象，因为反铁电相在整体材料内所产生的净自发极化量是可忽略不计。若要使用本发明达成热能转换成电能，则基本的铁电�？楸匦胙吠ü湎嘧晃露龋靡换蚨喔鋈冉换黄髁釉诟锰缒？橛敫每捎萌仍春蜕⑷绕渚涂纱锍纱宋露妊�。热交换器与热源并不受限制，其可包含传递热源的任何模式，像是对流、传导或辐射。本发明可被广泛地用来转换热源，其中(1)至少部分介于热源温度Th与散热片温度IY 之间的温度范围会位于现有许多铁电材料其中之一的相转换温度范围内；以及(2)其温度差ΔΤ= (Th-Tl)是足以在特定应用中达成有效的能量转换。目前的铁电体具有低至约0°C到高至约700°C的相转换温度范围，且本发明可用这种铁电体在该范围内运作。其设备或方法的操作温度并无理论限制，只要有可用的适当铁电体，其也可使用在低于0°c且高于700°C的温度环境中。足以用于该装置的温度差ΔΤ幅度大部分是取决于实际所遇到的问题，像是一应用所要的效率。对一相转换大体发生在该温度差ΔΤ为rc的铁电材料而言，该装置可用来从幅度为Δ T且相转换温度范围为Th和IY的热源和散热片当中产生电能。这种小温度差的实际操作运用将受限于热力学第二定律以及卡诺(Carnot)限制。任何情况下可用热能的最高可能转换效率都由卡诺效率η。= ΔΤ/ΤΗ来决定。如此，在实际应用当中要用来运作该装置的温度差ΔΤ幅度将取决于特定应用、与该应用相关连的工程参数或限制条件、 热源与散热片的特性、热流量、具有必要相转换温度的特定铁电体的效能特性、经济考虑、 从特定热源产生电力的实施重点，以及其它考虑等。虽然在温度差ΔΤ > 5°C的例子中一般可允许有效地运用本发明，然根据其所陈述的系数，特定应用与材料系统可能会需要更大或更小的温度差。本发明并不受限或针对任何特定的热交换器格式或组态、任何特定的热源或散热片，也不受限或针对该些热源或散热片的任何特定的热学特性。更确切地说，该装置为一般的装置且可用来有效地将可用热能转换成电力，反过来说，其也可使用电力冷却。透过对流、传导或辐射来传递热的方式将可达成热输入至该铁电体与从中抽回的动作，导致温度与相的循环。一般来说，可使用不同的铁电材料来实现本发明。特定的铁电体在其相转换温度循环时可有效地将热转换成电能。如所提及者，本发明将用到的相转换型态为从铁电相转换成顺电相，然后再回到铁电相。不过，本发明也可运用从铁电相转换至反铁电相再转回的相转换的型态。一阶相变(first order transition)型态为铁电材料之间所常见者，许多的一阶相变材料都可适用于本发明。本发明也可使用具有二阶相变(second order)性质的铁电材料。影响铁电材料适用于特定应用的判定条件包含(1)可与来自热源和散热片的热能的可用范围匹配的相转换温度；( 该材料的相转换锐利度为一温度的函数(一般我们希望在温度变化小于10°C期间发生相转换，不过亦可使用较宽的转换范围)；(3)铁电态内材料的自发极化强度(以> IOyC cm—2为佳，不过也可使用具有较少自发极化程度的材料)；(4)足够高的电阻率，以避免电极上的电荷在使用高电压移除所储存的电能之前就透过铁电媒介泄漏出去，；( 使用相对小的电场就能在转换至铁电态期间达成极化现象的能力，如此极化电压大体上将小于移除电荷时的电压(一般来说我们希望极化电压要小于约所产生电压的20%，其中又以小于5%为佳)；以及(6)与循环期间加热晶格所需能量相比相对高的铁电转换能量或焓(enthalpy)(此系数部分取决于高与低循环温度之间温度差的幅度)。许多铁电材料展现出让其特别适用于本发明的属性。例如铅基铁电材料系统可提供可有效使用的多种材料组合，像是PZT、PZST, PLT等。构成元素的特定百分比成份会影响材料的特定效能特性，包含相转换温度。如此利用改变构成元素的比例将可改变并控制该相转换温度以及其它系数。标题名为「铁电体和相关材料的原理与应用，M. Lines and A. Glass,PRINCIPLES ANDAPPLICATIONS OF FERROELECTRICS ANDRELATED MATERIALS,APP. F(1977,Oxford r印rint2004)」一文中提出了本发明可使用的许多铁电体与反铁电体的清单，不过该清单并非是详列了所有可用的材料。本发明可使用固态或液态的铁电体，后者包含如液态铁电体以及悬浮在液体内的铁电性细微结晶以用于特定应用。举例来说，许多钙钛矿晶体展现出相转换现象，其可提供本发明所要使用的有效铁电体。当单位晶胞结构从立方体(顺电相)转换成四面体(铁电相)时，钙钛矿铁电体 (像是PZT或PLT)大部分会经历从铁电相转变成顺电相的一阶相变。图16说明了一钙钛矿晶体在顺电相时的单位晶胞结构，其材料温度高于T。。在本范例中，铅原子占据立方体的八个角、氧原子占据立方体的六个面，而钛或锆原子则占据立方体的中央。图16也描绘出材料在铁电相且T < Tc时离子相对位置方面的位移。位移会引起单位晶胞的局部电偶极 (electric dipole)，亦就是这些电偶极(在集结时)产生了铁电材料的自发极化Ps现象。 图17描绘出铌酸钾(KNbO3)在铁电相时类似的移位与单位晶胞极化现象。图18说明了以埃(人)为单位的物理移位幅度可能发生在铁电相时单位晶胞内的离子之间，该移位会引起单位晶胞电偶极。请参阅图1，其以简图方式表示出根据本发明一个具体实施例一单阶铁电转换装置/设备100，其运用了温度循环所导致的自发极化改变来产生可以高电压放电至外部电路的电荷。该设备100包含铁电层110，该层具有一第一表面112和一相对的第二表面 114。铁电层110是由固态或液态铁电材料形成，其特征为一相转换温度，在该温度材料会经历从该铁电相转换为该顺电相或反铁电相的相变，并且随着温度逆向变化再次转换回铁电相。铁电层110可由一铁电材料形成，该材料的特征在于其具有一居里温度(Curie temperature)Tc,如此该铁电材料的温度低于该居里温度T。时该铁电材料会处于铁电相， 在该相时铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化，且当该铁电材料的温度高于居里温度 T。时，该铁电材料的单位晶胞内不会建立自发极化。铁电层110也可由一铁电材料形成，该材料会随着该铁电材料温度低于转换温度而从铁电相转换成顺电相。铁电层110也可由一铁电材料形成，该材料会在一相转换温度上从铁电相转换成反铁电相，并在温度逆向改变时转变回该铁电相。铁电层110具备一界定在第一表面112与第二表面114之间的厚度。 实际上该所需的厚度是取决于许多参数，其包含特定应用以及可用来转换为电力的热的特性与量值、所运用的特定铁电材料、以及该铁电材料的热传导性。一般来说，在设备100的一阶段中该铁电层110的厚度介于大约0.01mm与大约Icm之间。也可使用其它的厚度值来实现本发明。铁电层110的宽度与厚度是由铁电材料的本质、特定应用、以及可用来转换为电力的热的特性与量所决定。铁电层110的宽度与长度并无理论上的限制。该限制为不时存在于特定铁电材料与特定应用操作系数等实际制造方面上的限制。当铁电层110的宽度与长度受到实际考虑限制时，一些类似或相同的装置可排成数组或相互堆栈，以有效扩展可用来与热交换器连通的表面，该交换器是用热源和散热片来与图1所描绘的装置介接。在这种应用当中，来自电极的导线可连接在电总线上，然后累积的数组之后会作为大型装置， 其具有约等于个别装置总面积的热交换器面积，藉此得以产生只受到可用热能数量与特性限制的电力。图10内是例示出这种数组的范例。在铁电层110的第一表面112与第二表面114上分别形成有一对电极122和124。 此对电极122和IM是由一导热与导电材料所形成。形成之后，这种电极122和IM大体上会与铁电材料/层110的第一和第二表面112和114接触，如此以提供电性接触并达到最大的热传导率。此对电极122和IM可包含如一厚度足以传导所产生的电流的薄银涂层， 但是其厚度须薄到足以将热交换器与铁电材料之间的热传导率降至最低。例如，银电极的厚度可约为1-5微米。在某些具体实施例内最好将电极从铁电层110的边缘稍微往后缩回如Imm的距离，以避免在铁电层110的边缘附近放电。此外，设备100包含了与该对电极122和IM关连设置的装置，用于交替地传递 140热至铁电层110的第一表面112与第二表面114与来自上述表面的热，如此交替地以低于该转换温度的一第一温度IY冷却铁电层110，并且以高于该转换温度的一第二温度Th加热铁电层110，如此铁电层110的铁电材料会因温度循环在⑴该铁电相与(2)该顺电相之间进行交替转换。在此示范具体实施例内，传递装置包含用流体连通热源和散热片(未图示)的两热交换器132和134，用于将来自该热源的热量输入至该铁电层110，如此以该第二温度Th加热铁电层110，以及从铁电层110中抽出热量至散热片，如此以该第一温度IY 冷却铁电层110。在一个具体实施例内，该第一温度IY可为散热片的温度，而该第二温度Th 可为热源的温度。两热交换器132和134是用来(1)使铁电体在其相转换温度间热循环， 藉此使该材料在铁电相与非极性相之间交替循环，因而使该材料从整体净自发极化的高位准循环至可忽略不计的位准；以及( 从热源输入温度Th的热能进入铁电材料，并且由铁电体抽出热能进入温度IY的散热片。这种吸热与退热机制已经整合，满足热力学第二定律， 其规定热能只能在吸热与退热的过程中转换成其它能量形式或是作用。设备100也具有分别电性连接至该对电极122和124的一对电导线152和154，如此铁电层110的铁电材料在该铁电相或正在转换成该铁电相时一 DC电压会施加在该对电导线152和IM之间将铁电材料的单位晶胞与晶域极化，如此以在该铁电层内产生非常大的整体净自发极化，其复会在该对电极122和IM上分别感应出电性相反、非常密集的屏蔽电荷；而当铁电层110的铁电材料转换成顺电相或反铁电相时，对应该所生成电性相反的屏蔽电荷的电能会以远高于该所施加的DC极化电压的电压输出至该对电导线152和154。 此对电导线152和IM可连接极化用的DC电源供应器，并将放电电流从电极导入任何可用的外部负载或总线，来收集并分配多个装置所产生的电力。除了极化以外，该对电导线152 和巧4之间并不施以电压。图2以图例方式表示出铁电体210在铁电相时(即铁电体210的温度低于铁电体 210的居里温度T。时)晶域215的排列。铁电体210具有第一表面212和一反面的第二表面214，其间界定出铁电层本体216。铁电层本体216的特征在于具有大量单位晶胞的复数个晶域215。如第二(a)图所示，每一晶域215的特征在于以偶极217箭头所指示的自发极化，但其是朝向随机的方位如此使得铁电体210内并无整体净自发极化。第二(b)图是表示出整体排列朝向相同方向的偶极217，如此铁电体210内会存在非常强大的净自发极化。 利用施加一极化场至铁电层本体216的方式就可达成这种的排列。第二(c)图说明了理想排列的铁电体一般只在属于材料晶体结构的特定情况下获得。图3以简图表示出铁电层310吸热后铁电材料的温度增加超过居里温度T。且该层从铁电相转换成顺电相时净自发极化逐渐消失的现象。为了简化例图，图中的双极与晶域是描绘成完美的排列。为了例示起见，铁电层310的特征在于具有三列晶域315a、3Mb 和315c，其中晶域列31 和晶域列315c分别接近铁电层310的底面314和顶面312，而晶域列315b则位于晶域列315a与晶域列315c之间，即是在铁电层310的中间。图3-(a)表示出处于铁电相的铁电层310，其中整个铁电层310的温度T低于居里温度T。，且每一列晶域31fe/315b/315c都具有自发极化，其由偶极317a/317b/317c来代表。当铁电层310受到来自底面314的热流Q加热使得底面314上的温度Ttottom高于居里温度T。时，靠近底面 314的晶域列31 内的每一晶域31 的自发极化会消失，如图3-(b)所示。随着通过铁电层310的温度进一步的升高，其会继续转换至顺电相，如图3-(c)所示。在该情况下，晶域列31 和31 内的每一晶域315a/3Mb的自发极化都消失。当整个铁电层310都加热至温度T > T。时，所有铁电材料都变成顺电性，且晶域列315a、3Mb和315c内的每一晶域 315a/315b/315c中的自发极化都会消失。请参阅图4，其以数量方式来表示铁电材料中自发极化的温度特性。图4_(a)呈现了以温度为函数的自发极化值，其是使用钙钛矿铁电钛酸钡的参数计算而得。该图说明了一阶相变中极化量与温度之间的理论关系。图4-(b)说明了铁电材料在二阶相变中当T接近T。时自发极化量与温度之间的函数关系。图5以简图表示出处于铁电相的铁电�？�500，该铁电层510表面上产生有受束缚的表面电荷而电极522和5M上产生有对应的屏蔽电荷。在示范性的具体实施例内，例如利用小量的极化场来对齐电偶极517，如此可在铁电层510内发生大量的整体净自发极化。 大量的净自发极化会在铁电层510表面512和514上产生非常密集的束缚电荷511，结果电流会流向电极522和524，因而在电极522和5M上产生屏蔽电荷521和523，其量值与铁电层510表面512和514上的束缚电荷511和513相等但是电荷相反。在此时，因为电极 522和5M都为导体，所以电极522和524内的净电场必然可忽略不计或为零。铁电层510 内的束缚电荷511和513是由对齐的电偶极517和Ps引起，而电极522和5M上的屏蔽电荷521和523是依序由束缚电荷511和513引起，并与该些束缚电荷511和513的极性相反。当铁电体经过相转换转变成顺电性，铁电层510内的自发极化会消失。结果，电极 522和5M上的屏蔽电荷521和523在电极522与5M之间极高的电位差下呈现未屏蔽状态，其可作为电源供应给负载电阻RL。确实的电位差将取决于特定的铁电体以及模块的组态，但是在介电崩溃(dielectric breakdown)之前可用适当的铁电体获得超过6，000伏特的电位。图6和图7表示出根据本发明的一热电转换装置600的其它具体实施例。在示范性的具体实施例内，装置600具有一铁电层610、铁电层610表面上分别形成有一对电极622和624，以及与该对电极622和6 相关、用于交替传递冷流和热流流过铁电层表面的传递装置，如此以分别交替地以第一温度IY < Tc冷却铁电层610，并以第二温度Th > Tc加热铁电层610 ；铁电层610的铁电材料会藉此温度循环在铁电相与顺电相之间进行交替转换。如图6所示，该传递装置具有分别形成在该对电极622和6M上的一第一流体通道631和一第二流体通道633、包含有该第一和第二流体通道631和633的一些热交换器 632和634、以及与热交换器632和634连通的复数个控制阀660。第一流体通道631和第二流体通道633是设置成当冷流通过该第一和第二流体通道631和633的至少其中一者时铁电层610会被冷却至第一温度 ；，且热流通过该第一和第二流体通道631和633的至少其中之一者时铁电层610会被加热至第二温度TH。冷流和热流会分别透过如管道640从散热片644和热源642提供。热交换器632和634适用来交替地传递冷流和热流通过铁电层610，如此可交替地以第一温度IV冷却该铁电层610，并且以第二温度Th加热铁电层610。复数个控制阀660 是适用来控制该冷流与热流，以便让铁电�？樵谄涓霰鸬淖晃露戎茉庋�。由微控制器控制的复数个控制阀660是连接至加热液体与冷却液体内的热电偶并接在铁电体上，而温度以及像是铁电体的电容量等这类其它数据可用来控制控制阀660的开启与关闭。图8以简图表示一热电能转换装置800，其连接至一 DC电源供应器以达极化目的， 并连接至一外部阻抗RL用于接收根据本发明一个具体实施例所产生的放电。此外，放电所产生的电流会受到电阻Rl和R2监控。在操作方面，当开关Sl处于位置A，一 DC电压会在铁电层810冷却至低于相转换温度T。时施加通过该铁电层810。DC电压的目的在于将铁电层810内的电偶极极化至材料系统的晶体结构所允许的范围。铁电层冷却至T < T。使得该材料变成铁电体时，其中会自发储存大量电能。在未作如此极化的情况下，铁电层内不会发生巨大的整体净自发极化现象。极化所需的电压取决于材料，但是该电压小于从铁电装置800电荷放电的电压。为此，放电期间的净电功输出远大于极化期间的电功输入。虽然铁电层810可在冷却至IY之后极化，不过我们希望铁电层810在冷却时就能发生极化， 使得(1)循环更快并且(2)在铁电相转换期间就能立即发生极化，而非要温度低于T。才开始极化。当绝大部分的极化在接近相转换温度时就完成时，则以稍弱的电场就足以发生极化现象。虽然极化所需的电能一般会小于放电期间所移除的能量，不过在冷却暨相转换期间利用极化可达到某些额外效率。除了极化所需的最小值以外，并不会有电压被施加通过铁电层810。当开关Sl在位置B时，其表示铁电装置/�？�800已备妥可以进行加热动作，如此将电能放电至负载RL。随着电荷从电极822和824当中移除，该些电荷会在非常高电压的水平为负载电阻RL或是可用来储存、传输或运用电力作动的任何其它合适装置所接收。 根据一般发电的原理，铁电�？�800的阻抗与负载电阻的阻抗匹配时其发电效率最佳。实际上，铁电�？�600和800的循环可重复且持续，只要该装置是用来从热能产生电力。如此，可从循环内的任意一点上开始循环的描述。为了说明装置的操作，我们假设铁电�？�600或800 —开始是处于顺电相。热循环和电输入与输出都由微控制器控制。根据应用的情况，使用微控制器结合计算机可获得不同程度的控制。调节流至铁电体的加热流与冷却流的微控制阀是绘示在图6和图7。微控制器会接收热电偶送出的温度值，此热电偶监控加热流与冷却流体内以及铁电材料内的温度，以及接收以电阻Rl和R2分别测量的极化与负载电流，如图8内所示。这些微控制器控制热交换器以根据操作循环造成适当的铁电�？槿妊�。接收这种监控数据的微控制器也针对开关Sl的位置来控制是否施加极化电压以及电路是否是设置来让电力从铁电�？榉诺缃胪獠康缏�。发明中亦可使用一或多控制铁电体的电容量测量来取代上述热电偶或与该热电偶共作来作为监控手段以控制循环与切换时机。在顺电相内(阶段1)，装置800上并未施加外部电场。此时铁电层810已受热至温度T > T。且铁电材料内的自发极化可忽略不计或为零。之后，单位晶胞上的电偶极会消失。屏蔽电荷已经移除，然后电场以及电极之间流动的电流是可忽略不计。此时，铁电�？�800进行受控制的动作。阶段2内的温度循环是为冷却该铁电材料使其从顺电相转换成铁电相，微控制器让热交换器引导冷却流体至铁电�？�800来达成此动作。如此热能会从铁电体内抽出，直到冷却至温度T < T。，并且该材料进行相转换至铁电相。在冷却处理期间，如图8所示，DC电源供应器会施加小电场至铁电体，以便将铁电材料极化，如上文所描述。建立此极化场的DC电压是取决于特定材料、其厚度以及装置是在单阶或多阶组态内运作，但是针对大约1.0mm厚的单阶、铅基陶瓷铁电体而言，可由施加大约200伏特的电压来产生该极化场。若无这种极化，则材料在铁电相时单位晶胞会自发地展现电偶极，但是整体来说，该单位晶胞的电偶极并未对齐。为了达到本发明所运用极高的整体Ps值，这种对齐动作是为必要的。一旦已经施加达到适当极化所需的最小电压，该电压就会中断。除此之外，所施加的电压并不会在循环期间强制施行极化将电偶极对齐至该材料系统的晶体结构所允许的范围，其所获得的整体既有自发极化Ps会在铁电体表面上产生非常大的束缚电荷。因此，电流会流向形成在铁电材料相反两面上的电极822和824。如此在电极上产生的屏蔽电荷会与铁电层810表面上的束缚电荷相等但其电荷相反。此时，因为电极为导体，所以电极内的净电场是可忽略不计或为零。图5说明了⑴铁电体内对齐的电偶极与&所产生的束缚电荷以及(2)在电极上产生与这些束缚电荷电性相反的屏蔽电荷。然后，铁电�？�800的操作前往阶段3，加热至顺电相并且从电极822和拟4放电， 其是利用微控制器控制热交换器开始加热铁电材料来达成此动作。利用从热交换器输送热能，如应用加热流体来加热铁电体，直到温度T > Tc且材料变成顺电性。在铁电层810加热之后，开关Sl会切换至位置B，如此负载电阻RL会处于具有铁电模块800的电路内。因为 Rl和R2的阻抗相较于负载阻抗RL来说是可忽略不计，因此可保留在电路内以便继续监控电流。随着铁电体通过相转换变成顺电性，其自发极化会消失。因此，电极822和拟4上的屏蔽电荷在极高的电位差下会变成未屏蔽状态。确切的电位差值将取决于特定的铁电体以及�？榈淖樘ǎ窃诮榈缣灞览Ｖ翱梢允实碧缣寤竦贸�6，000伏特的电位。当开关Sl处在位置B时，电极上的未屏蔽电荷会以非常高的电压放电通过负载电阻或我们所要的任何这种电负载。在铁电层810完整加热至温度T >T。之后回到顺电相时便完成了放电并撷取已产生并储存在铁电体内的电能的循环。所产生的能源与电能强度是取决于所使用的特定铁电材料。如下文中所讨论，根据本发明，市面上可取得的特定PZT材质并非特别优化、制作来产生能量，其每循环可产生大约3kJ/L的电量。本发明可使用多种的铁电体，特定的材料家族实际上可以有无限的变化来将其效能最佳化。根据所回报的特性，某些基本铁电体家族内的材料系统在IHz循环速度下将具备范围从1到7kW/kg的功率强度。其范例有 Na (NO2) [6kff/kg]、PVDF [7kff/kg]、PbTiO3 [1. 6kff/kg]、(NH4)2SO4
、KNO3 [4. 7kff/ kg]、PbQi2 (C2HbCO2) 6
,PZT [Ikff/kg],PLT [Ikff/kg]。在此并未明确指出使用本发明所能达到的最大功率强度。该功率强度将取决于特定铁电模块、热源和散热片的特性，以及热交换器的循环效率，其是作为一快速且能有效加热与冷却铁电体的装置。请参阅图9，其表示出根据本发明一个具体实施例操作所发明装置将热转换成电能的方法900。在一具体实施例内，方法900包含下列步骤在步骤910时，提供一铁电层。 该铁电层由铁电材料形成，其特征在于具有一居里温度T。。该铁电材料的温度低于居里温度T。时，该铁电材料会处于铁电相，此时铁电材料的单位晶胞内会产生自发极化现象；当该铁电材料的温度高于居里温度T。时，铁电材料的单位晶胞内不会产生自发极化现象。在步骤920时，分别在该铁电层的第一表面与第二表面上形成一对电极。该对电极是由一导热与导电材料所形成。在步骤930时，交替地传递一冷流体和一热流体通过该铁电层的该第一表面与该第二表面，如此交替地以低于该居里温度Tc的一第一温度IY冷却该铁电层，并且以高于该居里温度Tc的一第二温度Th加热该铁电层；因而使该铁电层的该铁电材料随温度循环在该铁电相与该顺电相之间交替转换。如上所述，热交换器、控制阀等可交替地传递冷流体与热流体。在步骤940，当该铁电层的铁电材料处在铁电相或是正在转换进入铁电相时，该铁电层中铁电材料的单位晶胞的自发极化已经极化，以至于在该对电极上产生电性相反的屏蔽电荷。在一个具体实施例中，藉由施加小量的外部电场至铁电层来进行极化动作将可使单位晶胞的电偶极对齐。在步骤950，当该铁电层的铁电材料转换进入顺电相时，对应该对电极上所产生电性相反的屏蔽电荷的电能会以非常高的电压输出至外部电路。应该注意的是，虽然该装置的基本功能发生在一具有所给定铁电材料的单层结构上，本发明在实际应用中更有效用，其将可在一系列的阶段中从多个铁电材料结合成的一特定热源中产生更多的电能。在某些应用中，由于热源与散热片之间的温度差并不大，所以单层结构较为合适。然而在该情况下热能转换成电力的机会较不稳�。宋攘ρУ诙刹豢杀苊獾慕峁浯砣魏谓饶茏怀善渌芰啃问交蜃鞴Φ南低晨纱锍傻淖罡咝式煽ㄅ敌师�。= ΔΤ/Τη来规定。在ΔΤ较大的应用中，一般会想要运用含有一系列铁电材料的多阶转换�？椋眯┨绮牧暇哂幸涣杂h与TY之间可用温度的相转换温度。可确保多阶式处理的△ T的幅度将视其特定应用以及所使用的材料系统而变。本发明的基本原理可藉由许多组态或具体实施例以具有多阶相转换温度的铁电体的形式来使用，在此将描述其中数种。藉由提供这些描述，其非意欲将本发明限制在这些组态内，而是仅为例示之用。图10表示出一具有复数个铁电�？镕M1、FM2、. . .、FMn-I和FMn的设备1000，这些模块排成数组来扩充与热交换器介接的工作界面，如此以增加可从热源处接收到并转换成电能的热能量值，并藉由连接至每一�？榈缂淖芟�1001输出电力。在多层组态中，一系列的铁电层可堆栈排列，以便达成最大的热传导能力。所产生的多层铁电结构会放置在一对电极之间，与上述的单层装置类似。图11和图12是以图解
方式说明了这种组态。序列层FE1IE2.....FElri和FEn都由相同的铁电材料或大体上不同
的铁电材料所形成，居里温度 、Τ。2.....Tcn^和Τ。η是对应至序列层FE^FE2.....FElri和
FEnR的铁电材料。在一个具体实施例内，该多层铁电材料以数组方式排成T。w >ΤΛ然后组合后的多层�？榛峋妊罚绱嗣恳桓霰鸩憬峁苟蓟嵛谱牌湎嘧晃露妊罚以谘菲诩涓妹恳徊憬峁苟蓟崛缥闹兴枋霭闶褂眉刑缧�-顺电性或铁电性-反铁电性循环。运用此多层组态，如图11和图12所示，循环放电期间以高电压输出的电能为电极与标示为FE1和FEn的铁电材料接合处上总体自发极化Ps的结果，该极化结果为来自于每一 FE层共作累积的自发极化。请参阅图13，其表示了根据本发明一多层铁电装置1300的其它具体实施例。此多层铁电装置1300的组态类似于图11所揭示的装置，但是在每一铁电层之间放置有分离的电极。例如电极1321是分隔铁电层FE1和FE2，而电极1328分隔铁电层FElri和FEn0这
些电极1320、1321.....1328和13 都由一导热与导电材料所形成。装置1300的热循环
和操作都类似于图11和图12内揭示的装置，不过其从装置撷取电力的方式不同。在此组
态中，电能是在循环放电期间从所有的电极1320、1321.....1328和13 中抽出，如图10
所示。然后该些从电极1320、1321.....13 和13 中抽出的电能会透过连接导线传输至
负载阻抗或总线，以汇出至这种外部电路并随所需使用。图14以图解方式表示一多层铁电装置1400的替代具体实施例。此多层铁电装置 1400的组态类似于图13内所揭示的装置，不过其每一铁电层都用两电极与相邻铁电材料层分隔，然后该两电极复为电绝缘体1480所分隔，此绝缘体经由选择后可将热传导阻抗减至最少。图15以简图说明了 η个个别的铁电�？榈南低常眯┠？榫哂幸幌盗胁煌南嘧晃露圈�。1至ΤΛ这些温度是以递增(或递减)方式分布在热源温度Th与散热片温度IY之间，并且使用热交换系统来操作，如此让每一铁电阶FEi循环通过其各别相转换温度ΤΛ在
此组态中，不同铁电层FE\FE2.....FElri和FEn之间的相转换温度都不同。如图15内所示，
图6所示的一系列单层装置会堆栈排列。该每一单层装置是使用可选择性加热与冷却个别铁电模块的热交换器来运作，如此第i层结构将可热循环通过其各别的相转换温度T/。在此组态中，铁电�？榛嵊胪缡饺冉换黄髡显谝黄穑囱访恳惶缒？镕Mi通过其转换温度ΤΛ该些热交换器可以互连，以帮助重新加热或冷却或是在温度递减的情况下帮助级联的铁电�？樵俗�。相邻的热交换器可用如图15内所示的热绝缘体1580彼此隔热。在此系统内，热电偶被放置成可以监控整个系统内加热与冷却流体的温度，亦即各�？槟谔缣宓奈露然虻缛萘�。然后微控制器的系统会导引温度适当的加热与冷却流体，使每一铁电层FEi以文中所述用于单层装置的热循环形式或方法循环通过其个别的相转换温度ΤΛ然后从电极中抽出的电能会透过连接导线传输至负载阻抗或总线，来汇出至这种外部电路并随所需来使用。在不限制本发明范畴之下，图19至第二十六图内呈现了根据本发明具体实施例的铁电装置的范例结果。
图19为一市面上可取得的PZT的铁电�？橐訧kHz加热(实线)和冷却(虚线) 期间所测量到的电容量。该电容量为温度的函数，且该PZT的居礼温度T。大约是180°C。图20呈现了在以IkHz加热(实线)和冷却(虚线)期间，与PZT取样、一阶相变式铁电材料的温度相关的(a)质量系数Q(耗损正切比的倒数)和(b)取样阻抗的测量值。 该PZT的居礼温度T。大约是180°C。图21呈现了一所量测到PLT铁电�？榈牡缛葜担玫缛葜凳俏露鹊暮沂窃谝訧kHz加热(实线)和冷却(虚线)期间测量而得。请注意，该PLT的转换温度T。低于 PZT的转换温度。图22呈现了加热期间针对PLT�？樗饬坑敫涸刈杩筊L相关的任意单位内所测量到的最大电压输出，其说明了负载阻抗匹配对于有效耦合的重要性。图23描绘出与负载阻抗率χ = RL/Ri呈函数关系的阻抗负载的比例理论电压输出，其中RL为负载阻抗而Ri为某些任意单位内铁电发电机的内阻；此曲线显示出不同Ri 值的结果Ri =0.1(下方虚线)、Ri = 1. 0 (实线)和Ri = 10 (上方虚线)；请注意，较大 Ri可获得较大的输出功率。图M表示出与负载阻抗对内阻的比例χ = RL/Ri呈函数关系的理论功率输出，该理论功率输出是以最大可用功率输出的比例来表示。图25呈现出来自PZT�？�(尺寸为IX 58 X 58mm3)、通过220k Ω电阻Rl和R2所测量到的电压。在此通过图8内所描绘的电阻Rl (虚线)和R2(实线)所测量到的电压是于加热期间绘制。针对此电流位准，在PZT�？槟诮榈缰时览Ｖ耙丫竦猛ü涸氐缱� RL高达6，500V的压降。图^a到图中表示出对一铁电�？榈哪承┎问募扑阒担锰缒？槭蔷妊芬员阍擞米苑⒓诘母谋淅床叩缪沟拇笫涑龅缒�。该图形输出提供了通过两循环周期所指示的参数的各别值，并且透过负载电阻抽取电能。该计算值是根据铅基铁电体的参数。这些图形呈现了(与秒数时间呈函数关系)图26a如图1所示在下电极处铁电体的温度，单位为绝对温度；图26b自发极化，测量单位为每平方公尺库仑；图26c通过负载电阻产生的电压；以及图26d产生用于阻抗负载的功率强度，测量单位为铁电体每平方公尺瓦。这些值是由仿真装置效能的有限元素法数值分析来决定，请注意，此仿真假设样本只有单一晶域，如此极化电流都会流过负载电阻。总而言之，本发明(不止于此)揭示了将热能转换成电能的设备及方法。相反地， 其亦藉由使用一或多个会随着温度变化展现出其自发极化改变的铁电材料来其使用电力进行冷却。该铁电材料会在相转换温度上下的温度的间循环，来运用自发极化内的变化。该铁电体已经极化，最好是当它进入铁电相时就已极化完成。该极化相为铁电相，其存在于极化完成后以获得大净自发极化量。该非极化相为顺电相或反铁电相，这两者都缺乏整体净极化。在该极化相内，净自发极化会在与铁电材料相邻的电极上引发屏蔽电荷。在转换至非极化相时，与铁电体表面相邻的电极上的非屏蔽电荷会以高电压被移除进入外部电路。如此达成热至电能的有效转换。虽然本装置可搭配单一这类的铁电材料来使用，然在许多应用当中藉由使用具有连续相转换温度的一系列铁电体(其相转换温度在该应用中的热源与散热片的温度范围之间变动)将可以达到更强盛的热至电能转换。颠倒此流程将可达到电热冷却的效果。
上述本发明示范具体实施例的描述仅供说明，其并非用于将本发明局限在所揭露的精确形式中。本发明许多修改与变化都可以上述教示为依据。本发明的具体实施例是经过选择与说明来最佳阐述本发明的原理，以启发其它熟习此项技术者来利用本发明暨其多种实施例，并使其多种的变更以适合在所设想的特定应用中。其它实施例在不悖离本发明的精神与范畴下对其所属领域的技艺人士将变得更为显见。因此，由附属申请专利范围来界定本发明范畴，而非由前述说明与其中描述的示范具体实施例。
权利要求
1.一种将热转换成电能的设备，包含(a)一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层包含一铁电材料，该材料的特征在于具有一相转换温度，如此当该材料处于一铁电相时该铁电层的单位晶胞内会建立起自发极化，且该铁电层经过极化后会出现一整体净自发极化；如此随着该铁电层的温度变化通过该相转换温度，该材料会进入一顺电相或反铁电相，其中该铁电层具有可忽略不计的或并无整体净自发极化；(b)一对电极，其分别形成于该铁电层的该第一表面与该第二表面上，其中该对电极由一导热与导电材料所形成；(c)与该铁电层呈关连设置且用以透过对流、传导或辐射等方式交替地自该铁电层中移除热及将热输入该铁电层中的装置，如此以交替地以低于该相转换温度的一第一温度IY 冷却该铁电层，并且交替以高于该相转换温度的一第二温度Th加热该铁电层，如此该铁电层的铁电材料会在⑴该铁电相与⑵该顺电相或反铁电相之间进行交替转换；以及(d)与该铁电层及该对电极呈关连设置来施加一DC电压与一结果电场的装置，其在转换至该铁电相期间极化该铁电层，否则，不会有外部电场施加至该铁电层，其中该铁电层、该对电极以及该传递装置都设置来使得该铁电层的铁电材料处于该铁电相时会分别在该对电极上产生电性相反的屏蔽电荷，且当该铁电层的铁电材料转换进入该顺电相或反铁电相时该对电极上所产生的该电性相反的屏蔽电荷会从该对电极处放电形成电能。
2.一种将热转换成电能的设备，包含(a)一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料形成，其特征在于具有一居里温度T。，如此当该铁电材料的温度低于该居里温度T。时，该铁电材料会处于一铁电相，在该铁电相中该铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化，且该铁电层在极化时会产生一整体净自发极化；且该铁电材料的温度高于该居里温度T。时该铁电材料的单位晶胞内并未建立起自发极化；(b)一对电极，分别形成于该铁电层的该第一表面与该第二表面上，其中该电极由一导热与导电材料所形成；以及(c)与该铁电层关连设置以用来交替地传递一冷流体和一热流体通过该铁电层的该第一表面与该第二表面的装置，其以低于该居里温度Tc的一第一温度IY交替冷却该铁电层， 并且以高于该居里温度！^的一第二温度Th加热该铁电层，如此该铁电层的铁电材料藉此温度循环在该铁电相与该顺电相之间进行交替转换，其中该铁电层、该对电极以及该传递装置都设置成在该铁电层的铁电材料位于该铁电相时分别在该对电极上产生电性相反的屏蔽电荷，且当该铁电层的铁电材料转换进入该顺电相时，该对电极上所产生的该电性相反的屏蔽电荷会从该对电极处放电形成电能。
3.根据权利要求2所述的设备，更包含一对电性连接至该对电极的电导线，如此当该铁电层的铁电材料处在该铁电相或正在转换成该铁电相时一 DC电压会施加在该对电导线之间以极化该铁电材料的单位晶胞中的该自发极化，如此在该对电极上会分别产生该电性相反的屏蔽电荷；且当该铁电层的铁电材料正处在该顺电相或正在转换进入该顺电相时， 对应该所产生电性相反的屏蔽电荷的电能会以一远高于该所施加极化用DC电压的电压输出至该对电导线。
4.根据权利要求2所述的设备，其中该传递装置包含一或多个与一热源和一散热片流体连通的热交换器以分别用于将来自该热源的热输入该铁电层如此以该第二温度Th加热该铁电层，以及从该铁电层中抽出该热至该散热片如此以该第一温度IY冷却该铁电层。
5.根据权利要求2所述的设备，其中该传递装置包含(a)分别形成于该对电极上的一第一流体通道和一第二流体通道，如此当一冷流体流过至少该第一和第二流体通道的其中一者时，该铁电层会朝该第一温度IY冷却，并且当一热流体流过至少该第一和第二流体通道的其中一者时，该铁电层会朝该第二温度Th加热；(b)一或多个热交换器，如此该用来交替地传递一冷流体和一热流流过该铁电层的该第一表面和该第二表面的该第一和第二流体通道会交替地以该第一温度IY冷却该铁电层， 并以该第二温度Th加热该铁电层；以及(c)复数个控制阀与该一或多个热交换器连通，以用于控制该冷流体与热流体的流动。
6.根据权利要求5所述的设备，其中该复数个控制阀受到一或多微处理器的控制。
7.根据权利要求2所述的设备，还包含一用于监控该铁电层的一或多个温度、加热液体与冷却液体的温度、以及该铁电层的电容量的装置。
8.一种将热转换成电能的方法，包含下列步骤(a)提供一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层包含一铁电材料，该材料的特征在于具有一相转换温度，如此该材料处于一铁电相时该铁电体的单位晶胞内会建立起自发极化，且该铁电层经过极化后会产生一整体净自发极化；如此，随着该铁电材料的温度变化经过该相转换温度，该材料会进入一顺电相或反铁电相，其中该铁电层具有可忽略不计的或并无整体净自发极化；(b)分别在该铁电层的该第一表面与该第二表面上形成一对电极，其中该电极由一导热与导电材料所形成；(c)透过对流、传导或辐射等方式交替地将热从该铁电层移除与将热输入该铁电层，如此以交替地以低于该相转换温度的一第一温度IY冷却该铁电层，并交替地以高于该相转换温度的一第二温度Th加热该铁电层，如此该铁电层的该铁电材料会藉此在⑴该铁电相与 ⑵该顺电相或反铁电相之间进行交替转换；(d)施加一DC电压与一结果电�。栽诟锰绮牧洗τ诟锰缦嗷蛘诮敫锰缦嗍奔锰绮悖绱艘栽诟枚缘缂喜帘蔚绾桑裨颍换嵊幸煌獠康绯〔豢墒┘又粮锰绮悖灰约�(e)在该铁电层的铁电材料转换进入该顺电相或反铁电相时输出对应该对电极上该所产生的屏蔽电荷之电能。
9.一种将热转换成电能的方法，包含步骤(a)提供一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料形成，其特征在于具有一居里温度T。，如此该铁电材料的温度在低于该居里温度T。 时该铁电材料会处于一铁电相中，在该铁电相中该铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化，且该铁电层在极化时会产生一整体净自发极化；而当该铁电材料的温度高于该居里温度T。时该材料会处于一顺电相中，在该顺电相中该铁电材料的单位晶胞内并未建立起自发极化；(b)分别在该铁电层的该第一表面与该第二表面上形成一对电极，其中该电极是以一导热与导电材料所形成；(C)交替地传递一冷流体和一热流体通过该铁电层的该第一表面与该第二表面，如此以交替地以低于该居里温度Tc的一第一温度IY冷却该铁电层，且以高于该居里温度Tc的一第二温度Th加热该铁电层；如此该铁电层的铁电材料会藉温度循环在该铁电相与该顺电相之间进行交替转换；(d)在该铁电材料处于该铁电相或正在进入该铁电相时极化该铁电层，如此以在该对电极上产生屏蔽电荷；以及(e)在该铁电层的铁电材料转换进入该顺电相时输出对应该对电极上该所产生的屏蔽电荷的电能。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该极化是以下列步骤进行在该对电极之间施加一 DC电压以排列该铁电层中该铁电材料的该单位晶胞与晶域，如此该铁电层的该第一和第二表面上会产生束缚电荷，藉此以分别在该对电极上产生电性相反的该屏蔽电荷。
11.根据权利要求10所述的方法，其中该输出电能的形式为远高于该所施加DC电压之一电压。
12.根据权利要求9所述的方法，其中该传递步骤是由一或多个与一热源和一散热片流体连通的热交换器来进行，以交替地将来自该热源的热输入该铁电层如此以该第二温度 Th加热该层，以及从该铁电层中抽出热至该散热片如此以该第一温度IY冷却该铁电层。
13.根据权利要求9所述的方法，其中还包含下列步骤在该对电极上形成一第一流体通道和一第二流体通道，如此当冷流体通过至少该第一和第二流体通道的其中一者时该铁电层会朝该第一温度IY冷却，且当热流体通过至少该第一和第二流体通道的其中一者时该铁电层会朝该第二温度Th加热。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该传递步骤由一或多热交换器以及复数个与该一或多热交换器连通的控制阀所执行，其中该一或多热交换器是设置成使得该用于交替地传递一冷流体和一热流体通过该铁电层该第一表面和该第二表面的第一和第二流体通道会交替地以该第一温度IY冷却该铁电层，并且以该第二温度Th加热该铁电层，且其中该复数个控制阀是适用来控制该冷流体和热流体。
15.根据权利要求9所述的方法，还包含监控该铁电层的一或多个温度、加热液体与冷却液体的温度、以及该铁电层的电容量的步骤。
16.一种将热转换成电能的设备，包含(a)复数个堆栈排列的铁电�？閧FMn}，其中η=1，2，3，. . .，N，N为大于一的整数，每一铁电�？镕Mn包含(i) 一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料形成，该材料的特征在于具有一相转换温度Tn，如此当该铁电材料处于一铁电相时该铁电体的单位晶胞内会建立起自发极化，且当该铁电层经过极化后会产生一整体净自发极化； 如此随着该铁电材料的温度变化通过该相转换温度，该材料会进入一顺电相或反铁电相， 其中该铁电层具有可忽略不计的或并无整体净自发极化，其中该复数个铁电模块{FMn}的不同铁电层是由相同的铁电材料或具有各别相转换温度Tn的不同铁电材料所形成；以及(b)一形成在该铁模块电的该第一表面与该第二表面上的一第一电极和一第二电极， 其中该两电极由一导热与导电材料所形成；(c)与该堆栈的铁电模块{FMn}关连设置以透过对流、传导或辐射等方式交替地将来自该堆栈的铁电�？閧FMn}的热移除与将热输入该堆栈的铁电�？閧FMn}的装置，以交替地冷却该堆栈的铁电�？閧FMn}，让每一第η层的温度低于其各别转换温度Τη，且交替地加热该堆栈的铁电�？閧FMn}，让每一第η层的温度高于其各别转换温度Τη，如此该堆栈的铁电�？閧FMn}中的每一铁电材料藉此温度循环在(1)该铁电相与( 该顺电相或反铁电相之间进行交替转换；(d)与该堆栈的铁电�？閧FMn}关连设置以于该堆栈的铁电�？閧FMn}中的该铁电层处于该铁电相或转换进入该铁电相时施加一DC电压和一结果电场至该堆栈的铁电模块{FMn} 中的该铁电层来极化该铁电层的装置，以在该两电极上产生屏蔽电荷，否则，不会有外部电场施加至该铁电层；以及(e)与该堆栈的铁电模块{FMn}关连设置以于该堆栈的铁电模块{FMn}中的该铁电层转换进入该顺电相或反铁电相时该两电极上所产生的该屏蔽电荷会从该两电极处放电成为电能的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其中每两相邻的铁电层都由一以导热与导电材料所形成的电极所分隔。
18.根据权利要求16所述的设备，其中每两相邻的铁电层都由两个以一导热与导电材料所形成的电极所分隔，且将该两相邻铁电层分隔的每一组这类的两电极复由一电绝缘体所分隔。
19.一种将热转换成电能的设备，包含(a)复数个堆栈排列的铁电�？閧FMn}，其中η=1，2，3，. . .，N，N为大于一的整数，每一铁电模块FMn包含(i) 一铁电层，该层具有一第一表面和一反面的第二表面，其中该铁电层由一铁电材料形成，其特征在于具有一居里温度T。n，如此当该铁电材料的温度低于该居里温度T。n时该铁电材料会处于一铁电相中，在该铁电相中该铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化，且该铁电层在极化时会产生一整体净自发极化；而当该铁电材料的温度高于该居里温度Τ。η 时该铁电材料的单位晶胞内并未产生自发极化；以及( )分别形成在该铁电层的该第一表面与该第二表面上的一第一电极和一第二电极， 其中该复数个铁电�？閧FMn}的不同铁电层都由相同的铁电材料或具备各别转换温度T。n 的不同铁电材料所形成；以及(b)与该堆栈的铁电�？閧FMn}关连设置以交替地传递一冷流体和一热流体通过该堆栈的铁电�？閧FMn}的装置，用以于低于每一居里温度T。n的一第一温度IY交替冷却该堆栈的铁电�？閧FMn}，并以高于每一居里温度T。n的一第二温度Th加热该堆栈的铁电�？� {FMn}，如此该堆栈的铁电�？閧FMn}中的每一铁电材料都藉此进行(1)温度循环通过其各别的居里温度T。n’以及⑵在该铁电相与一顺电相之间交替转换；(c)与该堆栈的铁电模块{FMn}关连设置，如此当该堆栈的铁电模块{FMn}中的该铁电层处于该铁电相中或转换进入该铁电相时会施加一 DC电压和一结果电场至该堆栈的铁电�？閧FMn}中的该铁电层来极化该铁电层的装置，以在该电极上产生屏蔽电荷，否则，不会有外部电场施加至该铁电层；以及(d)与该堆栈的铁电�？閧FMn}关连设置的装置，用以于该堆栈的铁电�？閧FMn}中的该铁电层转换至该顺电相时，对应该铁电层中该第一和第二表面上所形成该电极上所产生的该电性相反的屏蔽电荷的电能会以比该所施加极化用的DC电压还要高出许多的电压来输出。
20.根据权利要求19所述的设备，其中每两相邻的铁电层都由一电绝缘体所分隔。
21.根据权利要求19所述的设备，其中该由一导热与导电材料所形成的一第一电极和一第二电极只形成于该堆栈的铁电�？榈母玫谝槐砻嬗敫玫诙砻嫔�。
22.根据权利要求19所述的设备，其中该复数个铁电�？閧FMn}的该相转换温度{Tn} 相继变化通过一热源与一散热片的温度间的全部或部分的该温度范围。
23.根据权利要求19所述的设备，其中该传递装置包含一或多个与该第一铁电模块 FM1和该第η铁电模块FMn关连设置且与一热源和一散热片流体连通的热交换器，用于将来自该热源的热输入该堆栈的铁电�？閧FMn}如此以该第二温度Th加热该堆栈的铁电模块 {FMn}，以及从该堆栈的铁电�？閧FMn}中抽出热至该散热片如此以该第一温度IY冷却该堆栈的铁电�？閧FMn}。
24.根据权利要求19所述的设备，其中该传递装置包含(a)复数个第一流体通道和第二流体通道，其中每一个第一流体通道和每一第二流体通道是分别形成在一对应的铁电�？镕Mn的该第一电极和该第二电极上，如此当一冷流体流过至少该第一和第二流体通道的其中一者时该对应的铁电�？镕Mn会冷却至低于其各别的相转换温度T。n，而当一热流体流过至少该第一和第二流体通道的其中一者时，该对应的铁电�？镕Mn加热至高于其各别的相转换温度T。n ；(b)复数个第一热交换器和第二热交换器，其是分别设置成使得该第一流体通道和该第二流体通道形成于该对应的铁电�？镕Mn上，该复数个第一热交换器和第二热交换器会交替地冷却与加热该对应的铁电�？镕Mn，如此该�？镕Mn会进行从铁电到顺电然后返回的交替转换；以及(c)复数个控制阀与该复数个第一热交换器和第二热交换器连通，用于控制该冷流体与热流体的流动。
25.根据权利要求M所述的设备，其中该复数个控制阀受到一或多微处理器的控制。
26.根据权利要求19所述的设备，还包含装置，用于监控该每一铁电模块FMnW—或多个温度与电容量，以及加热与冷却流体的温度。
全文摘要
本发明揭示了一种将热转换成电能的新方法及设备。本发明运用相改变期间发生在铁电材料内的自发极化的迅速改变。在一个态样内，本发明是关于一种将热转换成电能的设备，其包含一对电极；一铁电层由一铁电材料形成在其间，该材料具有一居里温度(Curie temperature)Tc，当该铁电材料的温度低于该居里温度Tc时，该铁电材料会处于一铁电相内，在该铁电相中该铁电材料的单位晶胞内会建立起自发极化，而该铁电材料的温度高于该居里温度Tc时，不建立起自发极化；以及一装置，用于交替地传递一冷流体和一热流体流至该铁电层，以交替地以低于Tc的一第一温度TL冷却该铁电层，并且以高于Tc的一第二温度TH加热该铁电层。
文档编号G01N25/02GK102449465SQ201080020767
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月5日 优先权日2009年5月14日
发明者大卫·F·艾伯特, 阿尔贝拉·艾哈迈德 申请人:地热能源公司
专业数控铣床产品供应商
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