专利名称：使用化学热力发动机和压电材料产生电的系统和方法
技术领域：
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 = l/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。在所述装置中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。所述装置还可包括接口电路，所述接口电路可以可操作地耦合在至少一个电输入和所述静电电动机之间。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，其经历加热和冷却循环和相应的温度变化；至少一个热声元件，其可操作地耦合到所述热力发动机，所述热声元件响应于所述热力发动机的温度变化而经历热声振荡，从而从所述至少一个热声元件发射声能；以及至少一个压电换能器，其可操作地耦合到所述热声元件，所述压电换能器响应于从所述热声元件发射的所述声能的压力变化而被变形并因变形而产生电输出信号。在所述系统中特定的热声元件和特定的压电换能器可整体形成为单一的部分。所述系统还可包括功率变换器，其可以可操作地耦合到所述至少一个压电换能器，所述功率变换器可将所述电输出信号转换成期望的电力供应信号。所述热力发动机可具有冷地热源和热环境源。所述热力发动机可具有热地热源和冷环境源。所述热力发动机可利用氢作为工作流体。所述热力发动机可利用至少一种金属氢化物材料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。所述热力发动机可利用至少一种相变材料。所述金属氢化物材料可在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。所述至少一个热声元件可适合在谐振腔内产生压力驻波，所述至少一个压电换能器可布置在所述谐振腔内。所述至少一个热声元件可包括布置在谐振腔的相对侧面的第一热声元件和第二热声元件，所述第一热声元件可以可操作地耦合到第一热力发动机，所述第二热声元件可以可操作地耦合到第二热力发动机，第一热堆叠和第二热堆叠可适合在所述谐振腔内产生压力驻波，所述至少一个压电换能器可布置在所述谐振腔内。所述热力发动机可至少具有第一部分和第二部分，所述第一部分可与特定的热声元件堆叠热接触，而所述第二部分可与所述特定的热声元件热隔离。所述特定的热声元件和所述热力发动机的所述第一部分可布置在壳体里，而所述热力发动机的所述第二部分可布置在所述壳体的外面。所述壳体可提供用于冷流体或热流体的流动路径。所述特定的热声元件和所述热力发动机的所述第一部分可支持所述热流体或所述冷流体的流动通过。所述壳体可以是管状的。所述系统还可包括用于流体地耦合所述热力发动机的所述第一部分和所述第二部分的设备。当所述热力发动机的所述第二部分吸热时，所述热力发动机的所述第一部分可产生热，以及当所述热力发动机的所述第二部分产生热时，所述热力发动机的所述第一部分可吸热。所述系统还可包括布置在第二管内的第一管，所述第一管壳体和所述第二管可容纳至少一个热力发动机的相应部分。所述第一管可容纳至少一个压电换能器和与所述至少一个热力发动机的相应部分热接触的至少一个热堆叠；以及所述第二管可容纳至少一个压电换能器和与所述至少一个热力发动机的相应部分热接触的至少一个热堆叠。根据本发明的一个方面，提供系统和相应的方法来将循环的压力梯度施加到压电材料，以产生相应电信号，所述电信号能用来产生适合于广泛供电应用，例如住宅或商用供电应用的电功率。根据本发明的另一方面，这种系统和方法利用化学热力发动机将压力梯度施加到压电材料。根据本发明的另外的方面，这种系统和方法结合热声元件(thermoacoustical element)利用热力发动机来产生施加到压电材料的循环的压力梯度。根据本发明的又一方面，这种系统和方法被安排为利用环境友好的、低成本的地热的热源和冷源与环境的热源和冷源的来驱动化学热力发动机。依照本发明的另外的方面，提供了发电系统和方法，其将压电源输出的电能转化为机电电池的旋转飞轮所储存的机械能，并将飞轮储存的机械能转化为从那里输出的电能。根据本发明的又一方面，提供压电源输出的电能的有效转化。在本发明的一种实施方式中，一种用于产生电信号的系统(和相应的方法)包括至少一个热力发动机，其具有经历加热和冷却循环以及相应压力变化的室。至少一个压电换能器，其可操作地耦合到热力发动机，响应于热力发动机的压力变化而被变形。功率变换器能用来将响应所述至少一个压电换能器的变形而产生的电信号，转变成期望的电力供应信号(electrical power supply signal)。热力发动机优选使用冷地热源和热环境源(典型地在夏季使用)，或反之亦然(典型地在冬季使用)。应认识到，热力发动机能容易地适合经历大的、高频压力变化，并因此产生大的、 高频应力和压电换能器相应的大的循环的变形。这种变形导致高电压、低电流脉冲，所述脉冲被功率变换器转变。在另一实施方式中，用于产生电信号的系统(和相应的方法)包括至少一个经历加热和冷却循环以及相应温度变化的热力发动机和热耦合到该热力发动机的热声元件。热力发动机的温度变化引起形成压力波的热声元件的热声振荡。至少一个压电换能器被压力波变形。功率变换器能用来将响应至少一个压电换能器的变形而产生的电信号转变成期望的电力供应信号。热力发动机优选使用冷地热源和热环境源(典型地在夏季使用)，反之亦然(典型地在冬季使用)。热力发动机能容易地适合经历温度变化，所述温度变化通过热声元件引起压力波的产生。这种压力波产生压电换能器的应力和相应的变形。这种变形导致高电压、低电流脉冲，所述脉冲被功率变换器转变。在此实施方式中，热声元件在谐振腔内产生压力驻波。压电换能器位于谐振腔内。 两个热声元件能布置在谐振腔的相对侧面上。两个热力发动机能热耦合到热声元件，以便在其间的谐振腔内引起压力驻波的产生。根据本发明的一个方面，功率变换器包括具有储存转动能的飞轮的机电电池和将转动能加到飞轮的静电电动机。Marx发生器能用来产生一系列的加速电压脉冲，来增加驱动静电电动机的斥力。机电电池能容易地适合提供适合广泛应用，例如住宅或商用供电应用的供电信号。在说明性的实施方式中，热力发动机使用氢作为在其室内的工作流体(working fluid)，以及使用金属氢化物材料在热力发动机的加热和冷却循环期间吸收和解吸氢。也可使用相变材料。在另一方面，用于能量转化的装置包括机电电池和静电电动机。机电电池包括储存转动能的飞轮。静电电动机将转动能加到飞轮。对于本领域技术人员，通过参考详细的描述，结合提供的附图理解，本发明的其他目的和优点将变得明显。附图简述图IA是依照工作在一种运行模式的本发明的压电功率发生器系统 (piezoelectric power generator system)的框图。图IB是依照工作在第二种运行模式的本发明的压电功率发生器系统的框图。图IC是示例性的压力-温度曲线，示出图IA和图IB的热力发动机的加热/冷却 /压力循环。图2是用于在图IA和图IB的系统中使用的示例性功率转化装置(power conversion apparatus)的图3是图2的功率转化装置的原理图。图4是示出图3的静电电动机的部件的截面示意图。图5是图3的接口电路的原理图。图6是图5的Marx发生器电路的原理图。图7是依照工作在一种运行模式的本发明的可替换实施方式的压电功率发生器系统的框图。图8是对图7的热力发动机的室进行自动机械压力调节的控制器的框图。图9Α和9Β是流动地耦合图7的热力发动机的流体供应路径的管中管 (tube-in-tube)设计的原理图。
图10是第一种或第二种实施方式的热力发动机的管中管设计的原理图。图IlA是依照本发明的第三种示例性实施方式的功率发生器系统的框图。图IlB是依照本发明的第四种示例性实施方式的功率发生器系统的框图。图12是依照本发明的第五种实施方式的功率发生器装置的框图。图13是第三种、第四种或第五种实施方式的热力发动机的管中管设计的原理图。优选实施方式详述现在转到图1，显示了依照本发明的压电式能量发生器系统10的示意图。系统 10包括地热交换热力发动机12，地热交换热力发动机12包括具有绝热衬垫(未显示)的壳体14，绝热衬垫可通过充满气凝胶或其它适合绝热材料的空间实现。壳体14的一端支撑由导热材料，例如铜、库珀合金(cooper alloy)、不锈钢或热解石墨实现的冷侧热交换器(cold-side heat exchanger) 16 (比如，板式热交换器或管式热交换器)。壳体14的另一端支撑同样由导热材料，例如铜、库珀合金、不锈钢或热解石墨实现的热侧热交换器 (hot-side heat exchanger) 18 (比如，板式热交换器或管式热交换器)。密封室20布置在冷侧热交换器16和热侧热交换器18之间。室20与冷侧热交换器16和热侧热交换器18 热接触。室20充满氢工作流体22。室20也包含至少一种能够吸收和解吸氢的金属氢化物材料M和优选至少一种与氢工作流体热接触的相变材料26。至少一种金属氢化物材料对保持在一个或更多个台(bed)或其它储存容器里。至少一种金属氢化物材料可包括
i)氮化锂；ii) 二氢化镁；iii)镧镍氢化物(LaNi5H6)，或通过对La或Ni的某种取代的镧镍氢化物的改性；iv)钒基固溶体，其具有通式(Vl-xTix)l-y My，其中M通常是VI族到VIII族的金属，例如Fe、Ni、Cr或Mn ；和/或ν) Laves相氢化物，其具有通式AB2，其中A通常是稀土族的，III族或IV族的金属，而B通常是VIII族金属，但也可是来自V、VI或VII族的金属。至少一种相变材料沈保持在储存容器，并可包括沸石、共晶合金、石蜡、有机化合物、水合盐、碳酸盐、硝酸盐、多元醇和金属。热力发动机12还包括一个或更多由压电材料制成的压电换能器元件观。压电材料能够是石英、罗谢尔盐、钛酸钡、氧化锌、钛酸铅、锆钛酸铅、锆钛酸镧铅、铌镁酸铅、铌酸钾、铌酸钾钠、钽铌酸钾、铌酸铅、铌酸锂、钽酸锂，氟化物聚偏氟乙烯或其它合适的材料。压电换能器元件观能布置为邻近室20，与室壁或衬垫接触并与氢工作流体22间接接触，使得氢工作流体22的压力变化施加到压电换能器元件观以在那里产生机械应力。可选地， 压电换能器元件观能布置在室20里(纵向或横向延伸，或两个方向延伸)，与氢工作流体 22直接接触，使得氢工作流体22的压力变化施加到压电换能器元件观以在那里产生机械应力。压电换能器元件观可设置为隔膜(diaphragm membrane)、束、板、杆和/或纤维。至少一对电极30A和30B电连接到压电换能器元件观。电极30A和30B输出压电换能器元件因氢工作流体22的压力变化在其中引起的机械应力而产生的电信号。冷流体供应被供应给冷侧热交换器16，而热流体供应被供应给热侧热交换器18。 冷流体供应优选包括用于通过热泵发动机12的多重加热/冷却循环，将连续的冷流体供应提供给冷侧热交换器16的循环器(比如，泵、风机)。热流体供应优选包括用于通过热力发动机12的多重加热/冷却循环，将连续的热流体供应提供给热侧热交换器18的循环器 (比如，泵、风机)。在图IA所示的一种运行模式中，当环境空气比深层地温暖和时，冷流体供应由冷地热源32产生，而热流体供应从环境空气34产生。冷地热源32能够是从井或水体(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。冷地热源32也能够是经过与地热接触的管道时被冷却的流体，例如水或空气。在图IB所示的第二种运行模式中，当深层地温比环境空气暖和时，供应给冷侧热交换器16的冷流体供应从环境空气32’产生，而热侧交换器的热流体供应由“热”地热源34’产生。热地热源34’能够是从井或水体(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。热地热源34’也能够是经过与地热接触的管道时被加热的流体，例如水或空气。 应认识到，依赖于源的相对温度，可利用阀和管来允许系统在模式之间转换。在地热源是冷热能源的情况，热声制冷(thermo-acoustic refrigeration)也能用来促进系统的效率。特别地，能够产生冲击波的声源可放置在地下井中，并可操作地耦合到发动机的热侧热交换器和/或冷侧热交换器。声致冷是使用声波增加温度或降低温度的热泵的形式。一般地，充满工作流体的容器浸没在地下井里。声换能器产生冲击波，其压缩在冲击波前的气体同时减小在冲击波后的气体的密度。由于气体被冲击波压缩，气体的温度升高。由于在冲击波之后的气体膨胀，因此该处的气体温度降低。在冲击波前面的加热的压缩气体能用作供应给发动机12的热侧热交换器18的热源。声波后面的冷区域能用作供应给发动机12的冷侧热交换器16的冷源。
可提供流体供应源38和压力控制机构40。流体供应源38和压力控制机构40合作将工作流体22加到室20，并根据需要调节室20内的工作流体22的压力。当氢用作工作流体时，通过氢的容器或可能地通过水的电解产生氢的装置来实现流体供应源38。压力控制机构40能通过泵和阀组件实现，根据需要可能包括将过度的压力排到周围环境的排出阀。热力发动机12 —般如下操作。以连续的方式，冷源32持续地将冷流体供应给冷侧热交换器16，而热源34持续地将热流体供应给热侧热交换器18。利用温差产生功。更具体地，如参考图IC在下文更详细描述的，温差用来使室20内的氢工作流体、金属氢化物和相变材料(如果有)的温度循环以便在那里引起压力变化。室20中的压力变化在压电换能器元件观上施加相应的压缩力和减压力，这在那里引起机械应力。响应于这种机械应力，压电换能器元件观以循环的方式变形。这样的循环变形使压电材料产生一系列高电压、低电流的电脉冲(V+，V-)，这些脉冲由电连接到此的电极30A、30B输出。图IC示出了图IA和IB的示例性的热力发动机12的压缩-减压循环，但是应认识到，所见的循环仅仅是示意性的且不是按比例绘制的。循环包括4段，AB、BC、⑶、DA。为了解释的目的，假设发动机12在点A附近的温度和压力开始，优选以通过压力控制机构40 的操作来控制调节在容器内的工作流体22的压力的方式来完成。还假设发动机12具有特征温度Tint，由此i)对于温度Tint，从热侧热交换器18流入室20的热量基本上等于从室20流出到冷侧热交换器16的热量，这导致室20内的温度梯度基本上保持恒定；ii)对于Tint以下的温度，从热侧热交换器18流入室20的热量超过从室20流出到冷侧热交换器16的热量，这导致室20内的温度梯度增加；以及iii)对于Tint以上的温度，从冷侧热交换器16流出室20的热量超过从冷侧热交换器18流入室20的热量，这导致室20内的温度梯度降低。特征温度Tint由热侧热交换器和冷侧热交换器的温度(Thot和T_)、热侧和冷侧热交换器的相对导热系数、热侧和冷侧热交换器的相对大小决定。段AB-压电换能器元件的压缩在段AB期间，从热侧热交换器18流入室20的热量超出从室20流出到冷侧热交换器16的热量，这导致室20内的温度梯度的增加。这样的热量增加氢工作流体22的温度， 导致室20内的压力相应增加，如图所示。氢工作流体22的体积基本上保持恒定。流入室 20的热量将使密封室内的温度和压力达到点B，这是金属氢化物材料M吸收氢的临界压力 /温度点。在这点或这点之前的某个时间，如果室中有相变材料，此材料将吸收热量并改变相，因而储存热能。无论如何，在金属氢化物吸收氢的临界压力/温度点，段BC开始。段BC-金属氢化物吸收氢在段BC期间，金属材料M吸收氢工作流体22。这个吸收是放热反应，释放热量并维持氢工作流体22的压力基本恒定在临界压力。在吸收反应期间，室20内的压力维持在相应于金属氢化物材料M的临界压力的相对恒定的压力。吸收反应持续到金属氢化物材料M饱和为止。饱和时，先前在放热反应期间释放的热量能导致室20温度的激增或增加， 并因此导致相应的压力增加/激增至如图所示点C。在这点，段⑶开始。段CD-压电元件的减压
在段CD期间，从冷侧热交换器16流出室20的热量超出从冷侧交换器18流入室 20的热量，这导致室20内的温度梯度降低。这造成氢工作流体22的温度和在室20内压力的相应减少如图所示降低。当室20的温度和压力降到氢解吸的临界温度和压力(点D)以下时，段DA开始。段DA-氢化物解吸氢当室20内的温度和压力降到临界温度和压力点D以下时，金属氢化物材料通过吸收热量的吸热反应解吸氢，因此加速了室20的温度和冷却模式循环时间的降低。另外，在有相变材料的情况，相变材料释放它的热能并回复到其初始相。段DA持续到热侧热交换器 18能支持氢工作流体22的温度增加的点A为止。在该点，循环重新开始。在如图所示的循环期间，压力级从Pmin增加到Pmax，以将相应的压缩力和应力施加在压电换能器元件观上。在如图所示的循环期间，压力级从Pmax降低到PMIN，以将相应的减压力和应力施加在压电换能器元件观上。在热力发动机12连续的加热和冷却循环期间， 施加到压电换能器元件观的交替的压缩/减压力和应力导致压电换能器元件观以循环的方式变形。压电材料的这种循环变形产生一系列高电压、低电流电脉冲，这些脉冲由电连接到此的电极30A和30B输出。如之前提到的，一种或更多种相变材料沈可用作以上描述的热力发动机12的部分。相变材料26布置成与氢工作流体22热接触。调整相变材料沈，以在点B的温度或点 B的温度附近吸收热量以便金属氢化物材料M吸收氢工作流体22，并在段DA期间金属氢化物材料M解吸氢工作流体22时释放热量。这帮助减少热力发动机12的循环时间并有助于热力发动机12产生的功率。系统10的优选实施方式包括功率变换器36，功率变换器36将压电换能器元件观在电极对30A和30B上输出的电信号转变成期望的电输出形式。功率变换器36产生的电输出能适合广泛的供电应用，例如住宅或商用供电应用。上述电输出能够是AC供电信号或 DC供电信号。在优选的实施方式中，功率变换器36产生的电输出是典型由电网电源(比如，60Hz 120V AC供电信号)供应的标准AC供电信号。如在图2中的示意性描述，功率变换器36优选由包括静电电动机51和机电电池 53的组件实现。如在图3所最佳显示的，机电电池53包括具有提供均勻偶极子场的永磁体的阵列(即Halbach阵列)的鼓形转子(cylindrical rotor)610高速飞轮整合到转子 61。在全密封室内，转子和飞轮悬浮在磁轴承(或其它合适的低摩擦支撑物)上，并在真空中转动。高速飞轮用于能量的储存和提取。定子绕组63Α、6!3Β布置在鼓形转子61的内部空间里。定子绕组63Α、6!3Β感应地耦合到转子61的旋转的磁体的阵列提供的磁场。功率电子装置(power electronics) 55接合到定子绕组63A、63B，以从旋转的飞轮提取能量，并将这种能量转变成从此输出的期望的电力供应信号。机电电池53与美国专利第5，705，902 号和6，396，186号描述的相似，在这里通过引用完全并入。转动能量通过静电电动机51的操作而加给机电电池53的飞轮。转到图3并结合图4，静电电动机51包括鼓形转子71，该鼓形转子71配置为具有关于它的内表面均勻间隔并彼此电绝缘的多个传导区域72。静电电动机51的转子71悬浮在磁轴承(或其它合适的低摩擦支撑物)上，并耦合到机电电池53的转子61，使得转子71的旋转造成机电电池53 的转子61的旋转。定子组件73布置在鼓形转子71的内部空间里。
如在图4所示，定子组件73支撑多个电极74，电极74彼此均勻间隔开，使得它们处于非常接近转子71的传导区域72的状态。接触电刷76从定子组件73(或可能从定子电极74自身)伸出来。接触电刷76电连接到相应的定子电极74，并径向向外延伸以接触转子71的传导区域72。导体78沿着定子的臂从电极延伸到基部。定子组件73的导体78 与电极74被逻辑分为两组(比如，正极和负极)。正极电极和负极电极74关于定子组件73 的外围以交替的方式相继布置。用正电压电势给定子组件73的正极电极充电，同时用负电压电势给定子组件73的负极电极充电。这个配置允许在定子组件73的电极74和转子71 的传导区域72之间排斥的库仑力引起转子71的旋转。在可替换的实施方式中，能省略接触电刷76，跨过定子电极74和转子71的传导区域72之间的介质的电晕放电能用来在转子71的传导区域72上贮存电荷。这种配置也产生转子的交替充电区域，排斥邻近的带同种电荷的定子电极。现在参考图2和图3，在压电换能器元件28的电极对30A、30B和定子组件73的导体78之间提供接口电路57。接口电路57将从压电换能器元件观输出的电能传输到定子组件73的导体78和电极74，以便引起转子71的旋转。如在图5所示，接口电路57优选包括如所示的AC/DC整流器、滤波电容器和Marx 发生器电路。AC/DC整流器将从压电换能器元件观输出的AC信号转换成DC电流，滤波电容器使总合成信号平滑来产生DC充电信号，以及Marx发生器电路将DC充电信号转换成高压脉冲。由Erwin Marx于19 年最先描述的Marx发生器电路产生高压脉冲。如在图 6所示，一定数量的电容器并联充电到指定电压V，然后被火花隙开关串联连接，理论上产生V乘以电容器(或级)的数量η的电压。由于各种实际约束，输出电压通常稍微小于 n*V。在理想情形，闭合最接近充电电源的开关将向第二开关施加电压2*V。这个开关将随后关闭，向第三开关施加电压3*V。这个开关将随后关闭，产生沿发生器的级联(称为激励 (erection))，其在发生器的输出产生n*V(再次地，只在理想情形)。如果输出脉冲的绝对时间不重要，则可允许第一开关在充电期间自发中止(有时称为自中断)。然而，通常，在所有电容器充满电后，有意地用机械方式触发(减少间隙距离)、电触发、经由脉冲激光触发或通过降低间隙内的空气压力来触发。根据要求的尺寸制造充电电阻器Rc以便于充电和放电。能用电感器来代替充电电阻器以便提高效率和更快充电。在可替换的实施方式中，静电电动机51和它的支持电路能被这样的部件代替其将压电换能器元件观的输出所提供的电能转化成电磁力，上述电磁力引起机电电池53的转子61的转动能，并因此将转动能加给机电电池的飞轮。例如，压电换能器元件观产生的高电压、低电流电信号能提供给与机电电池的附加定子绕组合作的接口电路(或可能地提供给在定相设计(phased design)中用于能量提取的相同定子绕组)，以产生一磁场，此磁场感应地耦合到机电电池53的转子61的转动的磁体的阵列提供的磁场，以便引起它的转子61的转动并将转动能加给它的飞轮。图7示出本发明的可替换的实施方式，其包括两个热力发动机1 和122，两个发动机的室被两条流体线路流体地耦合在一起。一条流体线路将工作流体从热力发动机1 的室运送到热力发动机1 的室，同时另一流体线路将工作流体从热力发动机1 的室运送到热力发动机1 的室。流量控制阀AZAidZ^dZBi和42 布置在两条流体线路的输入和输出而用于各自的室。如图所示，流体供应源38’和压力控制机构40’流体地耦合到在各输入阀和输出阀之间的两条流体线路中的一条。流体供应源38’和压力控制机构40’合作将工作流体22加到两个发动机的室，并根据需要调节两个发动机的室内的工作流体的压力。 当将氢用作工作流体时，通过氢的容器或可能地通过水的电解产生氢的装置来实现流体供应源38’。压力控制机构40’能通过泵或阀组件实现，根据需要可能包括将过度的压力排到周围环境的排出阀。根据需要可打开或关闭输入阀和输出阀来调节每个室内工作流体的量 /压力。例如，在显示的配置里，发动机的室的压力能通过打开输出阀42Bi并关闭其它的阀42&、42Ai和42A2来调节。类似地，发动机1 的室的压力能通过打开输出阀42 并关闭其它的阀42BP42A:和42A2来调节。在正常运行期间，打开阀42~、424、42~和42A2并操作热力发动机U1和122，使得它们的加热和冷却循环彼此异相。例如考虑热力发动机1 和1 都配置为执行图IC的加热和冷却循环。在这种配置中，热力发动机1 的初始压力能被初始化以在点C或点C附近开始工作，而热力发动机1 的初始压力能被初始化以在点A或点A附近开始工作。热力发动机和1 如下循环通过它们的加热和冷却循环
权利要求
1.一种用于能量转化的装置，所述装置包括机电电池，其具有储存转动能的飞轮；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；以及接口电路，其可操作地耦合在AC电输入和所述静电电动机之间，其中所述接口电路基于所述AC电输入而产生DC充电信号并且使所述DC充电信号倍增以产生用于供应到所述静电电动机的高压脉冲。
2.如权利要求1所述的装置，还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。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述机电电池包括电磁耦合到定子的转子，所述转子可操作地耦合到所述飞轮，其中所述转子和定子中的一个包括永磁体阵列。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述静电电动机包括经由排斥的库仑力而相对彼此转动的转子和定子，所述转子可操作地耦合到所述机电电池的所述飞轮。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述接口电路包括Marx发生器电路。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述接口电路包括AC-DC整流器和滤波电容器，所述AC-DC整流器和滤波电容器合作产生用于输入到所述Marx发生器电路的所述DC充电电压信号。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述接口电路包括AC/DC整流器，所述AC/DC整流器整流所述AC电输入以便产生所述 DC充电信号。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述机电电池的所述飞轮在由气密密封的室中限定的真空中转动。
9.一种能量转化方法，包括提供可操作地耦合到机电电池的静电电动机，其中所述机电电池具有用于储存转动能的飞轮；供应AC电输入；将所述AC电输入转化为DC充电信号；以及使所述DC充电信号倍增以产生用于供应到所述静电电动机的高压脉冲使得所述静电电动机将转动能加到所述机电电池的所述飞轮。
10.如权利要求9所述的方法，还包括将所述飞轮的转动能转换成期望的电力供应信号。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述机电电池包括电磁耦合到定子的转子，所述转子可操作地耦合到所述飞轮，其中所述转子和所述定子中的一个包括永磁体阵列，所述永磁体阵列用于将所述飞轮的转动能转换成期望的电力供应信号。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述静电电动机包括经由排斥的库仑力而相对彼此转动的转子和定子，所述转子可操作地耦合到所述机电电池的所述飞轮。
13.如权利要求9所述的方法，其中 所述倍增通过Marx发生器电路来执行。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述转化包括由AC-DC整流器执行的整流。
15.如权利要求9所述的方法，其中 所述转化包括由滤波电容器执行的滤波。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述机电电池的所述飞轮在由气密密封的室中限定的真空中转动。
全文摘要
一种用于产生电力供应信号的系统，包括至少一个经历加热/冷却循环以及相应的温度或压力变化的热力发动机。至少一个压电换能器响应于热力发动机的温度或压力变化而被变形。功率变换器将响应于压电换能器的变形而产生的电信号转换成期望的电力供应信号。热力发动机优选使用冷地热源和热环境源，反之亦然。氢可用作工作流体，以及金属氢化物材料可用于在热力发动机的加热和冷却循环期间，吸收和解吸氢。也可使用相变材料。
文档编号F02B63/04GK102425491SQ201110350138
公开日2012年4月25日 申请日期2007年9月10日 优先权日2006年9月8日
发明者金佰利·皮科克 申请人:金佰利·皮科克