通过使用来自冷凝器的热量热循环可电极化材料来发电的方法和设备的制作方法

专利名称：通过使用来自冷凝器的热量热循环可电极化材料来发电的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将冷凝器热量转换为电的方法。在一个实施例中，该方法包括以下步骤:提供具有第一表面和相对的第二表面的铁电层，其中铁电层包括铁电材料，该铁电材料具有相变温度，因此当材料处于铁电相时，在铁电体中建立自发极化；一旦铁电层被极化(poled)时，它发展成全面的净自发极化(net spontaneouspolarization);因此，随着铁电体的温度改变，它越过转变温度，材料进入顺电相或者反铁电相，其中铁电层具有可以忽略的或者非全面的净极化；还包括一对电极，分别位于铁电层的第一表面和第二表面，其中电极包含热和电传导材料。该方法还包括交替传输冷流体和热流体、以交替冷却铁电层至低于居里温度Tc的温度以及加热铁电层到高于居里温度Tc的第二温度。在一个实施例的这些步骤中，电路断开，在恒定的极化下进行冷却和加热。在一个实施例中，流体包括被冷凝器冷凝的蒸汽。该方法还包括以下步骤:通过交替地传输热流体流和冷流体流、交替地向铁电层提供热量和将热量从铁电层带走，从而在总的极化改变至对应的低和高级别时，交替地向铁电层增加热量或者从铁电层带走热量，该低和高级别分别用1\和Ph表示。在一个实施例的这些步骤中，电路闭合以允许改变极化，带走的热量或者增加的热量对应于转变焓。在一个实施例中，热流体包括被冷凝器冷凝的蒸汽。该方法还包括在铁电相、温度IY极化铁电层的铁电材料。在一个实施例中，由铁电体表面的电极上的剩余自由电荷导致的电场来执行极化。该方法还包括以下步骤:通过闭合电路，将铁电层的铁电材料中产生的电能放电到外部电路，同时热量被等温地输入到铁电层，极化减少至最小级别1\。匕对应于足够为极化建立场的剩余电荷。在另一个实施例中，通过应用来自DC电压源的小极化场，来完成极化。在这个实施例中，在铁电层的铁电材料中产生的电能被放电到外部电路的步骤中、最小极化可以变得忽略不计或者为零。在其他实施例中，代替循环铁电材料通过相变，它始终保持在铁电相，且从较大程度的极化循环至较少程度的极化。除了具有晶体结构的材料以外，本发明可使用可电极化的无定形聚合物材料。对上述无定形聚合物而言，可极化晶胞在原子和分子水平体现出电偶极行为。上述可极化的无定形聚合物和共聚物极化时会产生全面的净极化，而当材料温度越过极化转变温度时，该净极化减少并消失。与本发明使用晶体状铁电材料内发生的自发极化和极化变化相同的是，本发明以通用方式开发极化变化，该极化变化伴随着上述无定形聚合物系统在其去极化转变温度附近的循环操作而出现。对无定形材料而言，去极化转变温度类似于T。或铁电相变。虽然本发明参考了使用铁电材料和铁电层，但应该理解的是，本发明也可使用具有合适的极化特征和转变特 征的可极化的无定形聚合物和共聚物。单级铁电功率转换模块包括单个铁电材料。这样，通常具有单相变温度，该温度反映了在铁电相与顺电相或者反铁电相之间的转换。本发明的冷凝器设施的热源和冷源之间的温差(AT=Th-1Y)通常不大。但是，期望使用一个以上的一系列铁电材料，该铁电材料具有连续的相变温度，该相变温度覆盖热源和冷源之间的温度范围。使用多个铁电体的期望取决于各种因素，包括例如相变的剧烈程度。可使用多个铁电体，其中从冷凝器排出的被加热液体被用作热源。在一个实施例中，该多级铁电设备具有多个叠层(in a stack)设置的铁电模块{FM11}，其中n=l、2、3…N，N是大于I的整数。每个铁电模块FMn包括具有第一表面和相对的第二表面的铁电层，其中铁电层由特征为具有转变温度Tn的铁电材料形成；这样当铁电材料处于铁电相时，铁电体的晶胞内建立起自发极化，铁电层一旦极化则形成全面的净自发极化；这样随着铁电体温度变化，其越过转变温度，该材料则进入顺电相或反铁电相，在顺电相或反铁电相中铁电层具有可忽略不计的全面的净自发极化、或不具有全面的净自发极化。在一个实施例中，由导热和导电材料组成的一对电极定位于铁电叠层(ferroelectric stack)的第一表面和第二表面。在另一实施例中，以上电极还定位在每个铁电模块FMn的第一表面和第二表面上；在另一实施例中，通过电绝缘体使相邻铁电模块之间的上述电极相分离。多个铁电模块{FMn}的转变温度{Tn}可在热源和冷源的温度范围内发生连续改变。该设备进一步包括相对于叠层铁电模块{FMn}关联定位的装置，其用于交替向叠层铁电模块{FMn}输入热量和从叠层铁电模块{FMn}去除热量，从而交替地在低于每个转变温度Tn的第一温度使叠层铁电模块{FMn}冷却，并以高于每个转变温度Tn的第二温度对叠层铁电模块{FMn}进行加热，这样叠层铁电模块{FMn}的每个铁电层会经历(I)铁电相与
(2)顺电相或反铁电相之间的交替相变。除其他模块外，该设备可进一步包括用于监控一个或多个铁电模块FMn的温度和电容值、以及监控加热流体和冷却流体的温度和压力的装置。在计算机控制下，使热循环操作与铁电模块{FMn}的电气状态相配合，从而按照本发明的普通循环、使加热和冷却与电输入和输出同步，包括极化和放电。
在另一方面，本发明涉及将冷凝器热量转换为电能的设备。在一个实施例中，该设备具有多个叠层设置的铁电模块{FMn}，其中n=l、2、3…N，N是大于I的整数。每个铁电模块FMn包括具有第一表面和相对的第二表面的铁电层，其中铁电层由特征为具有居里温度1 的铁电材料形成；这样当铁电材料的温度低于居里温度1 时，铁电材料处于其建立起自发极化的铁电相，当铁电材料的温度高于居里温度Tc"时，铁电材料不再建立自发极化；在一个实施例中，第一电极和第二电极分别定位于铁电叠层的第一表面和第二表面；在另一实施例中，第一电极和第二电极定位于每个铁电模块FMn的第一表面和第二表面。多个铁电模块{FMn}的不同铁电层包括相同或不同的铁电材料。在第一电极和第二电极定位在每个铁电模块FMn的第一表面和第二表面的一个实施例中，通过电绝缘体使每两个相邻的铁电模块分离。多个铁电模块{FMn}的居里温度{I }可在热源温度和冷源温度之间的范围内发生连续改变。该设备进一步包括相对于叠层铁电模块{FMn}关联定位的装置，其用于在叠层铁电模块{FMn}上交替传输冷流体和热流体，从而交替地在低于每个居里温度Tc"的第一温度使叠层铁电模块{FMn}冷却，并以高于每个居里温度I 的第二温度对叠层铁电模块{FMn}进行加热，这样采用温度循环操作使叠层铁电模块{FMn}的每个铁电层在铁电相与顺电相之间经历交替相变。在其他实施例中，该设备使用所描述的铁电材料的多级构造，但是多层铁电体被集成在冷凝器中，使得它与被冷凝的蒸汽或者其他气体直接热接触而被加热。多层铁电体可以直接贴在传导管道的外表面，且具有最低转变温度的层靠近外壳。一个或多个电极是多层铁电体的一部分，如上所述。如一级实施例所描述的，冷凝室可另外配置，使得冷凝蒸汽为铁电提供热量。铁电被循环水或者冷凝管道中的其他流体冷却。多级铁电材料在控制电路的指示下进行热循环和电循环。该设备可进一步包括用于监控一个或多个铁电模块FMn的温度和电容值、以及监控加热流体和冷却流体的温度和压力的装置。经由控制电路使热循环操作与铁电模块{FMn}的电气状态相配合，从而使加热和冷却与电输入和输出同步、也使加热和冷却与极化和电子放电(electrical discharge)同`步；依照可用于本发明的任何热力循环,所述热循环包括利用了两个等温步骤和具有恒定极化的两个步骤的循环。结合以下附图，本发明的这些和其它方面在优选实施例的以下描述中变得显而易见，但在不背离所公开的新颖概念的精神和范围的情况下可对其进行变化和调整。


附图阐释了本发明的一个或多个方面或一个或多个实施例，附图连同其书面说明用于解释本发明的原理。在实际应用时，附图中通篇使用相同标号来指代实施例的相同或相似元件，其中:图1是根据本发明一个实施例的用于将热量转换为电能的铁电设备的截面图，所述铁电设备利用温度循环操作中发生的自发极化的变化来产生可能以高电压迁移到外部电路的电荷；图2示范性阐释了铁电体内晶域的排列；其中(a)阐释了未极化且定向随机定向(random orientation)的晶域,每个晶域由在单个晶域内类似定向的大量电偶极组成；(b)阐释了大致极化的材料，其中偶极以总体上相同的方向定向定向；以及(C)阐释了理想的、完全极化的铁电体，该完全极化的铁电体通常仅在适宜于材料的原子和分子结构的特别条件下才能获得；图3示范性阐释了不存在外源场时，铁电结构/铁电层表面的束缚电荷、以及当存在大量(substantial)净自发极化Ps时在电极的相邻表面上感生的相反屏蔽电荷，所述净自发极化表示为Pr ;图4是根据本发明另一实施例的将热量转换为电能的铁电设备的示范性截面图；图5是如图4中所示的铁电设备的示范性透视图；图6是根据本发明一个实施例的采用电阻负载运行的铁电发电机的示范性示意图；图7是根据本发明一个实施例的将热量转换为电能的过程的流程图；图8是根据本发明一个实施例的将热量转换为电能的铁电设备的示范性示意图；图9是根据本发明另一实施例的将热量转换为电能的铁电设备的示范性示意图；图10是根据本发明另一实施例的将热量转换为电能的铁电设备的示范性示意图；图11是根据本发明另一实施例的将热量转换为电能的铁电设备的示范性示意图；图12是根据本发明另一实施例的将热量转换为电能的铁电设备的示范性示意图； 图13是根据本发明另一实施例的将热量转换为电能的铁电设备的示范性示意图；图14是使用样品钛酸铅PbTiO3的参数、根据温度T和极化P所做的自由能泛函(free energy functional)的曲线图(plot);G是吉布斯自由能，以开尔文计量温度，以C/m2计量极化，以J/m3计量自由能G ;极化是全热力学变量(full thermodynamic variable),且其表示G (T，P)所描述的全极系；图15是样品钛酸铅PbTiO3的、作为温度的函数(as a function of temperature)的自由能的曲线图，其中极化恒定为p=0.4C/m2 ；图16是各种电场值E下极化的曲线图；以开尔文计量温度，以伏特/米计量E场值；图17是样品钛酸铅PbTiO3在不同E场值下、作为温度的函数的熵的曲线图；以1(计量温度，以J/m3.K为单位计量熵；图18是各种温度值下与极化成函数关系的自由能的曲线图；曲线图上叠加有用于本发明的热力学循环的步骤；极化是全热力学变量，且其表示G(T，P)所描述的全极系；图19是作为极化的函数的、各温度值的自由能的曲线图，曲线图上叠加有用于本发明的热力学循环的步骤。这个循环通过内部产生的极化场，用于极化。在循环的放电步骤中，BC，保留足够的电荷，用于在下一个循环中极化。匕的值由循环的局部自由能最大值P确定；图20阐释了铁电体的热力学循环，其中两个步骤等温、两个步骤等极化；(^和Qh分别表示在等温步骤期间去除和增加热量；
图21阐释了在图20描述的循环中作为温度的函数的熵的示意图；仅考虑极化对自由能的贡献，而不考虑诸如晶格热(lattice heat)和聚合物骨架的其他自由度；图22示出了测量到的在加热相期间产生的电流，所述电流由永久极化的变化产生，该变化对应于50 μ m厚的P (VDF-TrFE)共聚物薄膜的不同继电器开启温度；图23是使用冷凝器热量的整体设备的示意图，该冷凝器热量与一个或多个热交换器一起被用于加热工作流体，该工作流体接下来被用于提供热量给铁电发电机；以及冷源，该冷源提供通过一个或多个热交换器的一种或多种工作流体，以便将热量从铁电发电机中带走；图24示意性地示出了水冷表面冷凝器；图25是在热电厂使用的典型冷凝器的示意图。这个冷凝器的管道和外壳侧都是单向的，且顶部有大开口，以便废汽进入，底部有热井，在此收集冷凝水；图26是可在一个实施例中使用的冷凝器管道的截面图，其中铁电发电机直接组合到冷凝器中。在这个例子中，在蒸汽的冷凝过程中释放的潜在热量直接输入到铁电体，而没有中间的热交换器。冷凝发生在铁电材料的表面上或者表面附近。铁电体被流经冷凝管道的循环水冷却。
具体实施例方式在以下实例中对本发明进行更具体的说明；由于许多调整和变化对本领域技术人员而言是显而易见的，因此所述实例仅用于阐释目的。现在详细描述本发明的各个实施例。参考图，通篇视图中相似编号表示相似部件。在本文的描述和后续的权利要求中，除非文中明确表明，通篇使用的“一”和“该”的含义包括引用复数。同样，在本文的描述和后续的权利要求中，除非文中明确表明，通篇使用的“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。另夕卜，以下对该说明书中使用的某些用语予以更具体的限定。该说明书中使用的用语通常具有它们在本领域中、在本发明的上下文中、和在使用每个用语的特定环境中的通常含义。下文或说明书的其他地方会讨论将用于描述本发明的某些用语，从而为从业者提供与描述本发明有关的额外指引。本说明书中任何地方使用的实例，包括本文讨论的任何用语的实例，仅仅是阐释性质，其绝不会限制本发明或任何示例性用语的范围和含义。同样地，本发明并不受限于该说明书中给出的各种实施例。如本文所使用的，“附近”、“大约”或“大概”一般表示在给定值或给定范围的百分之二十以内、优选在百分之十内以内、更优选在百分之五内以内。文中给出的数值数量是大概的，这意味着在未明确声明的情况下可推断(inter)用语“左右”、“大约”或“大概”的含义。如本文所使用的，用语“晶胞”是指晶体内独特的原子排列的晶体结构。晶体结构由基序(motif)、一组以特定方式排列的原子、以及晶格(lattice)构成。基序位于晶格的点上，而晶格是三维空间内周期性重复的点阵列。这些点可视为是形成了填充晶格空间的完全相同的微小方块(其称为晶胞)。晶胞的边长和晶胞间的角度都称为晶格参数。可以根据其晶胞描述材料的晶体结构或晶体结构内的原子排列。晶胞是包括有一或多个基序或原子空间排列的微小方块。三维空间内叠 层的晶胞描述了晶体原子的分散排列(bulkarrangement)ο晶体结构具有三维形状。晶胞由其晶格参数、晶胞边长、以及晶胞间的角度所定义，同时通过从晶格点处测量到的原子位置的集合来描述晶胞内原子的位置。如本文所使用的，用语“居里温度”或T。是指铁电材料的特性。在温度低于居里温度时，铁电材料一般会处于其晶胞内会建立自发极化的铁电相。随着温度朝居里温度上升，晶胞内建立的自发极化降低。当温度高于居里温度时，铁电材料一般处于顺电相，在顺电相中铁电材料的晶胞内不会建立自发极化。不过也存在这样的铁电体:其铁电相存在于温度高于转变温度时，并且材料在温度低于转变温度时为顺电性。同样，如本文所描述的，在铁电相与反铁电相之间存在与本发明有关的转变温度，铁电相可发生于高于反铁电相的温度。至于“居里温度”是否也应用于后者这些类型的相变的转变温度，似乎并无已清楚建立的用法。本文所用的用语“相变温度”和“转变温度”包括所有前述类型的相变。仅可结合第一类型的相变使用“居里温度”或T。，或者上下文明显时“居里温度”或T。可得到更广使用。实际上，对所有上述类型的相变而言，材料温度跨过转变温度时，相变化(phasechange)的剧烈程度是由其组成的同质性和晶体结构所决定，这样随着铁电材料的温度在一温度范围内增加或降低时，相与相之间的转变可逐步发生；其中所述温度范围在该材料的指定转变温度附近。本文中无论何时揭示使用铁电材料，其意图是所使用的这些包括普通铁电体和不规则铁电体，其中铁电材料相对于所描述的其相变进行循环。采用外来(extrinsic)铁电体，极化表示第二有序参数，它与某些主有序参数相联系。除了具有晶体结构的铁电材料以外，本发明可使用可极化的无定形材料。一些这样的材料为将热能转换为电提供非常稳定的基础。对上述无定形材料而言，去极化转变温度与上述T。或铁电相转变温度类似。本文中无论何时揭示使用铁电材料，其意图是所使用的这些包括上述可极化的无定形材料的循环操作。在该情况下，可极化的无定形材料像铁电材料那样循环，其中在循环中代替铁电相转变温度而使用去极化转变温度。在这样的无定形材料中和聚合体铁电材料中，可极化晶胞展现了在原子和分子级别的电偶极特性。各种可极化的无定形材料在本发明具有特定效用；这是因为尽管其去极化转变温度可能是较高温度，但该去极化温度(通常小于250°C )在许多应用的有益范围内，且可极化的无定形材料在循环时产生稳定释放的电能。能量、极化和电容率之间的关系为:U=P2/2 ε ε 0其中采用以上无定形聚合物时的P通常小于采用诸如铁电陶瓷的情形，这种材料的电容率小得多，因此产生高能量密度U。本文偶尔(on occasion)使用的“极化”更精确地是指“电位移(electricdisplacement)”。由于本文的用语与用语之间并不存在显著差别，为简洁明了而通篇使用极化。以下给出了根据本发明各实施例的示范性设备和方法及其相关结果，但其意图并不是限制本发明的范围。应该注意的是，实例中为方便读者使用了标题或副标题；所述标题或副标题绝对不会限制本发明的范围。此外，本文提出并公开了某些理论；然而，不管它们是对还是错，只要根据本发明而在不考虑任何特定的理论或行动方案的情况下实施本发明，它们都绝对不会限制本发明的范围。依照本发明的目的，如本文所呈现和广泛描述的，本发明一方面涉及通过铁电介质将热能直接转换为电能的设备和方法，其中能量不会通过中间力学机构或通过其他形式。当铁电材料处于其铁电相时，本发明开发铁电材料内形成的较大的固有自发极化。本发明所开发的铁电材料或其他可极化材料的晶胞内出现的自发极化在无需施加外源场的情况下发生。由于材料转变为铁电相，晶胞极化自发发生。晶胞强大的自发极化总体上在铁电材料内产生较大的全面的净极化，同时通过极化使晶胞和晶域对齐。本发明进一步开发全面的净自发极化的大变化；当铁电材料的温度变化使得转变到净极化可忽略不计的相时出现所述全面的净自发极化的大变化。本发明允许去除和使用自发极化产生的电能，所述自发极化在材料处于铁电相时发生。与材料从铁电相到非极化相的相变相结合的是，这样产生的电能可以输出到外部电路中。随着材料转变到非铁电相，固有的净自发极化Ps消失。致使Ps可忽略不计的相变通常是从铁电相到顺电相，但其也可能是从铁电相到反铁电相，这是因为反铁电相在整个材料内产生可忽略不计的净自发极化。基本铁电模块在其相变温度附近循环，从而允许采用本发明将热能转换为电能。通过一个或多个热交换器完成该温度循环操作，所述热交换器接口于铁电模块与热源和冷源之间。热交换器和热源并不受限，而且它们可包括传递热能的任何模式，该模式包括对流传递、传导传递、辐射传递、以及单相和双相热传递系统。本发明一般可在以下情况用于对热能进行转换:(I)热源温度Th与冷源温度IY间至少一部分的温度范围位于存在的许多铁电材料的其中一个的相变温度的范围内；以及(2)温差Λ T = (Th-Tl)足以允许对特定应用进行有效转换。铁电体具有的相变温度从低至约0°C变动到高至约700°C。本技术领域的人员可意识到，该范围内的某些温度适合于将冷凝器热量转换为电能，可应用的温度随着冷凝器的类型、以及它的应用和运行而变化。通常，冷凝器的Th小于100°C，但是对设备和方法的运行温度没有理论界限，它们可以在任何温度使用，只要有可用的合适铁电体、且有可用于这样的温度的冷凝器和冷源。

本领域技术人员意识到的是，铁电材料与热源(Th)和冷源(IY)之间存在一些温度梯度。虽然在准静态热力学分析中往往不考虑该梯度，但流动的热量实际上需要一些梯度。所述准静态热力学分析假设在工作介质(此处为铁电体)与热源和冷源之间有理想的等温热传递。为简明起见，此处不考虑该梯度，Th可用于指定热源的温度和铁电体被加热到的温度。相似地， Υ可用于指定冷源的温度和铁电体被冷却到的温度。事实上，实际梯度的大小(extent)可能影响整体的热效率、功率密度和其他因素。在本发明的设施中，该设施使用冷凝器的排放作为热源TH，本发明并不受限于或针对任何特定的热交换器样式或热交换器构造。类似地，在本发明的设施中，使用冷凝蒸汽或者气体来直接输入热量到铁电设备，而不需要通过热交换器或者其他装置中间传输热量，本发明并不受限于或针对任何特定的形式或构造。相反，该装置是常见的，且可用于将任何配置的冷凝器热量转换为电，该冷凝器允许一个或多个铁电体被热循环，如在此所描述的。在各种配置中，向铁电体输入热量和将热量从铁电体带走导致温度和相循环，该循环可以通过对流、传导或辐射进行热传输、或者通过一个或多个相热量传输系统来完成。一般而言，不同材料可用于实践本发明。特定铁电体在其相变温度附近循环时可将热量有效转换为电能。如上所述，本发明通常利用的相变是从铁电性到顺电性再返回铁电性。然而，本发明也可以利用从铁电性到反铁电性再返回的相变。一阶转变在铁电材料中是常见的，许多一阶转变材料适用于本发明。本发明也可使用体现出二阶转变的铁电材料。影响铁电材料适用于特定应用的标准包括:(1)与来自于热源和冷源的热能的可用范围相匹配的相变温度；(2)根据温度的该材料的相变剧烈程度；(3)从极化态转变为非极化态的过程中释放的能量，该能量表示为υ=Ρ2/2ε ε ο (采用高电容率的铁电体时，铁电态下的自发极化优选> 2μ C cm-2 ;但由于无定形聚合物具有非常低的电容率，也可使用极化低很多的无定形聚合物)；(4)足够高的电阻率，从而在以高电压向外迁移储存的电能前避免电极上的电荷通过铁电介质泄漏；以及(5)与循环操作期间加热晶格所需的能量相t匕，相对较高的铁电转变能或铁电转变焓(该因素部分取决于高低循环操作温度之间温差的量值)。许多铁电材料可用于本发明，尤其是经受实质上无止境的变化以优化它们的性能(包括它们的转变温度)的特殊材料族。可用于冷凝器温度范围(例如，10-80°C)的铁电体包括使用高氯酸盐作为阴离子替代物进行改良、以控制转变温度和能量的咪唑四氟硼酸盐(imidazolium tetrafIuoroborate);秘(III)m 乙铵溴化物(methylammoniumbismuthbromide);改良和未改良的硫酸三甘肽(triglycine sulfate)、以及过渡金属方硼石，例如铜、镍和钴方硼石。这些铁电材料可以具有位于5-70kJ/L范围内的铁电转换焓、以及转换宽度小于3°C或更小的剧烈相变。在这些示范的铁电材料中，可以通过替换合适的原子和分子，实现对转变温度的精确控制，以便在10_80°C或更宽的温度范围内实现相变。许多其他的铁电材料可用于本发明，特别是因为:可以通过改变构成元素的百分比，来修改材料的特定性能特征。M.莱恩斯(M.Lines)和A.格拉斯(A.Glass)的《铁电体及有关材料的原理和应用，附录F》(1977，牛津大学于2004年重新印刷)(M.Linesand A.Glass,PRINCIPLES AND APPLICATIONS OF FERROELECTRICS AND RELATEDMATERIALS, APP.F(1977，Oxford reprint2004))中记载了本发明可使用的许多铁电体和反铁电体的列表，但该列表并不详尽。本文引用该附录F。本发明可使用固体形式或液体形式的铁电体；例如，后者包括适用于特定应用的液体铁电体和悬浮在液体中的铁电微晶体。举例来说，可使用的固体材料包括陶瓷铁电体、铁电聚合物和其他可极化的聚合物。在聚合体系统中，可通过形成共聚物和混合物，来改变和控制相变温度。可在本发明中使用的可极化无定形材料的例子是MXD6尼龙，它具有大概78°C的转变温度，对于70 μ m厚的样品可产生大概800V的测量放电电压。在本发明的各个实施例中，使用铁电或者其他可极化材料将热量转换为电，这些材料在特定的温度转变为极性相或者从极性相中转变出来。使用来自冷凝器和冷源(例如用于冷却冷凝器的冷却液)的热量热循环该材料。这个热循环允许设备通过利用在循环时发生的自发极化和极化的快速变化、将热能转换为电。通过极化电偶极、从而对齐可极化晶胞和晶域，协作的起作用的单个电偶极的极化相互组合，以在整个材料系统中产生较大的净自发极化。该较大的净极化反过来导致在铁电材料的另一侧的电极上引入电反屏蔽电荷，且最终这些屏蔽电荷被作为电能被清除，如在此所详细描述的。使用冷凝器排出物作为热能的来源。冷凝器是一种热交换器，用于通过将热量从蒸汽中带走、将蒸汽冷凝为液态。对于本技术领域的人员来说，有许多种类和配置的冷凝器，通常它们中的任何一种都可以用于本发明。冷凝器被用于许多设备中。在热电厂，例如，表面冷凝器、或者水冷外壳和管道热交换器，通常从蒸汽轮机接收废蒸汽，并在兰金循环中将其冷凝为水。这样的冷凝器的例子在图24和25中示意性地示出，其中温度为I；的循环冷却水进入水入口，通过一组管道，最终通过水出口、以温度Th从冷凝器中流出。涡轮废汽进入冷凝室，在其中通过与管道接触将废汽冷却，冷却水流经所述管道。在图14中示意性地示出，在蒸汽室内出现一组隔板。在图24和25所示的设备中，冷凝的废气落入冷凝器的底部，被作为冷凝物清除，然后在兰金循环中重复利用。废汽与冷却水隔离，冷却水以较高的温度Th从冷凝器中流出，因为从冷凝蒸汽中接收了热量。这样的冷凝器和用在热电厂的其他冷凝器都可以用于本发明。当没有充足的冷却水可用时也可以使用直接或间接的空气冷却冷凝器。使用冷却流体而不是水或者空气的冷凝器可用于本发明，且冷凝水蒸汽(vapor)而不是蒸汽(steam)的装置也可以用于本发明。在如图23所示的本发明的一个实施例中，被排放的冷凝器热量通过一个或多个热交换器被获取、并传递到一种或多种工作流体，这些工作流体接下来被用于将热量提供给铁电发电机，以根据热力循环、循环材料，如在此所描述的，从而将热量转换为电。如图23所示，冷源也通过一个或多个热交换器连接到铁电发电机以带走在循环过程中排放的热量。通过举例，在一个实施例中，冷却流体以温度 Υ输入冷凝器，如图24和25所示，该冷却流体被用作冷源，当冷却流体以温度Th排出冷凝器时用作热源。本发明可以采用在铁电发电机和冷凝器之间运行的、许多不同的热交换器来实施，如图23所示。在此提供的实施例是许多种冷凝器的代表，其中循环水或者其他冷却流体可以被用于为本发明的铁电发电机提供热源和冷源。可用于本发明的热传输的设备和方法、以及热交换机制对于本技术领域的人员来说是已知的。将铁电转换器集成到冷凝器中。在其他实施例中，在此描述的铁电设备被集成到冷凝器中，使得它直接 从冷凝蒸汽接收热量。在这些实施例中，铁电设备与被冷凝的蒸汽直接热接触、而被加热。通过允许转换器在冷凝的过程中直接从蒸汽带走隐藏的热量，可以获得铁电发电机的较大运行AT，这反过来为发电机提供了较大的潜在热效率，该效率的最大值η。等于λτ/τη。这种冷凝器的许多配置和设计，包括普通的表面外壳和管道热交换器，对于本技术领域的人员来说是已知的，如在此所描述的，当冷凝器被修改以适应设备的几何形状和操作时，本发明可使用任何这种冷凝器。在一个这样的实施例中，本发明使用典型的表面冷凝器的外壳和管道结构，如图24和25所示。冷却循环水流经管道，以将热量带到周围环境中，如传统的冷凝器那样。但是，通过将在此描述的铁电转换器贴到冷凝器内的管道的外表面上，来构造管道，这些管道使用热传导和电传导材料制成。期望管道的壁厚较薄以减少对热传导的阻碍。对于侧壁上相同的总温度差异，较厚的管道壁将会与厚度成比例地减慢热传输；相反，为了在较厚的管道壁上获得相同的热传输速率，需要与厚度成比例地增加温度差异，这将会降低设备的热效率。由于许多原因，在传统的冷凝器中也期望采用薄壁的管道构造，该原因包括效率和经济。管道可以被隔板、平板或者允许较薄管道壁构造的其他装置支撑在冷凝器中。传统冷凝器的管道尺寸通常是15-50mm 0D，这样的尺寸和其他尺寸可用于本发明。在其他考虑中，尺寸的考虑与经济、效率、功率密度、以及管道的长度相关。
构造管道的材料部分取决特定的应用。许多材料可以被用于薄的管道构造，且对于本技术领域的人员来说是已知的。污垢热阻和高导热率、以及抗侵蚀腐蚀、蚀损斑、裂缝侵蚀、微生物腐蚀(包括侵蚀)、以及通常意义的侵蚀，都是在材料选择时的一些考虑事项。可使用铜合金，但是在高压锅炉和核反应系统中可能会出现问题，因为输送到锅炉和涡轮中的铜的势能可能会导致沉积发生。现在冷凝器中普遍使用、且可用于本发明的材料包括耐海水金属(70-73%的Cu，0.9-1.2%的Sn，最大0.07%的Fe和平衡的Zn)、砷铜(arsenicalcopper)、招黄铜(aluminum brass)、招青铜(aluminum bronze)、90-10Cu-N1、70-30Cu_N1、冷轧碳钢、不锈钢(例如，3041316)、耐腐蚀不锈钢、以及钛。虽然比较贵，但是钛和耐腐蚀不锈钢具有高度的抗腐蚀性能，减少了管道渗漏的风险。这些和其他材料可用于本发明的薄壁管道构造。在一个实施例中，铁电和其他可极化材料被贴在管道的外表面上。该电传导管道用作两个电极的第一个，尤其是用作电接地。第二电极被应用于可极化材料，如在上下文中所述。电导线连接到两个电极，用于在上下文中描述的目的和功能。在一个实施例中，亲水表面活性剂或者类似 物质被应用到外部第二电极，以便于在电极的表面冷凝，从而加强冷凝蒸汽与铁电层之间的热传输。这样的材料可以加强冷凝蒸汽的铁电层的外表面的成核现象(nucleation),从而便于在循环的过程中将热量从蒸汽传输到铁电。一个实施例的冷凝器管道的横截面在图26中示出，该横截面不是与整体成比例地绘制的，或者不是所描述的几个特征和层的相对厚度。如图26所示，冷却流体261通过管道262，并将热量从铁电层263带走。管道262的传导壁是电接地的(未图示)。铁电或者其它可极化材料层263被贴在热传导和电传导的管道的外表面,从而减少从一处到另一处的热传导、以允许通过极化层263的束缚表面电荷、在管道壁上感应屏蔽电荷。第二电极264贴在可极化材料层263的表面。电导线连接到两个电极且在循环中被使用，如在此所描述那样。在一个实施例中，覆盖有亲水表面活性剂265的表面被应用于第二电极264，以促进和加速将蒸汽冷凝过程中释放的热量传递到铁电层，当那里的阀门(未图示)打开时，蒸汽进入冷凝室，并与所构造的管道的最外层直接接触。表面涂层265也为铁电层和第二导体提供了密封，防止系统中的电短路。在一个实施例中，管道可包括位于管道外侧上的热传导和电传导的翅片或者类似的特征，以加强蒸汽冷凝时的热传输，这种情况下，铁电层、第二电极、以及任何附加的亲水表面活性剂或者使用的其他涂层，都会与这些特征相连。在本发明的另一个实施例中，热传导翅片或者类似的特征可以被包括在管道的内部，以加强冷却液体和铁电之间的热传输。这些实施例中的铁电发电机和其他装置的运行如下所述。如在此所描述的，使用控制电路、在计算机控制下执行热和电循环。在这些实施例中，在热力循环的合适步骤中(在以下描述的示范性热力循环中，步骤AB和BC)将热量输入铁电的流体是冷凝蒸汽，带走热量的冷却流体(在步骤CD和DA)是冷却循环水，例如流经冷凝器管道的冷却循环水、或者其他冷却液体。在这个设施中，通过交替地使被铁电围绕的管道经受Th的蒸汽以将热量输入到材料、然后通过流经管道的 Υ的冷却流体将热量从材料带走，来完成循环。在一个实施例中，这通过将整体冷凝室分为两个或更多的部分来实现。送入冷凝器的废汽或者其他蒸汽通过一个或多个阀门被交替引入冷凝室的一部分。当冷凝室充满蒸汽，近似等于蒸汽提供来源的压力时(例如，涡轮的废汽压力)，阀门关闭，蒸汽被直接引入多个冷凝室中的另一个。当冷凝室已经充满蒸汽，热量随着蒸汽的冷凝被传输到铁电体。例如，通过管道内的冷却液体、蒸汽或者已经关闭的其它蒸汽室、从铁电体带走热量。铁电体在控制电路的指示下进行电循环，同时根据在此描述的一个循环输入和带走热量。该控制电路还使将蒸汽引入特定冷凝室的阀门与铁电体的热循环同步，铁电体是冷凝器管道的一部分。由于蒸汽冷凝，冷凝室中的压力降低，当阀门打开时，可促使蒸汽快速输入冷凝室。由于蒸汽冷凝，它落入热井或者水箱，且被收集和使用，如普通的冷凝器那样。本发明可通过关闭阀门时、切断热传输来分隔冷凝室。由于阀门关闭时、蒸汽的背压可能发生重大的变化，但是通常优选的是，使用在此描述的具有两个或多个分隔的冷凝室的多冷凝室配置。如果期望进入冷凝室的蒸汽的上游来源在背压上的变化较小，可使用多个分隔的冷凝室，使得蒸汽持续进入冷凝器，上游的蒸汽压力将会像传统的冷凝器那样保持恒定。因此，铁电材料如在此所描述的那样进行热循环和电循环，它运行且受到在此描述的控制电路的控制，以从冷凝蒸汽带走的热能发电。当蒸汽与外部电极264接触时，蒸汽不会导致电短路。但是从外部电极到冷凝器的接地金属可能发生电短路，在一个实施例中，如果第二电极的外边缘非常靠近金属接地，可以在第二电极的外边缘应用电绝缘体。电导线也可以被绝缘以防止短路。在此给出的示范实施例仅仅用于解释本发明，本发明也可以使用允许蒸汽冷凝过程中释放的热量直接输入到铁电材料的许多其他的配置，如示例性的实施例所描述的。热能转换为电。图1是热-电转换设备的基本元件的代表图。参考图1，其示范性示出了根据本发明一个实施例的单级铁电转换设备/装置100。所述单级铁电转换设备/装置利用温度循环操作中发生的自发极化的变化产生以高电压放电到外部电子线路的电荷。设备100包括具有第一表面112和相对的第二表面114的铁电层110。铁电层110由特征为具有相变温度的固体或液体铁电材料组成，在所述相变温度下，该材料经历从铁电相到顺电相或反铁电相、并随着温度反向再次返回的相变化。铁电层110可由特征为具有居里温度T。的铁电材料构成，这样当铁电材料的温度低于居里温度T。时，铁电材料处于其晶胞内建立起自发极化的铁电相；当铁电材料的温度高于居里温度T。时，铁电材料的晶胞内未建立自发极化、或建立的自发极化可忽略不计。铁电层Iio也可由以下的铁电材料构成:在该铁电材料的温度降至低于转变温度时，该铁电材料经历从铁电性到顺电性的相变。铁电层110也可由以下的铁电材料构成:该铁电材料在相变温度下经历从铁电相到反铁电相的相变，当温度变化反向时，该材料变回铁电相。第一表面112和第二表面114限定了铁电层110的厚度。实际所需的厚度取决于若干参数，该参数包括特定应用、和可用来转换为电的热量的特征和量；所利用的特定铁电材料；以及铁电材料的热导率。典型地，设备100的一个级内铁电层110的厚度约为0.0lmm-lcm。其他值的厚度也可用于实践本发明。铁电层110可能为平面形状或其他形状，其构造仅受制造工艺和设备的作业考虑(operationalconsideration)的限制。在本发明的其它实施例中，例如可极化材料贴在壳体内和管道表面冷凝器内的冷凝器管道的外周面上，因此具有更多或更少的管状表面，如在此进一步描述的。铁电层110的宽度、长度和形状由以下因素确定:铁电材料的性质、特定应用、可用来转换为电的热量的特征和量、热传递机制和其他因素。铁电层110的宽度和长度并无理论限制。其局限性是在特定应用的特定铁电材料和操作因素中可能不时存在的实际制造局限。在铁电层110的宽度和长度受实际考虑限制的情况下，许多相似或相同装置可设置成阵列或叠层设置，从而有效扩张可用于与热交换器流通的表面；所述热交换器使图1中描述的设备与热源和冷源交互。在上述应用中，来自于电极的传导线(conductive lead)可连接到电总线上，累积性阵列(cumulative array)随后充当面积与个别设备的总面积大概相等的较大设备，从而允许产生仅受可用热能的数量和特点限制的电力。图8中对上述阵列的一个实例进行了阐述。一对电极122和124分别定位在铁电层110的第一表面112和第二表面114上。电极122和124由导热和导电材料组成。上述电极122和124大致与铁电材料/铁电层110的第一表面112和第二表面114相接触，从而提供电气接触并使热导率最大化。例如，该对电极122和124可包括薄的银涂层，该银涂层的厚度足以允许传导产生的电流，并足够薄以使对热交换器与铁电材料之间热导率的干扰最小化。例如，银电极的厚度可以是约1-5微米。在一些实施例中，可能需要使电极距离铁电层110的边缘略微向后设置1_，从而避免在铁电层110的边缘附近存在电子放电。另外，该设备100包括相对于该对电极122和124关联定位的构件，其用于交替性地向铁电层Iio的第一表面112和第二表面114传输热量、以及从铁电层110的第一表面112和第二表面114传走热量，以便交替地以低于转变温度的第一温度IY冷却铁电层110、以及以高于转变温度的第二温度Th加热铁电层110，这样会采用温度循环操作使铁电层110的铁电材料经历(I)铁电相与(2)顺电相或反铁电相之间的交替相变。在这一示范性实施例中，传输构件包括两个与热源和冷源(未示出)流体连通的热交换器132和134，从而用于从热源向铁电层110输入热量、以在第二温度Th下对铁电层110进行加热，或从而用于从铁电层110向冷源撤走热量、以在第一温度IY下冷却铁电层110。吸收热能和排出热能相整合，以满足热力学第二定律；所述热力学第二定律允许将热能转换为另一形式的能量，或允许仅通过吸热和排热(heat rejection)的过程做功。该设备100还具有分别与一对电极122和124电连接的一对电导线152和154。在各实施例中，电导线可被配置成连接到一个或多个外部负载、外部DC电源、或者被配置成产生开路、或者开关，所述开关允许通过控制电路、在一个或多个这样的配置之间切换，控制电路根据可用于本发明的电-热力循环动作。极化铁电材料的晶域使得铁电层从亚稳态转换为稳定的铁电态时，能够在其内形成非常大的、全面的自发净极化。该全面的净自发极化转而分别在一对电极122和124上感生出非常密集的电性相反的屏蔽电荷。在某些实施例中，通过每个循环中应用的外部DC电压，来提供极化场，如申请号为12/465,924的美国专利申请那样。在其他实施例中，通过循环的电子放电步骤后电极上保留的剩余电荷建立极化场，如申请号为13/228,051的美国专利申请那样。尽管在通过电极上的剩余电荷产生的场实现极化时、在循环过程中并未要求施加外部DC电压，但上述电压源应该仍可用于为初始循环建立极化场，即使在操作过程中极化所需的剩余电荷减少的情况下。在一个实施例中，例如申请号为N0.13/226, 799的美国专利申请中，当通过增加晶格热量使铁电层110的铁电材料加热到温度Th时断开电路，同时总极化在Ph处维持恒定，这是因为断开电路可以防止电极上的电荷放电。随后闭合电路，同时向铁电层等温增加热量，从而使电性相反的屏蔽电荷以非常高的电压放电到一对电导线152和154上。该对电导线152和154允许放电电流从电极传导到可能使用的任何外部负载，或传导到总线、以收集和分配多个装置产生的电。如本文所描述的，当采用电极上的剩余非屏蔽电荷得到的场实现极化时，除了第一循环期间和后续操作偶然使用以外，该对电导线152和154之间不需要施加外加电压。通过由电极122和124上的剩余非屏蔽电荷产生的场实现极化时，电流将在这些电极间流动，以响应于铁电层中出现的净自发极化的变化。该电流可开发为输出到外部负载的电能的额外来源。在图19所示出的I；等温线的自由能曲线图中，通过点D和A之间的下坡式弛豫描述系统从亚稳态到稳定态的弛豫过程中的这一能量输出。这发生在温度 Υ处，并伴随有从铁电层去除Qp在一个实施例中，通过在DA步骤期间使电流通过全波整流器(未示出)，可以使该循环的DA部分中的电流方向与初级放电过程中(如图20和21描述的步骤BC)的电流方向相一致；当开关SI位于图6所示的位置B时，所述全波整流器也包括在电路中。例如，上述整流器可能是桥接电路。不管电流出现在循环的BC步骤期间还是DA步骤期间，整流器都使电流流至电极822和824、使电流从电极822和824流出，以在负载RL具有相同方向。图2示范性阐释了处于铁电相的铁电体210内晶域215的排列；处于铁电相即指铁电体210的温度低于铁电体210的居里温度T。。铁电体210具有第一表面212和相对的第二表面214,所述第一和第二表面限定出位于其间的铁电层主体(ferroelectric layerbody) 216。铁电层主体216的特征是具有多个晶域215，所述晶域215则具有大量晶胞或像聚合物中一样的可极化单元。如图2 (a)所示，每个晶域215的特征为具有偶极箭头217表示的、但定向随机的自发极化，这样在铁电体210内并没有全面的净自发极化。图2 (b)示出了朝向相同的整体方向对齐的偶极217，这样在铁电体210内存在非常强大的净自发极化。通过向铁电层主体216施加极化场可实现以上对齐。图2 (c)阐释了理想对齐的铁电体，仅可在适宜于材料的晶体结构的特别条件下才能获得该铁电体。可由相变化的内部和附近的材料系统的朗道现象学模型(Landauphenomenological model)计算开发自发极化的变化能够提取的电能,所述自发极化的变化出现在给定铁电体的 热循环操作过程中。相比于传统的准静态热力学分析，上述模型是对系统更综合的热力学表示。准静态热力学分析有效受限于平衡条件，而朗道模型是包括非平衡条件的更广的动态表示。对普通铁电体而言，朗道-金兹堡格-德文希尔(Landau-Ginzburg-Devonshire)自由能泛函表达了以独立参数温度T和有序参数P为依据的铁电材料系统的自由能；所述有序参数表示系统内的偶极产生的、自发和感生的(如果有电场)总极化。电场可归因于电极上的非屏蔽电荷。朗道-金兹堡格-德文希尔自由能泛函表示为:G (T, P) =B1 ⑴.P2+an.P4+am.P6其中G是自由能泛函，G单位为J/m3，P单位为C/m2。极化是热力学变量，且其表示了 G(T，P)所描述的全极系。参数α针对给定的材料系统；对于那些给定参数而言，朗道-金兹堡格-德文希尔自由能泛函为穿过和围绕相变的铁电体的热循环提供了完全信息，且为穿过和围绕其去极化转变的可极化聚合物系统提供了完全信息。图14是采用代表样品钛酸铅PbTiO3的材料参数、以温度T和极化P为依据所做的自由能泛函的曲线图的实例，其中Tes7_K。单个曲线图针对材料的各种温度。当材料处于非极化态时(即P=0)，G分配的值为O。随后根据朗道-金兹堡格-德文希尔泛函对750K-820K内各个温度值的计算来绘制自由能G。对高于转变温度的温度而言，自由能从来不会低于向顺电态的材料分配的参考值。各个曲线图中的全局最小点(global minima)表不平衡态。在材料处于其铁电相时，系统将具有两个自由能最小点，其中之一各自位于两个势讲(well)的最低点处。不存在场时,每个这些平衡点为等可能(equally likely);由于材料系统对称，两个势阱中自由能的降低也相等。随着材料系统进入铁电相而使偶极极化，系统偏置以便该系统下落至与极化定向对应的特定势阱。极化不会对系统的自由能有实质影响。图15是根据温度的自由能的曲线图，其中极化恒定保持为P=0.4C/m2。再次地，用于绘制自由能泛函的参数是T,: S 766 K的钛酸铅样品的那些特征。在确定本发明使用的铁电材料合适的热力学循环操作时，可以考虑自由能与温度间的这一线性关系。图15表明，某些情况下可能希望使铁电体在宽广的温度范围内循环，这是因为自由能变化随着循环的温度范围的增加而增加。理想地，这可以实现为提供最大可能效率的、完美的卡诺发动机(Carnot engine)。然而，若无法实施完美再生的话，由于增加的晶格热有助于实现更宽的温度循环操作，更宽温度范围内的循环操作实现的热效率可能降低。还应该意识到的是，随着温度进一步偏离相变温度，朗道-金兹堡格-德文希尔模型的精度降低，这样较大温度范围内的线性关系可能没那么精确。图16体现了在各种电场值和相同的钛酸铅参数下自发极化相对于温度的曲线图。E、自由能G、P和T之间的关系源于自由能泛函，并可表示为:E = C-GZrP = 2 ,(T|F+4(I, ,P'+6 ,nPs在本发明的情况下 ，E值体现了电极上的非屏蔽电荷产生的场。电场值E也包括施加外部极化场时，由DC电压源施加的小极化场。图17是在各种E值下根据温度的熵S的曲线图，其中以伏特/米(volts premeter)计量参数E。熵与P2成比例，并且S=-Q0.[Ps(T7E)]2其中以J/(m3.K)计量熵。参数a ^与材料参数的关系具有以下表达式:Ci1=Ci0(T-T0)其中Ttl是居里-外斯温度(Curie-Weiss temperature);居里-外斯温度是具有二阶相变的材料的相变温度，但一阶转变材料的居里-外斯温度具有不同的值。可以找各种热力-电循环实施本发明，此处的循环的例子仅仅是示例性的，并不用于限制本发明的范围和含义。图20中以理想形式描述了可结合本发明使用的一个热力学循环。其具有两个等温步骤DA和BC，具有两个极化保持恒定的步骤CD和AB。本文会更详细地描述该循环的具体运行。在某些热力循环中，在循环过程中电极向外部负载的放电是完全的或者接近完全的。使用其他循环，电极的放电可能不是完全的。相反，在完全放电之前，较小的剩余非屏蔽电荷存留在电极上，剩余的载荷用于在下一个循环中极化材料。除了必需提供极化场以夕卜，通常希望允许从电极去除电荷，以在循环的该步骤期间使撤走的电能的量最大化。在转换为铁电相的过程中足够建立场以极化自发电偶极的、与1\对应的剩余电荷的量取决于材料系统、铁电层的构造和其他因素。系统的阻抗和负载必须匹配，使得去极化场在外部极化场被关闭后的任何时候都不会超过矫顽磁场。通过P值确定匕的值，P值出现在循环的最大局部自由能处。在使用在此描述的示范循环的一个实施例中，描述了局部自由能最大值，如图19中的自由能等温线上的点D所示。举例来说，如图19所示，对PbTiO3铁电样品而
言，P,.= 0.15 Ora2通常生成充足的极化场。还可以通过将1\设置为零来实施本发明，通过
在循环的DA步骤中应用外源场来执行接下来的极化。开始于图20中阐释的特定循环的任意点C时，材料处于较高温度TH，并处于顺电相或反铁电相。在一个实施例中，铁电体表面的电极在点C处放电到以下程度:在铁电体循环回铁电相时，电极上保留的剩余电荷仅足以提供用于使铁电体极化的充足场。随后在循环的CD步骤期间，铁电体冷却到较低温度IV，同时断开电气线路，以便使总极化在最小值处保持恒定。CD步骤期间撤走的热量对应于使材料冷却的可感晶格热(sensible latticeheat)。CD步骤期间，铁电材料从点C到处于亚稳态的点D。在循环的点D处闭合电路。DA步骤期间，等温撤走热量Qy同时直到自发极化达到最大值Ph前铁电体均为 Υ。Ph的值与特定铁电材料系统所允许的、在铁电层不会造成电击穿或显著漏电的值一样大。所有其他属性(thing)相同时，获得高Ph值通常对应于每个循环的更大电能输出。Ph根据铁电材料系统、铁电层的构造和其他因素发生改变。在阐释的钛酸铅样品的情况下，如图18和19所示，Ph的值可能为0.4C/m2。DA步骤期间闭合电气线路，这样在屏蔽电荷发展到与铁电体表面的相反束缚电荷相等之前，电流都从铁电体一侧的电极流向铁电体对侧的电极。同样在该循环的DA步骤期间，在点D处小剩余场使得产生的偶极的定向朝向一个方向一即它们变得极化；所述小剩余场由电极上的非屏蔽电荷产生。在另一实施例中，极化场可以是外部施加的电势的结果。DA步骤期间撤走的热量大概对应于相变的潜热。DA步骤期间，材料系统从点D的亚稳态弛豫到点A的稳定态，如图19和20所示。`在完成极化而不是通过外部施加的电压来实现极化的这些实施例中，DA步骤期间产生电能，步骤DA期间产生的电能可以放电到外部电子线路以实施电功。在一个实施例中，全波整流器用于调整流向电极822和824的电流或者来自电极822和824的电流，从而无论在循环的BC或DA步骤期间电流是否发生，都使得电流具有相同的方向。这样的，全波整流器可以包括例如桥接电路。如别处所注明的，可以在铁电层的表面上的电极上施加来自DC电压源的外源场，来实现极化。在这些场合，在系统上实施电功而非由系统在步骤DA中产生电功。在该循环的下一步骤AB，断开电路并在恒定极化下将铁电体加热到高于材料转变温度的Th。在循环的点B，铁电体处于亚稳态，之后电路闭合。在循环的BC步骤期间，热量被等温输入，极化降低到匕，铁电体从点B的亚稳态朝向点C弛豫。BC步骤期间增加的热量Qh等于与极化变化对应的焓变。该步骤期间电极上的屏蔽电荷变为非屏蔽，并大量地放电到外部电子线路以实施电功。点C处的总极化降低到，该点处断开电路以防止电极上的非屏蔽电荷进一步放电。朗道-尼科夫时间依赖性相变理论(Landau-Khalatnikovtime dependent phasetransition theory)很好地描述了该循环的几个步骤期间材料系统从稳定态向亚稳态的转变或反之亦然；该理论可用于使负载的响应时间与由亚稳态开始的转变时间相匹配。Th和IY分别高于和低于转变温度，以允许进行相变化。根据材料的特征，例如晶体结构的同质性，Th和IY可能与转变温度相差几摄氏度或更少。Th和IY可能与转变温度相差较大量，例如相差20°C或更多。在另一个实施例中，如果材料在较大的极化值和较小的极化值之间循环，Th和IY可以都低于转变温度。本领域技术人员应该意识到的是，图20所阐释的循环描述了理想方式下实施的循环。实际上则通常偏离该循环的理想或完美的等温步骤或恒定极化步骤，偏离Ph与匕间的完美循环操作。本应该意识到的是，实践本发明时的实际极化通常偏离理想极化一定程度。在本发明的一些实施例中，铁电相出现在高于转变温度的温度下，顺电相或反铁电相在低于转变温度时出现。在上述实施例中，图20描述的循环除了方向相反以外运行相同。四个步骤是DC、CB、BA和AD。步骤DC和BA分别出现在恒定极化Pl和Ph下。步骤DC和BA期间仅分别输入和撤走晶格热。步骤CB期间等温输入热量Qh，步骤AD期间等温撤走热量％。步骤CB期间闭合电气线路；采用DC电压或者内部产生的场发生极化；在屏蔽电荷发展为与铁电体表面的相反束缚电荷相等前，电流都从铁电体一侧的电极流向对侧的电极。步骤AD期间闭合电气电路并放电到负载，达到匕时停止放电。可使用自由能泛函计算的值评估特定热力学循环的稳定性(robustness)。图18、19和图14 一样，是使用代表样品钛酸铅PbTiO3的材料参数(其中% s 766 K )、以温度T和极化P为根据所做的自由能泛函的曲线图实例。单个曲线图针对材料的各个温度。图18包括指定的循环的点(A、B、C和D)，图20对所述循环进行了描述，该循环具有两个等温步骤和两个极化恒定的步骤。图18中1\在循环的过程中降低至可以忽略的水平或者为零。图19是图20所描述的循环的类似自由能曲线图，在其上指定了循环的点，但是不允许降至零。相反，在循环的放电步骤BC，保留足够的电荷以便在下一个循环中极化。的值由在循环的局部自由能最大值处产生的P决定，如图19所示。图15、18和19中T和P的值仅是阐释性的，其意图并不是表明它们是理想的或唯一的。图21阐释了在图20描述的循环中根据温度的熵的示意图。仅考虑极化对自由能的贡献，而在阐释中忽略诸如晶格热和聚合物骨架的其他可能的自由度对熵变的贡献。在这些其他因素可忽略不计时，在步骤AB和CD中循环甚至在缺乏再生时也是等熵的。图22示出了测量到的在加热相期间产生的电流，所述电流由永久极化的变化产生，该变化对应于50 μ m厚的P (VDF-TrFE)共聚物薄膜的不同继电器开启温度。负载电阻器RL的电阻值为IOM Ω，测量电阻器Rl和R2则分别选定为O和22kΩ。由于共聚物的转变略微较广，在很大程度上展开水平轴，这使得原始峰(线I)看上去较平坦。图22中的线2-6示出了所产生的延迟温度埘间)增加的电。这些线对应于图20中示出的热力学循环的AB步骤。样品两端产生的电势(电场)随着延迟温度增加而急剧增大，并达到线I的原始峰所获得的电势的10倍。随延迟温度变大而增大的电势对应于在恒定极化下沿温度轴放大的矩形循环(AB步骤)。在热力学上这导致更大效率。正如所预期的，累积强度(integratedintensity)在很大程度上保持恒定。图3不范性不出了处于铁电相的铁电模块500,其中在铁电层510的表面上产生表面束缚电荷，在电极522和524上产生相应屏蔽电荷。在示范性实施例中，通过诸如小极化场使电偶极517对齐，因而使得一较大的、全面的净自发极化出现在铁电层510中。产生的较大的净自发极化在铁电层510的表面512和514产生非常密集的束缚电荷511和513。结果，电流流向电极522和524。因此在电极522和524上产生与铁电层510表面512和514的束缚电荷511和513数量相等、但电性相反的屏蔽电荷522和524。在该点处，由于电极522和524是导体，电极522和524中的净电场必然可忽略不计或为零。铁电层510中的束缚电荷511和513由对齐的电偶极517和Ps产生，同时电极522和524上的屏蔽电荷521和523转而由束缚电荷511和513产生，且与这些束缚电荷511和513电性相反。随着铁电体经历相变且变为顺电性或反铁电性，铁电层510中的自发极化消失。结果，电极522和524上的屏蔽电荷521和523在电极522和524间极高的电势差下变为非屏蔽。精确的电势差取决于模块的特定铁电体和构造，但在介质击穿前采用合适材料可获得超出30，000V的 电势。图4和5示出了根据本发明的热电转换设备600的另一实施例。在示范性实施例中，设备600具有铁电层610、分别形成于铁电层610表面的一对电极622和624、以及传输构件。所述传输构件与该对电极622和624关联,其用于交替地在铁电层的表面传输冷流体和热流体，从而交替地在第一温度I； < Tc下冷却铁电层610、在第二温度Th > Tc下加热铁电层610。这样采用温度循环操作使铁电层610的铁电材料经历铁电相与顺电相或反铁电相间的交替相变。如图4所示，传输构件具有第一流体通道631和第二流体通道633、包括该第一和第二流体通道631和633的数个热交换器632、以及与热交换器632和633连通的多个控制阀 660。第一流体通道631和第二流体通道632配置成当冷流体通过第一和第二流体通道631和633的至少一个时，朝向第一温度IY冷却铁电层610 ;配置成当热流体通过第一和第二流体通道631和633的至少一个时，朝向第二温度Th加热铁电层。通过导管640分别由冷源644和热源642供应流动的冷流体和热流体。热交换器632和634适用于交替传输流动的冷流体和热流体，以便交替地在第一温度 Υ冷却铁电层610、在第二温度Th加热铁电层610。多个控制阀660适用于控制冷流体和热流体的流动，以便使铁电模块在其各个转变温度附近循环。受微控制器控制的多个控制阀660连接到加热流体和冷却流体中的热电偶、并附连到铁电体上，温度数据和诸如铁电体电容值的其他数据可用于控制控制阀660的开启和关闭。还可以在一个或多个位置分别监控冷流体和热流体的压力。铁电体的冷却和加热与电气线路的断开和闭合相协调，服从计算机控制的控制电路指导(under the direction of )所有过程,从而实现本文描述的循环。除了其他方面以外，尤其在双相热交换器配置中，采用诸如热电偶或晶闸管的装置直接监控铁电体的温度、监控加热流体和冷却流体的温度、监控铁电系统的电容值(电容值与铁电层总体的温度有关)、监控铁电层的极化、和/或监控热流体和冷流体的压力，从而协调电热循环操作。还可监控电极622和624上非束缚电荷(unbound charge)的大小；电极622和624上非束缚电荷的大小可用于控制循环，除其他方面以外还用于确定由电荷产生的场什么时候保持为足以在铁电层110转变为其铁电相时使偶极极化。图6示范性阐释了根据本发明一个实施例的热量-电能转换设备800，其连接到必要时可用于极化的DC电源、以及连接到用于接收产生的电子放电的外部负载电阻器RL。根据一个实施例，一个或多个监控装置(未示出)附连到或嵌入在铁电设备中，以监控铁电材料的温度。例如，这种监控可通过一个或多个热电偶或晶闸管完成，或通过监控装置的电容值来完成。另外，由于电阻器Rl和R2的电阻值相对于负载电阻器RL可忽略不计，它们保留在电路中以监控电流。可通过整合流过电阻器Rl和/或R2的电流来监控极化。铁电模块800在该循环中从头到尾经历受一个或多个计算机(未示出)控制的动作；所述计算机通过控制电路发挥作用，其控制加热和冷却、并控制开关SI。实际上只要设备将用于由热量发电，铁电模块600和800的循环操作则重复和持续进行。因此，可在循环的任何点开始描述该循环。为阐释一个实施例中设备的运行，假设铁电模块600或800初始位于图20中描述的循环的点C处。在该点上，开关SI断开，铁电层810为TH，极化为Pp如其他地方所描述的，的值对应于剩余非束缚电荷；所述剩余非束缚电荷在铁电层810转变到铁电相时生成足以使自发出现的电偶极极化的场。开关SI保持断开，通过撤走热量使铁电层810冷却到IV，这将循环带至图20中的点D。保持开关SI断开防止了电荷在电极822和824上来回流动，这样在循环的该步骤期间极化保持为匕。
在剩余电荷用于极化的这些实施例的第一循环之后、在本发明的通常操作的循环的点D，开关SI切换到如图6所示的位置B，所述开关闭合电极822和824与负载电阻器RL间的电路。当开关SI位于位置B的同时，在I；下从铁电层810等温撤走热量，这对应于图20中描述的该循环的步骤DA。在步骤DA中，极化维持其方向但量值增长到值PH。产生的全面的自发极化Ps在铁电层810的表面产生非常大的束缚电荷。这些束缚电荷使得在电极822和824上形成屏蔽电荷；所述屏蔽电荷与铁电层810表面的束缚电荷电量相等但电性相反。循环的DA步骤期间撤走的热量对应于相变的焓。点A处铁电层810中的自发极化为最大值Ph ;因为由于ΡΗ，电极现在携载足以平衡束缚电荷的电荷，电极中的净电场可忽略不计。步骤DA期间自发产生大量电能，产生的电能对应于图19中点D与A之间的自由能差。图3阐释了将在循环的点A处出现的(I)铁电体中的束缚电荷和(2 )屏蔽电荷；所述束缚电荷是电偶极对齐和Ps的结果，所述屏蔽电荷出现在电极上，且与那些束缚电荷相反(虽然负载电阻器RL在点A处不在如图3所描述的电路中)。在一个实施例中，当开关SI在位置A时，电路中包括DC电压源；该电压源可在第一循环中用于极化；或者在运行过程中，若来自于电极822和824上剩余电荷的场因任何理由在循环的点D处变得不足以使铁电层810极化时，该电压源可用于极化。该情况下，开关SI在循环的点D处切换到位置A，DC电压施加在铁电层的两端，以使转变期间自发出现的偶极极化。极化所需电压具有材料依赖性，但比从铁电设备800放电时的电压小。这种情况下除了极化所需的最小值以外，在铁电层810两端无需施加电压，并中断电压。当极化达到Ph时，开关SI断开至图6所示的中间位置，设备处于图20中循环的点A处。足以进行极化的场取决于特定材料、其几何形状、设备是以单级或多级构造的方式运行、以及其他因素。无论是由电极822和824上的剩余电荷在循环的点C和点D处生成最小极化场，还是由外部DC电压源强加最小极化场，最小极化场通常都具有相同强度。举例来说，对一些厚度大概为1.0mm的单级铅基陶瓷铁电体而言，通过大概为200伏特的电压可实现充足的极化场。相比之下，电功率输出过程中产生的电压可以超出6，000伏特。没有极化时，当材料处于铁电相时晶胞会自发体现出电偶极；但偶极总体来说并不会对齐。这种对齐对实现本发明所开发的、整体的高Ps值是必不可少的。在图20中描述的循环的AB步骤期间，开关SI断开，将铁电层810加热到TH，这样其从铁电相转变出来。由于断开了开关，在AB步骤期间进行晶格加热时将防止电极上的非束缚电荷放电，这转而使总极化保持在PH。在该循环的点B处，开关SI切换到图6的位置B，Th下热量等温地增加到铁电层810上，以便使大量电能从铁电模块800释放到负载RL。随着从电极822和824上去除电荷，负载电阻器RL或其他合适的装置在非常高的电压下接收电荷；所述其他合适的装置可用于储电、输电或利用电做功。当保留在电极822和824上的自由电荷已经减少到最小值时，该最小值足以建立在转变回铁电态期间使自发偶极极化的场，在通过内部产生的场来实现极化的那些实施例中，断开开关SI以停止从电极撤走电能；这对应于循环的点C。该点处的总极化为Py铁电层810为TH。在一个实施例中，开关SI位于位置B时该电路包括全波整流器(未示出)。无论电流出现在循环的BC步骤或DA步骤，整流器都使得电流以与在负载RL中相同的方向流向和流出电极822和824。上述全波整流器可能由桥接电路组成。以这种方式整流信号可以简化后续使用或存储循环操作过程中产生的电能。在另一实施例中，铁电材料并未依照20陈述的和本文在其他方面描述的热力学循环进行循环。相反，铁电模块可能使用任何热力学循环进行循环，所述任何热力学循环允许铁电材料从使自发偶极极化的铁电态循环到顺电态或反铁电态；在顺电态或反铁电态中维持极化以使其不会降至最小水平匕以下在这里对应于这样的极化水平:该极化水平产生的场足以在转变到铁电相的过程中进行极化。在另一个实施例中，允许变得可忽略不计或者为零，在图20所示的循环中的步骤DA中，通过图6的开关位于位置A应用所施加的DC电压、来实现极化。在另一个实施例中，代替循环铁电材料使其通过相变，在所有的时间都保持在铁电相，且从较大程度的极化循环到较小程度的极化。热循环以及电输入和电输出在该循环中从头到尾是受计算机控制。通过微控制器将热流体和冷流体交替引导至铁电模块800，完成循环的各个步骤的加热和冷却。可结合计算机和控制电路使用微控制器获得不同控制，所述不同控制可能适合于特定应用和特定的加热和冷却系统。图4和5阐释了在一个实施例中用于调节加热流体和冷却流体流向铁电体的控制阀。计算机控制接收来自于热电偶或其他装置的温度值，所述热电偶或其他装置监控加热流体和冷却流体、以及监控铁电材料的温度。还可监控热流体和冷流体的压力。如图6中所示，计算机控制还监控例如电阻器Rl和R2测量到的极化和负载电流。可通过整合流过电阻器Rl和/或R2的电流来监控极化。计算机和控制电路控制热交换器，以使铁电模块进行合适的热循环操作。在计算机控制下接收以上监控数据的微控制器还弓丨导开关SI的位置。取代热电偶或晶闸管，或除了热电偶或晶闸管以外，一个或多个控制铁电体的电容值或其他测量值可用作监控器，并用来控制循环操作时间和控制电路的切换。参考图7，其示出了根据本发明一个实施例的运行所发明设备的方法900，所述设备用于将热量转换为电能。在一个实施例中，方法900包括以下步骤:在步骤910提供一铁电层。铁电层包括特征为具有居里温度T。的铁电材料。一对电极分别定位在铁电层的第一表面和第二表面上，以及从电极进入外部电子线路的电导线。电极包括导热和导电材料。在步骤920，交替传输冷流体和热流体，从而交替地将铁电层冷却到低于居里温度Tc的第一温度！Y、将铁电层加热到高于居里温度T。的第二温度TH。在步骤920期间，断开电气线路，这样冷却匕和加热Ph有效发生在恒定极化下，同时进行晶格冷却和加热。热交换器、控制阀或类似装置可交替传输冷流体和热流体；其中所述热交换器、控制阀或类似装置受控制电路引导，并与数据监控器协调受控。在步骤930，交替传输冷流体和热流体，以便交替地在低于居里温度T。的第一温度 Υ下从铁电层等温去除热量、以及在高于居里温度T。的第二温度Th下向铁电层等温增加热量。步骤930期间闭合电路，以便在极化从变到Ph时去除热量，极化从Ph变到时增加热量。热交换器、控制阀或类似装置可交替传输冷流体和热流体；其中所述热交换器、控制阀或类似装置受控制电路引导，并与数据监控器协调受控。在步骤940，铁电材料初始处于亚稳态，在温度IY下使铁电材料内晶域的自发极化发生极化，从而在一对电极上产生电性相反的屏蔽电荷。在一实施例中，通过对铁电层施加较小的DC电压实施 极化、以产生与偶极对准的极化场。在步骤950中闭合电路，并在Th下向铁电层等温增加热量。电能以非常高的电压输出到外部电子线路，所述电能对应于一对电极上产生的电性相反的屏蔽电荷。在一个实施例中，断开电路以允许电极上保留的剩余电荷足以提供用于在下一个循环中进行极化的场。应该注意的是，尽管该设备的本质功能出现在具有给定铁电材料的单个层内，但本发明在实际应用中可能更有用，并可能在许多铁电材料以一连串级组合时由特定热源产生更多电能。任何系统的最大效率是卡诺效率Hc=AIVTh;所述任何系统将热能转换为另一形式的能量或功。单级铁电功率转换模块包括包括单个铁电材料。这样，通常具有单相变温度，该温度反映了铁电相与顺电相或者反铁电相之间的转变。冷凝器设施的热源和冷源之间的温差(AT=Th-1Y)可能相对较小。例如，在热电厂，进入冷凝器和流出冷凝器的循环水的温差通常为大约10°C，进入冷凝器的低压蒸气和进入冷凝器的冷却循环水之间的温差大约为20°C。但是，期望使用一个以上的一系列铁电材料，该铁电材料具有连续的相变温度，该相变温度增加地覆盖温度的可用范围。使用多个铁电体的期望取决于多种因素，包括例如相变的剧烈程度-也就是大部分或者全部相变发生的温度范围的幅度。多个铁电体可使用两种方式中的任意一种，采用该方式本发明将铁电发电机耦连到冷凝器热量，也就是(I)通过使用冷凝器的热排出物，或者(2)通过构造冷凝器，使得铁电与冷凝蒸气直接热接触。在前者的实施中，图8示出了多级设备的一个实施例，其中设备1000具有多个铁电模块FMl、FM2...FMn-1和FMn，多个铁电模块设置成阵列，以扩张与热交换器交互的工作面，从而增加可从热源接收的、以及转换为电能的热能的量。通过连接到每个模块的电极的总线1001迁移电输出。在多层构造中，一连串铁电层可能叠层设置，以使热导率最大化。产生的多层铁电结构安置在一对电极之间，这与以上所描述的单层设备相似。图9和10概略阐释了上述构造。连续层FE1JE2...FElrf和FEn由相同的铁电材料形成、或由大致不同的铁电材料形成。居里温度 、Τ。2...Tf和TJ对应于连续层FE1JE2...FElrf和FEn的铁电材料。在一个实施例中，多层铁电材料成阵列，以便T/+1 > ΤΛ在一个实施例中，组合的多层模块随后进行热循环和电循环，以便每单个层在循环中、在其相变温度附近循环，该循环具有两个等温步骤和层内的总极化保持恒定的两个步骤。采用如图9和10所示的这一多层构造时，该循环的放电步骤期间以高电压迁移的电能与电极和铁电材料接合处的总自发极化Ps有关，所述铁电材料指定为FE1和FEn，所述极化产生于共同发挥作用的每个FE层的累积自发极化。参考图11，其示出了根据本发明的多层铁电设备1300的另一实施例。多层铁电设备1300的这一构造与图9中揭示的设备相似，但单独的电极安置在每个铁电层之间。例如，电极1321使铁电层FE1和FE2分离开，同时电极1328使铁电层FElri和FEn分离开。这些电极1320、1321...1328和1329由导热和导电材料形成。设备1300的热循环操作和电循环操作与图9和10中公开的设备相似。然而，从该设备提取电能是不同的。在这一构造中，如图11所示，在每个循环期间从所有电极1320、1321...1328和1329撤走电能。随后可通过连接导线将从电极1320、1321...1328和1329撤走的电能输送到负载电阻器或总线，以用于输出到上述外部电子线路和可能希望有的外部用途。图12示范性示出了多层铁电设备1400的替代性实施例。多层铁电设备1400的这一构造与图11中公开的设备相似，但通过两个电极使每个铁电层与相邻层的铁电材料相分离，这两个电极转而被电绝缘体1480分离开；选择所述电绝缘体以使其对热传递的阻
碍最小。图13示范性阐释了有η个单个铁电模块的系统，所述铁电模块具有一连串不同的相变温度 -ΤΛ不同相变温度以渐增顺序(或渐减顺序)存在于热源Th和冷源IY的温度之间，不同相变温度结合热交换器系统运行，以使每个铁电级FEi在其各自的相变温度Tc1附近循环。在这一构造中，相变温度在不同铁电层FE1、FE2...FElrf和FEn中发生改变。如图13所示，一连串如图4所示的单层设备叠层设置。每个单层设备结合热交换器运行，所述热交换器选择性地 加热和冷却单个铁电模块，以便第i层在其各自的相变温度Tc1附近热循环。在这一构造中，铁电模块与网络化的热交换器相整合，所述网络化的热交换器使每个铁电模块FMi在其转变温度Tc1附近循环。热交换器可相互连接，从而促进再生加热和再生冷却、或促进运行以渐减温度串联的铁电模块。如图13所示，可通过热绝缘体1580使相邻热交换器相互热隔绝。在该系统中，对热电偶进行定位，以便监控整个系统的加热流体和冷却流体的温度，同样监控单个模块内铁电体的温度或电容值。在控制电路中发挥作用的微控制器系统随后在合适温度下引导加热流体和冷却流体，以使每个铁电级FEi在其各自的相变温度附近ΤΛ以本文描述的单级设备进行极化、以及进行热循环操作和电循环操作的方式和方法进行循环。在一个实施例中，各个铁电级FEi的每个循环经历与本文描述的、单级设备一样的相协调的热循环操作和电循环操作，所述热循环和电循环具有两个等温步骤和两个层内的总极化保持恒定的步骤。可通过连接导线将从电极撤走的电能输送到负载阻抗、或输送到总线，以输出到上述外部电子线路和可能希望有的外部用途。所述的铁电层的多级构造也可以用于铁电层集成到冷凝器中的情况，例如，其中铁电体贴到冷凝器管道上，使得它通过与冷凝时的蒸汽直接热接触而被加热。在一个这样的实施例中，多层铁电体被直接贴在外壳和管道表面冷凝器内的传导管道的外表面上，且具有最低转变温度的层靠近外壳。管道的外壳用作接地电极。一个或多个其他电极是如上所述的多层铁电体的一部分。冷凝室还可以配置为一级实施例描述的那样，使得被冷凝的蒸汽提供Th的热源给多级铁电体，而不需要中间热交换器。在一个实施例中，像普通的冷凝器那样，冷凝物落入热井，且从那里被清除。铁电体被冷凝器管道内 Υ的冷却水或者其他流体的循环冷却。如在此所描述的各种例子那样，多级铁电材料因此在控制电路的指示下热循环和电循环。所呈现的本发明的示范性实施例的前述描述仅用于阐释和描述的目的，其意图并不是穷尽本发明或使本发明受限于公开的准确形式。根据以上示教可能做出许多调整和变形。选择和描述的各实施例是为了解释本发明的原理和它们的实际应用，从而激起本领域技术人员利用本发明和各个实施例，以及利用适合于预计的特定用途的各种调整。在不背离其精神和范围的情况下，替代性实施例对本发明所述领域内的技术人员而言是显而易见的。因此，由所附权利要求限定本发明的范围，而不是由本文公开的前述描述和示范性实施例限 定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于将热量转换为电能的方法，其特征在于，包括: 通过交替地向可电极化材料增加热能和从所述可电极化材料带走热能，在第一温度T1和第二温度T2之间热循环所述可电极化材料，其中所述可电极化材料位于第一和第二电极之间，所述第一和第二电极中的每一个都由导热和导电材料形成，其中所述可电极化材料在温度T1产生自发极化，且其中所述可电极化材料在T2产生的所述自发极化小于所述可电极化材料在T1产生的所述自发极化； 其中DC极化电压被施加到所述可电极化材料，使得当所述可电极化材料处于包括温度1\的所述循环的第一部分时，所述可电极化材料发展全面的净自发极化，且在所述第一和第二电极上产生屏蔽电荷； 其中所述第一和第二电极连接到负载，使得当所述可电极化材料处于包括温度T2的所述循环的第二部分时，所述电能从所述第一和第二电极输出到所述负载；以及 其中向所述可电极化材料增加热能包括从气体吸取热能，从而将气体冷凝为液体，并将所述热能传输到所述可电极化材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体与所述可电极化材料接触、或者与直接或者间接接触所述可电极化材料的材料，从而将热能从所述气体传输到所述可电极化材料，从而将所述气体冷凝为液体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述可电极化材料增加热能包括: 所述气体与热传输流体或者材料接触，所述材料直接或者间接接触所述热传输流体，以将热能从所述气体传输到所述热传输流体，从而将所述气体冷凝为液体；以及 接下来使所述热传输流体与所述可电极化材料接触、或者与直接或间接接触所述可电极化材料的材料接触，以将热能从所述热传输流体传输到所述可电极化材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热传输流体是水。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从所述可电极化材料带走热能包括输送第二热传输流体流量到所述可电极化材料或者直接或间接接触所述可电极化材料的材料，以将热能从所述可电极化材料传输到所述第二热传输流体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电能输出到所述负载后，在所述第一和第二电极上留有剩余电荷，其中所述剩余电荷为下一循环提供DC极化电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在电能输出到所述负载后，在所述第一和第二电极上留有剩余电荷，使得产生的极化超过局部自由能最大值处的极化，当将可电极化材料从T1热循环到T2时，发生所述局部自由能最大值处的极化。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括调整从第一和第二电极输出至所述负载的电能。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中向可电极化材料增加热能和从所述可电极化材料带走热能包括输入流体流量到所述可电极化材料或者直接或间接接触所述可电极化材料的材料，从而在所述流体和所述可电极化材料之间交换热量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述流体是水。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述流体从所述气体吸取热量，从而将所述气体冷凝为液体。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述第一和第二电极内、上或者附近形成一个或多个流体管路，且所述流体被输送到所述流体管路，从而在一个或多个流体与可电极化材料的一个或多个层之间交换热能。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括监测所述流体的温度和/或压力。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括监测以下中的一个或多个: 可电极化材料的温度； 可电极化材料的电容； 可电极化材料的极化；和/或 流到第一和第二电极的电流和/或从第一和第二电极流出的电流。
15.一种用于将气体冷凝位液体的设备，其特征在于，包括: 形成腔室的外部主体； 所述腔室内的一个或多个管路，用于传输冷却液，所述一个或多个管路中的每一个都具有内表面和外表面； 位于所述一个或多个管路的至少一个的外表面的至少一部分上的第一电极，所述第一电极由导热和导电材料形成； 由导热和导电材料形成的第二电极，其中所述第二电极与所述第一电极分开；以及 位于所述第一和第二电极之间的一个或多个可电极化材料层； 位于所述外部主体中的冷却流体入口； 位于所述外部主体中的冷却流体出口； 位于所述外部主体中的气体入口 ；以及 位于所述外部主体中的冷凝物出口； 其中一个或多个管路与所述冷却流体入口、冷却流体出口流体连通，使得所述冷却流体能够通过所述一个或多个管路、从所述冷却流体入口流动到所述冷却流体出口 ；以及其中通过所述气体入口引入所述腔室的气体与所述一个或多个管路接触，使得热能通过所述一个或多个管路、从所述气体传输到所述冷却流体。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括位于所述第二电极的表面上的亲水材料，所述表面与所述一个或多个电极化材料层相对。
17.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括位于所述第一和第二电极的边缘上的电绝缘体。
18.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括位于所述一个或多个管路的外表面和/或内表面上的一个或多个翅片。
19.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述一个或多个管路中的每一个都是管道。
20.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括位于所述腔室内的一个或多个隔板。
21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述一个或多个隔板与所述外部主体形成通过所述腔室的通道，其中通过所述气体入口引入所述腔室的所述气体可通过所述通道朝向所述冷凝物出口流动。
22.根据权利要求15所述的设备， 其特征在于，所述一个或多个通路的至少一个的至少部分包括导热和导电外层，其中所述外层是第一电极。
23.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括位于第二电极的边缘上的电绝缘体。
24.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，还包括位于所述第二电极的边缘和/或所述一个或多个可电极化材料的边缘上的亲水材料。
25.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括气体出口，允许腔室内未被冷凝的气体流出腔室。
26.一种用于将热量转换为电能的设备，其特征在于，包括: (a)由热传导和电传导材料形成的第一电极； (b)由热传导和电传导材料形成的第二电极，其中所述第二电极与所述第一电极分开； (c)位于所述第一和第二电极之间的一个或多个可电极化材料层； (d)第一热交换器，用于向所述一个或多个可电极化材料层增加热能，其中所述热交换器与热源相互热连通；以及 (e)第二热交换器，用于将热能从所述一个或多个可电极化材料层带走，其中所述热交换器与第一冷源热连通； 其中所述热源是将气体冷凝为液体的设备。
27.根据权利要求2 6所述的设备，其特征在于，所述将气体冷凝为液体的设备是表面冷凝设备或者直接或间接空气冷却冷凝设备。
28.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述将气体冷凝为液体的设备与冷源热连通。
29.根据权利要求28所述的设备，其特征在于，所述第二热交换器和所述将气体冷凝为液体的设备与相同的冷源热连通。
30.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述将气体冷凝为液体的设备包括: 形成腔室的外部主体； 所述腔室内的一个或多个管路，用于传输冷却液，所述一个或多个管路中的每一个都具有内表面和外表面； 位于所述外部主体中的冷却流体入口 ； 位于所述外部主体中的冷却流体出口； 位于所述外部主体中的气体入口 ；以及 位于所述外部主体中的冷凝物出口； 其中一个或多个管路与所述冷却流体入口、冷却流体出口流体连通，使得所述冷却流体能够通过所述一个或多个管路、从所述冷却流体入口流动到所述冷却流体出口 ；以及 其中通过所述气体入口引入所述腔室的气体与所述一个或多个管路接触，使得热能通过所述一个或多个管路、从所述气体传输到所述冷却流体。
31.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，还包括: (f)控制电路，所述控制电路: 通过交替地分别向使用所述第一和第二热交换器的一个或多个可电极化材料层增加热能、和从使用所述第一和第二热交换器的一个或多个可电极化材料层带走热能，在第一温度T1和第二温度T2之间热循环所述一个或多个可电极化材料层，其中所述可电极化材料在温度T1产生自发极化，且其中所述可电极化材料在T2产生的所述自发极化小于所述可电极化材料在T1产生的所述自发极化； 其中DC极化电压被施加到所述一个或多个可电极化材料层，使得当所述材料处于包括温度T1的所述循环的第一部分时，所述可电极化材料发展全面的净自发极化，且在所述第一和第二电极上产生屏蔽电荷；以及 其中所述第一和第二电极连接到负载，使得当所述可电极化材料处于包括温度T2的所述循环的第二部分时，所述电能从所述第一和第二电极输出到所述负载；
32.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，在电能输出到所述负载后，在所述第一和第二电极上留有剩余电荷，其中所述剩余电荷为下一循环提供DC极化电压。
33.根据权利要求32所述的设备，其特征在于，电能输出到所述负载后，在所述第一和第二电极上留有剩余电荷，使得产生的极化超过局部自由能最大值处的极化，当将可电极化材料从T1热循环到T2时，发生所述局部自由能最大值处的极化。
34.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述控制电路还包括在电路中与所述第一、第二电极、以及负载连接的全波整流器。
35.根据权利要求34所述的设备，其特征在于，所述第一和第二电极在初始循环后的热循环时保持连接到所述负载。
36.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述控制电路: 在每个循环的第二部分期间， 将第一和第二电极连接到负载；以及 在每个循环的第一部分期间，应用DC极化电压到所述一个或多个可电极化材料层。
37.根据权利要求34所述的设备，其特征在于，所述控制电路在每个循环中、在DC极化电压和所述负载之间切换所述第一和第二负载，使得在每个循环中所述第一和第二电极连接到所述DC极化电压或者所述负载。
38.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，T2高于1\。
39.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，T1高于T2。
40.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述一个或多个可电极化材料层的每个具有一相变温度，在所述相变温度下，所述材料在其体现出自发极化的相和其未体现出自发极化的相之间发生转变。
41.根据权利要求40所述的设备，其特征在于，在所述温度Tl和Τ2，所述可电极化材料处于体现出自发极化的相内。
42.根据权利要求40所述的设备，其特征在于，在所述温度Tl，所述可电极化材料处于体现出自发极化的相内，在所述温度Τ2，所述可电极化材料处于未体现出自发极化的相内。
43.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述可电极化材料是可电极化的无定形聚合物材料。
44.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述一个或多个可电极化材料层的每个包括具有一居里温度Τ。的铁电材料，这样当所述铁电材料的温度低于所述居里温度Τ。时，所述铁电材料处于铁电相内；当所述铁电材料的温度大于所述居里温度Τ。时，所述铁电材料处于顺电相或反铁电相内。
45.根据权利要求30所述的设备，其特征在于，还包括DC电压源，在所述初始循环过程中，所述控制电路将来自于所述DC电压源的DC极化电压施加于所述一个或多个可电极化材料层。
46.根据权利要求32所述的设备，其特征在于，还包括用于测量保留在所述第一电极和第二电极上的剩余电荷的量的装置；当所述剩余电荷达到预设水平时，所述控制电路使所述第一电极和第二电极与所述负载断开。
47.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述一个或多个热交换器的每个包括一装置，所述装置用于向所述一个或多个可电极化材料层、或向与所述一个或多个可电极化材料层直接或间接接触的材料传输流体流量，以便在所述一个或多个流体与所述一个或多个可电极化材料层间进行热能交换。
48.根据权利要求47所述的设备，其特征在于，所述一个或多个热交换器的每个包括用于监测所述流体的温度的温度测量设备和/或用于监测所述流体的压力的压力测量设备。
49.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，在所述第一电极和第二电极的每个内、上、或附近，形成一个或多个流体通道；其中所述一个或多个热交换器向所述流体通道内传输流体，以便在所述流体与所述一个或多个可电极化材料层间进行热能交换。
50.根据权利要求47所述的设备，其特征在于，所述第一和第二热交换器包括用于控制所述流体的流量的一个或多个控制阀门。
51.根据权利要求50所述的设备，其特征在于，还包括一个或多个微控制器，其中所述一个或多个控制阀受所述一个或多个微控制器控制。
52.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，还包括: 温度测量装置，用于 监控所述一个或多个可电极化材料层的温度； 电容值测量装置，用于监控所述一个或多个可电极化材料层的电容值； 极化测量装置，用于监控所述一个或多个可电极化材料层的极化；和/或 电流测量装置，用于监控流向所述电极和/或流出所述电极的电流。
53.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，包括在所述第一电极和第二电极之间叠层设置的多层可电极化材料。
54.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述控制电路包括具有断开位置、以及第一闭合位置和第二闭合位置的开关，其中所述开关连接在所述第一电极与第二电极之间；其中: 当所述开关处于断开位置时，所述第一电极和第二电极间无电流流动； 当所述开关处于第一闭合位置时，所述DC电压源跨接在所述第一电极和第二电极；以及 当所述开关处于第二闭合位置时，所述负载跨接所述第一电极和第二电极。
55.根据权利要求54所述的设备，其特征在于，所述控制电路还包括第一电阻器和第二电阻器，其中: 当所述开关处于第一闭合位置时，所述第一电阻器与所述DC电压源串联； 当所述开关处于第二闭合位置时，所述第一电阻器和第二电阻器与所述负载串联。
56.根据权利要求54所述的设备，其特征在于，所述控制电路还包括储电设备，其中当所述开关处于第二闭合位置时，所述储电设备跨接所述第一电极和第二电极。
全文摘要
描述了一种将热量转换为电能的方法，该方法包括热循环夹在电极之间的可电极化材料。通过从气体中吸取热能从而将所述气体冷凝为液体、并将所述热能传输到所述可电极化材料、来加热所述材料。还描述了一种设备，所述设备与热源连通，其中所述热源是冷凝器。还描述了一种设备，所述设备包括腔室、位于所述腔室内且用于传输冷却流体的一个或多个管路、以及夹在位于所述管路的外表面的电极之间的可电极化材料。引入所述腔室的气体在所述管路上冷凝，从而将热能从所述气体传输到所述可电极化材料。
文档编号H01L37/00GK103210575SQ201180051957
公开日2013年7月17日 申请日期2011年10月14日 优先权日2010年10月26日
发明者阿赫迈特·伊尔比尔, 戴维·F·沃尔伯特 申请人:地热能源公司