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

摘要

描述了一种通过开发可电极化材料中出现的自发极化的变化，将热量转换为电的方法。该方法在每个循环操作过程中使用内部产生的场来实现极化。在每个循环的合适点处通过在电极上保留的剩余自由电荷产生内极化场。该方法消除了在循环操作期间需要施加DC电压，并允许使用极化过程中出现的电能，而不是使用使每个循环产生的净能量减损的外部极化电压。该方法并不受限于特定热力学循环，可结合任何热力学循环、通过使可电极化材料热循环将本发明用于将热量转换为电。产生电能可用于各种应用或储存起来供后续使用。还描述了一种将热量转换为电的装置。

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)）。

然而，将热量转换成电的可变电容器法并非是使用铁电体来发电的最有效 的方法。相反，产生热电其实真正集中在铁电相内自发发生的固有极化上，而 与施加场所感生（induce）的极化无关。该固有极化提供更稳定（robust）的 电能来源。在无施加场的情况下，可变电容器并不会利用发生于铁电体内的强 大的固有自发极化。再者，施加大外源场以及在循环操作期间连续地施加外源 场会妨碍铁电体通过自发极化达到更强大的能量转换。这种外源场会导致无法 有效使用自发于铁电材料的电偶极（electric dipole）且未受外源场感生的大量 电能。

伊尔比尔（Erbil）的美国专利申请（No.12/465,924）和美国专利 （No.7,982,360）中公开了使用铁电体的固有自发极化进行热-电转换的装置和 方法。与现有技术不同，这里所呈现的发明利用铁电体的自发极化以及发生于 相变期间的自发极化的快速变化将热量转换为电能。与可变电容器法不同的 是，这些发明并不依赖于施加电场从而在铁电材料中感生出电偶极。它们的确 注重于在转变到铁电相期间或之后使用小电场，以便使铁电体极化，但该电场 并不是用来在其自身的晶胞内生成基础极化。当材料处于使其位于其铁电相的 温度时，极化场简单地使自发出现的固有电偶极对齐（align）。

申请号为No.12/465,924的申请和专利号为No.7,982,360的美国专利中阐 述的装置和方法是将热能转换为电的新方法。采用该新方法时需要解决使用自 发极化、从而由热能发电的最佳方式。

发明内容

本发明提供了通过使用铁电体将热量转换为电能的装置和强化方法，在所 述铁电体中在所需温度下转变到和转变出铁电相。该发明公开了在每个循环过 程中不使用外加电压（external voltage）而提供铁电体的基本极化（essential  poling）的新方法。取而代之的是，每个循环过程中保留有剩余场（residual  field），且该场在铁电体转变到其铁电相时使铁电体极化。还可结合其他可电 极化（electrically polarizable）材料使用本发明。该发明公开了一新的热力学 循环；相比于采用其他循环，所述新的热力学循环可能允许输出更高电能。

处于铁电相时，一个或多个铁电体的晶胞内自发形成极强的极化电偶极， 这发生在没有施加外源场的情况下。通过极化使晶胞和晶域对齐时，个别晶胞 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（net  spontaneous polarization）。该净极化指定为P_s。本发明利用自发极化，以及热 循环操作过程中发生的自发极化的快速变化来将热量转换成电能。本发明不需 要介电常数的温度可变性。相比于在可变电容器模式下使用铁电体、凭借施加 外电场产生的电能，因自发极化而产生、且因极化减少或消失而释放的电能可 能大得多。

可利用一或多个热交换器来控制铁电材料的温度，这样铁电材料将经历到 铁电相的转变。在该转变期间，较小电场使铁电体极化。极化场将自发电偶极 对齐到特定材料的分子结构和晶体结构所允许的程度。对于在铁电体中将自发 偶极用作实现热电转换的有效方式而言，极化是必不可少的。虽然施加大电场 对可变电容器设备的运行和奥尔森循环来说是必不可少的，但施加的这种外源 场以及超出极化所需最小值的场通常会妨碍将自发极化用作产生电能的方式。

本发明公开了一种在转变为铁电相的过程中使自发电偶极极化的新颖途 径。在申请号为No.12/465,924的美国专利申请和专利号为No.7.982,360的美 国专利中，由外部电压源生成极化场。相反，采用本发明时则由铁电材料表面 的电极上的剩余自由电荷产生极化场。在该发明中，控制热电循环，以便在电 极上留下较小剩余电荷，而不是如前述公开中完全去除（remove）剩余电荷。 剩余电荷生成的极化场使得转变为铁电相期间自发建立的电偶极被极化。

当本发明的铁电材料处于其铁电相且被极化时，自发地由偶极产生非常强 的固有电场，而不用施加外源场进行感生。自发极化在铁电体的表面上引起非 常密集的束缚电荷（bound charge），所述束缚电荷转而在位于铁电材料表面的 电极上感生出相反的屏蔽电荷（screened charge）。在该点处可忽略不计电极中 的净电场。随后利用一个或多个热交换器改变铁电体的温度，以便铁电体根据 使用的特定材料和材料在其附近循环的相变温度变为顺电性或反铁电性。通过 使铁电体经历相变、且致使表面束缚电荷可忽略，电极上的屏蔽电荷变为非屏 蔽，并可以因通用目的迁移（remove）到外部电子线路（circuitry）。

正如伊尔比尔在申请号为No.12/465,924的美国专利申请和专利号为 No.7.982,360的美国专利中所公开的，可通过使用一个或多个热交换器使铁电 材料的温度在相变温度或居里温度T_c附近循环，这样可以采用在热源与散热 器之间运行的本发明使热能有效转换为电能。依照本申请中描述的装置和方 法，通过使铁电模块在相变温度之上和相变温度之下循环来产生电能。为实现 热电转换的目的，各种热力学循环可用于在铁电体中开发（exploit）自发极化。 本发明可使用申请号为No.12/465,924的美国专利申请和专利号为 No.7.982,360的美国专利中阐释的一般循环，从而在每个循环过程中大概消除 施加外加电压以使铁电体极化的需求。

申请号为No.13/226,799的美国专利申请中公开了特定的热力学循环，该 热力学循环具有四个步骤，其中两个步骤等温，两个步骤发生于恒定极化。可 连同该热力学循环或其他热力学循环使用本发明，从而消除施加外部极化电压 的需求。结合本发明使用该循环或另一循环时，在循环的任何点处不允许总极 化掉至值P_L以下。P_L是产生的场在铁电体转变到其铁电相时足以造成极化的 最小水平。

使用申请号为No.13/226,799的美国专利申请中公开的循环时，在该循环 的第一步骤期间使铁电体冷却到低于转变温度的较低温度T_L，同时使总极化 恒定保持为较低值P_L，并断开电气线路（electrical circuit）。在下一步骤期间， 直到极化增加到该循环的最大值P_H前都等温地撤走热量，在该点处在电极表 面存在非常密集的束缚电荷。该步骤期间，闭合电气线路以便电流从铁电体一 侧的电极流向铁电体对侧的电极。在电极上形成的屏蔽电荷等于铁电体表面的 相反束缚电荷。正是在该步骤期间，剩余极化场使得产生的偶极在一个方向上 偏置—即，偶极发生极化。

在该循环的下一步骤，当将铁电体或其他可极化材料加热到高于转变温度 的较高温度T_H的同时，断开电路。该步骤期间总极化保持恒定，材料进入亚 稳态。在该循环的最后步骤期间再次闭合电路，直到极化降低为P_L前都等温 输入热量。该步骤期间，电极上的屏蔽电荷变为非屏蔽，且以自生高电压放电 到（discharge into）外部电子线路中。然而，并未去除电极上的所有电荷。相 反，在以下点断开电路（circuit）：该点处保留的剩余电荷足以建立对应于P_Ld的足够进行极化的场。由这种剩余场产生、而非由施加的外加电压产生的极化 可增强循环过程中整体输出的电能。

随后持续重复该循环，其结果是热能持续转换为高电压的电能。该发明可 采用固体形式或液体形式的铁电体，后者包括液体铁电体和悬浮在液体中的铁 电体微晶体（fine crystal）。例如，可使用的固体材料包括陶瓷铁电体、铁电体 聚合物和其他可极化聚合物。除了普通铁电体以外，本发明可采用诸如方硼石 或方钠石的含杂质（extrinsic）（或不规则（improper））铁电体。采用含杂质铁 电体时，极化体现出与一些初阶参数耦合的二阶参数。采用本发明开发铁电体 的自发极化时，其允许在宽广的温度范围内，使用许多来源供应的、自然出现 和产生的热实现热量到电能的稳定转换。通过传导、对流、或辐射或其任何组 合，以及通过单相或双相热传递系统，热量可从热源输入到铁电体中或从铁电 体撤走到散热器。

单级功率转换模块包括单个铁电体或其他可极化材料。就这点而言，其通 常具有单相转变温度，用于反映铁电相与顺电相或反铁电相之间的转变。可使 用一连串的（a series of）铁电体或其他可极化材料，以便在热源与散热器之间 的温差ΔΤ充足的应用中更有效地将可用热能转换为电。所述铁电体或其他可 极化材料具有递增覆盖热源与散热器之间所有的或至少一些温度范围的一系 列（a succession of）相变温度。保证（warrant）多级设备的ΔΤ的量值取决于 该应用的参数和需求、以及取决于所用特定材料的特征。热再生技术的使用还 可能影响特定应用中需要的级数。

在一个方面，本发明涉及将热量转换为电能的装置。在一个实施例中，该 装置具有铁电层，所述铁电层具有第一表面和相对的第二表面；其中该铁电层 包括具有一相变温度的铁电材料，这样当该材料处于铁电相时，铁电体的晶胞 内建立起自发极化，并且铁电层极化时形成一全面的净自发极化（overall net  spontaneous polarization）；这样随着铁电体的温度变化，其越过（traverse）转 变温度，该材料会进入顺电相或反铁电相，其中该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。

该装置还具有分别定位于铁电层的第一表面和第二表面上的一对电极和 相对于该对电极关联定位的构件；其中该电极由导热和导电材料组成，该构件 用于凭借对流、传导或辐射交替地向铁电层输入热量和从铁电层去除热量，这 样分别以高于相变温度的温度T_H加热该铁电层，并交替地以低于相变温度的 温度T_L冷却该铁电层，从而使该铁电层的铁电材料在（1）铁电相与（2）顺 电相或反铁电相之间经历交替相变。

在另一方面，本发明涉及将热量转换为电能的装置。在一个实施例中，该 装置包括具有第一表面和相对的第二表面的铁电层。铁电层由铁电材料组成， 所述铁电材料的特征在于具有居里温度T_c，这样当铁电材料的温度低于该居 里温度T_c时，铁电材料处于其晶胞内建立起自发极化的铁电相内，而当铁电 材料的温度高于该居里温度T_c时，铁电材料的晶胞内不会建立起自发极化。 该装置也包括分别定位于铁电层的第一表面和第二表面上的一对电极。该对电 极包括导热和导电材料。

此外，该装置包括相对于一对电极关联定位的构件，其用于在铁电层的第 一表面和第二表面上交替地传输冷流体和热流体，从而交替地（1）以低于居 里温度T_c的第一温度T_L冷却铁电层，以及（2）以高于居里温度T_c的第二温 度T_H加热铁电层，这样采用温度循环操作使该铁电层的铁电材料在铁电相与 顺电相之间经历交替相变。

另外，该装置可具有电性连接到该对电极的一对电导线（electric lead）， 这样当铁电材料循环以消除铁电层的总（total）极化时，对应于电性相反的屏 蔽电荷的电能以高电压输出到该对电导线。也可通过开关连接电导线，以便在 该对电导线之间施加DC电压，从而在铁电材料位于其铁电相或转变成铁电相 时生成极化场。如本发明中所公开的，由于剩余场的使用将在后续循环中实现 极化，因此在第一循环后通常不需要施加上述外加电压；但如果剩余场因任何 原因变得不足以实现极化时，强加（imposition）外部极化场则需要所存在的 DC电压源，这样一来，附加场（supplemental field）是有用的，但并不是必不 可少的。

此外，该装置可包括用于监控铁电层的一个或多个温度和电容值、以及监 控加热流体和冷却流体的温度和压力的构件。

在另一实施例中，传输构件包括第一流体通道和第二流体通道、一个或多 个热交换器以及多个控制阀。第一流体通道和第二流体通道分别形成于该对电 极上，这样当冷流体通过第一和第二流体通道的至少一个时其使得铁电层冷 却，以及当热流体通过第一和第二流体通道的至少一个时对铁电层进行加热； 一个或多个热交换器定位成第一和第二流体通道在铁电层的第一表面和第二 表面上交替传输冷流体和热流体，以便交替地以第一温度T_L冷却铁电层、而 以第二温度T_H加热铁电层；控制阀与一个或多个热交换器连通，以用于控制 冷流体和热流体的流动。多个控制阀受微控制器控制，通过计算机控制、凭借 控制电路协调多个控制阀从而实现所需循环。

在另一方面，本发明涉及将热量转换成电能的方法。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，以及包括 分别定位于该铁电层的第一表面和第二表面上的一对电极。其中该铁电层包括 具有一相变温度的铁电材料，这样当该材料处于铁电相时，铁电体的晶胞内建 立起自发极化，并且铁电层一旦极化则形成一全面的净自发极化，这样随着铁 电体的温度变化，其越过转变温度，该材料会进入顺电相或反铁电相，在顺电 相或反铁电相中该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。所述电极包括导热和导电材料。

该方法还包括交替传输冷流体和热流体的步骤，以便交替地将铁电层冷却 到低于居里温度T_c的温度，以及将铁电层加热到高于居里温度T_c的第二温度。 在这些步骤期间断开电气线路，在恒定极化下进行冷却和加热。

该方法还包括以等温方式交替地向铁电层供应热量和从铁电层去除热量 的步骤，该步骤凭借交替地传输流动的热流体和流动的冷流体得以实现，从而 以交替方式使铁电层增加或去除热量，此时总极化变为分别由P_L和P_H表示的 相应低水平和高水平。在这些步骤期间，闭合电气线路以允许改变极化，并且 去除和增加的热量对应于转变焓。

该方法还包括在温度T_L使处于铁电相的铁电层的铁电材料极化。在一个 实施例中，通过由第一循环后电极上留下的剩余自由电荷产生的场实施极化。 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 到外部电子线路中，同时以等温方式向铁电层内输入热量，且极化减少到在转 变为铁电相的过程中足以提供极化的最小水平P_L。

在一个实施例中，通过一个或多个热交换器实施热传输步骤，所述热交换 器与热源和散热器流体连通，用于从热源向铁电层输入热量以对铁电层进行加 热、以及用于从铁电层向散热器撤走热量以使铁电层冷却。在另一实施例中， 通过一个或多个热交换器和与一个或多个热交换器连通的多个控制阀实施热 传输步骤；其中使第一和第二流体通道定位，以用于在铁电层的第一表面和第 二表面上交替传输冷流体和热流体，从而交替冷却和加热铁电层；其中多个控 制阀适用于控制冷流体和热流体的流动。在每种情况下，配合本文描述的加热 和冷却循环操作在断开位置和闭合位置之间切换电气线路。

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，可极化单元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 当材料温度越过去极化转变温度时，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_c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）。

在另一方面，本发明涉及将热量转换为电能的装置。在一个实施例中，该 装置具有多个叠层（in a stack）设置的铁电模块{FMⁿ}，其中n=1、2、3…N， N是大于1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}可在热源和散热器的温度范围内 发生连续改变。

该装置进一步包括相对于叠层铁电模块{FMⁿ}关联定位的构件，其用于凭 借对流、传导或辐射向叠层铁电模块{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（1）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，该装置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设备。经由一 控制电路使热循环操作与铁电模块{FMⁿ}的电气状态相配合，从而按照本发明 可使用的其中一个热力学循环使加热和冷却与电输入和输出同步。

在另一方面，本发明涉及将热量转换为电能的装置。在一个实施例中，该 装置具有多个叠层设置的铁电模块{FMⁿ}，其中n=1、2、3…N，N是大于1 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T_cⁿ的铁电材料形成；这样当铁电材料的温 度低于居里温度T_cⁿ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_cⁿ时，铁电材料的晶胞内不再建立自发极化； 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{T_cⁿ}可在热源温度和散热器温度之间的范围内发生连续 改变。

该装置进一步包括相对于叠层铁电模块{FMⁿ}关联定位的构件，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T_cⁿ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T_cⁿ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。

该装置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设备。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；在一个实 施例中，所述热循环是利用了两个等温步骤和具有相同极化的两个步骤的循 环。

本发明可用于极广的应用范围，其包括对现有设备的改进和应用于新设 备。凭借阐释性实例但不对本发明的应用做任何限制，其他应用对本领域技术 人员而言是显而易见的；这些应用包括：（1）通过将废热转换成额外的功率输 出使热电站的产能增加（bottom up）；（2）将本发明用作电厂内将热能转换成 电的主要方式或唯一方式；（3）从地热能源产生电力，所述地热能源包括被动 式地热加热系统和冷却系统；（4）由太阳能提供的热量产生电力，产生的电力 可为任何规模，例如从几瓦或更少到超过1,000MW；（5）由使用各种热源的 可携式或准可携式发电机产生分布式电源，其运行规模从几瓦或更少到 100kW或更多；（6）将来自于工业、采矿和上述其他来源的废热转换成电源； （7）利用由热能产生的电力为电动车辆供电，所述热能产生自燃烧气体或其 它方式产热的车辆；（8）由柴油电力机车的废热产生电力、或作为发电的主要 方式；（9）利用海洋热梯度产生电源；（10）在众多特定应用中进行冷却与冷 藏，这样电能用于从所需来源提取热量，该循环操作的反向运行则用于由热量 发电；（11）用体热产生个人用途或医疗用途的电；（12）个人电子设备、个人 计算机、全球卫星定位系统和类似设备的小型电源；（13）由来自于生物量或 城市垃圾的热量来发电；以及（14）在太空中由诸如放射性同位素产生的热量 来发电。

结合以下附图，本发明的各个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。

附图说明

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子线路的电荷；

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P_s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P_r；

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示范性阐释了由（a）钙钛矿晶体的顺电立方态向（b）正方晶构造 的转换，后者反映了具有位移离子（displaced ion）的铁电态，所述位移离子 起因于晶胞的变形，从而使晶胞成为电偶极，总的来说，该电偶极与整个材料 内的其他偶极引起了自发极化P_s；

图15示范性阐释了处于铁电态的KNbO₃的角和面上钾离子和氧离子的位 移，其中离子位移生成了自发极化；

图16阐释了离子位移的量值，该离子位移发生在处于铁电相的钙钛矿型 钛酸钡BaTiO₃的晶胞内，且该离子位移引起了自发极化P_s；

图17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18是样品钛酸铅PbTiO₃的、根据（as a function of）温度的自由能的曲 线图，其中极化恒定为P=0.4C/m²；

图19是各种电场值E下极化的曲线图；以开尔文计量温度，以伏特计量 E场值；

图20是样品钛酸铅PbTiO₃在不同E场值下、根据温度的熵的曲线图；以 K计量温度，以J/m³·K为单位计量熵；

图21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 加有本发明公开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22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； Q_L和Q_H分别表示在等温步骤期间去除和增加热量；

图23阐释了在图22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，而不考虑诸如晶格热（lattice heat）和聚合物骨架的其他自由 度；

图24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50μm厚的P(VDF-TrFE)共聚物薄膜的不同继电器开 启温度。

具体实施方式

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”。另外，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（bulk arrangement）。 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。晶胞的实例在图14与图15内阐释。

如本文所使用的，用语“居里温度”或T_c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_c，或者上下文明显时 “居里温度”或T_c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 （phase change）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，伴随有使铁电材料相对于所描述的其相变进行循环。

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_c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。

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℃）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=Ρ²/2εε₀

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。

本发明可使用的可极化的无定形材料的实例包括MXD6尼龙，其转变温 度大概为78C，且测量到的70μm厚的样品产生的放电电压大概为800V。50μm 厚的PANMA-4丙烯腈共聚物样品产生大概1,300V的放电电压，伴随相变温 度大概为100C。

本文偶尔（on occasion）使用的“极化”更精确地是指“电位移（electric  displacement）”。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装置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装置和方法，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部E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 可以输出到外部电子线路中。随着材料转变到非铁电相，固有的净自发极化 P_s消失。致使P_s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 电模块与热源和散热器之间。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：（1）热源温度 T_H与散热器温度T_L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ΔΤ=(T_H-T_L)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℃变动到高至约700℃，可在该范围内 采用以上铁电体运行本发明。并不存在对装置或方法的运行温度的理论限制， 只要有合适的可用铁电体，则也可在低于0℃和高于700℃的温度下使用该装 置或方法。

足以使用该设备的温差ΔΤ的量值在很大程度上取决于实际问题，例如某 一应用所需的效率（efficiency）。对其内的相变大致发生于温差ΔΤ为1℃的铁 电材料而言，假设T_H和T_L约束相变温度，那么该设备可用于采用该量值的ΔΤ 由热源和散热器产生电能。热力学第二定律会约束采用这种小温差运行时的实 用性。任何情况下，卡诺效率η_c＝ΔT/T_H给出了可用热能可能有的最大转换效 率。因此，实际应用中运行设备需要的温差ΔT的量值取决于特定应用、与应 用相关联的工程参数或约束条件、热源和散热器的特征、热通量、具有必需的 相变温度的特定铁电体的性能特征、经济考虑、由特定热源发电的现实意义、 以及其他考虑。例如，虽然温差ΔT≥5℃通常允许有效使用本发明，但根据所 陈述的因素，除此之外的（among others）特定应用和材料系统可能需要有更 大或更小的温差。

本领域技术人员意识到的是，铁电材料与热源（T_H）和散热器（T_L）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）与热源和散热器之间有理想的等温热传递。为简明起见，此处不考虑该 梯度，T_H可用于指定热源的温度和铁电体被加热到的温度。相似地，T_L可用 于指定散热器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。

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；并不 受限于或针对任何特定的热源或散热器；并不受限于或针对热源或散热器的任 何特定的热学特征。相反，该设备是常见的，且可用于将可用热能有效转换为 电，并相反地使用电能进行冷却。通过凭借对流、传导或辐射进行的热输送， 通过凭借单相或双相热传递系统进行的热输送，可完成向铁电体输入热量和从 铁电体撤走热量，从而造成温度和相循环操作。

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）与来自于热源和散热器的 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U=Ρ²/2εεο （采用高电容率的铁电体时，铁电态下的自发极化优选≥2μC 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比，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）。

例如，铅基（lead based）铁电材料系统提供宽广范围内可使用的材料组 合，例如PZT、PZST、PLT等。构成要素（constituent element）的特定组成 百分比影响材料的特定性能特征（包括相变温度）。在聚合物系统中，通过形 成共聚物和混合物可改变和控制相变温度。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.Lines and A.Glass,PRINCIPLES AND  APPLICATIONS OF FERROELECTRICS AND RELATED MATERIALS,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。

举例来说，提供本发明使用的有效铁电体的许多钙钛矿晶体体现出相变现 象。当晶胞结构从立方体（顺电相）转变为四方晶（铁电相）时，诸如PZT 或PLT的钙钛矿铁电体大部分经历从铁电相到顺电相的一阶转变。图14（a） 阐释了处于顺电相的钙钛矿晶体的晶胞结构，其中材料温度高于T_c。在该实 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，钛原子或锆 原子占据立方体的中心。图14（b）描述了材料处于铁电相且T＜T_c时原子相 对位置的偏移。正是该偏移引起了晶胞的局部电偶极，并且总的来说正是这些 电偶极产生了铁电材料的自发极化P_s。图15相似地阐释了处于铁电相的另一 铁电体（铌酸钾KNbO₃）的位移和晶胞极化。图16阐释了以埃计量的物理位 移的量值，所述物理位移可发生在处于铁电相的晶胞的离子内，所述位移引起 了晶胞电偶极。

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。装置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_c的铁电材料构成，这样当铁电材料的温度低于居里温度T_c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_c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110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，装置100的一个级内铁电层110的厚度约为0.01mm-1cm。 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（operational consideration）的限制。

铁电层110的宽度和长度由以下因素确定：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，许多相似或相同设备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散热器交 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1mm，从而避免 在铁电层110的边缘附近存在电子放电。

另外，该装置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110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T_L冷却铁电层110、以及以高于转变温度的第二温度T_H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（1）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散热器（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T_H下对铁电层110进行 加热，或从而用于从铁电层110向散热器撤走热量、以在第一温度T_L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。

该装置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，这样当铁电层110的铁电材料处于亚稳态时可闭合电路。极化铁电材 料的晶域使得在铁电层从亚稳态转变为稳定的铁电态时，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。采用本发明时，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。在之前的发明中，例如在专 利号为No.7,982,360的美国专利中，通过每个循环期间施加的外部DC电压提 供极化场。尽管根据本发明在循环操作期间并未正常施加上述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，并可在允许有剩余电荷时用于 在操作过程中缩小建立极化场所需的东西。

本发明可采用专利号为No.7,982,360的美国专利中公开的一般循环，用于 在循环操作过程中使铁电材料极化。通过放电后留在电极上的剩余自由电荷产 生的场实施极化，所述剩余自由电荷建立足以使自发偶极极化的内源场。对应 于剩余电荷的极化的最小值（即P_L）由在给定循环中出现在最大局部自由能 （local free energy maximum）的P值确定。P_L超出该值时，系统可在没有施 加外部极化场的情况下自发弛豫，材料系统实现较大的、全面的净自发极化。

在使用申请号为No.13/226,799的美国专利申请中公开的循环的一个实施 例中（本文引用该美国专利申请），当通过增加晶格热量使铁电层110的铁电 材料加热到温度T_H时断开电路，同时总极化在P_H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、以收集和分配多个设备产生的电。如本文所描述的，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上的剩余未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21所示出的T_L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T_L处，并伴随有从铁电层去除Q_L。 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22和其他地方 描述的步骤BC）的电流方向相一致；当开关S1位于位置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_c。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 layer body）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（Landau  phenomenological 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、自发和感生的总极化。朗道-金兹堡格- 德文希尔自由能泛函表示为：

G(T，P)=α₁(T)·P²+α₁₁·P⁴+α₁₁₁·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17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，其中极化是全热力学变量， 且其表示G(T,P)所描述的全极系。单个曲线图针对材料的各种温度。以J/m³计量自由能值G。当材料处于非极化态时（即P=0），G分配的值为0。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）表示平衡态。

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 于两个势阱（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18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18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19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：

$E=\partial G/\partial P=2{\alpha }_1\left(T\right)P+4{\alpha }_{11}{P}^3+6{\alpha }_{111}{P}^5$

在本发明的情况下，E值体现了电极上的未屏蔽电荷产生的场。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20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 pre  meter）计量参数E。熵与P²成比例，并且

S=-α₀·[P_S(T，E)]²

其中以J/(m³·K)计量熵。参数α₀与材料参数的关系具有以下表达式：

α₁=α₀(T-T₀)

其中T₀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。

图22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。该循环的 步骤BC之后，保留在电极上的剩余电荷用于在铁电体转变回铁电相时使铁电 体极化，并使总极化增加。上述循环可用于在每个循环实现高输出的电能。本 文会更详细地描述该循环的具体运行。

正如使用本发明的任何循环一样，电极并不是在任何点都放电完全。相反， 在点C处完全放电之前，通过断开电路使较小的剩余未屏蔽电荷存留在电极 上。系统和负载的阻抗必须匹配，这样在关掉外部极化场后，去极化场在任何 时间都不会超出矫顽场（coercive field）。存留的剩余电荷的量足以建立内部 极化场，所述内部极化场在转变为铁电相的过程中将使自发电偶极极化。除了 必需提供极化场以外，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。产生内部极化场所必需的剩余电荷取决于材料系 统、铁电层的构造和其他因素。通过P值确定P_L的值，P值出现在T_L等温线 上的最大局部自由能处.图21中示出了对一个示范性材料而言各个T值的自由 能的曲线图。在循环的点C处停止放电以使P_L保持为高于最大局部自由能处 的P值，系统自发弛豫到点A，同时在没有施加外部极化场的情况下总极化增 加到P_H。举例来说，如图21所示，对的PbTiO₃铁电样品而言， 通常生成充足的极化场。

与在每个循环期间由外部DC电压源施加场从而施加极化相比，使用本发 明的极化方法时，通过保留在电极上的剩余未屏蔽电荷生成极化场增强了每个 循环的净能量输出和设备的总效率。

开始于图22中阐释的特定循环的任意点C时，材料处于较高温度T_H，并 处于顺电相或反铁电相。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。与最小极化场对应的极化值指定为P_L。随后在循环的CD步骤期间， 铁电体冷却到较低温度T_L，同时断开电气线路，以便使总极化在最小值P_L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  lattice heat）。铁电材料在点D处于亚稳态。

在循环的点D处闭合电路。DA步骤期间，等温撤走热量Q_L，同时直到 自发极化达到最大值P_H前铁电体均为T_L。P_H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P_H值通常对应于每个循环的更大电能输出。P_H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21所示，P_H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—即它们变得极化；所述小剩余场由电极上的未屏蔽电荷产生。DA步 骤期间撤走的热量Q_L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。DA步骤期间产生电力，该电力具有的电流与 步骤BC期间产生的电流方向相反。步骤DA期间产生的电源可以放电到外部 电子线路以实施电功。如其他地方所描述的，可能存在诸如初始循环的这样的 情况：由DC电压源对铁电层表面的电极的两端施加外源场来实现极化。这种 场合下，在系统上实施电功而非由系统产生电功。

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T_H。AB步骤期间的热量输入对应于将材料加热到T_H的可感 晶格热。该步骤中输入的热量与步骤CD中为使晶格冷却而去除的热量数量相 同，因此允许完美再生并获得卡诺效率。

在循环的点B处闭合电路，铁电体再次处于亚稳态。BC步骤期间增加的 热量Q_H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P_L， 该点处断开电路以防止电极上的未屏蔽电荷进一步放电。

计算机控制下运行的控制电路用于依照循环的各个步骤增加和撤走热量。 计算机控制下实行的控制电路也依照该循环断开和闭合电气线路。

朗道-尼科夫时间依赖性相变理论（Landau-Khalatnikov time dependent  phase transition 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。

T_H和T_L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，T_H和T_L可能与转变温度相差几摄氏度或更少。T_H和 T_L可能与转变温度相差较大量，例如相差20℃或更多。

本领域技术人员应该意识到的是，图22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P_H与P_L间的完美循环操作。本发明的意图并不是受限于理想循环或 完美循环，而是公开了通过将保留在电极上的剩余未屏蔽电荷开发为极化场来 源进行极化的装置和方法。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。

如其他地方所描述的，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22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P_L和P_H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Q_H，步骤AD期间等温 撤走热量Q_L。步骤CB期间闭合电气线路；由于剩余电荷生成的场的原因， 在第一循环后出现极化；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P_L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21和图17一样，是使用代表样品钛酸铅PbTiO₃的材料参数（其中 )、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21包括指定的循环的点（A、B、C和D）， 图22和本文中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21和22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23阐释了在图22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，循环甚至在缺乏再生时也是等 熵的。

在其他实施例中，可结合其他热力学循环使用本发明；本发明在没有施加 外源场的情况下提供极化。本发明仅需要放电后在电极上保留有充足电荷，以 提供足以进行极化的电场。在本发明的另一实施例中，在铁电材料没有严格进 入顺电相或反铁电相的循环中可以完成以这种方式进行的极化。相反，可使用 铁电材料始终处于其铁电相、但从更大程度极化循环到更小程度极化的铁电材 料。在一个上述实施例中，图22中描述的循环是相同的，但T_H不足以使材料 变为严格的顺电性或反铁电性。该实施方式中的最小值P_L是大于零的某一值。 其具体值取决于材料系统和T_L，并特别取决于T_L距离完全转变出铁电相的温 度多远。

图3示范性示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P_s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T_L＜T_c下冷却铁电层610、在第二温度T_H＞T_c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T_L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 T_H加热铁电层。通过导管640分别由散热器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T_L冷却铁电层610、在第二温度T_H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，从而实现图22和本 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 电偶或晶闸管的设备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，一个或多个监控设备（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，或通过监控设备的电容值来完成。另外，由于电阻 器R1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R1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S1。

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22中描述的循环的点C 处。在该点上，开关S1断开，铁电层810为T_H，极化为P_L。如其他地方所描 述的，P_L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S1保持断开，通过 撤走热量使铁电层810冷却到T_L，这将循环带至图22中的点D。保持开关S1 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P_L。

在本发明的常见运行中，开关S1在第一循环后该循环的点D处切换到如 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S1位于位置B的同时，在T_L下从铁电层810等温撤走热量，这对应 于图22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P_H。产生的全面的自发极化P_s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Q_L对应于相变的焓。点A处铁电层810中的自发极化为最大值P_H；因 为由于P_H，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21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（1）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P_s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S1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S1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P_H时，开关S1断开至图6所示的中间位置，设备处于图22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P_s值是必不可少的。

在图22中描述的循环的AB步骤期间，开关S1断开，将铁电层810加热 到T_H，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P_H。

在该循环的点B处，开关S1切换到位置B，T_H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或其他合适的设备在非常高的电压下接收 电荷；所述其他合适的设备可用于储电、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，断开开关S1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P_L，铁电层810为T_H。

在一个实施例中，开关S1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，并且通常增加可外用的总能量。

在另一实施例中，铁电材料并未依照图22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P_L以 下；P_L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。

图24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50μm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10ΜΩ，测量电阻器R1和R2则分别选定 为0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1）看上去较平坦。图24中的线2-6示出了所产生的延迟温度（时 间）增加的电。这些线对应于图22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1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（integrated intensity）在很大程度上保持恒定。

热循环操作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设备的温度值，所述热电偶或其他设备监控加热流体和冷 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R1和R2测量到的极化和负载电流。 可通过整合流过电阻器R1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引导开关S1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_c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T_c的第一温度T_L、将铁电层加热到高于居里温度T_c的第二温度T_H。 在步骤920期间，断开电气线路，这样冷却和加热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、控制阀或类似设备可交替传输冷流体和热 流体；其中所述热交换器、控制阀或类似设备受控制电路引导，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_c的第一温度T_L下从铁电层等温去除热量、以及在高于居里温度T_c的第二温度 T_H下向铁电层等温增加热量。步骤930期间闭合电气线路，以便在极化从P_L变到P_H时去除热量，极化从P_H变到P_L时增加热量。热交换器、控制阀或类 似设备可交替传输冷流体和热流体；其中所述热交换器、控制阀或类似设备受 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T_L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。由位于铁 电层表面的电极上的剩余电荷提供极化场，在循环的放电步骤期间并不撤走所 述剩余电荷。保留的剩余电荷在铁电层转变回其铁电相时足以生成极化场。在 另一实施例中，在必要时通过对铁电层施加小外源场实施极化。

在步骤950中闭合电路，并在T_H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。并未释放该对电极上所有电性相反的屏蔽电荷。断开电路以允许电 极上保留的剩余电荷足以提供用于极化的场。

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。在热源和散热器之间温差较小的一些应用中， 单个层可能是合适的。虽然该情形在用于将热量转换为电时允许有较小稳定机 会，但这是热力学不可避免的结果，这规定任何系统的最大效率是卡诺效率 η_c=ΔT/T_H；所述任何系统将热能转换为另一形式的能量或功。在ΔΤ较大的应 用中，可能希望利用包括一连串铁电材料的多级转换模块；所述铁电材料具有 对应于T_H和T_L间可用温度的一系列相变温度。保证多级处理的ΔΤ的量值根 据使用的特定应用和材料发生变化。可能有这样的应用和情况：所述应用适合 于在较大ΔΤ（例如100℃或更大）下运行单个设备，所述情况尤其结合热量 再生技术。

存在许多这样的构造或实施例：在所述构造或实施例中可能采用多个铁电 体、以多级方式使用本发明的基本原理，所述多个铁电体具有多个相变温度， 此处将对这些实施例的一些进行描述。提供这些描述的意图并不是使本发明受 限于这些仅是阐释性质的构造。同样，尽管这些描述和实施例涉及居里温度 T_c，但应该理解的是，该描述同样适用于铁电相存在于转变温度之上、材料在 低于转变温度时为顺电性的铁电体；适用于在铁电相和反铁电相之间转变的铁 电体；适用于可极化聚合物。

图8示出了具有多个铁电模块FM1、FM2…FMn-1和FMn的装置1000， 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FE¹、FE²...FE^n-l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T_c¹、T_c²…T_c^n-1和T_cⁿ对应 于连续层FE¹、FE²...FE^n-l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_cⁱ⁺¹＞T_cⁱ。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，以便每单个层在其相变温度附近采用本文所描述的、单层设备的极 化和放电进行循环。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P_s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FE^n-1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n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T_c¹-T_cⁿ。不同相变温度以渐增顺序（或渐减顺序）存在于热 源T_H和散热器T_L的温度间，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T_cⁱ附近循环。在这一构造中，相变温度在不 同铁电层FE¹、FE²...FE^n-l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T_cⁱ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T_cⁱ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T_cⁱ，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。

总而言之，除了其他方面以外，本发明公开了通过使用一个或多个铁电体 或其他可极化材料，用于将热量转换为电的装置和方法；随着温度变化，所述 铁电体或可极化材料体现出自发极化的变化。铁电体或其他可极化材料在高于 和低于相变温度的温度间循环，从而利用自发极化的变化。在该循环的一个步 骤期间施加极化场，以便产生的偶极在一个方向上偏置—即它们变极化。该极 化场由放电后铁电体表面的电极上保留的剩余电荷产生。以这种方式控制铁电 体的循环操作时，相比其他循环操作方式，每个循环期间放电的电能的量增加。 虽然可结合单个这种铁电材料使用该设备，但在使用一连串铁电体的一些应用 中可能实现热到电的更稳定的转换；所述一连串的铁电体具有一系列相变温 度，该相变温度在用于该应用的热源和散热器的温度间的温度范围内发生改 变。通过使该过程反向可实现电热冷却。

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属 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。