使用化学热力发动机和压电材料产生电的系统和方法

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。

说明书

发明领域

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＝1/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

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1A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1B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1C是示例性的压力-温度曲线，示出图1A和图1B的热力发动机 的加热/冷却/压力循环。

图2是用于在图1A和图1B的系统中使用的示例性功率转化装置 (power conversion apparatus)的原理框图。

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9A和9B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11A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11B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24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24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

v)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26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 28。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 28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28以在那里产生机 械应力。可选地，压电换能器元件28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28以在那里产生机械应力。压电换能器元 件28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28。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1A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1B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12一般如下操作。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1C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28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28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1C示出了图1A和1B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、CD、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T_INT，由此：

i)对于温度T_INT，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T_INT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T_INT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T_INT由热侧热交换器和冷侧热交换器的温度(T_HOT和T_COLD)、 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24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24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24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24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CD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P_MIN增加到P_MAX，以将相应的压 缩力和应力施加在压电换能器元件28上。在如图所示的循环期间，压力 级从P_MAX降低到P_MIN，以将相应的减压力和应力施加在压电换能器元件 28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28的交替的压缩/减压力和应力导致压电换能器元件28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26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26，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24吸收氢工作流体22，并在段DA期间金属氢化物材料24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28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 有提供均匀偶极子场的永磁体的阵列(即Halbach阵列)的鼓形转子 (cylindrical rotor)61。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63A、63B布置在鼓形转子 61的内部空间里。定子绕组63A、63B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匀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彼此均匀间 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28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28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Mark发生器电路将DC充电信号转换成高压脉冲。

由Erwin Marx于1924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n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28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28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12₁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12₁的室运送到热力发动机12₂的室，同时另一 流体线路将工作流体从热力发动机12₂的室运送到热力发动机12₁的室。 流量控制阀42A₁、42A₂、42B₁和42B₂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12₁的室的压力能通过打开输出阀42B₁并关闭其它的阀42B₂、42A₁和42A₂来调节。类似地，发动机12₂的室的压力能通过打开输出阀42B₂并关闭 其它的阀42B₁、42A₁和42A₂来调节。

在正常运行期间，打开阀42A₁、42A₂、42A₁和42A₂并操作热力发动 机12₁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12₁和12₂都配置为执行图1C的加热和冷却循环。在这种配置中，热 力发动机12₁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12₂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12₁和12₂如下循环通过它们的加热和冷却循环：

热力发动机12₁          热力发动机12₂

                                     

段CD                         段AB

段DA                段BC

段AB                段CD

段BC                段DA

这种配置是有利的，因为其减少了加热和冷却的循环时间并因此增加了化 学热力发动机产生的压力变化的频率。

图8显示压力控制器的示意性说明。压力控制器能用来自动调节热力 发动机的室内工作流体的压力并维持在它们期望的操作范围内。这种控制 是必需的，如果氢从系统泄露和/或以适应热供应和/或冷供应的变化的温 度(比如，改变环境空气温度)。控制器优选接合到测量热供应和冷供应 的温度的温度传感器，以及接合到阀42A1、43A2、42B1、43B2的致动 /控制功能、流体供应源38’和压力控制机构40’。控制器执行控制算法(优 选使用查找表或类似物)，所述控制算法基于温度传感器输出的热供应和 冷供应的温度，计算适当的室的压力级。然后控制器能根据需要与阀 42A1、43A2、42B1、43B2的致动/控制功能、流体供应源38’和压力控制 机构40’自动合作以将室的压力调节到期望的压力级。相似的控制方案能 用来自动调节图1A和1B的单个发动机配置中的压力。

图9A示出用于图7的系统的实施方式，其中流体地耦合两个发动机 的流体供应线路通过管中管设计来实现。外管支撑各自发动机的一个或更 多个压电换能器元件28’。内管是柔性的气压管，其流体地耦合在发动机 的室之间，并因此成为这种室的延伸。在两个发动机的加热/冷却/压力循 环期间，两个发动机产生的振荡压力变化将流经柔性的气压管，将相应的 压缩/减压力施加到一个或更多个压电换能器元件28’，如在此所描述的。 在这种配置中，各自发动机的压电换能器元件28’能相对于包含发动机的 氢化物材料和PCM材料的容器远程定位。

图9B示出用于图7的系统的另一实施方式，其中流体地耦合两个发 动机的流体供应线路通过新颖的管中管设计来实现。外管支撑两个内管， 一个或更多个压电换能器元件在两个内管之间。两个内管流体地耦合在两 个发动机的室之间，并因此成为这种室的延伸。在两个发动机的加热/冷 却/压力循环期间，两个发动机产生的振荡压力变化将流经柔性的气压管。 这种压力变化优选彼此异相，并因此在其间提供振荡的压差。这种振荡的 压差用来施加使布置在两个柔性的气压管之间的压电换能器元件变形(例 如通过压电膜片的振荡变形)的压缩/减压力。在这种配置中，各自发动 机的压电换能器元件能相对于包含发动机的氢化物材料和PCM材料的容 器远程定位。

如在图10所示，这里描述的热力发动机能安排在管中管类型的配置 中。在这种配置中，内管81运送热(或冷)源。外管83的外部遭受冷(或 热)源。内管81和外管83由这里描述的导热材料实现，并因此起热交换 器的作用。发动机的氢工作流体、金属氢化物材料和可能的相变材料布置 在内管81和外管83之间封闭的空间内。发动机的压电压力换能器也能位 于内管81和外管83之间的封闭空间内，或可能关于流体地耦合到该封闭 空间的流体路径定位，例如，定位在与图9A和9B所示流体供应线路类 似的流体供应线路中。

现在转到图11A，显示依照本发明的电能发生器系统110的图示说 明。系统110包括优选具有外部绝热衬垫的管状壳体112，上述外部绝热 衬垫能用充满气凝胶或其它合适的绝热材料的空间实现。壳体112限定内 部空间，其中支撑与第一反应室116热接触的冷侧热交换器114。与第二 反应室120热接触的热侧热交换器118支撑在壳体112的外部。用充满气 凝胶或其它合适绝热材料的空间实现的外部绝热衬垫122优选围绕热侧 热交换器118和第二反应室120，以便隔离这些部件。

冷供应(比如，冷空气)124供应给冷侧热交换器114，而热供应(比 如，热空气)126供应给热侧热交换器118。第一反应室116和第二反应 室120被流体耦合机构(fluid coupling mechanism)128，例如文氏管或类 似物流体地耦合到彼此。第一反应室116和第二反应室120包括金属氢化 物材料和优选相变材料，其结合在此的氢工作流体，作为由冷侧热交换器 114(由冷源124决定的)和热侧热交换器118(由热源126决定的)之 间的温差驱动的化学热力发动机而工作。

第一反应室116包含至少一种能够吸收和解吸氢的金属氢化物材料 以及优选至少一种与氢工作流体热接触的相变材料。类似地，第二反应室 120包含至少一种能够吸收和解吸氢的金属氢化物材料以及优选至少一 种与氢工作流体热接触的相变材料。选择反应室116和120的金属氢化物 材料，使得在冷侧热交换器114和热侧热交换器118之间预期的温差范围 内，第一反应室116的金属氢化物材料吸收氢(放热)，而第二反应室120 的金属氢化物材料解吸氢(吸热)，且反之亦然。以这种方式，反应室116 和120的热产生和热吸收操作相对于彼此为180度异相或接近180度异 相，以便最小化化学热力发动机的循环时间(最大化其频率)。

在热力发动机的循环操作期间，热量从热侧热交换器118流到第二反 应室120，以及热量从第一反应室116流到冷侧热交换器114。金属化的 双向导向的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或类似物的膜130能布置在冷侧 热交换器114和第一反应室116之间，以最小化从冷侧热交换器114流到 第一反应室116的不必要的热量。类似地，金属化的双向导向的聚对苯二 甲酸乙二酯(PET)或类似物的膜132能布置在热侧热交换器118和第二 反应室120之间，以最小化从第二反应室120流到热侧热交换器118的不 必要的热量。

热堆叠(thermal stack)134布置在壳体112的内部空间中。热堆叠 134优选由一连串的薄平行散热片(fin)、由导热材料(例如铜、库珀合 金、不锈钢、热解石墨)制成的薄杆状构件的互连的网格实现。热堆叠 134也能从蜂巢状薄壁陶瓷结构实现，例如纽约Corning的Corning Environmental Technologies所销售的热堆叠134具有一个侧面 136，与侧面138相对。侧面136与第一反应室116热接触。在热力发动 机的加热和冷却循环期间，在热堆叠130的侧面136经历反应室116的循 环温度变化。这种循环的温度变化造成热堆叠134的热声振荡。谐振腔 140临近热堆叠134的侧面138限定在壳体112内。设计热堆叠134和谐 振腔140成使得热堆叠134的热声振荡在谐振腔140内形成压力驻波 (standing pressure wave)。压力驻波的频率等于或接近热力发动机的工作 频率。在优选实施方式中，谐振腔140的有效长度与压力驻波波长的1/2 成比例。壳体112能适应为使得谐振腔140的内表面是声反射的，并因此 最小化在其中的任何声损耗。声反射元件142布置在谐振腔140的与热堆 叠134相反的一端。

至少一个压电换能器144布置在谐振腔140内。压电换能器144由压 电材料，例如石英、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实现。在优选实施方式中， 压电换能器144实现为薄杆状压电构件的互连网格。在谐振腔140里产生 的压力驻波在压电换能器144上引起循环的机械应力。至少一对电极 146A、146B电连接到压电换能器144。电极146A、146B输出因谐振腔 140内产生的压力驻波在其中引起的循环的机械应力而由压电换能器144 产生的电信号。

在所示的说明性实施方式中，冷源124(比如，冷空气)注入或吸入 管状壳体112的一端，并流经管状壳体112的内部空间，在该内部空间冷 源由于热力发动机的运行而变暖，从管状壳体112的相反端喷射或抽出。 在这种配置中，布置在壳体112内部空间内的系统的部件(冷侧热交换器 114、膜130、第一反应室116、热堆叠134、压电换能器144和声反射体 142)允许这种冷流体的流动通过。

在未显示的可替换的实施方式中，冷源124能通过流体耦合器(fluid coupler)或类似物供应给冷侧热交换器114。当使用这种流体耦合器时， 布置在壳体112内部空间内的系统的部件(冷侧热交换器114、膜130、 第一反应室116、热堆叠134、压电换能器144和声反射体142)不需允 许这种冷流体的流动通过。

第一反应室116和第二反应室120的金属氢化物材料可保持在一个或 更多个台或其它储存容器里。这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

v)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。

第一反应室116和第二反应室120的相变材料能够是沸石、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。

如以上所描述的，冷供应124被供应给冷侧热交换器116。热供应126 被供应给热侧热交换器118。冷供应124优选包括用于在化学热力发动机 的多个加热/冷却循环期间，将连续的冷流体供应提供给冷侧热交换器116 的循环器(比如，泵、风机)。热供应126优选包括用于在热力发动机的 多个加热/冷却循环期间，将连续的热流体供应提供到热侧热交换器18的 循环器(比如，泵、风机)。

在示例性的配置(在环境空气比深层地温暖和时有用)中，冷供应 124可由冷地热源产生，热供应126可从环境空气产生。冷地热源能够是 流体，例如水或空气，当其经过与地热接触的管道时被冷却。冷地热源也 能够是从井或水体(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。

在可替换的配置(在深层地温比环境空气暖和时有用)中，冷供应 124能从环境空气产生，而热供应126能由热地热源产生。热地热源能够 是流体，例如水或空气，当其经过与地热接触的管道时被加热。热地热源 也能够是从井或水体(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。

应认识到，热交换器118和关联的反应室120的热侧功能能够与热交 换器114和关联的反应室120的冷侧功能交换，如图1B所示。以这种方 式，系统能依赖于源的相对温度在配置之间转换。可选地，阀和管道系统 可耦合到热源和冷源，并用来允许图1A的系统依赖于源的相对温度在配 置之间转换。

可提供流体供应源和压力控制机构(未显示)，它们合作将工作流体 (比如氢)加到反应室116和120，并根据需要调节在这样的室内的工作 流体的压力。当氢用作工作流体时，流体供应源能由氢的容器或可能地通 过水的电解产生氢的装置来实现。压力控制机构能由泵和阀来实现，根据 需要可能包括将过度的压力排到周围环境的排出阀。

由冷侧热交换器114、第一反应室116、热侧热交换器118和第二反 应室120实现的热力发动机一般如下操作。以连续的方式，冷源124持续 地将冷流体供应给冷侧热交换器116，热源126持续地将热流体供应给热 侧热交换器118。利用冷源124和热源126之间的温差产生功。更具体地， 且如参考图2在下文更详细描述的，这个温差用于使反应室116和120 内的氢工作流体、金属氢化物和相变材料(如果有)的温度和压力循环以 便在那里引起温度变化。反应室116的温度变化引起热堆叠134的热声振 荡，该热声振荡在谐振腔140内形成压力驻波。压力驻波的频率等于或接 近热力发动机的工作频率。压力驻波在压电换能器144上引起循环的机械 应力。电极146A、146B输出因谐振腔140内产生的压力驻波在其中引起 的循环的机械应力而由压电换能器144产生的一系列高电压、低电流电脉 冲(V+，V-)。

图11A和11B的热力发动机的每个各自的反应室116、120的示例性 温度-压力循环见图1C，虽然应认识到，所见的循环仅仅是示意性的而 非按比例绘制的。循环包括四段AB、BC、CD、DA，其按之前参考图 1C所描述的起作用。

在图11A和11B的配置中，第一反应室16的初始压力能被初始化以 在点C或点C附近开始工作，而第二反应室120的初始压力能被初始化 以在点A或点A附近开始工作。两个反应室116和120如下循环通过它 们的加热和冷却循环：

反应室116                反应室120

                                     

段CD                         段AB

段DA                        段BC

段AB                        段CD

段BC                段DA

在这种配置中，在冷侧热交换器114和热侧热交换器118之间预期的 温差范围内，第一反应室116的金属氢化物材料在段BC期间吸收氢(放 热)，而第二反应室118的金属氢化物材料在段DA期间解吸氢(吸热)， 且反之亦然。当第一反应室放热时，热量经由工作流体通过流体耦合器 (fluid coupling)128流到其被吸收的第二反应室120。类似地，当第二 反应室120放热时，热量经由工作流体通过流体耦合器128流到其被吸收 的第一反应室116。以这种方式，反应室116和120的热产生和热吸收操 作相对于彼此为(或接近)180度异相以便最小化化学热力发动机的循环 时间(最大化其频率)。

与热堆叠134热接触的反应室116的温度水平在如所示的热力发动机 循环期间，在T_MIN和T_MAX之间循环。这种温度变化引起热堆叠134的热 声振荡，该热声振荡在谐振腔140内形成压力驻波。压力驻波的频率等于 或接近热力发动机的工作频率。压力驻波在压电换能器144上引起循环的 机械应力。电极146A、146B输出因谐振腔140里产生的压力驻波在其中 引起的循环的机械应力而由压电换能器144产生的一系列高电压、低电流 电脉冲(V+，V-)。

如之前提到的，一种或更多种相变材料能用作以上描述的反应室 116、120的部分。相变材料布置成与氢工作流体热接触。调整相变材料 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吸收氢 工作流体，并在段DA期间金属氢化物材料解吸氢工作流体时释放热量。 这样帮助减少化学热力发动机的循环时间并有助于化学热力发动机产生 的功率。

系统10的优选实施方式包括功率变换器150，功率变换器150将压 电换能器144在电极对146A、146B上输出的电信号转变成期望的电输出 形式。功率变换器150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 实施方式中，功率变换器136产生的电输出是典型由电网电源(比如，60Hz 120VAC供电信号)供应的标准AC供电信号。在优选实施方式中，功率 变换器150由包括如之前描述的静电电动机和机电电池的组件实现。

图12中显示了依照本发明的能量发生器系统110’的另一实施方式。 系统110’包括优选具有外部绝热衬垫的管状壳体112’，上述外部绝热衬 垫能用充满气凝胶或其它合适的绝热材料的空间实现。壳体112’限定内 部空间，内部空间的部分形成谐振腔140’。与反应室116A’热接触的冷侧 热交换器114A’支撑在壳体112’的内部空间，在如图所示的谐振腔140’ 的一侧。与反应室120A’热接触的热侧热交换器118A’支撑在壳体112’的 外部上。用充满气凝胶或其它合适绝热材料的空间实现的外部绝热衬垫 122A’优选围绕热侧热交换器118A’和第二反应室120A’，以便隔离这些 部件。与反应室116B’热接触的冷侧热交换器114B’支撑在壳体112’的内 部空间，在如图所示的谐振腔140’的另一侧。与反应室120B’热接触的热 侧热交换器118B’支撑在壳体112’的外部上。用充满气凝胶或其它合适绝 热材料的空间实现的外部绝热衬垫122B’优选围绕热侧热交换器18B’和 第二反应室120B’，以便隔离这些部件。

冷供应124’(比如，冷空气)供应给冷侧热交换器114A’和114B’。 热供应126’(比如，热空气)供应给热侧热交换器118A’和118B’。反应 室116A’和120A’被流体耦合机构128A’，例如文氏管或类似物流体地耦 合到彼此。反应室116B’和120B’被流体耦合机构128B’，例如文氏管或 类似物流体地耦合到彼此。反应室116A’和120A’包括金属氢化物材料和 优选相变材料，其结合在此的氢工作流体，作为由冷侧热交换器114A’(由 冷源124’决定的)和热侧热交换器118A’(由热源126’决定的)之间的温 差驱动的化学热力发动机而工作。类似地，反应室116B’和120B’包括金 属氢化物材料和优选相变材料，其结合在此的氢工作流体，作为由冷侧热 交换机114B’(由冷源124’决定的)和热侧热交换器118B’(由热源126’ 决定的)之间的温差驱动的化学热力发动机而工作。

反应室116A’包含至少一种能够吸收和解吸氢的金属氢化物材料以 及优选至少一种与氢工作流体热接触的相变材料。反应室120A’包含至少 一种能够吸收和解吸氢的金属氢化物材料以及优选至少一种与氢工作流 体热接触的相变材料。选择反应室116A’、120A’的金属氢化物材料，使 得在冷侧热交换器114A’和热侧热交换器118A’之间预期的温差范围内， 反应室116A’的金属氢化物材料吸收氢(放热)，而反应室120A’的金属氢 化物材料解吸氢(吸热)，且反之亦然。以这种方式，反应室116A’和120A’ 的热产生和热吸收操作相对于彼此为(或接近)180度异相，以便最小化 化学热力发动机的循环时间(最大化其频率)。

类似地，反应室116B’包含至少一种能够吸收和解吸氢的金属氢化物 材料和优选至少一种与氢工作流体热接触的相变材料。反应室120B’包含 至少一种能够吸收和解吸氢的金属氢化物材料和优选至少一种与氢工作 流体热接触的相变材料。选择反应室116B’、120B’的金属氢化物材料， 使得在冷侧热交换器114B’和热侧热交换器118B’之间期望的温差范围 内，反应室116B’的金属氢化物材料吸收氢(放热)，而反应室120B’的金 属氢化物材料解吸氢(吸热)，且反之亦然。以这种方式，反应室116B’ 和120B’的热产生和热吸收操作相对于彼此为(或接近)180度异相，以 便最小化化学热力发动机的循环时间(最大化其频率)。

在由反应室116A’和120A’实现的热力发动机的循环操作期间，热量 从热侧热交换器118A’流到反应室120A’，以及热量从反应室116A’流到 冷侧热交换器114A’。金属化的双向导向的聚对苯二甲酸乙二酯(PET) 或类似物的膜130A’的能布置在冷侧热交换器114A’和反应室116A’之间， 以最小化从冷侧热交换器114A’流到反应室116A’的不必要的热量。类似 地，金属化的双向导向的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或类似物的膜132A’ 能布置在热侧热交换器118A’和反应室120A’之间，以最小化从反应室 120A’流到热侧热交换器118A’的不必要的热量。

在由反应室116B’和120B’实现的热力发动机的循环操作期间，热量 从热侧热交换器118B’流到反应室120B’，以及热量从反应室16B’流到冷 侧热交换器114B’。聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或类似物的膜130B’能 布置在冷侧热交换器114B’和反应室116B’之间，以最小化从冷侧热交换 器114B’流到反应室116B’的不必要的热量。类似地，聚对苯二甲酸乙二 酯(PET)或类似物的膜132B’能布置在热侧热交换器118B’和反应室 120B’之间，以最小化从反应室120B’流到热侧热交换器118B’的不必要 的热量。

两个热堆叠134A’和134B’布置在壳体112’的内部空间内，在谐振腔 140’的相对侧面上。热堆叠134A’、134B’的每个优选由一连串的薄平行 散热片，或由导热材料，例如铜、库珀合金、不锈钢、热解石墨制成的薄 杆状构件的互连的网格实现。热堆叠134A’、134B’也能从蜂巢状薄壁陶 瓷结构实现，例如纽约Corning的Corning Environmental Technologies所 销售的

热堆叠134A’具有一个侧面136A’，与侧面138A’相对。侧面136A’ 与反应室116A’热接触。在通过反应室116A’和120A’实现的热力发动机 的加热和冷却循环期间，在热堆叠134A’的侧面136A’经历反应室116A’ 的循环温度变化。这种循环的温度变化造成热堆叠134A’的热声振荡。

热堆叠134B’具有一个侧面136B’，与侧面138B’相对。侧面136B’ 与反应室116B’热接触。在通过反应室116B’和120B’实现的热力发动机 的加热和冷却循环期间，在热堆叠134B’的侧面136B’经历反应室116B’ 的循环温度变化。这种循环的温度变化造成热堆叠134B’的热声振荡。

谐振腔140’在热堆叠140A’的侧面138A’和热堆叠140B’的侧面138B’ 之间延伸。设计热堆叠134A’、134B’以及谐振腔140’成使得热堆叠134A’、 134B’的热声振荡合作以在谐振腔140’内形成压力驻波。压力驻波的频率 等于或接近热力发动机的工作频率。在优选实施方式中，谐振腔140’的 有效长度与压力驻波波长的1/2成比例。壳体112’能适应为使得谐振腔 140’的内表面是声反射的，并因此最小化在其中的任何声损耗。

压电换能器144’布置在谐振腔140’内。压电换能器144’由压电材料， 例如石英、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实现。在优选实施方式中，压电换能器 144’实现为薄杆状压电构件的互连网格。在谐振腔140’内产生的压力驻波 在压电换能器144’上引起循环的机械应力。至少一对电极146A’、146B’ 电连接到压电换能器144A’。电极146A’、146B’输出由压电换能器144’因 在谐振腔140’内产生的压力驻波在其中引起的循环的机械应力而产生的 电信号。

在所示的说明性实施方式中，冷源124’(比如，冷空气)注入或吸 入管状壳体112’的一端，并流经管状壳体112’的内部空间，在该内部空 间冷源由于热力发动机的运行而变暖，从管状壳体112’的相反端喷射或 抽出。在这种配置中，布置在壳体112’内部空间内的系统的部件(冷侧 热交换器114A’、膜130A’、第一反应室116A’、热堆叠134A’、压电换能 器144’、热堆叠134B’、反应室116B’、膜130B’、冷侧热交换器114B’) 允许这种冷流体的流动通过。

在未显示的可替换的实施方式中，冷源124’能被流体耦合器或类似 物供应给冷侧热交换器114A’、114B’。当使用这种流体耦合器时，布置 在壳体112’内部空间内的系统的部件(冷侧热交换器114A’、膜130A’、 反应室116A’、热堆叠134A’、压电换能器144’、热堆叠134B’、反应室 116B’、膜130B’、冷侧热交换器114B’)不需允许这种冷流体的流动通过。

反应室116A’、120A’、116B’、120B’的金属氢化物材料能保持在一 个或更多个台或其它储存容器里。这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

v)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。

反应室116A’、120A’、116B’、120B’的相变材料可以是沸石、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。

如以上所描述的，冷供应124’被供应给冷侧热交换器116A’和116B’。 热供应126’被供应给热侧热交换器118A’和118B’。冷供应124’优选包括 用于在化学热力发动机的多个加热/冷却循环期间，将连续的冷流体供应 提供给冷侧热交换器116A’、116B’的循环器(比如，泵、风机)。热供应 126’优选包括用于在热力发动机的多个加热/冷却循环期间，将连续的热 流体供应提供到热侧热交换器118A’、118B’的循环器(比如，泵、风机)。

在示例性的配置(在环境空气比深层地温暖和时有用)中，冷供应 124’能由冷地热源产生，热供应126’能从环境空气产生。冷地热源能够是 流体，例如水或空气，当经过与地热接触的管道时被冷却。冷地热源也能 够是从井或水体(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。

在可替换的配置(在深层地温比环境空气暖和时有用)中，冷供应 124’能从环境空气产生，而热供应126’能由热地热源产生。热地热源能够 是流体，例如水或空气，当其经过与地热接触的管道时被加热。热地热源 也能够是从井或水体(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。

应认识到，热交换器118A’和关联的反应室120A’的热侧功能能够与 热交换器114A’和关联的反应室120A’的冷侧功能交换，类似于图11B所 显示的。热交换器118B’和关联的反应室120B’的热侧功能能够与热交换 器114B’和关联的反应室120B’的冷侧功能交换，类似于图11B所显示的。 以这种方式中，系统能依赖于源的相对温度在配置之间转换。可选地，阀 和管道系统能耦合到热源和冷源，并用来允许图12的系统依赖于源的相 对温度在配置之间转换。

可提供流体供应源和压力控制机构(未显示)来将工作流体(比如氢) 加到反应室116A’、120A’、116B’、120B’，并根据需要调节在这样的室 内的工作流体的压力。当氢用作工作流体时，流体供应源能由氢的容器或 可能地用通过水的电解产生氢的装置来实现。压力控制机构能由泵和阀来 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。

由冷侧热交换器114A’、反应室116A’、热侧热交换器118A’和反应室 120A’实现的热力发动机以与关于图11A、11B和图3而在上面描述的热 力发动机类似的方式工作。由冷侧热交换器114B’、反应室116B’、热侧 热交换器118B’和反应室120B’实现的热力发动机也以与关于图11A、11B 和图3而在上面描述的热力发动机类似的方式工作。以连续的方式，冷源 124’持续地将冷流体供应给冷侧热交换器116A’和116B’，热源126’持续 将热流体供应给热侧热交换器118A’和118B’。利用冷源124’和热源126’ 之间的温差产生功。更具体地，如以上参考图3所详细描述的，这个温差 用于使反应室116A’、118A’内的氢工作流体、金属氢化物和相变材料(如 果有)的温度和压力循环以便在那里引起温度变化。反应室116A’的温度 变化引起热堆叠134A’的热声振荡。冷源124’和热源126’之间的温差也使 反应室116B’、118B’内的氢工作流体、金属氢化物和相变材料(如果有) 的温度和压力循环以便在那里引起温度变化。反应室116B’的温度变化引 起热堆叠134B’的热声振荡。热堆叠134A’、134B’合作在谐振腔140’内 形成压力驻波。压力驻波的频率等于或接近两个热力发动机的工作频率。 压力驻波在压电换能器144’上引起循环的机械应力。电极146A’、146B’ 输出因谐振腔140’里产生的压力驻波在其中引起的循环的机械应力而由 压电换能器144’产生的一系列高电压、低电流电脉冲(V+，V-)。

有利地，本发明的能量转化系统和方法能容易地适应于经历大的和/ 或高频温度变化，这些变化通过热声元件引起大的和/或高频压力波的产 生。这种大的/高频压力波产生大的/高频应力和压电换能器相应的大的/ 高频变形。这种变形导致高电压、低电流脉冲，所述脉冲由功率变换器转 换以产生适合于广泛的供电应用，例如住宅或商用供电应用的电功率。此 外，本发明的能量转化系统和方法能容易地适应于利用环境友好、低成本 的地热的和环境的热源和冷源来驱动系统。

这里已经描述和示出了几种结合压电材料使用热力发动机产生电的 系统和方法的实施方式。电能从压电材料获得并转换成可用的形式。虽然 已经描述了发明具体的实施方式，但是不希望把发明限制于此，因为希望 本发明在技术允许的范围内尽可能的宽泛，并同样地来理解说明书。因此， 虽然公开了具体的系统配置，但应认识到，也能使用其它的系统配置。例 如，预期热侧热交换器和冷侧热交换器能布置在邻近热堆叠的相对侧面， 以便引起热堆叠的热声振荡。在另一实施例中，多个热堆叠和关联的热交 换元件能串联布置来产生压力行波(traveling pressure wave)。一个或更多 个压电换能器元件能沿压力行波的路径布置以便从那里产生电信号。在图 13所示的又一配置中，预期这里描述的化学热力发动机和热声堆叠能安 排在管中管类型的配置中。在这种配置中，内管181承载冷(或热)源以 及一个或更多个反应室、热交换器、热堆叠/压电换能器。外管183承载 冷(或热)源以及一个或更多个反应室、热交换器、热堆叠/压电换能器。 内管181的反应室流体地耦合到外管183的反应室。被流体地耦合的反应 室所实现的化学热力发动机产生的温度循环在各自管里的热堆叠内引起 热声振荡，所述热声振荡本身又引起各自管的压电换能器的变形和从此产 生的供电信号。同样的，虽然已经描述了具体的热源和冷源，但预期热力 发动机能用其它的热源和冷源驱动。例如，海水和环境空气能用作冷源和 热源，或反之亦然，这依赖于季节。此外，虽然已经参考热力发动机和压 电换能器元件公开了具体的材料和设计，但应认识到，也能使用其它的配 置。例如，预期压电换能器和热堆叠能整体形成为单一的部分，例如，通 过将压电材料集成到陶瓷热声结构中。也预期在热堆叠产生的声能冲击在 系统的压电换能器元件上之前，转换或以其他方式改变该声能。例如，声 能冲击在系统的压电换能器元件上之前，可增加这种声能的频率，而减小 这种声能的振幅。

此外，虽然已经公开了具体类型的静电电动机和机电电池，但应理解 能够使用其它的类型。例如，预期机电电池的永磁体阵列(permanent array of magnet)能够是定子的部分，电连接到此的绕组能够是转子的部分。 在另一实施例中，静电电动机的定子组件能布置在静电电动机的转子外 面。同样的，虽然已经描述了优选电子电路和部件，应认识到能类似地使 用其它电子电路和部件。此外，虽然已经参考热力发动机和压电换能器元 件公开了具体的材料和设计，但应认识到也能使用其它配置。

因此，本领域技术人员应认识到，对所提供的发明还能进行一些修改 而不偏离其所要求的精神和范围。