CN103201941A - 通过使用各种来源的热量使可电极化材料进行热循环发电的方法和装置以及具有所述装置的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种将热量转换成电能的方法，所述方法包括使夹在多个电极之间的可电极化材料进行热循环。可以使用从燃烧反应、太阳能、核能、海水、地热能中获得的热能或者工业过程中回收的热能对所述材料加热。本发明还描述了一种装置，所述装置包括夹在多个电极之间的可可电极化材料以及加热所述材料的热交换器。加热所述材料的热源可以是燃烧装置、太阳能集热器、或者加热炉排气装置上的组件。可替代地，所述热交换器可以是一种从地球、太阳、海水、工业过程、燃烧反应或者核反应中吸取热能的装置。本发明还描述了一种车辆，所述车辆包括用于将热量转换成电能的装置，所述装置与电动机连接。

Description

通过使用各种来源的热量使可电极化材料进行热循环发电的方法和装置以及具有所述装置的车辆

本申请是以地热能源公司（Neothermal Energy Company）的名义、按照PCT国际专利申请的方式于2011年9月28日提出的，其中地热能源公司这一美国国家公司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）仅在美国被指定为申请人。

相关申请的交叉引用

本PCT申请主张2011年9月28日提交的申请号为13/247,525的美国专利申请的优先权和权益，该美国专利申请（申请号为13/247,525）本身主张2010年10月6日提交的申请号为61/390，435、2010年10月6日提交的申请号为61/390,453、2010年10月13日提交的申请号为61/392,781、2010年10月13日提交的申请号为61/392,787、2010年10月13日提交的申请号为61/392,801、2010年10月21日提交的申请号为61/405,516、2010年10月22日提交的申请号为61/405,918的未授权的美国临时申请的权益。本申请还是2011年9月7日提交的申请号为13/226,799的未授权的美国专利申请的延续部分，该美国专利申请（申请号为13/226,799）是2009年5月14日提交的申请号为12/465,924的已授权的美国专利申请的延续部分并主张2010年9月29日提交的申请号为61/387，752的未授权的美国临时申请的权益。本申请还是2011年9月8日提交的申请号为13/228,051的未授权的美国专利申请的延续部分，该美国专利申请（申请号为13/228,051）是2009年5月14日提交的申请号为12/465,924的已授权的美国专利申请的延续部分并主张2010年9月29日提交的申请号为61/387,760的未授权的美国临时申请的权益。以上每个申请的全部内容引入本文中作为参考。

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件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所述发明的"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，并与单独引用每个参考文献作为参考的程度相同。

技术领域

本发明涉及从特定的应用中产生、获取热量并利用所述热量发电。根据本发明，通过铁电材料或其他可极化材料处于其铁电相对应的温度范围内时发生的自发极化，使热量转换成电力，随着铁电材料因温度变化到达或转换为顺电相或非铁电相，热量快速减少或消失。

背景技术

众所周之，发电需要新技术。尤其需要一种通过热能发电的新技术。本发明公开了可以从各种来源中产生或获取热量且利用所述热量发电的装置和方法。

本发明与2009年5月14日提交的申请号为12/465，924、7,982,360的已授权的美国专利申请以及申请号为13/226,799、13/228,051的美国专利申请中已经公开的热-电转换装置和方法相关。在这些专利中公开了利用铁电材料或其他可极化材料固有的自发极化使热量转换成电力的装置和方法。与现有技术不同，本发明利用铁电材料的自发极化以及所述自发极化在相变时发生的快速变化将热量转换成电能。前述的专利和申请中提出的装置和方法是将热能转换成电力的新途径。在特定的应用中，将这些装置和方法与其他技术相结合从而利用可获得的热量发电。

发明内容

本发明为特定的应用提供了装置和方法，在特定的应用中利用铁电材料或其他可极化的材料将热量转换成电能。本发明的特定应用包括从燃烧热中产生电力、利用车辆面板上产生的热量产生电力并使用该电能、从太阳能中产生电力、从工业过程的热量中产生电力、从核过程中的热量中产生电力、从地热能中产生电力以及从海洋热能中产生电力。

对于每个应用，根据热力学定律可知，从热源中减少热能以及在低温时将热量转移给散热装置将导致热能转换成电力。本发明可以使用燃烧产生的热量，这是一种普遍使用的热源。总之，任何产生净热量输出的化学反应或反应集是燃烧热量的来源，可以为本发明使用。燃料和氧化剂（不管是氧气还是其他的）之间的化学放热反应，只要能产生热量都为热源。燃烧可以是催化的或者其他的方式。本领域技术人员熟知很多利用燃烧产生热量的装置和方法，这些装置和方法都可以用在本发明中。例如，可以利用各种不同的锅炉通过燃烧产生热量，包括火管锅炉、水管锅炉、分段锅炉、快速蒸发锅炉以及其他锅炉。

利用以上或其他燃烧热源中的任意一种，本发明中的铁电体发生器使用如此产生的热能，将热量转换成电力。燃烧获取的热量可以直接用于加热铁电材料，也可以用于加热工作流然后再利用所述工作流加热铁电体发生器；或者使用一个或多个热交换器将燃烧的热能转移给铁电体发生器。低温时，从铁电体发生器中摈弃的热量被抽取并转移给散热装置。

在一实施例中，本发明还提供一种为电动车提供动力的装置和方法。在本实施例中，利用本发明的热量-电力转换装置在车辆上生成电力，同时车辆上还产生热能。为给电力发生器提供动力而产生的热量来自不同的热源，包括传统的燃烧、催化燃烧以及很多不同的放热反应。碳氢化合物是一种燃料来源，使用所述碳氢化合物可以生成热量，并将所述热量转换成电力。还可以使用其它热能载体以避免依赖石油基燃料。

将所述装置产生的电力转移给一个或者多个电力存储和控制单元，包括那些适用于调节电力并存储电能的单元。例如，可以用超级电容器或电池存储电力。由此产生的并调节的电能用于为电动机提供动力以驱动车辆运动，还用于控制车辆上的外部设备运行。

通过先吸收太阳辐射作为热量，本发明还可以用于将太阳能转换成电力。本领域技术人员熟知很多吸收太阳能作为热量的装置和方法，这些装置和方法均可在本发明中使用。在一实施例中，用集热器吸收太阳辐射，所述集热器的表面设计成具有如下吸收性能和发射性能，即根据太阳能吸收器表面所达到的温度的不同，吸收高百分比的较短波长的太阳辐射并发射低百分比的较长波长的太阳辐射。所吸收的热能作为发电的热源可以直接应用于铁电体发生器或者存起来待以后用。

在本发明的一实施例中，包含太阳能吸收表面的平板太阳能集热器用于将太阳能转换成热量。在另一实施例中，采用真空管太阳能集热器，真空可以减少热量损失。在又一实施例中，真空管太阳能集热器包括双向导热管以促进热量的转移。

通过使用非成像的辐射能反射器或集中器可以提高太阳能吸收量。本发明中也使用成像集中器，如抛物槽。这些成像集中器一般具有较高集中度，因此获得较高工作流温度。还可以设计集中器使它们可以追踪太阳，从而比固定的吸收器吸收更多的太阳能。

本发明还可使用工业及相关过程中产生的废热作为热源。从工业及其他过程中产生的热源包括，尤其是来自化学、石油、林产品工业中的气体和液体的废热、来自食物生产和处理过程中的热量、来自石油提炼的热量、以及来自冶金、钢铁制造、铝合金厂、水泥厂以及很多制造工厂的热量。

在一实施例中，通过热交换器回收过程中的废热并将其传递给一条或多条工作流，然后，这些工作流为铁电体发生器提供了热量，使其发电。本发明可以直接将过程中产生的废热回收并转换成电力，也可以与其它热电联产系统共同使用，通过所述其它热电联产系统将高温废热先用于一些其他目的，例如，重加热或预热。

本领域技术人员所熟知很多用于从工业过程中回收废热的装置和方法，这些装置和方法都可以用在本发明中。热量回收装置可以内置于排气流或废热流的任何流经点，该流经点中存在用于为本发明的热电发生器提供热能来源的热量。

在另一实施例中，本发明的热量可以通过核过程生成。本领域技术人员熟知很多装置和方法，通过这些装置和方法，核过程产生能够被抽取然后用于本发明的热电发生器的热能。这些核过程包括核裂变、核聚变以及放射衰变，每一种过程都释放热能。当本发明使用能够产生极高温度的核过程时，可以直接使用本发明利用产生的全部的热能生成电力，也可以将本发明与其它利用所产生的较高温度热能的装置共同使用。

地热能提供了另一种热源，所述热源可以在本发明中使用。在一实施例中，本发明利用地热发生设备的地热能特性驱动电磁发生器，所述地热发生设备借用机械中间结构，如有机兰金引擎（organic Rankine engine）。本发明可以直接使用这些从地面抽取的地热能，也可以与现有的地热发生系统共同作用，通过在这些设备利用低温热量产生额外的电力，以增加设备的输出量。

在另外的实施例中，本发明可用于从低温热量中产生电力，可行的低温处于周围的表面温度与相邻的次表面温度之间。本领域技术人员熟知很多地下与地上周围环境进行热交换的方法和装置，这些方法和装置都可以用在本发明中。

本发明使用海洋热能转换系统（OTEC）作为另一种热源。一般来说，在位于将近1000米的深度处，海水处于一个相对一致的温度，大约4-5°C，然而，热带的地表水一般在22到29°C，允许的卡诺效率达到8%。利用热差产生电力的系统包括2个独立的功能：（1）系统将较热的地表水和较冷的地下水带动至动力设备；以及（2）系统本身是一个动力产生装置。本领域技术人员熟知各种可以实现第一个功能的技术，为发生设备提供热水和冷水。这些技术或其他技术中的任何一种都可以与本发明一起使用。

每个前述的申请中都提供一种可以应用于本发明的电力发生器的热能源，其中该电力发生器与特定应用中相应的散热装置配合使用。在这些例子中，发生器包括铁电材料和其他的可极化材料，当这些材料处于铁电相时，在没有施加外部电场的情况下，这些材料自发极化。通过极化那些电偶极子，使可极化的晶胞与晶域对齐，合作作用的每个电偶极子的极化相结合，在整个材料系统内产生非常大的净自发极化。本发明利用自发极化以及热循环过程中发生的极化的快速变化来将热转换成电能。

通过使用一个或多个热交换器，铁电材料的温度得以控制，以便所述铁电材料转换为铁电相。在转换过程中，一个相对小的电场将铁电体极化。所述电场可以是外部施加的也可以是内部生成的。极化场将自发电偶极子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子用作实现热电转换的有效方式而言，极化是必不可少的,是一种有效的将热量转换成电力的方法。

当本发明中的铁电材料或其他可极化材料为铁电相且被极化时，在没有外部感生的情况下，自发地由电偶极子产生非常强的固有电场。自发极化在铁电体的表面上引起非常密集的束缚电荷，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。随后利用一个或多个热交换器改变铁电体的温度，以使它变成顺电相或非铁电相，以便铁电体根据使用的特定材料和该材料绕着进行循环的相变温度转换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到外部电路。

如申请号为12/465,924的美国专利申请中所公开的，通过利用一个或多个热交换器使铁电材料的温度可以围绕相变温度循环，通过在热源和散热装置之间运行，在所述发明中使得热能有效地转换成电能。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触发自发极化，所述热循环包括申请号12/465,924的美国专利申请中提到的一般循环。如申请号为13/226,799的美国专利申请所公开的，本发明中使用的热循环具有两个等温阶段和两个恒定极化阶段。在所述循环中，第一阶段期间使铁电体冷却到低于转变温度的较低温度T_L，同时使总极化在较低值P_L处保持恒定，并断开电路。在下一步骤期间，直到极化增加到所述循环的最大值P_H时才等温地撤热，在所述点处在电极表面存在非常密集的束缚电荷。所述步骤期间，闭合电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。正是在所述步骤期间，剩余极化场使得产生的偶极子在一个方向上偏置——即偶极子被极化。在申请号为13/228,051的美国专利申请中提出的装置和方法，极化场由铁电体表面的电极上在放电后剩下的自由剩余电荷生成。

在所述循环的最后步骤期间，再次闭合电路，直到极化降低为P_L时才等温输入热量。所述步骤期间，电极上的屏蔽电荷变为非屏蔽，且以自生高电压释放到外部电子线路中。如申请号为13/228,051的美国专利申请中公开的，在一实施例中，并不是抽取了电极上的所有电荷。相反，在残留的剩余电荷足以进行极化时断开电路，此时对应于P_L。然后，所述循环连续重复。

所述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。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非本征（或不规则）铁电体。本发明的应用中，开发本发明的铁电体的自发极化允许热到电能的稳固转换。热可从热源输入到铁电体中，或通过传导、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从铁电体抽取到散热器。

单级转换模块包括单个铁电材料或其他可极化材料。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充足的应用中更有效地将可用热能转换为电力；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相变温度。热再生技术的使用还可能影响特定应用中需要的级数。

一方面，本发明涉及将过程中的热能转换成电力的装置。在一实施例中，所述装置具有铁电体层，所述铁电体层具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面，其中所述铁电体层由具有相变温度的铁电材料制成，当该材料处于铁电相时，该材料中将发生自发极化，而且被极化后，该铁电体层将发生整体净自发极化；随着铁电体温度的变化，它将跨越转变温度，该材料进入顺电相或非铁电相，在顺电相和非铁电相中，铁电体层具有可忽略的或不存在总净极化。

所述装置还包括一对分别位于所述铁电体层第一表面和第二表面的电极，其中所述电极对由导热且导电的材料制成。所述装置还包括相对于所述电极对设置的构件，所述构件用于交替地传输冷流体和热流体以交替地在低于居里温度T_c的第一温度T_L时冷却所述铁电体层，在高于居里温度T_c的第二温度T_H时加热所述铁电体层，这样使所述铁电层的铁电材料在（1）铁电相与（2）顺电相或非铁电相之间经历交替相变。

另一方面，本发明涉及一种将热能转换成电力的装置。在一实施例中，所述装置包括具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面的铁电体层，其中所述铁电体层由以居里温度T_c为特征的铁电材料制成，当铁电材料的温度低于居里温度T_c时，该铁电材料处于铁电相，发生自发极化，当铁电材料的温度高于居里温度T_c时，铁电材料不存在自发极化。所述装置还包括一对分别位于所述铁电体层第一表面和第二表面的电极，其中所述电极对由导热且导电的材料制成。

进一步地，所述装置还包括相对于所述电极对设置的构件，所述构件用于交替地传输冷流体和热流体以交替地（1）在低于居里温度T_c的第一温度T_L时冷却所述铁电体层，（2）在高于居里温度T_c的第二温度T_H时加热所述铁电体层，这样使所述铁电层的铁电材料在铁电相与顺电相之间经历具有温度循环的交替相变。

另外，所述装置可具有电性连接到所述对电极的一对电导线，这样当铁电材料循环以消除铁电层的总极化时，与电性相反的屏蔽电荷对应的电能以高电压输出到所述对电导线。也可通过一开关连接电导线，以便在所述对电导线之间施加DC电压，从而在铁电材料位于其铁电相或转变成铁电相时创建极化场。此外，所述装置可包括用于监控铁电层的一个或多个温度和电容量、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和第二流体通道、一个或多个热交换器以及多个控制阀，所述第一流体通道和第二流体通道分别形成于所述对电极上、电极中或者邻近所述对电极处，这样当冷流体通过第一和第二流体通道中的至少一个时，冷却铁电层，以及当热流体通过第一和第二流体通道中的至少一个时，加热铁电层；设置一个或多个热交换器，使第一和第二流体通道交替地传输冷流体和热流体，从而交替地以第一温度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、凭借一控制电路使多个控制阀得以协调，从而实现所需循环。

在另一方面，本发明涉及一种将热转换成电力的方法。在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：提供具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的铁电层，以及包括分别设置在所述铁电层的第一表面和第二表面上的一对电极。其中，所述铁电层包括具有一相变温度的铁电材料，当所述材料处于铁电相时，铁电体的内建立起自发极化，并且极化时铁电层形成总净自发极化，这样随着铁电体的温度变化，其跨越转变温度，所述材料会进入一顺电相或反铁电相，其中所述铁电层具有可忽略不计的总净自发极化、或不具有总净自发极化。所述电极包括导热且导电材料。

所述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路，在恒定极化下进行冷却和加热。

所述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抽取热量的步骤，所述步骤凭借交替地传输热流体流和冷流体流得以实现，从而以交替方式使铁电层增加或抽取热量，此时总极化变为分别由P_L和P_H表示的低水平和高水平。在这些步骤期间，闭合电路以允许改变极化，并且抽取和增加的热量对应于转变焓。

所述方法还包括在温度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。所述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释放到外部电子线路中，同时以等温方式向铁电层内输入热量，且极化缩小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。P_L对应剩余电荷，所述剩余电荷足够建立充分极化的场。在另一实施例中，当铁电层的铁电材料产生的电能发电到外部电路中，且电路闭合，同时所述铁电层等温加热时，在所述步骤中，所述最小的极化可变成忽略不计或为零。

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装置和流体连通，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抽取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；其中设置有第一和第二流体通道，以用于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，协同本文描述的加热和冷却循环在断开位置和闭合位置之间切换电路。

在另一实施例中，与通过相变使铁电材料循环相反，所述铁电材料从较高的极化程度循环到较低的极化程度，自始至终为铁电相。

除了具有晶体结构的材料以外，本发明可使用可电极化的非晶态聚合物材料。对上述非晶态聚合物而言，可极化单元在原子和分子水平呈现出电偶极子行为。上述可极化的非晶态聚合物（和共聚物）极化时会产生总净极化，而当材料温度越过去极化转变温度时，所述净极化减小并消失。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，所述极化变化伴随着上述非晶态聚合物系统围绕其去极化转变温度循环而出现。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，但应所述理解的是，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非晶态聚合物（和共聚物）。

在另一方面，本发明涉及一种将热量转换为电能的装置。在一个实施例中，所述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与所述第一表面相对的第二表面的铁电层，其中铁电层由以转变温度Tⁿ为特征的铁电材料制成；当铁电材料处于铁电相时，铁电体的晶包内建立自发极化，在极化下，铁电体层出现总净自发极化，因此，随着铁电体温度的改变，其跨越转变温度，该材料进入顺电相或非铁电相，在顺电相和非铁电相中，铁电体层具有可忽略的或不存在总净自发极化。在一个实施例中，铁电叠层的第一表面和第二表面上分别设置有由导热导电材料制成的一对电极。在另一实施例中，每个铁电模块{FMⁿ}的第一表面和第二表面上也分别设置有这样的一对电极；在其它实施例中，相邻铁电模块之间的这一对电极被电绝缘体分隔开。多个铁电模块{FMⁿ}的转变温度{Tⁿ}可能在热源温度与散热器温度之间的范围内连续变化。

所述装置进一步包括相对于叠层铁电模块{FMⁿ}设置的构件，其用于凭借对流、传导或辐射向叠层铁电模块{FMⁿ}输入热量并从叠层铁电模块{FMⁿ}抽取热量，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）顺电相或非铁电相之间的交替相变。

除此以外，所述装置可进一步包括用于监控一个或多个铁电模块FMn的温度和电容量、以及监控加热流体和冷却流体的温度和压力的设备。在计算机的控制下使热循环与铁电模块{FMⁿ}的电气状态相协调，从而本发明可使用的一般热力学循环，包括极化和放电，使加热和冷却与电气输入和输出同步。

在另一方面，本发明涉及一种将热量转换为电能的装置。在一个实施例中，所述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与所述第一表面相对的第二表面的铁电层，其中铁电层由以居里温度T_c ⁿ为特征的铁电材料构成；当铁电材料的温度低于居里温度T_c ⁿ时，铁电材料处于铁电相，其晶胞内建立起自发极化，当铁电材料的温度高于居里温度T_c ⁿ时，铁电材料的晶胞内不再建立自发极化；在一个实施例中，铁电叠层的第一表面和第二表面上分别设置有第一电极和第二电极；在另一实施例中，每个铁电模块{FMⁿ}的第一表面和第二表面上分别设置有第一电极和第二电极。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。在每个铁电模块{FMⁿ}的第一表面和第二表面上设置有第一电极和第二电极的一个实施例中，通过电绝缘体使每两个相邻的铁电模块隔离。多个铁电模块{FMⁿ}的居里温度{T_c ⁿ}可在热源温度和散热装置温度之间的范围内发生连续改变。

所述装置进一步包括相对于叠层铁电模块{FMⁿ}设置的构件，其用于在叠层铁电模块{FMⁿ}上交替传输冷流体和热流体，从而交替地以每个居里温度T_c ⁿ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_c ⁿ的第二温度对叠层铁电模块{FMⁿ}进行加热，从而使叠层铁电模块{FMⁿ}的每个铁电层在铁电相与顺电相之间经历具有温度循环的交替相变。

所述装置还可以包括用于监控一个或多个铁电模块FMⁿ的温度和电容量、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与铁电模块{FMⁿ}的电气状态相协调，使用本发明使用的任一热力学循环，连同极化和放电一起，从而使加热和冷却与电气输入和输出同步、也使加热和冷却与极化和放电同步；所述循环是利用了两个等温步骤和两个恒定极化步骤的循环。

根据以下结合附图对优选实施例进行的说明，本发明的各个方面变得显而易见，但是，在不背离所公开的新颖性概念的精神和范围内，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，并连同其书面说明一起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）阐释了未极化且随机的方位，每个晶域由在个别晶域内方位类似的大量电偶极子组成；（b）阐释了大致极化的材料，其中电偶极子设置在相同的整体方向上；以及（c）阐释了理想的、完全极化的铁电体，所述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，不存在外源场时，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工作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是根据本发明可替代的的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是根据本发明进一步的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是根据本发明更进一步的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状态向（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，从而使得晶胞成为电偶极子，所述电偶极子与整个材料内的其他偶极子作为总体（in the aggregate with）引起了自发极化P_s；

图15示范性阐释了在处于铁电态的KNbO₃的角和面上钾离子和氧离子的位移，其特征在于离子位移产生了自发极化；

图16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）的点图；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（fullthermodynamic variable），且其表示G(T,P)所描述的全极系；

图17是针对样品钛酸铅PbTiO₃的、以温度为根据的自由能的点图，其中极化恒定为P=0.4C/m²；

图18是各种电场值E下极化的点图；以开尔文计量温度，以伏特每米计量E场值；

图19是样品钛酸铅PbTiO₃的熵的点图，所述熵在各种E场值下以温度为根据；以K计量温度，以J/m³-K为单位计量熵；

图20是各种温度值下以极化为根据的自由能的点图；点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抽取和增加热量；

图23阐释了在图22描述的循环中以温度为根据的熵的示意图；仅考虑极化对自由能的贡献，而不考虑诸如晶格热量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，所述变化对应于50μm厚的P(VDF-TrFE)共聚物薄膜的不同继电器开启温度；

图25示出了整体装置的示意图，其中，燃烧装置中产生热量并从中抽取热量；通过一个或多个热交换器将热量传递给一或多条工作流；所述工作流用于为铁电体发生器提供热量；以及散热装置提供一或多条工作流，通过一或多个热交换器抽取所述铁电体发生器的热量；

图26示出了整体装置的示意图，其中，通过一或多个热交换器，车辆产生的热量用于加热工作流，随后用于为铁电体发生器提供热量；散热装置通过一或多个热交换器从铁电体发生器中抽取热量；总之，这样在面板上产生的热量用作产生电力的能源，所述电力用于驱动所述车辆；

图27示出了整体装置的示意图，其中，热量来自太阳能，通过一或多个热交换器转移给一或多条工作流，这些工作流用于向铁电体发生器提供热量，散热装置通过一或多个热交换器从铁电体发生器中抽取热量；

图28示出了整体装置的示意图，其中，通过一或多个热交换器，使用工艺热或废热用于加热工作流，随后用于为铁电体发生器提供热量；随后用于为铁电体发生器提供热量；散热装置通过一或多个热交换器从铁电体发生器中抽取热量；

图29示出了整体装置的示意图，其中，装置中的核过程产生热量并从中抽取热量；通过一个或多个热交换器将热量转移给一或多条工作流；所述工作流用于为铁电体发生器提供热量；以及散热装置提供一或多条工作流，通过一或多个热交换器抽取所述铁电体发生器的热量；

图30示出了整体装置的示意图，其中，热量来自地热能，通过一或多个热交换器转移给一或多条工作流，这些工作流用于向铁电体发生器提供热量，散热装置通过一或多个热交换器从铁电体发生器中抽取热量；

图31示出了整体装置的示意图，其中，从温暖的海洋表面水中获取热量，通过一个或多个热交换器将热量转移给一或多条工作流；所述工作流用于为铁电体发生器提供热量；用冷海水作为散热装置将一或多条工作流冷却，通过一或多个热交换器从铁电体发生器中抽取热量。

具体实施方式

下面将通过以下实施例对本发明进行更具体的说明，这些实施例仅仅用于解释，因为对本领域技术人员来说，许多修改和变化是显而易见的。下面将详细描述本发明的各个实施例。参考附图，通篇附图中相似编号表示相似部件。在本说明书和后续的权利要求中，除非文中明确表明，通篇使用的“一”和“所述”的含义包括复数。同样，在本说明书和后续的权利要求中，除非文中明确表明，通篇使用的“在…中”包括“在…中”和“在…上”。另外，以下对所述说明书中使用的某些用语予以更具体的限定。

所述说明书中使用的用语通常具有它们在本领域中、本发明的上下文中和每个用语使用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，而不会以任何方式限制本发明或任何用语的范围和含义。同样地，本发明并不受限于所述说明书中给出的各种实施例。

如本文所使用的，“左右”、“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用语“左右”、“大约”或“大概”。

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）。晶胞的边长以及其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）。晶体结构具有三维形状。晶胞由其晶格参数、晶胞边长、以及其间的角度所定义，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铁电相，此时其晶胞内会建立自发极化。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，此时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相。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非铁电相的温度。至于“居里温度”是否也适用于后者这些类型的相变的转变温度，似乎并无已建立的用法。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出现的相变化（phase change）的锐利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所述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形成周期循环。对于不规则铁电体，极化表示与一些第一有序参数（primary order parameter）耦合的（coupled to）第二有序参数。

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非晶态材料。一些这样的材料为将热能转换为电提供非常稳固的基础。对上述非晶态材料而言，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非晶态材料的循环。在所述情况下，可极化的非晶态材料像铁电材料那样循环，其中在循环中使用去极化转变温度代替铁电相转变温度。

各种可极化的非晶态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，但所述去极化温度（通常小于250℃）在许多应用的可用范围内，且可极化的无定形材料在循环时稳定地释放电能。能量、极化和电容率之间的关系为：

U=Ρ²/2εε₀

其中采用以上非晶态聚合物时的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非晶态材料的实例包括MXD6尼龙，其转变温度大概为78℃，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100℃。

偶尔（on occasion）地，本文所使用的“极化”的更精确含义是“电位移”。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直接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。当铁电材料为其铁电相时，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总净极化，同时通过极化使晶胞和晶域对齐。本发明进一步开发总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发生所述总净自发极化的大变化。

本发明允许迁移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。这样产生的电能可以输出到与材料从铁电相到非极化相的相变结合的外部电子线路中。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非铁电相，这是因为非铁电相在整个材料内产生可忽略不计的净自发极化。

基本铁电模块围绕其相变温度循环，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所述温度循环，所述热交换器接口位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，所述模式包括对流传递、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与散热装置温度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）温度差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℃，可在所述范围内采用以上铁电体实施本发明。并不存在对装置或方法的操作温度的理论限制，只要有合适的可用铁电体，则也可在低于0℃和高于700℃的温度下使用所述装置和方法。

本领域的技术人员应当理解，在铁电材料与热源的温度T_H以及散热装置的温度T_L之间存在温度梯度。然而，在准静态的热分析中经常不会考虑所述梯度，在准静态热分析中假设理想的等温热量在工作介质（这里指铁电体）与热源以及散热装置之间进行转移，在实际使用中，热量流需要一些梯度。简单地说，这里不考虑所述梯度，T_H可能用于选定热源的温度以及铁电体加热到的温度。类似地，T_L可能用于选定散热装置的温度以及铁电体冷却到的温度。事实上，真实的梯度范围可以影响整体的热效能、能量密度以及其他因素。

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配置；并不受限于或针对任何特定的热源或散热装置；并不受限于或针对热源或散热装置的任何特定的热学特征。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抽取热量，从而实现温度和相循环。

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非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。本发明也可使用呈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装置的热能的可用范围相匹配的相变温度；（2）所述材料以温度为根据的相变锐利度；（3）从极化态转变为非极化态的过程中释放的能量，所述能量表示为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>2μθcm^-2；但由于非晶态聚合物具有非常低的电容率，也可使用极化低很多的非晶态聚合物）；（4）足够高的电阻率，以避免电极上的电荷在向外迁移存储的高电压电能前通过铁电介质泄露；以及（5）与循环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熵（所述因素部分取决于高低循环温度之间温差的量值）。

例如，铅基铁电材料系统提供了较宽范围的可使用的材料组合，例如PZT、PZST、PLT等。构成元素的特定组分的百分比可能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.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非铁电体的列表，但所述列表并不详尽。本文引用所述附录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呈现出相变现象。当晶胞结构经历立方体（顺电相）到四方晶（铁电相）的转变时，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）阐释了钙钛矿晶体处于铁电相时的晶胞结构，其中材料温度高于T_c。在所述实例中，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。正是所述偏移导致了晶胞的局部电偶极子，并且正是这些电偶极子作为总体产生了铁电材料的自发极化P_s。图15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，所述位移导致了晶胞电偶极子。

本发明公开了一些实施例，通过这些实施例，可以在利用来自特定源的热量以及用于特定应用的实际应用中使用铁电体转变发明。下面将给出根据本发明实施例提供的典型的装置和方法以及相关的申请，但并不意图限制本发明的范围。在这些例子中，不仅仅为铁电体热电转换提供热能的热源是必需的，从铁电体发生器中抽取热量的散热装置也是必需的。

实施本发明可以利用一中间热交换器将散热装置与工作流结合使用，该工作流可以从铁电体发生器中直接抽取热量。根据本领域技术人员所熟知的很多技术和设计得到的散热装置和热交换器，可以使用在本发明中。根据特定的应用，可以通过散热装置将热量抽取至周围的空气、地面、水源、或者任意其他的固体、液体或者蒸汽中，这些固体、液体以及蒸汽可用于吸收并驱散热量。例如，根据热发生装置的规模，散热装置可以是片式热交换器、壳-管式热交换器或冷却塔及其他的。用于构建和操作散热装置的装置和方法为本领域的公知技术。在不考虑特定的构造和热源以及散热装置的热特性情况下，铁电体发生装置将采用加热流和冷却流，该加热流和冷却流在本文中所描述的热循环中使用。

燃烧产热。燃烧是最常见的热能来源，该热能来源可以用在本发明中发电。如图25阐释的，通过一或多个热交换器将热量从燃烧装置中抽取并转移到一或多条工作流中，随后这些工作流向铁电体发生器提供热量并使材料按照热力学循环进行循环以实现将热量转换成电能。燃烧可用的燃料、燃烧可以实现的装置和方法以及因外部用途需将热量从燃烧装置中抽取的热交换器有很多种且都是本领域技术人员所熟知的。本发明可利用在已有的申请中使用的任一燃料和燃烧过程实现。所述燃烧过程包括任意顺序的燃料与氧化物之间的化学放热反应，不管氧化物是氧气还是其他的，当所述燃烧燃料转换成不同的化学形式时就产生了热量。燃料可以是气相、液相或固相。燃烧可以是催化的或者其他方式触发的。一般的燃料包括有机化合物，尤其是碳氢化合物、氢气以及生物质。燃烧可以是完全和不完全的，也可以是任意种类或任意特性的，不管是快的、慢的、闷燃、燃的很旺或是其他的。只要能得到热能的净产量，本发明使用的燃烧可以包括这些会产生一些明显的中间物的过程。例如，固体燃料可以经历一些可以生成氧化的气体燃料的高温分解反应。所述高温分解反应是吸热的并需要从燃烧反应中输入热量。总之，只要在依次发生的总反应中产生热量净产量，这种部分吸热的反应就可以在本发明中作为燃烧热量的来源。

多年以来，锅炉通常用于广泛的应用中。锅炉是密闭容器，可在其中加热水或其他流体。因需在加热应用或各种其他的过程使用，加热或蒸发的流体从锅炉中流出。本发明的一实施例中，这种锅炉利用燃烧释放的热量加热工作流。在本领域中有很多熟知的锅炉种类，包括火管锅炉、水管锅炉、分段锅炉、快速蒸发锅炉以及其他的。

特定实施例使用普通类型锅炉，该锅炉在饱和温度时产生蒸汽。这些过热蒸汽锅炉使水蒸发，随后在一或多个过热器中加热蒸汽，相比其他的方式可以在更高的温度下产生蒸汽。在另一实施例中，也可以使用超临界蒸汽发生器。这些超临界蒸汽发生器在高压（通常超过22.06Mpa）的临界点以上运行，在所述临界点时不再发生沸腾，锅炉中没有水-蒸汽分离。本发明可以使用本领域技术人员所熟知的那些燃烧类型和蒸汽发生装置。

参考这些燃烧和蒸汽发生的特定实施例和例子，并不是意味着将本发明中的燃烧的装置或方法局限于这些装置。它们仅作为例子。本发明利用从小到小于1MW的范围到大到超过100MW的范围中的燃烧实现。本发明可以使用任一能产生热量的燃料源，不限于加热水或蒸汽的燃烧系统。一般来说，燃烧装置加热的合适的流体具有相对高比热和高潜热特性。

在一实施例中，本发明提出的装置和方法可用于利用传统的燃料和其他燃料催化燃烧释放的热量发电。使用多种催化剂可以提高传统燃料的燃烧。只有具有特定的燃料-氧气比，一般才会出现传统的火焰燃烧或氧化。当所述混合物偏离理想化学计量比，燃烧经常会不完全并且除了正常的燃烧产物外还产生污染物。使用同质催化剂，可以在一个更大的燃料-氧气比的范围内对氧化进行更好的控制，而且几乎不会产生污染物。在温度足够高时，燃料和空气混合物通常可以在不需催化剂的情况下完全氧化或接近完全氧化。使用适当的催化剂，这个温度将低于不加催化剂时需要的温度，并允许在此温度下无火焰燃烧。在催化剂表面发生的反应释放出热能和燃烧产物。

如Rozenshtein等提出的专利号为5851498的美国专利中所描述的，在一个典型实施例中，特定应用中催化燃烧以产生电力(power)，本文引用该专利在作为参考。该实施例以有一个具有燃烧器的锅炉为特点，该燃烧器使用催化剂促进气态碳氢化合物燃料在空气中无火焰燃烧。

电动车。现在，有很多的关于电动机驱动车辆的技术。本发明公开了一种在车辆上产生电力并驱动车辆的新方法。本发明中，铁电体发生器使用热量发电。在车辆上生成的热能具有多种来源，包括传统的燃烧、催化燃烧以及很多其他的放热反应。碳氢化合物是一种燃料来源，通过这种碳氢化合物可以在车辆上产生热量。本发明中可以使用其他非碳氢化合物或石油基燃料的热能载体。

如图26所阐释的，在车辆上产生热量，并通过一个或多个热交换器将热量转移到一或多条工作流中，随后该工作流用于向铁电体发生器提供热量以使材料进行循环以实现将热量转换成电能，如本文中所描述的。在一实施例中，可接收电力的电动机驱动车辆如汽车、卡车或者巴士，在本发明中该电力由燃烧氢气、柴油、汽油、酒精或其他的碳氢燃料产生的热量转换而来。热量经由工作流从燃烧器中转移给铁电体发生装置。类似地，冷源与铁电体发生器热连通。所述冷源可以是冷却器（radiator）或用于拒绝从铁电体发生器中抽取的环境热量的其他装置。

铁电体装置产生的电力由电路传输至一或多个电力存储器以及控制单元，所述控制单元可以包括各种控制元件和仪表，用于进行适当的电源调节和电能存储。车辆的电力存储可以用超级电容器、电池或其他的本领域技术人员所熟知的存储技术。另外，所述电力存储器和控制单元可以包括配电器和控制电路以调节电压和电流，随后该电压和电流通过电路或电缆传输至一或多个电动机中以驱动所述车辆，并且控制其外部设备运行。

在一实施例中，一或多个超级电容器和一或多个可充电电池的结合用于存储车辆（board）上产生的电力。超级电容器每单位容量存储的电能多于普通的电容器，它们传递电能的额定功率一般高于可充电电池。然而，一般可充电电池比超级电容器具有更大的能量存储容量。车辆在运动中需要不同的动力，例如加速过程就需要更多的动力。由于汽车在空载或慢速运行时几乎不需要动力而且还通过再生断路（breaking）生产可存储的电能，所以本发明中的电力发生装置可以对应的设定小于要求的峰值功率。在一实施例中，例如，达到峰值功率，反之则超级电容器在短期内进行高功率放电。在另一实施例中，可充电电池可以为其他的用途提供额外的电力存储容量，例如，初次启动和当铁电体发生器关闭时对外部设备供电。必须注意的是，由于车辆产生的热量连续的转换成电能，所以在本发明中使用的电池容量一般低于要求的容量，例如，插入电动车中，该电动车仅有从最后充电的电池作为动力源中获得的电能。

如图26阐释的，在车辆（board）上产生热量，并通过一或多个热交换器将热量转移到一或多条工作流中，如本文中所描述的，随后该工作流向铁电体发生器提供热量并使材料按照热力学循环进行循环以实现将热量转换成电能。散热装置通过一或多个热交换器与与铁电体发生器相结合以抽取循环过程中摈弃的热量。尽管燃烧对很多车辆来说都是特别方便使用的热能来源，但是本发明还是可以通过各种类型的热源实现。

燃烧可用的燃料、燃烧可以实现的装置和方法以及因外部用途需从燃烧装置中抽取热量的热交换器有很多种而且也是本领域技术人员所熟知的。上述内容中已公开了这些实施例。所述燃烧过程包括任意顺序的燃料与氧化物之间的化学放热反应，不管氧化物是氧气还是其他的，当所述燃烧燃料转换成不同的化学形式时就产生了热量。一般的燃料包括有机化合物。举个例子，催化燃烧提供的热源可以生成热量并转移到铁电体发生器中以转换成电能。使用各种催化剂可以提高燃料的燃烧，所述方法和装置是公知的。

这些实施例中使用的催化燃烧器和热交换器可以是任意种类的。已在本文中引用的，申请人为梅里史（Maenishi）、专利号为6,431,856的美国专利中描述了适合在汽车或其他车辆中使用的催化燃烧器和热交换器。在这种结构中，气体燃料和空气在预混室中混合并供应给预热燃烧器。使用点火装置在预热燃烧器中形成了火焰，火焰排出的气体将催化元件加热。当催化元件（elements）的温度达到使它产生活性的点时，气体燃料的供应临时中断，在控制电路的控制下使火焰熄灭。火焰熄灭后，气体燃料立即重新开始供应，这样在催化元件中开始了催化燃烧。

在催化燃烧过程中，通过燃烧加热可以使得催化元件上表面温度高达800到850°C，大量的热量从催化元件的上表面散发出来。因为通过辐射使得热量从催化剂转移给热量接收板得以实现，所以可以或多或少均匀的从催化元件的整个表面上抽取热量，并且催化元件表面的温度相对均匀。例如，具有黑漆的高容量的辐射吸收层可以设置在辐射的热量接收板的内表面。具有吸收系数为0.9到1.0的黑漆的高容量辐射吸收层可以有效接收来自催化元件上表面的辐射，所述高容量辐射吸收层与辐射热量接收板导通并与加热介质进行交换。因此，在低于耐热性限制的温度上获得更大的燃烧容量，并且燃烧装置的尺寸可以减小。此处提供的特定的例子和实施例并不打算限定本发明，而是代表一般的装置和过程，如本发明所公开的，产生热量，随后通过一或多个热交换器转移热量并为铁电体发生器提供热量来源。

在车辆中使用非烃类燃料产生热能的一个实施例中，使用铝合金。在一系列化学反应中使用铝合金，以开发其作为热能载体的潜能，不需要依赖石油产物，也不会产生如污染物、温室效应等不需要的副产品。一种反应用水使铝合金发生氧化，2A1+3H₂0→AI₂O₃+3H₂，所述反应释放热能。更进一步，副产物氢气燃烧可以释放更多的热量且没有不需要的副产物：2H₂+0₂→2H₂0.还原氧化铝的废品AI₂O₃以完成能量载体的循环。还原氧化铝的技术为本领域技术人员所熟知。举另一非烃类燃料的例子，锂可以作为能量载体，反应2Li+2H₂0→2LiOH+H₂释放大量的热量。再一次，所述反应产生的氢气燃烧（按照2H₂+O₂→2H₂O的反应）可以释放更多的热量。本发明还可以使用本领域技术人员所熟知的其他的可以产生大量热量的燃烧反应。

太阳能发电。目前存在的两种公认的将太阳能转换成电能的技术——光电转换和太阳热转换。太阳热转换获取太阳能并将其转换成高温的工作流，随后所述工作流为机械发动机和电磁发生器提供动力。斯特林（Stirling）就是这样的一个发动机。如图27示范性的描述的，本发明以一种完全不同的方式利用太阳作为能量来源产生电力。利用本发明的铁电体发生器将太阳能转换成热量，随后利用本发明公开的铁电体发生系统将所述热量直接转换成电能，不需要中间机械发动机或电磁发生器。相比现有的太阳能发电，本发明具有很多优势，其中之一就是可以从低温热源中产生电力，温度低于现有的使用电磁发生其的热-机械系统使用的热源温度。

本发明可以使用很多公知的将太阳能转换成热量的装置。这里的实施例仅为例子，在不违背本发明的精神和范围的情况下，可以做一些替代和改进。太阳辐射由覆盖宽范围频率的电磁能组成，包括可见光、红外线以及紫外线。当太阳辐射与物体相撞，一部分被反射，另一部分通过所述物体传播。这个相对比例取决于所述物体以及它表面的性质。将太阳能集热器设计成可吸收高百分比的、入射的太阳能辐射，这样就提高了热收集装置的温度。当流体流经所述装置时，通过单相或两相热交换器将热量从集热器平板转移到所述流体中。

所述加热的流体可以被直接传输至铁电体发生器或者将热量存储在铁电体发生装置中的热量存储装置中待用。在热交换器未使用所述热量时，所述热量可以直接存储在绝缘的储存器中。交替地，所述流体可以流经热交换器以将热量转移给不同的介质，将介质存储在绝缘的存储器中。适当的时候，存储器中的加热的介质可以用作工作流以加热铁电体层。在另一实施例中，热交换器可用于将存储的介质中的热量转移给工作流中，工作流用于加热所述发生器的铁电体层。存储装置较佳为绝缘的，具有合适的高比热容，用于容纳流体存储介质。

在一实施例中，用平板的太阳能集热器加热流体，一般加热到高于周围温度100°C以上，升高的量受各种因素影响。平板的太阳能集热器由太阳能吸收表面和背面组成。所述表面具有用于将吸收的热能转移给需要的流体的构件。所述背面是绝缘面，可以减少传到过程中的热损失。平板的太阳能集热器还可以具有绝缘的框架及覆盖面。平板的集热器较佳安装在固定位置，所述位置有最佳定位方向。所述太阳能吸收表面或平板集热器的吸收平板可以包括铜、钢、铝或其他具有高导热性的材料。塑料（如三元乙丙橡胶（EPDM）、聚丙烯以及聚乙烯）也可以用在本发明中。在此，附在吸热板上的导管可以成为需要的流体的通道并经由所述流体传导热量。

效能最好的太阳能集热器具有高吸收率α以吸收太阳能谱中的辐射，还具有低长波长发射率ε以使热损失最小化。由于吸热器表面与太阳表面（太阳能谱大约为6000°K黑体辐射）温差太大，吸热器表面发射的辐射的能谱与太阳辐射的能谱差异很大。98%的太阳辐射波长小于3.0μm，然而，在200°C表面发出的黑体辐射，少于1%的所述黑体辐射的波长小于3.0μm。在这种情况下，选择性的表面可以具有高太阳吸收率和低长波发射率。

在另一实施例中，本发明使用真空管太阳能集热器，因为真空可以减少热损失。在一实施例中，真空管太阳能集热器包含一长的、薄的吸热器并且带有玻璃管。辐射的太阳能在玻璃和真空中传播，但是传播的热损失减少了。唯一发生重大热损失的方式是再辐射。相比平板集热器，真空管太阳能集热器能将流体介质加热到更高的温度。本领域技术人员所熟知的多种真空管太阳能集热器结构可以在本发明中使用。

在另一实施例中，真空管太阳能集热器还可以包含加热管以促进热量的交换。波长选择涂层的薄层可以设置在吸热器平板的上部以增加吸热量。这些选择性的表面涂层的注意事项与上面描述的相似，与平板集热器的结构相连接以增加太阳能的吸收量以及使热损失程度最小化。

所述透明玻璃管较佳由硬质玻璃材料组成，如硼硅酸盐或热处理过的钠钙玻璃，之所以选择硬质玻璃材料是因为其坚固且能承受本应用中所达到的高温。所述玻璃管可使吸热器包围在真空中以防止热量在对流或传导的过程中散发。多种既能用玻璃管排出空气又能密封所述玻璃管的方法将是最佳的。在另外的实施例中，使用两个玻璃管，其中一个套在另一个的外面。空气都从内部的管中以及与外部绝缘的两玻璃管之间排出，此时，装入吸热器。

在一实施例中，加热管的两端密闭，一端具有以热接口（有时被称为蒸汽发生器），一端具有冷接口（有时被称为冷凝器）。热接口将热量传导至位于所述管中的工作流中。部分或大量地排出空气，使得工作流在较低的温度沸腾，所述温度低于它在正常的大气压力下沸腾的温度，这样将使得在较低温度时发生热转换。加热管的工作流会对加热管的运行温度产生影响。所述工作流蒸发并上升至加热管顶部的冷接口中。在冷接口中，蒸汽释放潜热，并冷凝回液态。所述加热管和吸热板相互连接以使热转移达到最佳。

适用于所述加热管的工作流受多个因素的影响。由于液体-蒸汽相变是加热管的功能中必不可少的，所以在合适的温度范围及工作压力下所述流体中这两种相都存在。进一步，所述流体蒸发的潜热一般很高。加热管中使用的工作流的例子包括丙酮，因为丙酮蒸发的潜热在56°C为518kJ/kg，而水蒸发的潜热在100°C为2260kJ/kg。水是常用的工作流，在各种压力下，使用的工作温度范围在5°C到230°C。

应当理解，这个描述仅仅只作为真空管太阳能集热器的一个例子，其中有多种配置和结构。在另一实施例中，真空管太阳能集热器没有加热管，而是利用直接的流体系统，在所述系统中，所述流体在流经吸热板上的升管（risers）时被加热。

在平板太阳能集热器或真空管太阳能集热器中使用非成像的辐射能反射器或集中器可以实现太阳能吸收量的增加。所有在进口出射入的能量以给定的角度直接射向真空管，并在真空管中集中。如申请号为4,142,510的美国专利申请中描述的集中器的横截面轮廓，所述专利中描述了最佳的集中度并在本文中引用，

通过减少发生热损失的区域，可以以较高的温度传送热能。例如，可以通过在太阳能辐射源和能量吸收表面插入一光学元件作为集中器来实现这一目的。本发明中可使用所述集中的太阳能集热器以吸收太阳能到更高温度的介质中。集中度以集热器的开孔面积与吸热体面积之比为参考。所述集中度可以是略大于1到大于1000的不同值。本发明可以使用本领域技术人员所熟知的多种集中吸热器的结构。集中吸热器可以用镜子对光反射或折射或者用透镜将太阳能集中在小的吸热区。所述集热器可以是各种几何形状，包括圆柱形、球形以及抛物线形。除此之外，所述集热器的表面可以是连续的或分割的。接收器可以是凸形的、平板的或者凹形的，也可以是包覆的或外露的。所述集热器或接收器都可以是移动的，可以在白天对准太阳以增加吸收效率。

一般来说，集中器可以分成两类：非成像的和成像的。非成像的集中器不会生成清晰的关于吸热体上的太阳的图像，但是一般将孔内的辐射分布至吸热体上。一非成像集中器的例子就是在真空管中增加反射器，非成像集中器将产生一个相当低的集中度，低于10，典型的甚至低于5。成像集中器的例子就是抛物槽集热器，所述成像集中器的集中度在15到45之间，可以将工作流加热到大约500°C。

当直接面向太阳时，集中器的效率最高，利用集中系统追踪太阳的方法是公知的，包括手工定向和机械定向系统。另外，机械系统可以是程序控制系统或太阳追踪系统，也可以是程序控制系统和太阳追踪系统的结合。太阳追踪系统使用传感器以控制系统对齐。这些系统或其他的均可用在本发明中。

工艺热量发电。本发明可以使用多种工艺废热的来源。本发明中使用的工业过程以及其他过程产生的热源包括来自化学、石油、林产品加工中的气体和液体的热量，包括热气清理和液态水蒸气脱水的过程。其他能产生大量热量的工业过程包括，食物产品和工业过程、石油提炼过程、冶金过程、机械制造过程、钢铁、铝、水泥以及很多制造设备。这些过程中典型的温度模式范围从130°C到1600°C。在高温应用中，高温热能经常以多种方式重复使用，不管是加热或其他的。加热时，用电磁发生器生成动力。

如图28所阐述的，回收工艺热或废热，并通过一或多个热交换器将热量转移到一或多条工作流中，如文中所描述的，随后这些工作流向铁电体发生器提供热量以使材料按照热力学循环进行循环以实现将热量转换成电能。散热装置通过一或多个热交换器与铁电体发生器联结以抽取循环过程中摈弃的（rejected）热量。

本发明以两种基本方式中的任一种用在这些应用中。通过将一或多个热电联产或重复使用系统产生的废热转换成电力使其得以实现，或者其可用于从整个热能能谱中发电，所述热能是公开的、没有其他中间重复使用或热电联产系统的过程的副产物。所述转化中潜在的热效率高于下文中涉及的，因为高温T_H和低温T_L之间的温差ΔΤ更大。本发明最佳使用在具有热生成全部过程的特定应用中，还是仅用在一部分总过程中与其他的重复使用或热电联产的热量一起，均取决于所述应用的特定性能，经济因素、交替重复使用机会的性质以及其他因素。

不管是在本发明中使用全部的热量生产过程还是仅将部分热量留着采用其他的重复使用或热电联产系统，所述获取可用的热能的方法和装置是公知的，所述用于将回收的热量转移给工作流的方法和装置也是本领域技术人员所熟知的，所述工作流用于向铁电体发生器输入热能。在过程中使热量回收的特定装置和方法主要取决于所述特定的过程和应用。他们包括，如申请人为欧陆（Onodera）、专利号为4,766,952的美国专利、申请人为伊特（Ito）等、专利号为4,651,814的美国专利、申请人为特路卡（Tonooka）、专利号为3,554,515的美国专利、申请人为Racliff、专利号为7,043,912的美国专利、申请人为Teller、专利号为4,327,670的美国专利、申请人为Horbe、专利号为4,099,019的美国专利、申请人为Cheng、专利号为4,245,693的美国专利、申请人为Johnson、专利号为4,372,937和4,296,800的美国专利、申请人为Russe、专利号为ll7,569,194的美国专利、申请人为Hays、专利号为6,742,337的美国专利、申请人为Tsao、专利号为4,074,660的美国专利、申请人为Gronvaldt、专利号为4,589,890的美国专利、申请人为Yaeger、专利号为4,226,606的美国专利，这些都引用在本文中。这些特别的装置和方法仅意味着提供了可以从各种过程中抽取热量的例子，本领域技术人员还知道其他的适合的方法和装置。

当本发明与现有的热电联产设备联合利用自热电联产设备产生废热发电时，图28中描述的热量来源是热电联产设备不需要的热量。图28中描述的散热装置可以是在设备中存在的散热装置或者其他散热装置。更坚定地说，本发明可以用作完整的发生器，而不是其他热电联产设备的、用于倒置废热的附属物。图28中描述的完整的实施方式，其中在一或多个热交换器中运行的、铁电体发生器的热量来源就是由设备、机器、过程或其他来源直接提供的热量。一般来说，本发明可通过任一可抽取废热的装置和方法实现，连同散热器一起。在示意图28中完全体现了所述过程。

热量回收装置可以插入排气流或非热流的任一具有热量的地方，所述热量可向铁电体发生器提供热能。例如，铁电体发生器使用的热源可以是火炉排风管道或烟囱或任意电气用具，如静电吸尘器、洗刷器、给水加热器、以及废气预热器。在另外的实施例中，铁电体设备可以是成对的冷却回路、散热器、其他的用于冷却设备和抽取废热的冷却系统，如精炼过程、造纸过程、化工过程、输气管道、压缩机泵和其他的工业过程和设备。

除此以外，有用的回收废热的设备包括热交换器、热量存储系统以及热量存储-交换组合系统。在一实施例中，热交换器包括两封闭的流体通道和一界面，这可以放止发生混合、使两流体承受不同的压力以及提供构件，通过所述构件使热量从较热的流体转移给较冷的流体。所述流体可以是气体、液体、凝固中的蒸汽、蒸发中的液体或者流动的固体。

辐射换热器是高温助燃空气预热器，所述预热器用于将火炉中排除气体的热量转移给助燃空气中。在一实施例中，所述预热器可以包括两个同轴的圆柱体，内部的圆柱体可以作为火炉的叠层，在外部和内部的圆柱体之间的同轴空间可以作为加热的空气的通道，一般加热的空气上升并与排出的气流平行。这些设备中使用适当的结构材料可以承受炉气1350°C的温度。在各种实施例中，本发明中可以使用辐射换热器抽取排出的气体中的热量并将所述热量转移给一或多个热交换器以加热一或多条工作流，并向铁电体发生器中输入热量。所述换热器的空气中加入其他的流体以抽取热量。

在另外的实施例中，本发明中使用对流空气预热器。所述预热器是典型的波纹金属或管状设备，用于将助燃空气预热至超过120-650°C的温度范围，所述温度范围为烤箱、火炉、锅炉以及燃气轮机设置的，或者在低至20°C时加热来源中流通的空气。在各种的实施例中这些加热器用于抽取燃料气体热量以供铁电体发生器使用。在本装置使用除空气之外的其他流体以抽取热量并转移热量以供铁电体发生器使用。

废气预热器常涉及气体-液体热交换器，所述热交换器用于利用排出气体中的废热对锅炉中的供给水进行预热。废气预热器经常由循环、螺旋或者平行的翅片管组成，供给水流经所述翅片管，排除的气体流过所述翅片管。废气预热器也可以利用流体中的废热加热空气或其他流体。如图28所描述的，废气预热器可以用在本发明的各个实施例中，通过一或多个热交换器将过程中产生的热量转移给所述铁电体发生器。

废热锅炉是水管锅炉，所述水管锅炉典型地利用气流（如柴油机尾气、燃气轮机尾气、焚化炉控制的污染物或后燃室）中的高温废热生产饱和蒸汽。如图28所描述的，在一实施例中，本发明使用所述废热锅炉抽取气流中的工艺热量，通过一或多个热交换器将所述热量用于铁电体发生器中。

无论如何，这些特定的例子或实施例并不打算限制本发明，而是代表普通的回收和使用工业过程热量的装置和方法，如本发明所公开的，通过一或多个热交换器为铁电体发生器提供热量来源。从来源中吸取热能的装置和方法、热转移和热交换机构的设计和制造均为本领域技术人员所熟知。

从核过程中获取热量。本发明中使用的产生热能的核过程包括核裂变、核聚变和反射衰变。裂变过程产生的能量主要表现为分裂碎片的动能，在较小程度上，还表现为发射中子和其他粒子以及辐射如伽马射线。当各种粒子减速或被吸收时，他们的能量转换成热量。

如图29所阐述的，在一装置中核过程产生的热量，通过一或多个热交换器将热量转移到一或多条工作流中，如本文中所描述的，随后这些工作流向铁电体发生器提供热量以使材料按照热力学循环进行循环以实现将热量转换成电能。可用的核燃料、核过程中产生热能的装置和方法以及可以因外部用途抽取热量的热交换系统有很多，也都是本领域技术人员所熟知的。本发明可以通过任一已有的申请中使用的装置和方法实现。散热装置通过一或多个热交换器与铁电体发生器联结以抽取循环过程中摈弃的热量。

在很多用于产生动力的反应器中，通过热交换器，利用冷却剂抽取的热量产生蒸汽，在随后的兰金（Rankine）循环中所述蒸汽用于驱动涡轮机和电磁发生器。在各种实施例中，各种反应器的设计可用作铁电体发生器的热能来源。在特定的实施例中，冷却回路本身可用于通过热交换器直接加热铁电体的工作流，而不是在其次的加热水以产生蒸汽作为工作流。

核反应可用于各种用途，包括产生动力、研究、生产或者这些的组合。在本发明中，当反应器在动力反应器的核心温度远高于其他反应器，并且所述温度特别适合产生转化成电力的热能时，由其他反应器在较低温度产生的热能也可以用在本发明中。

在一实施例中，液体冷却的反应器利用液体冷却剂冷却所述反应器，并且，当所述冷却剂流出所述反应器时，所述冷却剂具有足够在热交换器中产生蒸汽的高温。一般提到的冷却回路作为基础回路。例如，一般提到的水-蒸汽回路作为次级回路，或者使用蒸汽的传统反应器中的工作流回路，以驱动涡轮产生动力。本发明中可以使用这些反应器，这样使用蒸汽连同一或多个热交换器作为供铁电体发生器用的热量来源。

在另一实施例中，液体冷却的反应器可以用水作基本冷却剂，在这种情况下，提及的反应器作为增压水反应器。如图29所阐述的，本实施例中使用的来自反应器的加热的增压水用作所述铁电体发生器的热能来源。在另一实施例中，所述基本冷却剂是有机液体，例如三联苯。因为这些有机液体的蒸汽压一般低于水的蒸汽压，所以加压程度非常低，这可以具有设计和结构优势。如图29中示范性阐述的，在本实施例中，将加热的冷却剂用作热能来源以加热铁电体发生器的工作流。

在另一实施例中，基本冷却剂可以是液态金属如熔融的钠。在这种液态金属冷却的反应器中，为了将工作流回路与基本钠引起的放射性隔开，一般设中间回路，利用额外的热交换器将基础回路和次级回路分开。所述液态金属冷却的反应器的优点为可以在更高的温度中工作以实现更高的热效率。举例来说，液态钠作为基本冷却剂在接近535°C时从克林契合(Clinch River Breeder)反应器的中心流出。如图29所示范性阐述的，在本实施例中，次级回路用作加热所述铁电体发生器的工作流的热能来源。

只要能产生热能，本发明中可以使用任意反应器，并且所述热能可以通过热交换器抽取并转移到所述铁电体发生器的工作流中。多种实用性的核反应器的设计为本领域技术人员所熟知。当提出核反应器的设计时，期待有其他的用于产生热能的反应器配置、装置以及方法在本发明中使用且作为热能来源。

各种同位素的放射性衰变释放出能量，用在本发明中作为铁电体发生器的热量来源。这些同位数包括，例如，钚-238、铈-244、锶-90、钋-210、钷-147、铯-137、铈-144、钌-106、钴-60以及锔-242。适量的同位素产生高能辐射。在这些注意事项下，例如，一般锶-90或铯-137的α衰减释放的能量是β衰减释放的能量的10倍。辐射必须也是一种类型的，较佳为α辐射，其易于吸收并转换成热辐射。较佳的同位素一般通过其他的衰变模式或衰变链产物不会产生大量的伽马辐射，中子辐射或贯穿辐射。β辐射通过产生次级辐射引起了大量的伽马或X射线，这就需要很强的保护壳。放射性同位素热能单元的设计和结构为本领域技术人员所熟知。

无论如何，这些特定的例子或实施例并不打算限制本发明，而是代表普通的从核过程中产生热量的装置和方法，如本发明所公开的，通过一或多个热交换器将这些热量移除，并用于为铁电体发生器提供热量来源。

地热能发电。传统的“地热能”最常指代存储在地壳中的高温热能源。大量的井和其他装置是典型的用于开发地热能，因此它对产生电力不实用，除非相当大规模的，例如利用很多装置产生千瓦的电量，较佳超过1MW。本发明可以利用来自这些热能存储器的地热能作为热量来源得以实现。

另外，本发明可以利用低质量的热量实现，所述低质量的热量接近表面，一般不需要如此复杂、大型以及昂贵的设备获取。目前已有很多可用的装置和方法，例如，地热供热和制冷，典型地与热泵技术联系在一起，所述技术利用周围环境与相对较浅的地下深度之间温差加热和制冷。在这些系统中提到的热能和温差与别的技术一起一般不足以产生电力。然而，本发明使用浅的地下与地上周围环境之间的温差实现发电。本发明用于利用这些热源发电，这些热源可以是独立的装置，也可以连同地热泵或地源热泵，这些热源也用于加热和/或制冷。

如图30所阐述的，回收地热，通过一或多个热交换器将热量转移到一或多条工作流中，如本文中所描述的，随后这些工作流向铁电体发生器提供热量以使材料按照热力学循环进行循环以实现将热量转换成电能。散热装置通过一或多个热交换器与铁电体发生器联结以抽取循环过程中摈弃的热量。本发明可以利用来自各种地热源的热量实现。

术语如“地热交换”或“地源热”经常用于区分在周围的表面温度与靠近地下的温度之间可用的低温热量。在此，术语“地热能”可以用于指代来自最宽泛意义上的地球的可用的热能，也可以用于指代更高温度的更少种类以及高质量的热量，所述高质量的热量典型的是更深的深处可用的热量。从上下文看，术语的意思很清楚。

地热的有效性随着位置的变化而不同。在一些地方，没有适当的可获取（assessable）的地热。在另一些地方，有稳定的、可以实际获取且划算的地热源。现在，全球的地热发电量已经超过10,000MW。本发明可以利用在现在这些发电出现的全部位置以及类似地方提供的地热源实现。进一步，由于与其他动力发生技术相比本发明的效率更高，全球可用的位置即真的可以开发成地热源以发电的位置扩大，超出了现有技术中实际使用的位置。地壳中的地热总含量主要集中于150°C的范围。温度在250°C或其以上，即使在深度达到10KM的地方也只有极少的地热可用。因为与现有技术相比，本发明可以更有效地利用低温热源（≤150°C）发电，所以本发明潜在的优势尤其强大。

在发电装置中，将本发明与现有的地热生产设备结合以从废热中生产更多的电量。在所述实施方式中，如图30所描述的热源可以是所述发电装置摈弃的热量，散热装置可以是所述设备中现有的散热装置。然而，更坚定地说，本发明可以用作完整的发生器，而不是作为传统地热发电装置的附属物，以上下传输废热。如图30所描述的完整的实施方式中，铁电体发生器的热源可以是地热源提供的热量，该热源流经一或多个热交换器。

一般来说，本发明可以通过任意可吸取地热的装置和方法连同散热装置一起实现。钻井以及其他的可接近以及回收地热源中的热量的方法，包括现有的先进的地热系统以及新兴的钻井技术，均为本领域技术人员所熟知，并且它们全部可用于本发明的各个实施例中。

传统的地热资源通常分成4类：水热、地内密封热（geopressured）、高温岩以及熔浆。可以自发产生热流体的系统称为水热或对流优先。遍及世界的大部分地方，水热容器的一或多种必要成分正在消失。尤其是，虽然储集岩是热的（>200°C），但是不足以生产足够的流体以实现商业化的热量吸取，由于低构造渗透性或自然容纳的流体的缺乏。所述构造形成了一部分被称为高温岩（HDR）或者优化的地热系统的地热资源。原则上，通过钻到足够产生岩石温度的深度，HDR系统在世界各地都是可用的，其中所述岩石温度对热量吸取很有作用。因为在一个低级的、低梯度区域（20-40°C/km）、深度在4-8km的地方发电，温度要求达到>150°C。在高级的、高梯度系统（60°C/km）深度在2-5km处的地方发电足以达到所述温度。利用强大的资源库，HDR资源有提供大量初级能量的潜力。由于低渗透性构造，热量吸取方法是直接的：钻井的深度达到足以接近有用温度的深度，通过水压使岩石碎裂以创建大量的热转移表面积，用第二个井对这些碎片进行拦截。通过断裂的区域使水从一个井循环到另一个井中，这就可以从岩石中吸取热量。如果具有足够自然的渗透性的岩石以狭窄的几何学的形式存在，则可使用这些用于油回收的技术以及其他技术，这些技术类似于注水或蒸汽驱动。

地热钻井的当前发展水平先进于石油和气体钻井的当前发展水平，合并工程方法以解决与地热环境相关的问题，如温度对仪器的影响，套管的热膨胀、钻井硬度以及井漏。所述技术是本领域技术人员所熟知的。这些技术和钻井全部可用于本发明中，在所述发明中地热资源是适合地质学角度的。向超越现有技术的先进的钻井技术努力前进，这些新兴的钻井技术也适用于本发明。

正如记载的，本发明可以通过低温地热能来源实现，所述低温地热能来源也被称作“地热交换（geoexchange）”或“地源热泵”。由于纬度的影响，地球表面上的3米的地方保持恒定的温度，大约在10°C到16°C之间。热泵一般用于开发用作加热和冷却的热储层，所述热储层基于地下与地上周围环境之间的温差。本发明可以通过与所述加热/冷却系统结合使用实现，也可以单独使用实现，伴随着铁电体发生器在周围温度点的热储层与地下的热储层之间运行。随着每年时间的变化，在所述配置中的由位置决定热流方向发生变化，基于所述热流方向，热储层在一个更高的温度。

用于在地下与地上周围环境之间进行热量交换的方法和装置为本领域技术人员所熟知。本发明大部分都可以利用这些技术实现。所述基本运行原理体现在图30中描述的关系上。正如记载的，由所述相对温度决定了热源是地下的还是地上周围环境中的。

海洋作为热能来源。利用海洋中存在的深处的冷水与浅处的较热的水之间的热量梯度发电是一直以来被公认的。已经建立了实验用的以及示范性的海洋热能转换系统（OTEC）设备，但是直到今天，由于效率和成本的限制，阻止了OTEC的商业化应用。本发明提供了一种更划算的且更有效率的利用海洋热能发电的方法。

如图31所阐述的，从海洋中抽取热水，热水中的热量通过一或多个热交换器转移给一或多条工作流中。如本文中所描述的，为了使这些材料按照热力学循环进行循环，这些工作流随后都用于向铁电体加热器提供热量。如图31中所描述的，冷海水可作为散热装置。所述冷海水通过一或多个热交换器将热量从一或多条工作流中抽取出来，如在本文中描述的，这些工作流根据热力学循环从所述铁电体发生器中抽取热量。可以将热、冷海水代入铁电体发生设备的装置和方法是本领域技术人员所熟知的。本发明可通过使用任意一种所述装置和方法实现。深处海水温度TL与较热的表面水温度T_H之间温度差ΔΤ越大，将可用的热能转换成电力的机会就越大。在全世界范围内，在1000米深处的海水温度相对恒定，T_L≈4°C到5°C。热带的表面水温度一般在T_H≈22°C到29°C。对于OTFC，所述可能的最大的热能转化效率为8%，其中η_c=ΔΤ/Τ_Η，忽略所述需要的冷水和热水运动到发生装置过程中引起的寄生损失。

OTEC系统的ΔΤ至少等于20°C，这就要求T_H为25°C。一般来说，尽管由于一些地方强冷气流的影响造成一些例外，一般在南纬20°与北纬20°之间的海水都能满足所述目标。例如，沿南美洲的西海岸，热带的沿海水域温度仍低于20°C，在较小程度上，南非西海岸的也是同样的情况。T_H每年都会不同，由于大风的作用使深处的海水上涌，使T_H得有时还呈现很大的季节性落差。对于OTEC位置的选择，除了热水源的T_H值，可得到的深处冷海水也是一个重要的参数。

本发明中的OTEC装置可以构建成各种配置。例如，OTEC设备可以构建在岸上、浮动的轮船装置上或部分或全部在水下的装置中。在已给出的实例中，OTEC设备的类型部分由位置决定。例如在一种漂浮的装置上，从所述设备的位置处可以获得冷海水，但是用于将产生的电力传输至岸上的水下电缆的长度变成了一个重要的参数。这些注意事项同样也适用于水下OTEC设备。

对于OTEC设备使用传统发电技术的两个主要方法是众所周之的—闭合回路和断开回路。前者，海水用于蒸发和冷凝工作流，如氨气，随后所述工作流在闭合回路中驱动涡轮发电机。在断开回路系统中，表面水快速蒸发到真空室中，产生的低压蒸汽驱动涡轮发电机。冷海水流过涡轮机后可以冷凝所述蒸汽。本发明与现有的设计只在T_L温度点的深处冷海水来源和T_H温度点的热水来源相同。两者的电力转换装置是不同的。

可以用来将T_L的深处的冷海水和T_H的热的表面水带入OTEC设备以转换成电力的装置和方法为本领域技术人员所熟知，也在文献中有过描述。包括申请人为Saucedo、专利号为7,328,578的美国专利、申请人为Bergman、专利号为5,555,838的美国专利、申请人为Witting、专利号为4,210,820的美国专利以及其他的例子，本文中引用了这些作为参考。

在一实施例中，通过转换装置中的冷水管（CWP）连同一个或多个热交换器使冷水从水泵中获得。热水从水泵中获取，而且通过连通一或多个热交换器将热水传输到铁电体发生器中。在一实施例中，从热交换器中分别流出的热水和冷水相互混合，并排放回海洋中。本领域技术人员期望关于各种水管和水泵有更多的可能的设计和配置。

图31中阐述了将温度为TH的热水用作加热流体，来自深海的温度为T_L的冷水用作冷却流体，两者分别用于向铁电体发生器提供热能和抽取铁电体发生器摈弃的热能，连同热交换器以及用于使铁电体材料进行循环的工作流一起。

CWP是OTEC设备中一个重要且昂贵的零件，可以有几百或几千米长。该CWP的近端可以设计成岸上结构、漂浮的表面结构或水下结构；其远端延伸到一必要深度，此处的水温大约在5°C左右。为了向设备提供足够的冷水以及使向上抽冷水过程中的能量和压力最小化，CWP的直径一般必须相当大。组装的CWP可以穿过洋流并且遭受洋流阻力以及其他。然而CWP可以由很多具有坚固性、强度、弹性、浮力以及高密度聚乙烯的惰性的材料中的任一适当材料制成。将冷水管安装在漂浮的结构上时需要特别的考虑。为OTEC设备设置的CWP一般在CWP与平台的连接处遭受大的应力，热交换器和发生器位于该平台上。在一实施方式中，如Howard的美国专利（No.7,735,321）中所描述的该CWP可以通过一垂直滑动的滚动装置连接在水管与漂浮的结构之间。该美国专利引用在本文中。

本发明并不打算通过提供的这些例子和实施例将其限定在这些特定的配置中。只要通过任意液压系统可以在这个位置上取得深处的冷海水和热海水，本发明都可以实现。铁电体发生器与适当的热交换器均位于这个位置上。本发明中全部包括这些液压配置和系统的目的是为了实现那个目标以及向铁电体发生器提供热水和冷水以发电。

铁电体将热量转换成电力。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/装置利用温度循环时发生的自发极化的变化产生以高电压释放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，在所述相变温度处，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100一级中铁电层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（operationalconsideration）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。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，来自于电极的导线可连接到电总线上，累积性阵列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。上述阵列的一个实例在图8中阐述。

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124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140、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，从而用于从铁电层110向散热器抽取热量、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的过程工作。

该装置100还具有分别与一对电极122和124电性连接的一对电导线152和154。在各实施例中，导线可用于为外部直流电源配置一个或多个外部负载或用于创建断开电路或可以允许在一个或多个这些配置间切换的开关，切换根据用于本发明中的电-热力学循环由控制电路执行。使铁电材料的主要区域极化以使得在铁电层从亚稳态转变为稳定的铁电态时产生强大的整体净自发极化。该总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。如申请号为No.12/465,924d的美国专利的一些实施例中，每个循环期间施加的外部DC电压提供极化场。在申请号为No.13/228,051的美国专利的另一些实施例中，在循环过程中的放电步骤后保留在第一和第二电极上的剩余电荷创建极化场。尽管当电极上的剩余电荷创建极化场时在循环过程中不需要外部直流电压，但直流电压源应该仍可用于建立初始循环的极化场，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。

在使用专利号为No.13/226,799的美国专利申请中公开的循环的一个实施例中，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时开启电路，同时总极化在P_H处维持恒定，这是因为开启了电路以防止电极上电荷放电。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释放到一对电导线152和154上。该对电导线152和153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到的电能的额外来源。在图21所示出的T_L等温线的自由能点图中，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。随着从铁电层抽取Q_L，这发生在温度T_L处。在一个实施例中，通过使DA步骤期间的电流通过一全波整流器（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具有相同相同。

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的特征为具有偶极子箭头217表示的、但方位随机的自发极化，这样在铁电体210内并没有总净自发极化。图2（b）示出了朝向相同的整体方向对齐的偶极子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发生在给定铁电体的热循环过程中。相比于传统的准静态热力学分析，上述模型是对系统更为综合的热力学表示。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子产生的、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)=αι(Τ)·Ρ²+airP⁴+a_urP⁶

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热循环提供了完全信息，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16是采用代表样品钛酸铅PbTiO₃的材料参数、以温度T和极化P为依据的自由能泛函的点图的实例，其中T_c≌766K。极化是全热力学变量，且其表示G(T,P)所描述的全极系。个别点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-德文希尔泛函计算750K-820K内的各个温度值来绘制自由能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。各个点图中的全局最小点（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电位阱（well）的最低点处。不存在场时，每个这些平衡点等可能；由于材料系统对称，两个电位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子极化，系统偏置以便该系统下落至与极化方位对应的特定电位阱。极化不会对系统的自由能有实质影响。

图17是以温度为根据的自由能的点图，其中极化恒定为P=0.4C/m²。再次地，用于绘制自由能泛函的参数是T_c≌766K的钛酸铅样品的那些特征。在确定本发明中使用的铁电材料合适的热力学循环时，可以考虑自由能与温度间的这一线性关系。图17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。然而，若无法执行完美再生的话，由于增加的晶格热量有助于实现更宽的温度循环，更宽温度范围内的循环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18呈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点图。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：

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

在本发明的情况下，E值呈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19是熵S在各种E值下以温度为根据的点图，其中以伏特计量参数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；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。

根据各种热力学-电循环可以实现本发明，此处关于循环的例子仅用于阐释本发明，并不用于限制本发明的范围和意义。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。本文中更详细的描述了该循环的操作过程。

在一些热力学循环中，在循环过程中，电极对外部的负载放电可以是完全的或接近完全的。在另一些循环中，电极放电是不完全的。相反，在放电前少量的未屏蔽的剩余电荷保留在电极上则放电是完全的，在该剩余电荷下一循环中用于极化该材料。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。除了必需提供极化场以外，通常希望允许从电极除去电荷，以在循环的该步骤期间使抽取的电能的量最大化。存留下的剩余电荷的量（对应P_L）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子极化，其中，该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，去极化场才不会在任何时间超出矫顽场。通过P值确定P_L的值，P值出现在T_L等温线的最大局部自由能处。本文中描述最大局部自由能处在自由能的点图即图21的D点处。举例来说，如图21所示，对T≌760K的PbTiO₃的铁电样品而言，P_L≌0.15C/㎡通常生成充足的极化场。P_L变为零时，本发明仍可利用在该循环的DA阶段施加外部场以形成足够的极化实现。

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步骤期间抽取的热量对应于使材料冷却的可感晶格热（sensiblelattice 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，等温抽取热量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和22所示，P_H的值为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，点D处由电极上的未屏蔽电荷产生的小剩余场使得产生的偶极子的方位朝向一个方向——即它们变极化。DA步骤期间抽取的热量QL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21和22所示。

DA步骤期间产生电力，该电力具有的电流与步骤BC期间产生的电流的方向相反。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。在一实施例中，利用全波整流器将从电极822和824上流出以及流入的电流在负载上整流成相同的方向，无论电流发生在该循环的BC步骤期间还是DA步骤期间。例如，该全波整流器可以由桥接电路组成。如其他地方所描述的，由直流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。这些场合下，在系统上实施电功而非由系统在DA步骤期间产生电功。

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。在循环的点B处闭合电路，铁电体再次处于亚稳态。在循环的BC步骤期间，当极化降至P_L时等温输入热量，该铁电体亚稳态从B点弛豫到C点。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，并大量地释放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进一步释放电极上的未屏蔽电荷。

朗道-尼科夫时间依赖性相变理论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。在另一实施方式中，如果材料在较大的极化值和较小的极化值之间循环，T_H和T_L可以均低于相变温度，

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。本发明的意图并不是受限于理想或完美循环，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期间仅分别输入和抽取晶格热。步骤CB期间等温输入热量Q_H，步骤AD期间等温抽取热量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，电释放到负载，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固性（robustness）。图20、21和图16一样是使用代表样品钛酸铅PbTiO₃的材料参数（其中T_c=766K）、以温度T和极化P为根据的自由能泛函的点图实例。个别点图针对材料的各个温度。图20包括指定的循环的点（A、B、C和D），图22中描述了所述循环，本文描述所述循环具有两个等温步骤和两个极化恒定的步骤。在图20中，在循环过程中，P_L可以减小到可忽略的值或为0。图21中循环的自由能点图与图22中描述的指定循环的点相似，但是P_L不能为0。相反，在该循环的放电阶段BC，为下一循环的极化保留了足够的电荷。如图21所示，P_L的值由P值决定，P值出现在该循环中局部自由能最大处。图17，20，21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描述的循环中以温度为根据的熵的示意图。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AB和CD阶段，循环甚至在缺乏再生时也是等熵的。

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。随延迟温度增加而增大的电势对应于在恒定极化处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，累积强度在很大程度上保持恒定。

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的表面上产生束缚表面电荷，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子517对齐，因而使得一较大的、总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表面的束缚电荷511和513相等、但电荷相反的屏蔽电荷522和524。在该点上，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由对齐的电偶极子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间非常高的电势差下变为非屏蔽。精确的电势差取决于特定铁电体和模块的构造，但在介质击穿前采用合适材料可获得超出30,000V的电位。

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时冷却铁电层610、在第二温度T_H>T_c时加热铁电层610；这样采用温度循环使铁电层610的铁电材料将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的许多热交换器632、以及与热交换器632和634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。通过一导管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量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，以上过程都在由计算机控制的控制电路的指导下进行，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量（电容量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。还可监控电极622和624上非束缚电荷（unbound charge）的大小（extent）；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子极化。

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、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量来完成。另外，由于电阻器R1和R2相对于负载电阻器RL其电阻值可忽略不计，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产电，铁电模块600和800的循环则重复和持续进行。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子极化的场。开关S1保持断开，通过抽取热量使铁电层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。

在第一循环后本发明的常见运行中，开关S1在循环的点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等温抽取热量，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。产生的整体的自发极化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表面的束缚电荷相等但相反。循环的DA步骤期间抽取的热量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；由于电极现在携载足以平衡束缚电荷的电荷、由于P_H，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子对齐和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子极化。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呈现出电偶极子；但偶极子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上抽取电荷，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、输电或利用电进行工作。当保留在电极822和824上的自由电荷已经缩小到最小值时，该最小值足以建立在转变回铁电态期间使自发偶极子极化的场，断开开关S1以停止从电极抽取电能；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时该电路包括一全波整流器（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子极化的铁电态循环到顺电态或反铁电态；其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。在另一实施例中，P_L允许忽略不计或为0，如图22所示，在该循环的DA步骤中将开关S1切换至图6中的A点处施加直流电压以实现极化。

在另一实施例中，与该铁电材料循环经过相变相反，其一直处于铁电相内，在较高的极化程度到较低的极化程度之间循环。

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。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量或其他测量值可用作监控器，并用来控制循环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，并伴随有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，交替转移冷流体和热流体，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转移冷流体和热流体；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下从铁电层等温抽取热量、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过程中，闭合电气线路，以便在极化从P_L变到P_H时抽取热量，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抽取所述剩余电荷。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。与一对电极上产生的电性相反的屏蔽电荷对应的电以非常高的电压输出到外部电子线路。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系列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。尽管该情形在将热量转换为电时允许有较小稳固机会，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ηc=ΔΤ/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系列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，本文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移动电输出。

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_c ¹、T_c ²…T_c ^n-1和T_c ⁿ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_c ⁱ⁺¹>T_c ⁱ。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中描述的设备相似，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由导热导电材料形成。设备1300的热循环和电循环与图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1321…1328和1329抽取电能。随扈可通过连接导线将从电极1320、1321…1328和1329抽取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的这一配置与图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_c ¹-T_c ⁿ。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_c ⁱ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随时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_c ⁱ附近热循环。在这一构造中，铁电模块与网络化的热交换器结合，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_c ⁱ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、或促进运行与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量。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_c ⁱ，以本文描述的单级设备进行极化、以及进行热循环和电循环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和电循环，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抽取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，以及利用适合于计划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的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。

Claims (75)

1.一种将热量转换成电能的方法，其特征在于，包括：

通过交替地增加所述可电极化材料的热能、以及抽取所述可电极化材料的热能，使所述可电极化材料在第一温度T₁与第二温度T₂间热循环，其中所述可电极化材料位于由导热和导电材料制成的第一和第二电极之间，其中所述可电极化材料在T₁温度时呈现出自发极化，所述可电极化材料在T₂温度时呈现的自发极化小于其在T₁温度时呈现的自发极化；

其中对所述可电极化材料施加直流极化电压，以便当所述可电极化材料处于包括所述温度T₁的所述循环的第一阶段时，所述可电极化材料形成总净自发极化，而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与负载连接，以便当所述可电极化材料处于包括所述温度T₂的所述循环的第二阶段时，电能从第一和第二电极输出到所述负载；以及

其中所述增加所述可电极化材料的热能包括：

从燃烧反应中吸取热能，并将所述热能转移给所述可电极化材料；

利用太阳能生成热能，并将所述热能转移给所述可电极化材料；

从核反应中吸取热能，并将所述热能转移给所述可电极化材料；

从海水中吸取热能，并将所述热能转移给所述可电极化材料；

从地面吸取热能，并将所述热能转移给所述可电极化材料；或者

从工业过程中回收热能，并将所述热能转移给所述可电极化材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增加所述可电极化材料的热能包括：从燃烧反应中吸取热能，并将所述热能转移给所述可电极化材料。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃烧反应为催化燃烧反应。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃烧反应包括燃料与氧化剂之间的反应。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述燃料从以下集合中选择：有机化合物、碳氢化合物、氢气、铝、锂、生物质、以及它们的组合。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃烧反应产生的热能用于生产蒸汽，将蒸汽中的热能转移给所述可电极化材料。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述燃料为铝，所述氧化剂为水。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述铝和水反应产生氢气和Al₂O₃，所述方法还包括：

燃烧氢气并还原Al₂O₃；

从所述燃烧反应或还原反应中吸取热能；以及

将所述热能转移给所述可电极化材料。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述燃料为锂，所述氧化剂为水。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增加所述可电极化材料的热能包括：利用太阳能生成热能，并将所述热能转移给所述可电极化材料。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述利用太阳能生成热能包括：

使导热流体流经太阳能集热器，将所述太阳能集热器中的热能转移给所述导热流体中以形成热流；以及

随后将所述热流中的热能转移给所述可电极化材料。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在将热能从所述热流转移给所述可电极化材料之前，存储所述热流。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

使所述热流流经热交换器，将所述热流中的热能转移给热能储存介质以加热所述热能储存介质；

其中所述将热能从所述热流中转移给所述可电极化材料包括：将热能从所述已加热的热能储存介质转移给所述可电极化材料。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在将热能从所述加热的热能存储介质中转移给所述可电极化材料之前，存储所述已加热的热能储存介质。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述可电极化材料增加热能包括：从工业过程中回收热能并将所述热能转移给所述可电极化材料中。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述工业过程从以下集合中选择：化学过程、造纸过程、食品生产过程、石油提炼过程、冶金过程、机械制造过程、炼铁过程、炼钢过程、炼铝过程、以及水泥制造过程。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，通过热电联产过程将所述工业过程中产生的热能转换成热能和电能，并将所述热电联产过程中产生的热能转移给所述可电极化材料。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增加所述可电极化材料的热能包括：从核反应中吸取热能并将所述热能转移给所述可电极化材料。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述核反应是核裂变反应、核聚变反应或放射性衰变。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述热能从冷却剂中吸取，所述冷却剂用于冷却核反应堆。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，使所述冷却剂流经热交换器以产生蒸汽，从所述蒸汽中吸取热能。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述冷却剂从以下集合中选择：压力水、有机液、三联苯、液态金属、以及液态钠。

23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述核反应为放射性衰变。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述核反应为同位素放射性衰变，该同位素从以下集合中选择：钚-238、铈-244、锶-90、钋-210、钷-147、铯-137、铈-144、钌-106、钴-60以及锔-242。

25.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增加所述可电极化材料的热能包括：从所述地面吸取热能并将所述热能转移给所述可电极化材料。

26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述地面吸取热能包括：使导热流体流经埋在地上的管道以使热量在所述导热流体和所述地面之间进行转移。

27.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增加所述电极化材料的热能包括：从温度高于所述可电极化材料温度的海水中吸取热能并将所述热能转移给所述可电极化材料。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述抽取所述可电极化材料的热能包括：将热能从所述可电极化材料中转移给温度低于所述可电极化材料温度的海水中。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，从海水中吸取热能加热所述可电极化材料的方法包括：从第一深度处抽取海水，从所述海水中吸取热能并将热能转移给所述可电极化材料；将热能从所述可电极化材料中转移给海水的方法包括：从第二深度处抽取海水，所述第二深度处比第一深度处深，将热能从所述可电极化材料中转移给所述海水中。

30.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电能输出至负载后，在第一和第二电极上留有剩余电荷，所述剩余电荷为下一循环提供直流极化电压。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，在电能输出至所述负载后，留在所述第一和第二电极上的剩余电荷使得产生的极化超过在所述局部自由能最大处的极化；当所述可电极化材料所述温度T₁向温度T₂热循环时出现最大局部自由能。

32.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对从所述第一和第二电极输出至所述负载的电能进行整流。

33.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增加所述可电极化材料的热能或抽取所述可电极化材料的热能包括：将流体流传输至所述可电极化材料或与所述可电极化材料直接或间接接触的材料，以便在所述流体和所述可电极化材料之间进行热能交换。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，在每个所述第一和第二电极上或每个所述第一和第二电极附近形成一或多条流体通道；将所述流体传输至所述流体通道中以便在一条或多条流体与一层或多层可电极化材料之间进行热能交换。

35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，还包括对所述流体的温度和/或压力进行监控。

36.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对所述可电极化材料的温度、电容、极化和/或流入和/或流出所述第一和第二电极的所述电流中的一个或多个进行监控。

37.一种车辆，其特征在于，包括：用于将热量转换成电能的装置以及电动机，其中，所述用于将热量转换成电能的装置与所述电动机电性连接。

38.根据权利要求37所述的车辆，其特征在于，所述用于将热量转换成电能的装置包括：

（a）由导热和导电材料制成的第一电极；

（b）由导热和导电材料制成的第二电极；

（c）在所述第一和第二电极之间具有一层或多层可电极化材料；

（d）用于为所述一层或多层可电极化材料增加热能的热交换器，所述热交换器与热源热连接；

（e）以及用于从所述一层或多层可电极化材料抽取热能的热交换器，所述热交换器与散热装置热连接。

39.根据权利要求37所述的车辆，其特征在于，所述电动机提供动力驱动所述车辆。

40.根据权利要求37所述的车辆，其特征在于，所述车辆为电动车或混合动力电动车。

41.根据权利要求38所述的车辆，其特征在于，所述散热装置为散热器。

42.根据权利要求37所述的车辆，其特征在于，还包括存储电能的装置。

43.根据权利要求42所述的车辆，其特征在于，所述存储电能的装置包括一个或多个电容和/或一个或多个可充电电池。

44.根据权利要求38所述的车辆，其特征在于，所述热源为燃烧装置。

45.根据权利要求44所述的车辆，其特征在于，所述燃烧装置为内置的燃烧引擎或催化燃烧室。

46.根据权利要求44所述的车辆，其特征在于，所述燃烧装置为催化燃烧室，所述催化燃烧室包括催化元件以及用于接收从所述催化元件产生的热量的热量接收元件，其中所述热源为所述热量接收元件。

47.根据权利要求44所述的车辆，其特征在于，还包括用于为所述燃烧装置提供燃料的燃料存储装置。

48.根据权利要求47所述的车辆，其特征在于，还包括容纳于所述燃料存储装置中的燃料，所述燃料包括金属铝或金属锂。

49.将热量转换成电能的装置，其特征在于，包括：

（a）由导热和导电材料制成的第一电极；

（b）由导热和导电材料制成的第二电极，所述第二电极与所述第一电极分隔开；

（c）位于所述第一和第二电极之间的一层或多层可电极化材料；

（d）用于为所述一层或多层可电极化材料增加热能的第一热交换器，所述热交换器与热源热连接；

（e）以及用于从所述一层或多层电极化材料抽取热能的第二热交换器，所述热交换器与散热装置热连接；

其中，所述热源为：一燃烧装置、一太阳能集热器或火炉排气装置的一组件；或，

所述第一热交换器包括：用于从地面吸取热能的装置、从太阳中吸取热能的装置、从海水中吸取热能的装置、工业过程中吸取热能的装置、从燃烧反应中吸取热能的装置或从核反应中吸取热能的装置。

50.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，还包括：

（f）控制电路，所述控制电路：

分别利用所述第一和第二热交换器，通过交替地增加所述可电极化材料的热能、以及抽取所述可电极化材料的热能，使所述可电极化材料在第一温度T₁与第二温度T₂间热循环；其中所述可电极化材料在T₁温度时呈现出自发极化，所述可电极化材料在T₂温度时呈现的自发极化小于其在T₁温度时呈现的自发极化；

其中对所述可电极化材料施加直流极化电压，以便当所述可电极化材料处于包括所述温度

T₁的所述循环的第一阶段时，所述可电极化材料产生总净自发极化，而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与负载连接，以便当所述可电极化材料处于包括所述温度T₂的所述循环的第二阶段时，电能从第一和第二电极输出到所述负载。

51.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，在电能输出至负载后，在第一和第二电极上留有剩余电荷，所述剩余电荷为下一循环提供直流极化电压。

52.根据权利要求51所述的装置，其特征在于，在电能输出至所述负载后，留在所述第一和第二电极上的剩余电荷使得产生的极化超过在所述局部自由能最大处的极化；当所述可电极化材料所述温度T₁向温度T₂热循环时出现最大局部自由能。

53.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，所述控制电路还包括与电路中的所述第一和第二电极以及所述负载连接的全波整流器。

54.根据权利要求53所述的装置，其特征在于，在初始循环后，热循环时所述第一和第二电极与所述负载保持连接。

55.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，所述控制电路：

使所述第一和第二电极在每个循环的第二阶段连接到所述负载；

以及，

在每个循环的第一阶段向所述一层或多层可电极化材料施加直流极化电压。

56.根据权利要求53所述的装置，其特征在于，在每个循环期间所述控制电路使所述第一和第二电极在所述直流极化电压与所述负载之间进行切换，以便所述第一和第二电极在每个循环期间连接到所述直流极化电压或连接到所述负载。

57.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，T₂高于T₁。

58.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，T₁高于T₂。

59.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，每个所述一层或多层可电极化材料均具有相变温度，在所述相变温度下，所述材料在其呈现出自发极化的相和其未呈现出自发极化的相之间进行转换。

60.根据权利要求59所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料所述温度T₁和T₂时处于在呈现出自发极化的相内。

61.根据权利要求59所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料在温度T₁时处于呈现出自发极化的相内，在温度T₂时处于未呈现出自发极化的相。

62.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，所述可电极化材料为可电极化的非晶态聚合物材料。

63.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，每个所述一层或多层可电极化材料包括具有居里温度T_c的铁电材料，以便当所述铁电材料的温度低于所述居里温度T_c时，铁电材料处于铁电相；当所述铁电材料的温度高于所述居里温度T_c时，所述铁电材料处于顺电相或者非铁电相。

64.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，还包括直流电源，在初始循环过程中，所述控制电路将所述直流电源提供的直流极化电压施加于所述一层或多层可电极化材料。

65.根据权利要求51所述的装置，其特征在于，还包括用于测量保留在所述第一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值时，所述控制电路使所述第一和第二电极与所述负载断开。

66.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，每个所述第一和第二热交换器包括用于将流动流体传输至所述一层或多层可电极化材料或与所述一层或多层可电极化材料直接或间接接触的材料的装置，以便在所述流体和所述至少一层或多层可电极化材料之间进行热能交换。

67.根据权利要求66所述的装置，其特征在于，每个所述第一和第二热交换器还包括温度测量装置和/或压力测量装置，所述温度测量装置用于监控所述流体的温度，所述压力测量装置用于监控所述流体的压力。

68.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，在每个所述第一和第二电极上或每个所述第一和第二电极附近设置有一条或多条流体通道，每个所述第一和第二热交换器将流体传输至所述流体通道，以便在所述流体与所述一层或多层可电极化材料之间进行热能交换。

69.根据权利要求66所述的装置，其特征在于，每个所述第一和第二热交换器包括一个或多个用于控制所述流体流动的控制阀。

70.根据权利要求69所述的装置，其特征在于，还包括一个或多个微控制器，所述一个或多个微控制器对每个所述一个或多个控制阀进行控制。

71.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，还包括：

用于监控所述一层或多层可电极化材料温度的温度测量装置；

用于监控所述一层或多层可电极化材料电容的电容测量装置；

用于监控所述一层或多层可电极化材料极化的极化测量装置；

和/或，

用于监控电极上流入/流出的电流的电流测量装置。

72.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，包括在所述第一和第二电极之间叠层设置的多层可电极化材料。

73.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括开关，所述开关具有断开位和第一、第二闭合位，所述开关连接在所述第一、第二电极之间：

当所述开关处于断开位时，所述第一、第二电极之间无电流流动；

当所述开关处于第一闭合位时，所述直流电源连接在所述第一、第二电极的两端；

所述开关处于第二闭合位时，所述负载连接在所述第一、第二电极的两端。

74.根据权利要求73所述的装置，其特征在于，所述控制电路还包括第一电阻和第二电阻，其特征在于：

当所述开关位于所述第一闭合位时，所述第一电阻与所述直流电源串联；

当所述开关位于所述第二闭合位时，所述第一电阻、第二电阻以及负载串联。

75.根据权利要求73所述的装置，其特征在于，所述控制电路还包括电存储装置，当所述开关位于所述第二闭合位时，所述电存储装置连接在所述第一、第二电极的两端。

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