專利名稱：使用化學(xué)熱力發(fā)動機和壓電材料產(chǎn)生電的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣泛涉及用于產(chǎn)生電的機構(gòu)。更具體地，本發(fā)明涉及使用壓電材料產(chǎn)生電的機構(gòu)。技術(shù)水平壓電是在沒有中心對稱性的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)電荷位移的結(jié)果。當(dāng)承受機械載荷(比如，振動、壓縮和/或撓曲)時，壓電元件在壓電材料的相對面上感應(yīng)電荷。在現(xiàn)有技術(shù)中， 壓電元件已經(jīng)用于致動器、換能器、諧振腔、變壓器、微型發(fā)電機和各種類型的傳感器。最近，為了能量提取研究和開發(fā)壓電元件。壓電元件響應(yīng)應(yīng)力或應(yīng)變，起電容器的作用。當(dāng)壓電材料承受壓應(yīng)力或張應(yīng)力時，由于壓應(yīng)力或張應(yīng)力尋求均衡，在材料上產(chǎn)生電場，引起電壓梯度以及隨后的電流。由導(dǎo)電材料來提供電流，該導(dǎo)電材料允許通過從壓電材料移走不等電荷，而使壓電材料的不等電荷均衡。壓電材料產(chǎn)生高電壓和低電流電。因為壓電材料在承受外部施加的電壓時，能改變形狀，所以壓電效應(yīng)是可逆的。一些物質(zhì)(比如，石英、羅謝爾鹽)的正壓電現(xiàn)象能產(chǎn)生數(shù)千伏的電壓。壓電材料將能量儲存為電場和機械位移(應(yīng)變)兩種形式。應(yīng)變和電場之間的關(guān)系由SC = l/ST(SR-(d*e))給出，其中“Sc”是壓電元件在恒定電場中的柔量，“SR”是機械變形(mechanical deformation)以及“d”是壓電電荷常數(shù)。當(dāng)施加壓力時，生成的電荷為 Q = d*P*A，其中P是施加的壓強，A是加壓的面積。利用一個在一個上面的多重壓電堆疊 (stack)并將它們并聯(lián)連接增加壓力相關(guān)的電荷。產(chǎn)生的輸出電壓可表示為堆疊的總電荷除以的電容。在現(xiàn)有技術(shù)中，壓電材料已經(jīng)被用來從風(fēng)、海浪、環(huán)境聲、機動車交通、機動車輪胎的變形和人腳對地板的沖擊引起的振動能量來提取能量。然而，現(xiàn)有技術(shù)方法導(dǎo)致了非常低的功率輸出，這使得這種解決方案只適用于小功率應(yīng)用。發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，其用于產(chǎn)生電信號，所述系統(tǒng)包括至少一個熱力發(fā)動機，其具有一室，所述室經(jīng)歷加熱和冷卻循環(huán)以及相應(yīng)的壓力變化；至少一個壓電換能器， 其可操作地耦合到所述熱力發(fā)動機，所述壓電換能器響應(yīng)于所述熱力發(fā)動機的所述壓力變化而被變形，并因變形而產(chǎn)生電輸出信號。所述系統(tǒng)還可包括功率變換器，其可操作地耦合到所述至少一個壓電換能器，所述功率變換器將所述電輸出信號轉(zhuǎn)換成期望的電力供應(yīng)信號。在所述系統(tǒng)中所述熱力發(fā)動機可具有冷地?zé)嵩春蜔岘h(huán)境源。在所述系統(tǒng)中所述熱力發(fā)動機可具有熱地?zé)嵩春屠洵h(huán)境源。在所述系統(tǒng)中氫可作為工作流體被布置在所述熱力發(fā)動機的所述室內(nèi)。至少一種金屬氫化物材料可布置在所述熱力發(fā)動機的所述室內(nèi)，所述金屬氫化物材料可用于在所述熱力發(fā)動機的所述加熱和冷卻循環(huán)期間吸收和解吸氫。至少一種相變材料可布置在所述熱力發(fā)動機的所述室里。所述金屬氫化物材料可在所述室里的第一壓力和第一溫度下吸收氫，所述第一溫度對應(yīng)所述相變材料放熱的溫度。所述金屬氫化物材料可在所述室里的第二壓力和第二溫度下解吸氫，所述第二溫度對應(yīng)所述相變材料吸熱的溫度。所述功率變換器可包括具有儲存轉(zhuǎn)動能的飛輪的機電電池。所述功率變換器可包括用于將所述飛輪的轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成所述期望的電力供應(yīng)信號的設(shè)備。所述機電電池可包括電磁耦合到定子的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可以可操作地耦合到所述飛輪，其中所述轉(zhuǎn)子和定子中的一個可包括永磁體陣列。所述功率變換器可包括可操作地耦合到所述機電電池的靜電電動機，所述靜電電動機可將轉(zhuǎn)動能加到所述飛輪。所述靜電電動機可包括經(jīng)由排斥的庫侖力而相對彼此轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子可以可操作地耦合到所述機電電池的所述飛輪。所述功率變換器可包括可操作地耦合在至少一個壓電換能器元件和所述靜電電動機之間的接口電路。所述接口電路可包括Marx發(fā)生器電路。所述接口電路可包括AC-DC整流器和濾波電容器，所述AC-DC整流器和濾波電容器可合作產(chǎn)生用于輸入到所述Marx發(fā)生器電路的充電電壓信號。本發(fā)明還提供了一種裝置，其用于能量轉(zhuǎn)化，所述裝置包括機電電池，其具有儲存轉(zhuǎn)動能的飛輪；以及靜電電動機，其可操作地耦合到所述機電電池，所述靜電電動機將轉(zhuǎn)動能加到所述機電電池的所述飛輪。所述裝置還可包括用于將所述飛輪的轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成期望的電力供應(yīng)信號的設(shè)備。在所述裝置中所述機電電池可包括電磁耦合到定子的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可以可操作地耦合到所述飛輪，其中所述轉(zhuǎn)子和定子中的一個可包括永磁體陣列。所述靜電電動機可包括經(jīng)由排斥的庫侖力而相對彼此轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子可以可操作地耦合到所述機電電池的所述飛輪。所述裝置還可包括接口電路，所述接口電路可以可操作地耦合在至少一個電輸入和所述靜電電動機之間。所述接口電路可包括Marx發(fā)生器電路。所述接口電路可包括AC-DC整流器和濾波電容器，所述AC-DC整流器和濾波電容器可合作產(chǎn)生用于輸入到所述Marx發(fā)生器電路的充電電壓信號。本發(fā)明還提供了一種系統(tǒng)，其用于產(chǎn)生電信號，所述系統(tǒng)包括至少一個熱力發(fā)動機，其經(jīng)歷加熱和冷卻循環(huán)和相應(yīng)的溫度變化；至少一個熱聲元件，其可操作地耦合到所述熱力發(fā)動機，所述熱聲元件響應(yīng)于所述熱力發(fā)動機的溫度變化而經(jīng)歷熱聲振蕩，從而從所述至少一個熱聲元件發(fā)射聲能；以及至少一個壓電換能器，其可操作地耦合到所述熱聲元件，所述壓電換能器響應(yīng)于從所述熱聲元件發(fā)射的所述聲能的壓力變化而被變形并因變形而產(chǎn)生電輸出信號。在所述系統(tǒng)中特定的熱聲元件和特定的壓電換能器可整體形成為單一的部分。所述系統(tǒng)還可包括功率變換器，其可以可操作地耦合到所述至少一個壓電換能器，所述功率變換器可將所述電輸出信號轉(zhuǎn)換成期望的電力供應(yīng)信號。所述熱力發(fā)動機可具有冷地?zé)嵩春蜔岘h(huán)境源。所述熱力發(fā)動機可具有熱地?zé)嵩春屠洵h(huán)境源。所述熱力發(fā)動機可利用氫作為工作流體。所述熱力發(fā)動機可利用至少一種金屬氫化物材料在所述熱力發(fā)動機的所述加熱和冷卻循環(huán)期間吸收和解吸氫。所述熱力發(fā)動機可利用至少一種相變材料。所述金屬氫化物材料可在第一壓力和第一溫度下吸收氫，所述第一溫度對應(yīng)所述相變材料放熱的溫度。所述金屬氫化物材料可在第二壓力和第二溫度下解吸氫，所述第二溫度對應(yīng)所述相變材料吸熱的溫度。所述至少一個熱聲元件可適合在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生壓力駐波，所述至少一個壓電換能器可布置在所述諧振腔內(nèi)。所述至少一個熱聲元件可包括布置在諧振腔的相對側(cè)面的第一熱聲元件和第二熱聲元件，所述第一熱聲元件可以可操作地耦合到第一熱力發(fā)動機，所述第二熱聲元件可以可操作地耦合到第二熱力發(fā)動機，第一熱堆疊和第二熱堆疊可適合在所述諧振腔內(nèi)產(chǎn)生壓力駐波，所述至少一個壓電換能器可布置在所述諧振腔內(nèi)。所述熱力發(fā)動機可至少具有第一部分和第二部分，所述第一部分可與特定的熱聲元件堆疊熱接觸，而所述第二部分可與所述特定的熱聲元件熱隔離。所述特定的熱聲元件和所述熱力發(fā)動機的所述第一部分可布置在殼體里，而所述熱力發(fā)動機的所述第二部分可布置在所述殼體的外面。所述殼體可提供用于冷流體或熱流體的流動路徑。所述特定的熱聲元件和所述熱力發(fā)動機的所述第一部分可支持所述熱流體或所述冷流體的流動通過。所述殼體可以是管狀的。所述系統(tǒng)還可包括用于流體地耦合所述熱力發(fā)動機的所述第一部分和所述第二部分的設(shè)備。當(dāng)所述熱力發(fā)動機的所述第二部分吸熱時，所述熱力發(fā)動機的所述第一部分可產(chǎn)生熱，以及當(dāng)所述熱力發(fā)動機的所述第二部分產(chǎn)生熱時，所述熱力發(fā)動機的所述第一部分可吸熱。所述系統(tǒng)還可包括布置在第二管內(nèi)的第一管，所述第一管殼體和所述第二管可容納至少一個熱力發(fā)動機的相應(yīng)部分。所述第一管可容納至少一個壓電換能器和與所述至少一個熱力發(fā)動機的相應(yīng)部分熱接觸的至少一個熱堆疊；以及所述第二管可容納至少一個壓電換能器和與所述至少一個熱力發(fā)動機的相應(yīng)部分熱接觸的至少一個熱堆疊。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供系統(tǒng)和相應(yīng)的方法來將循環(huán)的壓力梯度施加到壓電材料，以產(chǎn)生相應(yīng)電信號，所述電信號能用來產(chǎn)生適合于廣泛供電應(yīng)用，例如住宅或商用供電應(yīng)用的電功率。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，這種系統(tǒng)和方法利用化學(xué)熱力發(fā)動機將壓力梯度施加到壓電材料。根據(jù)本發(fā)明的另外的方面，這種系統(tǒng)和方法結(jié)合熱聲元件(thermoacoustical element)利用熱力發(fā)動機來產(chǎn)生施加到壓電材料的循環(huán)的壓力梯度。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，這種系統(tǒng)和方法被安排為利用環(huán)境友好的、低成本的地?zé)岬臒嵩春屠湓磁c環(huán)境的熱源和冷源的來驅(qū)動化學(xué)熱力發(fā)動機。依照本發(fā)明的另外的方面，提供了發(fā)電系統(tǒng)和方法，其將壓電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為機電電池的旋轉(zhuǎn)飛輪所儲存的機械能，并將飛輪儲存的機械能轉(zhuǎn)化為從那里輸出的電能。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供壓電源輸出的電能的有效轉(zhuǎn)化。在本發(fā)明的一種實施方式中，一種用于產(chǎn)生電信號的系統(tǒng)(和相應(yīng)的方法)包括至少一個熱力發(fā)動機，其具有經(jīng)歷加熱和冷卻循環(huán)以及相應(yīng)壓力變化的室。至少一個壓電換能器，其可操作地耦合到熱力發(fā)動機，響應(yīng)于熱力發(fā)動機的壓力變化而被變形。功率變換器能用來將響應(yīng)所述至少一個壓電換能器的變形而產(chǎn)生的電信號，轉(zhuǎn)變成期望的電力供應(yīng)信號(electrical power supply signal)。熱力發(fā)動機優(yōu)選使用冷地?zé)嵩春蜔岘h(huán)境源(典型地在夏季使用)，或反之亦然(典型地在冬季使用)。應(yīng)認識到，熱力發(fā)動機能容易地適合經(jīng)歷大的、高頻壓力變化，并因此產(chǎn)生大的、 高頻應(yīng)力和壓電換能器相應(yīng)的大的循環(huán)的變形。這種變形導(dǎo)致高電壓、低電流脈沖，所述脈沖被功率變換器轉(zhuǎn)變。在另一實施方式中，用于產(chǎn)生電信號的系統(tǒng)(和相應(yīng)的方法)包括至少一個經(jīng)歷加熱和冷卻循環(huán)以及相應(yīng)溫度變化的熱力發(fā)動機和熱耦合到該熱力發(fā)動機的熱聲元件。熱力發(fā)動機的溫度變化引起形成壓力波的熱聲元件的熱聲振蕩。至少一個壓電換能器被壓力波變形。功率變換器能用來將響應(yīng)至少一個壓電換能器的變形而產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)變成期望的電力供應(yīng)信號。熱力發(fā)動機優(yōu)選使用冷地?zé)嵩春蜔岘h(huán)境源(典型地在夏季使用)，反之亦然(典型地在冬季使用)。熱力發(fā)動機能容易地適合經(jīng)歷溫度變化，所述溫度變化通過熱聲元件引起壓力波的產(chǎn)生。這種壓力波產(chǎn)生壓電換能器的應(yīng)力和相應(yīng)的變形。這種變形導(dǎo)致高電壓、低電流脈沖，所述脈沖被功率變換器轉(zhuǎn)變。在此實施方式中，熱聲元件在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生壓力駐波。壓電換能器位于諧振腔內(nèi)。 兩個熱聲元件能布置在諧振腔的相對側(cè)面上。兩個熱力發(fā)動機能熱耦合到熱聲元件，以便在其間的諧振腔內(nèi)引起壓力駐波的產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，功率變換器包括具有儲存轉(zhuǎn)動能的飛輪的機電電池和將轉(zhuǎn)動能加到飛輪的靜電電動機。Marx發(fā)生器能用來產(chǎn)生一系列的加速電壓脈沖，來增加驅(qū)動靜電電動機的斥力。機電電池能容易地適合提供適合廣泛應(yīng)用，例如住宅或商用供電應(yīng)用的供電信號。在說明性的實施方式中，熱力發(fā)動機使用氫作為在其室內(nèi)的工作流體(working fluid)，以及使用金屬氫化物材料在熱力發(fā)動機的加熱和冷卻循環(huán)期間吸收和解吸氫。也可使用相變材料。在另一方面，用于能量轉(zhuǎn)化的裝置包括機電電池和靜電電動機。機電電池包括儲存轉(zhuǎn)動能的飛輪。靜電電動機將轉(zhuǎn)動能加到飛輪。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，通過參考詳細的描述，結(jié)合提供的附圖理解，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將變得明顯。附圖簡述圖IA是依照工作在一種運行模式的本發(fā)明的壓電功率發(fā)生器系統(tǒng) (piezoelectric power generator system)的框圖。圖IB是依照工作在第二種運行模式的本發(fā)明的壓電功率發(fā)生器系統(tǒng)的框圖。圖IC是示例性的壓力-溫度曲線，示出圖IA和圖IB的熱力發(fā)動機的加熱/冷卻 /壓力循環(huán)。圖2是用于在圖IA和圖IB的系統(tǒng)中使用的示例性功率轉(zhuǎn)化裝置(power conversion apparatus)的圖3是圖2的功率轉(zhuǎn)化裝置的原理圖。圖4是示出圖3的靜電電動機的部件的截面示意圖。圖5是圖3的接口電路的原理圖。圖6是圖5的Marx發(fā)生器電路的原理圖。圖7是依照工作在一種運行模式的本發(fā)明的可替換實施方式的壓電功率發(fā)生器系統(tǒng)的框圖。圖8是對圖7的熱力發(fā)動機的室進行自動機械壓力調(diào)節(jié)的控制器的框圖。圖9Α和9Β是流動地耦合圖7的熱力發(fā)動機的流體供應(yīng)路徑的管中管 (tube-in-tube)設(shè)計的原理圖。

圖10是第一種或第二種實施方式的熱力發(fā)動機的管中管設(shè)計的原理圖。圖IlA是依照本發(fā)明的第三種示例性實施方式的功率發(fā)生器系統(tǒng)的框圖。圖IlB是依照本發(fā)明的第四種示例性實施方式的功率發(fā)生器系統(tǒng)的框圖。圖12是依照本發(fā)明的第五種實施方式的功率發(fā)生器裝置的框圖。圖13是第三種、第四種或第五種實施方式的熱力發(fā)動機的管中管設(shè)計的原理圖。優(yōu)選實施方式詳述現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，顯示了依照本發(fā)明的壓電式能量發(fā)生器系統(tǒng)10的示意圖。系統(tǒng) 10包括地?zé)峤粨Q熱力發(fā)動機12，地?zé)峤粨Q熱力發(fā)動機12包括具有絕熱襯墊(未顯示)的殼體14，絕熱襯墊可通過充滿氣凝膠或其它適合絕熱材料的空間實現(xiàn)。殼體14的一端支撐由導(dǎo)熱材料，例如銅、庫珀合金(cooper alloy)、不銹鋼或熱解石墨實現(xiàn)的冷側(cè)熱交換器(cold-side heat exchanger) 16 (比如，板式熱交換器或管式熱交換器)。殼體14的另一端支撐同樣由導(dǎo)熱材料，例如銅、庫珀合金、不銹鋼或熱解石墨實現(xiàn)的熱側(cè)熱交換器 (hot-side heat exchanger) 18 (比如，板式熱交換器或管式熱交換器)。密封室20布置在冷側(cè)熱交換器16和熱側(cè)熱交換器18之間。室20與冷側(cè)熱交換器16和熱側(cè)熱交換器18 熱接觸。室20充滿氫工作流體22。室20也包含至少一種能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物材料M和優(yōu)選至少一種與氫工作流體熱接觸的相變材料26。至少一種金屬氫化物材料對保持在一個或更多個臺(bed)或其它儲存容器里。至少一種金屬氫化物材料可包括
i)氮化鋰；ii) 二氫化鎂；iii)鑭鎳氫化物(LaNi5H6)，或通過對La或Ni的某種取代的鑭鎳氫化物的改性；iv)釩基固溶體，其具有通式(Vl-xTix)l-y My，其中M通常是VI族到VIII族的金屬，例如Fe、Ni、Cr或Mn ；和/或ν) Laves相氫化物，其具有通式AB2，其中A通常是稀土族的，III族或IV族的金屬，而B通常是VIII族金屬，但也可是來自V、VI或VII族的金屬。至少一種相變材料沈保持在儲存容器，并可包括沸石、共晶合金、石蠟、有機化合物、水合鹽、碳酸鹽、硝酸鹽、多元醇和金屬。熱力發(fā)動機12還包括一個或更多由壓電材料制成的壓電換能器元件觀。壓電材料能夠是石英、羅謝爾鹽、鈦酸鋇、氧化鋅、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鋯鈦酸鑭鉛、鈮鎂酸鉛、鈮酸鉀、鈮酸鉀鈉、鉭鈮酸鉀、鈮酸鉛、鈮酸鋰、鉭酸鋰，氟化物聚偏氟乙烯或其它合適的材料。壓電換能器元件觀能布置為鄰近室20，與室壁或襯墊接觸并與氫工作流體22間接接觸，使得氫工作流體22的壓力變化施加到壓電換能器元件觀以在那里產(chǎn)生機械應(yīng)力。可選地， 壓電換能器元件觀能布置在室20里(縱向或橫向延伸，或兩個方向延伸)，與氫工作流體 22直接接觸，使得氫工作流體22的壓力變化施加到壓電換能器元件觀以在那里產(chǎn)生機械應(yīng)力。壓電換能器元件觀可設(shè)置為隔膜(diaphragm membrane)、束、板、桿和/或纖維。至少一對電極30A和30B電連接到壓電換能器元件觀。電極30A和30B輸出壓電換能器元件因氫工作流體22的壓力變化在其中引起的機械應(yīng)力而產(chǎn)生的電信號。冷流體供應(yīng)被供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器16，而熱流體供應(yīng)被供應(yīng)給熱側(cè)熱交換器18。 冷流體供應(yīng)優(yōu)選包括用于通過熱泵發(fā)動機12的多重加熱/冷卻循環(huán)，將連續(xù)的冷流體供應(yīng)提供給冷側(cè)熱交換器16的循環(huán)器(比如，泵、風(fēng)機)。熱流體供應(yīng)優(yōu)選包括用于通過熱力發(fā)動機12的多重加熱/冷卻循環(huán)，將連續(xù)的熱流體供應(yīng)提供給熱側(cè)熱交換器18的循環(huán)器 (比如，泵、風(fēng)機)。在圖IA所示的一種運行模式中，當(dāng)環(huán)境空氣比深層地溫暖和時，冷流體供應(yīng)由冷地?zé)嵩?2產(chǎn)生，而熱流體供應(yīng)從環(huán)境空氣34產(chǎn)生。冷地?zé)嵩?2能夠是從井或水體(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。冷地?zé)嵩?2也能夠是經(jīng)過與地?zé)峤佑|的管道時被冷卻的流體，例如水或空氣。在圖IB所示的第二種運行模式中，當(dāng)深層地溫比環(huán)境空氣暖和時，供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器16的冷流體供應(yīng)從環(huán)境空氣32’產(chǎn)生，而熱側(cè)交換器的熱流體供應(yīng)由“熱”地?zé)嵩?4’產(chǎn)生。熱地?zé)嵩?4’能夠是從井或水體(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。熱地?zé)嵩?4’也能夠是經(jīng)過與地?zé)峤佑|的管道時被加熱的流體，例如水或空氣。 應(yīng)認識到，依賴于源的相對溫度，可利用閥和管來允許系統(tǒng)在模式之間轉(zhuǎn)換。在地?zé)嵩词抢錈崮茉吹那闆r，熱聲制冷(thermo-acoustic refrigeration)也能用來促進系統(tǒng)的效率。特別地，能夠產(chǎn)生沖擊波的聲源可放置在地下井中，并可操作地耦合到發(fā)動機的熱側(cè)熱交換器和/或冷側(cè)熱交換器。聲致冷是使用聲波增加溫度或降低溫度的熱泵的形式。一般地，充滿工作流體的容器浸沒在地下井里。聲換能器產(chǎn)生沖擊波，其壓縮在沖擊波前的氣體同時減小在沖擊波后的氣體的密度。由于氣體被沖擊波壓縮，氣體的溫度升高。由于在沖擊波之后的氣體膨脹，因此該處的氣體溫度降低。在沖擊波前面的加熱的壓縮氣體能用作供應(yīng)給發(fā)動機12的熱側(cè)熱交換器18的熱源。聲波后面的冷區(qū)域能用作供應(yīng)給發(fā)動機12的冷側(cè)熱交換器16的冷源。
可提供流體供應(yīng)源38和壓力控制機構(gòu)40。流體供應(yīng)源38和壓力控制機構(gòu)40合作將工作流體22加到室20，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)室20內(nèi)的工作流體22的壓力。當(dāng)氫用作工作流體時，通過氫的容器或可能地通過水的電解產(chǎn)生氫的裝置來實現(xiàn)流體供應(yīng)源38。壓力控制機構(gòu)40能通過泵和閥組件實現(xiàn)，根據(jù)需要可能包括將過度的壓力排到周圍環(huán)境的排出閥。熱力發(fā)動機12 —般如下操作。以連續(xù)的方式，冷源32持續(xù)地將冷流體供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器16，而熱源34持續(xù)地將熱流體供應(yīng)給熱側(cè)熱交換器18。利用溫差產(chǎn)生功。更具體地，如參考圖IC在下文更詳細描述的，溫差用來使室20內(nèi)的氫工作流體、金屬氫化物和相變材料(如果有)的溫度循環(huán)以便在那里引起壓力變化。室20中的壓力變化在壓電換能器元件觀上施加相應(yīng)的壓縮力和減壓力，這在那里引起機械應(yīng)力。響應(yīng)于這種機械應(yīng)力，壓電換能器元件觀以循環(huán)的方式變形。這樣的循環(huán)變形使壓電材料產(chǎn)生一系列高電壓、低電流的電脈沖(V+，V-)，這些脈沖由電連接到此的電極30A、30B輸出。圖IC示出了圖IA和IB的示例性的熱力發(fā)動機12的壓縮-減壓循環(huán)，但是應(yīng)認識到，所見的循環(huán)僅僅是示意性的且不是按比例繪制的。循環(huán)包括4段，AB、BC、⑶、DA。為了解釋的目的，假設(shè)發(fā)動機12在點A附近的溫度和壓力開始，優(yōu)選以通過壓力控制機構(gòu)40 的操作來控制調(diào)節(jié)在容器內(nèi)的工作流體22的壓力的方式來完成。還假設(shè)發(fā)動機12具有特征溫度Tint，由此i)對于溫度Tint，從熱側(cè)熱交換器18流入室20的熱量基本上等于從室20流出到冷側(cè)熱交換器16的熱量，這導(dǎo)致室20內(nèi)的溫度梯度基本上保持恒定；ii)對于Tint以下的溫度，從熱側(cè)熱交換器18流入室20的熱量超過從室20流出到冷側(cè)熱交換器16的熱量，這導(dǎo)致室20內(nèi)的溫度梯度增加；以及iii)對于Tint以上的溫度，從冷側(cè)熱交換器16流出室20的熱量超過從冷側(cè)熱交換器18流入室20的熱量，這導(dǎo)致室20內(nèi)的溫度梯度降低。特征溫度Tint由熱側(cè)熱交換器和冷側(cè)熱交換器的溫度(Thot和T_)、熱側(cè)和冷側(cè)熱交換器的相對導(dǎo)熱系數(shù)、熱側(cè)和冷側(cè)熱交換器的相對大小決定。段AB-壓電換能器元件的壓縮在段AB期間，從熱側(cè)熱交換器18流入室20的熱量超出從室20流出到冷側(cè)熱交換器16的熱量，這導(dǎo)致室20內(nèi)的溫度梯度的增加。這樣的熱量增加氫工作流體22的溫度， 導(dǎo)致室20內(nèi)的壓力相應(yīng)增加，如圖所示。氫工作流體22的體積基本上保持恒定。流入室 20的熱量將使密封室內(nèi)的溫度和壓力達到點B，這是金屬氫化物材料M吸收氫的臨界壓力 /溫度點。在這點或這點之前的某個時間，如果室中有相變材料，此材料將吸收熱量并改變相，因而儲存熱能。無論如何，在金屬氫化物吸收氫的臨界壓力/溫度點，段BC開始。段BC-金屬氫化物吸收氫在段BC期間，金屬材料M吸收氫工作流體22。這個吸收是放熱反應(yīng)，釋放熱量并維持氫工作流體22的壓力基本恒定在臨界壓力。在吸收反應(yīng)期間，室20內(nèi)的壓力維持在相應(yīng)于金屬氫化物材料M的臨界壓力的相對恒定的壓力。吸收反應(yīng)持續(xù)到金屬氫化物材料M飽和為止。飽和時，先前在放熱反應(yīng)期間釋放的熱量能導(dǎo)致室20溫度的激增或增加， 并因此導(dǎo)致相應(yīng)的壓力增加/激增至如圖所示點C。在這點，段⑶開始。段CD-壓電元件的減壓
在段CD期間，從冷側(cè)熱交換器16流出室20的熱量超出從冷側(cè)交換器18流入室 20的熱量，這導(dǎo)致室20內(nèi)的溫度梯度降低。這造成氫工作流體22的溫度和在室20內(nèi)壓力的相應(yīng)減少如圖所示降低。當(dāng)室20的溫度和壓力降到氫解吸的臨界溫度和壓力(點D)以下時，段DA開始。段DA-氫化物解吸氫當(dāng)室20內(nèi)的溫度和壓力降到臨界溫度和壓力點D以下時，金屬氫化物材料通過吸收熱量的吸熱反應(yīng)解吸氫，因此加速了室20的溫度和冷卻模式循環(huán)時間的降低。另外，在有相變材料的情況，相變材料釋放它的熱能并回復(fù)到其初始相。段DA持續(xù)到熱側(cè)熱交換器 18能支持氫工作流體22的溫度增加的點A為止。在該點，循環(huán)重新開始。在如圖所示的循環(huán)期間，壓力級從Pmin增加到Pmax，以將相應(yīng)的壓縮力和應(yīng)力施加在壓電換能器元件觀上。在如圖所示的循環(huán)期間，壓力級從Pmax降低到PMIN，以將相應(yīng)的減壓力和應(yīng)力施加在壓電換能器元件觀上。在熱力發(fā)動機12連續(xù)的加熱和冷卻循環(huán)期間， 施加到壓電換能器元件觀的交替的壓縮/減壓力和應(yīng)力導(dǎo)致壓電換能器元件觀以循環(huán)的方式變形。壓電材料的這種循環(huán)變形產(chǎn)生一系列高電壓、低電流電脈沖，這些脈沖由電連接到此的電極30A和30B輸出。如之前提到的，一種或更多種相變材料沈可用作以上描述的熱力發(fā)動機12的部分。相變材料26布置成與氫工作流體22熱接觸。調(diào)整相變材料沈，以在點B的溫度或點 B的溫度附近吸收熱量以便金屬氫化物材料M吸收氫工作流體22，并在段DA期間金屬氫化物材料M解吸氫工作流體22時釋放熱量。這幫助減少熱力發(fā)動機12的循環(huán)時間并有助于熱力發(fā)動機12產(chǎn)生的功率。系統(tǒng)10的優(yōu)選實施方式包括功率變換器36，功率變換器36將壓電換能器元件觀在電極對30A和30B上輸出的電信號轉(zhuǎn)變成期望的電輸出形式。功率變換器36產(chǎn)生的電輸出能適合廣泛的供電應(yīng)用，例如住宅或商用供電應(yīng)用。上述電輸出能夠是AC供電信號或 DC供電信號。在優(yōu)選的實施方式中，功率變換器36產(chǎn)生的電輸出是典型由電網(wǎng)電源(比如，60Hz 120V AC供電信號)供應(yīng)的標準AC供電信號。如在圖2中的示意性描述，功率變換器36優(yōu)選由包括靜電電動機51和機電電池 53的組件實現(xiàn)。如在圖3所最佳顯示的，機電電池53包括具有提供均勻偶極子場的永磁體的陣列(即Halbach陣列)的鼓形轉(zhuǎn)子(cylindrical rotor)610高速飛輪整合到轉(zhuǎn)子 61。在全密封室內(nèi)，轉(zhuǎn)子和飛輪懸浮在磁軸承(或其它合適的低摩擦支撐物)上，并在真空中轉(zhuǎn)動。高速飛輪用于能量的儲存和提取。定子繞組63Α、6!3Β布置在鼓形轉(zhuǎn)子61的內(nèi)部空間里。定子繞組63Α、6!3Β感應(yīng)地耦合到轉(zhuǎn)子61的旋轉(zhuǎn)的磁體的陣列提供的磁場。功率電子裝置(power electronics) 55接合到定子繞組63A、63B，以從旋轉(zhuǎn)的飛輪提取能量，并將這種能量轉(zhuǎn)變成從此輸出的期望的電力供應(yīng)信號。機電電池53與美國專利第5，705，902 號和6，396，186號描述的相似，在這里通過引用完全并入。轉(zhuǎn)動能量通過靜電電動機51的操作而加給機電電池53的飛輪。轉(zhuǎn)到圖3并結(jié)合圖4，靜電電動機51包括鼓形轉(zhuǎn)子71，該鼓形轉(zhuǎn)子71配置為具有關(guān)于它的內(nèi)表面均勻間隔并彼此電絕緣的多個傳導(dǎo)區(qū)域72。靜電電動機51的轉(zhuǎn)子71懸浮在磁軸承(或其它合適的低摩擦支撐物)上，并耦合到機電電池53的轉(zhuǎn)子61，使得轉(zhuǎn)子71的旋轉(zhuǎn)造成機電電池53 的轉(zhuǎn)子61的旋轉(zhuǎn)。定子組件73布置在鼓形轉(zhuǎn)子71的內(nèi)部空間里。
如在圖4所示，定子組件73支撐多個電極74，電極74彼此均勻間隔開，使得它們處于非常接近轉(zhuǎn)子71的傳導(dǎo)區(qū)域72的狀態(tài)。接觸電刷76從定子組件73(或可能從定子電極74自身)伸出來。接觸電刷76電連接到相應(yīng)的定子電極74，并徑向向外延伸以接觸轉(zhuǎn)子71的傳導(dǎo)區(qū)域72。導(dǎo)體78沿著定子的臂從電極延伸到基部。定子組件73的導(dǎo)體78 與電極74被邏輯分為兩組(比如，正極和負極)。正極電極和負極電極74關(guān)于定子組件73 的外圍以交替的方式相繼布置。用正電壓電勢給定子組件73的正極電極充電，同時用負電壓電勢給定子組件73的負極電極充電。這個配置允許在定子組件73的電極74和轉(zhuǎn)子71 的傳導(dǎo)區(qū)域72之間排斥的庫侖力引起轉(zhuǎn)子71的旋轉(zhuǎn)。在可替換的實施方式中，能省略接觸電刷76，跨過定子電極74和轉(zhuǎn)子71的傳導(dǎo)區(qū)域72之間的介質(zhì)的電暈放電能用來在轉(zhuǎn)子71的傳導(dǎo)區(qū)域72上貯存電荷。這種配置也產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的交替充電區(qū)域，排斥鄰近的帶同種電荷的定子電極?，F(xiàn)在參考圖2和圖3，在壓電換能器元件28的電極對30A、30B和定子組件73的導(dǎo)體78之間提供接口電路57。接口電路57將從壓電換能器元件觀輸出的電能傳輸?shù)蕉ㄗ咏M件73的導(dǎo)體78和電極74，以便引起轉(zhuǎn)子71的旋轉(zhuǎn)。如在圖5所示，接口電路57優(yōu)選包括如所示的AC/DC整流器、濾波電容器和Marx 發(fā)生器電路。AC/DC整流器將從壓電換能器元件觀輸出的AC信號轉(zhuǎn)換成DC電流，濾波電容器使總合成信號平滑來產(chǎn)生DC充電信號，以及Marx發(fā)生器電路將DC充電信號轉(zhuǎn)換成高壓脈沖。由Erwin Marx于19 年最先描述的Marx發(fā)生器電路產(chǎn)生高壓脈沖。如在圖 6所示，一定數(shù)量的電容器并聯(lián)充電到指定電壓V，然后被火花隙開關(guān)串聯(lián)連接，理論上產(chǎn)生V乘以電容器(或級)的數(shù)量η的電壓。由于各種實際約束，輸出電壓通常稍微小于 n*V。在理想情形，閉合最接近充電電源的開關(guān)將向第二開關(guān)施加電壓2*V。這個開關(guān)將隨后關(guān)閉，向第三開關(guān)施加電壓3*V。這個開關(guān)將隨后關(guān)閉，產(chǎn)生沿發(fā)生器的級聯(lián)(稱為激勵 (erection))，其在發(fā)生器的輸出產(chǎn)生n*V(再次地，只在理想情形)。如果輸出脈沖的絕對時間不重要，則可允許第一開關(guān)在充電期間自發(fā)中止(有時稱為自中斷)。然而，通常，在所有電容器充滿電后，有意地用機械方式觸發(fā)(減少間隙距離)、電觸發(fā)、經(jīng)由脈沖激光觸發(fā)或通過降低間隙內(nèi)的空氣壓力來觸發(fā)。根據(jù)要求的尺寸制造充電電阻器Rc以便于充電和放電。能用電感器來代替充電電阻器以便提高效率和更快充電。在可替換的實施方式中，靜電電動機51和它的支持電路能被這樣的部件代替其將壓電換能器元件觀的輸出所提供的電能轉(zhuǎn)化成電磁力，上述電磁力引起機電電池53的轉(zhuǎn)子61的轉(zhuǎn)動能，并因此將轉(zhuǎn)動能加給機電電池的飛輪。例如，壓電換能器元件觀產(chǎn)生的高電壓、低電流電信號能提供給與機電電池的附加定子繞組合作的接口電路(或可能地提供給在定相設(shè)計(phased design)中用于能量提取的相同定子繞組)，以產(chǎn)生一磁場，此磁場感應(yīng)地耦合到機電電池53的轉(zhuǎn)子61的轉(zhuǎn)動的磁體的陣列提供的磁場，以便引起它的轉(zhuǎn)子61的轉(zhuǎn)動并將轉(zhuǎn)動能加給它的飛輪。圖7示出本發(fā)明的可替換的實施方式，其包括兩個熱力發(fā)動機1 和122，兩個發(fā)動機的室被兩條流體線路流體地耦合在一起。一條流體線路將工作流體從熱力發(fā)動機1 的室運送到熱力發(fā)動機1 的室，同時另一流體線路將工作流體從熱力發(fā)動機1 的室運送到熱力發(fā)動機1 的室。流量控制閥AZAidZ^dZBi和42 布置在兩條流體線路的輸入和輸出而用于各自的室。如圖所示，流體供應(yīng)源38’和壓力控制機構(gòu)40’流體地耦合到在各輸入閥和輸出閥之間的兩條流體線路中的一條。流體供應(yīng)源38’和壓力控制機構(gòu)40’合作將工作流體22加到兩個發(fā)動機的室，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)兩個發(fā)動機的室內(nèi)的工作流體的壓力。 當(dāng)將氫用作工作流體時，通過氫的容器或可能地通過水的電解產(chǎn)生氫的裝置來實現(xiàn)流體供應(yīng)源38’。壓力控制機構(gòu)40’能通過泵或閥組件實現(xiàn)，根據(jù)需要可能包括將過度的壓力排到周圍環(huán)境的排出閥。根據(jù)需要可打開或關(guān)閉輸入閥和輸出閥來調(diào)節(jié)每個室內(nèi)工作流體的量 /壓力。例如，在顯示的配置里，發(fā)動機的室的壓力能通過打開輸出閥42Bi并關(guān)閉其它的閥42&、42Ai和42A2來調(diào)節(jié)。類似地，發(fā)動機1 的室的壓力能通過打開輸出閥42 并關(guān)閉其它的閥42BP42A:和42A2來調(diào)節(jié)。在正常運行期間，打開閥42~、424、42~和42A2并操作熱力發(fā)動機U1和122，使得它們的加熱和冷卻循環(huán)彼此異相。例如考慮熱力發(fā)動機1 和1 都配置為執(zhí)行圖IC的加熱和冷卻循環(huán)。在這種配置中，熱力發(fā)動機1 的初始壓力能被初始化以在點C或點C附近開始工作，而熱力發(fā)動機1 的初始壓力能被初始化以在點A或點A附近開始工作。熱力發(fā)動機和1 如下循環(huán)通過它們的加熱和冷卻循環(huán)
權(quán)利要求
1.一種用于能量轉(zhuǎn)化的裝置，所述裝置包括機電電池，其具有儲存轉(zhuǎn)動能的飛輪；靜電電動機，其可操作地耦合到所述機電電池，所述靜電電動機將轉(zhuǎn)動能加到所述機電電池的所述飛輪；以及接口電路，其可操作地耦合在AC電輸入和所述靜電電動機之間，其中所述接口電路基于所述AC電輸入而產(chǎn)生DC充電信號并且使所述DC充電信號倍增以產(chǎn)生用于供應(yīng)到所述靜電電動機的高壓脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括用于將所述飛輪的轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成期望的電力供應(yīng)信號的設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述機電電池包括電磁耦合到定子的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可操作地耦合到所述飛輪，其中所述轉(zhuǎn)子和定子中的一個包括永磁體陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述靜電電動機包括經(jīng)由排斥的庫侖力而相對彼此轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子可操作地耦合到所述機電電池的所述飛輪。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述接口電路包括Marx發(fā)生器電路。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述接口電路包括AC-DC整流器和濾波電容器，所述AC-DC整流器和濾波電容器合作產(chǎn)生用于輸入到所述Marx發(fā)生器電路的所述DC充電電壓信號。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述接口電路包括AC/DC整流器，所述AC/DC整流器整流所述AC電輸入以便產(chǎn)生所述 DC充電信號。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述機電電池的所述飛輪在由氣密密封的室中限定的真空中轉(zhuǎn)動。
9.一種能量轉(zhuǎn)化方法，包括提供可操作地耦合到機電電池的靜電電動機，其中所述機電電池具有用于儲存轉(zhuǎn)動能的飛輪；供應(yīng)AC電輸入；將所述AC電輸入轉(zhuǎn)化為DC充電信號；以及使所述DC充電信號倍增以產(chǎn)生用于供應(yīng)到所述靜電電動機的高壓脈沖使得所述靜電電動機將轉(zhuǎn)動能加到所述機電電池的所述飛輪。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括將所述飛輪的轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成期望的電力供應(yīng)信號。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述機電電池包括電磁耦合到定子的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可操作地耦合到所述飛輪，其中所述轉(zhuǎn)子和所述定子中的一個包括永磁體陣列，所述永磁體陣列用于將所述飛輪的轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成期望的電力供應(yīng)信號。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述靜電電動機包括經(jīng)由排斥的庫侖力而相對彼此轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子可操作地耦合到所述機電電池的所述飛輪。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中 所述倍增通過Marx發(fā)生器電路來執(zhí)行。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)化包括由AC-DC整流器執(zhí)行的整流。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中 所述轉(zhuǎn)化包括由濾波電容器執(zhí)行的濾波。
16.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述機電電池的所述飛輪在由氣密密封的室中限定的真空中轉(zhuǎn)動。
全文摘要
一種用于產(chǎn)生電力供應(yīng)信號的系統(tǒng)，包括至少一個經(jīng)歷加熱/冷卻循環(huán)以及相應(yīng)的溫度或壓力變化的熱力發(fā)動機。至少一個壓電換能器響應(yīng)于熱力發(fā)動機的溫度或壓力變化而被變形。功率變換器將響應(yīng)于壓電換能器的變形而產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換成期望的電力供應(yīng)信號。熱力發(fā)動機優(yōu)選使用冷地?zé)嵩春蜔岘h(huán)境源，反之亦然。氫可用作工作流體，以及金屬氫化物材料可用于在熱力發(fā)動機的加熱和冷卻循環(huán)期間，吸收和解吸氫。也可使用相變材料。
文檔編號F02B63/04GK102425491SQ201110350138
公開日2012年4月25日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月8日
發(fā)明者金佰利·皮科克 申請人:金佰利·皮科克