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A/v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= 1/ST(SR-(fe))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、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
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)生施力口到壓電材料的循
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、 低成本的地熱的熱源和冷源與環(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。
才艮據(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)動積J尤選4吏用^H也熱源和熱環(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？ 1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)選使用冷地熱源和熱環(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)動靜電電動才幾的斥力。4幾電電池能容易地適 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 )，以及使用金屬氬化物材料在熱力發(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1A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)的才匡圖。
圖1B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lC是示例性的壓力-溫度曲線，示出圖1A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1A和圖IB的系統(tǒng)中使用的示例性功率轉(zhuǎn)化裝置 (power conversion apparatus )的原理框圖。
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9A和9B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IO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11A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11B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包括地熱交換熱力發(fā)動4幾12,地熱交換熱力發(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24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24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 氬化物的改性；
iv) 釩基固溶體，其具有通式(Vl-xTix)l-y My,其中M通常是VI ;疾到VIII族的金屬，例如Fe、 Ni、 Cr或Mn;和/或
v) 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26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 28。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、鋯鈥酸鑭鉛、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 28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28以在那里產(chǎn)生機 械應(yīng)力?？蛇x地，壓電換能器元件28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28以在那里產(chǎn)生機械應(yīng)力。壓電換能器元 件28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28。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、風機)。在圖1A所示的一種運行模式中，當環(huán)境空氣比深層地溫暖 和時，冷流體供應(yīng)由冷地熱源32產(chǎn)生，而熱流體供應(yīng)/人環(huán)境空氣34產(chǎn)生。 冷地熱源32能夠是從井或水體(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。冷 地熱源32也能夠是經(jīng)過與地熱接觸的管道時被冷卻的流體，例如水或空 氣。在圖1B所示的第二種運行模式中，當深層地溫比環(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"地熱源34，產(chǎn)生。熱地熱源34，能夠是從井或水體 (比如，池塘或湖泊)提取的地下水。熱地熱源34，也能夠是經(jīng)過與地熱 接觸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。
在地熱源是冷熱能源的情況，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4是供流體供應(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1C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28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28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1C示出了圖1A和lB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、 CD、 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Tn^r，由此
i) 對于溫度Tjnt,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TWr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Tjnt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T肌由熱側(cè)熱交換器和冷側(cè)熱交換器的溫度(Thot和Tcold)、
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l殳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 熱量增加氬工作流體22的溫度，導(dǎo)致室20內(nèi)的壓力相應(yīng)增加，如圖所示。 氬工作流體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24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，在金屬氬化物吸收氫的臨界壓力/ 溫度點，4殳BC開始。
段BC-金屬氫化物吸收氬
在段BC期間，金屬材料24吸收氬工作流體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)于金屬氪化物材料24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24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CD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)解吸氪，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28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 28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28的交替的壓縮/減壓力和應(yīng)力導(dǎo)致壓電換能器元件28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26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26,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24吸收氫工作流體22，并在段DA期間金屬氫化物材料24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28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 120VAC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) 61 。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63A、 63B布置在鼓形轉(zhuǎn)子 61的內(nèi)部空間里。定子繞組63A、 63B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。
現(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28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28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Mark發(fā)生器電路將DC充電信號轉(zhuǎn)換成高壓脈沖。
由Erwin Marx于1924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n的電壓。由 于各種實際約束，輸出電壓通常稍微小于一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*￥。這個開關(guān)將隨后關(guān)閉，向第 三開關(guān)施加電壓3n^。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28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4侖。例如，壓電換能器元件28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12,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12,的室運送到熱力發(fā)動機122的室，同時另一 流體線3各將工作流體/人熱力發(fā)動沖幾122的室運送到熱力發(fā)動才幾12t的室。 流量控制閥42A,、 42A2、 42B,和42B2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，和壓力控制才幾構(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12， 的室的壓力能通過打開輸出閥42B，并關(guān)閉其它的閥42B2 、 42A,和42A2 來調(diào)節(jié)。類似地，發(fā)動機122的室的壓力能通過打開輸出閥42B2并關(guān)閉 其它的閥42B! 、 42A,和42A2來調(diào)節(jié)。
在正常運行期間，打開閥42A^ 42A2、 42A,和42A2并操作熱力發(fā)動 機12,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12!和122都配置為執(zhí)行圖1C的加熱和冷卻循環(huán)。在這種配置中，熱 力發(fā)動機12,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122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)動才幾12,和122如下循環(huán)通過它們的加熱和冷卻循環(huán)
熱力發(fā)動機12, 熱力發(fā)動才幾122
段CD 段AB段DA 段BC
段AB 段CD
段BC 段DA
這種配置是有利的，因為其減少了加熱和冷卻的循環(huán)時間并因此增加了化 學(xué)熱力發(fā)動機產(chǎn)生的壓力變化的頻率。
圖8顯示壓力控制器的示意性說明。壓力控制器能用來自動調(diào)節(jié)熱力 發(fā)動機的室內(nèi)工作流體的壓力并維持在它們期望的操作范圍內(nèi)。這種控制 是必需的，如果氫從系統(tǒng)泄露和/或以適應(yīng)熱供應(yīng)和/或冷供應(yīng)的變化的溫 度(比如，改變環(huán)境空氣溫度)?？刂破鲀?yōu)選接合到測量熱供應(yīng)和冷供應(yīng) 的溫度的溫度傳感器，以及接合到閥42A1、 43A2、 42B1 、 43B2的致動 /控制功能、流體供應(yīng)源38，和壓力控制機構(gòu)40，?？刂破鲌?zhí)行控制算法(優(yōu) 選使用查找表或類似物)，所述控制算法基于溫度傳感器輸出的熱供應(yīng)和 冷供應(yīng)的溫度，計算適當?shù)氖业膲毫?。然后控制器能根?jù)需要與閥 42A1、 43A2、 42B1、 43B2的致動/控制功能、流體供應(yīng)源38，和壓力控制 機構(gòu)40，自動合作以將室的壓力調(diào)節(jié)到期望的壓力級。相似的控制方案能 用來自動調(diào)節(jié)圖1A和1B的單個發(fā)動機配置中的壓力。
圖9A示出用于圖7的系統(tǒng)的實施方式，其中流體地耦合兩個發(fā)動機 的流體供應(yīng)線路通過管中管設(shè)計來實現(xiàn)。外管支撐各自發(fā)動機的一個或更 多個壓電換能器元件28，。內(nèi)管是柔性的氣壓管，其流體地耦合在發(fā)動片幾 的室之間，并因此成為這種室的延伸。在兩個發(fā)動機的加熱/冷卻/壓力循 環(huán)期間，兩個發(fā)動機產(chǎn)生的振蕩壓力變化將流經(jīng)柔性的氣壓管，將相應(yīng)的 壓縮/減壓力施加到一個或更多個壓電換能器元件28，，如在此所描述的。 在這種配置中，各自發(fā)動機的壓電換能器元件28，能相對于包含發(fā)動機的 氫化物材料和PCM材料的容器遠程定位。
圖9B示出用于圖7的系統(tǒng)的另一實施方式，其中流體地耦合兩個發(fā) 動機的流體供應(yīng)線路通過新穎的管中管設(shè)計來實現(xiàn)。外管支撐兩個內(nèi)管， 一個或更多個壓電換能器元件在兩個內(nèi)管之間。兩個內(nèi)管流體地耦合在兩 個發(fā)動機的室之間，并因此成為這種室的延伸。在兩個發(fā)動機的加熱/冷卻/壓力循環(huán)期間，兩個發(fā)動機產(chǎn)生的振蕩壓力變化將流經(jīng)柔性的氣壓管。 這種壓力變化優(yōu)選彼此異相，并因此在其間提供振蕩的壓差。這種振蕩的 壓差用來施加使布置在兩個柔性的氣壓管之間的壓電換能器元件變形(例 如通過壓電膜片的振蕩變形)的壓縮/減壓力。在這種配置中，各自發(fā)動 機的壓電換能器元件能相對于包含發(fā)動機的氫化物材料和PCM材料的容 器遠程定位。
如在圖IO所示，這里描述的熱力發(fā)動機能安排在管中管類型的配置 中。在這種配置中，內(nèi)管81運送熱(或冷)源。外管83的外部遭受冷(或 熱)源。內(nèi)管81和外管83由這里描述的導(dǎo)熱材料實現(xiàn)，并因此起熱交換 器的作用。發(fā)動機的氫工作流體、金屬氫化物材料和可能的相變材料布置 在內(nèi)管81和外管83之間封閉的空間內(nèi)。發(fā)動機的壓電壓力換能器也能位 于內(nèi)管81和外管83之間的封閉空間內(nèi)，或可能關(guān)于流體地耦合到該封閉 空間的流體^各徑定位，例如，定位在與圖9A和9B所示流體供應(yīng)線;洛類 似的流體供應(yīng)線路中。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖IIA，顯示依照本發(fā)明的電能發(fā)生器系統(tǒng)110的圖示說 明。系統(tǒng)110包括優(yōu)選具有外部絕熱襯墊的管狀殼體112，上述外部絕熱 村墊能用充滿氣凝膠或其它合適的絕熱材料的空間實現(xiàn)。殼體112限定內(nèi) 部空間，其中支撐與第一反應(yīng)室116熱接觸的冷側(cè)熱交換器114。與第二 反應(yīng)室120熱接觸的熱側(cè)熱交換器118支撐在殼體112的外部。用充滿氣 凝膠或其它合適絕熱材料的空間實現(xiàn)的外部絕熱村墊122優(yōu)選圍繞熱側(cè) 熱交換器118和第二反應(yīng)室120，以便隔離這些部件。
冷供應(yīng)(比如，冷空氣)124供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器114，而熱供應(yīng)(比 如，熱空氣)126供應(yīng)給熱側(cè)熱交換器118。第一反應(yīng)室116和第二反應(yīng) 室12(H皮流體耦合機構(gòu)(fluid coupling mechanism) 128,例如文氏管或類 似物流體地耦合到彼此。第一反應(yīng)室116和第二反應(yīng)室120包括金屬氫化 物材料和優(yōu)選相變材料，其結(jié)合在此的氬工作流體，作為由冷側(cè)熱交換器 114 (由冷源124決定的)和熱側(cè)熱交換器118 (由熱源126決定的)之 間的溫差驅(qū)動的化學(xué)熱力發(fā)動機而工作。
第一反應(yīng)室116包含至少一種能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物材料以及優(yōu)選至少一種與氫工作流體熱4妄觸的相變材料。類似地，第二反應(yīng)室 120包含至少一種能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物材料以及優(yōu)選至少一 種與氫工作流體熱接觸的相變材料。選擇反應(yīng)室116和120的金屬氫化物
材料，使得在冷側(cè)熱交換器114和熱側(cè)熱交換器118之間預(yù)期的溫差范圍 內(nèi)，第一反應(yīng)室116的金屬氫化物材料吸收氫(放熱)，而第二反應(yīng)室120 的金屬氫化物材料解吸氫(吸熱)，且反之亦然。以這種方式，反應(yīng)室116 和120的熱產(chǎn)生和熱吸收操作相對于彼此為180度異相或接近180度異 相，以便最小化化學(xué)熱力發(fā)動機的循環(huán)時間(最大化其頻率)。
在熱力發(fā)動機的循環(huán)操作期間，熱量從熱側(cè)熱交換器118流到第二反 應(yīng)室120,以及熱量從第一反應(yīng)室116流到冷側(cè)熱交換器114。金屬化的 雙向?qū)虻木蹖Ρ蕉姿嵋叶?PET)或類似物的膜130能布置在冷側(cè) 熱交換器114和第 一反應(yīng)室116之間，以最d 、化從冷側(cè)熱交換器114流到 第一反應(yīng)室116的不必要的熱量。類似地，金屬化的雙向?qū)虻木蹖Ρ蕉?曱酸乙二酯(PET)或類似物的膜132能布置在熱側(cè)熱交換器118和第二 反應(yīng)室120之間，以最小化從第二反應(yīng)室120流到熱側(cè)熱交換器118的不 必要的熱量。
熱堆疊(thermal stack) 134布置在殼體112的內(nèi)部空間中。熱堆疊 134優(yōu)選由一連串的薄平行散熱片(fin)、由導(dǎo)熱材料(例如銅、庫珀合 金、不銹鋼、熱解石墨)制成的薄桿狀構(gòu)件的互連的網(wǎng)格實現(xiàn)。熱堆疊 134也能從蜂巢狀薄壁陶瓷結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，例如紐約Corning的Corning Environmental Technologies所銷售的Celcore 。熱堆疊134具有一個側(cè)面 136,與側(cè)面138相對。側(cè)面136與第一反應(yīng)室116熱接觸。在熱力發(fā)動 才幾的加熱和冷卻循環(huán)期間，在熱堆疊130的側(cè)面136經(jīng)歷反應(yīng)室116的循 環(huán)溫度變化。這種循環(huán)的溫度變化造成熱堆疊134的熱聲振蕩。諧振腔 140臨近熱堆疊134的側(cè)面138限定在殼體112內(nèi)。設(shè)計熱堆疊134和諧 振腔140成使得熱堆疊134的熱聲振蕩在諧振腔140內(nèi)形成壓力駐波 (standing pressure wave )。壓力駐波的頻率等于或接近熱力發(fā)動機的工作 頻率。在優(yōu)選實施方式中，諧振腔140的有效長度與壓力駐波波長的1/2 成比例。殼體112能適應(yīng)為使得諧振腔140的內(nèi)表面是聲反射的，并因此最小化在其中的任何聲損耗。聲反射元件142布置在諧振腔140的與熱堆 疊134相反的一端。
至少一個壓電換能器144布置在諧振腔140內(nèi)。壓電換能器144由壓 電材料，例如石英、羅謝爾鹽、鈦酸鋇、氧化鋅、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鋯 鈥酸鑭鉛、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實現(xiàn)。在優(yōu)選實施方式中， 壓電換能器144實現(xiàn)為薄桿狀壓電構(gòu)件的互連網(wǎng)格。在諧振腔140里產(chǎn)生 的壓力駐波在壓電換能器144上引起循環(huán)的機械應(yīng)力。至少一對電極 146A 、 146B電連接到壓電換能器144。電極146A、 146B輸出因諧振腔 140內(nèi)產(chǎn)生的壓力駐波在其中引起的循環(huán)的機械應(yīng)力而由壓電換能器144 產(chǎn)生的電信號。
在所示的i兌明性實施方式中，冷源124(比如，冷空氣)注入或吸入 管狀殼體112的一端，并流經(jīng)管狀殼體112的內(nèi)部空間，在該內(nèi)部空間冷 源由于熱力發(fā)動機的運行而變暖，從管狀殼體112的相反端噴射或抽出。 在這種配置中，布置在殼體112內(nèi)部空間內(nèi)的系統(tǒng)的部件(冷側(cè)熱交換器 114、膜130、第一反應(yīng)室116、熱堆疊134、壓電換能器144和聲反射體 142)允許這種冷流體的流動通過。
在未顯示的可替換的實施方式中，冷源124能通過流體耦合器(fluid coupler)或類似物供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器114。當使用這種流體耦合器時， 布置在殼體112內(nèi)部空間內(nèi)的系統(tǒng)的部件(冷側(cè)熱交換器114、膜130、 第一反應(yīng)室116、熱堆疊134、壓電換能器144和聲反射體142)不需允 許這種冷流體的流動通過。
第一反應(yīng)室116和第二反應(yīng)室120的金屬氫化物材料可保持在一個或 更多個臺或其它儲存容器里。這種金屬氫化物材料可包括
i) 氮化鋰；
ii) 二氫化鎂；
iii) 鑭4臬氫化物(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)卜y My，其中M通常是VI 族到VIII;疾的金屬，例如Fe、 Ni、 Cr或Mn;和/或
v) 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。
第一反應(yīng)室116和第二反應(yīng)室120的相變材料能夠是沸石、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。
如以上所描述的，冷供應(yīng)124被供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器116。熱供應(yīng)126 被供應(yīng)給熱側(cè)熱交換器118。冷供應(yīng)124優(yōu)選包括用于在化學(xué)熱力發(fā)動機 的多個加熱/冷卻循環(huán)期間，將連續(xù)的冷流體供應(yīng)提供給冷側(cè)熱交換器116 的循環(huán)器(比如，泵、風機)。熱供應(yīng)126優(yōu)選包括用于在熱力發(fā)動機的 多個加熱/冷卻循環(huán)期間，將連續(xù)的熱流體供應(yīng)提供到熱側(cè)熱交換器18的 循環(huán)器(比如，泵、風機)。
在示例性的配置(在環(huán)境空氣比深層地溫暖和時有用)中，冷供應(yīng) 124可由冷地熱源產(chǎn)生，熱供應(yīng)126可從環(huán)境空氣產(chǎn)生。冷地熱源能夠是 流體，例如水或空氣，當其經(jīng)過與地熱接觸的管道時被冷卻。冷地熱源也 能夠是從井或水體(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。
在可替換的配置(在深層地溫比環(huán)境空氣暖和時有用)中，冷供應(yīng) 124能從環(huán)境空氣產(chǎn)生，而熱供應(yīng)126能由熱地熱源產(chǎn)生。熱地熱源能夠 是流體，例如水或空氣，當其經(jīng)過與地熱接觸的管道時被加熱。熱地熱源 也能夠是從井或水體(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。
應(yīng)認識到，熱交換器118和關(guān)聯(lián)的反應(yīng)室120的熱側(cè)功能能夠與熱交 換器114和關(guān)聯(lián)的反應(yīng)室120的冷側(cè)功能交換，如圖1B所示。以這種方 式，系統(tǒng)能依賴于源的相對溫度在配置之間轉(zhuǎn)換。可選地，閥和管道系統(tǒng) 可耦合到熱源和冷源，并用來允許圖1A的系統(tǒng)依賴于源的相對溫度在配 置之間轉(zhuǎn)換。
可提供流體供應(yīng)源和壓力控制機構(gòu)(未顯示)，它們合作將工作流體 (比如氬)加到反應(yīng)室116和120,并根據(jù)需要調(diào)節(jié)在這樣的室內(nèi)的工作流體的壓力。當氬用作工作流體時，流體供應(yīng)源能由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)。壓力控制機構(gòu)能由泵和閥來實現(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。
由冷側(cè)熱交換器114、第一反應(yīng)室116、熱側(cè)熱交換器118和第二反
應(yīng)室120實現(xiàn)的熱力發(fā)動機一般如下操作。以連續(xù)的方式，冷源124持續(xù) 地將冷流體供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器116,熱源126持續(xù)地將熱流體供應(yīng)給熱 側(cè)熱交換器118。利用冷源124和熱源126之間的溫差產(chǎn)生功。更具體地， 且如參考圖2在下文更詳細描述的，這個溫差用于使反應(yīng)室116和120 內(nèi)的氫工作流體、金屬氫化物和相變材料(如果有)的溫度和壓力循環(huán)以 便在那里引起溫度變化。反應(yīng)室116的溫度變化引起熱堆疊134的熱聲振 蕩，該熱聲振蕩在諧振腔140內(nèi)形成壓力駐波。壓力駐波的頻率等于或接 近熱力發(fā)動機的工作頻率。壓力駐波在壓電換能器144上引起循環(huán)的機械 應(yīng)力。電極146A、 146B輸出因諧振腔140內(nèi)產(chǎn)生的壓力駐波在其中引起 的循環(huán)的機械應(yīng)力而由壓電換能器144產(chǎn)生的一系列高電壓、低電流電脈 沖(V+,V-)。
圖IIA和11B的熱力發(fā)動機的每個各自的反應(yīng)室116、 120的示例性 溫度-壓力循環(huán)見圖1C，雖然應(yīng)認識到，所見的循環(huán)僅僅是示意性的而 非按比例繪制的。循環(huán)包括四段AB、 BC、 CD、 DA,其按之前參考圖 1C所描述的起作用。
在圖IIA和11B的配置中，第一反應(yīng)室16的初始壓力能被初始化以 在點C或點C附近開始工作，而第二反應(yīng)室120的初始壓力能被初始化 以在點A或點A附近開始工作。兩個反應(yīng)室116和120如下循環(huán)通過它 們的加熱和冷卻循環(huán)
反應(yīng)室116 反應(yīng)室120
段CD 段DA 段AB
段AB 段BC 段CD段BC 段DA
在這種配置中，在冷側(cè)熱交換器114和熱側(cè)熱交換器118之間預(yù)期的 溫差范圍內(nèi)，第一反應(yīng)室116的金屬氫化物材料在段BC期間吸收氫(放 熱)，而第二反應(yīng)室118的金屬氬化物材料在段DA期間解吸氬(吸熱)， 且反之亦然。當?shù)谝环磻?yīng)室放熱時，熱量經(jīng)由工作流體通過流體耦合器 (fluid coupling) 128流到其被吸收的第二反應(yīng)室120。類似地，當?shù)诙?反應(yīng)室120放熱時，熱量經(jīng)由工作流體通過流體耦合器128流到其被吸收 的第一反應(yīng)室116。以這種方式，反應(yīng)室116和120的熱產(chǎn)生和熱吸收操: 作相對于彼此為(或接近)180度異相以便最小化化學(xué)熱力發(fā)動機的循環(huán) 時間(最大化其頻率)。
與熱堆疊134熱接觸的反應(yīng)室116的溫度水平在如所示的熱力發(fā)動機 循環(huán)期間，在丁MrN和TMAx之間循環(huán)。這種溫度變化引起熱堆疊134的熱 聲振蕩，該熱聲振蕩在諧振腔140內(nèi)形成壓力駐波。壓力駐波的頻率等于 或接近熱力發(fā)動機的工作頻率。壓力駐波在壓電換能器144上引起循環(huán)的 機械應(yīng)力。電極146A、 146B輸出因諧振腔140里產(chǎn)生的壓力駐波在其中 引起的循環(huán)的機械應(yīng)力而由壓電換能器144產(chǎn)生的一系列高電壓、低電流 電脈沖(V+,V-)。
如之前提到的， 一種或更多種相變材料能用作以上描述的反應(yīng)室 116、 120的部分。相變材料布置成與氫工作流體熱接觸。調(diào)整相變材料 以在點B的溫度或點B的溫度附近吸收熱量以便金屬氬化物材料吸收氬 工作流體，并在段DA期間金屬氫化物材料解吸氬工作流體時釋放熱量。
的功率。
系統(tǒng)10的優(yōu)選實施方式包括功率變換器150，功率變換器150將壓 電換能器144在電極對146A、 146B上輸出的電信號轉(zhuǎn)變成期望的電輸出 形式。功率變換器150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 實施方式中，功率變換器136產(chǎn)生的電輸出是典型由電網(wǎng)電源(比如，60Hz 120VAC供電信號)供應(yīng)的標準AC供電信號。在優(yōu)選實施方式中，功率變換器150由包括如之前描述的靜電電動機和機電電池的組件實現(xiàn)。
圖12中顯示了依照本發(fā)明的能量發(fā)生器系統(tǒng)110'的另一實施方式。 系統(tǒng)IIO，包括優(yōu)選具有外部絕熱襯墊的管狀殼體112，，上述外部絕熱襯
墊能用充滿氣凝膠或其它合適的絕熱材料的空間實現(xiàn)。殼體112'限定內(nèi) 部空間，內(nèi)部空間的部分形成諧振腔140，。與反應(yīng)室116A，熱接觸的冷側(cè) 熱交換器114A，支撐在殼體112，的內(nèi)部空間，在如圖所示的諧振腔140， 的一側(cè)。與反應(yīng)室120A，熱接觸的熱側(cè)熱交換器118A，支撐在殼體112，的 外部上。用充滿氣凝膠或其它合適絕熱材料的空間實現(xiàn)的外部絕熱襯墊 122A，優(yōu)選圍繞熱側(cè)熱交換器118A，和第二反應(yīng)室120A，，以便隔離這些 部件。與反應(yīng)室116B，熱接觸的冷側(cè)熱交換器114B，支撐在殼體112，的內(nèi) 部空間，在如圖所示的諧振腔140，的另一側(cè)。與反應(yīng)室120B'熱接觸的熱 側(cè)熱交換器118B，支撐在殼體112，的外部上。用充滿氣凝膠或其它合適絕 熱材料的空間實現(xiàn)的外部絕熱襯墊122B，優(yōu)選圍繞熱側(cè)熱交換器18B，和 第二反應(yīng)室120B，，以便隔離這些部件。
冷供應(yīng)124，(比如，冷空氣)供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器114A，和114B，。 熱供應(yīng)126，(比如，熱空氣)供應(yīng)給熱側(cè)熱交換器118A，和118B，。反應(yīng) 室116A，和120A，被流體耦合機構(gòu)128A',例如文氏管或類似物流體地耦 合到彼此。反應(yīng)室116B，和120B，被流體耦合機構(gòu)128B',例如文氏管或 類似物流體地耦合到彼此。反應(yīng)室116A，和120A，包括金屬氫化物材料和 優(yōu)選相變材料，其結(jié)合在此的氫工作流體，作為由冷側(cè)熱交換器114A'(由 冷源124，決定的)和熱側(cè)熱交換器118A，(由熱源126，決定的)之間的溫 差驅(qū)動的化學(xué)熱力發(fā)動機而工作。類似地，反應(yīng)室116B，和120B，包括金 屬氫化物材料和優(yōu)選相變材料，其結(jié)合在此的氫工作流體，作為由冷側(cè)熱 交換機114B，(由冷源124，決定的)和熱側(cè)熱交換器118B，(由熱源126， 決定的)之間的溫差驅(qū)動的化學(xué)熱力發(fā)動機而工作。
反應(yīng)室116A，包含至少一種能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物材料以 及優(yōu)選至少一種與氫工作流體熱接觸的相變材料。反應(yīng)室120A，包含至少 一種能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物材料以及優(yōu)選至少一種與氫工作流 體熱接觸的相變材料。選擇反應(yīng)室116A，、 120A，的金屬氫化物材料，使得在冷側(cè)熱交換器114A，和熱側(cè)熱交換器118A，之間預(yù)期的溫差范圍內(nèi)， 反應(yīng)室116A，的金屬氫化物材料吸收氫(放熱)，而反應(yīng)室120A，的金屬氫 化物材料解吸氫(吸熱)，且反之亦然。以這種方式，反應(yīng)室116A，和120A， 的熱產(chǎn)生和熱吸收操作相對于彼此為(或接近)180度異相，以便最小化 化學(xué)熱力發(fā)動機的循環(huán)時間(最大化其頻率)。
類似地，反應(yīng)室116B，包含至少一種能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物 材料和優(yōu)選至少 一種與氫工作流體熱接觸的相變材料。反應(yīng)室120B，包含 至少一種能夠吸收和解吸氳的金屬氫化物材料和優(yōu)選至少一種與氫工作 流體熱接觸的相變材料。選擇反應(yīng)室116B，、 120B，的金屬氫化物材料， 使得在冷側(cè)熱交換器114B，和熱側(cè)熱交換器118B，之間期望的溫差范圍 內(nèi)，反應(yīng)室116B，的金屬氫化物材料吸收氫(放熱)，而反應(yīng)室120B，的金 屬氬化物材料解吸氫(吸熱)，且反之亦然。以這種方式，反應(yīng)室116B， 和120B，的熱產(chǎn)生和熱吸收操作相對于彼此為(或接近)180度異相，以 便最小化化學(xué)熱力發(fā)動機的循環(huán)時間(最大化其頻率)。
在由反應(yīng)室116A，和120A，實現(xiàn)的熱力發(fā)動機的循環(huán)操作期間，熱量 從熱側(cè)熱交換器118A，流到反應(yīng)室120A，，以及熱量/人反應(yīng)室116A，流到 冷側(cè)熱交換器114A，。金屬化的雙向?qū)虻木蹖Ρ蕉跛嵋叶?PET) 或類似物的膜130A，的能布置在冷側(cè)熱交換器114A，和反應(yīng)室116A，之間， 以最小化從冷側(cè)熱交換器114A，流到反應(yīng)室116A，的不必要的熱量。類似 地，金屬化的雙向?qū)虻木蹖Ρ蕉跛嵋叶?PET)或類似物的膜132A， 能布置在熱側(cè)熱交換器118A，和反應(yīng)室120A，之間，以最小化從反應(yīng)室 120A，流到熱側(cè)熱交換器118A，的不必要的熱量。
在由反應(yīng)室116B'和120B'實現(xiàn)的熱力發(fā)動機的循環(huán)梯:作期間，熱量 從熱側(cè)熱交換器118B ，流到反應(yīng)室120B ，，以及熱量從反應(yīng)室16B ，流到冷 側(cè)熱交換器114B，。聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或類似物的膜130B，能 布置在冷側(cè)熱交換器114B，和反應(yīng)室116B，之間，以最小化從冷側(cè)熱交換 器114B，流到反應(yīng)室116B，的不必要的熱量。類似地，聚對苯二曱酸乙二 酯(PET)或類似物的膜132B，能布置在熱側(cè)熱交換器118B，和反應(yīng)室 120B，之間，以最'J、化從反應(yīng)室120B，流到熱側(cè)熱交換器118B ，的不必要的熱量。
兩個熱堆疊134A，和134B，布置在殼體112，的內(nèi)部空間內(nèi)，在諧振腔 140，的相對側(cè)面上。熱堆疊134A，、 134B，的每個優(yōu)選由一連串的薄平行 散熱片，或由導(dǎo)熱材料，例如銅、庫珀合金、不銹鋼、熱解石墨制成的薄 桿狀構(gòu)件的互連的網(wǎng)格實現(xiàn)。熱堆疊134A，、 134B，也能從蜂巢狀薄壁陶 乾結(jié)構(gòu)實現(xiàn),例如紐約Coming的Corning Environmental Technologies所 銷售的Celcore 。
熱堆疊134A，具有一個側(cè)面136A，，與側(cè)面138A，相對。側(cè)面136A， 與反應(yīng)室116A，熱接觸。在通過反應(yīng)室116A，和120A，實現(xiàn)的熱力發(fā)動機 的加熱和冷卻循環(huán)期間，在熱堆疊134A，的側(cè)面136A，經(jīng)歷反應(yīng)室116A， 的循環(huán)溫度變化。這種循環(huán)的溫度變化造成熱堆疊134A，的熱聲振蕩。
熱堆疊134B，具有一個側(cè)面136B，，與側(cè)面138B，相對。側(cè)面136B， 與反應(yīng)室116B，熱接觸。在通過反應(yīng)室116B，和120B，實現(xiàn)的熱力發(fā)動機 的加熱和冷卻循環(huán)期間，在熱堆疊134B，的側(cè)面136B，經(jīng)歷反應(yīng)室116B， 的循環(huán)溫度變化。這種循環(huán)的溫度變化造成熱堆疊134B，的熱聲振蕩。
諧振腔140，在熱堆疊140A，的側(cè)面138A，和熱堆疊140B，的側(cè)面138B， 之間延伸。設(shè)計熱堆疊134A， 、 134B，以及諧振腔140，成使得熱堆疊134A，、 134B，的熱聲振蕩合作以在諧振腔140，內(nèi)形成壓力駐波。壓力駐波的頻率 等于或接近熱力發(fā)動機的工作頻率。在優(yōu)選實施方式中，諧振腔140，的 有效長度與壓力駐波波長的1/2成比例。殼體112，能適應(yīng)為使得諧振腔 140，的內(nèi)表面是聲反射的，并因此最小化在其中的任何聲損耗。
壓電換能器144，布置在諧振腔140，內(nèi)。壓電換能器144，由壓電材料， 例如石英、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實現(xiàn)。在優(yōu)選實施方式中，壓電換能器 144，實現(xiàn)為薄桿狀壓電構(gòu)件的互連網(wǎng)格。在諧振腔140，內(nèi)產(chǎn)生的壓力駐波 在壓電換能器144，上引起循環(huán)的機械應(yīng)力。至少一對電極146A，、 146B， 電連接到壓電換能器144A，。電極146A，、 146B，輸出由壓電換能器144，因 在諧振腔140，內(nèi)產(chǎn)生的壓力駐波在其中引起的循環(huán)的機械應(yīng)力而產(chǎn)生的電信號。
在所示的說明性實施方式中，冷源124，(比如，冷空氣)注入或吸
入管狀殼體112，的一端，并流經(jīng)管狀殼體112，的內(nèi)部空間，在該內(nèi)部空 間冷源由于熱力發(fā)動機的運行而變暖，從管狀殼體112，的相反端噴射或 抽出。在這種配置中，布置在殼體112，內(nèi)部空間內(nèi)的系統(tǒng)的部件(冷側(cè) 熱交換器114A，、膜130A，、第一反應(yīng)室116A，、熱堆疊134A，、壓電換能 器144，、熱堆疊134B，、反應(yīng)室116B，、膜130B，、冷側(cè)熱交換器114B，) 允許這種冷流體的流動通過。
在未顯示的可替換的實施方式中，冷源124，能被流體耦合器或類似 物供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器114A，、 114B，。當使用這種流體耦合器時，布置 在殼體112'內(nèi)部空間內(nèi)的系統(tǒng)的部件(冷側(cè)熱交換器114A，、膜130A，、 反應(yīng)室116A，、熱堆疊134A，、壓電換能器144，、熱堆疊134B，、反應(yīng)室 116B，、膜130B，、冷側(cè)熱交換器114B，)不需允許這種冷流體的流動通過。
反應(yīng)室116A，、 120A，、 116B，、 120B，的金屬氫化物材料能保持在一 個或更多個臺或其它儲存容器里。這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 氳化物的改性；
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
v) 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。
反應(yīng)室116A，、 120A，、 116B，、 120B，的相變材料可以是沸石、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。
如以上所描述的，冷供應(yīng)124，被供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器116A，和116B，。熱供應(yīng)1264皮供應(yīng)給熱側(cè)熱交換器118A，和118B5。冷供應(yīng)124'優(yōu)選包括 用于在化學(xué)熱力發(fā)動機的多個加熱/冷卻循環(huán)期間，將連續(xù)的冷流體供應(yīng) 提供給冷側(cè)熱交換器116A，、 116B，的循環(huán)器(比如，泵、風機)。熱供應(yīng) 126，優(yōu)選包括用于在熱力發(fā)動機的多個加熱/冷卻循環(huán)期間，將連續(xù)的熱 流體供應(yīng)提供到熱側(cè)熱交換器118A，、 118B，的循環(huán)器(比如，泵、風機)。在示例性的配置(在環(huán)境空氣比深層地溫暖和時有用)中，冷供應(yīng) 124，能由冷地熱源產(chǎn)生，熱供應(yīng)126，能從環(huán)境空氣產(chǎn)生。冷地熱源能夠是 流體，例如水或空氣，當經(jīng)過與地熱接觸的管道時被冷卻。冷地熱源也能 夠是從井或水體(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。在可替換的配置(在深層地溫比環(huán)境空氣暖和時有用)中，冷供應(yīng) 124，能從環(huán)境空氣產(chǎn)生，而熱供應(yīng)126，能由熱地熱源產(chǎn)生。熱地熱源能夠 是流體，例如水或空氣，當其經(jīng)過與地熱接觸的管道時被加熱。熱地熱源 也能夠是從井或水體(比如，池塘或湖泊)提取的地下水。應(yīng)認識到，熱交換器118A，和關(guān)聯(lián)的反應(yīng)室120A，的熱側(cè)功能能夠與 熱交換器114A，和關(guān)聯(lián)的反應(yīng)室120A，的冷側(cè)功能交換，類似于圖IIB所 顯示的。熱交換器118B'和關(guān)聯(lián)的反應(yīng)室120B'的熱側(cè)功能能夠與熱交換 器114B'和關(guān)聯(lián)的反應(yīng)室120B，的冷側(cè)功能交換，類似于圖IIB所顯示的。 以這種方式中，系統(tǒng)能依賴于源的相對溫度在配置之間轉(zhuǎn)換?？蛇x地，閥 和管道系統(tǒng)能耦合到熱源和冷源，并用來允許圖12的系統(tǒng)依賴于源的相 對溫度在配置之間轉(zhuǎn)換?？商峁┝黧w供應(yīng)源和壓力控制機構(gòu)(未顯示)來將工作流體(比如氫) 加到反應(yīng)室116A，、 120A，、 116B，、 120B',并根據(jù)需要調(diào)節(jié)在這樣的室 內(nèi)的工作流體的壓力。當氫用作工作流體時，流體供應(yīng)源能由氫的容器或 可能地用通過水的電解產(chǎn)生氫的裝置來實現(xiàn)。壓力控制機構(gòu)能由泵和閥來 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。由冷側(cè)熱交換器114A'、反應(yīng)室116A，、熱側(cè)熱交換器118A'和反應(yīng)室 120A，實現(xiàn)的熱力發(fā)動才幾以與關(guān)于圖IIA、 IIB和圖3而在上面描述的熱 力發(fā)動機類似的方式工作。由冷側(cè)熱交換器114B，、反應(yīng)室116B，、熱側(cè) 熱交換器118B，和反應(yīng)室120B，實現(xiàn)的熱力發(fā)動機也以與關(guān)于圖11A、11B和圖3而在上面描述的熱力發(fā)動機類似的方式工作。以連續(xù)的方式，冷源124，持續(xù)地將冷流體供應(yīng)給冷側(cè)熱交換器116A，和116B',熱源126，持續(xù) 將熱流體供應(yīng)給熱側(cè)熱交換器118A'和118B'。利用冷源124'和熱源126' 之間的溫差產(chǎn)生功。更具體地，如以上參考圖3所詳細描述的，這個溫差 用于使反應(yīng)室116A，、 118A，內(nèi)的氫工作流體、金屬氫化物和相變材料(如 果有)的溫度和壓力循環(huán)以便在那里引起溫度變化。反應(yīng)室116A，的溫度 變化引起熱堆疊134A，的熱聲振蕩。冷源124，和熱源126，之間的溫差也使 反應(yīng)室116B，、 118B，內(nèi)的氫工作流體、金屬氫化物和相變材料(如果有) 的溫度和壓力循環(huán)以便在那里引起溫度變化。反應(yīng)室116B，的溫度變化引 起熱堆疊134B，的熱聲振蕩。熱堆疊134A，、 134B，合作在諧振腔140，內(nèi) 形成壓力駐波。壓力駐波的頻率等于或接近兩個熱力發(fā)動機的工作頻率。 壓力駐波在壓電換能器144，上引起循環(huán)的機械應(yīng)力。電極146A'、 146B， 輸出因諧振腔140，里產(chǎn)生的壓力駐波在其中引起的循環(huán)的機械應(yīng)力而由 壓電換能器144，產(chǎn)生的一系列高電壓、低電流電脈沖(V+,V-)。有利地，本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和方法能容易地適應(yīng)于經(jīng)歷大的和/ 或高頻溫度變化，這些變化通過熱聲元件引起大的和/或高頻壓力波的產(chǎn) 生。這種大的/高頻壓力波產(chǎn)生大的/高頻應(yīng)力和壓電換能器相應(yīng)的大的/ 高頻變形。這種變形導(dǎo)致高電壓、低電流脈沖，所述脈沖由功率變換器轉(zhuǎn) 換以產(chǎn)生適合于廣泛的供電應(yīng)用，例如住宅或商用供電應(yīng)用的電功率。此 外，本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和方法能容易地適應(yīng)于利用環(huán)境友好、低成本 的地熱的和環(huán)境的熱源和冷源來驅(qū)動系統(tǒng)。這里已經(jīng)描述和示出了幾種結(jié)合壓電材料使用熱力發(fā)動機產(chǎn)生電的 系統(tǒng)和方法的實施方式。電能從壓電材料獲得并轉(zhuǎn)換成可用的形式。雖然 已經(jīng)描述了發(fā)明具體的實施方式，但是不希望把發(fā)明限制于此，因為希望 本發(fā)明在技術(shù)允許的范圍內(nèi)盡可能的寬泛，并同樣地來理解說明書。因此， 雖然公開了具體的系統(tǒng)配置，但應(yīng)認識到，也能使用其它的系統(tǒng)配置。例 如，預(yù)期熱側(cè)熱交換器和冷側(cè)熱交換器能布置在鄰近熱堆疊的相對側(cè)面， 以便引起熱堆疊的熱聲振蕩。在另一實施例中，多個熱堆疊和關(guān)聯(lián)的熱交 換元件能串if關(guān)布置來產(chǎn)生壓力行波(traveling pressure wave )。 一個或更多個壓電換能器元件能沿壓力行波的路徑布置以便從那里產(chǎn)生電信號。在圖 13所示的又一配置中，預(yù)期這里描述的化學(xué)熱力發(fā)動機和熱聲堆疊能安 排在管中管類型的配置中。在這種配置中，內(nèi)管181承載冷(或熱)源以
及一個或更多個反應(yīng)室、熱交換器、熱堆疊/壓電換能器。外管183承載
冷(或熱)源以及一個或更多個反應(yīng)室、熱交換器、熱堆疊/壓電換能器。
內(nèi)管181的反應(yīng)室流體地耦合到外管183的反應(yīng)室。被流體地耦合的反應(yīng) 室所實現(xiàn)的化學(xué)熱力發(fā)動機產(chǎn)生的溫度循環(huán)在各自管里的熱堆疊內(nèi)引起 熱聲振蕩，所述熱聲振蕩本身又引起各自管的壓電換能器的變形和從此產(chǎn) 生的供電信號。同樣的，雖然已經(jīng)描述了具體的熱源和冷源，但預(yù)期熱力 發(fā)動機能用其它的熱源和冷源驅(qū)動。例如，海水和環(huán)境空氣能用作冷源和 熱源，或反之亦然，這依賴于季節(jié)。此外，雖然已經(jīng)參考熱力發(fā)動機和壓 電換能器元件公開了具體的材料和設(shè)計，但應(yīng)認識到，也能使用其它的配 置。例如，預(yù)期壓電換能器和熱堆疊能整體形成為單一的部分，例如，通 過將壓電材料集成到陶瓷熱聲結(jié)構(gòu)中。也預(yù)期在熱堆疊產(chǎn)生的聲能沖擊在 系統(tǒng)的壓電換能器元件上之前，轉(zhuǎn)換或以其他方式改變該聲能。例如，聲 能沖擊在系統(tǒng)的壓電換能器元件上之前，可增加這種聲能的頻率，而減小 這種聲能的振幅。
此外，雖然已經(jīng)公開了具體類型的靜電電動機和機電電池，但應(yīng)理解 能夠使用其它的類型。例如，預(yù)期機電電池的永磁體陣列(permanent array of magnet)能夠是定子的部分，電連接到此的繞組能夠是轉(zhuǎn)子的部分。 在另一實施例中，靜電電動機的定子組件能布置在靜電電動機的轉(zhuǎn)子外 面。同樣的，雖然已經(jīng)描述了優(yōu)選電子電路和部件，應(yīng)認識到能類似地使 用其它電子電路和部件。此外，雖然已經(jīng)參考熱力發(fā)動機和壓電換能器元 件公開了具體的材料和設(shè)計，但應(yīng)認識到也能使用其它配置。
因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到，對所提供的發(fā)明還能進行一些修改 而不偏離其所要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種系統(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。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其進一步包括功率變換器，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。
3. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中 所述熱力發(fā)動機具有冷地熱源和熱環(huán)境源。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中 所述熱力發(fā)動機具有熱地熱源和冷環(huán)境源。
5. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中氫作為工作流體被布置在所述熱力發(fā)動機的所述室內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中至少一種金屬氫化物材料布置在所述熱力發(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。
7. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中 至少一種相變材料布置在所述熱力發(fā)動機的所述室里。
8. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料在所述室里的第 一壓力和第 一溫度下吸收氫，所迷第 一溫度對應(yīng)所述相變材料放熱的溫度。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料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。
10. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中 所述功率變換器包括具有儲存轉(zhuǎn)動能的飛輪的機電電池。
11. 如權(quán)利要求IO所述的系統(tǒng)，其中所述功率變換器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。
12. 如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述機電電池包括電^f茲耦合到定子的轉(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。
13. 如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述功率變換器包括可操作地耦合到所述機電電池的靜電電動機，所 述靜電電動機將轉(zhuǎn)動能加到所述飛輪。
14. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，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。
15. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述功率變換器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。
16. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中 所述接口電路包括Marx發(fā)生器電路。
17. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，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)生器電路的充電電壓信號。
18. —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。
19. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其進一步包括 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。
20. 如權(quán)利要求18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。
21. 如權(quán)利要求18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。
22. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其進一步包括接口電路，所述接口電路可操作地耦合在至少一個電輸入和所述靜電 電動才幾之間。
23. 如權(quán)利要求22所述的裝置，其中 所述接口電路包括Marx發(fā)生器電路。
24. 如權(quán)利要23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)生器電路的充電電壓信—，—
25. —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)動才幾，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。
26. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中 特定的熱聲元件和特定的壓電換能器整體形成為單一的部分。
27. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其進一步包括功率變換器，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。
28. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述熱力發(fā)動才幾具有冷地熱源和熱環(huán)境源。
29. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述熱力發(fā)動機具有熱地熱源和冷環(huán)境源。
30. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中 所述熱力發(fā)動機利用氫作為工作流體。
31. 如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述熱力發(fā)動機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。
32. 如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中 所述熱力發(fā)動機利用至少 一種相變材料。
33. 如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料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。
34. 如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料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。
35. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個熱聲元件適合在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生壓力駐波，所述至少一個 壓電換能器布置在所述諧振腔內(nèi)。
36. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述至少 一 個熱聲元件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操作地耦合到第一熱力發(fā)動機， 所述第二熱聲元件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布置在 所述諧振腔內(nèi)。
37. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述熱力發(fā)動機至少具有第一部分和第二部分，所述第一部分與特定 的熱聲元件堆疊熱接觸，而所述第二部分與所述特定的熱聲元件熱隔離。
38. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中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布置在殼體 里，而所述熱力發(fā)動機的所述第二部分布置在所述殼體的外面。
39. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中 所述殼體提供用于冷流體或熱流體的流動路徑。
40. 如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述特定的熱聲元件和所述熱力發(fā)動機的所述第 一部分支持所述熱 流體或所述冷流體的流動通過。
41. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中 所述殼體是管狀的。
42. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其進一步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。
43. 如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中當所述熱力發(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 一部分產(chǎn)生熱，以及當所述熱力發(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 一部分吸熱。
44. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其進一步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容納至少一 個熱力發(fā)動機的相應(yīng)部分。
45. 如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其中所述第一管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4妻觸的至少一個熱堆疊；以及所述第二管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4妻觸的至少 一 個熱堆疊。
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)選使用冷地熱源和熱環(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F02B63/04GK101553651SQ200780041252
公開日2009年10月7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