專利名稱：使用化學熱力發動機和壓電材料產生電的系統和方法
技術領域：
本發明廣泛涉及用于產生電的機構。更具體地，本發明涉及使用壓電 材料產生電的機構。
技術水平
壓電是在沒有中心對稱性的晶體結構內電荷位移的結果。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 上感應電荷。在現有技術中，壓電元件已經用于致動器、換能器、諧振腔、 變壓器、微型發電機和各種類型的傳感器。最近，為了能量提取研究和開 發壓電元件。壓電元件響應應力或應變，起電容器的作用。
當壓電材料承受壓應力或張應力時，由于壓應力或張應力尋求均衡， 在材料上產生電場，引起電壓梯度以及隨后的電流。由導電材料來提供電 流，該導電材料允許通過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，所以壓電效應是可逆的。 一些物質(比如，石 英、羅謝爾鹽)的正壓電現象能產生數千伏的電壓。
壓電材料將能量儲存為電場和機械位移(應變)兩種形式。應變和電
場之間的關系由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。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) 并將它們并聯連接增加壓力相關的電荷。產生的輸出電壓可表示為堆疊的 總電荷除以的電容。在現有技術中，壓電材料已經被用來從風、海浪、環境聲、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，現有技術方法導致了非常低的功率輸出，這使得這種解決方案只適 用于小功率應用。
發明概述
根據本發明的一個方面，提供系統和相應的方法來將循環的壓力梯度 施加到壓電材料，以產生相應電信號，所述電信號能用來產生適合于廣泛 供電應用，例如住宅或商用供電應用的電功率。
根據本發明的另 一方面，這種系統和方法利用化學熱力發動機將壓力 梯度施加到壓電材料。
根據本發明的另外的方面，這種系統和方法結合熱聲元件
(thermoacoustical element)利用熱力發動機來產生施力口到壓電材料的循
環的壓力梯度。
根據本發明的又一方面，這種系統和方法被安排為利用環境友好的、 低成本的地熱的熱源和冷源與環境的熱源和冷源的來驅動化學熱力發動機。
依照本發明的另外的方面，提供了發電系統和方法，其將壓電源輸出 的電能轉化為機電電池的旋轉飛輪所儲存的機械能，并將飛輪儲存的機械 能轉化為從那里輸出的電能。
才艮據本發明的又一方面，提供壓電源輸出的電能的有效轉化。
在本發明的一種實施方式中， 一種用于產生電信號的系統(和相應的 方法)包括至少一個熱力發動機，其具有經歷加熱和冷卻循環以及相應壓 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動機，響應 于熱力發動機的壓力變化而被變形。功率變換器能用來將響應所述至少一 個壓電換能器的變形而產生的電信號，轉變成期望的電力供應信號 (electrical power supply signal )。熱力發動積J尤選4吏用^H也熱源和熱環境 源(典型地在夏季使用)，或反之亦然(典型地在冬季使用)。應認識到，熱力發動機能容易地適合經歷大的、高頻壓力變化，并因 此產生大的、高頻應力和壓電換能器相應的大的循環的變形。這種變形導 致高電壓、低電流脈沖，所述脈沖被功率變換器轉變。
在另一實施方式中，用于產生電信號的系統(和相應的方法)包括至 少 一 個經歷加熱和冷卻循環以及相應溫度變化的熱力發動機和熱耦合到 該熱力發動機的熱聲元件。熱力發動機的溫度變化？ 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 將響應至少一個壓電換能器的變形而產生的電信號轉變成期望的電力供 應信號。熱力發動機優選使用冷地熱源和熱環境源(典型地在夏季使用)， 反之亦然(典型地在冬季使用)。
熱力發動機能容易地適合經歷溫度變化，所述溫度變化通過熱聲元件 引起壓力波的產生。這種壓力波產生壓電換能器的應力和相應的變形。這 種變形導致高電壓、低電流脈沖，所述脈沖被功率變換器轉變。
在此實施方式中，熱聲元件在諧振腔內產生壓力駐波。壓電換能器位 于諧振腔內。兩個熱聲元件能布置在諧振腔的相對側面上。兩個熱力發動 機能熱耦合到熱聲元件，以便在其間的諧振腔內引起壓力駐波的產生。
根據本發明的一個方面，功率變換器包括具有儲存轉動能的飛輪的機
電電池和將轉動能加到飛輪的靜電電動機。Marx發生器能用來產生一系 列的加速電壓脈沖，來增加驅動靜電電動才幾的斥力。4幾電電池能容易地適 合提供適合廣泛應用，例如住宅或商用供電應用的供電信號。
在說明性的實施方式中，熱力發動機使用氫作為在其室內的工作流體 (working fluid )，以及使用金屬氬化物材料在熱力發動機的加熱和冷卻循 環期間吸收和解吸氫。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動能的飛輪。靜電 電動機將轉動能加到飛輪。
對于本領域技術人員，通過參考詳細的描述，結合提供的附圖理解， 本發明的其他目的和優點將變得明顯。附圖簡述
圖1A是依照工作在一種運行模式的本發明的壓電功率發生器系統 (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明的壓電功率發生器系統 的框圖。
圖lC是示例性的壓力-溫度曲線，示出圖1A和圖IB的熱力發動機 的加熱/冷卻/壓力循環。
圖2是用于在圖1A和圖IB的系統中使用的示例性功率轉化裝置 (power conversion apparatus )的原理框圖。
圖3是圖2的功率轉化裝置的原理圖。
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明的可替換實施方式的壓電 功率發生器系統的框圖。
圖8是對圖7的熱力發動機的室進行自動機械壓力調節的控制器的框圖。
圖9A和9B是流動地耦合圖7的熱力發動機的流體供應路徑的管中 管(tube-in-tube )設計的原理圖。
圖IO是第一種或第二種實施方式的熱力發動機的管中管設計的原理圖。
圖11A是依照本發明的第三種示例性實施方式的功率發生器系統的 框圖。
圖11B是依照本發明的第四種示例性實施方式的功率發生器系統的 框圖。
圖12是依照本發明的第五種實施方式的功率發生器裝置的框圖。圖13是第三種、第四種或第五種實施方式的熱力發動機的管中管設 計的原理圖。
優選實施方式詳述
現在轉到圖1,顯示了依照本發明的壓電式能量發生器系統10的示 意圖。系統10包括地熱交換熱力發動4幾12,地熱交換熱力發動機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。殼體14的一端支撐由導熱材料，例如銅、 庫珀合金(cooper alloy )、不銹鋼或熱解石墨實現的冷側熱交換器 (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熱材料，例如銅、庫珀合金、不銹鋼或熱 解石墨實現的熱側熱交換器(hot-side heat exchanger) 18 (比如，板式熱 交換器或管式熱交換器)。密封室20布置在冷側熱交換器16和熱側熱交 換器18之間。室20與冷側熱交換器16和熱側熱交換器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以在那里產生機 械應力。可選地，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以在那里產生機械應力。壓電換能器元 件28可設置為隔膜(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 應力而產生的電信號。
冷流體供應被供應給冷側熱交換器16，而熱流體供應被供應給熱側 熱交換器18。冷流體供應優選包括用于通過熱泵發動機12的多重加熱/ 冷卻循環，將連續的冷流體供應提供給冷側熱交換器16的循環器(比如， 泵、風機)。熱流體供應優選包括用于通過熱力發動機12的多重加熱/冷 卻循環，將連續的熱流體供應提供給熱側熱交換器18的循環器(比如， 泵、風機)。在圖1A所示的一種運行模式中，當環境空氣比深層地溫暖 和時，冷流體供應由冷地熱源32產生，而熱流體供應/人環境空氣34產生。 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，當深層地溫比環境空氣暖和時， 供應給冷側熱交換器16的冷流體供應從環境空氣32，產生，而熱側交換 器的熱流體供應由"熱"地熱源34，產生。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，也能夠是經過與地熱 接觸的管道時被加熱的流體，例如水或空氣。應認識到，依賴于源的相對溫度，可利用閥和管來允許系統在模式之間轉換。
在地熱源是冷熱能源的情況，熱聲制冷(thermo-acoustic refrigeration) 也能用來促進系統的效率。特別地，能夠產生沖擊波的聲源可放置在地下 井中，并可操作地耦合到發動機的熱側熱交換器和/或冷側熱交換器。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給發動機12的熱側熱交換器18 的熱源。聲波后面的冷區域能用作供應給發動機12的冷側熱交換器16 的冷源。
可4是供流體供應源38和壓力控制機構40。流體供應源38和壓力控 制機構40合作將工作流體22加到室20，并根據需要調節室20內的工作 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 電解產生氫的裝置來實現流體供應源38。壓力控制機構40能通過泵和閥 組件實現，根據需要可能包括將過度的壓力排到周圍環境的排出閥。
熱力發動機12—般如下操作。以連續的方式，冷源32持續地將冷流 體供應給冷側熱交換器16 ，而熱源34持續地將熱流體供應給熱側熱交換 器18。利用溫差產生功。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內的氫工作流體、金屬氫化物和相變材料(如果有)的 溫度循環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上施加相應的壓縮力和減壓力，這在那里引起機械應力。響應于這 種機械應力，壓電換能器元件28以循環的方式變形。這樣的循環變形使 壓電材料產生一系列高電壓、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的示例性的熱力發動機12的壓縮-減壓循環， 但是應認識到，所見的循環僅僅是示意性的且不是按比例繪制的。循環包 括4段，AB、 BC、 CD、 DA。為了解釋的目的，假設發動機12在點A 附近的溫度和壓力開始，優選以通過壓力控制機構40的操作來控制調節在容器內的工作流體22的壓力的方式來完成。還假設發動機12具有特征 溫度Tn^r，由此
i) 對于溫度Tjnt,從熱側熱交換器18流入室20的熱量基本上等于 從室20流出到冷側熱交換器16的熱量，這導致室20內的溫度梯度基本 上保持恒定；
ii) 對于TWr以下的溫度，從熱側熱交換器18流入室20的熱量超過 從室20流出到冷側熱交換器16的熱量，這導致室20內的溫度梯度增加； 以及
iii) 對于Tjnt以上的溫度，從冷側熱交換器16流出室20的熱量超過 從冷側熱交換器18流入室20的熱量，這導致室20內的溫度梯度降低。
特征溫度T肌由熱側熱交換器和冷側熱交換器的溫度(Thot和Tcold)、
熱側和冷側熱交換器的相對導熱系數、熱側和冷側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，從熱側熱交換器18流入室20的熱量超出從室20流 出到冷側熱交換器16的熱量，這導致室20內的溫度梯度的增加。這樣的 熱量增加氬工作流體22的溫度，導致室20內的壓力相應增加，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，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 收反應期間，室20內的壓力維持在相應于金屬氪化物材料24的臨界壓力 的相對恒定的壓力。吸收反應持續到金屬氫化物材料24飽和為止。飽和 時，先前在放熱反應期間釋放的熱量能導致室20溫度的激增或增加，并因此導致相應的壓力增加/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，從冷側熱交換器16流出室20的熱量超出從冷側交換 器18流入室20的熱量，這導致室20內的溫度梯度降低。這造成氫工作 流體22的溫度和在室20內壓力的相應減少如圖所示降低。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解吸氪，因此加速了室20的溫度和冷卻 模式循環時間的降低。另外，在有相變材料的情況，相變材料釋放它的熱 能并回復到其初始相。段DA持續到熱側熱交換器18能支持氫工作流體 22的溫度增加的點A為止。在該點，循環重新開始。
在如圖所示的循環期間，壓力級從pmin增加到pmax,以將相應的壓
縮力和應力施加在壓電換能器元件28上。在如圖所示的循環期間，壓力
級從Pmax降低到Pmin,以將相應的減壓力和應力施加在壓電換能器元件 28上。在熱力發動機12連續的加熱和冷卻循環期間，施加到壓電換能器 元件28的交替的壓縮/減壓力和應力導致壓電換能器元件28以循環的方 式變形。壓電材料的這種循環變形產生一系列高電壓、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 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。這幫助減少熱力發動機12的循環時間并有助于熱 力發動機12產生的功率。
系統10的優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上輸出的電信號轉變成期望的電輸出 形式。功率變換器36產生的電輸出能適合廣泛的供電應用，例如住宅或商用供電應用。上述電輸出能夠是AC供電信號或DC供電信號。在優選 的實施方式中，功率變換器36產生的電輸出是典型由電網電源(比如， 60Hz 120VAC供電信號)供應的標準AC供電信號。
如在圖2中的示意性描述，功率變換器36優選由包括靜電電動機51 和機電電池53的組件實現。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)的鼓形轉子 (cylindrical rotor) 61 。高速飛輪整合到轉子61 。在全密封室內，轉子和 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布置在鼓形轉子 61的內部空間里。定子繞組63A、 63B感應地耦合到轉子61的旋轉的磁 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,以從旋轉的飛輪提取能量，并將這種能量轉變成從此輸 出的期望的電力供應信號。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。轉到 圖3并結合圖4，靜電電動機51包括鼓形轉子71，該鼓形轉子71配置為 具有關于它的內表面均勻間隔并彼此電絕緣的多個傳導區域72。靜電電 動機51的轉子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的轉子61，使得轉子71的旋轉造成機電電池53的轉子 61的旋轉。定子組件73布置在鼓形轉子71的內部空間里。
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子71的傳導區域72的狀態。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 連接到相應的定子電極74,并徑向向外延伸以接觸轉子71的傳導區域72。 導體78沿著定子的臂從電極延伸到基部。定子組件73的導體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。這庫侖力引起轉子71的旋轉。
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 子71的傳導區域72之間的介質的電暈放電能用來在轉子71的傳導區域 72上貯存電荷。這種配置也產生轉子的交替充電區域，排斥鄰近的帶同 種電荷的定子電極。
現在參考圖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輸出的電能傳輸到定子組件73的導體78和電極74,以便引起 轉子71的旋轉。
如在圖5所示，接口電路57優選包括如所示的AC/DC整流器、濾 波電容器和Marx發生器電路。AC/DC整流器將從壓電換能器元件28輸 出的AC信號轉換成DC電流，濾波電容器使總合成信號平滑來產生DC 充電信號，以及Mark發生器電路將DC充電信號轉換成高壓脈沖。
由Erwin Marx于1924年最先描述的Marx發生器電路產生高壓脈沖。 如在圖6所示， 一定數量的電容器并聯充電到指定電壓V,然后被火花隙 開關串聯連接，理論上產生V乘以電容器(或級)的數量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 充電電源的開關將向第二開關施加電壓2*￥。這個開關將隨后關閉，向第 三開關施加電壓3n^。這個開關將隨后關閉，產生沿發生器的級聯(稱為 激勵(erection)),其在發生器的輸出產生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，則可允許第一開關在充電期間自發中止 (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(減少間隙距離)、電觸發、經由脈沖激光觸發或通過降低間 隙內的空氣壓力來觸發。根據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化成電磁力， 上述電磁力引起機電電池53的轉子61的轉動能，并因此將轉動能加給機 電電池的飛4侖。例如，壓電換能器元件28產生的高電壓、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
定相設計(phased design)中用于能量提取的相同定子繞組)，以產生一 磁場，此磁場感應地耦合到機電電池53的轉子61的轉動的磁體的陣列提 供的磁場，以便引起它的轉子61的轉動并將轉動能加給它的飛輪。
圖7示出本發明的可替換的實施方式，其包括兩個熱力發動機12,和 122，兩個發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動機12,的室運送到熱力發動機122的室，同時另一 流體線3各將工作流體/人熱力發動沖幾122的室運送到熱力發動才幾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，流體供應源38，和壓力控制才幾構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。流體供應源 38，和壓力控制機構40，合作將工作流體22加到兩個發動機的室，并根據 需要調節兩個發動機的室內的工作流體的壓力。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生氫的裝置來實現流體供應源 38，。 壓力控制機構40，能通過泵或閥組件實現，根據需要可能包括將過 度的壓力排到周圍環境的排出閥。根據需要可打開或關閉輸入閥和輸出閥 來調節每個室內工作流體的量/壓力。例如，在顯示的配置里，發動機12， 的室的壓力能通過打開輸出閥42B，并關閉其它的閥42B2 、 42A,和42A2 來調節。類似地，發動機122的室的壓力能通過打開輸出閥42B2并關閉 其它的閥42B! 、 42A,和42A2來調節。
在正常運行期間，打開閥42A^ 42A2、 42A,和42A2并操作熱力發動 機12,和122,使得它們的加熱和冷卻循環彼此異相。例如考慮熱力發動 機12!和122都配置為執行圖1C的加熱和冷卻循環。在這種配置中，熱 力發動機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。 熱力發動才幾12,和122如下循環通過它們的加熱和冷卻循環
熱力發動機12, 熱力發動才幾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時間并因此增加了化 學熱力發動機產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節熱力 發動機的室內工作流體的壓力并維持在它們期望的操作范圍內。這種控制 是必需的，如果氫從系統泄露和/或以適應熱供應和/或冷供應的變化的溫 度(比如，改變環境空氣溫度)。控制器優選接合到測量熱供應和冷供應 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、流體供應源38，和壓力控制機構40，。控制器執行控制算法(優 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和 冷供應的溫度，計算適當的室的壓力級。然后控制器能根據需要與閥 42A1、 43A2、 42B1、 43B2的致動/控制功能、流體供應源38，和壓力控制 機構40，自動合作以將室的壓力調節到期望的壓力級。相似的控制方案能 用來自動調節圖1A和1B的單個發動機配置中的壓力。
圖9A示出用于圖7的系統的實施方式，其中流體地耦合兩個發動機 的流體供應線路通過管中管設計來實現。外管支撐各自發動機的一個或更 多個壓電換能器元件28，。內管是柔性的氣壓管，其流體地耦合在發動片幾 的室之間，并因此成為這種室的延伸。在兩個發動機的加熱/冷卻/壓力循 環期間，兩個發動機產生的振蕩壓力變化將流經柔性的氣壓管，將相應的 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，各自發動機的壓電換能器元件28，能相對于包含發動機的 氫化物材料和PCM材料的容器遠程定位。
圖9B示出用于圖7的系統的另一實施方式，其中流體地耦合兩個發 動機的流體供應線路通過新穎的管中管設計來實現。外管支撐兩個內管， 一個或更多個壓電換能器元件在兩個內管之間。兩個內管流體地耦合在兩 個發動機的室之間，并因此成為這種室的延伸。在兩個發動機的加熱/冷卻/壓力循環期間，兩個發動機產生的振蕩壓力變化將流經柔性的氣壓管。 這種壓力變化優選彼此異相，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，各自發動 機的壓電換能器元件能相對于包含發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，這里描述的熱力發動機能安排在管中管類型的配置 中。在這種配置中，內管81運送熱(或冷)源。外管83的外部遭受冷(或 熱)源。內管81和外管83由這里描述的導熱材料實現，并因此起熱交換 器的作用。發動機的氫工作流體、金屬氫化物材料和可能的相變材料布置 在內管81和外管83之間封閉的空間內。發動機的壓電壓力換能器也能位 于內管81和外管83之間的封閉空間內，或可能關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所示流體供應線;洛類 似的流體供應線路中。
現在轉到圖IIA，顯示依照本發明的電能發生器系統110的圖示說 明。系統110包括優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。殼體112限定內 部空間，其中支撐與第一反應室116熱接觸的冷側熱交換器114。與第二 反應室120熱接觸的熱側熱交換器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的外部絕熱村墊122優選圍繞熱側 熱交換器118和第二反應室120，以便隔離這些部件。
冷供應(比如，冷空氣)124供應給冷側熱交換器114，而熱供應(比 如，熱空氣)126供應給熱側熱交換器118。第一反應室116和第二反應 室12(H皮流體耦合機構(fluid coupling mechanism) 128,例如文氏管或類 似物流體地耦合到彼此。第一反應室116和第二反應室120包括金屬氫化 物材料和優選相變材料，其結合在此的氬工作流體，作為由冷側熱交換器 114 (由冷源124決定的)和熱側熱交換器118 (由熱源126決定的)之 間的溫差驅動的化學熱力發動機而工作。
第一反應室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選至少一 種與氫工作流體熱接觸的相變材料。選擇反應室116和120的金屬氫化物
材料，使得在冷側熱交換器114和熱側熱交換器118之間預期的溫差范圍 內，第一反應室116的金屬氫化物材料吸收氫(放熱)，而第二反應室120 的金屬氫化物材料解吸氫(吸熱)，且反之亦然。以這種方式，反應室116 和120的熱產生和熱吸收操作相對于彼此為180度異相或接近180度異 相，以便最小化化學熱力發動機的循環時間(最大化其頻率)。
在熱力發動機的循環操作期間，熱量從熱側熱交換器118流到第二反 應室120,以及熱量從第一反應室116流到冷側熱交換器114。金屬化的 雙向導向的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或類似物的膜130能布置在冷側 熱交換器114和第 一反應室116之間，以最d 、化從冷側熱交換器114流到 第一反應室116的不必要的熱量。類似地，金屬化的雙向導向的聚對苯二 曱酸乙二酯(PET)或類似物的膜132能布置在熱側熱交換器118和第二 反應室120之間，以最小化從第二反應室120流到熱側熱交換器118的不 必要的熱量。
熱堆疊(thermal stack) 134布置在殼體112的內部空間中。熱堆疊 134優選由一連串的薄平行散熱片(fin)、由導熱材料(例如銅、庫珀合 金、不銹鋼、熱解石墨)制成的薄桿狀構件的互連的網格實現。熱堆疊 134也能從蜂巢狀薄壁陶瓷結構實現，例如紐約Corning的Corning Environmental Technologies所銷售的Celcore 。熱堆疊134具有一個側面 136,與側面138相對。側面136與第一反應室116熱接觸。在熱力發動 才幾的加熱和冷卻循環期間，在熱堆疊130的側面136經歷反應室116的循 環溫度變化。這種循環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的側面138限定在殼體112內。設計熱堆疊134和諧 振腔140成使得熱堆疊134的熱聲振蕩在諧振腔140內形成壓力駐波 (standing pressure wave )。壓力駐波的頻率等于或接近熱力發動機的工作 頻率。在優選實施方式中，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能適應為使得諧振腔140的內表面是聲反射的，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。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。在優選實施方式中， 壓電換能器144實現為薄桿狀壓電構件的互連網格。在諧振腔140里產生 的壓力駐波在壓電換能器144上引起循環的機械應力。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內產生的壓力駐波在其中引起的循環的機械應力而由壓電換能器144 產生的電信號。
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，并流經管狀殼體112的內部空間，在該內部空間冷 源由于熱力發動機的運行而變暖，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內部空間內的系統的部件(冷側熱交換器 114、膜130、第一反應室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)或類似物供應給冷側熱交換器114。當使用這種流體耦合器時， 布置在殼體112內部空間內的系統的部件(冷側熱交換器114、膜130、 第一反應室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。
第一反應室116和第二反應室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。
第一反應室116和第二反應室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124被供應給冷側熱交換器116。熱供應126 被供應給熱側熱交換器118。冷供應124優選包括用于在化學熱力發動機 的多個加熱/冷卻循環期間，將連續的冷流體供應提供給冷側熱交換器116 的循環器(比如，泵、風機)。熱供應126優選包括用于在熱力發動機的 多個加熱/冷卻循環期間，將連續的熱流體供應提供到熱側熱交換器18的 循環器(比如，泵、風機)。
在示例性的配置(在環境空氣比深層地溫暖和時有用)中，冷供應 124可由冷地熱源產生，熱供應126可從環境空氣產生。冷地熱源能夠是 流體，例如水或空氣，當其經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(在深層地溫比環境空氣暖和時有用)中，冷供應 124能從環境空氣產生，而熱供應126能由熱地熱源產生。熱地熱源能夠 是流體，例如水或空氣，當其經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。
應認識到，熱交換器118和關聯的反應室120的熱側功能能夠與熱交 換器114和關聯的反應室120的冷側功能交換，如圖1B所示。以這種方 式，系統能依賴于源的相對溫度在配置之間轉換。可選地，閥和管道系統 可耦合到熱源和冷源，并用來允許圖1A的系統依賴于源的相對溫度在配 置之間轉換。
可提供流體供應源和壓力控制機構(未顯示)，它們合作將工作流體 (比如氬)加到反應室116和120,并根據需要調節在這樣的室內的工作流體的壓力。當氬用作工作流體時，流體供應源能由氫的容器或可能地通 過水的電解產生氫的裝置來實現。壓力控制機構能由泵和閥來實現，根據 需要可能包括將過度的壓力排到周圍環境的排出閥。
由冷側熱交換器114、第一反應室116、熱側熱交換器118和第二反
應室120實現的熱力發動機一般如下操作。以連續的方式，冷源124持續 地將冷流體供應給冷側熱交換器116,熱源126持續地將熱流體供應給熱 側熱交換器118。利用冷源124和熱源126之間的溫差產生功。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室116和120 內的氫工作流體、金屬氫化物和相變材料(如果有)的溫度和壓力循環以 便在那里引起溫度變化。反應室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內形成壓力駐波。壓力駐波的頻率等于或接 近熱力發動機的工作頻率。壓力駐波在壓電換能器144上引起循環的機械 應力。電極146A、 146B輸出因諧振腔140內產生的壓力駐波在其中引起 的循環的機械應力而由壓電換能器144產生的一系列高電壓、低電流電脈 沖(V+,V-)。
圖IIA和11B的熱力發動機的每個各自的反應室116、 120的示例性 溫度-壓力循環見圖1C，雖然應認識到，所見的循環僅僅是示意性的而 非按比例繪制的。循環包括四段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。兩個反應室116和120如下循環通過它 們的加熱和冷卻循環
反應室116 反應室120
段CD 段DA 段AB
段AB 段BC 段CD段BC 段DA
在這種配置中，在冷側熱交換器114和熱側熱交換器118之間預期的 溫差范圍內，第一反應室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。當第一反應室放熱時，熱量經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室120。類似地，當第二 反應室120放熱時，熱量經由工作流體通過流體耦合器128流到其被吸收 的第一反應室116。以這種方式，反應室116和120的熱產生和熱吸收操: 作相對于彼此為(或接近)180度異相以便最小化化學熱力發動機的循環 時間(最大化其頻率)。
與熱堆疊134熱接觸的反應室116的溫度水平在如所示的熱力發動機 循環期間，在丁MrN和TMAx之間循環。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內形成壓力駐波。壓力駐波的頻率等于 或接近熱力發動機的工作頻率。壓力駐波在壓電換能器144上引起循環的 機械應力。電極146A、 146B輸出因諧振腔140里產生的壓力駐波在其中 引起的循環的機械應力而由壓電換能器144產生的一系列高電壓、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室 116、 120的部分。相變材料布置成與氫工作流體熱接觸。調整相變材料 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10的優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上輸出的電信號轉變成期望的電輸出 形式。功率變換器150產生的電輸出能適合廣泛的供電應用，例如住宅或 商用供電應用。上述電輸出能夠是AC供電信號或DC供電信號。在優選 實施方式中，功率變換器136產生的電輸出是典型由電網電源(比如，60Hz 120VAC供電信號)供應的標準AC供電信號。在優選實施方式中，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。
圖12中顯示了依照本發明的能量發生器系統110'的另一實施方式。 系統IIO，包括優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。殼體112'限定內 部空間，內部空間的部分形成諧振腔140，。與反應室116A，熱接觸的冷側 熱交換器114A，支撐在殼體112，的內部空間，在如圖所示的諧振腔140， 的一側。與反應室120A，熱接觸的熱側熱交換器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的外部絕熱襯墊 122A，優選圍繞熱側熱交換器118A，和第二反應室120A，，以便隔離這些 部件。與反應室116B，熱接觸的冷側熱交換器114B，支撐在殼體112，的內 部空間，在如圖所示的諧振腔140，的另一側。與反應室120B'熱接觸的熱 側熱交換器118B，支撐在殼體112，的外部上。用充滿氣凝膠或其它合適絕 熱材料的空間實現的外部絕熱襯墊122B，優選圍繞熱側熱交換器18B，和 第二反應室120B，，以便隔離這些部件。
冷供應124，(比如，冷空氣)供應給冷側熱交換器114A，和114B，。 熱供應126，(比如，熱空氣)供應給熱側熱交換器118A，和118B，。反應 室116A，和120A，被流體耦合機構128A',例如文氏管或類似物流體地耦 合到彼此。反應室116B，和120B，被流體耦合機構128B',例如文氏管或 類似物流體地耦合到彼此。反應室116A，和120A，包括金屬氫化物材料和 優選相變材料，其結合在此的氫工作流體，作為由冷側熱交換器114A'(由 冷源124，決定的)和熱側熱交換器118A，(由熱源126，決定的)之間的溫 差驅動的化學熱力發動機而工作。類似地，反應室116B，和120B，包括金 屬氫化物材料和優選相變材料，其結合在此的氫工作流體，作為由冷側熱 交換機114B，(由冷源124，決定的)和熱側熱交換器118B，(由熱源126， 決定的)之間的溫差驅動的化學熱力發動機而工作。
反應室116A，包含至少一種能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物材料以 及優選至少一種與氫工作流體熱接觸的相變材料。反應室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選至少一種與氫工作流 體熱接觸的相變材料。選擇反應室116A，、 120A，的金屬氫化物材料，使得在冷側熱交換器114A，和熱側熱交換器118A，之間預期的溫差范圍內， 反應室116A，的金屬氫化物材料吸收氫(放熱)，而反應室120A，的金屬氫 化物材料解吸氫(吸熱)，且反之亦然。以這種方式，反應室116A，和120A， 的熱產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 化學熱力發動機的循環時間(最大化其頻率)。
類似地，反應室116B，包含至少一種能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物 材料和優選至少 一種與氫工作流體熱接觸的相變材料。反應室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選至少一種與氫工作 流體熱接觸的相變材料。選擇反應室116B，、 120B，的金屬氫化物材料， 使得在冷側熱交換器114B，和熱側熱交換器118B，之間期望的溫差范圍 內，反應室116B，的金屬氫化物材料吸收氫(放熱)，而反應室120B，的金 屬氬化物材料解吸氫(吸熱)，且反之亦然。以這種方式，反應室116B， 和120B，的熱產生和熱吸收操作相對于彼此為(或接近)180度異相，以 便最小化化學熱力發動機的循環時間(最大化其頻率)。
在由反應室116A，和120A，實現的熱力發動機的循環操作期間，熱量 從熱側熱交換器118A，流到反應室120A，，以及熱量/人反應室116A，流到 冷側熱交換器114A，。金屬化的雙向導向的聚對苯二曱酸乙二酯(PET) 或類似物的膜130A，的能布置在冷側熱交換器114A，和反應室116A，之間， 以最小化從冷側熱交換器114A，流到反應室116A，的不必要的熱量。類似 地，金屬化的雙向導向的聚對苯二曱酸乙二酯(PET)或類似物的膜132A， 能布置在熱側熱交換器118A，和反應室120A，之間，以最小化從反應室 120A，流到熱側熱交換器118A，的不必要的熱量。
在由反應室116B'和120B'實現的熱力發動機的循環梯:作期間，熱量 從熱側熱交換器118B ，流到反應室120B ，，以及熱量從反應室16B ，流到冷 側熱交換器114B，。聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或類似物的膜130B，能 布置在冷側熱交換器114B，和反應室116B，之間，以最小化從冷側熱交換 器114B，流到反應室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，能布置在熱側熱交換器118B，和反應室 120B，之間，以最'J、化從反應室120B，流到熱側熱交換器118B ，的不必要的熱量。
兩個熱堆疊134A，和134B，布置在殼體112，的內部空間內，在諧振腔 140，的相對側面上。熱堆疊134A，、 134B，的每個優選由一連串的薄平行 散熱片，或由導熱材料，例如銅、庫珀合金、不銹鋼、熱解石墨制成的薄 桿狀構件的互連的網格實現。熱堆疊134A，、 134B，也能從蜂巢狀薄壁陶 乾結構實現,例如紐約Coming的Corning Environmental Technologies所 銷售的Celcore 。
熱堆疊134A，具有一個側面136A，，與側面138A，相對。側面136A， 與反應室116A，熱接觸。在通過反應室116A，和120A，實現的熱力發動機 的加熱和冷卻循環期間，在熱堆疊134A，的側面136A，經歷反應室116A， 的循環溫度變化。這種循環的溫度變化造成熱堆疊134A，的熱聲振蕩。
熱堆疊134B，具有一個側面136B，，與側面138B，相對。側面136B， 與反應室116B，熱接觸。在通過反應室116B，和120B，實現的熱力發動機 的加熱和冷卻循環期間，在熱堆疊134B，的側面136B，經歷反應室116B， 的循環溫度變化。這種循環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，的側面138A，和熱堆疊140B，的側面138B， 之間延伸。設計熱堆疊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，內形成壓力駐波。壓力駐波的頻率 等于或接近熱力發動機的工作頻率。在優選實施方式中，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，能適應為使得諧振腔 140，的內表面是聲反射的，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。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。在優選實施方式中，壓電換能器 144，實現為薄桿狀壓電構件的互連網格。在諧振腔140，內產生的壓力駐波 在壓電換能器144，上引起循環的機械應力。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，內產生的壓力駐波在其中引起的循環的機械應力而產生的電信號。
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，并流經管狀殼體112，的內部空間，在該內部空 間冷源由于熱力發動機的運行而變暖，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，內部空間內的系統的部件(冷側 熱交換器114A，、膜130A，、第一反應室116A，、熱堆疊134A，、壓電換能 器144，、熱堆疊134B，、反應室116B，、膜130B，、冷側熱交換器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 物供應給冷側熱交換器114A，、 114B，。當使用這種流體耦合器時，布置 在殼體112'內部空間內的系統的部件(冷側熱交換器114A，、膜130A，、 反應室116A，、熱堆疊134A，、壓電換能器144，、熱堆疊134B，、反應室 116B，、膜130B，、冷側熱交換器114B，)不需允許這種冷流體的流動通過。
反應室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124，被供應給冷側熱交換器116A，和116B，。熱供應1264皮供應給熱側熱交換器118A，和118B5。冷供應124'優選包括 用于在化學熱力發動機的多個加熱/冷卻循環期間，將連續的冷流體供應 提供給冷側熱交換器116A，、 116B，的循環器(比如，泵、風機)。熱供應 126，優選包括用于在熱力發動機的多個加熱/冷卻循環期間，將連續的熱 流體供應提供到熱側熱交換器118A，、 118B，的循環器(比如，泵、風機)。在示例性的配置(在環境空氣比深層地溫暖和時有用)中，冷供應 124，能由冷地熱源產生，熱供應126，能從環境空氣產生。冷地熱源能夠是 流體，例如水或空氣，當經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(在深層地溫比環境空氣暖和時有用)中，冷供應 124，能從環境空氣產生，而熱供應126，能由熱地熱源產生。熱地熱源能夠 是流體，例如水或空氣，當其經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。應認識到，熱交換器118A，和關聯的反應室120A，的熱側功能能夠與 熱交換器114A，和關聯的反應室120A，的冷側功能交換，類似于圖IIB所 顯示的。熱交換器118B'和關聯的反應室120B'的熱側功能能夠與熱交換 器114B'和關聯的反應室120B，的冷側功能交換，類似于圖IIB所顯示的。 以這種方式中，系統能依賴于源的相對溫度在配置之間轉換。可選地，閥 和管道系統能耦合到熱源和冷源，并用來允許圖12的系統依賴于源的相 對溫度在配置之間轉換。可提供流體供應源和壓力控制機構(未顯示)來將工作流體(比如氫) 加到反應室116A，、 120A，、 116B，、 120B',并根據需要調節在這樣的室 內的工作流體的壓力。當氫用作工作流體時，流體供應源能由氫的容器或 可能地用通過水的電解產生氫的裝置來實現。壓力控制機構能由泵和閥來 實現，根據需要可能包括將過度的壓力排到周圍環境的排出閥。由冷側熱交換器114A'、反應室116A，、熱側熱交換器118A'和反應室 120A，實現的熱力發動才幾以與關于圖IIA、 IIB和圖3而在上面描述的熱 力發動機類似的方式工作。由冷側熱交換器114B，、反應室116B，、熱側 熱交換器118B，和反應室120B，實現的熱力發動機也以與關于圖11A、11B和圖3而在上面描述的熱力發動機類似的方式工作。以連續的方式，冷源124，持續地將冷流體供應給冷側熱交換器116A，和116B',熱源126，持續 將熱流體供應給熱側熱交換器118A'和118B'。利用冷源124'和熱源126' 之間的溫差產生功。更具體地，如以上參考圖3所詳細描述的，這個溫差 用于使反應室116A，、 118A，內的氫工作流體、金屬氫化物和相變材料(如 果有)的溫度和壓力循環以便在那里引起溫度變化。反應室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 反應室116B，、 118B，內的氫工作流體、金屬氫化物和相變材料(如果有) 的溫度和壓力循環以便在那里引起溫度變化。反應室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 形成壓力駐波。壓力駐波的頻率等于或接近兩個熱力發動機的工作頻率。 壓力駐波在壓電換能器144，上引起循環的機械應力。電極146A'、 146B， 輸出因諧振腔140，里產生的壓力駐波在其中引起的循環的機械應力而由 壓電換能器144，產生的一系列高電壓、低電流電脈沖(V+,V-)。有利地，本發明的能量轉化系統和方法能容易地適應于經歷大的和/ 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 生。這種大的/高頻壓力波產生大的/高頻應力和壓電換能器相應的大的/ 高頻變形。這種變形導致高電壓、低電流脈沖，所述脈沖由功率變換器轉 換以產生適合于廣泛的供電應用，例如住宅或商用供電應用的電功率。此 外，本發明的能量轉化系統和方法能容易地適應于利用環境友好、低成本 的地熱的和環境的熱源和冷源來驅動系統。這里已經描述和示出了幾種結合壓電材料使用熱力發動機產生電的 系統和方法的實施方式。電能從壓電材料獲得并轉換成可用的形式。雖然 已經描述了發明具體的實施方式，但是不希望把發明限制于此，因為希望 本發明在技術允許的范圍內盡可能的寬泛，并同樣地來理解說明書。因此， 雖然公開了具體的系統配置，但應認識到，也能使用其它的系統配置。例 如，預期熱側熱交換器和冷側熱交換器能布置在鄰近熱堆疊的相對側面， 以便引起熱堆疊的熱聲振蕩。在另一實施例中，多個熱堆疊和關聯的熱交 換元件能串if關布置來產生壓力行波(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生電信號。在圖 13所示的又一配置中，預期這里描述的化學熱力發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，內管181承載冷(或熱)源以
及一個或更多個反應室、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室、熱交換器、熱堆疊/壓電換能器。
內管181的反應室流體地耦合到外管183的反應室。被流體地耦合的反應 室所實現的化學熱力發動機產生的溫度循環在各自管里的熱堆疊內引起 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 生的供電信號。同樣的，雖然已經描述了具體的熱源和冷源，但預期熱力 發動機能用其它的熱源和冷源驅動。例如，海水和環境空氣能用作冷源和 熱源，或反之亦然，這依賴于季節。此外，雖然已經參考熱力發動機和壓 電換能器元件公開了具體的材料和設計，但應認識到，也能使用其它的配 置。例如，預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構中。也預期在熱堆疊產生的聲能沖擊在 系統的壓電換能器元件上之前，轉換或以其他方式改變該聲能。例如，聲 能沖擊在系統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，雖然已經公開了具體類型的靜電電動機和機電電池，但應理解 能夠使用其它的類型。例如，預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子外 面。同樣的，雖然已經描述了優選電子電路和部件，應認識到能類似地使 用其它電子電路和部件。此外，雖然已經參考熱力發動機和壓電換能器元 件公開了具體的材料和設計，但應認識到也能使用其它配置。
因此，本領域技術人員應認識到，對所提供的發明還能進行一些修改 而不偏離其所要求的精神和范圍。
權利要求
1.一種系統，其用于產生電信號，所述系統包括至少一個熱力發動機，其具有一室，所述室經歷加熱和冷卻循環以及相應的壓力變化；至少一個壓電換能器，其可操作地耦合到所述熱力發動機，所述壓電換能器響應于所述熱力發動機的所述壓力變化而被變形，并因變形而產生電輸出信號。
2. 如權利要求l所述的系統，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換成期望的電力供應信號。
3. 如權利要求l所述的系統，其中 所述熱力發動機具有冷地熱源和熱環境源。
4. 如權利要求1所述的系統，其中 所述熱力發動機具有熱地熱源和冷環境源。
5. 如權利要求l所述的系統，其中氫作為工作流體被布置在所述熱力發動機的所述室內。
6. 如權利要求5所述的系統，其中至少一種金屬氫化物材料布置在所述熱力發動機的所述室內，所述金 屬氫化物材料用于在所述熱力發動機的所述加熱和冷卻循環期間吸收和 解吸氫。
7. 如權利要求6所述的系統，其中 至少一種相變材料布置在所述熱力發動機的所述室里。
8. 如權利要求7所述的系統，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 一溫度對應所述相變材料放熱的溫度。
9. 如權利要求8所述的系統，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 述第二溫度對應所述相變材料吸熱的溫度。
10. 如權利要求2所述的系統，其中 所述功率變換器包括具有儲存轉動能的飛輪的機電電池。
11. 如權利要求IO所述的系統，其中所述功率變換器包括用于將所述飛輪的轉動能轉換成所述期望的電 力供應信號的設備。
12. 如權利要求10所述的系統，其中所述機電電池包括電^f茲耦合到定子的轉子，所述轉子可操作地耦合到 所述飛輪，其中所述轉子和定子中的一個包括永磁體陣列。
13. 如權利要求10所述的系統，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 述靜電電動機將轉動能加到所述飛輪。
14. 如權利要求13所述的系統，其中所述靜電電動機包括經由排斥的庫侖力而相對彼此轉動的轉子和定 子，所述轉子可操作地耦合到所述機電電池的所述飛輪。
15. 如權利要求13所述的系統，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. 如權利要求15所述的系統，其中 所述接口電路包括Marx發生器電路。
17. 如權利要求16所述的系統，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生用于輸入到所述Marx發生器電路的充電電壓信號。
18. —種裝置，其用于能量轉化，所述裝置包括 機電電池，其具有儲存轉動能的飛輪；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 動能加到所述機電電池的所述飛輪。
19. 如權利要求18所述的裝置，其進一步包括 用于將所述飛輪的轉動能轉換成期望的電力供應信號的設備。
20. 如權利要求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子，所述轉子可操作地耦合到 所述飛輪，其中所述轉子和定子中的一個包括永磁體陣列。
21. 如權利要求18所述的裝置，其中所述靜電電動機包括經由排斥的庫侖力而相對彼此轉動的轉子和定 子，所述轉子可操作地耦合到所述機電電池的所述飛輪。
22. 如權利要求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. 如權利要求22所述的裝置，其中 所述接口電路包括Marx發生器電路。
24. 如權利要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生用于輸入到所述Marx發生器電路的充電電壓信—，—
25. —種系統，其用于產生電信號，所述系統包括至少 一個熱力發動才幾，其經歷加熱和冷卻循環和相應的溫度變化；至少一個熱聲元件，其可操作地耦合到所述熱力發動機，所述熱聲元 件響應于所述熱力發動機的溫度變化而經歷熱聲振蕩，從而從所述至少一個熱聲元件發射聲能；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 能器響應于從所述熱聲元件發射的所述聲能的壓力變化而被變形并因變 形而產生電輸出信號。
26. 如權利要求25所述的系統，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. 如權利要求25所述的系統，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換成期望的電力供應信號。
28. 如權利要求25所述的系統，其中所述熱力發動才幾具有冷地熱源和熱環境源。
29. 如權利要求25所述的系統，其中所述熱力發動機具有熱地熱源和冷環境源。
30. 如權利要求25所述的系統，其中 所述熱力發動機利用氫作為工作流體。
31. 如權利要求30所述的系統，其中所述熱力發動機利用至少一種金屬氫化物材料在所述熱力發動機的 所述加熱和冷卻循環期間吸收和解吸氫。
32. 如權利要求31所述的系統，其中 所述熱力發動機利用至少 一種相變材料。
33. 如權利要求32所述的系統，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 對應所述相變材料放熱的溫度。
34. 如權利要求33所述的系統，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，所述第二溫度對應所述相變材料吸熱的溫度。
35. 如權利要求25所述的系統，其中所述至少一個熱聲元件適合在諧振腔內產生壓力駐波，所述至少一個 壓電換能器布置在所述諧振腔內。
36. 如權利要求25所述的系統，其中所述至少 一 個熱聲元件包括布置在諧振腔的相對側面的第 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動機， 所述第二熱聲元件可操作地耦合到第二熱力發動機，第 一熱堆疊和第二熱 堆疊適合在所述諧振腔內產生壓力駐波，所述至少一個壓電換能器布置在 所述諧振腔內。
37. 如權利要求25所述的系統，其中所述熱力發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. 如權利要求37所述的系統，其中所述特定的熱聲元件和所述熱力發動機的所述第一部分布置在殼體 里，而所述熱力發動機的所述第二部分布置在所述殼體的外面。
39. 如權利要求37所述的系統，其中 所述殼體提供用于冷流體或熱流體的流動路徑。
40. 如權利要求39所述的系統，其中所述特定的熱聲元件和所述熱力發動機的所述第 一部分支持所述熱 流體或所述冷流體的流動通過。
41. 如權利要求37所述的系統，其中 所述殼體是管狀的。
42. 如權利要求37所述的系統，其進一步包括用于流體地耦合所述熱力發動機的所述第一部分和所述第二部分的 設備。
43. 如權利要求37所述的系統，其中當所述熱力發動機的所述第二部分吸熱時，所述熱力發動機的所述第 一部分產生熱，以及當所述熱力發動機的所述第二部分產生熱時，所述熱 力發動機的所述第 一部分吸熱。
44. 如權利要求25所述的系統，其進一步包括布置在第二管內的第一管，所述第一管殼體和所述第二管容納至少一 個熱力發動機的相應部分。
45. 如權利要求44所述的系統，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動機 的相應部分熱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動機 的相應部分熱4妻觸的至少 一 個熱堆疊。
全文摘要
一種用于產生電力供應信號的系統，包括至少一個經歷加熱/冷卻循環以及相應的溫度或壓力變化的熱力發動機。至少一個壓電換能器響應于熱力發動機的溫度或壓力變化而被變形。功率變換器將響應于壓電換能器的變形而產生的電信號轉換成期望的電力供應信號。熱力發動機優選使用冷地熱源和熱環境源，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動機的加熱和冷卻循環期間，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 優先權日2006年9月8日
發明者金佰利·皮科克 申請人:金佰利·皮科克