一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统与应用

本发明涉及储能，尤其涉及一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统与应用。

背景技术：

1、低品位热能（在100-230℃以下）广泛存在于工业生产与运输工具等废热排放场合，总量庞大（约1.1x105 tw）。目前，对其回收利用的研究，主要集中于三个方向，即有机朗肯循环、热电材料和热释电材料，基于卡诺效率的角度，后者最具有应用前景。具有热释电效应的铁电材料作为一种固态材料含有制备工艺成熟、成本较低的特点。其能在温度波动条件下在外界电路中产生电流，但直接通过热刺激放电的方式，铁电材料的能量转换效率通常低于1%卡诺效率。为此，有研究者构建了铁电材料的热释电热力学循环（即奥尔森循环），其理论转换效率可达50%的卡诺效率，因而热释电热力学循环在热能收集领域得到了广泛关注和研究。

2、2022年emmanuel defay在nature上发表论文，通过弛豫型铁电厚膜堆叠模组，以液流换热模式成功在室温范围内获得每循环11.2 j的能量转换，但是面对下一步的实用化开发，仍存在问题。传统的热释电热力学循环系统主要由四部分组成：（1）铁电电容器，其是由铁电材料组成的电容器，是能量转换的核心，等效于传统热力学的工质；（2）高电压源，作为电荷来源，其在热释电热力学循环中充当电荷源，维持铁电电容的电压状态；（3）换热结构，使铁电电容器形成温度浮动变化，为循环过程建立所需的温度变化条件；（4）有源开关单元模块，用于控制温度变化、电压变化、与电荷输入与输出，以保障形成不同的类型热力学循环。传统的热释电热力学循环过程是基于常电压模式所建立的“有源”能量收集，即必须附加外接高压电源以维持铁电材料的高压状态和有源控制模块以控制循环模式，导致额外的能量消耗，无法有效进行低品位热能的能量收集。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统与应用，利用自偏置电路的“自泵电”特性，可实现此系统的高压无源化；基于介电弹性体电容-铁电电容双电容结构可实现热释电热力学循环的电能输出无源化。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明的第一目的是提供一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，包括介电弹性体电容-铁电电容双电容结构和冷热交换结构，所述冷热交换结构为铁电电容提供热源或冷源，所述介电弹性体电容-铁电电容双电容结构包括介电弹性体电容和自偏置电路，所述自偏置电路上布置有若干个铁电电容，所述热源和所述冷源向若干个所述铁电电容供热或供冷，所述自偏置电路的自泵电特性实现铁电电容的动态高压变化；利用介电弹性体电容-铁电电容双电容结构可实现热释电热力学循环的电能输出无源化。

4、进一步的，所述自偏置电路上并联设置有稳压二极管，所述自偏置电路和所述稳压二极管构成自偏置稳压电路，所述自偏置电路由若干个铁电电容和内部二极管构成，通过内部二极管的导通与关断实现铁电电容呈现出串并联模式。

5、进一步的，所述自偏置电路包括四个所述铁电电容和五个所述内部二极管）构成，通过内部二极管的导通与关断改变内部电容的串并联状态，四个所述铁电电容分别为c1、c2、c3和c4，五个所述内部二极管分别为d1、d2、d3、d4和d5。

6、进一步的，五个所述内部二极管依次相连，与所述稳压二极管串联，d1与d2之间的支路上连接有c1，d2与d3之间的支路上连接有c2，d3与d4之间的支路上连接有c3，d4与d5之间的支路上连接有c4，c1、c2、c3和c4均与所述稳压二极管并联。

7、进一步的，所述介电弹性体电容与外接负载串联后并联在所述自偏置稳压电路两侧；所述介电弹性体电容包括介电弹性体及其两侧的可变电极构成。

8、进一步的，所述外接负载为电阻器件、发光二极管或者由整流桥和电容组成的充电负载。

9、进一步的，所述介电弹性体电容为可拉伸弹性体电容，由介电弹性体和两侧的可变电极构成，所述的介电弹性体为可拉伸弹性材料，选自硅橡胶、嵌段共聚物、热塑性生物塑料中的任一种，其两侧的可变电极选自导电硅脂、银纳米线、水凝胶、离子导体中的任一种。

10、进一步的，所述稳压二极管会释放系统中多余的电荷以达到稳定系统的目的。

11、进一步的，所述铁电电容由具有热释电效应的铁电材料制成，当温度发生变化时铁电电容值会发生改变，升温电容值减小，降温电容值增大。

12、本发明的第二目的是提供一种储能装置，包含上述的无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、本发明提供了无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，利用铁电电容构建电荷泵浦电路的自泵电特性，可使系统在运行中实现电荷恒定和高压状态，无需体积庞大的外接高压电源以补充电荷，即可实现铁电电容的动态高压变化，进而有效构建无源化的热力学热释电循环；利用交流模式下电荷可以随着电容变化以交流形式自发穿梭于双电容结构的特性，保障无源化高性能热力学循环的有效循环，实现高效持续的能量输出，无需复杂的有源开关部件控制电荷充放电，减少对外界电源的依赖；利用将弹性体电容和铁电泵浦电路集成到换热结构中实现力-热双场耦合的特性，实现力场同步控制介电弹性体电容和铁电电荷泵浦电路的温度变化，进而形成协同效应，高效构建热力学循环为系统提供更大电容变化，并增强系统能量收集能力，本系统具有成本低、结构简单、与适用性高的特点。

技术特征：

1.一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，包括介电弹性体电容-铁电电容双电容结构和冷热交换结构，所述冷热交换结构为铁电电容提供热源（1）或冷源（4），所述介电弹性体电容-铁电电容双电容结构包括介电弹性体电容（2）和自偏置电路（32），所述自偏置电路（32）上布置有若干个铁电电容（6），所述热源（1）和所述冷源（4）向若干个所述铁电电容（6）供热或供冷，所述自偏置电路（32）的自泵电特性实现铁电电容的动态高压变化；利用介电弹性体电容-铁电电容双电容结构可实现热释电热力学循环的电能输出无源化。

2.如权利要求1所述的一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，所述自偏置电路（32）上并联设置有稳压二极管（31），所述自偏置电路（32）和所述稳压二极管（31）构成自偏置稳压电路（3），所述自偏置电路（32）由若干个铁电电容（6）和内部二极管（7）构成，通过内部二极管（7）的导通与关断实现铁电电容（6）呈现出串并联模式。

3.如权利要求2所述的一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，所述自偏置电路（32）包括四个所述铁电电容（6）和五个所述内部二极管（7）构成，通过内部二极管的导通与关断改变铁电电容的串并联状态，四个所述铁电电容分别为c1、c2、c3和c4，五个所述内部二极管分别为d1、d2、d3、d4和d5。

4.如权利要求3所述的一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，五个所述内部二极管（7）依次相连，与所述稳压二极管（31）串联，d1与d2之间的支路上连接有c1，d2与d3之间的支路上连接有c2，d3与d4之间的支路上连接有c3，d4与d5之间的支路上连接有c4，c1、c2、c3和c4均与所述稳压二极管（31）并联。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，所述介电弹性体电容（2）与外接负载（5）串联后并联在所述自偏置稳压电路（3）两侧；所述介电弹性体电容（2）包括介电弹性体（21）及其两侧的可变电极（22）构成。

6.如权利要求5所述的一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，所述外接负载（5）为电阻器件、发光二极管或者由整流桥和电容组成的充电负载。

7.如权利要求5所述的一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，所述介电弹性体电容（2）为可拉伸弹性体电容，由介电弹性体和两侧的可变电极构成，所述的介电弹性体为可拉伸弹性材料，选自硅橡胶、嵌段共聚物、热塑性生物塑料中的任一种，其两侧的可变电极选自导电硅脂、银纳米线、水凝胶、离子导体中的任一种。

8.如权利要求2所述的一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，所述稳压二极管（31）会释放系统中多余的电荷以达到稳定系统的目的。

9.如权利要求1所述的一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统，其特征在于，所述铁电电容（6）由具有热释电效应的铁电材料制成，当温度发生变化时铁电电容值会发生改变，升温电容值减小，降温电容值增大。

10.一种储能装置，其特征在于，包含如权利要求1~9中任一项所述的无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统。

技术总结
本发明提供了一种无源化高性能热释电热力学循环能量收集系统与应用，属于储能技术领域。该系统利用介电弹性体电容与铁电电容组成双电容结构，配合铁电电荷泵浦电路实现热释电热力学循环无源化高性能能量收集。铁电电容构建电荷泵浦电路的自泵电特性使系统无需外接高压电源，实现自发高压并有效构建热释电热力学循环；基于双电容电荷的交流模式以实现电荷的自发穿梭，进而保障高性能热力学循环的有效运行并减少对有源开关的依赖，实现高效持续的能量输出；基于上述系统利用换热结构同步控制介电弹性体电容和铁电电荷泵浦电路的温度，进而形成协同效应，提供更大电容变化，增强系统能量收集能力，该系统具有成本低、结构简单和适用性高的特点。

技术研发人员：徐子盛,张阳,潘昊昱,鄂世举,郑少笛
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/7