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1、10申请公布号CN104242733A43申请公布日20141224CN104242733A21申请号201410250526522申请日2014060613/911,68720130606USH02N11/00200601H01L35/3220060171申请人哈米尔顿森德斯特兰德公司地址美国康涅狄格州72发明人LA里巴罗夫74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人傅永霄54发明名称能量回收和再生系统57摘要在至少一个实施方案中，一种能量回收和再生系统包括至少一个热电能量回收模块ERM、冷却剂管线、阀和能量存储模块。所述至少一个热电ERM响应于实现温度变化而产生电压。所述冷却剂。
2、管线包括与冷却剂源流体连通以接收冷却剂的第一端和与所述至少一个热电ERM相邻设置以向其输送所述冷却剂的第二端。将所述阀插入所述冷却剂源和所述至少一个热电ERM之间。所述阀调节被输送到所述至少一个热电ERM的所述冷却剂以产生所述温度变化。所述能量存储模块与所述热电ERM电通信以存储所述至少一个热电ERM产生的所述电压。30优先权数据51INTCL权利要求书1页说明书6页附图10页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图10页10申请公布号CN104242733ACN104242733A1/1页21一种能量回收和再生系统，其包括至少一个热电能量回收模块ERM，其。
3、响应于实现温度变化而产生电压；冷却剂管线，其包括与冷却剂源流体连通以接收冷却剂的第一端和与所述至少一个热电ERM相邻设置以向其输送所述冷却剂的第二端；阀，其被插入所述冷却剂源和所述至少一个热电ERM之间，所述阀被构造来调节被输送到所述至少一个热电ERM的所述冷却剂来产生所述温度变化；和能量存储模块，其与所述热电ERM电通信，所述能量存储模块被配置以存储所述至少一个热电ERM产生的所述电压。2如权利要求1所述的能量回收和再生系统，其中所述热电ERM包括接收所述冷却剂的第一表面和接收热的第二表面。3如权利要求2所述的能量回收和再生系统，其中所述冷却剂管线的所述第一端与进气口流体连通以接收冷空气，且。
4、所述第二端将所述冷空气输送到所述第一表面。4如权利要求3所述的能量回收和再生系统，其中所述阀被控制以连续打开和关闭来调节所述冷进气。5如权利要求4所述的能量回收系统，其中所述热电ERM由配置成使得所述第二表面与产生所述热的热源一致的薄热电材料形成。6一种能量回收和再生系统，其包括至少一个热电能量回收模块ERM，其包括第一表面和第二表面，所述热电ERM被配置以响应于实现所述第一表面和所述第二表面之间的温度差而产生电压；至少一个冷却剂管线，其包括第一端和第二端，所述第一端与冷却剂源流体连通以接收冷却剂，所述第二端与所述至少一个热电ERM的所述第二表面相邻设置以向其输送所述冷却剂，使得所述第二表面的。
5、温度小于所述第一表面的温度；和电子设备，其与所述至少一个热电ERM电通信，所述电子设备被配置以响应于所述热电ERM产生的所述电压来操作。7如权利要求6所述的能量回收和再生系统，其还包括产生冷却液的冷却装置，其中所述至少一个冷却剂管线的所述第一端与所述冷却装置流体连通以接收所述冷却液，且所述第二端将所述冷却液输送到相邻的所述至少一个热电ERM，从而冷却所述第二表面。8如权利要求7所述的能量回收和再生系统，其中所述热电ERM的所述第一表面抵靠热源形成。9如权利要求8所述的能量回收和再生系统，其中所述热电ERM由配置成使得所述第二表面与所述热源的形状一致的薄热电材料形成。权利要求书CN1042427。
6、33A1/6页3能量回收和再生系统背景技术0001高级飞机发电应用在全飞行包线过程中需要不间断的、可靠的电力供应来驱动飞机的各种电气系统。传统上，飞机利用耦合到飞机的主引擎的电动发电机和辅助动力装置APU来产生电力。然而，这些常规的发电方法包括许多大而复杂的旋转部件，所述旋转部件增加了飞机的重量，并可能诱发电噪声，例如电磁磁场干扰EMI。随着飞机电气系统变得越来越复杂并提供更多的电特性，对产生额外动力的轻便小巧的能源系统的需求增大。发明内容0002在至少一个实施方案中，一种能量回收和再生系统包括至少一个热电能量回收模块ERM、冷却剂管线、阀和能量存储模块。至少一个热电ERM响应于实现温度变化而。
7、产生电压。冷却剂管线包括与冷却剂源流体连通以接收冷却剂的第一端和与至少一个热电ERM相邻设置以向其输送冷却剂的第二端。将阀插入冷却剂源和至少一个热电ERM之间。阀调节被输送到至少一个热电ERM的冷却剂以产生温度变化。能量存储模块与热电ERM电通信以存储至少一个热电ERM产生的电压。0003在另一实施方案中，一种能量回收和再生系统包括至少一个热电ERM，所述热电ERM包括第一表面和第二表面。热电ERM被配置以响应于实现第一表面和第二表面之间的温度差而产生电压。能量回收和再生系统还包括至少一个冷却剂管线，所述冷却剂管线包括第一端和第二端。第一端与冷却剂源流体连通以接收冷却剂。第二端与至少一个热电E。
8、RM的第二表面相邻设置以向其输送冷却剂，使得第二表面的温度小于第一表面的温度。电子设备与至少一个热电ERM电通信，且响应于热电ERM产生的电压来操作。0004在又一实施方案中，一种能量回收和再生系统包括至少一个压电ERM，所述压电ERM被配置以响应于实现物理力而产生电压。至少一个耦接构件包括第一连接端和第二连接端，以将物理力输送到至少一个压电ERM。第一连接端在所述至少一个耦接构件上形成，且第二连接端抵靠振动源形成。能量存储模块与压电ERM电通信以存储所述至少一个压电ERM产生的电压。附图说明0005以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参照附图，相同的元件使用相似的编号0006图1A是根据至。
9、少一个实施方案的包括热电能量回收和再生系统的飞机舱壁的后部的俯视图；0007图1B是沿线CLCL所取的图1A中示出的飞机后部舱壁的截面侧视图；0008图2是根据另一实施方案的包括热电能量回收和再生系统的飞机舱壁的后部的俯视图；0009图3是根据实施方案的热电ERM电路的电原理图；0010图4A4B示出根据实施方案的热电能量回收和再生系统中包括的热电ERM的操说明书CN104242733A2/6页4作；0011图5是根据另一实施方案的包括热电能量回收和再生系统的飞机后部舱壁的后部的俯视图；0012图6是根据实施方案的热电ERM电路的电原理图；0013图7示出根据实施方案的热电能量回收和再生系统中。
10、包括的热电ERM；0014图8是根据又一实施方案的包括压电能量回收和再生系统的飞机后部舱壁的后部的俯视图；0015图9是根据实施方案的压电ERM电路的电原理图；和0016图10A10C示出根据实施方案的压电能量回收和再生系统中包括的压电ERM的操作。具体实施方式0017所公开的装置和方法的一个或多个实施方案的详细描述在此参照附图以举例而非限制的方式提供。0018参考图1A1B，示出根据至少一个实施方案的包括能量回收和再生系统102的飞机舱壁的后部100即，后部舱壁100。后部舱壁100包括机身104和尾锥106。尾翼组件108可耦接到机身104的外表面。尾锥106可包含辅助动力装置APU110。
11、。APU110可包括APU进气口112、APU发电机114、APU涡轮116、APU齿轮箱118、APU压缩机120和APU排气管122。APU涡轮116操作以经由通过APU齿轮箱118的驱动轴来驱动APU发电机114。APU压缩机120通过APU进口112接收环境进气并将压缩空气输送到燃料被注入的APU燃烧器。燃烧完成后，热废气驱动APU的涡轮116，APU的涡轮116通过打开的布雷顿循环BRAYTONCYCLE提取热能，同时通过APU排气管122排出热和废气。APU压缩机120中的空气压缩导致压缩的进气也被加热。APU齿轮箱118被插入APU发电机114和APU压缩机120之间。APU齿轮。
12、箱118可包括离合器，所述离合器选择性地使APU发电机114与压缩机120轴脱离，从而控制提供给APU发电机114的电力。经常，APU发电机114被设计成由电流通电以通过旋转其输入/输出轴和APU压缩机120来启动APU110时充当起动器的混合起动器/发电机S/G单元。在APU的发动机启动且操作稳定后，S/G单元通过被APU发动机的输出轴转动来“逆转”其现在作为产生电力的发电机操作的功能。0019APU110可提供电力以启动飞机的主涡轮发动机。例如，主涡轮发动机必须被加速到高转速，以便提供足够的空气压缩来进行自维持SELFSUSTAINING操作。APU110可用以当主发动机被关闭时提供电力到。
13、一个或多个辅助系统，例如电子仪表电子设备、机舱风扇、机舱照明、厕所/厨房用电等。APU110也可连接到液压泵，从而允许乘务员在主发动机启动之前操作液压设备例如，飞行控制或护翼。然而，如前文所提到，APU110需要各种可移动和旋转部件。0020在至少一个实施方案中，飞机的后部舱壁100包含被配置以利用/回收飞机中存在的能量的能量回收和再生系统102。回收的能量可被存储且/或提供给各种电气子系统以增加飞机的能源效率。虽然上文描述的至少一个实施方案示出了后部舱壁100中包含的能量回收和再生系统102，但是能量回收和再生系统102的位置不限于此。因此，应理解，能量回收和再生系统102可在飞机的一个或多。
14、个替代性位置处形成。说明书CN104242733A3/6页50021再次参考图1A1B，后部舱壁100包括根据实施方案的能量回收和再生系统102，其被实施为热电能量回收和再生系统且将在本文中被称为热电能量回收和再生系统。虽然图1和2中示出了热电能量回收和再生系统102，但是可实施其它能量回收和再生系统，包括但不限于，如下文更详细讨论的热电能量回收和再生系统102和压电能量回收和再生系统102。0022热电能量回收和再生系统102包括一个或多个热电能量回收模块ERM126、冷却剂管线128、快速作用FASTACTING阀130和能量存储模块132。当实现温度变化时即，当被加热或冷却时，热电ERM。
15、126产生临时电压，如下文更详细讨论。例如，热电ERM126可被设置为抵靠APU排气管122的加热的外表面。根据图1A1B中示出的实施方案，冷却剂管线128被形成为与APU进气口112流体连通的引气管线128。引气管线128将冷进气的部分从APU压缩机120转移并转移到热电ERM126。因此，热电ERM126的暴露表面被冷却，从而导致通过热电ERM126实现的温度变化。0023如上所述，热电ERM126实现的单一温度变化产生临时电压。为了保持连续的电压输出，热电ERM126必须实现连续的温度变化，即，热电ERM126必须以连续和交替的方式被加热和冷却。因此，快速作用阀130可被插入进气口112。
16、和热电ERM126之间，以打开且/或关闭到热电ERM126的空气输送路径。快速作用阀130例如可由微处理器控制。阀130的连续的打开和关闭导致在热电ERM126上调节冷进气。在热电ERM126上连续调节冷空气产生连续交替温度差以保持连续的输出电压。因此，可使用并利用提供给APU压缩机120的进气，以产生可被飞机的一个或多个子系统存储且/或利用的另外的能量。0024虽然冷进气被用作提供给热电ERM126的冷却剂，但是也可使用其它冷却剂。参考图2，例如，一个或多个冷却剂管线134的一端可与冷却装置136的进口135流体连通以接收液体冷却剂。液体冷却剂可包括但不限于过冷水、丙二醇水PGW混合物、有机。
17、冷冻剂等。冷却剂管线134的相对端可与热电ERM126相邻设置，以向其输送冷的液体冷却剂，从而冷却热电ERM126的表面。快速作用阀130可被插入冷却装置136和热电ERM126之间，以调节在每个冷却剂管线134中流到热电ERM126的冷却剂。在至少一个实施方案中，快速作用阀130可被插入一个或多个各自的冷却剂管线134中，或被插入冷却剂管线134中每一个中。流量调节阀130可被微处理器控制并适当地同步。因此，产生可被输出到能量存储模块132并存储在其中的临时电压。能量存储模块132可包括但不限于电池、电容器和超级电容器。在另一实施方案中，电压也可被输出到一个或多个电气子系统。0025转到图3。
18、，示出热电ERM电路138的电原理图。热电ERM电路138包括电流源140、滤波器142和桥式整流器144。电流源140、滤波器142和桥式整流器144彼此并联。滤波器142可包括第一电容器146和第一电阻器148。第一电容器146与电流源140和第一电阻器148并联。桥式整流器144跨接滤波器142的输出端。桥式整流器144可包括第一二极管150、第二二极管152、第三二极管154和第四二极管156。关于第一二极管150和第四二极管156，第一二极管150的阴极被连接到滤波器输出端的第一端子159，且第四二极管156的阴极被连接到滤波器142的对接端子160。第一二极管150的阳极被连接到第。
19、四二极管156的阳极。关于第二二极管152和第三二极管154，第二二极管152的阳极被连接到第一二极管150的阴极，且第三二极管154的阳极被连接到第四二极管156的阴极。另外，第二二极管152的阴极被连接到第三二极管154的阴极。在至少一个实施方案中，桥式说明书CN104242733A4/6页6整流器144可形成为惠斯登WHEATSTONE桥式整流器，其包括连接在第一二极管150和第四二极管156的阳极和第二二极管152和第三二极管154的阴极之间的电流感测电路161。感测电路161可包括与第二电容器163串联的第二电阻器162。0026现在参考图4A和4B，示出根据实施方案的热电ERM12。
20、6。热电ERM126包括被插入第一导热面166和第二导热面168之间的多个半导体元件164。半导体元件164可由包括但不限于以下的材料形成氮化镓GAN、氮化铯CSNO3、钽酸锂LITAO3和烧结的陶瓷，包括铅锆英石LEADZIRCONITE、铅钽铁矿石LEADTANTALITE、铅锡酸盐LEADSTANANTE或其组合。包括但不限于聚偏氟乙烯三氟乙烯PVDFTRFE的各种聚合物也可用以形成热电材料。0027ERM半导体元件164的热电材料被配置以当热电材料经受交替的加热和冷却时产生电压。热电材料吸收的热量然后改变材料的晶格结构中原子的位置。这导致了极化变化，这进而使ERM半导体元件上的电压上升。
21、。例如使用聚偏氟乙烯三氟乙烯PVDFTRFE来举例说明热电设备的典型的能量密度在约5瓦/千克W/KG到约30W/KG的范围内。因此，热电ERM164再生通常“未使用”或从系统中丢失的能量。因此，能量可在没有任何大的或复杂的旋转和/或移动部件的情况下被回收并再生。0028多个半导体元件164包括至少一个P型半导体元件P和至少一个N型半导体元件N。P型元件P是通过将半导体元件与例如磷P的P型材料掺杂而形成。N型元件N是通过将半导体元件与例如硼B的N型材料掺杂而形成。再者，半导体元件164可具有温度阈值TTH。在至少一个实施方案中，ERM半导体元件164被形成为可抵靠加热表面形成的薄条带，例如APU。
22、排气管122。所述条带可能足够薄，使得它们与加热表面的形状一致。因此，ERM的最大表面面积可被设置为抵靠热源，以接收最大热量，从而最大化热电ERM126产生的电压。0029第一导热面166可被冷却到低于TTH，而第二导热面可被加热到高于TTH166参看图4A。因此，实现半导体元件164上的温度变化。温度变化产生半导体元件164上的临时电压，所述临时电压可被输出到能量存储模块132和/或如上所述的电气系统。为了在热电ERM126上保持输出电压VOUT，可交替第一表面166和第二表面168所实现的温度。例如，第一导热面166可被加热到高于TTH，而第二导热面168可被冷却到低于TTH参看图4B。0。
23、030基于上文讨论的能量回收和再生系统102，可实现回收和再生能量的方法。更具体来说，冷却剂可被提供到热电ERM126的第一表面，热电ERM126响应于实现温度变化而产生电压,如上文所讨论。冷却剂可例如通过连续打开和关闭快速作用阀130来调节，使得热电ERM126实现连续温度变化，从而产生连续电压。然后，热电ERM126输出的电压可被输送到能量存储模块132以进行存储，或被输送到电气系统以向一个或多个电子设备供电。0031现在转到图5，示出包括热电能量回收和再生系统102的飞机舱壁100的后部的俯视图。热电能量回收和再生系统102包括一个或多个热电ERM174、一个或多个冷却剂供给管线176、。
24、补充冷却装置SCU178和能量存储模块132。热电ERM174响应于实现其上的温度差而产生电压。0032与热电ERM126不同，不需要连续的交替温度变化来保持输出电压。冷却剂管线说明书CN104242733A5/6页7176包括与SCU178的进口180流体连通的第一端。然后，冷却剂管线176可被形成为与热电ERM174的导热面相邻，以向其输送较低温度。可加热热电ERM174的相对面。例如，热电ERM174的相对面可被设置为抵靠APU排气管122的加热的外表面。因此，热电ERM174实现温度变化，从而产生可由如上所述的能量存储模块132存储的输出电压VOUT。冷却剂管线176可被返回到SCU1。
25、78，SCU178重新冷却冷却剂并将冷却后的冷却剂返回到热电ERM174以保持温度差。虽然冷却剂管线176和SCU178是相对于热电能量回收和再生系统102来描述的，但是应理解，如上所述的引气管线124和阀130可用以将冷空气提供到热电ERM174，反之亦然。也应理解，也可使用SCU178、冷却剂管线、引气管线124和阀130的组合。0033现在参考图6，示出热电ERM电路182的电原理图。热电ERM电路182包括双电压源184其包括串联的第一电压源186和第二电压源188、第一电容器190、反相器192和第二电容器194，所有这些均彼此并联。反相器192被插入第一电容器190和第二电容器19。
26、4之间。热电ERM电路182还可包括二极管196，二极管196的阴极连接到双电压源184的负端子且阳极通常连接到第一电容器190、反相器192和第二电容器194的末端。0034转到图7，示出热电能量回收和再生系统102中包括的热电ERM174。热电ERM174包括被插入第一导热面200和第二导热面202之间的多个半导体元件198。多个半导体元件198包括至少一个P型半导体元件P和至少一个N型半导体元件N。P型元件P是通过将半导体元件与例如磷P的P型材料掺杂而形成。N型元件N是通过将半导体元件与例如硼B的N型材料掺杂而形成。第一导热面200可被加热到第一温度T1，而第二导热面202可被冷却T2。。
27、因此，在半导体元件198上产生温度差T2T1，这诱发半导体元件164上的电压。输出电压VOUT可被输送到能量存储模块132和/或如上所述的电气系统。0035基于上文讨论的能量回收和再生系统102的另一实施方案，可实现回收和再生能量方法。更具体来说，热电ERM174的第一导热面200被加热，而热电ERM的第二导热面202被冷却。因此，产生第一表面200和第二表面202之间的温度差，这促使得热电ERM174产生电压，如上所述。然后，热电ERM174输出的电压VOUT可被输送到能量存储模块132以进行存储，或被输送到电气系统以向一个或多个电子设备供电。0036现在转到图8，示出包括压电能量回收和再生。
28、系统102的飞机舱壁100的后部的俯视图。压电能量回收和再生系统102包括一个或多个压电ERM208、在各自的压电ERM208上形成以向其输送振动的耦接构件210，和能量存储模块132。可提供柔性基座212来支撑压电ERM208中一个或多个。压电ERM208响应于实现振动而产生电压。在至少一个实例中，耦接构件210的一端被连接到各自的压电ERM208，且耦接构件210的相对端被连接到振动源。例如，舱壁100自身或舱壁100的各种部分例如，支撑APU排气管122的一个或多个排气支撑杆218通常在飞行期间振动。因此，耦接构件210将振动输送到压电ERM208以产生输出电压。因此，可利用并使用飞机的。
29、振动诸如当调整尾翼组件108的尾舵和/或水平安定面未示出时造成的舱壁100的振动来产生可由一个或多个电气子系统存储且/或使用的电压。0037在另一实施方案中，第一耦接构件210的第一连接端在压电ERM208的第一端上形成，而第二耦接构件210的第一连接端在压电ERM208的相对端上形成。第一和第二耦接构件的第二连接端可抵靠例如排气杆218的振动源形成。当杆218振动时，第一和第二耦接说明书CN104242733A6/6页8构件210被迫朝向和/或远离彼此。压电ERM208因此实现振动，所述振动使压电材料变形即，推动或拉动，从而产生输出电压参看图10B10C。0038参考图9，示出压电ERM电路。
30、224的电原理图。压电ERM电路224包括与压电电容器226并联的压电元件208和一个或多个输出电容器226。压电元件228可由包括但不限于石英、黄玉TOPAZ和电气石的压电材料形成。因此，可响应于使压电元件228振动和/或变形而在一个或多个输出电容器226上产生电压VOUT。输出电容器228上的电压可被输出到能量存储模块且/或由一个或多个电气子系统使用。0039转到图10A10C，示出压电能量回收和再生系统102中包括的压电ERM208的操作。更具体来说，当附接到柔性基座212的压电ERM208不振动或变形时，压电ERM保持处于稳定的状态且不产生电压参看图10A。然而，当压电ERM208振动。
31、且/或变形时，压电ERM208上产生电压。例如，当压电ERM向内受力从而沿第一方向变形时参看图10B且/或当压电ERM向外受力从而沿第二方向变形时参看图10C，压电ERM208产生电压。压电ERM208产生的输出电压VOUT与施加到压电ERM材料的物理力或机械位移应力的量成比例。因此，较大的飞机振动产生来自压电ERM208的较大的输出电压。0040因此，基于如上所述的能量回收和再生系统102的又一实施方案，可实现回收和再生能量的方法。更具体来说，振动可被输送到压电ERM208。振动可被施加到压电ERM208或可被施加到压电ERM208的末端以使得压电材料变形。响应于实现振动和/或变形，压电ER。
32、M208产生电压，如上所述。然后，压电ERM208产生的电压输出VOUT可被输送到能量存储模块132以进行存储，或被输送到电气系统以向一个或多个电子设备供电。0041因此，上文详细描述的至少一个实施方案提供一种能量回收和再生系统，所述系统被配置以在没有任何大的旋转部件和/或复杂的移动部件的情况下利用/回收飞机中存在的能量并转换能量。能量回收和再生系统包括ERM，所述ERM被配置以在不使用大的和/或复杂的移动部件的情况下利用/回收飞机的一个或多个系统丢失的能量，并再生可被存储在能量存储模块中且/或用以供能一个或多个电气子系统的能量。0042虽然已参考一个或多个示例性实施方案描述了本发明，但是本领。
33、域技术人员应理解，可在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变化且可用元件的等效物来取代所述元件。另外，可进行许多修改，以使特定情况或材料适合本发明的教导而不脱离其基本范围。因此，其意图是，本发明并不限于被公开作为设想用于执行本发明的最佳模式的特定实施方案，相反，本发明将包括落入权利要求范围内的所有实施方案。说明书CN104242733A1/10页9图1A说明书附图CN104242733A2/10页10图1B说明书附图CN104242733A103/10页11图2说明书附图CN104242733A114/10页12图3图4A说明书附图CN104242733A125/10页13图4B说明书附图CN104242733A136/10页14图5说明书附图CN104242733A147/10页15图6图7说明书附图CN104242733A158/10页16图8说明书附图CN104242733A169/10页17图9图10A图10B说明书附图CN104242733A1710/10页18图10C说明书附图CN104242733A18。