Ponudba trajnostnih virov električne energije je eden najpomembnejših izzivov tega stoletja. Raziskovalna področja materialov za pridobivanje energije izhajajo iz te motivacije, vključno s termoelektriko1, fotovoltaiko2 in termofotovoltaiko3. Čeprav nimamo materialov in naprav, ki bi lahko zbirali energijo v območju Joulov, piroelektrični materiali, ki lahko pretvorijo električno energijo v periodične temperaturne spremembe, veljajo za senzorje4 in zbiralnike energije5,6,7. Tu smo razvili makroskopski zbiralnik toplotne energije v obliki večplastnega kondenzatorja iz 42 gramov svinčevega skandijevega tantalata, ki proizvede 11,2 J električne energije na termodinamični cikel. Vsak piroelektrični modul lahko ustvari gostoto električne energije do 4,43 J cm-3 na cikel. Pokazali smo tudi, da sta dva takšna modula s težo 0,3 g dovolj za neprekinjeno napajanje avtonomnih zbiralnikov energije z vgrajenimi mikrokontrolerji in temperaturnimi senzorji. Na koncu pokažemo, da lahko ti večplastni kondenzatorji za temperaturno območje 10 K dosežejo 40-odstotno Carnotovo učinkovitost. Te lastnosti so posledica (1) feroelektrične fazne spremembe za visoko učinkovitost, (2) nizkega toka uhajanja za preprečevanje izgub in (3) visoke prebojne napetosti. Ti makroskopski, razširljivi in ​​učinkoviti piroelektrični zbiralniki energije na novo predstavljajo proizvodnjo termoelektrične energije.
V primerjavi s prostorskim temperaturnim gradientom, ki je potreben za termoelektrične materiale, pridobivanje energije termoelektričnih materialov zahteva temperaturno kroženje skozi čas. To pomeni termodinamični cikel, ki ga najbolje opiše entropijski (S)-temperaturni (T) diagram. Slika 1a prikazuje tipičen graf ST nelinearnega piroelektričnega (NLP) materiala, ki prikazuje s poljem voden feroelektrični-paraelektrični fazni prehod v skandijevem svinčevem tantalatu (PST). Modri ​​in zeleni odseki cikla na ST diagramu ustrezajo pretvorjeni električni energiji v Olsonovem ciklu (dva izotermna in dva izopolna odseka). Tu upoštevamo dva cikla z enako spremembo električnega polja (vklop in izklop polja) in spremembo temperature ΔT, čeprav z različnimi začetnimi temperaturami. Zeleni cikel se ne nahaja v območju faznega prehoda in ima zato veliko manjšo površino kot modri cikel, ki se nahaja v območju faznega prehoda. V diagramu ST je večja kot je površina, večja je zbrana energija. Zato mora fazni prehod zbrati več energije. Potreba po kroženju velikih površin v NLP je zelo podobna potrebi po elektrotermičnih aplikacijah9, 10, 11, 12, kjer so večplastni kondenzatorji PST (MLC) in terpolimeri na osnovi PVDF nedavno pokazali odlično obratno delovanje. stanje delovanja hlajenja v ciklu 13,14,15,16. Zato smo identificirali PST MLC, ki so zanimivi za pridobivanje toplotne energije. Ti vzorci so bili v celoti opisani v metodah in označeni v dodatnih opombah 1 (vrstična elektronska mikroskopija), 2 (rentgenska difrakcija) in 3 (kalorimetrija).
a, Skica grafa entropija (S)-temperatura (T) z vklopom in izklopom električnega polja, ki se uporablja za materiale NLP, ki prikazujejo fazne prehode. Dva cikla zbiranja energije sta prikazana v dveh različnih temperaturnih conah. Modri ​​in zeleni cikli se pojavljajo znotraj oziroma zunaj faznega prehoda in se končajo v zelo različnih predelih površine. b, dva unipolarna obroča DE PST MLC, debeline 1 mm, izmerjena med 0 in 155 kV cm-1 pri 20 °C oziroma 90 °C, in ustrezni Olsenovi cikli. Črke ABCD se nanašajo na različna stanja v Olsonovem ciklu. AB: MLC so bili napolnjeni do 155 kV cm-1 pri 20 °C. BC: MLC smo vzdrževali pri 155 kV cm-1 in temperaturo dvignili na 90 °C. CD: MLC se razelektri pri 90°C. DA: MLC ohlajen na 20 °C v ničelnem polju. Modro območje ustreza vhodni moči, potrebni za začetek cikla. Oranžno območje je energija, zbrana v enem ciklu. c, zgornja plošča, napetost (črna) in tok (rdeča) v odvisnosti od časa, sledeno med istim Olsonovim ciklom kot b. Oba vložka predstavljata ojačanje napetosti in toka na ključnih točkah v ciklu. Na spodnji plošči rumena in zelena krivulja predstavljata ustrezni krivulji temperature oziroma energije za MLC debeline 1 mm. Energija se izračuna iz krivulj toka in napetosti na zgornji plošči. Negativna energija ustreza zbrani energiji. Koraki, ki ustrezajo velikim črkam v štirih številkah, so enaki kot v Olsonovem ciklu. Cikel AB'CD ustreza Stirlingovemu ciklu (dodatna opomba 7).
kjer sta E in D električno polje oziroma polje električnega odmika. Nd je mogoče pridobiti posredno iz vezja DE (slika 1b) ali neposredno z zagonom termodinamičnega cikla. Najbolj uporabne metode je opisal Olsen v svojem pionirskem delu zbiranja piroelektrične energije v osemdesetih letih prejšnjega stoletja17.
Na sl. Slika 1b prikazuje dve monopolarni zanki DE 1 mm debelih vzorcev PST-MLC, sestavljenih pri 20 °C oziroma 90 °C, v območju od 0 do 155 kV cm-1 (600 V). Ta dva cikla se lahko uporabita za posreden izračun energije, ki jo zbere Olsonov cikel, prikazan na sliki 1a. Pravzaprav je Olsenov cikel sestavljen iz dveh izopoljskih vej (tukaj ničelno polje v DA veji in 155 kV cm-1 v BC veji) in dveh izotermičnih vej (tukaj 20°С in 20°С v AB veji) . C v veji CD) Energija, zbrana med ciklom, ustreza oranžni in modri regiji (EdD integral). Zbrana energija Nd je razlika med vhodno in izhodno energijo, tj. samo oranžno območje na sl. 1b. Ta poseben Olsonov cikel daje energijsko gostoto Nd 1,78 J cm-3. Stirlingov cikel je alternativa Olsonovemu ciklu (dodatna opomba 7). Ker je stopnja konstantnega naboja (odprto vezje) lažje dosežena, energijska gostota, pridobljena iz slike 1b (cikel AB'CD), doseže 1,25 J cm-3. To je le 70 % tistega, kar lahko zbere Olsonov cikel, vendar to zmore preprosta žetvena oprema.
Poleg tega smo neposredno izmerili energijo, zbrano med Olsonovim ciklom, tako da smo napajali PST MLC z uporabo stopnje nadzora temperature Linkam in merilnika vira (metoda). Slika 1c na vrhu in v ustreznih vstavkih prikazuje tok (rdeča) in napetost (črna), zbrana na istem 1 mm debelem PST MLC kot za zanko DE, ki gre skozi isti Olsonov cikel. Tok in napetost omogočata izračun zbrane energije, krivulje pa so prikazane na sl. 1c, dno (zeleno) in temperatura (rumena) v celotnem ciklu. Črke ABCD predstavljajo isti Olsonov cikel na sliki 1. Polnjenje MLC se pojavi med krakom AB in se izvaja pri nizkem toku (200 µA), tako da lahko SourceMeter pravilno nadzoruje polnjenje. Posledica tega konstantnega začetnega toka je, da krivulja napetosti (črna krivulja) ni linearna zaradi nelinearnega polja potencialnega premika D PST (slika 1c, zgornji vstavek). Ob koncu polnjenja je v MLC (točka B) shranjenih 30 mJ električne energije. MLC se nato segreje in nastane negativni tok (in s tem negativni tok), medtem ko napetost ostane pri 600 V. Po 40 sekundah, ko je temperatura dosegla plato 90 °C, je bil ta tok kompenziran, čeprav je stopenjski vzorec je med tem izopoljem v tokokrogu proizvedel električno moč 35 mJ (drugi vstavek na sliki 1c, zgoraj). Napetost na MLC (branch CD) se nato zmanjša, kar povzroči dodatnih 60 mJ električnega dela. Skupna izhodna energija je 95 mJ. Zbrana energija je razlika med vhodno in izhodno energijo, ki daje 95 – 30 = 65 mJ. To ustreza energijski gostoti 1,84 J cm-3, kar je zelo blizu Nd, ekstrahiranega iz obroča DE. Ponovljivost tega Olsonovega cikla je bila obsežno testirana (dodatna opomba 4). Z nadaljnjim povečevanjem napetosti in temperature smo dosegli 4,43 J cm-3 z uporabo Olsenovih ciklov v 0,5 mm debelem PST MLC v temperaturnem območju 750 V (195 kV cm-1) in 175 °C (dodatna opomba 5). To je štirikrat večje od najboljše učinkovitosti, navedene v literaturi za direktne Olsonove cikle in je bilo pridobljeno na tankih plasteh Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Dodatni Tabela 1 za več vrednosti v literaturi). Ta zmogljivost je bila dosežena zaradi zelo nizkega toka uhajanja teh MLC (<10–7 A pri 750 V in 180 °C, glej podrobnosti v Dodatni opombi 6) – ključna točka, ki so jo omenili Smith et al.19 – v nasprotju s tem na materiale, uporabljene v prejšnjih študijah17,20. Ta zmogljivost je bila dosežena zaradi zelo nizkega toka uhajanja teh MLC (<10–7 A pri 750 V in 180 °C, glej podrobnosti v Dodatni opombi 6) – ključna točka, ki so jo omenili Smith et al.19 – v nasprotju s tem na materiale, uporabljene v prejšnjih študijah17,20. Te lastnosti so bile dosežene zahvaljujoč zelo nizkemu toku teh MLC (<10–7 A pri 750 °C in 180 °C, glej podrobnosti v dodatnih navedbah 6) — kritični moment, omenjeni Smitom in dr. 19 — z razliko od materialov, uporabljenih v več zgodnjih raziskavah17,20. Te značilnosti so bile dosežene zaradi zelo nizkega toka uhajanja teh MLC (<10–7 A pri 750 V in 180 °C, za podrobnosti glejte dodatno opombo 6) – kritična točka, ki so jo omenili Smith et al. 19 – v nasprotju z materiali, uporabljenimi v prejšnjih študijah 17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明6 中的详细信息）——Smith等人19 提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 °C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细 信息） ）））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20。 Skoraj tok utečk teh MLC je zelo nizek (<10–7 A pri 750 V in 180 °C, glej podrobnosti v dodatnih navedbah 6) — ključni moment, omenjenыj Smitom in dr. 19 — za uskladitev, so bile te lastnosti dosežene. Ker je tok uhajanja teh MLC zelo nizek (<10–7 A pri 750 V in 180 °C, za podrobnosti glejte dodatno opombo 6) – ključna točka, ki so jo omenili Smith et al. 19 – za primerjavo, te predstave so bile dosežene.na materiale, uporabljene v prejšnjih študijah 17,20.
Isti pogoji (600 V, 20–90 °C) so veljali za Stirlingov cikel (dodatna opomba 7). Kot je bilo pričakovano glede na rezultate cikla DE, je bil izkoristek 41,0 mJ. Ena najbolj presenetljivih lastnosti Stirlingovih ciklov je njihova sposobnost ojačanja začetne napetosti s termoelektričnim učinkom. Opazili smo povečanje napetosti do 39 (od začetne napetosti 15 V do končne napetosti do 590 V, glejte dodatno sliko 7.2).
Druga značilnost teh MLC je, da so makroskopski objekti, ki so dovolj veliki, da zbirajo energijo v območju joulov. Zato smo izdelali prototip žetvenega stroja (HARV1) z uporabo 28 MLC PST debeline 1 mm, po isti zasnovi vzporedne plošče, ki so jo opisali Torello et al.14, v matriki 7 × 4, kot je prikazano na sliki. Dielektrična tekočina za prenos toplote v razdelilnik se premakne s peristaltično črpalko med dvema rezervoarjema, kjer se temperatura tekočine ohranja konstantna (metoda). Zberite do 3,1 J z Olsonovim ciklom, opisanim na sl. 2a, izotermna območja pri 10 °C in 125 °C ter območja izopolja pri 0 in 750 V (195 kV cm-1). To ustreza energijski gostoti 3,14 J cm-3. Z uporabo te kombinacije so bile opravljene meritve pod različnimi pogoji (slika 2b). Upoštevajte, da je bilo pridobljenih 1,8 J v temperaturnem območju 80 °C in napetosti 600 V (155 kV cm-1). To se dobro ujema s prej omenjenimi 65 mJ za 1 mm debel PST MLC pod enakimi pogoji (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentalna postavitev sestavljenega prototipa HARV1, ki temelji na 28 MLC PST debelih 1 mm (4 vrstice × 7 stolpcev), ki delujejo na Olsonovih ciklih. Za vsakega od štirih korakov cikla sta v prototipu podani temperatura in napetost. Računalnik poganja peristaltično črpalko, ki kroži dielektrično tekočino med hladnim in vročim rezervoarjem, dvema ventiloma in virom energije. Računalnik uporablja tudi termočlene za zbiranje podatkov o napetosti in toku, ki se napajata v prototip, ter temperaturi kombajna iz napajalnika. b, Energija (barva), zbrana z našim prototipom 4×7 MLC v primerjavi s temperaturnim območjem (X-os) in napetostjo (Y-os) v različnih poskusih.
Večja različica harvesterja (HARV2) s 60 PST MLC debeline 1 mm in 160 PST MLC debeline 0,5 mm (41,7 g aktivnega piroelektričnega materiala) je dala 11,2 J (dodatna opomba 8). Leta 1984 je Olsen izdelal zbiralnik energije na osnovi 317 g s kositrom dopirane spojine Pb(Zr,Ti)O3, ki je lahko proizvedla 6,23 J električne energije pri temperaturi približno 150 °C (ref. 21). Za ta kombajn je to edina druga vrednost, ki je na voljo v območju joulov. Dobil je nekaj več kot polovico vrednosti, ki smo jo dosegli, in skoraj sedemkrat večjo kakovost. To pomeni, da je gostota energije HARV2 13-krat večja.
Obdobje cikla HARV1 je 57 sekund. To je proizvedlo 54 mW moči s 4 vrsticami po 7 stolpcev 1 mm debelih kompletov MLC. Da bi naredili korak naprej, smo izdelali tretji kombajn (HARV3) z 0,5 mm debelim PST MLC in podobno nastavitvijo kot HARV1 in HARV2 (dodatna opomba 9). Izmerili smo čas termalizacije 12,5 sekunde. To ustreza času cikla 25 s (dodatna slika 9). Zbrana energija (47 mJ) daje električno moč 1,95 mW na MLC, kar nam omogoča, da si predstavljamo, da HARV2 proizvede 0,55 W (približno 1,95 mW × 280 PST MLC debeline 0,5 mm). Poleg tega smo simulirali prenos toplote z uporabo simulacije končnih elementov (COMSOL, dodatna opomba 10 in dodatne tabele 2–4), ki ustreza eksperimentom HARV1. Modeliranje s končnimi elementi je omogočilo napovedovanje vrednosti moči skoraj za red velikosti višje (430 mW) za enako število stolpcev PST z redčenjem MLC na 0,2 mm, uporabo vode kot hladilne tekočine in obnovitvijo matrike na 7 vrstic . × 4 stolpci (poleg , je bilo 960 mW, ko je bil rezervoar poleg kombajna, dopolnilna slika 10b).
Za prikaz uporabnosti tega kolektorja je bil za samostojni demonstrator uporabljen Stirlingov cikel, sestavljen iz samo dveh 0,5 mm debelih PST MLC kot toplotnih zbiralnikov, visokonapetostnega stikala, nizkonapetostnega stikala s shranjevalnim kondenzatorjem, pretvornika DC/DC , mikrokrmilnik majhne moči, dva termočlena in ojačevalni pretvornik (dodatna opomba 11). Vezje zahteva, da se kondenzator za shranjevanje na začetku napolni pri 9 V in nato deluje avtonomno, medtem ko se temperatura obeh MLC giblje od -5 °C do 85 °C, tukaj v ciklih po 160 s (več ciklov je prikazanih v dodatni opombi 11) . Zanimivo je, da lahko dva MLC, ki tehtata le 0,3 g, avtonomno nadzorujeta ta velik sistem. Druga zanimiva značilnost je, da je nizkonapetostni pretvornik sposoben pretvoriti 400 V v 10-15 V z 79-odstotno učinkovitostjo (dodatna opomba 11 in dodatna slika 11.3).
Nazadnje smo ocenili učinkovitost teh modulov MLC pri pretvarjanju toplotne energije v električno. Faktor kakovosti η učinkovitosti je opredeljen kot razmerje med gostoto zbrane električne energije Nd in gostoto dovedene toplote Qin (dodatna opomba 12):
Sliki 3a,b prikazujeta učinkovitost η oziroma sorazmerno učinkovitost ηr Olsenovega cikla kot funkcijo temperaturnega območja 0,5 mm debelega PST MLC. Oba niza podatkov sta podana za električno polje 195 kV cm-1. Učinkovitost \(\this\) doseže 1,43 %, kar je enako 18 % ηr. Vendar pa za temperaturno območje 10 K od 25 °C do 35 °C doseže ηr vrednosti do 40 % (modra krivulja na sliki 3b). To je dvakratna znana vrednost za materiale NLP, zabeležene v filmih PMN-PT (ηr = 19 %) v temperaturnem območju 10 K in 300 kV cm-1 (Ref. 18). Temperaturna območja pod 10 K niso bila upoštevana, ker je toplotna histereza PST MLC med 5 in 8 K. Prepoznavanje pozitivnega učinka faznih prehodov na učinkovitost je ključnega pomena. Pravzaprav so skoraj vse optimalne vrednosti η in ηr dosežene pri začetni temperaturi Ti = 25 °C na sl. 3a,b. To je posledica tesnega faznega prehoda, ko ni uporabljenega polja in je Curiejeva temperatura TC okoli 20 °C v teh MLC (dodatna opomba 13).
a,b, učinkovitost η in proporcionalna učinkovitost Olsonovega cikla (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } za največjo električno s poljem 195 kV cm-1 in različnimi začetnimi temperaturami Ti, }}\,\)(b) za MPC PST debeline 0,5 mm, odvisno od temperaturnega intervala ΔTspan.
Slednja ugotovitev ima dve pomembni posledici: (1) kakršno koli učinkovito kroženje se mora začeti pri temperaturah nad TC, da pride do s poljem povzročenega faznega prehoda (iz paraelektričnega v feroelektrični); (2) ti materiali so učinkovitejši pri časih delovanja blizu TC. Čeprav so v naših poskusih prikazani obsežni izkoristki, nam omejeno temperaturno območje ne omogoča doseganja velikih absolutnih izkoristkov zaradi Carnotove meje (\(\Delta T/T\)). Vendar odlična učinkovitost, ki jo izkazujejo ti PST MLC, opravičuje Olsena, ko omenja, da ima "idealni regenerativni termoelektrični motor razreda 20, ki deluje pri temperaturah med 50 °C in 250 °C, lahko učinkovitost 30 %"17. Da bi dosegli te vrednosti in preizkusili koncept, bi bilo koristno uporabiti dopirane PST z različnimi TC, kot sta preučevala Shebanov in Borman. Pokazali so, da se lahko TC v PST spreminja od 3 °C (dopiranje s Sb) do 33 °C (dopiranje s Ti) 22. Zato domnevamo, da lahko naslednja generacija piroelektričnih regeneratorjev, ki temeljijo na dopiranih PST MLC ali drugih materialih z močnim faznim prehodom prvega reda, tekmuje z najboljšimi električnimi kombajni.
V tej študiji smo raziskovali MLC, izdelane iz PST. Te naprave so sestavljene iz serije Pt in PST elektrod, pri čemer je več kondenzatorjev povezanih vzporedno. PST je bil izbran, ker je odličen EC material in zato potencialno odličen NLP material. Kaže oster feroelektrični-paraelektrični fazni prehod prvega reda okoli 20 °C, kar kaže, da so njegove entropijske spremembe podobne tistim, prikazanim na sliki 1. Podobni MLC so bili v celoti opisani za naprave EC13,14. V tej študiji smo uporabili MLC 10,4 × 7,2 × 1 mm³ in 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC z debelino 1 mm in 0, 5 mm so bili izdelani iz 19 oziroma 9 plasti PST z debelino 38, 6 µm. V obeh primerih je bila notranja plast PST nameščena med 2,05 µm debele platinske elektrode. Zasnova teh MLC predpostavlja, da je aktivnih 55 % PST, kar ustreza delu med elektrodama (dodatna opomba 1). Površina aktivne elektrode je bila 48,7 mm2 (dodatna tabela 5). MLC PST je bil pripravljen z reakcijo trdne faze in metodo ulivanja. Podrobnosti postopka priprave so bile opisane v prejšnjem članku14. Ena od razlik med PST MLC in prejšnjim člankom je vrstni red mest B, ki močno vpliva na delovanje EC v PST. Vrstni red B-mest PST MLC je 0,75 (dodatna opomba 2), pridobljen s sintranjem pri 1400 °C, ki mu sledi na stotine ur dolgim ​​žarjenjem pri 1000 °C. Za več informacij o PST MLC glejte dodatne opombe 1–3 in dodatno tabelo 5.
Glavni koncept te študije temelji na Olsonovem ciklu (slika 1). Za tak cikel potrebujemo vroč in hladen rezervoar ter napajalnik, ki je sposoben spremljati in krmiliti napetost in tok v različnih modulih MLC. Ti neposredni cikli so uporabljali dve različni konfiguraciji, in sicer (1) module Linkam, ki so ogrevali in hlaili en MLC, povezan z virom energije Keithley 2410, in (2) tri prototipe (HARV1, HARV2 in HARV3) vzporedno z isto energijo vira. V slednjem primeru je bila za izmenjavo toplote med dvema rezervoarjema (vročim in hladnim) in MLC uporabljena dielektrična tekočina (silikonsko olje z viskoznostjo 5 cP pri 25 °C, kupljeno pri Sigma Aldrich). Termalni rezervoar je sestavljen iz steklene posode, napolnjene z dielektrično tekočino in nameščene na vrhu toplotne plošče. Hladilnica je sestavljena iz vodne kopeli s cevmi za tekočino, ki vsebujejo dielektrično tekočino v veliki plastični posodi, napolnjeni z vodo in ledom. Dva tripotna ščipalna ventila (kupljena pri Bio-Chem Fluidics) sta bila nameščena na vsakem koncu kombajna za pravilno preklop tekočine iz enega rezervoarja v drugega (slika 2a). Da bi zagotovili toplotno ravnovesje med paketom PST-MLC in hladilno tekočino, je bilo obdobje cikla podaljšano, dokler vstopni in izstopni termoelementi (čim bližje paketu PST-MLC) ne pokažejo enake temperature. Skript Python upravlja in sinhronizira vse instrumente (merilnike vira, črpalke, ventile in termočlene), da izvajajo pravilen Olsonov cikel, tj. zanka hladilne tekočine začne krožiti skozi sklad PST, potem ko je merilnik vira napolnjen, tako da se segrejejo na želeno uporabljena napetost za dani Olsonov cikel.
Alternativno smo te neposredne meritve zbrane energije potrdili s posrednimi metodami. Te posredne metode temeljijo na poljskih zankah električni premik (D) – električno polje (E), zbranih pri različnih temperaturah, in z izračunom površine med dvema zankama DE je mogoče natančno oceniti, koliko energije je mogoče zbrati, kot je prikazano na sliki . na sliki 2. .1b. Te zanke DE se zbirajo tudi z merilniki izvora Keithley.
Osemindvajset 1 mm debelih PST MLC je bilo sestavljenih v strukturo vzporednih plošč s 4 vrsticami in 7 stolpci v skladu z zasnovo, opisano v referenci. 14. Tekočinska reža med vrsticami PST-MLC je 0,75 mm. To dosežete z dodajanjem trakov dvostranskega lepilnega traku kot tekočih distančnikov okoli robov PST MLC. PST MLC je električno povezan vzporedno s srebrnim epoksidnim mostičkom v stiku z vodniki elektrode. Po tem so bile žice prilepljene s srebrno epoksidno smolo na vsako stran priključkov elektrod za povezavo z napajalnikom. Na koncu vstavite celotno strukturo v poliolefinsko cev. Slednji je prilepljen na cev za tekočino, da se zagotovi pravilno tesnjenje. Na koncu so bili v vsak konec strukture PST-MLC vgrajeni 0,25 mm debeli termočleni K-tipa za spremljanje vstopne in izstopne temperature tekočine. Da bi to naredili, je treba cev najprej perforirati. Po namestitvi termočlena med cev termočlena in žico nanesite isto lepilo kot prej, da obnovite tesnjenje.
Izdelanih je bilo osem ločenih prototipov, od katerih so štirje imeli 40 0,5 mm debelih MLC PST, porazdeljenih kot vzporedne plošče s 5 stolpci in 8 vrsticami, preostali štirje pa so imeli po 15 1 mm debelih MLC PST. v strukturi vzporednih plošč s 3 stolpci × 5 vrsticami. Skupno število uporabljenih PST MLC je bilo 220 (160 debeline 0,5 mm in 60 PST MLC debeline 1 mm). Ti dve podenoti imenujemo HARV2_160 in HARV2_60. Tekočinska reža v prototipu HARV2_160 je sestavljena iz dveh dvostranskih trakov debeline 0,25 mm z žico debeline 0,25 mm med njima. Za prototip HARV2_60 smo ponovili enak postopek, vendar z žico debeline 0,38 mm. Zaradi simetrije imata HARV2_160 in HARV2_60 svoja tekočinska vezja, črpalke, ventile in hladno stran (dodatna opomba 8). Dve enoti HARV2 si delita toplotni rezervoar, 3-litrsko posodo (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dveh grelnih ploščah z vrtečimi se magneti. Vseh osem posameznih prototipov je električno povezanih vzporedno. Podenoti HARV2_160 in HARV2_60 delujeta istočasno v Olsonovem ciklu, kar povzroči pridobivanje energije 11,2 J.
PST MLC debeline 0,5 mm položite v poliolefinsko cev z dvostranskim lepilnim trakom in žico na obeh straneh, da ustvarite prostor za pretok tekočine. Zaradi svoje majhnosti je bil prototip postavljen poleg ventila toplega ali hladnega rezervoarja, kar je zmanjšalo čas cikla.
V PST MLC se konstantno električno polje uporablja z uporabo konstantne napetosti na grelni veji. Posledično nastane negativni toplotni tok in energija se shrani. Po segrevanju PST MLC se polje odstrani (V = 0), v njem shranjena energija pa se vrne nazaj v števec izvora, kar ustreza še enemu prispevku zbrane energije. Končno se z napetostjo V = 0 MLC PST ohladijo na svojo začetno temperaturo, tako da se lahko cikel znova začne. Na tej stopnji se energija ne zbira. Olsenov cikel smo zagnali z uporabo Keithley 2410 SourceMeter, pri čemer smo PST MLC polnili iz napetostnega vira in nastavili ujemanje toka na ustrezno vrednost, tako da je bilo med fazo polnjenja zbranih dovolj točk za zanesljive izračune energije.
V Stirlingovih ciklih so bili PST MLC napolnjeni v načinu izvora napetosti pri začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost Vi > 0), želenem kompliančnem toku, tako da korak polnjenja traja približno 1 s (in zbere se dovolj točk za zanesljiv izračun energija) in nizka temperatura. V Stirlingovih ciklih so bili PST MLC napolnjeni v načinu izvora napetosti pri začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost Vi > 0), želenem kompliančnem toku, tako da korak polnjenja traja približno 1 s (in zbere se dovolj točk za zanesljiv izračun energija) in nizka temperatura. V ciklih Stirlinga PST MLC so se zavarovale v načinu izhodne napetosti pri začetni vrednosti električnega polja (načalna napetost Vi > 0), želenem dodatnem toku, tako da stopnja polnjenja traja približno 1 sekundo (in se izbere dovolj časa za zanesljiv izračun energije) in hladna temperatura. V ciklih Stirling PST MLC so bili napolnjeni v načinu izvora napetosti pri začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost Vi > 0), želenem toku izkoristka, tako da faza polnjenja traja približno 1 s (in zadostno število točk se zbere za zanesljiv izračun energije) in hladne temperature.在斯特林循环中， PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）充电，所需的顺应电流使得充电步骤大约需要1 秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 V glavnem ciklu se PST MLC napolni pri začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost Vi > 0) v načinu vira napetosti, tako da zahtevani tok skladnosti traja približno 1 sekundo za korak polnjenja (in zbrali smo dovolj točk, da zanesljivo izračuna (energijo) in nizko temperaturo. V ciklu Stirlinga PST MLC se napaja v načinu izhodne napetosti z začetno vrednostjo električnega polja (načalna napetost Vi > 0), zahtevan tok podatljivosti tako, da stopnja polnjenja traja približno 1 s (i nabere se dovolj toliko časa, da se zanesljivo razbremeni energija) in nizka temperatura . V Stirlingovem ciklu se PST MLC polni v načinu vira napetosti z začetno vrednostjo električnega polja (začetna napetost Vi > 0), zahtevani skladnostni tok je tak, da stopnja polnjenja traja približno 1 s (in zadostno število točk se zbere za zanesljiv izračun energije) in nizke temperature.Preden se PST MLC segreje, odprite vezje z uporabo ujemajočega toka I = 0 mA (najmanjši ujemajoči tok, ki ga lahko prenese naš merilni vir, je 10 nA). Posledično ostane naboj v PST MJK, napetost pa se poveča, ko se vzorec segreje. V kraku BC se ne zbira energija, ker je I = 0 mA. Po doseganju visoke temperature se napetost v MLT FT poveča (v nekaterih primerih več kot 30-krat, glej dodatno sliko 7.2), MLK FT se izprazni (V = 0), električna energija pa se v njih shrani za enako saj so začetna obremenitev. Ista trenutna korespondenca se vrne viru števca. Zaradi povečanja napetosti je shranjena energija pri visoki temperaturi višja od tiste, ki je bila zagotovljena na začetku cikla. Posledično se energija pridobiva s pretvorbo toplote v električno energijo.
Uporabili smo Keithley 2410 SourceMeter za spremljanje napetosti in toka, uporabljenega v PST MLC. Ustrezna energija se izračuna z integracijo produkta napetosti in toka, ki ga odčita Keithleyjev merilnik vira, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ levo(t\ desno){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), kjer je τ perioda obdobja. Na naši energijski krivulji pozitivne energijske vrednosti pomenijo energijo, ki jo moramo dati MLC PST, negativne vrednosti pa pomenijo energijo, ki jo pridobimo iz njih in s tem prejeto energijo. Relativna moč za dani zbiralni cikel se določi tako, da se zbrana energija deli s periodo τ celotnega cikla.
Vsi podatki so predstavljeni v glavnem besedilu ali v dodatnih informacijah. Pisma in zahteve za gradivo je treba nasloviti na vir podatkov AT ali ED, ki so navedeni v tem članku.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Pregled razvoja in uporabe termoelektričnih mikrogeneratorjev za pridobivanje energije. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Pregled razvoja in uporabe termoelektričnih mikrogeneratorjev za pridobivanje energije.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO in Henao, NC Pregled razvoja in uporabe termoelektričnih mikrogeneratorjev za pridobivanje energije. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO, in Henao, NC razmišljajo o razvoju in uporabi termoelektričnih mikrogeneratorjev za pridobivanje energije.življenjepis. podporo. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaični materiali: sedanja učinkovitost in prihodnji izzivi. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaični materiali: sedanja učinkovitost in prihodnji izzivi.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. in Sinke, VK Fotovoltaični materiali: trenutna učinkovitost in prihodnji izzivi. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Sončni materiali: trenutna učinkovitost in prihodnji izzivi.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. in Sinke, VK Fotovoltaični materiali: trenutna učinkovitost in prihodnji izzivi.Znanost 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Povezani piro-piezoelektrični učinek za hkratno zaznavanje temperature in tlaka z lastnim napajanjem. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunktivni piro-piezoelektrični učinek za samonapajajoče se sočasno zaznavanje temperature in tlaka.Song K., Zhao R., Wang ZL in Yan Yu. Kombinirani piropiezoelektrični učinek za avtonomno sočasno merjenje temperature in tlaka. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Za samonapajanje hkrati s temperaturo in tlakom.Song K., Zhao R., Wang ZL in Yan Yu. Kombinirani termopiezoelektrični učinek za avtonomno sočasno merjenje temperature in tlaka.Naprej. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Zbiranje energije na podlagi Ericssonovih piroelektričnih ciklov v relaksorski feroelektrični keramiki. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Zbiranje energije na podlagi Ericssonovih piroelektričnih ciklov v relaksorski feroelektrični keramiki.Sebald G., Prouvost S. in Guyomar D. Zbiranje energije na podlagi piroelektričnih Ericssonovih ciklov v relaksorski feroelektrični keramiki.Sebald G., Prouvost S. in Guyomar D. Zbiranje energije v relaksorski feroelektrični keramiki na podlagi Ericssonovega piroelektričnega kroženja. Pametna alma mater. struktura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali naslednje generacije za medsebojno pretvorbo elektrotermalne energije v trdnem stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali naslednje generacije za medsebojno pretvorbo elektrotermalne energije v trdnem stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali, ki sledijo za vzajemno pretvorbo trdne elektrotermične energije. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali naslednje generacije za medsebojno pretvorbo elektrotermalne energije v trdnem stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali, ki sledijo za vzajemno pretvorbo trdne elektrotermične energije. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali naslednje generacije za medsebojno pretvorbo elektrotermalne energije v trdnem stanju.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard in vrednost zaslug za kvantificiranje učinkovitosti piroelektričnih nanogeneratorjev. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard in vrednost zaslug za kvantificiranje učinkovitosti piroelektričnih nanogeneratorjev.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Yu. Standard in rezultat kakovosti za količinsko opredelitev učinkovitosti piroelektričnih nanogeneratorjev. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Yu. Kriteriji in merila učinkovitosti za kvantificiranje učinkovitosti piroelektričnega nanogeneratorja.Nano energija 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični hladilni cikli v svinčevem skandijevem tantalatu s pravo regeneracijo prek variacije polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični hladilni cikli v svinčevem skandijevem tantalatu s pravo regeneracijo prek variacije polja.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. in Mathur, ND Elektrokalorični hladilni cikli v svinčevo-skandijevem tantalatu s pravo regeneracijo s pomočjo modifikacije polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环，通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantal酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. in Mathur, ND. Elektrotermični hladilni cikel skandij-svinčevega tantalata za resnično regeneracijo z obračanjem polja.fizika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorični materiali blizu feroičnih faznih prehodov. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorični materiali blizu feroičnih faznih prehodov.Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, ND Kalorični materiali blizu feroidnih faznih prehodov. Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Toplotni materiali v bližini črne metalurgije.Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, ND Toplotni materiali blizu faznih prehodov železa.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kalorični materiali za hlajenje in ogrevanje. Moya, X. & Mathur, ND Kalorični materiali za hlajenje in ogrevanje.Moya, X. in Mathur, ND Toplotni materiali za hlajenje in ogrevanje. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Toplotni materiali za hlajenje in ogrevanje.Moya X. in Mathur ND Toplotni materiali za hlajenje in ogrevanje.Znanost 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorični hladilniki: pregled. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorični hladilniki: pregled.Torello, A. in Defay, E. Elektrokalorični hladilniki: pregled. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. in Defay, E. Elektrotermični hladilniki: pregled.Napredno. elektronski. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Ogromna energetska učinkovitost elektrokaloričnega materiala v visoko urejenem skandiju-skandij-svincu. Narodna komunikacija. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Elektrotermični učinek oksidnih večplastnih kondenzatorjev je velik v širokem temperaturnem območju. Narava 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Ogromno temperaturno območje v elektrotermičnih regeneratorjih. Znanost 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Visokozmogljiv polprevodniški elektrotermični hladilni sistem. Znanost 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadna elektrotermična hladilna naprava za velik dvig temperature. Nacionalna energija 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Visoko učinkovita neposredna pretvorba toplote v električno energijo, povezane s piroelektričnimi meritvami. Olsen, RB & Brown, DD Visoko učinkovita neposredna pretvorba toplote v piroelektrične meritve, povezane z električno energijo.Olsen, RB in Brown, DD Visoko učinkovita neposredna pretvorba toplote v električno energijo, povezana s piroelektričnimi meritvami. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB in Brown, DD Učinkovita neposredna pretvorba toplote v električno energijo, povezana s piroelektričnimi meritvami.Ferroelektriki 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Gostota energije in moči v tankih relaksorskih feroelektričnih filmih. Nacionalna alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija feroelektričnega faznega prehoda in električnih izgub. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija feroelektričnega faznega prehoda in električnih izgub.Smith, AN in Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: feroelektrični fazni prehod in optimizacija električnih izgub. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN & Hanrahan, BMSmith, AN in Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija feroelektričnih faznih prehodov in električnih izgub.J. Aplikacija. fizika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Uporaba feroelektričnih materialov za pretvorbo toplotne energije v električno. postopek. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvornik energije. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvornik energije.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM in Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM in Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvorniki moči.Ferroelektriki 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. O trdnih raztopinah svinčevo-skandijevega tantalata z visokim elektrokaloričnim učinkom. Shebanov, L. & Borman, K. O trdnih raztopinah svinčevo-skandijevega tantalata z visokim elektrokaloričnim učinkom.Shebanov L. in Borman K. O trdnih raztopinah svinčevo-skandijevega tantalata z visokim elektrokaloričnim učinkom. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. in Borman K. O trdnih raztopinah skandij-svinec-skandij z visokim elektrokaloričnim učinkom.Feroelektriki 127, 143–148 (1992).
Zahvaljujemo se N. Furusawi, Y. Inoueju in K. Hondi za pomoč pri ustvarjanju MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB in ED Hvala Luksemburški nacionalni raziskovalni fundaciji (FNR) za podporo pri tem delu prek CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay in BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Oddelek za raziskave in tehnologijo materialov, Luksemburški inštitut za tehnologijo (LIST), Belvoir, Luksemburg