Ponudba trajnostnih virov električne energije je eden najpomembnejših izzivov tega stoletja. Raziskovalna področja na področju materialov za pridobivanje energije izhajajo iz te motivacije, vključno s termoelektriko1, fotovoltaiko2 in termofotovoltaiko3. Čeprav nam primanjkuje materialov in naprav, ki bi lahko pridobivale energijo v Joulovem območju, se piroelektrični materiali, ki lahko pretvorijo električno energijo v periodične temperaturne spremembe, štejejo za senzorje4 in zbiralnike energije5,6,7. Tukaj smo razvili makroskopski zbiralnik toplotne energije v obliki večplastnega kondenzatorja, izdelanega 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 taka modula, ki tehtata 0,3 g, dovolj za neprekinjeno napajanje avtonomnih zbiralnikov energije z vgrajenimi mikrokrmilniki in temperaturnimi senzorji. Nazadnje smo pokazali, da lahko ti večplastni kondenzatorji za temperaturno območje 10 K dosežejo 40 % Carnotov izkoristek. Te lastnosti so posledica (1) feroelektrične spremembe faze za visoko učinkovitost, (2) nizkega uhajalnega toka za preprečevanje izgub in (3) visoke prebojne napetosti. Ti makroskopski, prilagodljivi in ​​učinkoviti piroelektrični zbiralniki energije na novo zamišljajo proizvodnjo termoelektrične energije.
V primerjavi s prostorskim temperaturnim gradientom, ki je potreben za termoelektrične materiale, pridobivanje energije termoelektričnih materialov zahteva temperaturno cikliranje skozi čas. To pomeni termodinamični cikel, ki ga najbolje opiše diagram entropije (S)-temperature (T). Slika 1a prikazuje tipičen ST diagram nelinearnega piroelektričnega (NLP) materiala, ki prikazuje fazni prehod feroelektrika-paraelektrika, ki ga poganja polje, v skandijevem svinčevem tantalatu (PST). Modri ​​in zeleni del cikla na ST diagramu ustrezata pretvorjeni električni energiji v Olsonovem ciklu (dva izotermna in dva izopolna dela). Tukaj obravnavamo dva cikla z enako spremembo električnega polja (polje vklopljeno in izklopljeno) 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. Na ST diagramu velja, da večja kot je površina, večja je zbrana energija. Zato mora fazni prehod zbrati več energije. Potreba po cikliranju na velikih površinah 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 učinkovitosti hlajenja v ciklih 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 karakterizirani v dodatnih opombah 1 (vrstična elektronska mikroskopija), 2 (rentgenska difrakcija) in 3 (kalorimetrija).
a, Skica diagrama entropije (S)-temperature (T) z vklopljenim in izklopljenim električnim poljem, apliciranim na NLP materiale, ki prikazuje fazne prehode. Prikazana sta dva cikla zbiranja energije v dveh različnih temperaturnih conah. Modri ​​in zeleni cikel se pojavita znotraj oziroma zunaj faznega prehoda in se končata na zelo različnih območjih površine. b, dva unipolarna obroča DE PST MLC, debela 1 mm, izmerjena med 0 in 155 kV cm-1 pri 20 °C oziroma 90 °C, in ustrezni Olsenovi cikli. Črki ABCD se nanašata na različna stanja v Olsonovem ciklu. AB: MLC-ji so bili napolnjeni do 155 kV cm-1 pri 20 °C. BC: MLC je bil vzdrževan pri 155 kV cm-1 in temperatura je bila zvišana na 90 °C. CD: MLC se prazni pri 90 °C. DA: MLC ohlajen na 20 °C v ničelnem polju. Modro območje ustreza vhodni moči, potrebni za začetek cikla. Oranžno območje predstavlja energijo, zbrano v enem ciklu. c, zgornja plošča, napetost (črna) in tok (rdeča) v odvisnosti od časa, sledeno med istim Olsonovim ciklom kot b. Vstavka predstavljata ojačanje napetosti in toka na ključnih točkah cikla. V spodnji plošči rumena in zelena krivulja predstavljata ustrezni temperaturni oziroma energijski krivulji za 1 mm debel MLC. Energija se izračuna iz krivulj toka in napetosti na zgornji plošči. Negativna energija ustreza zbrani energiji. Koraki, ki ustrezajo velikim črkam na štirih slikah, 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 premika. Nd je mogoče pridobiti posredno iz DE vezja (slika 1b) ali neposredno z zagonom termodinamičnega cikla. Najbolj uporabne metode je opisal Olsen v svojem pionirskem delu o zbiranju piroelektrične energije v osemdesetih letih prejšnjega stoletja17.
Na sliki 1b sta prikazani dve monopolarni DE zanki 1 mm debelih vzorcev PST-MLC, sestavljeni 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, zbrane z Olsonovim ciklom, prikazanim na sliki 1a. Pravzaprav Olsenov cikel sestavljata dve izopoljski vej (tukaj ničelno polje v veji DA in 155 kV cm-1 v veji BC) in dve izotermni veji (tukaj 20 °C in 20 °C v veji AB). C v veji CD) Energija, zbrana med ciklom, ustreza oranžnemu in modremu območju (EdD integral). Zbrana energija Nd je razlika med vhodno in izhodno energijo, tj. le oranžno območje na sliki 1b. Ta Olsonov cikel daje gostoto energije Nd 1,78 J cm-3. Stirlingov cikel je alternativa Olsonovemu ciklu (dodatna opomba 7). Ker je stopnja konstantnega naboja (odprt tokokrog) lažje dosegljiva, gostota energije, izvlečena iz slike 1b (cikel AB'CD), doseže 1,25 J cm-3. To je le 70 % tega, kar lahko zbere Olsonov cikel, vendar to zmore preprosta oprema za zbiranje.
Poleg tega smo neposredno izmerili energijo, zbrano med Olsonovim ciklom, tako da smo z uporabo Linkamove temperaturne stopnje in merilnika vira (metoda) vklopili PST MLC. Slika 1c zgoraj in v ustreznih vstavkih prikazujeta 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 sliki 1c spodaj (zelena) in temperatura (rumena) skozi celoten cikel. Črki ABCD predstavljata isti Olsonov cikel na sliki 1. Polnjenje MLC se zgodi med fazo 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). Na koncu polnjenja se v MLC shrani 30 mJ električne energije (točka B). MLC se nato segreje in ustvari se negativni tok (in s tem negativni tok), medtem ko napetost ostane pri 600 V. Po 40 sekundah, ko je temperatura dosegla plato 90 °C, se je ta tok kompenziral, čeprav je stopničasti vzorec v vezju v tem izopolju ustvaril električno moč 35 mJ (drugi vložek na sliki 1c, zgoraj). Napetost na MLC (veja 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, kar da 95 – 30 = 65 mJ. To ustreza gostoti energije 1,84 J cm-3, kar je zelo blizu Nd, izločenemu iz DE obroča. Ponovljivost tega Olsonovega cikla je bila obsežno preizkušena (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 več od najboljše zmogljivosti, o kateri poročajo v literaturi za direktne Olsonove cikle, in je bila dosežena na tankih filmih Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm-1). Za več vrednosti v literaturi glejte dodatno tabelo 1). Ta zmogljivost je bila dosežena zaradi zelo nizkega uhajalnega toka teh MLC-jev (<10−7 A pri 750 V in 180 °C, glejte podrobnosti v dodatni opombi 6) – ključna točka, ki jo omenjajo Smith in sod.19 – v nasprotju z materiali, uporabljenimi v prejšnjih študijah17,20. Ta zmogljivost je bila dosežena zaradi zelo nizkega uhajalnega toka teh MLC-jev (<10−7 A pri 750 V in 180 °C, glejte podrobnosti v dodatni opombi 6) – ključna točka, ki jo omenjajo Smith in sod.19 – v nasprotju z materiali, uporabljenimi 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 lastnosti so bile dosežene zaradi zelo nizkega uhajalnega toka teh MLC-jev (<10–7 A pri 750 V in 180 °C, za podrobnosti glejte dodatno opombo 6) – kritične točke, ki jo omenjajo Smith in sod. 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 uhajalni tok teh MLC-jev zelo nizek (<10–7 A pri 750 V in 180 °C, za podrobnosti glejte dodatno opombo 6) – ključna točka, ki jo Smith in sod. 19 omenijo za primerjavo – so bile te zmogljivosti dosežene.na materiale, uporabljene v prejšnjih študijah 17,20.
Isti pogoji (600 V, 20–90 °C) so bili uporabljeni za Stirlingov cikel (dodatna opomba 7). Kot je bilo pričakovati glede na rezultate DE cikla, je bil izkoristek 41,0 mJ. Ena najbolj presenetljivih značilnosti Stirlingovih ciklov je njihova sposobnost ojačanja začetne napetosti s termoelektričnim učinkom. Opazili smo napetostni dobiček do 39 (od začetne napetosti 15 V do končne napetosti do 590 V, glej dodatno sliko 7.2).
Druga značilnost teh MLC-jev je, da so makroskopski objekti, ki so dovolj veliki, da zbirajo energijo v joulnem območju. Zato smo izdelali prototipni zbiralnik (HARV1) z uporabo 28 MLC PST debeline 1 mm, po isti zasnovi vzporednih plošč, kot jo opisujejo Torello in sod.14, v matriki 7×4, kot je prikazano na sliki. Dielektrična tekočina, ki prenaša toploto, v razdelilniku se s peristaltično črpalko izpodriva med dvema rezervoarjema, kjer se temperatura tekočine ohranja konstantna (metoda). Z Olsonovim ciklom, opisanim na sliki 2a, zberemo do 3,1 J, izotermna območja pri 10 °C in 125 °C ter izopoljska območja pri 0 in 750 V (195 kV cm-1), zberemo do 3,1 J. To ustreza gostoti energije 3,14 J cm-3. Z uporabo tega kombiniralnika so bile meritve opravljene pod različnimi pogoji (slika 2b). Upoštevajte, da je bilo 1,8 J pridobljenih 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-jih debeline 1 mm (4 vrstice × 7 stolpcev), ki delujejo na Olsonovih ciklih. Za vsak od štirih korakov cikla sta v prototipu podana temperatura in napetost. Računalnik poganja peristaltično črpalko, ki kroži dielektrično tekočino med hladnim in vročim rezervoarjem, dvema ventiloma in virom napajanja. Računalnik uporablja tudi termočlene za zbiranje podatkov o napetosti in toku, ki se dovajata prototipu, ter temperaturi kombajna iz napajalnika. b, Energija (barva), ki jo je zbral naš 4×7 MLC prototip, v primerjavi s temperaturnim območjem (os X) in napetostjo (os Y) v različnih poskusih.
Večja različica žetvenika (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 žetevnik energije na osnovi 317 g s kositrom dopirane spojine Pb(Zr,Ti)O3, ki je sposobna ustvariti 6,23 J električne energije pri temperaturi približno 150 °C (sklic 21). Za ta žetevnik je to edina druga vrednost, ki je na voljo v območju joulov. Dosegel 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.
Cikel HARV1 traja 57 sekund. To je proizvedlo 54 mW moči s 4 vrstami po 7 stolpcev 1 mm debelih kompletov MLC. Da bi šli še korak dlje, smo zgradili tretji kombinirani sistem (HARV3) z 0,5 mm debelim PST MLC in podobno nastavitvijo kot pri 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), kar ustreza poskusom HARV1. Modeliranje končnih elementov je omogočilo napovedovanje vrednosti moči skoraj za velikostni red višjih (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, dodatna slika 10b).
Za demonstracijo uporabnosti tega kolektorja je bil Stirlingov cikel uporabljen na samostojnem demonstratorju, ki je sestavljen iz le dveh 0,5 mm debelih PST MLC-jev kot toplotnih kolektorjev, visokonapetostnega stikala, nizkonapetostnega stikala s shranjevalnim kondenzatorjem, DC/DC pretvornika, mikrokrmilnika z nizko porabo energije, dveh termočlenov in pretvornika za povečanje napetosti (dodatna opomba 11). Vezje zahteva, da se shranjevalni kondenzator sprva napolni pri 9 V, nato pa deluje avtonomno, medtem ko se temperatura obeh MLC-jev giblje od -5 °C do 85 °C, tukaj v ciklih po 160 s (več ciklov je prikazanih v dodatni opombi 11). Presenetljivo je, da lahko dva MLC-ja, ki tehtata le 0,3 g, avtonomno krmilita ta velik sistem. Druga zanimiva lastnost je, da je nizkonapetostni pretvornik sposoben pretvoriti 400 V v 10–15 V z 79-odstotnim izkoristkom (dodatna opomba 11 in dodatna slika 11.3).
Nazadnje smo ocenili učinkovitost teh MLC modulov pri pretvorbi toplotne energije v električno energijo. Faktor kakovosti η učinkovitosti je opredeljen kot razmerje med gostoto zbrane električne energije Nd in gostoto dovedene toplote Qin (dodatna opomba 12):
Sliki 3a in b prikazujeta izkoristek η oziroma proporcionalni izkoristek ηr Olsenovega cikla kot funkcijo temperaturnega območja 0,5 mm debelega PST MLC. Oba nabora podatkov sta podana za električno polje 195 kV cm-1. Izkoristek doseže 1,43 %, kar je enakovredno 18 % ηr. Vendar pa za temperaturno območje 10 K od 25 °C do 35 °C ηr doseže vrednosti do 40 % (modra krivulja na sliki 3b). To je dvakrat večja od znane vrednosti za NLP materiale, zabeležene v PMN-PT filmih (ηr = 19 %) v temperaturnem območju 10 K in 300 kV cm-1 (sklic 18). Temperaturna območja pod 10 K niso bila upoštevana, ker je toplotna histereza PST MLC med 5 in 8 K. Prepoznavanje pozitivnega vpliva faznih prehodov na učinkovitost je ključnega pomena. Pravzaprav so optimalne vrednosti η in ηr skoraj vse pridobljene pri začetni temperaturi Ti = 25 °C na slikah 3a,b. To je posledica tesnega faznega prehoda, ko ni uporabljeno polje, Curiejeva temperatura TC pa je v teh MLC-jih okoli 20 °C (dodatna opomba 13).
a,b, izkoristek η in proporcionalni izkoristek Olsonovega cikla (a)({\eta}_{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{\rm{Carnot}} za maksimalni električni tok s poljem 195 kV cm-1 in različnimi začetnimi temperaturami Ti, }}(b) za MPC PST debeline 0,5 mm, odvisno od temperaturnega intervala ΔTspan.
Slednje opažanje ima dve pomembni posledici: (1) vsako učinkovito cikliranje se mora začeti pri temperaturah nad TC, da pride do faznega prehoda, ki ga povzroči polje (iz paraelektričnega v feroelektrični); (2) ti materiali so učinkovitejši pri časih delovanja blizu TC. Čeprav so v naših poskusih prikazani izkoristki v velikem obsegu, nam omejeno temperaturno območje ne omogoča doseganja velikih absolutnih izkoristkov zaradi Carnotove meje (ΔT/T). Vendar pa odlična učinkovitost, ki so jo pokazali ti PST MLC, upravičuje Olsena, ko omenja, da ima lahko »idealen regenerativni termoelektrični motor razreda 20, ki deluje pri temperaturah med 50 °C in 250 °C, izkoristek 30 %«17. Za dosego teh vrednosti in preizkus koncepta bi bilo koristno uporabiti dopirane PST z različnimi TC, kot sta preučevala Shebanov in Borman. Pokazala sta, da se TC v PST lahko giblje od 3 °C (dopiranje Sb) do 33 °C (dopiranje Ti)22. Zato domnevamo, da lahko piroelektrični regeneratorji naslednje generacije, ki temeljijo na dopiranih PST MLC-jih ali drugih materialih z močnim faznim prehodom prvega reda, konkurirajo najboljšim zbiralnikom energije.
V tej študiji smo raziskali MLC-je, izdelane iz PST. Te naprave so sestavljene iz vrste 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 feroelektrično-paraelektrični fazni prehod prvega reda okoli 20 °C, kar kaže, da so njegove entropijske spremembe podobne tistim, ki so prikazane na sliki 1. Podobni MLC-ji so bili v celoti opisani za naprave EC13,14. V tej študiji smo uporabili MLC-je z dimenzijami 10,4 × 7,2 × 1 mm³ in 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC-ji 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 debelimi platinastimi elektrodami. Zasnova teh MLC predpostavlja, da je 55 % PST aktivnih, kar ustreza delu med elektrodama (dodatna opomba 1). Aktivna površina elektrode je bila 48,7 mm2 (dodatna tabela 5). MLC PST je bil pripravljen s trdnofazno reakcijo in metodo litja. 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 elektrokemične reakcije v PST. Vrstni red mest B PST MLC je 0,75 (dodatna opomba 2), pridobljen s sintranjem pri 1400 °C, ki mu sledi več sto ur trajajoče žarjenje 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 rezervoar za vroč in hladen zrak ter napajalnik, ki lahko spremlja in krmili napetost in tok v različnih modulih MLC. Ti direktni cikli so uporabljali dve različni konfiguraciji, in sicer (1) moduli Linkam, ki so ogrevali in hladili en MLC, priključen na vir napajanja Keithley 2410, in (2) tri prototipe (HARV1, HARV2 in HARV3) vzporedno z istim virom energije. V slednjem primeru je bila za izmenjavo toplote med rezervoarjema (vročim in hladnim) in MLC uporabljena dielektrična tekočina (silikonsko olje z viskoznostjo 5 cP pri 25 °C, kupljeno pri Sigma Aldrich). Termični rezervoar je sestavljen iz steklene posode, napolnjene z dielektrično tekočino, ki je nameščena na termični plošči. Hladilni sistem je sestavljen iz vodne kopeli s cevmi za tekočino, ki vsebujejo dielektrično tekočino, v veliki plastični posodi, napolnjeni z vodo in ledom. Na vsakem koncu kombajna sta bila nameščena dva tripotna ščipalna ventila (kupljena pri Bio-Chem Fluidics) za pravilno preklapljanje tekočine iz enega rezervoarja v drugega (slika 2a). Za zagotovitev toplotnega ravnovesja med paketom PST-MLC in hladilno tekočino se je obdobje cikla podaljšalo, dokler vhodni in izhodni termočleni (čim bližje paketu PST-MLC) niso pokazali enake temperature. Skript Python upravlja in sinhronizira vse instrumente (merilnike vira, črpalke, ventile in termočlene) za izvajanje pravilnega Olsonovega cikla, tj. zanka hladilne tekočine začne krožiti skozi sklad PST po polnjenju merilnika vira, tako da se segrejejo pri želeni uporabljeni napetosti za dani Olsonov cikel.
Druga možnost je, da smo te neposredne meritve zbrane energije potrdili s posrednimi metodami. Te posredne metode temeljijo na zankah električnega premika (D) – električnega polja (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 2.1b. Te zanke DE se prav tako zbirajo z merilniki virov Keithley.
Osemindvajset 1 mm debelih PST MLC-jev je bilo sestavljenih v 4-vrstno, 7-stebrno vzporedno ploščato strukturo v skladu z zasnovo, opisano v referenci. 14. Razdalja med vrstami PST-MLC je 0,75 mm. To se doseže z dodajanjem trakov dvostranskega lepilnega traku kot distančnikov za tekočine okoli robov PST MLC. PST MLC je električno povezan vzporedno s srebrnim epoksidnim mostičkom, ki je v stiku z elektrodnimi priključki. Nato so bile na vsako stran priključkov elektrod prilepljene žice s srebrno epoksidno smolo za priključitev na napajanje. Na koncu je bila celotna struktura vstavljena v poliolefinsko cev. Slednja je bila prilepljena na cev za tekočino, da se zagotovi pravilno tesnjenje. Na koncu so bili na vsak konec strukture PST-MLC vgrajeni 0,25 mm debeli termočleni tipa K za spremljanje temperature vstopne in izstopne tekočine. Za to je treba cev najprej perforirati. Po namestitvi termočlena je treba med cev termočlena in žico nanesti isto lepilo kot prej, da se obnovi tesnjenje.
Izdelanih je bilo osem ločenih prototipov, od katerih so imeli štirje 40 0,5 mm debelih MLC PST, razporejenih kot vzporedne plošče s 5 stebri in 8 vrstami, preostali štirje pa po 15 1 mm debelih MLC PST v strukturi vzporednih plošč s 3 stebri × 5 vrstami. Skupno število uporabljenih PST MLC je bilo 220 (160 debelih 0,5 mm in 60 PST MLC debelih 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 isti postopek, vendar z uporabo žice debeline 0,38 mm. Zaradi simetrije imata HARV2_160 in HARV2_60 svoje lastne tekočinske tokokroge, 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 vrtljivimi magneti. Vseh osem posameznih prototipov je električno povezanih vzporedno. Podenoti HARV2_160 in HARV2_60 delujeta hkrati v Olsonovem ciklu, kar povzroči pridobivanje energije 11,2 J.
V poliolefinsko cev z dvostranskim lepilnim trakom in žico na obeh straneh namestite 0,5 mm debelo PST MLC, da ustvarite prostor za pretok tekočine. Zaradi majhnosti je bil prototip nameščen poleg ventila vročega ali hladnega rezervoarja, kar je skrajšalo čas cikla.
V PST MLC se z uporabo konstantne napetosti na grelni veji ustvari konstantno električno polje. Posledično se ustvari negativni toplotni tok in shrani energija. Po segrevanju PST MLC se polje odstrani (V = 0), shranjena energija pa se vrne nazaj v števec virov, kar ustreza še enemu prispevku zbrane energije. Nazadnje se z uporabo napetosti V = 0 MLC PST ohladijo na začetno temperaturo, tako da se cikel lahko znova začne. Na tej stopnji se energija ne zbira. Olsenov cikel smo izvedli z uporabo Keithley 2410 SourceMeter, pri čemer smo PST MLC polnili iz vira napetosti in nastavili ujemanje toka na ustrezno vrednost, tako da smo med fazo polnjenja zbrali dovolj točk za zanesljive izračune energije.
V Stirlingovih ciklih so bili PST MLC-ji polnjeni v načinu napetostnega vira pri začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost Vi > 0), želenem toku skladnosti, tako da je korak polnjenja trajal približno 1 s (in je bilo zbranih dovolj točk za zanesljiv izračun energije) in nizki temperaturi. V Stirlingovih ciklih so bili PST MLC-ji polnjeni v načinu napetostnega vira pri začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost Vi > 0), želenem toku skladnosti, tako da je korak polnjenja trajal približno 1 s (in je bilo zbranih dovolj točk za zanesljiv izračun energije) in nizki temperaturi. 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 Stirlingovih ciklih PST MLC so bili polnjeni v načinu napetostnega vira pri začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost Vi > 0), želenem izhodnem toku, tako da faza polnjenja traja približno 1 s (in zbere se zadostno število točk za zanesljiv izračun energije) in nizki temperaturi.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 polni pri začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost Vi > 0) v načinu napetostnega vira, tako da zahtevani skladnostni tok traja približno 1 sekundo za korak polnjenja (in zbrali smo dovolj točk za zanesljiv izračun (energije) in nizke temperature). V ciklu Stirlinga PST MLC se napaja v načinu izhodne napetosti z začetno vrednostjo električnega polja (načalna napetost Vi > 0), zahteva tok podatljivosti takih, 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 napetostnega vira z začetno vrednostjo električnega polja (začetna napetost Vi > 0), zahtevani tok skladnosti je takšen, da faza polnjenja traja približno 1 s (in zbere se zadostno število točk za zanesljiv izračun energije) in nizkimi temperaturami.Preden se PST MLC segreje, odprite vezje z uporabo ujemajočega se toka I = 0 mA (minimalni ujemajoči se tok, ki ga lahko prenese naš merilni vir, je 10 nA). Posledično v PST MJK ostane naboj, napetost pa se povečuje, ko se vzorec segreva. V roki BC se ne zbira energija, ker je I = 0 mA. Ko dosežete visoko temperaturo, se napetost v MLT FT poveča (v nekaterih primerih več kot 30-krat, glejte dodatno sliko 7.2), MLK FT se izprazni (V = 0) in v njih se shrani električna energija za enak čas, kot je začetni naboj. Enaka tokovna ustreznost se vrne v merilni vir. Zaradi ojačanja 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.
Za spremljanje napetosti in toka, ki se dovajata na PST MLC, smo uporabili Keithleyjev virni merilnik 2410. Ustrezna energija se izračuna z integracijo produkta napetosti in toka, ki ga odčitava Keithleyjev virni merilnik, \ (E = {\int}_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), kjer je τ periodna perioda. Na naši energijski krivulji pozitivne vrednosti energije pomenijo energijo, ki jo moramo dati MLC PST, negativne vrednosti pa energijo, ki jo iz njih črpamo, in s tem prejeto energijo. Relativna moč za dani cikel zbiranja 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 in Henao, NC. Pregled razvoja in uporabe termoelektričnih mikrogeneratorjev za pridobivanje energije. Ando Junior, OH, Maran, ALO in 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 v Ohiu, Maran v ALO in Henao v Severni Karolini razmišljajo o razvoju in uporabi termoelektričnih mikrogeneratorjev za pridobivanje energije.življenjepis. podpora. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. in Sinke, WC Fotovoltaični materiali: sedanja učinkovitost in prihodnji izzivi. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. in 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. in 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 in Yang, Y. Konjunktirani piro-piezoelektrični učinek za samonapajalno sočasno zaznavanje temperature in tlaka. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL in Yang, Y. Konjunkcijski piro-piezoelektrični učinek za samonapajano 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 in Yang, Y. Za lastno napajanje 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. in Guyomar, D. Pridobivanje energije na osnovi Ericssonovih piroelektričnih ciklov v relaksorski feroelektrični keramiki. Sebald, G., Pruvost, S. in Guyomar, D. Pridobivanje energije na osnovi Ericssonovih piroelektričnih ciklov v relaksorski feroelektrični keramiki.Sebald G., Prouvost S. in Guyomar D. Pridobivanje energije na podlagi piroelektričnih Ericssonovih ciklov v relaksorski feroelektrični keramiki.Sebald G., Prouvost S. in Guyomar D. Pridobivanje energije v relaksorski feroelektrični keramiki na osnovi Ericssonovega piroelektričnega cikliranja. Pametna struktura alma mater. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. in Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali naslednje generacije za medsebojno pretvorbo elektrotermične energije v trdnem stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. in Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali naslednje generacije za medsebojno pretvorbo elektrotermične 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. in Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali naslednje generacije za medsebojno pretvorbo elektrotermične 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. in 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. in Whatmore, RW Elektrokalorični in piroelektrični materiali naslednje generacije za medsebojno pretvorbo elektrotermične energije v trdnem stanju.Gospa Bull, 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Y. Standard in merilo uspešnosti za kvantificiranje delovanja piroelektričnih nanogeneratorjev. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Y. Standard in merilo uspešnosti za kvantificiranje delovanja piroelektričnih nanogeneratorjev.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Yu. Standardna in kakovostna ocena za kvantificiranje delovanja 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 & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Yu. Merila in merila delovanja za kvantificiranje delovanja piroelektričnega nanogeneratorja.Nanoenergija 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. in Mathur, ND Elektrokalorični hladilni cikli v svinčevem skandijevem tantalatu s pravo regeneracijo s spreminjanjem polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. in Mathur, ND Elektrokalorični hladilni cikli v svinčevem skandijevem tantalatu s pravo regeneracijo s spreminjanjem 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 skandijevega-svinčevega tantalata za resnično regeneracijo z obračanjem polja.fizika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, ND Kalorični materiali v bližini feroičnih faznih prehodov. Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, ND Kalorični materiali v bližini feroičnih faznih prehodov.Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, ND Kalorični materiali v bližini 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. in Mathur, ND Termični materiali v bližini črne metalurgije.Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, ND Termični materiali v bližini faznih prehodov železa.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. in Mathur, ND Kalorični materiali za hlajenje in ogrevanje. Moya, X. in Mathur, ND Kalorični materiali za hlajenje in ogrevanje.Moya, X. in Mathur, ND Termični materiali za hlajenje in ogrevanje. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. in Mathur, ND Termični materiali za hlajenje in ogrevanje.Moya X. in Mathur ND Termični 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.Napredna. elektronika. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Izjemna energetska učinkovitost elektrokaloričnega materiala v visoko urejenem skandij-skandij-svincu. National communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Elektrotermični učinek večplastnih oksidnih kondenzatorjev je velik v širokem temperaturnem območju. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Ogromno temperaturno območje v elektrotermičnih regeneratorjih. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Visokozmogljiv elektrotermični hladilni sistem v trdnem stanju. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadna elektrotermična hladilna naprava za velik dvig temperature. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB in Brown, DD Visoko učinkovita neposredna pretvorba toplote v električno energijo, povezane s piroelektričnimi meritvami. Olsen, RB in Brown, DD Visoko učinkovita neposredna pretvorba toplote v električno energijo, povezana s piroelektričnimi meritvami.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 in Brown, DDOlsen, RB in Brown, DD Učinkovita neposredna pretvorba toplote v elektriko, povezana s piroelektričnimi meritvami.Feroelektriki 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. idr. Energija in gostota moči v tankih relaksorskih feroelektričnih filmih. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN in Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija feroelektričnega faznega prehoda in električnih izgub. Smith, AN in 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 in Hanrahan, BMSmith, AN in Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija feroelektričnih faznih prehodov in električnih izgub.J. Application physics. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Uporaba feroelektričnih materialov za pretvorbo toplotne energije v električno energijo. postopek. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM in Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvornik energije. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM in Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvornik energije.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM in Dullea, J. Cascade piroelektrični pretvornik moči. 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.Feroelektriki 59, 205–219 (1984).
Šebanov, L. in Borman, K. O trdnih raztopinah svinčevega in skandijevega tantalata z visokim elektrokaloričnim učinkom. Šebanov, L. in Borman, K. O trdnih raztopinah svinčevega in skandijevega tantalata z visokim elektrokaloričnim učinkom.Šebanov 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。 Šebanov, L. in Borman, K.Šebanov L. in Borman K. O trdnih raztopinah skandija, svinca in skandija z visokim elektrokaloričnim učinkom.Feroelektriki 127, 143–148 (1992).
Zahvaljujemo se N. Furusawi, Y. Inoueju in K. Hondi za njihovo pomoč pri ustvarjanju MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB in ED. Zahvaljujemo se Luksemburški nacionalni raziskovalni fundaciji (FNR) za podporo temu delu prek projektov 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 tehnološki inštitut (LIST), Belvoir, Luksemburg