Ponudba trajnostnih virov električne energije je eden najpomembnejših izzivov tega stoletja. Raziskovalna področja na področju nabiranja energije izhajajo iz te motivacije, vključno s Thermoelectric1, Photovoltaic2 in Thermophotovoltaics3. Čeprav nam primanjkuje materialov in naprav, ki bi lahko nabirali energijo v območju Joule, se piroelektrični materiali, ki lahko pretvorijo električno energijo v periodične temperaturne spremembe, veljajo za senzorji4 in nabiranje energije5,6,7. Tu smo razvili makroskopski kombajn toplotne energije v obliki večplastnega kondenzatorja, narejenega iz 42 gramov svinčevega skandijevega tantalata, ki proizvaja 11,2 j električne energije na termodinamični cikel. Vsak piroelektrični modul lahko ustvari gostoto električne energije do 4,43 J CM-3 na cikel. Pokažemo tudi, da sta dva taka modula, ki tehtata 0,3 g, dovolj za neprekinjeno napajanje avtonomnih nabiralnikov energije z vgrajenimi mikrokontrolerji in temperaturnimi senzorji. Končno pokažemo, da lahko za temperaturno območje 10 K ti večplastni kondenzatorji dosežejo 40% Carnotovo učinkovitost. Te lastnosti so posledica (1) sprememb feroelektrične faze za visoko učinkovitost, (2) nizkega uhajanja toka, da se prepreči izgube, in (3) visoke razpadne napetosti. Ti makroskopski, razširljivi in ​​učinkoviti pribitki piroelektrične moči ponovno predstavljajo proizvodnjo termoelektrične energije.
V primerjavi s prostorskim temperaturnim gradientom, potrebnim za termoelektrične materiale, je potrebno sčasoma nabiranje energije termoelektričnih materialov sčasoma. To pomeni termodinamični cikel, ki ga najbolje opisuje diagram entropije (s) -temperature (t). Slika 1A prikazuje tipično ST nelinearno piroelektrično (NLP) materiala, ki prikazuje polno-polno-paraelektrični fazni prehod v svincu Tantalata (PST). Modri ​​in zeleni odseki cikla na diagramu ST ustrezajo pretvorjeni električni energiji v Olsonovem ciklu (dva izotermalna in dva izopolna odseka). Tu upoštevamo dva cikla z enako spremembo električnega polja (polje vklopljeno in izklop) in spremembo temperature ΔT, čeprav z različnimi začetnimi temperaturami. Zeleni cikel ni nameščen v območju faznega prehoda in ima tako veliko manjše površino kot modri cikel, ki se nahaja v območju faznega prehoda. V diagramu ST, večje je območje, večja je zbrana energija. Zato mora fazni prehod zbirati več energije. Potreba po kolesarjenju na velikem območju v NLP je zelo podobna potrebam po elektrotermalnih aplikacijah9, 10, 11, 12, kjer so večplastni kondenzatorji PST (MLC) in terpolimeri na osnovi PVDF v zadnjem času pokazali odlično obratno delovanje. Status zmogljivosti hlajenja v ciklu 13,14,15,16. Zato smo opredelili PST MLC, ki jih zanimajo za nabiranje toplotne energije. Ti vzorci so bili v celoti opisani v metodah in so značilni v dodatnih opombah 1 (skeniranje elektronske mikroskopije), 2 (rentgenska difrakcija) in 3 (kalorimetrija).
A, skica entropije (-e) -temperaturne (T) ploskve z električnim poljem vklopljene in izklopljene, uporabljene na materialih NLP, ki prikazujejo fazne prehode. Dva cikla zbiranja energije sta prikazana v dveh različnih temperaturnih območjih. Modri ​​in zeleni cikli se pojavljajo znotraj in zunaj faznega prehoda in se končajo v zelo različnih območjih površine. B, dva de pst MLC unipolarna obroča, debela 1 mm, merjena med 0 in 155 kV CM-1 pri 20 ° C in 90 ° C, in ustrezne cikle OLSEN. Črke ABCD se nanašajo na različne države v ciklu Olson. AB: MLC so bili napolnjeni na 155 kV CM-1 pri 20 ° C. BC: MLC je bil vzdrževan pri 155 kV CM-1, temperatura pa na 90 ° C. CD: MLC izpusti pri 90 ° C. DA: MLC je v ničelnem polju ohlajen na 20 ° C. Modro območje ustreza vhodni moči, ki je potrebna za zagon cikla. Oranžna območje je energija, zbrana v enem ciklu. C, zgornja plošča, napetost (črna) in tok (rdeča) v primerjavi s časom, ki so bili v istem Olsonovem ciklu kot b. Oba vstavka predstavljata ojačanje napetosti in toka na ključnih točkah v ciklu. Na spodnji plošči rumene in zelene krivulje predstavljajo ustrezne temperaturne in energijske krivulje za 1 mm debelo MLC. Energija se izračuna iz tokovnih in napetostnih krivulj 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 ciklu Stirlinga (dodatna opomba 7).
kjer sta E in D električno polje in električno premik. ND lahko dobimo posredno iz vezja DE (slika 1B) ali neposredno z zagonom termodinamičnega cikla. Najbolj uporabne metode je Olsen opisal v svojem pionirskem delu na zbiranju piroelektrične energije v 1980.17.
Na sl. 1b prikazujeta dva monopolarne zanke debele 1 mm PST-MLC vzorcev, sestavljenih pri 20 ° C in 90 ° C, v območju od 0 do 155 kV CM-1 (600 V). Ta dva cikla lahko uporabimo za posredno izračun energije, ki jo zbira OLSON cikel, prikazano na sliki 1A. Dejansko je cikel Olsen sestavljen iz dveh izoličnih vej (tukaj, ničelno polje v veji DA in 155 kV CM-1 v veji BC) in dveh izotermalnih vej (tukaj, 20 ° S in 20 ° S v AB veji). C v veji CD) Energija, zbrana med ciklom, ustreza oranžnim in modrim regijam (EDD integral). Zbrana energija ND je razlika med vhodno in izhodno energijo, tj. Oranžno območje na sliki. 1b. Ta poseben Olsonov cikel daje in energijsko gostoto 1,78 J CM-3. Cikel Stirlinga je alternativa Olsonovemu ciklu (dodatna opomba 7). Ker je stopnja konstantnega polnjenja (odprti vezje) lažje dosežena, gostota energije, pridobljena s slike 1B (cikel AB'CD), doseže 1,25 J CM-3. To je le 70% tistega, kar lahko zbira Olson cikel, vendar to počne preprosta oprema za nabiranje.
Poleg tega smo neposredno izmerili energijo, zbrano med Olsonovim ciklom, tako da smo spodbudili PST MLC z uporabo stopnje nadzora temperature Linkam in merilnika izvornega 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 skozi isti Olsonov cikel. Tok in napetost omogočata izračun zbrane energije, krivulje pa so prikazane na sliki. 1C, dno (zelena) in temperatura (rumena) v celotnem ciklu. Črke ABCD predstavljajo isti Olsonov cikel na sliki 1. polnjenje MLC se pojavi med AB nog in se izvaja pri nizkem toku (200 µA), tako da lahko Sourcemeter pravilno nadzoruje polnjenje. Posledica tega konstantnega začetnega toka je, da napetostna krivulja (črna krivulja) ni linearna zaradi nelinearnega potencialnega premika polja D PST (slika 1C, zgornji vstavek). Na koncu polnjenja je v MLC shranjenih 30 MJ električne energije (točka B). MLC se nato segreva in negativen tok (in zato negativni tok) nastane, medtem ko napetost ostane pri 600 V. Po 40 s, ko je temperatura dosegla planoto 90 ° C, je bil ta tok kompenziran, čeprav je korak, ki je bil v vezju proizveden električni moči 35 mJ med tem izolikom (drugi vdor na sliko 1C). Nato se zmanjša napetost na MLC (veja CD), kar ima za posledico dodatnih 60 MJ električnega dela. Skupna proizvodna energija je 95 mJ. Zbrana energija je razlika med vhodno in izhodno energijo, ki daje 95 - 30 = 65 MJ. To ustreza gostoti energije 1,84 J CM-3, ki je zelo blizu ND, pridobljene iz obroča. Obnovljivost tega cikla Olson je bila obsežno preizkušena (dodatna opomba 4). Z nadaljnjim povečanjem napetosti in temperature smo dosegli 4,43 J CM-3 z uporabo OLSEN 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 predstave, o katerih so poročali v literaturi za neposredne Olson cikle in je bilo pridobljeno na tankih filmih PB (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (CM. CM. Skuplna tabela 1 za več vrednosti v literaturi). Ta zmogljivost je bila dosežena zaradi zelo nizkega puščanja teh MLC -jev (<10–7 A pri 750 V in 180 ° C, glej podrobnosti v dodatni opombi 6) - ključna točka, ki sta jo omenila Smith in sod .19 - v nasprotju z materiali, uporabljenimi v prejšnjih študijah17,20. Ta zmogljivost je bila dosežena zaradi zelo nizkega puščanja teh MLC -jev (<10–7 A pri 750 V in 180 ° C, glej podrobnosti v dodatni opombi 6) - ključna točka, ki sta jo omenila Smith in sod .19 - v nasprotju z materiali, uporabljenimi v prejšnjih študijah17,20. ЭTi хrAkTerICiki ыLidignutы lGODARSAR OHENYNYNYCOMUTUTUCUS в DOPOLNITELьNOM PRIMERJA 6) - KRITIJSKIJA MOMENJ 19 - v otliju ° ° materal, jsolзovanenыm в jOleerEry ° jsEdOdoniх17,20. Te značilnosti so bile dosežene zaradi zelo nizkega uhajanja tokov teh MLC (<10–7 A pri 750 V in 180 ° C, glej dodatno opombo 6 za podrobnosti) - kritična točka, ki sta jo omenila Smith in sod. 19 - v nasprotju z materiali, ki se uporabljajo v prejšnjih študijah17,20.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 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 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 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 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。 POKKOLCUT TTOK ITEчKI эTiх Mlc Oherne nejki (<10–7 APri 750 ° C, 180 ° C, Sc. KlючeVOй MOMENT, IPOMENTUTый SCITOM. 19 - DOL ZADNJI, BUSTIGNUTы эTi хArakteriki. Ker je tok puščanja teh MLC zelo nizek (<10–7 A pri 750 V in 180 ° C, glejte dodatno opombo 6 za podrobnosti) - ključna točka, ki sta jo omenila Smith in sod. 19 - Za primerjavo so bile dosežene te predstave.do materialov, uporabljenih v prejšnjih študijah 17,20.
Enaki pogoji (600 V, 20–90 ° C) so bili uporabljeni za cikel Stirlinga (dodatna opomba 7). Kot je bilo pričakovano iz rezultatov cikla D, je bil donos 41,0 mJ. Ena najbolj presenetljivih značilnosti Stirlingovih ciklov je njihova sposobnost, da s termoelektričnim učinkom ojača začetno napetost. Opazili smo povečanje napetosti 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 predmeti, ki so dovolj veliki, da zbirajo energijo v območju Joule. Zato smo konstruirali prototipni žetev (HARV1) z uporabo 28 mlc PST debeline 1 mm, po isti vzporedni zasnovi plošče, ki sta jo opisala Torello et al.14, v matriki 7 × 4, kot je prikazano na sliki, je toplotno predelava dielirske tekočine v razdelitvi, ki je v raznomesu, ki je stalna črpalka. Zberite do 3.1 J s ciklom OLSON, opisano na sl. 2a, izotermalna območja pri 10 ° C in 125 ° C in izolirani regiji pri 0 in 750 V (195 kV CM-1). To ustreza gostoti energije 3,14 J CM-3. S to kombinacijo so bile meritve izvedene v različnih pogojih (slika 2B). Upoštevajte, da smo 1,8 j dobili 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 debeline PST MLC pod enakimi pogoji (28 × 65 = 1820 MJ).
A, eksperimentalna nastavitev sestavljenega prototipa HARV1, ki temelji na 28 mlc PST, debelini 1 mm (4 vrstice × 7 stolpcev), ki delujejo na Olsonovih ciklih. Za vsak od štirih ciklovnih korakov sta v prototipu zagotovljena temperatura in napetost. Računalnik poganja peristaltično črpalko, ki kroži dielektrično tekočino med hladnimi in vročimi rezervoarji, dvema ventilom in virom energije. Računalnik uporablja tudi termoelemente za zbiranje podatkov o napetosti in toku, ki se dobavlja prototipu in temperaturi kombinacije iz napajanja. B, Energija (barva), zbrana z našim 4 × 7 mlc prototipom v primerjavi s temperaturnim območjem (x-osi) in napetosti (osi y) v različnih poskusih.
Večja različica kombajna (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 kombajn z energijo, ki temelji na 317 g kositrne PB (ZR, TI) O3 spojine, ki lahko ustvari 6,23 j električne energije pri temperaturi približno 150 ° C (ref. 21). Za to kombinacijo je to edina druga vrednost, ki je na voljo v ponudbi Joule. Dobil je nekaj več kot polovico vrednosti, ki smo jo dosegli, in skoraj sedemkratno kakovost. To pomeni, da je gostota energije Harv2 13 -krat večja.
Obdobje cikla HARV1 je 57 sekund. To je ustvarilo 54 MW moči s 4 vrsticami 7 stolpcev 1 mm debeline MLC kompletov. Da bi ga naredili še korak dlje, smo vgradili tretji kombinion (HARV3) z 0,5 mm debelim PST MLC in podobno nastavitvijo kot Harv1 in Harv2 (dodatna opomba 9). Izmerili smo čas termikalizacije 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 posledično omogoča, da si predstavljamo, da Harv2 proizvaja 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 ustrezajo poskusom HARV1. Modeliranje končnih elementov je omogočilo predvidevanje vrednosti moči skoraj večji vrstni red (430 mW) za enako število PST stolpcev, tako da se redči MLC na 0,2 mm, z uporabo vode kot hladilne tekočine in obnovitve matrice do 7 vrstic. × 4 stolpci (poleg tega je bilo 960 MW, ko je bil rezervoar poleg kombiniranja, dodatna slika 10b).
Da bi pokazali uporabnost tega kolektorja, smo uporabili cikel Stirlinga za samostojni demonstrator, ki je sestavljen iz samo dveh 0,5 mm debelih PST MLC kot kolektorja toplote, visokonapetostnega stikala, nizkonapetostnega stikala s pomnilniškim kondenzatorjem, DC/DC pretvornika, z nizko napajalnim mikrokontrolerjem, dvema termoobtomama (dodatnim opombam 11). Tokokrog zahteva, da se kondenzator za shranjevanje sprva napolni pri 9V in nato samostojno deluje, medtem ko se temperatura obeh MLC giblje od -5 ° C do 85 ° C, tukaj v ciklih 160 s (več ciklov je prikazanih v dodatni opombi 11). Presenetljivo je, da lahko dva MLC, ki tehtata le 0,3 g, samostojno nadzoruje ta velik sistem. Druga zanimiva značilnost je, da je nizkonapetostni pretvornik sposoben pretvoriti 400V v 10-15V s 79-odstotno učinkovitostjo (dodatna opomba 11 in dodatna slika 11.3).
Na koncu smo ocenili učinkovitost teh modulov MLC pri pretvorbi toplotne energije v električno energijo. Faktor kakovosti η učinkovitosti je opredeljen kot razmerje gostote zbrane električne energije ND z gostoto dobavljene toplotne qin (dodatna opomba 12):
Slike 3A, B prikazujejo učinkovitost η in proporcionalno učinkovitost 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. Učinkovitost \ (\ ta \) doseže 1,43%, kar je enakovredno 18% ηR. Vendar za temperaturno območje od 10 K od 25 ° C do 35 ° C ηR doseže vrednosti do 40% (modra krivulja na sliki 3B). To je dvakrat znana vrednost za materiale NLP, zabeležene v filmih PMN-PT (ηR = 19%) v temperaturnem območju 10 K in 300 kV CM-1 (ref. 18). Temperaturni razponi pod 10 K niso bili upoštevani, ker je toplotna histereza PST MLC med 5 in 8 K. Prepoznavanje pozitivnega učinka faznih prehodov na učinkovitost je ključnega pomena. Pravzaprav so optimalne vrednosti η in ηr skoraj vse dobljene pri začetni temperaturi Ti = 25 ° C na slikah. 3a, b. To je posledica tesnega faznega prehoda, kadar ni uporabljeno polje in TC Curie TC je v teh MLC -jih približno 20 ° C (dodatna opomba 13).
A, B, Učinkovitost η in proporcionalna učinkovitost Olsonovega cikla (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /\ eta} _ {\ rm {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{\ {{{{{{{{{{{{{{{{Carnot}} za polja z najvišjo električno energijo pa je bil polj in drugače, za polj z poljem za polj z najvišjo polji, polja s poljem iz polja za polj za 195 KV CM-1 in INPERATIONA }} \, \) (b) za debeline MPC PST 0,5 mm, odvisno od temperaturnega intervala ΔTSpan.
Slednje opazovanje ima dve pomembni posledici: (1) Vsako učinkovito kolesarjenje se mora začeti pri temperaturah nad TC, da se pojavi fazni prehod, ki ga povzroča polja (od paraelektričnega do feroelektričnega); (2) Ti materiali so učinkovitejši v času teka blizu TC. Čeprav je v naših poskusih prikazana obsežna učinkovitost, nam omejeno temperaturno območje ne omogoča doseganja velike absolutne učinkovitosti zaradi meje Carnot (\ (\ delta T/T \)). Vendar pa odlična učinkovitost, ki jo dokazujejo ti PST MLC, upravičuje Olsen, ko omenja, da ima "idealen regenerativni termoelektrični motor razreda 20 pri temperaturah med 50 ° C in 250 ° C lahko učinkovitost 30%". Če želite doseči te vrednosti in preizkusiti koncept, bi bilo koristno uporabljati dopirane PST z različnimi TCS, kot jih preučujeta Shebanov in Borman. Pokazali so, da se TC v PST lahko giblje od 3 ° C (SB doping) do 33 ° C (ti doping) 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, lahko konkurirajo najboljšim nabiralnikom moči.
V tej raziskavi smo raziskali MLC, narejene iz PST. Te naprave so sestavljene iz vrste elektrod PT in PST, pri čemer je vzporedno povezanih več kondenzatorjev. PST je bil izbran, ker gre za odličen material ES in zato potencialno odličen material NLP. Ima oster feroelektrični paraelektrični fazni prehod prvega reda okoli 20 ° C, kar kaže na to, da so njegove entropijske spremembe podobne tistim, prikazanim na sliki 1. Podobni MLC so bili v celoti opisani za naprave EC13,14. V tej raziskavi smo uporabili 10,4 × 7,2 × 1 mm³ in 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ mlcs. MLC z debelino 1 mm in 0,5 mm so bili izdelani iz 19 in 9 plasti PST z debelino 38,6 µm. V obeh primerih smo notranjo plast PST postavili med 2,05 µm debele platinske elektrode. Zasnova teh MLC predvideva, da je 55% PST aktivnih, kar ustreza delu med elektrodami (dodatna opomba 1). Aktivna površina elektrode je bila 48,7 mm2 (dodatna tabela 5). MLC PST smo pripravili s trdno fazno reakcijo in metodo vlivanja. Podrobnosti o postopku priprave so opisane v prejšnjem članku14. Ena od razlik med PST MLC in prejšnjim člankom je vrstni red B-mest, ki močno vpliva na delovanje ES v PST. Vrstni red B-mest PST MLC je 0,75 (dodatna opomba 2), pridobljenega s sintranjem pri 1400 ° C, ki mu sledi stotine ur dolgega žarjenja pri 1000 ° C. Če želite več informacij o PST MLC, glejte dodatne opombe 1-3 in dodatne tabele 5.
Glavni koncept te študije temelji na ciklu Olson (slika 1). Za tak cikel potrebujemo vroč in hladen rezervoar in napajanje, ki lahko spremlja in nadzoruje napetost in tok v različnih modulih MLC. V teh neposrednih ciklih so uporabili dve različni konfiguraciji, in sicer (1) Linkam module ogrevanje in hlajenje enega MLC, povezanega z virom energije Keithley 2410, in (2) tri prototipe (harv1, harv2 in harv3) vzporedno z enako energijo izvora. V zadnjem primeru je bila za izmenjavo toplote med obema rezervoarji (vroče in hladno) uporabljena dielektrična tekočina (silikonsko olje z viskoznostjo 5 CP pri 25 ° C, kupljen od Sigma Aldricha). Toplotni rezervoar je sestavljen iz steklene posode, napolnjene z dielektrično tekočino in nameščeno na vrhu toplotne plošče. Skladiščenje je sestavljeno iz vodne kopeli s tekočimi cevmi, ki vsebujejo dielektrično tekočino v veliki plastični posodi, napolnjeni z vodo in ledom. Na vsakem koncu kombinacije sta bila nameščena dva tristranska ventila (kupljena pri bio-chem fluidics), da bi pravilno preklopili tekočino iz enega rezervoarja na drugega (slika 2A). Da bi zagotovili toplotno ravnovesje med paketom PST-MLC in hladilno tekočino, se je obdobje cikla podaljšalo, dokler se vhodni in odtočni termoelementi (čim bližje paketu PST-MLC) ni pokazala enaka temperatura. Scenarij Python upravlja in sinhronizira vse instrumente (merilniki izvora, črpalke, ventili in termoelemente), da zažene pravilen OLSON cikel, tj. Zanka hladilne tekočine začne kolesariti skozi sklad PST, potem ko se izvorni merilnik napolni tako, da se segrejejo na želenem uporabljenem voldu za dani Olson cikel.
Druga možnost smo potrdili te neposredne meritve zbrane energije z posrednimi metodami. Te posredne metode temeljijo na električnem premiku (d) - električnem polju (e) poljskih zankah, zbranih pri različnih temperaturah, in z izračunom območja med dvema zankoma lahko natančno ocenimo, koliko energije je mogoče zbrati, kot je prikazano na sliki. na sliki 2 .1b. Te zanke se zbirajo tudi z uporabo virov Keithley.
Osemindvajset 1 mm debelih PST MLC-jev je bilo sestavljenih v 4-vrstni, 7-stolpčni vzporedni strukturi plošče v skladu z zasnovo, opisano v referenci. 14. TOLIKNA VRČKA med vrsticami PST-MLC je 0,75 mm. To dosežemo z dodajanjem trakov dvostranskega traku kot tekočih distančnikov okoli robov PST MLC. PST MLC je električno priključen vzporedno s srebrnim epoksidnim mostom v stiku s potenciali elektrode. Po tem so žice prilepili s srebrno epoksi smolo na vsako stran terminalov elektrode za povezavo z napajanjem. Na koncu vstavite celotno strukturo v poliolefinsko cev. Slednji je prilepljen na tekočo cev, da se zagotovi pravilno tesnjenje. Končno so bili na vsak konec konstrukcije PST-MLC vgrajeni 0,25 mm debeline K-tipa, da bi spremljali temperaturo dovodne in iztočne tekočine. Če želite to narediti, mora biti cev najprej perforirana. Po namestitvi termoelementa nanesite isto lepilo kot prej med cevjo termoelemente in žico, da obnovite tesnilo.
Vgrajenih je bilo osem ločenih prototipov, od katerih so imeli štirje 40 0,5 mm debeli MLC PST, razporejeni kot vzporedne plošče s 5 stolpci in 8 vrstic, preostali štirje pa 15 1 mm debeli MLC PST. V 3-stolpni × 5-vrstici vzporedne strukture plošče. Skupno število uporabljenih MLC -jev PST je bilo 220 (160 0,5 mm debelo in 60 PST MLC 1 mm debelo). Ti dve podenoti imenujemo Harv2_160 in Harv2_60. Tekoči vrzel v prototipu Harv2_160 je sestavljena iz dveh dvostranskih trakov debeline 0,25 mm z žico debelo 0,25 mm med njimi. Za prototip Harv2_60 smo ponovili isti postopek, vendar z uporabo 0,38 mm debele žice. Za simetrijo imata Harv2_160 in Harv2_60 svoje tekoče vezje, črpalke, ventile in hladno stran (dodatna opomba 8). Dve enoti Harv2 imata na dveh vročih ploščah z vrtljivimi magnetnimi magnetnimi akumulatorji, 3 -litrski posodi (30 cm x 20 cm x 5 cm). Vseh osem posameznih prototipov je vzporedno povezano z električno povezavo. Podenota Harv2_160 in Harv2_60 delujejo hkrati v ciklu Olson, kar ima za posledico nabiranje energije 11.2 J.
V poliolefinsko cev z dvostranskim trakom in žico na obeh straneh postavite 0,5 mm debeli PST MLC, da ustvarite prostor za pretok tekočine. Zaradi majhnosti je bil prototip nameščen poleg vročega ali hladnega rezervoarja ventila, kar je zmanjšalo čas cikla.
V PST MLC se uporablja konstantno električno polje z uporabo konstantne napetosti na ogrevalno vejo. Posledično nastane negativni toplotni tok in shranjena energija. Po ogrevanju PST MLC se polje odstrani (v = 0), energija, shranjena v njem, pa se vrne nazaj na števca izvor, ki ustreza še enemu prispevku zbrane energije. Končno se z nanašanje napetosti v = 0 MLC PST ohladi na začetno temperaturo, tako da se lahko cikel znova zažene. Na tej stopnji se energija ne zbira. Olsenov cikel smo vodili s pomočjo Keithley 2410 Sourcemeter, ki smo polnili PST MLC iz napetostnega vira in nastavili tokovno ujemanje z ustrezno vrednostjo, tako da je bilo v fazi polnjenja zbranih dovolj točk za zanesljive izračune energije.
V Stirling Cycles so bili PST MLC -ji napolnjeni v načinu napetosti na začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost VI> 0), želeni tok skladnosti, tako da korak polnjenja traja približno 1 s (in dovolj točk je zbranih za zanesljiv izračun energije) in hladno temperaturo. V Stirling Cycles so bili PST MLC -ji napolnjeni v načinu napetosti na začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost VI> 0), želeni tok skladnosti, tako da korak polnjenja traja približno 1 s (in dovolj točk je zbranih za zanesljiv izračun energije) in hladno temperaturo. JIkLaх STIRLINGA PST MLC зARYжalisь вReSimEMe jhothonika nanepRinepRi nanaknor (nanalьno nanaprжenie vi> 0), жelaemOm om -om -om KliчEStEVO TTOчEK dčas nakloniжnogOgORaTeATa эnorgi) in хolodnatErEReRera. V ciklih Stirling PST MLC so jih napolnili v načinu napetosti na začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost VI> 0), želeni tok donosa, tako da se stopnja polnjenja traja približno 1 s (in zadostno število točk za zanesljivo izračun energije) in hladno temperaturo.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 na začetni vrednosti električnega polja (začetna napetost VI> 0) v načinu napetosti, tako da zahtevani tok skladnosti traja približno 1 sekundo za korak polnjenja (in zbrali smo dovolj točk, da smo zanesljivo izračunali (energijo) in nizka temperatura. ВSikLeS. napAniee vi> 0), tryeMый TTOK PODATLIVOSTITHE koliчestEr to ek, чTobы nanEdжnorAssyiTat эnorgiю) v ne -thye themperaTurы. V ciklu Stirlinga se PST MLC napolni v načinu napetosti z začetno vrednostjo električnega polja (začetna napetost VI> 0), zahtevani tok skladnosti je tak, da stopnja polnjenja traja približno 1 s (in zadostno število točk se zbira, da zanesljivo izračuna energijo) in nizke temperature).Preden se PST MLC segreje, odprite vezje tako, da uporabite ustrezni tok I = 0 Ma (najmanjši ujemajoč se tok, ki ga lahko upravlja naš merilni vir, je 10 na). Kot rezultat, naboj ostane v PST MJK, napetost pa se poveča, ko se vzorec segreje. V roki BC se ne zbira nobene energije, 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 izpusti (v = 0), v njih pa se shrani električna energija za enako, kot je začetni naboj. Enaka trenutna korespondenca se vrne v vir merilnika. Zaradi povečanja napetosti je shranjena energija pri visoki temperaturi višja od tiste, ki je bila zagotovljena na začetku cikla. Posledično se energija dobi s pretvorbo toplote v elektriko.
Za spremljanje napetosti in toka, uporabljenega za PST MLC, smo uporabili Keithley 2410 Sourcemeter. The corresponding energy is calculated by integrating the product of voltage and current read by Keithley's source meter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), where τ je obdobje obdobja. Na naši krivulji energije pozitivne vrednosti energije pomenijo energijo, ki jo moramo dati MLC PST, negativne vrednosti pa pomenijo energijo, ki jo izvlečemo iz njih, in s tem prejeti energijo. Relativna moč za določen cikel zbiranja se določi tako, da zbrano energijo delimo z obdobjem τ celotnega cikla.
Vsi podatki so predstavljeni v glavnem besedilu ali v dodatnih informacijah. Pisma in zahteve za gradivo je treba usmeriti v vir podatkov AT ali ED, ki so na voljo v tem članku.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Pregled razvoja in uporabe termoelektričnih mikrogeneratorjev za nabiranje energije. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Pregled razvoja in uporabe termoelektričnih mikrogeneratorjev za nabiranje 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. podpora. 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 uspešnost 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 uspešnost in prihodnji izzivi.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Pridruženi piro-piezoelektrični učinek za samoodvisno istočasno zaznavanje temperature in tlaka. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkt piro-piezoelektrični učinek za samo-powerano istočasno zaznavanje temperature in tlaka.Song K., Zhao R., Wang ZL in Yan Yu. Kombinirani piropiezoelektrični učinek za avtonomno hkratno 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 samoocenjevanje hkrati s temperaturo in pritiskom.Song K., Zhao R., Wang ZL in Yan Yu. Kombiniran termopiezoelektrični učinek za avtonomno hkratno merjenje temperature in tlaka.Naprej. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Nabiranje energije, ki temelji na piroelektričnih ciklih Ericsson v relaksorski feroelektrični keramiki. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Nabiranje energije, ki temelji na piroelektričnih ciklih Ericsson v relaksorski feroelektrični keramiki.Sebald G., Prouvost S. in Guyomar D. Nabiranje energije, ki temelji na piroelektričnih ciklih Ericsson v relaksorski feroelektrični keramiki.Sebald G., Prouvost S. in Guyomar D. Nabiranje energije v relaksorski feroelektrični keramiki, ki temelji na piroelektričnem kolesarjenju Ericsson. Pametna alma mater. struktura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorična in piroelektrična materiala za elektrotermalno energijo v trdnem stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorična in piroelektrična materiala za elektrotermalno energijo v trdnem stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, Rw эlenkrokalorije зemnogOgObRaзonaning tTeRDOTELьnoй эLеTROTERMIVECOSKOй эNERGij. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorična in piroelektrična materiala za elektrotermalno energijo 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 эlenkrokalorije зemnogOgObRaзonaning tTeRDOTELьnoй эLеTROTERMIVECOSKOй эNERGij. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorična in piroelektrična materiala za elektrotermalno energijo v trdnem stanju.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard in številčna za količinsko določitev učinkovitosti piroelektričnih nanogeneratorjev. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard in številčna za količinsko določitev učinkovitosti piroelektričnih nanogeneratorjev.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Yu. Standardna in kakovostna ocena za količinsko določitev 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 & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Yu. Merila in ukrepi učinkovitosti za količinsko določitev učinkovitosti piroelektričnega nanogeneratorja.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični hladilni cikli v svinčevem skandijevem tantalatu z resnično regeneracijo s pomočjo polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični hladilni cikli v svinčevem skandijevem tantalatu z resnično regeneracijo s pomočjo polja.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. in Mathur, ND Elektrokalorični hladilni cikli v svinčevem scandijevem tantalatu z resnično regeneracijo s spreminjanjem 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. Tantalum 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 Elektrotermalni hladilni cikel Scandium-Lead Tantalata za resnično regeneracijo s pomočjo polja.Fizika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorični materiali v bližini ferojskih faznih prehodov. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorični materiali v bližini ferojskih faznih prehodov.Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, ND kalorični materiali v bližini faznih prehodov Ferroid. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, nd 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, in termični materiali v bližini železne metalurgije.Moya, X., Kar-Narayan, S. in Mathur, in termični materiali v bližini prehodov železne faze.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, in termični materiali za hlajenje in ogrevanje. Moya, X. & Mathur, nd 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, in termični materiali za hlajenje in ogrevanje.Moya X. in Mathur in toplotni materiali za hlajenje in ogrevanje.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorični hladilniki: pregled. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorični hladilniki: pregled.Torello, A. in Defray, E. Elektrokalorični hladilniki: pregled. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 评论。 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 评论。 评论。Torello, A. in Defray, E. Elektrotermalni hladilniki: pregled.Napredno. elektronsko. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Ogromna energetska učinkovitost elektrokaloričnega materiala pri zelo urejenem skandijevem-scandiumu. Nacionalna komunikacija. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Elektrotermalni učinek večplastnih kondenzatorjev oksida je velik v širokem temperaturnem območju. Narava 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Ogromen temperaturni razpon v elektrotermalnih regeneratorjih. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Visoko zmogljivo trdno stanje elektrotermalnega hladilnega sistema. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadna elektrotermalna hladilna naprava za velik dvig temperature. Nacionalna energija 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Visoka učinkovita neposredna pretvorba toplote v električne energijske piroelektrične meritve. Olsen, RB & Brown, DD Visoko učinkovitost Neposredna pretvorba toplote v električne energijske piroelektrične meritve.Olsen, RB in Brown, DD Zelo učinkovita neposredna pretvorba toplote v električno energijo, povezano 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, povezano 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 električne izgube. Smith, An & Hanrahan, BM kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija feroelektričnega faznega prehoda in električne izgube.Smith, AN in Hanrahan, BM kaskadna piroelektrična pretvorba: feroelektrična fazna prehod in optimizacija električne izgube. Smith, An & Hanrahan, BM 级联热释电转换 ： 优化铁电相变和电损耗。 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. fizika. 128, 24103 (2020).
HOCH, SR Uporaba feroelektričnih materialov za pretvorbo toplotne energije v elektriko. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded piroelektrični pretvornik energije. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded piroelektrični pretvornik energije.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM in Dullea, J. Cascade Pyroeelctric 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 s svinčenim scandijevim tantalatom z visokim elektrokaloričnim učinkom. Shebanov, L. & Borman, K. O trdnih raztopinah s svinčenim scandijevim tantalatom z visokim elektrokaloričnim učinkom.Shebanov L. in Borman K. o trdnih raztopinah svinčevega scandijevega 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-scandium z visokim elektrokaloričnim učinkom.Ferroelektriki 127, 143–148 (1992).
Zahvaljujemo se N. Furusawa, Y. Inoue in K. Honda za pomoč pri ustvarjanju MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB and ED Thanks to the Luxembourg National Research Foundation (FNR) for supporting this work through CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay and Bridges2021/ms/16282302/Cecoha/Defray.
Oddelek za raziskave in tehnologijo materialov, Luksemburg Inštitut za tehnologijo (seznam), Belvoir, Luksemburg