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 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.Na koncu pokažemo, da lahko ti večplastni kondenzatorji za temperaturno območje 10 K dosežejo 40-odstotno 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 piroelektrični zbiralniki energije na novo 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 opiše entropijski (S)-temperaturni (T) diagram.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 je večja kot je površina, večja je zbrana energija.Zato mora fazni prehod zbrati 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 identificirali PST MLC, ki so zanimivi za pridobivanje 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 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 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 različna stanja v Olsonovem ciklu.BC: MLC smo vzdrževali pri 155 kV cm-1 in temperaturo dvignili na 90 °C.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 lahko uporabimo za posredno izračun energije, ki jo zbira OLSON cikel, prikazano 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 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 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 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 sl.1c, dno (zeleno) 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).Ob koncu polnjenja je v MLC (točka B) shranjenih 30 mJ električne energije.Nato se MLC segreva in nastane negativni tok (in zato negativni tok), medtem ko napetost ostane pri 600 V. Po 40 s, ko je temperatura dosegla planoto 90 ° C je med tem izopoljem v vezju proizvedlo 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 proizvodna 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 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, opisane v literaturi za neposredne cikle Olson in je bilo pridobljeno na tankih filmih PB (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (CM. CM. Tabela 1 za več vrednosti v literaturi). Ta zmogljivost je bila dosežena zaradi zelo nizkega uhajanja tokov teh MLC (<10–7 A pri 750 V in 180 ° C, glej podrobnosti v dodatni opombi 6) - ključna točka, ki sta jo omenjala Smith et al.19 - v nasprotju s do materialov, uporabljenih v prejšnjih študijah17,20. Ta zmogljivost je bila dosežena zaradi zelo nizkega uhajanja tokov teh MLC (<10–7 A pri 750 V in 180 ° C, glej podrobnosti v dodatni opombi 6) - ključna točka, ki sta jo omenjala Smith et al.19 - v nasprotju s do materialov, uporabljenih v prejšnjih študijah17,20. ЭTi хrAkTerICiki ыLi dOstigNuTы lGodA. lrnitElOM PRIMEMANI 6) - KRITISKIJA MOMENT, NOMENTUTый STOM.19 — z razliko od materialov, uporabljenih v več zgodnjih raziskavah17,20. 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, uporabljenimi v prejšnjih študijah 17,20.由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 非常 低 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 请 参见 补充 说明 6 中 的 详细 信息 信息 ）darji — 信息 信息 信息 等 等 19 提到 提到 的 关键 点 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。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。 PROKKOLCUT TOKUTIJIJA MLC OZNO tn, ° janutый19 — za uskladitev, so bile dosežene te lastnosti. 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, te predstave so bile dosežene.do materialov, uporabljenih 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 termoelemente za zbiranje podatkov o napetosti in toku, ki se dobavlja prototipu in temperaturi kombinacije iz napajanja.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 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 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.
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 z redčenjem MLC na 0,2 mm z uporabo vode kot hladilne tekočine in obnovitev matrice do 7 vrstic .× 4 stolpci (poleg tega je bilo 960 MW, ko je bil rezervoar poleg kombiniranja, dodatna 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 gostote zbrane električne energije ND z gostoto dobavljene toplotne 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 optimalne vrednosti η in ηr skoraj vse dobljene pri začetni temperaturi Ti = 25 ° C na slikah.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, the efficiency η and the proportional efficiency of the Olson cycle (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.
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, 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), pridobljenega s sintranjem pri 1400 ° C, ki mu sledi stotine ur dolgega žarjenja pri 1000 ° C.
Glavni koncept te študije temelji na ciklu Olson (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 uporabili 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 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.Skrip applied voltage for given Olson cycle.
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 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. Vrzel tekočine 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.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.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.
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 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.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 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 the energy) and cold temperature. 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 the energy) and cold temperature. JIkLaх STIRLINGA PST MLC зARSALiSь ° MUTHEMEME жenie vi> 0), жelaeMom podatLivom tToke, чtOk эTap зrAr -o жnogOrSчETa эnergi) in хolodnat serveratur. 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 stopnja 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 za reliably calculate (energy) and low temperature. 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 točke se zbirajo za zanesljivo izračun energije) 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).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 izpusti (v = 0) in v njih se shrani električna energija za isto saj so začetni naboj.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.
Ustrezna energija se izračuna z vključitvijo produkta napetosti in toka, ki jo prebere Keithleyjev izvorni merilnik, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {meas))} \)} \ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), where τ is the period of the period.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.
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 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, Ohio, Maran, Alo in Henao, NC razmišljajo o razvoju in uporabi termoelektričnih mikrogeneratorjev za pridobivanje energije.Nadaljuj.podporo.
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 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.
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 in Yan Yu. Naprej.Alma Mater 31, 1902831 (2019).
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 эlenkRolec-o rAзovaning theReTelьnoй эlenkRoTeRMiчESKOй эnorgi. 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 固态 热 能 相互 转换 转换 的 下 下 一 代 代 电热 和 热释电 热释电 材料 材料。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 材料。 Alpay, Sp, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, Rw эlenkRolec-o rAзovaning theReTelьnoй эlenkRoTeRMiчESKOй эnorgi. 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 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 热释电纳米 发电机 性能 标准 标准 和 和 品质 因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL in Yang, Yu.Nano Energy 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 场 变化 实现 实现 真正 的 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 水气水 在 电影 在 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 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 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 加热 的 热量 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 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.Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al.Visokozmogljiv polprevodniški elektrotermični hladilni sistem.Science 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.Ferroelektriki 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 Zahvaljujoč Luksemburški nacionalni raziskovalni fundaciji (FNR) za podporo temu delu prek Camelheat C17/MS/11703691/Defray, Massena Pride/15/10935404/Defray- 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