Ponuda održivih izvora električne energije jedan je od najvažnijih izazova ovog stoljeća. Područja istraživanja u materijalima za prikupljanje energije proizlaze iz ove motivacije, uključujući termoelektrične1, fotonaponske2 i termofotovoltaike3. Iako nam nedostaju materijali i uređaji sposobni za prikupljanje energije u Joule opsegu, piroelektrični materijali koji mogu pretvoriti električnu energiju u periodične promjene temperature smatraju se senzorima4 i sakupljačima energije5,6,7. Ovdje smo razvili makroskopski sakupljač toplinske energije u obliku višeslojnog kondenzatora napravljenog od 42 grama olovo-skandij tantalata, koji proizvodi 11,2 J električne energije po termodinamičkom ciklusu. Svaki piroelektrični modul može proizvesti gustinu električne energije do 4,43 J cm-3 po ciklusu. Također pokazujemo da su dva takva modula težine 0,3 g dovoljna za kontinuirano napajanje autonomnih sakupljača energije s ugrađenim mikrokontrolerima i temperaturnim senzorima. Konačno, pokazujemo da za temperaturni opseg od 10 K, ovi višeslojni kondenzatori mogu dostići 40% Carnot efikasnosti. Ova svojstva su posljedica (1) feroelektrične promjene faze za visoku efikasnost, (2) niske struje curenja radi sprječavanja gubitaka i (3) visokog napona proboja. Ovi makroskopski, skalabilni i efikasni piroelektrični sakupljači energije ponovo zamišljaju proizvodnju termoelektrične energije.
U poređenju sa prostornim temperaturnim gradijentom potrebnim za termoelektrične materijale, prikupljanje energije termoelektričnih materijala zahtijeva temperaturni ciklus tokom vremena. To znači termodinamički ciklus, koji se najbolje opisuje dijagramom entropije (S)-temperature (T). Slika 1a prikazuje tipičnu ST grafiku nelinearnog piroelektričnog (NLP) materijala koji demonstrira feroelektrično-paraelektrični fazni prijelaz vođen poljem u skandij olovo tantalatu (PST). Plava i zelena sekcija ciklusa na ST dijagramu odgovaraju konvertovanoj električnoj energiji u Olsonovom ciklusu (dva izotermna i dva izopolna preseka). Ovdje razmatramo dva ciklusa sa istom promjenom električnog polja (uključeno i isključeno polje) i temperaturnom promjenom ΔT, iako s različitim početnim temperaturama. Zeleni ciklus se ne nalazi u regionu fazne tranzicije i stoga ima mnogo manju površinu od plavog ciklusa koji se nalazi u regionu fazne tranzicije. U ST dijagramu, što je veća površina, veća je prikupljena energija. Stoga, fazni prijelaz mora prikupiti više energije. Potreba za cikliranjem velike površine u NLP-u je vrlo slična potrebi za elektrotermalnim aplikacijama9, 10, 11, 12 gdje su PST višeslojni kondenzatori (MLC) i terpolimeri na bazi PVDF nedavno pokazali odlične reverzne performanse. status performansi hlađenja u ciklusu 13,14,15,16. Stoga smo identifikovali PST MLC od interesa za prikupljanje toplotne energije. Ovi uzorci su u potpunosti opisani u metodama i okarakterisani u dodatnim bilješkama 1 (skenirajuća elektronska mikroskopija), 2 (difrakcija rendgenskih zraka) i 3 (kalorimetrija).
a, Skica dijagrama entropijske (S)-temperature (T) sa uključenim i isključenim električnim poljem primenjenim na NLP materijale koji prikazuje fazne prelaze. Dva ciklusa prikupljanja energije prikazana su u dvije različite temperaturne zone. Plavi i zeleni ciklusi se javljaju unutar i izvan faznog prijelaza, respektivno, i završavaju u vrlo različitim dijelovima površine. b, dva DE PST MLC unipolarna prstena, debljine 1 mm, izmjerena između 0 i 155 kV cm-1 na 20 °C i 90 °C, respektivno, i odgovarajući Olsenovi ciklusi. Slova ABCD odnose se na različita stanja u Olsonovom ciklusu. AB: MLC su napunjeni na 155 kV cm-1 na 20°C. BC: MLC je održavan na 155 kV cm-1 i temperatura je podignuta na 90 °C. CD: MLC se prazni na 90°C. DA: MLC ohlađen na 20°C u nultom polju. Plavo područje odgovara ulaznoj snazi ​​potrebnoj za pokretanje ciklusa. Narandžasto područje je energija prikupljena u jednom ciklusu. c, gornji panel, napon (crna) i struja (crvena) u odnosu na vrijeme, praćeni tokom istog Olsonovog ciklusa kao i b. Dva umetka predstavljaju pojačanje napona i struje u ključnim tačkama ciklusa. U donjem panelu, žuta i zelena krivulja predstavljaju odgovarajuće krivulje temperature i energije za MLC debljine 1 mm. Energija se izračunava iz krivulja struje i napona na gornjoj ploči. Negativna energija odgovara prikupljenoj energiji. Koraci koji odgovaraju velikim slovima na četiri figure su isti kao u Olsonovom ciklusu. Ciklus AB'CD odgovara Stirlingovom ciklusu (dodatna napomena 7).
gdje su E i D električno polje i polje električnog pomaka, respektivno. Nd se može dobiti indirektno iz DE kola (slika 1b) ili direktno pokretanjem termodinamičkog ciklusa. Najkorisnije metode opisao je Olsen u svom pionirskom radu na prikupljanju piroelektrične energije 1980-ih17.
Na sl. 1b prikazuje dvije monopolarne DE petlje od 1 mm debelih PST-MLC uzoraka sastavljenih na 20 °C odnosno 90 °C, u rasponu od 0 do 155 kV cm-1 (600 V). Ova dva ciklusa se mogu koristiti za indirektno izračunavanje energije prikupljene Olsonovim ciklusom prikazanim na slici 1a. U stvari, Olsenov ciklus se sastoji od dvije grane izopolja (ovdje, nulto polje u DA grani i 155 kV cm-1 u BC grani) i dvije izotermne grane (ovdje, 20°S i 20°S u AB grani) . C u CD grani) Energija prikupljena tokom ciklusa odgovara narandžastom i plavom regionu (EdD integral). Prikupljena energija Nd je razlika između ulazne i izlazne energije, tj. samo narandžasta površina na sl. 1b. Ovaj poseban Olsonov ciklus daje gustinu Nd energije od 1,78 J cm-3. Stirlingov ciklus je alternativa Olsonovom ciklusu (dodatna napomena 7). Budući da se stepen konstantnog naelektrisanja (otvoreni krug) lakše postiže, gustina energije ekstrahovana sa slike 1b (ciklus AB'CD) dostiže 1,25 J cm-3. Ovo je samo 70% onoga što Olsonov ciklus može prikupiti, ali jednostavna oprema za žetvu to čini.
Pored toga, direktno smo izmjerili energiju prikupljenu tokom Olsonovog ciklusa tako što smo uključili PST MLC koristeći Linkam stepen kontrole temperature i mjerač izvora (metoda). Slika 1c na vrhu i na odgovarajućim umetcima prikazuje struju (crveno) i napon (crno) prikupljene na istom PST MLC-u debljine 1 mm kao i za DE petlju koja prolazi kroz isti Olsonov ciklus. Struja i napon omogućavaju izračunavanje prikupljene energije, a krive su prikazane na sl. 1c, dno (zeleno) i temperatura (žuto) tokom ciklusa. Slova ABCD predstavljaju isti Olsonov ciklus na slici 1. MLC punjenje se dešava tokom AB kraka i izvodi se pri maloj struji (200 µA), tako da SourceMeter može pravilno kontrolisati punjenje. Posljedica ove konstantne početne struje je da kriva napona (crna kriva) nije linearna zbog nelinearnog potencijalnog polja pomaka D PST (slika 1c, gornji umetak). Na kraju punjenja, 30 mJ električne energije se pohranjuje u MLC (tačka B). MLC se zatim zagreva i stvara se negativna struja (a samim tim i negativna struja) dok napon ostaje na 600 V. Nakon 40 s, kada je temperatura dostigla plato od 90 °C, ova struja je kompenzovana, iako je stepenasti uzorak proizveo je u kolu električnu snagu od 35 mJ tokom ovog izopolja (drugi umetak na slici 1c, gore). Napon na MLC-u (grana CD) se tada smanjuje, što rezultira dodatnih 60 mJ električnog rada. Ukupna izlazna energija je 95 mJ. Prikupljena energija je razlika između ulazne i izlazne energije, što daje 95 – 30 = 65 mJ. Ovo odgovara gustini energije od 1,84 J cm-3, što je vrlo blizu Nd ekstrahovanom iz DE prstena. Reproducibilnost ovog Olsonovog ciklusa je opsežno testirana (dodatna napomena 4). Daljnjim povećanjem napona i temperature, postigli smo 4,43 J cm-3 koristeći Olsenove cikluse u PST MLC-u debljine 0,5 mm u temperaturnom rasponu od 750 V (195 kV cm-1) i 175 °C (dodatna napomena 5). Ovo je četiri puta veće od najboljih performansi objavljenih u literaturi za direktne Olsonove cikluse i dobijeno je na tankim filmovima Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Dopunski Tabela 1 za više vrijednosti u literaturi). Ova izvedba je postignuta zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10−7 A na 750 V i 180 °C, pogledajte detalje u Dodatnoj napomeni 6) - ključnu tačku koju su spomenuli Smith et al.19 - nasuprot tome na materijale korištene u ranijim studijama17,20. Ova izvedba je postignuta zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10−7 A na 750 V i 180 °C, pogledajte detalje u Dodatnoj napomeni 6) - ključnu tačku koju su spomenuli Smith et al.19 - nasuprot tome na materijale korištene u ranijim studijama17,20. Ove karakteristike su postignute zahvaljujući vrlo niskoj točki uteka ovih MLC-a (<10–7 A pri 750 V i 180 °C, sm. detalji u dodatnoj primjeni 6) — kritični moment, pomoćni Smitom i dr. 19 — razlika od materijala, korištenih u ranijim istraživanjima17,20. Ove karakteristike su postignute zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10–7 A na 750 V i 180 °C, pogledajte dopunsku napomenu 6 za detalje) – kritičnu tačku koju su spomenuli Smith et al. 19 – za razliku od materijala korištenih u ranijim studijama17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低 (在750 V 和180 °C 时<10-7 A, 请参见补充见补充读明 佅说明 6 ½ ½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 昅 说））)） — 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 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 相比之下到早期研究中使用的材料17.20。 S obzirom na to da ove MLC utječu na vrlo nizak (<10–7 A pri 750 V i 180 °C, sm. detalji u dodatnoj primjeni 6) — ključevi moment, upomânutyj Smitom i dr. 19 — za sravneniâ, bili dostignuti éti harakteristiki. Budući da je struja curenja ovih MLC-ova vrlo niska (<10–7 A na 750 V i 180 °C, pogledajte dopunsku napomenu 6 za detalje) – ključnu tačku koju su spomenuli Smith et al. 19 – poređenja radi, ovi rezultati su postignuti.na materijale korištene u ranijim studijama 17,20.
Isti uslovi (600 V, 20–90 °C) primijenjeni su i na Stirlingov ciklus (dodatna napomena 7). Kao što se očekivalo iz rezultata DE ciklusa, prinos je bio 41,0 mJ. Jedna od najupečatljivijih karakteristika Stirlingovih ciklusa je njihova sposobnost da pojačaju početni napon kroz termoelektrični efekat. Uočili smo povećanje napona do 39 (od početnog napona od 15 V do krajnjeg napona do 590 V, vidi dodatnu sliku 7.2).
Još jedna prepoznatljiva karakteristika ovih MLC-a je da su makroskopski objekti dovoljno veliki da prikupljaju energiju u džulovom opsegu. Stoga smo konstruisali prototip kombajna (HARV1) koristeći 28 MLC PST debljine 1 mm, prateći isti dizajn paralelne ploče koji su opisali Torello et al.14, u matrici 7×4 kao što je prikazano na slici. Dielektrični fluid koji nosi toplotu u razdjelnik se istiskuje peristaltičkom pumpom između dva rezervoara gdje se temperatura fluida održava konstantnom (metoda). Sakupite do 3,1 J koristeći Olsonov ciklus opisan na sl. 2a, izotermna područja na 10°C i 125°C i područja izopolja na 0 i 750 V (195 kV cm-1). Ovo odgovara gustoći energije od 3,14 J cm-3. Koristeći ovaj kombajn, merenja su vršena u različitim uslovima (slika 2b). Imajte na umu da je 1,8 J dobijeno u temperaturnom opsegu od 80 °C i naponu od 600 V (155 kV cm-1). Ovo se dobro slaže sa prethodno pomenutim 65 mJ za PST MLC debljine 1 mm pod istim uslovima (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentalna postavka sastavljenog HARV1 prototipa zasnovanog na 28 MLC PST-ova debljine 1 mm (4 reda × 7 kolona) koji rade na Olsonovim ciklusima. Za svaki od četiri koraka ciklusa, temperatura i napon su dati u prototipu. Računar pokreće peristaltičku pumpu koja cirkuliše dielektrični fluid između hladnog i vrućeg rezervoara, dva ventila i izvora napajanja. Računar također koristi termoelemente za prikupljanje podataka o naponu i struji koji se napajaju prototipu i temperaturi kombajna iz izvora napajanja. b, Energija (boja) prikupljena našim 4×7 MLC prototipom u odnosu na temperaturni opseg (X-osa) i napon (Y-osa) u različitim eksperimentima.
Veća verzija harvestera (HARV2) sa 60 PST MLC debljine 1 mm i 160 PST MLC debljine 0,5 mm (41,7 g aktivnog piroelektričnog materijala) dala je 11,2 J (dodatna napomena 8). Godine 1984. Olsen je napravio uređaj za prikupljanje energije na bazi 317 g jedinjenja Pb(Zr,Ti)O3 dopiranog kositrom, sposobnog da proizvede 6,23 J električne energije na temperaturi od oko 150 °C (ref. 21). Za ovaj kombajn, ovo je jedina druga dostupna vrijednost u rasponu džula. Dobio je nešto više od polovine vrijednosti koju smo postigli i skoro sedam puta veći kvalitet. To znači da je gustina energije HARV2 13 puta veća.
Period ciklusa HARV1 je 57 sekundi. Ovo je proizvelo 54 mW snage sa 4 reda po 7 kolona MLC kompleta debljine 1 mm. Da bismo napravili korak dalje, napravili smo treći kombajn (HARV3) sa PST MLC-om debljine 0,5 mm i sličnom postavom kao HARV1 i HARV2 (dodatna napomena 9). Izmjerili smo vrijeme termalizacije od 12,5 sekundi. Ovo odgovara vremenu ciklusa od 25 s (dopunska slika 9). Prikupljena energija (47 mJ) daje električnu snagu od 1,95 mW po MLC-u, što nam zauzvrat omogućava da zamislimo da HARV2 proizvodi 0,55 W (otprilike 1,95 mW × 280 PST MLC debljine 0,5 mm). Osim toga, simulirali smo prijenos topline koristeći simulaciju konačnih elemenata (COMSOL, Dodatna napomena 10 i Dopunske tablice 2–4) u skladu s eksperimentima HARV1. Modeliranje konačnih elemenata omogućilo je predviđanje vrijednosti snage gotovo reda veličine (430 mW) za isti broj PST kolona tako što je MLC stanjio na 0,2 mm, koristeći vodu kao rashladnu tekućinu i vraćajući matricu na 7 redova . × 4 kolone (pored 960 mW kada je rezervoar bio pored kombajna, dopunska slika 10b).
Da bi se demonstrirala korisnost ovog kolektora, Stirlingov ciklus je primijenjen na samostalni demonstrator koji se sastoji od samo dva PST MLC-a debljine 0,5 mm kao kolektora topline, visokonaponskog prekidača, niskonaponskog prekidača sa kondenzatorom za skladištenje, DC/DC pretvarača , mikrokontroler male snage, dva termopara i pojačivač (dopunska napomena 11). Kolo zahtijeva da se kondenzator za pohranu u početku napuni na 9V, a zatim radi autonomno dok se temperatura dva MLC-a kreće od -5°C do 85°C, ovdje u ciklusima od 160 s (nekoliko ciklusa je prikazano u Dodatnoj napomeni 11) . Zanimljivo je da dva MLC-a težine samo 0,3 g mogu autonomno kontrolisati ovaj veliki sistem. Još jedna zanimljiva karakteristika je da je niskonaponski pretvarač sposoban da konvertuje 400V u 10-15V sa efikasnošću od 79% (dodatna napomena 11 i dodatna slika 11.3).
Na kraju, procijenili smo efikasnost ovih MLC modula u pretvaranju toplotne energije u električnu energiju. Faktor kvaliteta η efikasnosti definisan je kao odnos gustine prikupljene električne energije Nd i gustine isporučene toplote Qin (dodatna napomena 12):
Slike 3a,b prikazuju efikasnost η i proporcionalnu efikasnost ηr Olsenovog ciklusa, respektivno, kao funkciju temperaturnog opsega PST MLC debljine 0,5 mm. Oba skupa podataka data su za električno polje od 195 kV cm-1. Efikasnost \(\ovo\) dostiže 1,43%, što je ekvivalentno 18% ηr. Međutim, za temperaturni opseg od 10 K od 25 °C do 35 °C, ηr dostiže vrijednosti do 40% (plava kriva na slici 3b). Ovo je dvostruko veća vrijednost za NLP materijale snimljene u PMN-PT filmovima (ηr = 19%) u temperaturnom opsegu od 10 K i 300 kV cm-1 (Ref. 18). Temperaturni rasponi ispod 10 K nisu uzeti u obzir jer je termička histereza PST MLC između 5 i 8 K. Prepoznavanje pozitivnog efekta faznih prelaza na efikasnost je kritično. Zapravo, optimalne vrijednosti η i ηr su gotovo sve dobivene na početnoj temperaturi Ti = 25°C na sl. 3a,b. To je zbog bliskog faznog prijelaza kada se ne primjenjuje polje, a Curiejeva temperatura TC je oko 20 °C u ovim MLC-ovima (dodatna napomena 13).
a,b, efikasnost η i proporcionalna efikasnost Olsonovog ciklusa (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } za maksimalno električno polje od 195 kV cm-1 i različite početne temperature Ti, }}\,\)(b) za MPC PST debljine 0,5 mm, u zavisnosti od temperaturnog intervala ΔTspan.
Potonje zapažanje ima dvije važne implikacije: (1) svaki efektivni ciklus mora početi na temperaturama iznad TC da bi se dogodio fazni prijelaz (iz paraelektričnog u feroelektrični) izazvan poljem; (2) ovi materijali su efikasniji u vremenima rada blizu TC. Iako su u našim eksperimentima prikazane velike efikasnosti, ograničen temperaturni raspon nam ne dozvoljava da postignemo veliku apsolutnu efikasnost zbog Carnotove granice (\(\Delta T/T\)). Međutim, odlična efikasnost koju su pokazali ovi PST MLC-ovi opravdava Olsena kada pominje da „idealan regenerativni termoelektrični motor klase 20 koji radi na temperaturama između 50 °C i 250 °C može imati efikasnost od 30%“17. Kako bi se dostigle ove vrijednosti i testirao koncept, bilo bi korisno koristiti dopirane PST-ove s različitim TC-ima, kako su proučavali Shebanov i Borman. Oni su pokazali da TC u PST može varirati od 3°C (dopiranje Sb) do 33°C (dopiranje Ti) 22 . Stoga pretpostavljamo da se piroelektrični regeneratori sljedeće generacije bazirani na dopiranim PST MLC-ovima ili drugim materijalima sa jakom faznom tranzicijom prvog reda mogu takmičiti s najboljim sakupljačima energije.
U ovoj studiji smo istraživali MLC napravljene od PST-a. Ovi uređaji se sastoje od niza Pt i PST elektroda, pri čemu je nekoliko kondenzatora spojeno paralelno. PST je odabran jer je odličan EC materijal i stoga potencijalno odličan NLP materijal. Pokazuje oštar feroelektrično-paraelektrični fazni prijelaz prvog reda oko 20 °C, što ukazuje da su njegove entropijske promjene slične onima prikazanim na slici 1. Slični MLC-ovi su u potpunosti opisani za EC13,14 uređaje. U ovoj studiji koristili smo MLC 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC debljine 1 mm i 0,5 mm izrađene su od 19 i 9 slojeva PST-a debljine 38,6 µm, respektivno. U oba slučaja, unutrašnji PST sloj je postavljen između platinskih elektroda debljine 2,05 µm. Dizajn ovih MLC-ova pretpostavlja da je 55% PST-ova aktivno, što odgovara dijelu između elektroda (Dopunska napomena 1). Površina aktivne elektrode iznosila je 48,7 mm2 (dopunska tabela 5). MLC PST je pripremljen reakcijom čvrste faze i metodom livenja. Detalji procesa pripreme opisani su u prethodnom članku14. Jedna od razlika između PST MLC-a i prethodnog članka je redoslijed B-stranica, što u velikoj mjeri utiče na performanse EC-a u PST-u. Redoslijed B-lokacija PST MLC-a je 0,75 (Dopunska napomena 2) dobijeno sinteriranjem na 1400°C nakon čega slijedi stotine sati dugog žarenja na 1000°C. Za više informacija o PST MLC-u, pogledajte Dodatne napomene 1-3 i Dodatnu tabelu 5.
Glavni koncept ove studije zasnovan je na Olsonovom ciklusu (slika 1). Za takav ciklus potreban nam je topli i hladni rezervoar i napajanje sposobno za praćenje i kontrolu napona i struje u različitim MLC modulima. Ovi direktni ciklusi koristili su dvije različite konfiguracije, naime (1) Linkam moduli za grijanje i hlađenje jednog MLC-a spojenog na Keithley 2410 izvor napajanja, i (2) tri prototipa (HARV1, HARV2 i HARV3) paralelno sa istim izvorom energije. U potonjem slučaju, dielektrični fluid (silikonsko ulje viskoziteta 5 cP na 25°C, kupljeno od Sigma Aldrich) korišten je za razmjenu topline između dva rezervoara (toplog i hladnog) i MLC-a. Termalni rezervoar se sastoji od staklene posude ispunjene dielektričnim fluidom i postavljenog na termalnu ploču. Hladnjak se sastoji od vodenog kupatila sa cijevima za tekućinu koje sadrže dielektrični fluid u velikoj plastičnoj posudi napunjenoj vodom i ledom. Dva trosmjerna štipaljka (kupljena od Bio-Chem Fluidics) postavljena su na svaki kraj kombajna kako bi se tečnost pravilno prebacila iz jednog rezervoara u drugi (Slika 2a). Kako bi se osigurala termička ravnoteža između PST-MLC paketa i rashladne tekućine, period ciklusa je produžen sve dok ulazni i izlazni termoparovi (što bliže PST-MLC paketu) nisu pokazali istu temperaturu. Python skripta upravlja i sinkronizira sve instrumente (izvorne mjerače, pumpe, ventile i termoelemente) kako bi pokrenuli ispravan Olsonov ciklus, tj. petlja rashladne tekućine počinje kružiti kroz PST snop nakon što se izvorni mjerač napuni tako da se zagrije na željenu vrijednost. primijenjeni napon za dati Olsonov ciklus.
Alternativno, ova direktna mjerenja prikupljene energije potvrdili smo indirektnim metodama. Ove indirektne metode se zasnivaju na električnim pomakom (D) – petlji polja električnog polja (E) prikupljenim na različitim temperaturama, a izračunavanjem površine između dvije DE petlje može se precizno procijeniti koliko energije se može prikupiti, kao što je prikazano na slici. . na slici 2. .1b. Ove DE petlje se također prikupljaju pomoću Keithley izvornih mjerača.
Dvadeset osam PST MLC-a debljine 1 mm sastavljeno je u 4-rednu, 7-stubnu paralelnu strukturu ploča prema projektu opisanom u referenci. 14. Razmak između PST-MLC redova iznosi 0,75 mm. Ovo se postiže dodavanjem traka dvostrane trake kao tečnih odstojnika oko ivica PST MLC-a. PST MLC je električno povezan paralelno sa srebrnim epoksidnim mostom u kontaktu sa vodovima elektrode. Nakon toga, žice su zalijepljene srebrnom epoksidnom smolom sa svake strane terminala elektrode za spajanje na napajanje. Na kraju ubacite cijelu strukturu u poliolefinsko crijevo. Potonji je zalijepljen na cijev za tekućinu kako bi se osiguralo pravilno zaptivanje. Konačno, termoelementi K-tipa debljine 0,25 mm ugrađeni su u svaki kraj PST-MLC strukture za praćenje ulazne i izlazne temperature tekućine. Da biste to učinili, crijevo prvo mora biti perforirano. Nakon ugradnje termoelementa, nanesite isto ljepilo kao prije između crijeva termoelementa i žice kako biste vratili brtvu.
Izrađeno je osam odvojenih prototipova, od kojih su četiri imala 40 MLC PST-ova debljine 0,5 mm raspoređenih kao paralelne ploče sa 5 kolona i 8 redova, a preostala četiri su imala po 15 MLC PST-ova debljine 1 mm. u strukturi paralelnih ploča od 3 stupca × 5 redova. Ukupan broj korištenih PST MLC-a bio je 220 (160 debljine 0,5 mm i 60 PST MLC-a debljine 1 mm). Ove dvije podjedinice nazivamo HARV2_160 i HARV2_60. Tečni jaz u prototipu HARV2_160 sastoji se od dvije dvostrane trake debljine 0,25 mm sa žicom debljine 0,25 mm između njih. Za prototip HARV2_60 ponovili smo isti postupak, ali koristeći žicu debljine 0,38 mm. Radi simetrije, HARV2_160 i HARV2_60 imaju vlastita kola fluida, pumpe, ventile i hladnu stranu (dodatna napomena 8). Dvije HARV2 jedinice dijele spremnik topline, posudu od 3 litre (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvije ploče za kuhanje sa rotirajućim magnetima. Svih osam pojedinačnih prototipova električno je povezano paralelno. Podjedinice HARV2_160 i HARV2_60 rade istovremeno u Olsonovom ciklusu, što rezultira žetvom energije od 11,2 J.
Stavite PST MLC debljine 0,5 mm u poliolefinsko crijevo sa dvostranom trakom i žicom s obje strane kako biste stvorili prostor za protok tekućine. Zbog svoje male veličine, prototip je postavljen pored ventila rezervoara za toplu ili hladnu vodu, minimizirajući vrijeme ciklusa.
U PST MLC, konstantno električno polje se primjenjuje primjenom konstantnog napona na granu grijanja. Kao rezultat, stvara se negativna toplinska struja i energija se pohranjuje. Nakon zagrijavanja PST MLC-a, polje se uklanja (V = 0), a energija pohranjena u njemu se vraća nazad u brojač izvora, što odgovara još jednom doprinosu prikupljene energije. Konačno, sa primijenjenim naponom V = 0, MLC PST se hlade na svoju početnu temperaturu tako da ciklus može ponovo početi. U ovoj fazi energija se ne prikuplja. Pokrenuli smo Olsenov ciklus koristeći Keithley 2410 SourceMeter, punili PST MLC iz izvora napona i postavili trenutno podudaranje na odgovarajuću vrijednost tako da je tokom faze punjenja prikupljeno dovoljno bodova za pouzdane proračune energije.
U Stirlingovim ciklusima, PST MLC su napunjeni u načinu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0), željenoj struji usklađenosti tako da korak punjenja traje oko 1 s (i prikupljeno je dovoljno bodova za pouzdan proračun energija) i hladna temperatura. U Stirlingovim ciklusima, PST MLC su napunjeni u načinu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0), željenoj struji usklađenosti tako da korak punjenja traje oko 1 s (i prikupljeno je dovoljno bodova za pouzdan proračun energija) i hladna temperatura. U ciklusu Stirlinga PST MLC se nalazi u režimu izvora napona pri početnim značenjima električnog polja (početno napon Vi > 0), željenim dodatnim tokom, tako da faza napajanja traje oko 1 s (i bira se dovoljan broj točaka za pouzdano izračunavanje energije) i hladnu temperaturu. U Stirling PST MLC ciklusima, punili su se u načinu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0), željenoj struji prinosa, tako da faza punjenja traje oko 1 s (i dovoljan broj bodova se prikupljaju za pouzdan proračun energije) i 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）浉絔酒）充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。 U glavnom ciklusu, PST MLC se puni na početnu vrijednost električnog polja (početni napon Vi > 0) u načinu izvora napona, tako da je potrebnoj struji usklađenosti potrebno oko 1 sekunde za korak punjenja (i prikupili smo dovoljno bodova da pouzdano izračunati (energiju) i niske temperature. U ciklusu Stirlinga PST MLC se postavlja u režim izvornog napona sa početnim značenjem električnog polja (početno napon Vi > 0), trebujući tok podatljivosti tako, što faza napajanja traje oko 1 s (i bira se dovoljan broj točaka, da bi se pouzdano izračunala energija) i niske temperature . U Stirlingovom ciklusu, PST MLC se puni u načinu izvora napona sa početnom vrijednošću električnog polja (početni napon Vi > 0), potrebna struja usklađenosti je takva da faza punjenja traje oko 1 s (i dovoljan broj bodova se prikupljaju kako bi se pouzdano izračunala energija) i niske temperature .Prije nego što se PST MLC zagrije, otvorite strujni krug primjenom odgovarajuće struje od I = 0 mA (minimalna usklađena struja koju naš mjerni izvor može podnijeti je 10 nA). Kao rezultat toga, naboj ostaje u PST-u MJK-a, a napon raste kako se uzorak zagrijava. U kraku BC se ne prikuplja energija jer je I = 0 mA. Nakon postizanja visoke temperature, napon u MLT FT raste (u nekim slučajevima i više od 30 puta, vidi dodatnu sliku 7.2), MLK FT se prazni (V = 0), a električna energija se u njima pohranjuje za isto toliko jer su početna naplata. Ista trenutna korespondencija se vraća izvoru brojila. Zbog povećanja napona, uskladištena energija na visokoj temperaturi je veća od one koja je bila obezbeđena na početku ciklusa. Posljedično, energija se dobiva pretvaranjem topline u električnu energiju.
Koristili smo Keithley 2410 SourceMeter za praćenje napona i struje primijenjene na PST MLC. Odgovarajuća energija se izračunava integracijom proizvoda napona i struje očitanih na Keithleyjevom izvornom mjeraču, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ lijevo(t\ desno){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), gdje je τ period perioda. Na našoj energetskoj krivulji, pozitivne energetske vrijednosti znače energiju koju moramo dati MLC PST-u, a negativne vrijednosti znače energiju koju izvlačimo iz njih i samim tim primljenu energiju. Relativna snaga za dati ciklus prikupljanja određuje se dijeljenjem prikupljene energije s periodom τ cijelog ciklusa.
Svi podaci su prikazani u glavnom tekstu ili u dodatnim informacijama. Pisma i zahtjeve za materijale treba uputiti na izvor AT ili ED podataka koji se nalaze u ovom članku.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za prikupljanje energije. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za prikupljanje energije.Ando Junior, Ohajo, Maran, ALO i Henao, NC Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za prikupljanje 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, Ohajo, Maran, ALO i Henao, NC razmatraju razvoj i primjenu termoelektričnih mikrogeneratora za prikupljanje energije.životopis. podrška. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotonaponski materijali: sadašnja efikasnost i budući izazovi. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotonaponski materijali: sadašnja efikasnost i budući izazovi.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK Fotonaponski materijali: trenutni učinak i budući izazovi. 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 Solarni materijali: trenutna efikasnost i budući izazovi.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK Fotonaponski materijali: trenutni učinak i budući izazovi.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Povezani piro-piezoelektrični efekat za istovremeni senzor temperature i pritiska sa sopstvenim napajanjem. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunktivni piro-piezoelektrični efekat za istovremeni senzor temperature i pritiska sa sopstvenim napajanjem.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinovani piropijezoelektrični efekat za autonomno istovremeno merenje temperature i pritiska. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Za samonapajanje u isto vrijeme kao temperatura i pritisak.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinovani termopiezoelektrični efekat za autonomno istovremeno merenje temperature i pritiska.Naprijed. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Sakupljanje energije zasnovano na Ericssonovim piroelektričnim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Sakupljanje energije zasnovano na Ericssonovim piroelektričnim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Sakupljanje energije zasnovano na piroelektričnim Ericssonovim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Sakupljanje energije u relaksorskoj feroelektričnoj keramici na bazi Ericssonovog piroelektričnog ciklusa. Pametna alma mater. strukturu. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali sljedeće generacije za međukonverziju elektrotermalne energije u čvrstom stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali sljedeće generacije za međukonverziju elektrotermalne energije u čvrstom stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali sljedeće generacije za međukonverziju elektrotermalne energije u čvrstom 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逐 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali sljedeće generacije za međukonverziju elektrotermalne energije u čvrstom stanju.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard i broj zasluga za kvantifikaciju performansi piroelektričnih nanogeneratora. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard i broj zasluga za kvantifikaciju performansi piroelektričnih nanogeneratora.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Standardna i kvalitetna ocjena za kvantificiranje performansi piroelektričnih nanogeneratora. 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 i Yang, Yu. Kriterijumi i mjere performansi za kvantifikaciju performansi piroelektričnog nanogeneratora.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Ciklusi elektrokalorijskog hlađenja u olovo skandijevom tantalatu sa istinskom regeneracijom putem varijacije polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Ciklusi elektrokalorijskog hlađenja u olovo skandijevom tantalatu sa istinskom regeneracijom putem varijacije polja.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Ciklusi elektrokalorijskog hlađenja u olovo-skandij tantalatu sa istinskom regeneracijom pomoću 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 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i 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. i Mathur, ND. Ciklus elektrotermalnog hlađenja tantalata skandija i olova za istinsku regeneraciju kroz preokret polja.fizike Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorični materijali u blizini feroičnih faznih prelaza. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorični materijali u blizini feroičnih faznih prelaza.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Kalorični materijali u blizini faznih prelaza feroida. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Termalni materijali u blizini crne metalurgije.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Termalni materijali u blizini faznih prelaza gvožđa.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kalorični materijali za hlađenje i grijanje. Moya, X. & Mathur, ND Kalorični materijali za hlađenje i grijanje.Moya, X. i Mathur, ND Termalni materijali za hlađenje i grijanje. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Termalni materijali za hlađenje i grijanje.Moya X. i Mathur ND Termalni materijali za hlađenje i grijanje.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: a review. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: a review.Torello, A. i Defay, E. Electrocaloric chillers: a review. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. i Defay, E. Electrothermal coolers: a review.Napredno. elektronski. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Ogromna energetska efikasnost elektrokaloričnih materijala u visoko uređenom skandij-skandij-olovu. Nacionalna komunikacija. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Elektrotermički efekat oksidnih višeslojnih kondenzatora je velik u širokom temperaturnom rasponu. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Ogroman temperaturni raspon u elektrotermalnim regeneratorima. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Elektrotermalni sistem hlađenja visokih performansi. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadni elektrotermički rashladni uređaj za veliki porast temperature. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Visoka efikasna direktna konverzija toplote u električnu energiju piroelektrična merenja. Olsen, RB & Brown, DD Visoka efikasna direktna konverzija toplote u električnu energiju piroelektrična merenja.Olsen, RB i Brown, DD Visoko efikasna direktna konverzija toplote u električnu energiju povezana sa piroelektričnim merenjima. 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 i Brown, DD Efikasna direktna konverzija toplote u električnu energiju povezana sa piroelektričnim merenjima.Feroelektrika 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Gustina energije i snage u tankim relaksorskim feroelektričnim filmovima. Nacionalna alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična konverzija: optimizacija feroelektričnog faznog prijelaza i električnih gubitaka. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična konverzija: optimizacija feroelektričnog faznog prijelaza i električnih gubitaka.Smith, AN i Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična konverzija: feroelektrični fazni prijelaz i optimizacija električnih gubitaka. 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 i Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična konverzija: optimizacija feroelektričnih faznih prijelaza i električnih gubitaka.J. Application. fizike. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Upotreba feroelektričnih materijala za pretvaranje toplotne energije u električnu. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvarač energije. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvarač energije.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i 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 i Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvarači energije.Feroelektrika 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. O čvrstim rastvorima olovo-skandij tantalata sa visokim elektrokalorijskim efektom. Shebanov, L. & Borman, K. O čvrstim rastvorima olovo-skandij tantalata sa visokim elektrokalorijskim efektom.Shebanov L. i Borman K. O čvrstim rastvorima olovo-skandijum tantalata sa visokim elektrokalorijskim efektom. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Šebanov, L. i Borman, K.Shebanov L. i Borman K. O čvrstim rastvorima skandij-olovo-skandij sa visokim elektrokaloričnim efektom.Feroelektrika 127, 143–148 (1992).
Zahvaljujemo N. Furusawi, Y. Inoueu i K. Hondi na njihovoj pomoći u kreiranju MLC-a. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB i ED Hvala Luksemburškoj nacionalnoj istraživačkoj fondaciji (FNR) na podršci ovom radu kroz CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay i BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Odsjek za istraživanje i tehnologiju materijala, Luksemburški tehnološki institut (LIST), Belvoir, Luksemburg