Ponuda održivih izvora električne energije jedan je od najvažnijih izazova ovog stoljeća. Istraživačka područja u materijalima za prikupljanje energije proizlaze iz ove motivacije, uključujući termoelektrične1, fotonaponske2 i termofotovoltaične3. Iako nam nedostaju materijali i uređaji sposobni za prikupljanje energije u Jouleovom rasponu, 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 generirati gustoću 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 raspon od 10 K, ovi višeslojni kondenzatori mogu dostići 40% Carnotove efikasnosti. Ova svojstva su posljedica (1) promjene feroelektrične faze za visoku efikasnost, (2) niske struje curenja radi sprječavanja gubitaka i (3) visokog probojnog napona. Ovi makroskopski, skalabilni i efikasni piroelektrični sakupljači energije redefiniraju termoelektrično generiranje energije.
U poređenju sa prostornim temperaturnim gradijentom potrebnim za termoelektrične materijale, prikupljanje energije termoelektričnih materijala zahtijeva cikliranje temperature tokom vremena. To znači termodinamički ciklus, koji se najbolje opisuje dijagramom entropije (S)-temperature (T). Slika 1a prikazuje tipičan ST dijagram nelinearnog piroelektričnog (NLP) materijala koji demonstrira feroelektrični-paraelektrični fazni prijelaz vođen poljem u skandij-olovnom tantalatu (PST). Plavi i zeleni dijelovi ciklusa na ST dijagramu odgovaraju pretvorenoj električnoj energiji u Olsonovom ciklusu (dva izotermna i dva izopolna dijela). Ovdje razmatramo dva ciklusa s istom promjenom električnog polja (polje uključeno i isključeno) i promjenom temperature ΔT, iako s različitim početnim temperaturama. Zeleni ciklus se ne nalazi u području faznog prijelaza i stoga ima mnogo manju površinu od plavog ciklusa koji se nalazi u području faznog prijelaza. Na ST dijagramu, što je veća površina, to je veća prikupljena energija. Stoga, fazni prijelaz mora prikupiti više energije. Potreba za ciklusima velike površine u NLP-u vrlo je slična potrebi za elektrotermičkim primjenama9, 10, 11, 12 gdje su PST višeslojni kondenzatori (MLC) i terpolimeri na bazi PVDF-a nedavno pokazali odlične performanse u obrnutom smjeru. Status performansi hlađenja u ciklusu 13, 14, 15, 16. Stoga smo identificirali PST MLC-ove od interesa za prikupljanje termalne energije. Ovi uzorci su u potpunosti opisani u metodama i okarakterizirani u dodatnim bilješkama 1 (skenirajuća elektronska mikroskopija), 2 (rendgenska difrakcija) i 3 (kalorimetrija).
a, Skica dijagrama entropije (S)-temperature (T) s uključenim i isključenim električnim poljem primijenjenim na NLP materijale, koji prikazuje fazne prijelaze. Prikazana su dva ciklusa prikupljanja energije u dvije različite temperaturne zone. Plavi i zeleni ciklusi se javljaju unutar i izvan faznog prijelaza, respektivno, i završavaju u vrlo različitim područjima 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-ovi su napunjeni na 155 kV cm-1 na 20 °C. BC: MLC je održavan na 155 kV cm-1 i temperatura je povišena 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 (crno) i struja (crveno) 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, respektivno, za MLC debljine 1 mm. Energija se izračunava iz krivulja struje i napona na gornjem panelu. Negativna energija odgovara prikupljenoj energiji. Koraci koji odgovaraju velikim slovima na četiri slike 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 o prikupljanju piroelektrične energije 1980-ih17.
Na slici 1b prikazane su dvije monopolarne DE petlje uzoraka PST-MLC debljine 1 mm sastavljenih na 20 °C i 90 °C, respektivno, u rasponu od 0 do 155 kV cm-1 (600 V). Ova dva ciklusa mogu se koristiti za indirektno izračunavanje energije prikupljene Olsonovim ciklusom prikazanim na slici 1a. U stvari, Olsenov ciklus se sastoji od dvije izopoljske grane (ovdje, nulto polje u DA grani i 155 kV cm-1 u BC grani) i dvije izotermne grane (ovdje, 20°C i 20°C u AB grani). C u CD grani. Energija prikupljena tokom ciklusa odgovara narandžastom i plavom području (EdD integral). Sakupljena energija Nd je razlika između ulazne i izlazne energije, tj. samo narandžasto područje na slici 1b. Ovaj određeni Olsonov ciklus daje gustinu energije Nd od 1,78 J cm-3. Stirlingov ciklus je alternativa Olsonovom ciklusu (Dodatna napomena 7). Budući da se faza konstantnog naboja (otvoreni krug) lakše dostiže, gustoća energije izvučena iz slike 1b (ciklus AB'CD) dostiže 1,25 J cm-3. Ovo je samo 70% onoga što Olsonov ciklus može sakupiti, ali jednostavna oprema za sakupljanje to omogućava.
Pored toga, direktno smo izmjerili energiju prikupljenu tokom Olsonovog ciklusa napajanjem PST MLC-a pomoću Linkam stepena za kontrolu temperature i mjerača izvora (metoda). Slika 1c na vrhu i u odgovarajućim umetcima prikazuje struju (crvena) i napon (crna) 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 krivulje su prikazane na slici 1c, dolje (zelena) i temperatura (žuta) tokom cijelog ciklusa. Slova ABCD predstavljaju isti Olsonov ciklus na slici 1. Punjenje MLC-a se odvija tokom AB faze i provodi se pri niskoj struji (200 µA), tako da SourceMeter može pravilno kontrolirati punjenje. Posljedica ove konstantne početne struje je da krivulja napona (crna krivulja) nije linearna zbog nelinearnog polja pomjeranja potencijala D PST (slika 1c, gornji umetak). Na kraju punjenja, 30 mJ električne energije se pohranjuje u MLC-u (tačka B). MLC se zatim zagrijava i proizvodi 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 kompenzirana, iako je step uzorak proizveo u kolu električnu snagu od 35 mJ tokom ovog izopolja (drugi umetak na slici 1c, gore). Napon na MLC-u (grana CD) se zatim smanjuje, što rezultira sa dodatnih 60 mJ električnog rada. Ukupna izlazna energija je 95 mJ. Sakupljena energija je razlika između ulazne i izlazne energije, što daje 95 – 30 = 65 mJ. To odgovara gustoći energije od 1,84 J cm-3, što je vrlo blizu Nd ekstrahovanom iz DE prstena. Ponovljivost 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 prijavljenih u literaturi za direktne Olsonove cikluse i postignuto je na tankim filmovima Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm-1). Dodatna tabela 1 za više vrijednosti u literaturi). Ove performanse su postignute zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10−7 A na 750 V i 180 °C, pogledajte detalje u Dodatnoj napomeni 6) - ključnoj tački koju su spomenuli Smith i saradnici19 - za razliku od materijala korištenih u ranijim studijama17,20. Ove performanse su postignute zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10−7 A na 750 V i 180 °C, pogledajte detalje u Dodatnoj napomeni 6) - ključnoj tački koju su spomenuli Smith i saradnici19 - za razliku od materijala korištenih 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 Dodatnu napomenu 6 za detalje) – kritičnoj tački koju su spomenuli Smith i saradnici 19 – za razliku od materijala korištenih u ranijim studijama 17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低 (在750 V 和180 °C 时<10-7 A,请参见补充说明6中的详细信息）——Smith 等人19提到的关键点——相比之下,已经达到了这种性能到早期研究中使用的17, 20. 01.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 明 说信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之 相比之 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 相之下 相之下相比之下 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。 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 Dodatnu napomenu 6 za detalje) – ključna tačka koju su Smith i saradnici spomenuli 19 – radi poređenja, postignute su ove performanse.na materijale korištene u ranijim studijama 17,20.
Isti uslovi (600 V, 20–90 °C) primijenjeni su na Stirlingov ciklus (Dodatna napomena 7). Kao što se i očekivalo na osnovu rezultata DE ciklusa, prinos je bio 41,0 mJ. Jedna od najupečatljivijih karakteristika Stirlingovih ciklusa je njihova sposobnost pojačavanja početnog napona putem termoelektričnog efekta. Uočili smo porast napona do 39 (od početnog napona od 15 V do krajnjeg napona do 590 V, vidi Dodatnu sliku 7.2).
Još jedna karakteristika ovih MLC-ova je da su to makroskopski objekti dovoljno veliki da sakupljaju energiju u džulovom rasponu. Stoga smo konstruirali prototip sakupljača (HARV1) koristeći 28 MLC PST debljine 1 mm, slijedeći isti dizajn paralelnih ploča koji su opisali Torello i saradnici14, u matrici 7×4 kao što je prikazano na slici. Dielektrična tekućina koja prenosi toplinu u razvodniku se istiskuje peristaltičkom pumpom između dva rezervoara gdje se temperatura tekućine održava konstantnom (metoda). Sakuplja do 3,1 J koristeći Olsonov ciklus opisan na slici 2a, izotermna područja na 10°C i 125°C i izopoljska područja na 0 i 750 V (195 kV cm-1). To odgovara gustoći energije od 3,14 J cm-3. Korištenjem ovog kombajna, mjerenja su izvršena pod različitim uvjetima (slika 2b). Treba napomenuti da je 1,8 J dobiveno u temperaturnom rasponu od 80 °C i naponu od 600 V (155 kV cm-1). Ovo je u skladu sa prethodno spomenutih 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, prototip daje podatke o temperaturi i naponu. Računar pokreće peristaltičku pumpu koja cirkuliše dielektrični fluid između hladnog i toplog rezervoara, dva ventila i izvora napajanja. Računar također koristi termoelemente za prikupljanje podataka o naponu i struji koji se dovode do prototipa i temperaturi kombajna iz napajanja. b, Energija (boja) koju je prikupio naš 4×7 MLC prototip u odnosu na temperaturni raspon (X-osa) i napon (Y-osa) u različitim eksperimentima.
Veća verzija kombajna (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 kombajn za sakupljanje energije na bazi 317 g spoja Pb(Zr,Ti)O3 dopiranog kalajem, sposobnog za generiranje 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 mi postigli i skoro sedam puta bolji kvalitet. To znači da je gustoća energije HARV2 13 puta veća.
Period ciklusa HARV1 je 57 sekundi. Ovo je proizvelo 54 mW snage sa 4 reda od 7 kolona MLC setova debljine 1 mm. Da bismo otišli korak dalje, izgradili smo treći kombinat (HARV3) sa PST MLC-om debljine 0,5 mm i sličnom postavkom kao kod HARV1 i HARV2 (Dodatna napomena 9). Izmjerili smo vrijeme termalizacije od 12,5 sekundi. To odgovara vremenu ciklusa od 25 s (Dodatna 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 (približno 1,95 mW × 280 PST MLC debljine 0,5 mm). Pored toga, simulirali smo prijenos topline koristeći simulaciju konačnih elemenata (COMSOL, Dodatna napomena 10 i Dodatne tabele 2–4) što odgovara HARV1 eksperimentima. Modeliranje konačnih elemenata omogućilo je predviđanje vrijednosti snage gotovo za red veličine većih (430 mW) za isti broj PST kolona prorjeđivanjem MLC-a na 0,2 mm, korištenjem vode kao rashladnog sredstva i vraćanjem matrice na 7 redova. × 4 kolone (pored , bilo je 960 mW kada je rezervoar bio pored kombajna, Dodatna 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 toplote, visokonaponskog prekidača, niskonaponskog prekidača sa kondenzatorom za pohranu, DC/DC pretvarača, mikrokontrolera male snage, dva termoelementa i boost pretvarača (Dodatna napomena 11). Kolo zahtijeva da se kondenzator za pohranu inicijalno napuni na 9 V, 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 pretvoriti 400 V u 10-15 V sa efikasnošću od 79% (Dodatna napomena 11 i Dodatna slika 11.3).
Konačno, procijenili smo efikasnost ovih MLC modula u pretvaranju toplotne energije u električnu energiju. Faktor kvaliteta η efikasnosti definiran je kao odnos gustoće prikupljene električne energije Nd i gustoće isporučene toplote Qin (Dodatna napomena 12):
Slike 3a i b prikazuju efikasnost η i proporcionalnu efikasnost ηr Olsenovog ciklusa, respektivno, kao funkciju temperaturnog raspona PST MLC debljine 0,5 mm. Oba seta podataka data su za električno polje od 195 kV cm-1. Efikasnost dostiže 1,43%, što je ekvivalentno 18% od ηr. Međutim, za temperaturni raspon od 10 K od 25 °C do 35 °C, ηr dostiže vrijednosti do 40% (plava krivulja na slici 3b). Ovo je dvostruko veća od poznate vrijednosti za NLP materijale zabilježene u PMN-PT filmovima (ηr = 19%) u temperaturnom rasponu od 10 K i 300 kV cm-1 (Ref. 18). Temperaturni rasponi ispod 10 K nisu razmatrani jer je termička histereza PST MLC između 5 i 8 K. Prepoznavanje pozitivnog efekta faznih prelaza na efikasnost je ključno. U stvari, optimalne vrijednosti η i ηr su gotovo sve dobijene na početnoj temperaturi Ti = 25°C na slikama 3a,b. To je zbog bliskog faznog prelaza kada se ne primjenjuje polje, a Curiejeva temperatura TC je oko 20 °C u ovim MLC-ima (Dodatna napomena 13).
a,b, efikasnost η i proporcionalna efikasnost Olsonovog ciklusa (a)\({\eta}_{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{\rm{Carnot}} za maksimalnu električnu energiju poljem od 195 kV cm-1 i različitim početnim temperaturama Ti, }}\,\)(b) za MPC PST debljine 0,5 mm, u zavisnosti od temperaturnog intervala ΔTspan.
Potonje zapažanje ima dvije važne implikacije: (1) svako efikasno cikliranje mora započeti na temperaturama iznad TC da bi se dogodio fazni prijelaz izazvan poljem (iz paraelektričnog u feroelektrični); (2) ovi materijali su efikasniji pri vremenima rada bliskim TC. Iako su u našim eksperimentima prikazane velike efikasnosti, ograničeni temperaturni raspon ne dozvoljava nam postizanje velikih apsolutnih efikasnosti zbog Carnotovog limita (ΔT/T). Međutim, odlična efikasnost koju su pokazali ovi PST MLC opravdava Olsenove tvrdnje kada spominje da „idealni regenerativni termoelektrični motor klase 20 koji radi na temperaturama između 50 °C i 250 °C može imati efikasnost od 30%“17. Da bi se dostigle ove vrijednosti i testirao koncept, bilo bi korisno koristiti dopirane PST-ove sa različitim TC-ima, kao što su proučavali Shebanov i Borman. Pokazali su da TC u PST-u može varirati od 3°C (dopiranje Sb) do 33°C (dopiranje Ti)22. Stoga pretpostavljamo da piroelektrični regeneratori sljedeće generacije bazirani na dopiranim PST MLC-ima ili drugim materijalima sa jakim faznim prijelazom prvog reda mogu konkurirati najboljim sakupljačima snage.
U ovoj studiji, istraživali smo MLC-ove 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 feroelektrični-paraelektrični fazni prijelaz prvog reda oko 20 °C, što ukazuje da su njegove promjene entropije slične onima prikazanim na slici 1. Slični MLC-ovi su u potpunosti opisani za EC13,14 uređaje. U ovoj studiji, koristili smo MLC-ove dimenzija 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC-ovi debljine 1 mm i 0,5 mm napravljeni su od 19 i 9 slojeva PST-a debljine 38,6 µm. U oba slučaja, unutrašnji PST sloj je postavljen između platinastih elektroda debljine 2,05 µm. Dizajn ovih MLC-ova pretpostavlja da je 55% PST-ova aktivno, što odgovara dijelu između elektroda (Dodatna napomena 1). Aktivna površina elektrode bila je 48,7 mm2 (Dodatna tabela 5). MLC PST je pripremljen metodom reakcije čvrste faze i livenja. Detalji procesa pripreme opisani su u prethodnom članku14. Jedna od razlika između PST MLC-a i prethodnog članka je redoslijed B-mjesta, što uveliko utiče na performanse elektroforeze (EC) u PST-u. Redoslijed B-mjesta PST MLC-a je 0,75 (Dodatna napomena 2) dobijen sinterovanjem na 1400°C nakon čega slijedi stotinama sati dugo žarenje na 1000°C. Za više informacija o PST MLC-u, pogledajte Dodatne napomene 1-3 i Dodatnu tabelu 5.
Glavni koncept ove studije zasniva se na Olsonovom ciklusu (Sl. 1). Za takav ciklus potreban nam je rezervoar za vruće i hladne vode i napajanje sposobno za praćenje i kontrolu napona i struje u različitim MLC modulima. Ovi direktni ciklusi koristili su dvije različite konfiguracije, i to (1) Linkam moduli koji griju i hlade jedan MLC povezan na Keithley 2410 izvor napajanja, i (2) tri prototipa (HARV1, HARV2 i HARV3) paralelno s istim izvorom energije. U potonjem slučaju, dielektrična tekućina (silikonsko ulje viskoznosti 5 cP na 25°C, kupljeno od Sigma Aldrich) korištena je za izmjenu topline između dva rezervoara (toplog i hladnog) i MLC-a. Termalni rezervoar se sastoji od staklene posude napunjene dielektričnom tekućinom i postavljene na vrh termalne ploče. Hladno skladištenje se sastoji od vodene kupke s cijevima za tekućinu koje sadrže dielektričnu tekućinu u velikoj plastičnoj posudi napunjenoj vodom i ledom. Dva trosmjerna stezna ventila (kupljena od Bio-Chem Fluidics) postavljena su na svaki kraj kombajna kako bi se pravilno prebacivala tekućina iz jednog rezervoara u drugi (Slika 2a). Kako bi se osigurala termalna ravnoteža između PST-MLC paketa i rashladne tekućine, period ciklusa je produžen sve dok ulazni i izlazni termoelementi (što bliže PST-MLC paketu) nisu pokazali istu temperaturu. Python skripta upravlja i sinhronizira sve instrumente (mjerače izvora, pumpe, ventile i termoelemente) kako bi pokrenuli ispravan Olsonov ciklus, tj. petlja rashladne tekućine počinje kružiti kroz PST stek nakon što se mjerač izvora napuni tako da se zagrijavaju na željenom primijenjenom naponu za dati Olsonov ciklus.
Alternativno, potvrdili smo ova direktna mjerenja prikupljene energije indirektnim metodama. Ove indirektne metode se zasnivaju na petljama električnog pomaka (D) - električnog polja (E) prikupljenim na različitim temperaturama, a izračunavanjem površine između dvije DE petlje, može se precizno procijeniti koliko energije se može sakupiti, kao što je prikazano na slici 2.1b. Ove DE petlje se također prikupljaju pomoću Keithley mjerača izvora.
Dvadeset osam PST MLC-ova debljine 1 mm sastavljeno je u paralelnu pločastu strukturu sa 4 reda i 7 kolona prema dizajnu opisanom u referenci. 14. Razmak između redova PST-MLC-a je 0,75 mm. To se postiže dodavanjem traka dvostrane ljepljive trake kao odstojnika za tekućinu oko rubova PST MLC-a. PST MLC je električno spojen paralelno srebrnim epoksidnim mostom u kontaktu s vodovima elektroda. Nakon toga, žice su zalijepljene srebrnom epoksidnom smolom sa svake strane terminala elektroda za spajanje na napajanje. Na kraju, cijela struktura se umetne u poliolefinsko crijevo. Potonje se lijepi za cijev za tekućinu kako bi se osiguralo pravilno brtvljenje. Konačno, termoelementi tipa K debljine 0,25 mm ugrađeni su u svaki kraj PST-MLC strukture za praćenje temperature ulazne i izlazne tekućine. Da bi se to učinilo, crijevo se prvo mora perforirati. Nakon postavljanja termoelementa, nanesite isto ljepilo kao i prije između crijeva termoelementa i žice kako biste obnovili brtvljenje.
Izgrađeno 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 sa 3 kolone × 5 redova. Ukupan broj korištenih PST MLC-ova bio je 220 (160 debljine 0,5 mm i 60 PST MLC debljine 1 mm). Ove dvije podjedinice nazivamo HARV2_160 i HARV2_60. Tečni razmak 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 vlastite fluidne krugove, pumpe, ventile i hladnu stranu (Dodatna napomena 8). Dvije HARV2 jedinice dijele rezervoar toplote, posudu od 3 litre (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvije grijaće ploče s rotirajućim magnetima. Svih osam pojedinačnih prototipova su električno povezani paralelno. Podjedinice HARV2_160 i HARV2_60 rade istovremeno u Olsonovom ciklusu, što rezultira prikupljanjem energije od 11,2 J.
Postavite PST MLC debljine 0,5 mm u poliolefinsko crijevo pomoću dvostrane trake i žice sa obje strane kako biste stvorili prostor za protok tekućine. Zbog svoje male veličine, prototip je postavljen pored ventila vrućeg ili hladnog rezervoara, čime se minimizira vrijeme ciklusa.
U PST MLC-u, konstantno električno polje se primjenjuje primjenom konstantnog napona na granu za grijanje. Kao rezultat toga, generira se negativna termička struja i energija se skladišti. 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, primjenom napona V = 0, MLC PST-ovi se hlade na početnu temperaturu tako da ciklus može ponovo započeti. U ovoj fazi, energija se ne skuplja. Pokrenuli smo Olsenov ciklus koristeći Keithley 2410 SourceMeter, puneći PST MLC iz izvora napona i postavljajući usklađivanje struje na odgovarajuću vrijednost tako da je tokom faze punjenja prikupljeno dovoljno tačaka za pouzdane proračune energije.
U Stirlingovim ciklusima, PST MLC-ovi su punjeni u režimu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0), željenoj struji usklađenosti tako da korak punjenja traje oko 1 s (i da se prikupi dovoljno tačaka za pouzdan proračun energije) i hladnoj temperaturi. U Stirlingovim ciklusima, PST MLC-ovi su punjeni u režimu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0), željenoj struji usklađenosti tako da korak punjenja traje oko 1 s (i da se prikupi dovoljno tačaka za pouzdan proračun energije) i hladnoj temperaturi. 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, oni su punjeni u režimu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0), željenoj struji prinosa, tako da faza punjenja traje oko 1 s (i sakupljen je dovoljan broj tačaka za pouzdan proračun energije) i hladnoj temperaturi.在斯特林循环中, PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）充电，所需的顺应电流使得充电步骤大约需要1秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 U glavnom ciklusu, PST MLC se puni pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0) u režimu izvora napona, tako da potrebna struja usklađenosti traje oko 1 sekundu za korak punjenja (i prikupili smo dovoljno bodova za pouzdano izračunavanje (energije) i niske temperature. U ciklusu Stirlinga PST MLC se postavlja u režim izvornog napona sa početnim značenjima električnog polja (početno napon Vi > 0), trebujući tok podataka tako da faza napajanja traje oko 1 s (i bira se dovoljan broj točaka, da bi se pouzdano rasčitala energija) i niske temperature. U Stirlingovom ciklusu, PST MLC se puni u režimu izvora napona sa početnom vrijednošću električnog polja (početni napon Vi > 0), potrebna struja usklađenosti je takva da faza punjenja traje oko 1 s (i da se sakupi dovoljan broj tačaka za pouzdano izračunavanje energije) i niskim temperaturama.Prije nego što se PST MLC zagrije, otvorite strujno kolo primjenom odgovarajuće struje od I = 0 mA (minimalna odgovarajuća struja koju naš mjerni izvor može podnijeti je 10 nA). Kao rezultat toga, u PST-u MJK-a ostaje naboj, a napon se povećava kako se uzorak zagrijava. U kraku BC se ne prikuplja energija jer je I = 0 mA. Nakon dostizanja visoke temperature, napon u MLT FT-u se povećava (u nekim slučajevima više od 30 puta, pogledajte dodatnu sliku 7.2), MLK FT se prazni (V = 0), a električna energija se u njima pohranjuje za isti period početnog naboja. Ista strujna korespondencija se vraća u brojilo-izvor. Zbog pojačanja napona, pohranjena energija na visokoj temperaturi je veća od one koja je obezbijeđena na početku ciklusa. Posljedično, energija se dobija pretvaranjem toplote 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 očitane Keithleyjevim mjeračem izvora, \ (E = {\int}_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), gdje je τ period perioda. Na našoj energetskoj krivulji, pozitivne vrijednosti energije označavaju energiju koju moramo dati MLC PST-u, a negativne vrijednosti označavaju energiju koju izvlačimo iz njih, a samim tim i primljenu energiju. Relativna snaga za dati ciklus sakupljanja određuje se dijeljenjem sakupljene energije s periodom τ cijelog ciklusa.
Svi podaci su predstavljeni u glavnom tekstu ili u dodatnim informacijama. Pisma i zahtjevi za materijalima trebaju biti upućeni izvoru AT ili ED podataka koji su dostavljeni uz ovaj članak.
Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NC. Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za prikupljanje energije. Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NC. Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za prikupljanje energije.Ando Junior, Ohio, 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, Ohio, 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: trenutne performanse 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: trenutne performanse i budući izazovi.Nauka 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Konjunktovani piro-piezoelektrični efekat za simultano mjerenje temperature i pritiska sa sopstvenim napajanjem. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Konjunktivni piro-piezoelektrični efekat za simultano mjerenje temperature i pritiska sa sopstvenim napajanjem.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinovani piropiezoelektrični efekat za autonomno simultano mjerenje 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 i Yang, Y. Za samostalno napajanje istovremeno s temperaturom i pritiskom.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinovani termopiezoelektrični efekat za autonomno simultano mjerenje temperature i pritiska.Naprijed. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Prikupljanje energije zasnovano na Ericssonovim piroelektričnim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Prikupljanje energije zasnovano na Ericssonovim piroelektričnim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Prikupljanje energije zasnovano na piroelektričnim Ericssonovim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Prikupljanje energije u relaksorskoj feroelektričnoj keramici na bazi Ericssonovog piroelektričnog cikliranja. Smart alma mater. struktura. 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. i 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.Gospođa Bull, 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. Standard i mjera vrijednosti za kvantifikaciju performansi piroelektričnih nanogeneratora. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. Standard i mjera vrijednosti za kvantifikaciju performansi piroelektričnih nanogeneratora.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Standardni i kvalitativni rezultat za kvantifikaciju 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. Kriteriji i mjere performansi za kvantifikaciju performansi piroelektričnog nanogeneratora.Nano energija 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovo-skandij tantalatu sa stvarnom regeneracijom putem promjene polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovo-skandij tantalatu sa stvarnom regeneracijom putem promjene polja.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovo-skandij tantalatu sa stvarnom regeneracijom putem 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 Elektrotermalni ciklus hlađenja skandij-olovnog tantalata za istinsku regeneraciju putem inverzije polja.fizika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorijski materijali u blizini feroičnih faznih prijelaza. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorijski materijali u blizini feroičnih faznih prijelaza.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Kalorijski materijali u blizini feroidnih faznih prijelaza. 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 Termički materijali u blizini crne metalurgije.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Termički materijali u blizini faznih prijelaza željeza.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. i Mathur, ND Kalorijski materijali za hlađenje i grijanje. Moya, X. i Mathur, ND Kalorijski materijali za hlađenje i grijanje.Moya, X. i Mathur, ND Termički materijali za hlađenje i grijanje. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. i Mathur, ND Termički materijali za hlađenje i grijanje.Moya X. i Mathur ND Termički materijali za hlađenje i grijanje.Nauka 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. Elektrokalorični hladnjaci: 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. i Defay, E. Elektrotermički hladnjaci: pregled.Napredna. elektronika. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. i dr. Ogromna energetska efikasnost elektrokaloričnog materijala u visoko uređenom skandijum-skandijum-olovo sistemu. National communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. i dr. Elektrotermički efekat višeslojnih oksidnih kondenzatora je veliki u širokom temperaturnom rasponu. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. i dr. Ogroman temperaturni raspon u elektrotermalnim regeneratorima. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. i dr. Visokoučinkoviti elektrotermički sistem hlađenja u čvrstom stanju. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. i dr. Kaskadni elektrotermički uređaj za hlađenje za veliki porast temperature. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB i Brown, DD Visokoefikasna direktna konverzija toplote u električnu energiju, piroelektrična mjerenja povezana s njima. Olsen, RB i Brown, DD Visokoefikasna direktna konverzija toplote u električnu energiju, piroelektrična mjerenja povezana s njima.Olsen, RB i Brown, DD Visoko efikasna direktna konverzija toplote u električnu energiju povezana sa piroelektričnim mjerenjima. 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 i Brown, DDOlsen, RB i Brown, DD Efikasna direktna konverzija toplote u električnu energiju povezana sa piroelektričnim mjerenjima.Feroelektrici 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. i dr. Gustoća energije i snage u tankim relaksorskim feroelektričnim filmovima. Nacionalna alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN i Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična konverzija: optimizacija feroelektričnog faznog prijelaza i električnih gubitaka. Smith, AN i 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 i Hanrahan, BMSmith, AN i Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična konverzija: optimizacija feroelektričnih faznih prijelaza i električnih gubitaka.J. Primjena. fizika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Upotreba feroelektričnih materijala za pretvaranje toplotne energije u električnu energiju. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvarač energije. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvarač energije.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascade piroelektrični pretvarač energije. 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 snage.Feroelektrici 59, 205–219 (1984).
Šebanov, L. i Borman, K. O čvrstim rastvorima olovo-skandij tantalata sa visokim elektrokalorijskim efektom. Šebanov, L. i Borman, K. O čvrstim rastvorima olovo-skandij tantalata sa visokim elektrokalorijskim efektom.Šebanov L. i Borman K. O čvrstim rastvorima olovo-skandij tantalata sa visokim elektrokaloričnim 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.Šebanov L. i Borman K. O čvrstim rastvorima skandij-olovo-skandij sa visokim elektrokaloričnim efektom.Feroelektrici 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. Zahvaljujemo se Nacionalnoj istraživačkoj fondaciji Luksemburga (FNR) na podršci ovom radu putem 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