Nudeći održive izvore električne energije jedan je od najvažnijih izazova ovog vijeka. Istraživačka područja u materijalima za berbu energije proizlaze iz ove motivacije, uključujući termoelektrik1, fotovoltaic2 i termofotovoltaics3. Iako nam nedostaju materijali i uređaji koji su sposobni za berbu energije u rasponu JOULE, piroelektričnim materijalima koji mogu pretvoriti električnu energiju u periodične promjene temperature smatraju se senzorima4 i kombajni za energiju5,6,7. Ovdje smo razvili makroskopski kombajn za termoelektroplovni energiju u obliku višeslojnog kondenzatora napravljen od 42 grama olova skandijumskog tantata, proizvodnje 11,2 j električne energije po termodinamičkom ciklusu. Svaki piroelektrični modul može generirati električnu gustinu energije do 4,43 J CM-3 po ciklusu. Također pokazujemo da su dva takva modula težina 0,3 g dovoljno za kontinuirano napajanje autonomnih energije sa ugrađenim mikrokontrolerima i temperaturnim senzorima. Konačno, pokazujemo da su za temperaturni raspon od 10 k, ovi višeslojni kondenzatori mogu dostići 40% CARNOT efikasnosti. Ova svojstva su zbog (1) promjene ferroelektrične faze za visoku efikasnost, (2) nisku struju curenja kako bi se spriječilo gubitke i (3) visokog prekida napona. Ovi makroskopski, skalabilni i efikasni kombajni za piroelektričnu energiju su ponovno primirenje termoelektrane proizvodnje.
U odnosu na gradijent prostornog temperature potreban za termoelektrične materijale, berba energije termoelektričnih materijala zahtijeva temperaturu vožnje tijekom vremena. To znači termodinamički ciklus, koji je najbolje opisan u dijagramu entropijskih (i) -tempereture (T). Slika 1a prikazuje tipični salnik nelinearnog piroelektričnog (NLP) materijala koji demonstrira tranziciju ferreoelektrične faze vođenog na terenu u skandiru u tantalatu za skandiranje (PST). Plavi i zeleni dijelovi ciklusa na ST Diagramu odgovaraju pretvorenoj električnoj energiji u ciklusu Olson (dva izotermna i dva izopole). Ovdje razmatramo dva ciklusa s istim promjenama električnih polja (polje uključeno i isključeno) i promjenu temperature ΔT, iako s različitim početnim temperaturama. Zeleni ciklus se ne nalazi u faznoj tranzicijskoj regiji i na taj način ima mnogo manje površine od plavog ciklusa koji se nalazi u regiji faza tranzicije. U sv. Dijagramu, veće je to područje, veća je prikupljena energija. Stoga, fazni tranzicija mora prikupiti više energije. Potreba za velikim biciklizmom u NLP-u vrlo je slična potrebi za elektrotermalnim aplikacijama9, 10, 11, 12 gdje su nedavno prikazivali kondenzatore PST višeslojnih kondenzatora (MLCS) i Terpolimeri. Status performansi hlađenja u ciklusu 13,14,15,16. Stoga smo identificirali PST MLC-ove interesa za berbu toplotne energije. Ovi uzorci su u potpunosti opisani u metodama i karakterizirani u dodatnim notama 1 (skeniranje elektrona mikroskopije), 2 (rendgenska difrakcija) i 3 (kalorimetrija).
A, skica entropijske (e) -temperiture (t) parcele sa električnim poljem na i isključivanje primjenjuje se na NLP materijale koji prikazuju fazne prijelaze. Dva ciklusa prikupljanja energije prikazana su u dvije različite temperaturne zone. Plavi i zeleni ciklusi javljaju se unutar i izvan fazne tranzicije, odnosno završavaju u vrlo različitim regijama površine. B, dva de PST MLC unipolarni prstenovi, debljine 1 mm, mjereno između 0 i 155 kV cm-1 na 20 ° C i 90 ° C, odnosno odgovarajućim Olsen ciklusima. Pisma ABCD odnose se na različite države u ciklusu Olson-a. AB: MLC-ovi su naplaćeni na 155 kV cm-1 na 20 ° C. BC: MLC je održavan na 155 kV CM-1, a temperatura je podignuta na 90 ° C. CD: MLC ispušta na 90 ° C. DA: MLC ohlađen na 20 ° C u nultu polju. Plavo područje odgovara ulaznoj snazi ​​potrebnoj za pokretanje ciklusa. Narančasto područje je energija prikupljena u jednom ciklusu. C, gornji panel, napon (crni) i struja (crvena) nasuprot vremenu, praćena tokom istog Olson ciklusa kao b. Dva umetaka predstavljaju pojačanje napona i struje na ključnim bodovima u ciklusu. Na donjem panelu žute i zelene krivulje predstavljaju odgovarajuće temperaturne i energetske krivulje, za MLC debljine 1 mm. Energija se izračunava iz trenutnih i naponskih krivulja na gornjoj ploči. Negativna energija odgovara prikupljenoj energiji. Koraci koji odgovaraju velikim slovima u četiri brojke su isti kao u ciklusu Olson-a. Ciklus Ab'cd odgovara ciklusu Stirling (dodatna napomena 7).
gdje su E i D električno polje i električno polje za pomak, respektivno. ND se može posredno dobiti iz de krugova (Sl. 1b) ili direktno pokretanjem termodinamičkog ciklusa. Olsen je opisala najkorisnija metoda u svom pionirskom radu na prikupljanju piroelektrane u 1980-ima17.
Na slici. 1b prikazuje dva monopolna petlja od 1 mm debljine PST-MLC uzoraka sastavljenih na 20 ° C i 90 ° C, odnosno preko raspona od 0 do 155 kV cm-1 (600 V). Ova dva ciklusa mogu se koristiti za indirektno izračunavanje energije prikupljenog od Olson ciklusa prikazanim na slici 1a. U stvari, Ciklus Olsen sastoji se od dvije grane izofielda (ovdje nulta polja u grani i 155 kV cm-1 u BC grani) i dvije izotermne grane (ovdje 20 ° s i 20 ° C u AB ogranku). C U CD-u) Energija prikupljena tokom ciklusa odgovara narančastoj i plavoj regionima (EDD integral). Prikupljena energija je razlika između ulaznog i izlazne energije, tj. Samo narančasto područje na slici. 1b. Ovaj određeni Olson ciklus daje nedjelicu energije od 1,78 J CM-3. Ciklus Stirling je alternativa Olson ciklusu (dopunska napomena 7). Budući da se stalna faza naplate (otvoreni krug) lakše postiže, gustoća energije izvučena sa Sl. 1b (ciklus ab'cd) doseže 1,25 J CM-3. Ovo je samo 70% onoga što može prikupiti Olson ciklus, ali jednostavna oprema za žetvu to čini.
Pored toga, direktno smo izmjerili energiju prikupljenu tokom ciklusa OLSON-a energijom PST MLC-om pomoću linkerskog faze temperature temperature i metra izvora (metoda). Slika 1c na vrhu i u odgovarajućim uzokama prikazuje trenutni (crveni) i napon (crni) sakupljeni na istim 1 mm debljinom PST MLC-om kao da je za i petlja prolazala kroz isti Olson ciklus. Trenutni i napon omogućavaju izračunavanje sakupljene energije, a krivulje su prikazane na slici. 1c, dno (zeleno) i temperatura (žuta) tokom ciklusa. Pisma ABCD predstavljaju isti Olson ciklus na slici 1. MLC punjenje događa se za vrijeme AB noge i provodi se na niskoj struji (200 μA), tako da izvor može pravilno puniti. Posljedica ove konstantne početne struje je ta da se krivulja napona (crna krivulja) ne nalazi linearna zbog nelinearnog potencijalnog polje polja D PST (Sl. 1C, gornji umetnik). Na kraju punjenja, 30 MJ električne energije pohranjuje se u MLC (tačka b). MLC se zatim zagrijava i negativna struja (i stoga negativna struja) proizvodi dok je napon ostao na 600 V. Nakon 40 s, mada je takva struja, iako je korak u krugu električne snage 35 mj tokom ovog ISOFIELD-a (drugi umetnik na slici 1c, vrh). Napon na MLC (CD CD) se zatim smanjuje, što rezultira dodatnim 60 MJ električnog rada. Ukupna izlazna energija je 95 mj. Prikupljena energija je razlika između ulazne i izlazne energije koja daje 95 - 30 = 65 mj. To odgovara gustoći energije od 1,84 J CM-3, što je vrlo blizu ND izvlačenog iz de zvona. Reproduktivnost ovog Olson ciklusa je proširivo testirana (dopunska napomena 4). Daljnjim povećanjem napona i temperature postigli smo 4,43 J CM-3 pomoću Olsen Cyclesa u PST MLC debljinom od 0,5 mm preko temperaturnog opsega od 750 V (195 kV cm-1) i 175 ° C (dodatna napomena 5). Ovo je četiri puta veće od najboljih performansi iznesenih u literaturi za izravne Olson cikluse i dobiveno je na tankim filmovima PB (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (cm .Supplementarna tablica 1 za više vrijednosti u literaturi). Ovaj izvedba postignuta je zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10-7 a na 750 V i 180 ° C, pogledajte detalje u dodatnom napomenu 6) -A Ključna tačka Spomenuta Smith i sur.19-za razliku od materijala koji se koriste u ranijim studijama17,20. Ovaj izvedba postignuta je zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10-7 a na 750 V i 180 ° C, pogledajte detalje u dodatnom napomenu 6) -A Ključna tačka Spomenuta Smith i sur.19-za razliku od materijala koji se koriste u ranijim studijama17,20. Éti HARAKTERITIJI u dopodničnim priređivanjem 6) - Kritičeskij moment, upânutyj sumit i dr. 19 - v oličie otkriti, glomaznjinym v bolee rannih islavanih17,20. Ove karakteristike su postignute zbog vrlo niske struje curenja ovih MLC-ova (<10-7 a na 750 V i 180 ° C, vidi dodatnu napomenu 6 za detalje) - kritična točka koju spominje Smith i sur. 19 - Za razliku od materijala koji se koriste 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, 请参见补充说明 6 中 的详细信息) - Smith 等人 19 提到的关键点 - 相比之下, 已经达到了这种性能到早期研究 中 使用的材料 17,20.由于 这些 MLC 的 泄漏 非常 (在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 a, 参见 补充 说明 6 中 详细 信息)))) - 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 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. Pokolik tok utečki étih MLC Očen' Nizkij (<10-7 i pri 750 V i 180 ° C, SM. Podrobnosti u dodajem priređani 6) - Klûčevoj moment, upânutyj sumit i dr. 19 - za suravna, byli dobignuty étihakteristibici. Budući da je struja curenja ovih MLC-a vrlo mala (<10-7 a na 750 V i 180 ° C, vidi dodatnu napomenu 6 za detalje) - ključna tačka koju spominje Smith i sur. 19 - Za usporedbu su postignuti te predstave.materijalima koji se koriste u ranijim studijama 17,20.
Isti su uvjeti (600 V, 20-90 ° C) koji se primjenjuju na ciklus Stirling (dopunska napomena 7). Kao što se očekuje od rezultata de ciklusa, prinos je bio 41,0 mj. Jedna od najupečatljivijih karakteristika ciklusa Stirling je njihova sposobnost pojačanja početnog napona kroz termoelektrični efekat. Primijetili smo dobitak napona do 39 (od početnog napona od 15 V do krajnjeg napona do 590 V, vidi dopunu Sl. 7.2).
Još jedna razlika od onih MLC-a je da su oni makroskopski predmeti dovoljno veliki za prikupljanje energije u rasponu Joulea. Stoga smo izgradili kombajn za prototip (Harva1) debljine 28 mlc PST 1 mm, nakon iste paralelne ploče koje je opisao Torello Et.14, u matrici toplote, kao što je prikazano na Sl. Peristaltičkim pumpom između dva rezervoara na kojima se temperatura tečnosti čuva stalna (metoda). Prikupite do 3,1 j pomoću Olson ciklusa opisanog na slici. 2a, izotermalne regije na 10 ° C i 125 ° C i izofield regije na 0 i 750 V (195 kV cm-1). To odgovara gustoći energije od 3,14 j cm-3. Koristeći ovu kombinaciju, mjerenja su snimljena u različitim uvjetima (Sl. 2b). Imajte na umu da je 1,8 j dobiven preko temperaturnog opsega od 80 ° C i napon od 600 V (155 kV cm-1). To je u dobrom sporazumu s prethodno spomenutim 65 MJ za 1 mm debljine PST MLC-a pod istim uvjetima (28 × 65 = 1820 MJ).
A, eksperimentalno postavljanje saželjenog Harv1 prototipa na temelju 28 mlc PST-ova debljine 1 mm (4 reda × 7 stupaca) radi na Olson ciklusima. Za svaki od četiri koraka ciklusa, temperatura i napon se nalaze u prototipu. Računar vozi peristaltička pumpa koja cirkulira dielektričnu tekućinu između hladnih i vrućih rezervoara, dva ventila i izvor napajanja. Računar koristi i termoelekse za prikupljanje podataka o naponu i struji isporučene na prototip i temperaturu kombinovanog iz napajanja. b, energija (boja) sakupljena našim prototipom 4 × 7 MLC u odnosu na temperaturni raspon (X-os) i napon (Y-os) u različitim eksperimentima.
Veća verzija kombanata (Harvar2) sa 60 PST MLC debljine 1 mm i 160 PST MLC debljine 0,5 mm (41,7 g aktivnog piroelektričnog materijala) dao je 11.2 j (dodatna napomena 8). 1984. godine, Olsen je napravio energetsku kombajni na osnovu 317 g konkursa od limenog dopiranog PB (ZR, TI) O3 sposobnog generiranja 6,23 j električne energije na temperaturi od oko 150 ° C (ref. 21). Za ovu kombinaciju, ovo je jedina druga vrijednost dostupna u rasponu Joulea. Dobila je nešto više od polovine vrijednosti koju smo postigli i gotovo sedam puta višestrukih kvaliteta. To znači da je gustina energije Harv2 13 puta veća.
CIKLING PERIOD HARP1 je 57 sekundi. To je proizvelo 54 MW snage sa 4 reda od 7 stupaca od 1 mm debljine MLC setova. Da biste ga napravili korak dalje, izgradili smo treći kombiniranje (Harv3) sa PST MLC-om od 0,5 mm, a sličnim postavkom za Harvv1 i Harv2 (dodatna napomena 9). Izmjerili smo vrijeme termizacije od 12,5 sekundi. To odgovara vremenu ciklusa od 25 s (dopunski smokv 9). Prikupljena energija (47 MJ) daje električnu snagu 1,95 MW po MLC-u, što zauzvrat omogućava nam zamisliti da Harv2 proizvodi 0,55 W (otprilike 1,95 MW × 280 PST MLC debljine 0,5 mm debljine). Pored toga, simulirali smo prijenos topline koristeći simulaciju konačnih elemenata (COMSOL, dodatna napomena 10 i dopunski tabela 2-4) koja odgovaraju šarmanskim eksperimentima. Modeliranje konačnih elemenata omogućilo je predviđanje vrijednosti električne energije gotovo redoslijed veličine veće (430 MW) za isti broj PST stupaca prorjeđivanjem MLC-a na 0,2 mm, koristeći vodu kao rashladno sredstvo i restauriranje matrice na 7 redaka. × 4 stupca (pored toga bilo je 960 MW kada je rezervoar bio pored kombajne, dodatnog smokva 10b).
Da bi se pokazalo korisnost ovog kolektora, primijenjen je ciklus Stirling-a koji se sastoji od samo dva PST MLC-a debljine dva od 0,5 mm, visokonaponski prekidač, niskonaponski prekidač, sa niskim naponskim pretvorbom, sa niskim mikrokontrolerom, dva termoelektrana i pojačani pretvarač (dodatna napomena 11). Cirguit zahtijeva da se skladištenje skladištenja u početku naplaćuje na 9V-u, a zatim teče autonomno, dok se temperatura dva MLC kreće od -5 ° C do 85 ° C, ovdje u ciklusima od 160 s (nekoliko ciklusa prikazano je u dodatnom napomenu 11). Izuzetno, dva MLC teži samo 0,3 g mogu autonomno kontrolirati ovaj veliki sustav. Druga zanimljiva karakteristika je da je pretvarač niskog napona sposobni pretvoriti 400V na 10-15V sa 79% efikasnosti (dodatna napomena 11 i dopunska slika 11.3).
Konačno, ocjenjivali smo efikasnost ovih MLC modula u pretvaranju toplotne energije u električnu energiju. Faktor kvalitete η efikasnosti definiran je kao omjer gustoće prikupljene električne energije u gustoću isporučenog toplotnog QIN-a (dodatna napomena 12):
Slike 3a, b Prikažite efikasnost η i proporcionalna efikasnost ciklusa Olsen, respektivno kao funkcija temperaturnog opsega od 0,5 mm debljine PST MLC-a. Oba skupa podataka date su za električno polje od 195 kV cm-1. Učinkovitost \ (\ thing \) dostiže 1,43%, što je ekvivalent 18% ηR-a. 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 poznata vrijednost za NLP materijale zabilježene u PMN-PT filmovima (ηR = 19%) u temperaturnom opsegu od 10 k i 300 kV CM-1 (ref. 18). Raspon temperature ispod 10 K nisu se razmatrane jer je toplotna histereza PST MLC-a između 5 i 8 K. priznavanje pozitivnog učinka faznih prijelaza na efikasnost. U stvari, optimalne vrijednosti η i ηr gotovo su svi dobivene na početnoj temperaturi TI = 25 ° C na slici. 3a, b. To je zbog bliske fazne tranzicije kada se ne primjenjuje polje, a temperatura curie TC je oko 20 ° C u ovim MLC-ovima (dopunska napomena 13).
a, b, efikasnost η i proporcionalna efikasnost ciklusa Olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ eta {\ eta} _ {\ rm {carnot}} za maksimalni električni polje od 195 kV cm-1 i različitih početnih temperatura (b) za MPC PST 0,5 mm debljine, ovisno o intervalu temperature, ovisno o intervalu temperature Δtspan.
Potonje promatranje ima dvije važne implikacije: (1) Svako djelotvorno biciklizam mora započeti na temperaturama iznad TC-a za polje izazvana faza (od paraelektra do feroelektrana); (2) Ovi materijali su efikasniji u vrijeme izvođenja zatvaranja TC-a. Iako su velike efikasnosti prikazane u našim eksperimentima, ograničen raspon temperature ne dozvoljava nam da postignemo velike apsolutne efikasnosti zbog granice Carnot (\ (\ delta t / t \)). Međutim, odlična efikasnost koja pokazuje ovim PST MLC-ovima opravdava Olsen kada spominje da "idealna regenerativni termoelektrični motor klase 20 koji radi na temperaturama između 50 ° C i 250 ° C može imati efikasnost od 30%" 17. Da bi se dosegnule ove vrijednosti i testiraj koncept, bilo bi korisno koristiti dopired PST-ove s različitim TCS-om, kako proučava Shebanov i Borman. Pokazali su da TC u PST-u može varirati od 3 ° C (sb doping) do 33 ° C (TI doping) 22. Stoga hipoteziramo da se piroelektrični regeneratori sljedeće generacije na bazi dopiranog PST MLC-ova ili drugih materijala s jakim prelazom prve narudžbe može se takmičiti sa najboljim kombalansima za napajanje.
U ovoj studiji istražili smo MLC-ove napravljene od PST-a. Ovi se uređaji sastoje od niza PT i PST elektroda, pri čemu je nekoliko kondenzatora paralelno povezano. PST je izabran jer je to odličan EC materijal i samim tim potencijalno odličan NLP materijal. Izlaže oštro prelazak feroelektrične faze prve naručene ferElektrične faze 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 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLCS. MLC-ovi debljine 1 mm i 0,5 mm izrađeni su od 19 i 9 slojeva PST-a debljine 38,6 μm, respektivno. U oba slučaja unutarnji sloj PST-a postavljen je između 2,05 μm debelih platinastih elektroda. Dizajn ovih MLC-ova pretpostavlja da je 55% PST-ova aktivno, što odgovara dijelu između elektroda (dopunska napomena 1). Aktivna površina elektrode iznosila je 48,7 mm2 (dodatna tablica 5). MLC PST pripremio je solid faznu reakciju i način lijevanja. Detalji procesa pripreme opisani su u prethodnom članku14. Jedna od razlika između PST MLC-a i prethodnog članka je naredba B-lokacija, što uvelike utječe na performanse EC-a u PST-u. Redoslijed B-lokacija PST MLC-a iznosi 0,75 (dopunska napomena 2) dobivena sinterovanjem na 1400 ° C nakon čega slijedi stotine sati dugo žarenje na 1000 ° C. Za više informacija o PST MLC-u, pogledajte Dodatne note 1-3 i dodatna tablica 5.
Glavni koncept ove studije temelji se na Olson ciklusu (Sl. 1). Za takav ciklus potreban nam je vrući i hladni rezervoar i napajanje koje može nadgledati i kontrolirati napon i struju u različitim MLC modulima. Ovi direktni ciklusi koristili su dvije različite konfiguracije, naime (1) Linkom moduli grijanje i hlađenje jedan MLC spojen na Keithley 2410 izvor napajanja i (2) tri prototipova (Harvar1, Harv2 i Harv 2003) paralelno s istim izvornom energijom. U potonjem slučaju dielektrična tekućina (silikonsko ulje s viskoznostima od 5 kc na 25 ° C, kupljeno iz Sigme Aldrich) korišteno je za toplinu između dva rezervoara (vruća i hladna) i MLC. Termalni rezervoar sastoji se od staklenog spremnika napunjenog dielektričnom tekućinom i postavljen na vrh termičke ploče. Hladno skladištenje sastoji se od vodenog kupelji sa tekućim cijevima koji sadrže dielektričnu tekućinu u velikom plastičnom spremniku napunjenom vodom i ledom. Dva trosmjerna stijena ventila (kupljena od bio-hemijske tekućine) postavljeni su na svakom kraju kombajna da pravilno prebacili tekućinu iz jednog rezervoara do drugog (slika 2a). Da bi se osigurala termička ravnoteža između PST-MLC paketa i rashladne tekućine, razdoblje ciklusa produženo je do ulaza i izlaznih termoelektrana (što bliže PST-MLC paketu) pokazali su istu temperaturu. Python skripta upravlja i sinhronizira sve instrumente (izvorne brojile, pumpe, ventili i termokale) za pokretanje ispravnog Olson ciklusa, tj. Loop rashladne tekućine počinje biciklom za pokretanje PST-a, nakon što se mjerač izvora nabije tako da se zagrijavaju na željenom primijenjenom naponu za snimljenim ciklusom Olson.
Alternativno, potvrdili smo ta direktna mjerenja prikupljene energije indirektnim metodama. Ove indirektne metode temelje se na električnom pomicanju (d) - električnim polje (e) poljskim petljima prikupljenim na različitim temperaturama i izračunavanjem područja između dvije DE petlje, može precizno procijeniti koliko se energije može prikupiti, kao što je prikazano na slici. na slici 2. .1b. Ove se petlje također sakupljaju koristeći CEITHLEY izvorne brojile.
Dvadeset i osam mm debljine PST MLC-a sastavljen je u 4-retku, paralelnoj ploči sa 7 stupca u skladu s dizajnom opisanom u referenci. 14. Greda tečnosti između PST-MLC reda je 0,75 mm. To se postiže dodavanjem trakica dvostrane trake kao tečnih distanca oko ivica PST MLC-a. PST MLC je električno povezan paralelno sa srebrnim epoksidnim mostom u kontaktu s potezima elektrode. Nakon toga žice su zalijepljene srebrnom epoksidnom smolom na svaku stranu terminala elektrode za povezivanje na napajanje. Konačno, umetnite cijelu strukturu u poliolefin crijevo. Potonji je zalijepljen za cijev za tekućinu kako bi se osiguralo pravilno brtvljenje. Konačno, termopozovi debljine 0,25 mm ugrađeni su u svaki kraj strukture PST-MLC za nadgledanje ulaznih i izlaznih temperatura tečnosti. Da biste to učinili, crijevo prvo mora biti perforirano. Nakon postavljanja termoelementa, nanesite isti ljepilo kao prije između crijeva i žice termoelementa i žice da biste obnovili brtvu.
Izgrađeno je osam zasebnih prototipa, od kojih su četiri MLC-a debljine 40 od ​​0,5 mm distribuirala kao paralelne ploče sa 5 stupaca i 8 reda, a preostala su četiri MLC PST-a. u 3-stupcu × 5-reda paralelna ploča. Ukupni broj korištenih PST MLC-a bio je 220 (debljine 160 0,5 mm i 60 pst mlc debljine 1 mm). Ove dvije podjedinice nazivamo Harvu2_160 i Harv2_60. Tečni jaz u prototip Harv2_160 sastoji se od dvije dvostrane trake debljine 0,25 mm sa žicom debljine 0,25 mm. Za prototip HARV2_60 ponavljali smo isti postupak, ali koristimo žicu debljine 0,38 mm. Za simetriju, Harvv2_160 i Harv2_60 imaju vlastite krugove tekućine, pumpe, ventile i hladnu stranu (dodatna napomena 8). Dvije rezervoare za grijanje dijele akumulaciju, a kontejner od 3 litre (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvije vruće ploče s rotirajućom magnetom. Svih osam pojedinačnih prototipa nalaze se paralelno na električno povezano. HARVER2_160 i HARB2_60 subunts istovremeno rade u Olson ciklusu što rezultira energijom žetve 11.2 J.
Stavite 0,5 mm debelog PST MLC-a u poliolefin crijevo sa dvostranim trakom i žicom na obje strane da biste stvorili prostor za tečnost. Zbog male veličine, prototip je bio postavljen pored vrućeg ili hladnog ventila za rezervoar, minimiziranje vremena ciklusa.
U PST MLC-u, konstantno električno polje se primjenjuje primjenom stalnog napona u grijaću granu. Kao rezultat toga, generira se negativna termalna struja i energija se pohranjuje. Nakon zagrijavanja PST MLC, polje se uklanja (V = 0), a energija pohranjena u njemu vraća se natrag u izvorni brojač, što odgovara još jednom doprinosu prikupljene energije. Konačno, s naponom V = 0 primijenjenim, MLC PST-ovi se ohlade na svoju početnu temperaturu tako da se ciklus može ponovo pokrenuti. U ovoj fazi energija se ne sakuplja. Pokrenuli smo ciklus Olsen koristeći CEITHLELEY 2410 izvor, punimo PST MLC iz izvora napona i postavljajući trenutni podudaranje odgovarajućoj vrijednosti tako da su dovoljne bodove prikupljene tokom faze punjenja za pouzdane proračune energije.
U ciklusima Stirling-a, PST MLC-a naplaćuje se u režimu napona na početnoj vrijednosti električne polja (početni napon VI> 0), a poželjna struja usklađenosti, tako da se korak punjenja traje oko 1 s (i dovoljno bodova prikupljaju se za pouzdan izračun energije) i hladne temperature. U ciklusima Stirling-a, PST MLC-a naplaćuje se u režimu napona na početnoj vrijednosti električne polja (početni napon VI> 0), a poželjna struja usklađenosti, tako da se korak punjenja traje oko 1 s (i dovoljno bodova prikupljaju se za pouzdan izračun energije) i hladne temperature. U ciklah statirma PST MLC zarâžali u režima istíčanki napraženiâ pri naravno da je Élektričeskogo polâ (Načal'noe napraženie vi> 0), Želaemom Podatni put, Tak Čto étap zarâdki ZanimaEt okolo 1 s (i Nabiraetsâ dostatočnoe Količestvo toček za nadežnogo Rasčeta Énergiâ) i holodnaâ temperatura. U ciklusima Stirling PST-a, optuženi su u režimu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon VI> 0), tako da se pozornica naplate treba oko 1 s (i dovoljan broj bodova prikupljaju se za pouzdan izračun energije) i hladnu temperaturu.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 naplaćuje se u početnom električnom polju (početni napon VI> 0) u režimu izvora napona, tako da potrebna struja poštivanja potrebno je oko 1 sekundu za korak punjenja (i prikupili smo dovoljno bodova da pouzdano izračunavamo (energiju) i nisku temperaturu. U ciklu stirlinga PST MLC zarâžaetsâ v režime istíčanska napranjaâ s našaon'nym značeniem élektričeskogo polâ (načal'noe Napreâženie vi> 0), Trecuemyj Tok Povoljni, kto étap zarâdki Zanimaet okolo 1 s (i Nabiraetsâ dostatočnoe Količestvo toček, čtoby nadežno Rassčitat' énergiû) i nizkie temperatury. U ciklusu Stirling, PST MLC se naplaćuje u režimu izvora napona s početnom vrijednošću električnog polja (početni napon VI> 0), potrebna struja usklađenosti je takva da se pozornica za punjenje prikuplja oko 1 s (a dovoljan broj bodova prikupljaju se na pouzdano izračunavanje energije) i niske temperature.Prije nego što se PST MLC zagrijava, otvorite krug primjenom odgovarajuće struje I = 0 mA (minimalna podudaranje struje koju naš mjerni izvor može podnijeti je 10 NA). Kao rezultat toga, punjenje ostaje u PST MJK-u, a napon se povećava kako se uzorak zagrijava. U ARM BC ne prikuplja se energija jer sam = 0 mA. Nakon dostizanja visoke temperature, napon u MLT FT povećava se (u nekim slučajevima više od 30 puta, pogledajte dodatnu sliku 7.2), MLK FT je otpušten (V = 0), a električna energija se pohranjuje u njih jednako kao i početni naboj. Ista trenutna prepiska vraća se na izvor brojila. Zbog povećanja napona, pohranjena energija na visokim temperaturama veća je od onoga što je pruženo na početku ciklusa. Shodno tome, energija se dobiva pretvaranjem topline u električnu energiju.
Koristili smo Keithley 2410 izvor za nadgledanje napona i struje primijenjene na PST MLC. Odgovarajuća energija izračunava se integriranjem proizvoda napona i struje čitanjem brojila Keithley-a, \ (e = {\ int} _ {0} ^ (m (t \ desno) {v} _ {\ rm {mjera}}} (t) \), gdje je τ razdoblje razdoblja. 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 i zato izdvojimo energiju. Relativna snaga za određeni ciklus prikupljanja određuje se dijeljenjem prikupljenog energije u periodu τ cjelokupnog ciklusa.
Svi podaci prikazani su u glavnom tekstu ili u dodatnim informacijama. Pisma i zahtjevi za materijalima trebaju biti usmjereni na izvor podataka na ili ED dostavljenim ovim člankom.
Ando Junior, Oh, Maran, Alo & Henao, NC pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za berbu energije. Ando Junior, Oh, Maran, Alo & Henao, NC pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za berbu energije.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo i Henao, NC pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za berbu 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 berbu energije.Nastavi. Podrška. Energija Rev. 91, 376-393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC fotonaponski materijali: predstavljaju efikasnost i budući izazovi. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC fotonaponski materijali: predstavljaju efikasnost i budući izazovi.Polman, A., vitez, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK fotonaponski materijali: Trenutni izvedbe 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., vitez, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK fotonaponski materijali: Trenutni izvedbe i budući izazovi.Nauka 352, AAD4424 (2016).
Pjesma, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Konglodnik Pyro-piezoelektrični efekt za samonapredstavljeno istovremeno temperaturu i pritisak. Pjesma, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Kongrunk Pyro-Piezoelektrični efekat za samonapredstavljeni istovremeni temperaturu i senzor pritiska.Pjesma K., Zhao R., Wang Zl i Yan Yu. Kombinirani piropiezoelektrični efekat za autonomno istovremeno mjerenje temperature i pritiska. Pjesma, 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. Pjesma, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Za samonaponovanje istovremeno kao temperatura i pritisak.Pjesma K., Zhao R., Wang Zl i Yan Yu. Kombinirani termopiezoelektrični efekt za autonomno istovremeno mjerenje temperature i pritiska.Naprijed. Alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Seče energije zasnovana na Ericsson piroelektričnim ciklusima u opuštajućoj ferreoelektričnoj keramici. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Seče energije zasnovana na Ericsson piroelektričnim ciklusima u opuštajućoj ferreoelektričnoj keramici.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Berba za energiju zasnovana na piroelektričnim Ericssonovim ciklusima u relaxlor feroelektričnoj keramici.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Energy Bearding u preklawsorser feroelektričnoj keramici zasnovanoj na Ericsson piroelektričnom biciklu. Pametni alma mater. Struktura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q Alpay, SP, mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q Vjamnogo prepravlja se Therdotel'noj elektrotermičeski énergii. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q Alpay, SP, mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料. Alpay, SP, mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Alpay, SP, mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q Vjamnogo prepravlja se Therdotel'noj elektrotermičeski énergii. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, QLady Bull. 39, 1099-1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard i figura za mjerenje za kvantificiranje performansi piroelektričnih nanogeneratora. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard i figura za mjerenje za kvantificiranje performansi piroelektričnih nanogeneratora.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl i Yang, Yu. Standardni i kvalitetni rezultat 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. Kriteriji i mjere performansi za kvantificiranje performansi piroelektričnog nanogeneratora.Nano Energy 55, 534-540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Elektrokalorski ciklusi hlađenja u olovnom skangijumu tantalatu s istinskom regeneracijom putem varijacije polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Elektrokalorski ciklusi hlađenja u olovnom skangijumu tantalatu s istinskom regeneracijom putem varijacije polja.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovnom skangiranju tantalate s istinskom regeneracijom putem polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环, 通过场变化实现真正的再生. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantalum 酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND elektrotermalni ciklus hlađenja skandijum-vodećim tentalatom za istinsku regeneraciju kroz obrnuto.Fizika Rev. x 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, Kalorični materijali u blizini prijelaza ferojskih faza. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, Kalorični materijali u blizini prijelaza ferojskih faza.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND kalorični materijali u blizini prijelaza na ferroidnoj fazi. 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 obojene metalurgije.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Termalni materijali u blizini prijelaza.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, 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, Termalni materijali za hlađenje i grijanje.Moya X. i Mathur ND Termalni materijali za hlađenje i grijanje.Nauka 370, 797-803 (2020).
Torelló, A. & Fray, E. Elektrokalorični hladnjaci: pregled. Torelló, A. & Fray, E. Elektrokalorični hladnjaci: pregled.Torello, A. i DEFAY, E. Elektrokalorski hladnjači: pregled. Torelló, A. & Fray, E. 电热冷却器: 评论. Torelló, A. & Fray, E. 电热冷却器: 评论.Torello, A. i Defay, E. Elektrotermalni hladnjaci: pregled.Napredno. elektronički. Alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Ogromna energetska efikasnost elektrokalorskog materijala u visoko naređenom Scandium-Scandium-olovu. Nacionalna komunikacija. 12, 3298 (2021).
Nair, B. i dr. Elektrotermalni učinak oksidnih višeslojnih kondenzatora veliki je preko širokog temperaturnog opsega. Priroda 575, 468-472 (2019).
Torello, A. i dr. Ogromni temperaturni raspon u elektrotermalnim regeneratorima. Nauka 370, 125-129 (2020).
Wang, Y. i sur. Visoko performanse Slijedeni državni elektrotermalni sistem hlađenja. Nauka 370, 129-133 (2020).
Meng, Y. i dr. Kaskadni elektrotermalni uređaj za hlađenje za veliki temperaturni porast. Nacionalna energija 5, 996-1002 (2020).
Olsen, RB & BROWN, DD High Efficieincy Direktno pretvorba topline na električnu energiju povezane s piroelektričnim mjerenjima. Olsen, RB & Smeđa, DD visoka efikasnost Direktna pretvorba topline na električnu energiju povezanu piroelektričnom mjerenjima.Olsen, RB i Brown, DD visoko efikasno direktno pretvorba topline u električnu energiju povezanu 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 & BROWN, ddOlsen, RB i Brown, DD efikasno direktno pretvorba topline do električne energije povezane s piroelektričnim mjerenjima.Ferroelektrika 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. i dr. Gustina energije i moći u tankim relacijskim feroelektričnim filmovima. Nacionalni alma mater. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija tranzicije feroelektrične faze i električne gubitke. Smith, An & Hanrahan, BM kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija tranzicije feroelektrične faze i električne gubitke.Smith, An i Hanrahan, BM kaskadna piroelektrična pretvorba: tranzicija ferroelektrične faze i optimizacija električnog gubitka. 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 pretvorba: Optimizacija prijelaza feroelektričnih faza i električnih gubitaka.J. Aplikacija. 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 & DULEA, J. CASCADED PYROELEKTRIČNI CONVERTER. Olsen, RB, Bruno, Da, Briscoe, JM & DULEA, J. CASCADED PYROELEKTRIČNI CONVERTER.Olsen, RB, Bruno, Da, Briscoe, JM i DULEA, J. CASCADE PYROELEKTRIČNI PREFTOR. Olsen, RB, Bruno, Da, Briscoe, JM & DULEA, J. 级联热释电能量转换器. Olsen, RB, Bruno, Da, Briscoe, JM & DULEA, J. 级联热释电能量转换器.Olsen, RB, Bruno, Da, Briscoe, JM i DULEA, J. CASCADED PYROELEKTRIČNI POWERTERS.Ferroelektrika 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. o olovnim skandijum tantalatnim čvrstim rješenjima sa visokim elektrokalorskim efektom. Shebanov, L. & Borman, K. o olovnim skandijum tantalatnim čvrstim rješenjima sa visokim elektrokalorskim efektom.Shebanov L. i Borman K. na solidnim rješenjima olova-skandijum tantalata sa visokim elektrokalorskim efektom. 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. i Borman K. na Scandium-olovo-skandijum solidna rješenja sa visokim elektrokalorskim efektom.Ferroelektrika 127, 143-148 (1992).
Zahvaljujemo N. Furusawa, Y. Inoueu i K. Hondi na pomoći u stvaranju MLC-a. Pl, na, yn, aa, jl, up, vk, OB i ed zahvaljujući Nacionalnom istraživačkom istraživačkom istraživanju (FNR) za podršku ovom radu putem Camelheat C17 / MS / 11703691 / DEFAY - Siebentritt, termodimat c20 / ms / 14718071 / ms / 14718071 / Bridges2021 / MS / 16282302 / Cecoha / Frat.
Odjel za istraživanje i tehnologiju materijala, Institut za tehnologiju Luksemburga, Belvoir, Luksemburg