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 izrađenog 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 doseći 40% Carnotove učinkovitosti. Ova svojstva su posljedica (1) promjene feroelektrične faze za visoku učinkovitost, (2) niske struje curenja radi sprječavanja gubitaka i (3) visokog probojnog napona. Ovi makroskopski, skalabilni i učinkoviti piroelektrični sakupljači energije redefiniraju termoelektričnu proizvodnju energije.
U usporedbi s prostornim temperaturnim gradijentom potrebnim za termoelektrične materijale, prikupljanje energije termoelektričnih materijala zahtijeva cikliranje temperature tijekom 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 feroelektrično-paraelektrični fazni prijelaz potaknut 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 elektrotermalnim primjenama9, 10, 11, 12 gdje su PST višeslojni kondenzatori (MLC) i terpolimeri na bazi PVDF-a nedavno pokazali izvrsne performanse u obrnutom smjeru. status performansi hlađenja u ciklusu 13, 14, 15, 16. Stoga smo identificirali PST MLC-ove od interesa za prikupljanje toplinske energije. Ovi uzorci su u potpunosti opisani u metodama i karakterizirani 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 prikazuju fazne prijelaze. Prikazana su dva ciklusa prikupljanja energije u dvije različite temperaturne zone. Plavi i zeleni ciklusi javljaju se 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 nabijeni 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. Narančasto područje je energija prikupljena u jednom ciklusu. c, gornja ploča, napon (crno) i struja (crveno) u odnosu na vrijeme, praćeni tijekom istog Olsonovog ciklusa kao i b. Dva umetka predstavljaju pojačanje napona i struje u ključnim točkama ciklusa. U donjoj ploči, 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 slike isti su kao u Olsonovom ciklusu. Ciklus AB'CD odgovara Stirlingovom ciklusu (dodatna napomena 7).
gdje su E i D električno polje i polje električnog pomaka. Nd se može dobiti neizravno iz DE kruga (slika 1b) ili izravno pokretanjem termodinamičkog ciklusa. Najkorisnije metode opisao je Olsen u svom pionirskom radu o prikupljanju piroelektrične energije 1980-ih17.
Na sl. 1b prikazane su dvije monopolarne DE petlje uzoraka PST-MLC debljine 1 mm sastavljenih na 20 °C i 90 °C, u rasponu od 0 do 155 kV cm-1 (600 V). Ova dva ciklusa mogu se koristiti za neizravan izračun energije prikupljene Olsonovim ciklusom prikazanim na slici 1a. Zapravo, Olsenov ciklus sastoji se 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 tijekom ciklusa odgovara narančastom i plavom području (EdD integral). Prikupljena energija Nd je razlika između ulazne i izlazne energije, tj. samo narančasto područje na sl. 1b. Ovaj određeni Olsonov ciklus daje gustoću energije Nd od 1,78 J cm-3. Stirlingov ciklus je alternativa Olsonovom ciklusu (Dodatna napomena 7). Budući da se lakše postiže faza konstantnog naboja (otvoreni krug), gustoća energije izvučena iz slike 1b (ciklus AB'CD) doseže 1,25 J cm-3. To je samo 70% onoga što Olsonov ciklus može prikupiti, ali jednostavna oprema za prikupljanje to omogućuje.
Osim toga, izravno smo izmjerili energiju prikupljenu tijekom Olsonovog ciklusa uključivanjem PST MLC-a pomoću Linkamovog stupnja 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 omogućuju izračun prikupljene energije, a krivulje su prikazane na slici 1c, dolje (zelena) i temperatura (žuta) tijekom cijelog ciklusa. Slova ABCD predstavljaju isti Olsonov ciklus na slici 1. Punjenje MLC-a događa se tijekom 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 pomaka potencijala D PST (slika 1c, gornji umetak). Na kraju punjenja, 30 mJ električne energije pohranjuje se u MLC-u (točka B). MLC se zatim zagrijava i proizvodi se negativna struja (a time i negativna struja) dok napon ostaje na 600 V. Nakon 40 s, kada je temperatura dosegla plato od 90 °C, ova struja je kompenzirana, iako je step uzorak proizveo u krugu električnu snagu od 35 mJ tijekom ovog izopolja (drugi umetak na slici 1c, gore). Napon na MLC-u (grana CD) se zatim smanjuje, što rezultira s 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. To odgovara gustoći energije od 1,84 J cm-3, što je vrlo blizu Nd ekstrahiranom iz DE prstena. Ponovljivost ovog Olsonovog ciklusa opsežno je 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). To je četiri puta veće od najboljih performansi zabilježenih u literaturi za izravne Olsonove cikluse, a dobiveno je na tankim filmovima Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm-1). Dodatna tablica 1 za više vrijednosti u literaturi). Ova je izvedba postignuta zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10−7 A pri 750 V i 180 °C, vidi detalje u Dodatnoj napomeni 6) - ključnoj točki koju su spomenuli Smith i suradnici19 - za razliku od materijala korištenih u ranijim studijama17,20. Ova je izvedba postignuta zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10−7 A pri 750 V i 180 °C, vidi detalje u Dodatnoj napomeni 6) - ključnoj točki koju su spomenuli Smith i suradnici19 - za razliku od materijala korištenih u ranijim studijama17,20. Ova su svojstva postignuta zahvaljujući vrlo niskom toku uteka ovih MLC (<10–7 A pri 750 V i 180 °C, vidi detalje u dodatnoj primjedbi 6) — kritični moment, spomenuti Smitom i dr. 19 — u odnosu na materijale, korištene u ranijim istraživanjima17,20. Ove karakteristike postignute su zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC-ova (<10–7 A pri 750 V i 180 °C, vidi Dodatnu napomenu 6 za detalje) – kritičnoj točki koju su spomenuli Smith i suradnici 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材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 °C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细信息））)）） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20。 Koliko je tok uteka ovih MLC vrlo nizak (<10–7 A pri 750 V i 180 °C, vidi detalje u dodatnoj primjedbi 6) — ključni moment, spomenuti Smitom i dr. 19 — za usklađenja, postignuta su ova svojstva. Budući da je struja curenja ovih MLC-ova vrlo niska (<10–7 A pri 750 V i 180 °C, vidi Dodatnu napomenu 6 za detalje) – ključna točka koju su Smith i suradnici spomenuli za usporedbu 19 – postignute su ove performanse.na materijale korištene u ranijim studijama 17,20.
Isti uvjeti (600 V, 20–90 °C) primijenjeni su na Stirlingov ciklus (Dodatna napomena 7). Kao što se i očekivalo na temelju rezultata DE ciklusa, prinos je bio 41,0 mJ. Jedna od najupečatljivijih značajki 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 karakteristična značajka ovih MLC-ova je da su makroskopski objekti dovoljno veliki da skupljaju 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 suradnici14, u matrici 7×4 kao što je prikazano na slici. Dielektrična tekućina koja prenosi toplinu u razdjelniku istiskuje se peristaltičkom pumpom između dva spremnika gdje se temperatura tekućine održava konstantnom (metoda). Sakupite do 3,1 J koristeći Olsonov ciklus opisan na slici 2a, izotermna područja na 10°C i 125°C te 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 provedena 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). To je u dobrom skladu s prethodno spomenutih 65 mJ za PST MLC debljine 1 mm pod istim uvjetima (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentalni postav sastavljenog HARV1 prototipa temeljenog na 28 MLC PST-ova debljine 1 mm (4 retka × 7 stupaca) koji rade na Olsonovim ciklusima. Za svaki od četiri koraka ciklusa, prototip navodi temperaturu i napon. Računalo pokreće peristaltičku pumpu koja cirkulira dielektričnu tekućinu između hladnog i vrućeg spremnika, dva ventila i izvora napajanja. Računalo također koristi termoelemente za prikupljanje podataka o naponu i struji koji se dovode u prototip i temperaturi kombajna iz napajanja. b, Energija (boja) koju je prikupio naš 4×7 MLC prototip u odnosu na raspon temperature (X-os) i napon (Y-os) u različitim eksperimentima.
Veća verzija sakupljača (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 sakupljač energije na bazi 317 g spoja Pb(Zr,Ti)O3 dopiranog kositrom, 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 polovice vrijednosti koju smo postigli i gotovo sedam puta veću kvalitetu. To znači da je gustoća energije HARV2 13 puta veća.
Period ciklusa HARV1 je 57 sekundi. To je proizvelo 54 mW snage s 4 reda od 7 stupaca MLC setova debljine 1 mm. Kako bismo otišli korak dalje, izgradili smo treći kombajn (HARV3) s 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 omogućuje da zamislimo da HARV2 proizvodi 0,55 W (približno 1,95 mW × 280 PST MLC debljine 0,5 mm). Osim toga, simulirali smo prijenos topline pomoću simulacije konačnih elemenata (COMSOL, Dodatna napomena 10 i Dodatne tablice 2–4) što odgovara HARV1 eksperimentima. Modeliranje konačnih elemenata omogućilo je predviđanje vrijednosti snage gotovo za red veličine veće (430 mW) za isti broj PST stupaca prorjeđivanjem MLC-a na 0,2 mm, korištenjem vode kao rashladnog sredstva i vraćanjem matrice na 7 redova. × 4 stupca (osim , bilo je 960 mW kada je spremnik bio pored kombajna, Dodatna slika 10b).
Kako 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 s kondenzatorom za pohranu, DC/DC pretvarača, mikrokontrolera male snage, dva termoelementa i boost pretvarača (Dodatna napomena 11). Sklop 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 prikazano je u Dodatnoj napomeni 11). Zanimljivo je da dva MLC-a težine samo 0,3 g mogu autonomno upravljati ovim velikim sustavom. Još jedna zanimljiva značajka je da je niskonaponski pretvarač sposoban pretvoriti 400 V u 10-15 V s učinkovitošću od 79% (Dodatna napomena 11 i Dodatna slika 11.3).
Konačno, procijenili smo učinkovitost ovih MLC modula u pretvaranju toplinske energije u električnu energiju. Faktor kvalitete η učinkovitosti definiran je kao omjer gustoće prikupljene električne energije Nd i gustoće isporučene topline Qin (Dodatna napomena 12):
Slike 3a i b prikazuju učinkovitost η i proporcionalnu učinkovitost ηr Olsenovog ciklusa kao funkciju temperaturnog raspona PST MLC-a debljine 0,5 mm. Oba skupa podataka dana su za električno polje od 195 kV cm-1. Učinkovitost doseže 1,43%, što je ekvivalentno 18% od ηr. Međutim, za temperaturni raspon od 10 K od 25 °C do 35 °C, ηr doseže vrijednosti do 40% (plava krivulja na slici 3b). To je dvostruko veća vrijednost od poznate 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 uzeti u obzir jer je toplinska histereza PST MLC-a između 5 i 8 K. Prepoznavanje pozitivnog učinka faznih prijelaza na učinkovitost je ključno. Zapravo, optimalne vrijednosti η i ηr gotovo su sve dobivene pri početnoj temperaturi Ti = 25°C na slikama 3a,b. To je zbog bliskog faznog prijelaza kada se ne primjenjuje polje, a Curiejeva temperatura TC je oko 20 °C u ovim MLC-ima (Dodatna napomena 13).
a,b, učinkovitost η i proporcionalna učinkovitost Olsonovog ciklusa (a)\({\eta}_{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{\rm{Carnot}} za maksimalnu električnu snagu poljem od 195 kV cm-1 i različitim početnim temperaturama Ti, }}\,\)(b) za MPC PST debljine 0,5 mm, ovisno o temperaturnom intervalu ΔTspan.
Potonje opažanje ima dvije važne implikacije: (1) svako učinkovito cikliranje mora započeti na temperaturama iznad TC da bi se dogodio fazni prijelaz induciran poljem (iz paraelektričnog u feroelektrični); (2) ovi materijali su učinkovitiji pri vremenima rada bliskim TC. Iako su u našim eksperimentima prikazane učinkovitosti velikih razmjera, ograničeni temperaturni raspon ne dopušta nam postizanje velikih apsolutnih učinkovitosti zbog Carnotovog ograničenja (ΔT/T). Međutim, izvrsna učinkovitost koju su pokazali ovi PST MLC-ovi opravdava Olsena kada spominje da „idealni regenerativni termoelektrični motor klase 20 koji radi na temperaturama između 50 °C i 250 °C može imati učinkovitost od 30%“17. Da bi se postigle ove vrijednosti i testirao koncept, bilo bi korisno koristiti dopirane PST-ove s 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 temeljeni na dopiranim PST MLC-ima ili drugim materijalima s jakim faznim prijelazom prvog reda mogu konkurirati najboljim sakupljačima snage.
U ovoj studiji istraživali smo MLC-ove izrađene od PST-a. Ovi uređaji sastoje se od niza Pt i PST elektroda, pri čemu je nekoliko kondenzatora spojeno paralelno. PST je odabran jer je izvrstan EC materijal i stoga potencijalno izvrstan NLP materijal. Pokazuje oštar feroelektrično-paraelektrični fazni prijelaz prvog reda oko 20 °C, što ukazuje na to da su njegove promjene entropije slične onima prikazanima 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 izrađeni su od 19 i 9 slojeva PST-a debljine 38,6 µm. U oba slučaja, unutarnji PST sloj postavljen je 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 tablica 5). MLC PST je pripremljen reakcijom čvrste faze i metodom lijevanja. Detalji procesa pripreme opisani su u prethodnom članku14. Jedna od razlika između PST MLC-a i prethodnog članka je redoslijed B-mjesta, što uvelike utječe na performanse EC-a u PST-u. Redoslijed B-mjesta PST MLC-a je 0,75 (Dodatna napomena 2) dobivenih sinteriranjem 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 tablicu 5.
Glavni koncept ove studije temelji se na Olsonovom ciklusu (slika 1). Za takav ciklus potreban nam je spremnik za vruće i hladne tvari te izvor napajanja koji može pratiti i kontrolirati napon i struju u različitim MLC modulima. Ovi izravni ciklusi koristili su dvije različite konfiguracije, naime (1) Linkam moduli koji griju i hlade jedan MLC spojen na izvor napajanja Keithley 2410 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 spremnika (toplog i hladnog) i MLC-a. Termalni spremnik sastoji se od staklene posude napunjene dielektričnom tekućinom i postavljene na vrh termalne ploče. Hladno skladištenje sastoji se od vodene kupelji 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 spremnika u drugi (slika 2a). Kako bi se osigurala toplinska ravnoteža između PST-MLC paketa i rashladne tekućine, ciklus je produžen sve dok ulazni i izlazni termoelementi (što bliže PST-MLC paketu) nisu pokazali istu temperaturu. Python skripta upravlja i sinkronizira sve instrumente (mjerače izvora, pumpe, ventile i termoelemente) kako bi pokrenuli ispravan Olsonov ciklus, tj. petlja rashladne tekućine počinje kružiti kroz PST stog nakon što se mjerač izvora napuni tako da se zagrijavaju na željeni primijenjeni napon za zadani Olsonov ciklus.
Alternativno, potvrdili smo ova izravna mjerenja prikupljene energije neizravnim metodama. Ove neizravne metode temelje se na petljama električnog pomaka (D) - električnog polja (E) prikupljenim na različitim temperaturama, a izračunavanjem površine između dvije DE petlje može se točno procijeniti koliko se energije može prikupiti, kao što je prikazano na slici 2.1b. Ove DE petlje također se prikupljaju pomoću Keithleyjevih mjerača izvora.
Dvadeset osam PST MLC-ova debljine 1 mm sastavljeno je u paralelnu pločastu strukturu s 4 reda i 7 stupaca prema dizajnu opisanom u referenci. 14. Razmak između redova PST-MLC-a iznosi 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 na svaku stranu terminala elektroda za spajanje na napajanje. Na kraju, cijela struktura se umetne u poliolefinsko crijevo. Potonje se lijepi na cijev za tekućinu kako bi se osiguralo pravilno brtvljenje. Na kraju, termoelementi tipa K debljine 0,25 mm ugrađeni su u svaki kraj PST-MLC strukture za praćenje temperature ulazne i izlazne tekućine. Da biste to učinili, crijevo prvo mora biti perforirano. Nakon ugradnje termoelementa, nanesite isto ljepilo kao i prije između crijeva termoelementa i žice kako biste obnovili brtvljenje.
Izgrađeno je osam zasebnih prototipova, od kojih su četiri imala 40 MLC PST-ova debljine 0,5 mm raspoređenih kao paralelne ploče s 5 stupaca i 8 redova, a preostala četiri imala su po 15 MLC PST-ova debljine 1 mm, u strukturi paralelnih ploča s 3 stupca × 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. Tekućinski 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 krugove 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 grijaće ploče s rotirajućim magnetima. Svih osam pojedinačnih prototipova električno je spojeno paralelno. Podjedinice HARV2_160 i HARV2_60 rade istovremeno u Olsonovom ciklusu što rezultira prikupljanjem energije od 11,2 J.
U poliolefinsko crijevo s obostranom trakom i žicom s obje strane stavite PST MLC debljine 0,5 mm kako biste stvorili prostor za protok tekućine. Zbog svoje male veličine, prototip je postavljen pored ventila vrućeg ili hladnog spremnika, 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 toplinska struja i pohranjuje se energija. Nakon zagrijavanja PST MLC-a, polje se uklanja (V = 0), a energija pohranjena u njemu vraća se natrag u brojač izvora, što odgovara još jednom doprinosu prikupljene energije. Konačno, s primijenjenim naponom V = 0, MLC PST-ovi se hlade na početnu temperaturu tako da ciklus može ponovno započeti. U ovoj fazi, energija se ne prikuplja. Pokrenuli smo Olsenov ciklus pomoću Keithley 2410 SourceMeter-a, puneći PST MLC iz izvora napona i postavljajući usklađivanje struje na odgovarajuću vrijednost tako da se tijekom faze punjenja prikupi dovoljno točaka za pouzdane izračune energije.
U Stirlingovim ciklusima, PST MLC-ovi su punjeni u načinu rada 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 točaka za pouzdan izračun energije) i hladnoj temperaturi. U Stirlingovim ciklusima, PST MLC-ovi su punjeni u načinu rada 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 točaka za pouzdan izračun energije) i hladnoj temperaturi. U ciklusima Stirlinga PST MLC napajao se u režimu izvornog napona pri početnom značenju električnog polja (načalnog napona Vi > 0), željenog dodatnog toka, tako da faza punjenja traje oko 1 s (i odabire se dovoljan broj točaka za pouzdano izračunavanje energije) i hladna temperatura. U Stirlingovim PST MLC ciklusima, punili su se u načinu rada izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0), željenoj struji prinosa, tako da faza punjenja traje oko 1 s (i prikupljen je dovoljan broj točaka za pouzdan izračun 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 načinu rada izvora napona, tako da potrebna struja usklađenosti traje oko 1 sekundu za korak punjenja (i prikupili smo dovoljno bodova za pouzdan izračun (energije) i niske temperature. U ciklusu Stirlinga PST MLC radi u režimu izvora napona s početnim značenjem električnog polja (početni napon Vi > 0), zahtijeva tok podatnosti tako da faza punjenja traje oko 1 s (i odabire se dovoljan broj točaka da se pouzdano rasčita energija) i niske temperature. U Stirlingovom ciklusu, PST MLC se puni u načinu rada izvora napona s početnom vrijednošću električnog polja (početni napon Vi > 0), potrebna struja usklađenosti je takva da faza punjenja traje oko 1 s (i prikupljen je dovoljan broj točaka za pouzdan izračun energije) i niskim temperaturama.Prije nego što se PST MLC zagrije, otvorite strujni krug primjenom struje usklađivanja od I = 0 mA (minimalna struja usklađivanja 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 skuplja energija jer je I = 0 mA. Nakon postizanja visoke temperature, napon u MLT FT-u se povećava (u nekim slučajevima više od 30 puta, vidi dodatnu sliku 7.2), MLK FT se prazni (V = 0), a električna energija se u njima pohranjuje isto koliko i početni naboj. Ista strujna podudarnost vraća se u brojilo-izvor. Zbog pojačanja napona, pohranjena energija na visokoj temperaturi je veća od one koja je osigurana na početku ciklusa. Posljedično, energija se dobiva pretvaranjem topline u električnu energiju.
Za praćenje napona i struje primijenjene na PST MLC koristili smo Keithley 2410 SourceMeter. Odgovarajuća energija izračunava se integriranjem umnožka 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 znače energiju koju moramo dati MLC PST-u, a negativne vrijednosti znače energiju koju izvlačimo iz njih i stoga primljenu energiju. Relativna snaga za zadani ciklus sakupljanja određuje se dijeljenjem prikupljene energije s periodom τ cijelog ciklusa.
Svi podaci prikazani su u glavnom tekstu ili u dodatnim informacijama. Pisma i zahtjevi za materijalima trebaju biti upućeni izvoru AT ili ED podataka navedenih u ovom članku.
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 učinkovitost i budući izazovi. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotonaponski materijali: sadašnja učinkovitost 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 učinkovitost i budući izazovi.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK Fotonaponski materijali: trenutne performanse i budući izazovi.Znanost 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Konjunktirani piro-piezoelektrični efekt za simultano mjerenje temperature i tlaka s vlastitim napajanjem. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Konjunkcijski piro-piezoelektrični efekt za simultano mjerenje temperature i tlaka s vlastitim napajanjem.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinirani piropiezoelektrični efekt za autonomno simultano mjerenje temperature i tlaka. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Za samostalno napajanje istovremeno s temperaturom i tlakom.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinirani termopiezoelektrični efekt za autonomno simultano mjerenje temperature i tlaka.Naprijed. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Prikupljanje energije temeljeno na Ericssonovim piroelektričnim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Prikupljanje energije temeljeno na Ericssonovim piroelektričnim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Prikupljanje energije temeljeno na piroelektričnim Ericssonovim ciklusima u relaksorskoj feroelektričnoj keramici.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Prikupljanje energije u relaksorskoj feroelektričnoj keramici na temelju 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 Elektrokalorični i piroelektrični materijali koji slijede za uzajamno pretvaranje čvrste elektrotermične energije. 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. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali koji slijede za uzajamno pretvaranje čvrste elektrotermične energije. 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 za kvantificiranje performansi piroelektričnih nanogeneratora. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. Standard i mjera za kvantificiranje performansi piroelektričnih nanogeneratora.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Standardna i kvalitativna 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 i Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Kriteriji i mjere performansi za kvantificiranje performansi piroelektričnog nanogeneratora.Nanoenergija 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovo-skandij tantalatu s pravom regeneracijom putem promjene polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovo-skandij tantalatu s pravom regeneracijom putem promjene polja.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovno-skandijevom tantalatu s pravom regeneracijom pomoću modifikacije polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i 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. i Mathur, ND. Tantal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. i Mathur, ND Kalorijski materijali u blizini feroičnih faznih prijelaza. Moya, X., Kar-Narayan, S. i 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. i Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Toplinski materijali u blizini crne metalurgije.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Toplinski 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 Toplinski materijali za hlađenje i grijanje. Moya, X. i Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. i Mathur, ND Toplinski materijali za hlađenje i grijanje.Moya X. i Mathur ND Toplinski materijali za hlađenje i grijanje.Znanost 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorični hladnjaci: pregled. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorični hladnjaci: pregled.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. elektronička. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. i dr. Ogromna energetska učinkovitost elektrokaloričnog materijala u visoko uređenom skandij-skandij-olovo sustavu. National communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. i dr. Elektrotermalni učinak višeslojnih oksidnih kondenzatora je velik 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 elektrotermalni sustav hlađenja u čvrstom stanju. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. i dr. Kaskadni elektrotermalni uređaj za hlađenje za veliki porast temperature. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB i Brown, DD Visokoučinkovita izravna pretvorba topline u električnu energiju povezana s piroelektričnim mjerenjima. Olsen, RB i Brown, DD Visokoučinkovita izravna pretvorba topline u električnu energiju. Piroelektrična mjerenja povezana s...Olsen, RB i Brown, DD Visoko učinkovita izravna pretvorba topline u električnu energiju povezana s 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 Učinkovita izravna pretvorba topline u električnu energiju povezana s piroelektričnim mjerenjima.Feroelektrici 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. i dr. Gustoća energije i snage u tankim relaksorskim feroelektričnim filmovima. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN i Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija feroelektričnog faznog prijelaza i električnih gubitaka. Smith, AN i Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimizacija feroelektričnog faznog prijelaza i električnih gubitaka.Smith, AN i Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: 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 pretvorba: optimizacija feroelektričnih faznih prijelaza i električnih gubitaka.J. Primjena. fizika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Upotreba feroelektričnih materijala za pretvorbu toplinske 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 krutim otopinama olovo-skandijevog tantalata s visokim elektrokaloričnim učinkom. Šebanov, L. i Borman, K. O krutim otopinama olovo-skandijevog tantalata s visokim elektrokaloričnim učinkom.Šebanov L. i Borman K. O krutim otopinama olovo-skandijevog tantalata s visokim elektrokaloričnim učinkom. 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 krutim otopinama skandij-olovo-skandij s visokim elektrokaloričnim učinkom.Feroelektrici 127, 143–148 (1992).
Zahvaljujemo N. Furusawi, Y. Inoueu i K. Hondi na pomoći u stvaranju MLC-a. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB i ED. Zahvaljujemo Nacionalnoj istraživačkoj zakladi Luksemburga (FNR) na podršci ovom radu putem programa CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay i BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Odjel za istraživanje i tehnologiju materijala, Luksemburški tehnološki institut (LIST), Belvoir, Luksemburg