Ponuda održivih izvora električne energije jedan je od najvažnijih izazova ovog stoljeća. Područja istraživanja u materijalima za prikupljanje energije proizlaze iz ove motivacije, uključujući Thermoelectric1, Photovoltaic2 i ThermophotoVovoltaics3. Iako nam nedostaju materijali i uređaji sposobni za prikupljanje energije u rasponu Joule, piroelektrični materijali koji mogu pretvoriti električnu energiju u periodične temperaturne promjene smatraju se senzorima4, a Energy Combers5,6,7. Ovdje smo razvili makroskopski kombajn toplinske energije u obliku višeslojnog kondenzatora izrađenog od 42 grama olovnog scandium tantalata, stvarajući 11,2 J električne energije po termodinamičkom ciklusu. Svaki piroelektrični modul može stvoriti gustoću električne energije do 4,43 J CM-3 po ciklusu. Također pokazujemo da su dva takva modula težine 0,3 g dovoljna da kontinuirano napajaju autonomne kombajne energije s ugrađenim mikrokontrolerima i temperaturnim senzorima. Konačno, pokazujemo da za temperaturni raspon od 10 K, ovi višeslojni kondenzatori mogu dostići 40% učinkovitost karnota. Ova svojstva nastaju zbog (1) feroelektrične promjene faze za visoku učinkovitost, (2) niske struje curenja kako bi se spriječile gubitke i (3) napon visokog razbijanja. Ove makroskopske, skalabilne i učinkovite piroelektrične kombajne energije preispituju termoelektričnu proizvodnju energije.
U usporedbi s gradijentom prostornog temperature potrebnog za termoelektrične materijale, prikupljanje energije termoelektričnih materijala zahtijeva temperaturno biciklizam tijekom vremena. To znači termodinamički ciklus, koji je najbolje opisan dijagramom entropije (i) -temperature (T). Slika 1a prikazuje tipični ST parcela nelinearnog piroelektričnog (NLP) materijala koji pokazuje poljski ferroelektrično-paraelektični fazni prijelaz u skandijskom olovnom tantalatu (PST). Plavi i zeleni presjeci ciklusa na ST dijagramu odgovaraju pretvorenoj električnoj energiji u Olsonovom ciklusu (dva izotermalna i dva izopola). Ovdje razmotrimo dva ciklusa s istom promjenom električnog polja (polje uključeno i isključeno) i temperaturu mijenja ΔT, iako s različitim početnim temperaturama. Zeleni ciklus nije smješten u faznom prijelaznom području i tako ima mnogo manje područje od plavog ciklusa smještenog u faznom prijelaznom području. U ST dijagramu, što je veća površina, to je veća sakupljena energija. Stoga fazni prijelaz mora prikupiti više energije. Potreba za biciklizmom velikog područja u NLP-u vrlo je slična potrebi za elektrotermalnim aplikacijama9, 10, 11, 12 gdje su PST višeslojni kondenzatori (MLC) i terpolimeri na bazi PVDF-a nedavno pokazali izvrsne obrnute performanse. Status performansi hlađenja u ciklusu 13,14,15,16. Stoga smo identificirali PST MLC od interesa za prikupljanje toplinske energije. Ovi su uzorci u potpunosti opisani u metodama i karakterizirani u dopunskim napomenama 1 (skenirajuća elektronska mikroskopija), 2 (rendgenska difrakcija) i 3 (kalorimetrija).
A, Skica entropije (S) -temperature (T) s električnim poljem uključenim i isključenim na NLP materijale koji pokazuju fazne prijelaze. Dva ciklusa prikupljanja energije prikazana su u dvije različite temperaturne zone. Plavi i zeleni ciklusi javljaju se unutar i izvan faznog prijelaza, a 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, odnosno odgovarajući OLSEN ciklusi. Pisma ABCD odnose se na različita stanja u Olson ciklusu. 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 do 20 ° C u nuli polja. Plavo područje odgovara ulaznoj snazi ​​potrebnoj za pokretanje ciklusa. Narančasto područje je energija prikupljena u jednom ciklusu. C, gornja ploča, napon (crna) i struja (crvena) u odnosu na vrijeme, praćene tijekom istog Olsonovog ciklusa kao i b. Dva umetka predstavljaju pojačavanje napona i struje u ključnim točkama u ciklusu. Na donjoj ploči žute i zelene krivulje 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 glavnim slovima u četiri figure isti su kao u Olsonovom ciklusu. Ciklus AB'CD odgovara ciklusu Stirlinga (dodatna napomena 7).
gdje su E i D električno polje i polje električnog pomaka. Nd se može dobiti neizravno iz DE kruga (Sl. 1B) ili izravno pokretanjem termodinamičkog ciklusa. Olsen je opisao najkorisnije metode u njegovom pionirskom radu na prikupljanju piroelektrične energije u 1980 -im17.
Na Sl. 1b prikazuje dvije monopolarne DE petlje debljine 1 mm uzoraka PST-MLC 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 neizravno izračunavanje energije prikupljene Olsonovim ciklusom prikazanom na slici 1A. U stvari, OLSEN ciklus sastoji se od dvije grane ISOFIELD (ovdje, nula polja u grani DA i 155 kV CM-1 u grani BC) i dvije izotermalne grane (ovdje 20 ° S i 20 ° S u grani AB). C u grani CD) energija prikupljena tijekom ciklusa odgovara narančastim i plavim regijama (EDD Integral). Prikupljena energija ND je razlika između ulazne i izlazne energije, tj. Samo narančasto područje na Sl. 1b. Ovaj Olsonov ciklus daje i gustoću energije od 1,78 J CM-3. Ciklus Stirlinga je alternativa Olsonovom ciklusu (Dopunska bilješka 7). Budući da se faza konstantnog naboja (otvoreni krug) lakše postiže, gustoća energije izvučena sa slike 1b (ciklus ab'cd) doseže 1,25 J CM-3. Ovo je samo 70% onoga što Olson ciklus može prikupiti, ali to čini jednostavna oprema za berbu.
Pored toga, izravno smo izmjerili energiju prikupljenu tijekom Olson ciklusa tako što smo energizirali PST MLC pomoću stupnja kontrole temperature Linkam i mjerača izvora (metoda). Slika 1c na vrhu i u odgovarajućim insecima prikazuje struju (crvena) i napon (crna) prikupljena na istom PST MLC debljini 1 mm kao i za DE petlju koja prolazi kroz isti Olson ciklus. Struja i napon omogućuju izračunavanje prikupljene energije, a krivulje su prikazane na slici. 1C, dno (zeleno) i temperatura (žuta) tijekom cijelog ciklusa. Pisma ABCD predstavljaju isti Olsonov ciklus na slici 1. MLC punjenje se javlja tijekom AB noge i provodi se pri maloj struji (200 µA), tako da izvornici mogu pravilno kontrolirati punjenje. Posljedica ove konstantne početne struje je da krivulja napona (crna krivulja) nije linearna zbog nelinearnog polja za pomicanje potencijala D PST (Sl. 1C, gornji umetnik). Na kraju punjenja, 30 MJ električne energije pohranjuje se u MLC (točka 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 dosegla visoravni od 90 ° C, ova struja je kompenzirana, iako je koračni uzorak proizveden u krugu električnu energiju od 35 mJ tijekom ovog ISOFIC -a (drugi inset u slici. Napon na MLC (grana CD) se zatim smanjuje, što rezultira dodatnih 60 MJ električnog rada. Ukupna izlazna energija je 95 MJ. Prikupljena energija je razlika između ulazne i izlazne energije, što daje 95 - 30 = 65 MJ. To odgovara gustoći energije od 1,84 J CM-3, koja je vrlo blizu ND izvađenom iz de prstena. Objavivost ovog Olsonovog ciklusa opsežno je testirana (Dopunska bilješka 4). Daljnjim povećanjem napona i temperature, postigli smo 4,43 J CM-3 koristeći OLSEN cikluse u PST MLC debljini 0,5 mm u temperaturnom rasponu od 750 V (195 kV CM-1) i 175 ° C (dopunska napomena 5). Ovo je četiri puta veće od najbolje izvedbe 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 je učinak postignut zbog vrlo niske struje curenja ovih MLC -a (<10−7 A na 750 V i 180 ° C, vidi detalje u Dodatnoj bilješci 6) - presudnoj točki koju su spomenuli Smith i dr .19 - za razliku od materijala koji su korišteni u ranijim studijama17,20. Ovaj je učinak postignut zbog vrlo niske struje curenja ovih MLC -a (<10−7 A na 750 V i 180 ° C, vidi detalje u Dodatnoj bilješci 6) - presudnoj točki koju su spomenuli Smith i dr .19 - za razliku od materijala koji su korišteni u ranijim studijama17,20. Эarakerijski bыli -ategnutы bLaGodar -anh niзKoMoMo -a u the Ki эTiх mlc (10–7 ° C -7 VOPOLNITElьNoM PRIMEчANII 6) - Kritiчeskiй MMOMENT, ouPoMaNUTUTUTY SMITOM I DR. 19 - OTLIIE OT -TMATERIALAM, ISPOLзOUNNMM NA BOLEE RANNITY ISLEDOVEDOVANI PINANI PRIJAVLJI. Ove su karakteristike postignute zbog vrlo niske struje curenja ovih MLC -a (<10–7 A na 750 V i 180 ° C, vidi dodatnu bilješku 6 za detalje) - kritična točka koju su spomenuli Smith i sur. 19 - Za razliku od materijala korištenih u ranijim studijama17,20.由于这些 mlc 的泄漏电流非常低（在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 a ， 请参见补充说明 6 中的详细信息）））） 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。MLC 的 泄漏 非常 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中））） 信息 信息 信息 人 人 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 信息 相比之下 相比之下 信息 相比之下 相比之下 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 信息 相比之下 相比之下 人 人 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 关键相比之下 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17.20。 PoskolьKU TOK UTEчKI эtiх mlc oчenь nihikiй (<10–7 a PRI 750 V i 180 ° C, SM. KlючEVOй MMOMENT, UPOMEMUTH SMITOM I DR. 19 - DASNENENIJA, BLOSTIGNUTNE хARAKTERIKIKI. Budući da je struja propuštanja ovih MLC -a vrlo niska (<10–7 A na 750 V i 180 ° C, za detalje pogledajte Dopunska bilješka 6) - ključna točka koju su spomenuli Smith i sur. 19 - Za usporedbu, ove su izvedbe postignute.na materijale korištene u ranijim studijama 17,20.
Isti uvjeti (600 V, 20–90 ° C) primijenjeni su na ciklus Stirlinga (dopunska napomena 7). Kao što se očekivalo iz rezultata DE ciklusa, prinos je bio 41,0 MJ. Jedna od najupečatljivijih značajki Stirlingovih ciklusa je njihova sposobnost pojačavanja početnog napona kroz termoelektrični učinak. Primijetili smo porast napona do 39 (od početnog napona od 15 V do krajnjeg napona do 590 V, vidi dopunsku sliku 7.2).
Druga razlikovna značajka ovih MLC -a je da su oni makroskopski predmeti dovoljno veliki da prikupljaju energiju u rasponu Joule. Stoga smo konstruirali prototip kombajn (Harv1) koristeći 28 mlc debljine pst 1 mm, slijedeći isti paralelni dizajn ploče koji su opisali Torello i dr .14, u matrici od 7 × 4 kao što je prikazano na slici. Dielektrična tekućina koja nosi toplinu u razvodu se premješta peristaltička pumpa. Prikupite do 3.1 j pomoću Olsonovog ciklusa opisanog na Sl. 2A, izotermalne regije na 10 ° C i 125 ° C i ISOFIELD REGIJE na 0 i 750 V (195 kV CM-1). To odgovara gustoći energije od 3,14 J CM-3. Pomoću ovog kombinacije mjerenja su izvršena u različitim uvjetima (Sl. 2B). Imajte na umu da je 1,8 j dobiven u temperaturnom rasponu od 80 ° C i napon od 600 V (155 kV CM-1). To se dobro slaže s prethodno spomenutim 65 MJ za PST MLC debljine 1 mm u istim uvjetima (28 × 65 = 1820 MJ).
A, Eksperimentalno postavljanje sastavljenog Harv1 prototipa zasnovanog na 28 MLC PSTS debljine 1 mm (4 reda × 7 stupca) koji rade na Olsonovim ciklusima. Za svaki od četiri koraka ciklusa, temperatura i napon su u prototipu. Računalo pokreće peristaltičku pumpu koja cirkulira dielektričnu tekućinu između hladnih i vrućih rezervoara, dva ventila i izvora napajanja. Računalo također koristi termoparove za prikupljanje podataka o naponu i struji koji se isporučuju u prototip i temperaturu kombinacije iz napajanja. B, Energija (boja) prikupljena našim prototipom od 4 × 7 mlc u odnosu na temperaturni raspon (x-osi) i napon (osi Y) u različitim eksperimentima.
Veća verzija kombajna (Harv2) sa 60 PST mlc debljine 1 mm i debljine 160 PST MLC 0,5 mm (41,7 g aktivni piroelektrični materijal) dala je 11,2 J (dopunska bilješka 8). Godine 1984. Olsen je napravio energetski kombajn na temelju 317 g spoja PB (ZR, Ti) O3 koji je sposoban za proizvodnju 6,23 J električne energije na temperaturi od oko 150 ° C (Ref. 21). Za ovaj kombinacija, ovo je jedina druga vrijednost dostupna u rasponu Joule. Dobio je nešto više od polovice vrijednosti koju smo postigli i gotovo sedam puta više od kvalitete. 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 7 stupaca MLC seta debljine 1 mm. Da bismo ga napravili jedan korak dalje, izgradili smo treći kombinacija (Harv3) s PST MLC debljinom 0,5 mm i sličnim postavljanjem na Harv1 i Harv2 (Dopunska bilješka 9). Izmjerili smo vrijeme toplizacije od 12,5 sekundi. To odgovara vremenu ciklusa od 25 s (dopunska slika 9). Prikupljena energija (47 MJ) daje električnu snagu od 1,95 MW po mlc, što nam zauzvrat omogućuje da zamislimo da Harv2 proizvodi 0,55 W (otprilike 1,95 MW × 280 PST MLC debljine 0,5 mm). Pored toga, simulirali smo prijenos topline pomoću simulacije konačnih elemenata (COMSOL, Dopunska napomena 10 i dodatne tablice 2–4) što odgovara eksperimentima s Harv1. Modeliranje konačnih elemenata omogućilo je predviđanje vrijednosti snage gotovo naredbu magnitude većim (430 mW) za isti broj PST stupaca prorjeđivanjem MLC na 0,2 mm, koristeći vodu kao rashladno sredstvo i vraćanje matrice u 7 redova. × 4 stupca (pored toga, bilo je 960 MW kada je spremnik bio pored kombinacije, dopunska slika 10b).
Kako bi se pokazala korisnost ovog sakupljača, ciklus Stirlinga primijenjen je na samostalni demonstrator koji se sastoji od samo dva PST MLC debljine 0,5 mm kao kolekcionara topline, prekidača visokog napona, prekidača niskog napona s kondenzatorom za skladištenje, DC/DC pretvarač, dodatak za nisku energiju, dva termoulara i pojačanja. Krug zahtijeva da se kondenzator skladištenja u početku nabije na 9V, a zatim radi autonomno, dok se temperatura dvaju MLC kreće od -5 ° C do 85 ° C, ovdje u ciklusima od 160 s (nekoliko ciklusa prikazano je u Dodatnoj bilješci 11). Izuzetno, dva MLC -a težine samo 0,3 g mogu autonomno kontrolirati ovaj veliki sustav. Još jedna zanimljiva značajka je da pretvarač niskog napona može pretvoriti 400 V u 10-15 V sa 79% učinkovitošću (dopunska napomena 11 i dopunska 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 i gustoće isporučenog toplinskog qin (Dopunska napomena 12):
Slike 3a, B pokazuju učinkovitost η i proporcionalnu učinkovitost ηr OLSEN ciklusa, kao funkcija temperaturnog raspona debljine 0,5 mm PST MLC. Oba skupa podataka data su za električno polje od 195 kV CM-1. Učinkovitost \ (\ this \) doseže 1,43%, što je ekvivalent 18% 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 poznata vrijednost 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 toplinska histereza PST MLC između 5 i 8 K. Prepoznavanje pozitivnog učinka faznih prijelaza na učinkovitost je kritično. U stvari, optimalne vrijednosti η i ηr gotovo su sve dobivene na početnoj temperaturi Ti = 25 ° C na Sl. 3a, b. To je zbog prijelaza bliske faze kada se ne primjenjuje polje, a Curie temperatura TC je oko 20 ° C u tim MLC -ima (dopunska napomena 13).
A, B, učinkovitost η i proporcionalna učinkovitost Olsonovog ciklusa (a) \ ({\ eta} {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} {{\ RM {razlika u karnot}} za maksimum} za maksimum}} za maksimum}} }} \, \) (b) za MPC pst debljine 0,5 mm, ovisno o temperaturnom intervalu ΔTSpan.
Potonje promatranje ima dvije važne implikacije: (1) bilo koje učinkovito biciklizam mora započeti na temperaturama iznad TC za fazni prijelaz izazvan poljem (od paraelektričnog do feroelektričnog); (2) Ovi su materijali učinkovitiji u vrijeme rada u blizini TC -a. Iako su učinkovitost velike razmjere prikazana u našim eksperimentima, ograničeni raspon temperature ne omogućuje nam postizanje velike apsolutne učinkovitosti zbog granice carnota (\ (\ delta t/t \)). Međutim, izvrsna učinkovitost koju pokazuje ovi PST MLC -ovi opravdava Olsen kada spominje da „idealan regenerativni termoelektrični motor klase 20 koji radi na temperaturama između 50 ° C i 250 ° C može imati učinkovitost od 30%” 17. Da biste postigli ove vrijednosti i testirali koncept, bilo bi korisno koristiti dopirane PST -ove s različitim TCS -om, kako su proučavali Shebanov i Borman. Pokazali su da TC u PST -u može varirati od 3 ° C (SB doping) do 33 ° C (Ti doping) 22. Stoga pretpostavljamo da piroelektrični regeneratori sljedeće generacije temeljeni na dopiranim PST MLC -ima ili drugim materijalima s jakim prijelazom faze prvog reda mogu se natjecati s najboljim kombajnima električne energije.
U ovom istraživanju istraživali smo MLC -ove izrađene od PST -a. Ovi se uređaji sastoje od niza PT i PST elektroda, pri čemu je nekoliko kondenzatora paralelno povezano. 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 prikazanim na slici 1. Slični MLC-ovi u potpunosti su opisani za EC13,14 uređaja. U ovom istraživanju koristili smo 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLCS. MLC -ovi debljine od 1 mm i 0,5 mm napravljeni su iz 19 i 9 slojeva PST debljine od 38,6 µm. U oba slučaja, unutarnji PST sloj postavljen je između platinastih elektroda debljine 2,05 µm. Dizajn ovih MLC -a pretpostavlja da je 55% PST -a aktivno, što odgovara dijelu između elektroda (Dopunska napomena 1). Površina aktivne elektrode bila je 48,7 mm2 (dopunska tablica 5). MLC PST pripremljen je reakcijom čvrste faze i lijevanja. Pojedinosti postupka 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 iznosi 0,75 (dopunska napomena 2) dobiveno sinteriranjem na 1400 ° C, a zatim stotinama sati dugačkog žarenja na 1000 ° C. Za više informacija o PST MLC-u, pogledajte Dodatne bilješke 1-3 i dopunska tablica 5.
Glavni koncept ove studije temelji se na Olsonovom ciklusu (Sl. 1). Za takav ciklus potreban nam je vrući i hladan rezervoar i napajanje u praćenju i kontroliranju napona i struje u različitim MLC modulima. Ovi izravni ciklusi koristili su dvije različite konfiguracije, naime (1) Linkam module grijanje i hlađenje jednog MLC spojenog na izvor napajanja Keithley 2410 i (2) tri prototipa (Harv1, Harv2 i Harv3) paralelno s istom izvornom energijom. U potonjem slučaju, dielektrična tekućina (silikonsko ulje s viskoznošću od 5 cp na 25 ° C, kupljena od Sigma Aldrich), korištena je za izmjenu topline između dva rezervoara (vruće i hladno) i MLC. Toplinski rezervoar sastoji se od staklene posude napunjene dielektričnom tekućinom i postavljenom na vrh toplinske ploče. Hladno skladištenje sastoji se od vodene kupelji s tekućim cijevima koje sadrže dielektričnu tekućinu u velikoj plastičnoj posudi napunjenoj vodom i ledom. Na svakom kraju kombinacije postavljena su dva trosmjerna ventila (kupljena od bio-kemske tekućine) kako bi se ispravno prebacila tekućina iz jednog rezervoara na drugi (Slika 2A). Da bi se osigurala toplinska ravnoteža između PST-MLC paketa i rashladnog sredstva, razdoblje ciklusa se produžilo sve dok se ulaz i izlazni termoeleri (što je moguće bliže PST-MLC paketu) pokazao istu temperaturu. Python skripta upravlja i sinkronizira sve instrumente (izvorni brojila, pumpe, ventile i termoelele) za pokretanje ispravnog Olson ciklusa, tj. Petka za rashladno sredstvo počinje voziti bicikl kroz PST snop nakon što se izvorni mjerač nabije tako da se zagrijavaju na željenom primijenjenom naponom za dani OLSON ciklus.
Alternativno, potvrdili smo ta izravna mjerenja prikupljene energije neizravnim metodama. Ove neizravne metode temelje se na električnom pomaku (D) - električnim polje (E) Poljskim petljama prikupljenim na različitim temperaturama, a izračunavanjem područja između dvije DE petlje može se točno procijeniti koliko energije može prikupiti, kao što je prikazano na slici. Na slici 2. .1b. Ove se petlje također prikupljaju pomoću Keithleyja mjerača izvora.
Dvadeset i osam PST MLC-a debljine 1 mm sastavljeno je u paralelnoj strukturi ploče s 4 reda, u skladu s dizajnom opisanim u referenci. 14. Raspon tekućine između redova PST-MLC iznosi 0,75 mm. To se postiže dodavanjem traka dvostrane vrpce kao tekućih razmakaka oko rubova PST MLC. PST MLC je električno spojen paralelno sa srebrnim mostom epoksida u kontaktu s voditeljima elektroda. Nakon toga žice su zalijepljene srebrnom epoksidnom smolom na svaku stranu terminala elektroda za povezivanje s napajanjem. Konačno, umetnite cijelu strukturu u crijevo poliolefina. Potonji je zalijepljen za tekućinu kako bi se osiguralo pravilno brtvljenje. Konačno, u svaki kraj PST-MLC strukture debljine 0,25 mm ugrađene su 0,25 mm k-tipa K-tipa kako bi se nadgledala temperatura ulazne i izlazne tekućine. Da bi se to postiglo, crijevo se prvo mora perforirati. Nakon ugradnje termoelementa, nanesite isto ljepilo kao i prije crijeva termoelementa i žice kako biste obnovili brtvu.
Izgrađeno je osam odvojenih prototipa, od kojih je četiri imala 40 0,5 mm debljine MLC PST -a raspoređenih kao paralelne ploče s 5 stupaca i 8 redaka, a preostala četiri imala je po 15 1 mm debljine MLC PST. U 3-stupcu × 5 reda paralelna struktura ploče. Ukupni broj korištenih PST MLC -a bio je 220 (debljine 160 0,5 mm i debljine 60 PST MLC). Ove dvije podjedinice nazivamo Harv2_160 i Harv2_60. Tekući jaz u prototipu Harv2_160 sastoji se od dvije dvostrane trake debljine 0,25 mm sa žicom debljine 0,25 mm između njih. Za prototip Harv2_60 ponovili smo isti postupak, ali koristeći žicu debljine 0,38 mm. Za simetriju, Harv2_160 i Harv2_60 imaju vlastite krugove tekućine, pumpe, ventile i hladne strane (Dodatna bilješka 8). Dvije Harv2 jedinice dijele rezervoar topline, spremnik od 3 litre (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvije vruće ploče s rotirajućim magnetima. Svih osam pojedinačnih prototipa električno je spojeno paralelno. Harv2_160 i Harv2_60 podjedinice istovremeno rade u Olsonovom ciklusu, što rezultira energijom od 11,2 J.
PST MLC debljine 0,5 mm stavite u crijevo poliolefina s dvostranom trakom i žicom na obje strane kako biste stvorili prostor za tekućinu. Zbog svoje male veličine, prototip je postavljen pored vrućeg ili hladnog ventila za rezervoar, minimizirajući vrijeme ciklusa.
U PST MLC -u se primjenjuje konstantno električno polje primjenom konstantnog napona na grijaću granu. Kao rezultat toga, stvara 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 na brojač izvora, što odgovara još jednom doprinosu prikupljene energije. Konačno, s naponom v = 0 primijenjeni, MLC PST se ohlade na početnu temperaturu tako da ciklus može započeti iznova. U ovoj se fazi energija ne prikuplja. Vodili smo OLSEN ciklus pomoću Keithley 2410 Sourcemeter, punivši PST MLC iz izvora napona i postavljajući trenutnu podudaranje odgovarajuće vrijednosti tako da je prikupljeno dovoljno točaka tijekom faze punjenja za pouzdane proračune energije.
U Stirlingovim ciklusima, PST MLC -ovi su nabijeni u načinu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon VI> 0), željenoj struji usklađenosti, tako da korak punjenja traje oko 1 s (a dovoljno je tog točaka za pouzdani izračun energije) i hladne temperature. U Stirlingovim ciklusima, PST MLC -ovi su nabijeni u načinu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon VI> 0), željenoj struji usklađenosti, tako da korak punjenja traje oko 1 s (a dovoljno je tog točaka za pouzdani izračun energije) i hladne temperature. ЦIKlaх STIRGA PST MLC зARALISь VERIME ISTOчNIKA NAPAR & rijan. (nazad, narap. Detotatoe Kolilistvo -aTok -a, nazad. U Stirlingovom PST MLC ciklusima nabijeni su u načinu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon VI> 0), željenoj struji prinosa, tako da stupanj punjenja traje oko 1 s (i dovoljan broj točaka prikuplja se za pouzdani 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 se puni na početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon VI> 0) u načinu izvora napona, tako da potrebna struja usklađenosti traje oko 1 sekundu za korak punjenja (a mi smo prikupili dovoljno točaka za pouzdano izračunavanje (energija) i nisku temperaturu. ЦiklingA PST Mlc зArAEAETSA. NaPra. Kolili su se, чTobы nareжno -rasiotь эnerg) i nikiee -aPeraTuTurы. U ciklusu Stirlinga, PST MLC se puni u načinu izvora napona s početnom vrijednošću električnog polja (početni napon VI> 0), potrebna struja usklađenosti je takva da stupanj punjenja traje oko 1 s (a dovoljan broj točaka prikuplja se za pouzdano izračunavanje energije) i niske temperature.Prije nego što se PST MLC zagrije, otvorite krug primjenom podudarne struje od i = 0 mA (minimalna struja podudaranja s kojom se naš mjerni izvor može podnijeti je 10 NA). Kao rezultat toga, naboj ostaje u PST -u MJK, a napon se povećava kako se uzorak zagrijava. Ne sakuplja se energija u ruci BC jer i = 0 Ma. Nakon što dosegne visoku temperaturu, napon u MLT FT raste (u nekim slučajevima više od 30 puta, vidi dodatnu sliku 7.2), MLK FT se ispušta (v = 0), a električna energija se u njima pohranjuje za isti kao što su početni naboj. Ista trenutna korespondencija vraća se na izvor brojila. Zbog povećanja napona, pohranjena energija na visokoj temperaturi veća je od one na početku ciklusa. Slijedom toga, energija se dobiva pretvaranjem topline u električnu energiju.
Koristili smo Keithley 2410 Sourcemeter za praćenje napona i struje primijenjene na PST MLC. Odgovarajuća energija izračunava se integriranjem proizvoda napona i struje čitanja Keithleyevog izvornog brojila, \ (e = {\ int} {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {mjera) {\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ τ je razdoblje razdoblja. Na našoj energetskoj krivulji, pozitivne energetske vrijednosti znače energiju koju moramo dati MLC PST, a negativne vrijednosti znače energiju koju iz njih izvlačimo i stoga primljena energija. Relativna snaga za određeni ciklus prikupljanja određuje se dijeljenjem prikupljene energije s razdobljem τ cijelog ciklusa.
Svi su podaci predstavljeni u glavnom tekstu ili u dodatnim informacijama. Pisma i zahtjevi za materijalima trebaju biti usmjereni na izvor AT ili ED podataka koji se pružaju s ovim člankom.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za prikupljanje energije. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za prikupljanje energije.Ando Junior, 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: sadašnje učinkovitosti i budući izazovi. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC fotonaponski materijali: sadašnje učinkovitosti i budući izazovi.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK fotonaponski materijali: trenutna izvedba 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: trenutna izvedba i budući izazovi.Science 352, AAD4424 (2016).
Pjesma, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjuncirani piro-piezoelektrični učinak za samo-napajanje istodobne temperature i senziranja tlaka. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkcija piro-piezoelektričnog učinka za samo-napajanje istodobnog temperature i osjetljivosti tlaka.Pjesma K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinirani piropiezoelektrični učinak za autonomno istodobno mjerenje temperature i tlaka. 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。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Za samo-napajanje istodobno s temperaturom i pritiskom.Pjesma K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinirani termopiezoelektrični učinak za autonomno istodobno mjerenje temperature i tlaka.Naprijed. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. i Guyomar, D. Skupljanje energije na temelju piroelektričnih ciklusa Ericsson u feroelektričnoj keramici opuštanja. Sebald, G., Pruvost, S. i Guyomar, D. Skupljanje energije na temelju piroelektričnih ciklusa Ericsson u feroelektričnoj keramici opuštanja.Sebald G., ProuVost S. i Guyomar D. Skupljanje energije na temelju piroelektričnih Ericsson ciklusa u Ferroelektričnoj keramici opuštanja.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Skupljanje energije u ferroelektričnoj keramici opuštanja na temelju Ericsson piroelektričnog biciklizma. Pametna alma mater. struktura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW elektrokalorični i piroelektrični materijali nove generacije za međukonverziju elektrotermalne energije u čvrstom stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW elektrokalorični i piroelektrični materijali nove generacije za međukonverziju elektrotermalne energije u čvrstom stanju. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw эLekrokalorieskie i PIROLOLEKRISKISKIE MATERIALE VAIMNOGO PREBOLOVANIJIJI INDERDOTELьNOй эLEKTROTERMISEKOй эNERGII. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali nove 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. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw эLekrokalorieskie i PIROLOLEKRISKISKIE MATERIALE VAIMNOGO PREBOLOVANIJIJI INDERDOTELьNOй эLEKTROTERMISEKOй эNERGII. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali nove generacije za međukonverziju elektrotermalne energije u čvrstom stanju.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standardni i lik-merit za kvantificiranje performansi piroelektričnih nanogeneratora. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standardni i lik-merit za kvantificiranje performansi piroelektričnih nanogeneratora.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Standardna i ocjena kvalitete 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 elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovnom skandijumu s istinskom regeneracijom putem varijacije polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovnom skandijumu s istinskom regeneracijom putem varijacije polja.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND elektrokalorični ciklusi hlađenja u tantalatu olovnog skeniranja s istinskom regeneracijom pomoću modifikacije polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环 ， 通过场变化实现真正的再生。 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, a Elektrotermalni ciklus hlađenja tantalata s skandijuma za istinsku regeneraciju kroz preokret na terenu.Fizika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND kalorični materijali u blizini feroičnih faznih prijelaza. Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND kalorični materijali u blizini feroičnih faznih prijelaza.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND kalorični materijali u blizini faznih prijelaza feroida. 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 željezne metalurgije.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND toplinski materijali u blizini prijelaza željeznih faza.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. i Mathur, ND kalorični materijali za hlađenje i grijanje. Moya, X. i Mathur, ND kalorični 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 i toplinski materijali za hlađenje i grijanje.Znanost 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. i Demay, E. Elektrokalorična hladnjaci: pregled. Torelló, A. i Demay, E. Elektrokalorična hladnjaci: pregled.Torello, A. i Demay, E. Electrocaloric Chillers: Pregled. Torelló, A. i Demay, E. 电热冷却器 ： 评论。 评论。 评论。 Torelló, A. i Demay, E. 电热冷却器 ： 评论。 评论。 评论。Torello, A. i Demay, E. Elektrotermalna hladnjaci: pregled.Napredno. Elektronski. Alma Mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. i sur. Ogromna energetska učinkovitost elektrokaloričnog materijala u visoko naručenom o-udubljenom scandium-skendijumu. Nacionalna komunikacija. 12, 3298 (2021).
Nair, B. i sur. Elektrotermalni učinak višeslojnih kondenzatora oksida velik je u širokom temperaturnom rasponu. Priroda 575, 468–472 (2019).
Torello, A. i sur. Ogromni temperaturni raspon u elektrotermalnim regeneratorima. Znanost 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. i sur. Elektrotermalni rashladni sustav visokih performansi. Znanost 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. i sur. Kaskadni uređaj za elektrotermalno hlađenje za veliki porast temperature. Nacionalna energija 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Visoka učinkovita izravna pretvorba topline u piroelektrična mjerenja vezana za električnu energiju. OLSEN, RB & BROWN, DD Visoka učinkovitost izravna pretvorba topline u piroelektrična mjerenja povezana s električnom energijom.Olsen, RB i Brown, DD Izuzetno učinkovita izravna pretvorba topline u električnu energiju povezanu 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 & Brown, DDOlsen, RB i Brown, DD učinkovita izravna pretvorba topline u električnu energiju povezanu s piroelektričnim mjerenjima.Ferroelektrici 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. i sur. Energija i gustoća snage u tankim relaksarskim feroelektričnim filmovima. Nacionalna alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM kaskadirana piroelektrična pretvorba: Optimiziranje feroelektričnog faznog prijelaza i električnih gubitaka. Smith, An & Hanrahan, BM kaskadirana piroelektrična pretvorba: Optimiziranje feroelektričnog faznog prijelaza i električnih gubitaka.Smith, An i Hanrahan, BM kaskadna piroelektrična pretvorba: Ferroelektrična fazni prijelaz 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 feroelektričnih faznih prijelaza i električnih gubitaka.J. Aplikacija. fizika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Upotreba feroelektričnih materijala za pretvaranje toplinske energije u električnu energiju. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded piroelektrični pretvarač energije. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded piroelektrični pretvarač energije.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascaded piroelektrični pretvarači snage.Ferroelektrici 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. i Borman, K. O olovnom scandium tantalatu čvrstih otopina s visokim elektrokaloričnim učinkom. Shebanov, L. i Borman, K. O olovnom scandium tantalatu čvrstih otopina s visokim elektrokaloričnim učinkom.Shebanov L. i Borman K. o čvrstim otopinama tantalata olovnog skeniranja s visokim elektrokaloričnim učinkom. Shebanov, L. i 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-Lead-Scandium Scandium Solions s visokim elektrokaloričnim učinkom.Ferroelektrici 127, 143–148 (1992).
Zahvaljujemo N. Furusawa, Y. Inoue i K. Honda na pomoći u stvaranju MLC -a. PL AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB i ED Zahvaljujući Nacionalnoj zakladi za istraživanje Luksemburga (FNR) za podržavanje ovog rada kroz kamelhet C17/MS/11703691/DeFay, Massena Pride/15/10935404/Defay-siebentritt, Term20/MSM Bridges2021/MS/16282302/Cecoha/Demay.
Odjel za istraživanje i tehnologiju Ministarstva materijala, Luksemburški institut za tehnologiju (popis), Belvoir, Luksemburg