Ponuda održivih izvora električne energije jedan je od najvažnijih izazova ovog stoljeća. Područja istraživanja materijala za prikupljanje energije proizlaze iz ove motivacije, uključujući termoelektriku1, fotonaponsku2 i termofotonaponsku3. Iako nam nedostaju materijali i uređaji koji mogu skupljati energiju u Jouleovom rasponu, piroelektrični materijali koji mogu pretvoriti električnu energiju u periodične temperaturne promjene smatraju se senzorima4 i skupljačima energije5,6,7. Ovdje smo razvili makroskopski sakupljač toplinske energije u obliku višeslojnog kondenzatora napravljenog od 42 grama olovo skandij tantalata, koji proizvodi 11,2 J električne energije po termodinamičkom ciklusu. Svaki piroelektrični modul može generirati gustoću električne energije do 4,43 J cm-3 po ciklusu. Također pokazujemo da su dva takva modula težine 0,3 g dovoljna za neprekidno napajanje autonomnih skupljača energije s ugrađenim mikrokontrolerima i temperaturnim senzorima. Konačno, pokazujemo da za raspon temperature od 10 K, ovi višeslojni kondenzatori mogu doseći 40% Carnotovu učinkovitost. Ta su svojstva posljedica (1) feroelektrične fazne promjene za visoku učinkovitost, (2) niske struje curenja za sprječavanje gubitaka i (3) visokog probojnog napona. Ovi makroskopski, skalabilni i učinkoviti piroelektrični sakupljači energije ponovno zamišljaju proizvodnju termoelektrične energije.
U usporedbi s prostornim temperaturnim gradijentom potrebnim za termoelektrične materijale, prikupljanje energije termoelektričnih materijala zahtijeva temperaturne cikluse tijekom vremena. To znači termodinamički ciklus, koji se najbolje opisuje dijagramom entropija (S)-temperatura (T). Slika 1a prikazuje tipični ST dijagram nelinearnog piroelektričnog (NLP) materijala koji pokazuje fazni prijelaz vođen poljem feroelektrik-paraelektrik u skandij olovo tantalatu (PST). Plavi i zeleni odsječak ciklusa na ST dijagramu odgovaraju pretvorenoj električnoj energiji u Olsonovom ciklusu (dva izotermna i dva izopolna odsječka). Ovdje razmatramo dva ciklusa s istom promjenom električnog polja (polje uključeno i isključeno) i temperaturnom promjenom ΔT, iako s različitim početnim temperaturama. Zeleni ciklus nije smješten u području faznog prijelaza i stoga ima mnogo manje područje od plavog ciklusa koji se nalazi u području faznog prijelaza. U ST dijagramu, što je veće područje, veća je prikupljena energija. Stoga fazni prijelaz mora prikupiti više energije. Potreba za kruženjem velikog područja 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 obrnute performanse. status performansi hlađenja u ciklusu 13,14,15,16. Stoga smo identificirali PST MLC-ove od interesa za prikupljanje toplinske energije. Ovi su uzorci u potpunosti opisani u metodama i karakterizirani u dodatnim bilješkama 1 (pretražna elektronska mikroskopija), 2 (difrakcija X-zraka) i 3 (kalorimetrija).
a, Skica dijagrama entropija (S)-temperatura (T) s uključenim i isključenim električnim poljem primijenjenim na NLP materijale koji pokazuju fazne prijelaze. Prikazana su dva ciklusa prikupljanja energije u dvije različite temperaturne zone. Plavi i zeleni ciklusi pojavljuju se unutar i izvan faznog prijelaza, redom, 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, odnosno 90 °C, i odgovarajući Olsenovi ciklusi. Slova ABCD označavaju različita stanja u Olsonovom ciklusu. AB: MLC su napunjeni do 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 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, praćeno tijekom istog Olsonovog ciklusa kao b. Dva umetka predstavljaju pojačanje napona i struje u ključnim točkama ciklusa. U donjem panelu, žuta i zelena krivulja predstavljaju odgovarajuće krivulje temperature i energije za MLC debljine 1 mm. Energija se izračunava iz krivulja struje i napona na gornjoj ploči. Negativna energija odgovara prikupljenoj energiji. Koraci koji odgovaraju velikim slovima na četiri slike isti su kao u Olsonovom ciklusu. Ciklus AB'CD odgovara Stirlingovom ciklusu (dodatna bilješka 7).
gdje su E i D električno polje odnosno 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 na prikupljanju piroelektrične energije 1980-ih17.
Na sl. Slika 1b prikazuje dvije monopolarne DE petlje uzoraka PST-MLC debljine 1 mm sastavljenih na 20 °C, odnosno 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 prikazanim na slici 1a. U stvari, Olsenov ciklus se sastoji od dvije grane izopolja (ovdje, nulto polje u DA grani i 155 kV cm-1 u BC grani) i dvije izotermne grane (ovdje, 20°S i 20°S u AB grani) . C u grani CD) 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 poseban Olsonov ciklus daje gustoću energije Nd od 1,78 J cm-3. Stirlingov ciklus je alternativa Olsonovom ciklusu (dopunska bilješka 7). Budući da se stupanj 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 Olsonov ciklus može prikupiti, ali jednostavna oprema za žetvu to čini.
Osim toga, izravno smo izmjerili energiju prikupljenu tijekom Olsonovog ciklusa uključivanjem PST MLC pomoću Linkam stupnja za kontrolu temperature i mjerača izvora (metoda). Slika 1c na vrhu iu odgovarajućim umetcima prikazuje struju (crveno) i napon (crno) prikupljene na istom PST MLC-u debljine 1 mm kao i za DE petlju koja prolazi kroz isti Olsonov ciklus. Struja i napon omogućuju izračunavanje prikupljene energije, a krivulje su prikazane na sl. 1c, dno (zeleno) i temperatura (žuto) tijekom cijelog ciklusa. Slova ABCD predstavljaju isti Olsonov ciklus na slici 1. MLC punjenje se događa tijekom AB kraka i provodi se pri niskoj struji (200 µA), tako da SourceMeter može ispravno 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 u MLC (točka B) pohranjuje se 30 mJ električne energije. MLC se tada zagrijava i stvara 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, ta struja je kompenzirana, iako je korak uzorka proizvela je u krugu električnu snagu od 35 mJ tijekom ovog izopolja (drugi umetak na slici 1c, gore). Napon na MLC (grana CD) se tada 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 bilješka 4). Daljnjim povećanjem napona i temperature, postigli smo 4,43 J cm-3 korištenjem Olsenovih ciklusa u PST MLC-u debljine 0,5 mm u temperaturnom rasponu od 750 V (195 kV cm-1) i 175 °C (dodatna bilješka 5). Ovo je četiri puta veće od najboljeg učinka navedenog u literaturi za izravne Olsonove cikluse i dobiveno je na tankim slojevima Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm . Dodatni Tablica 1 za više vrijednosti u literaturi). Ova izvedba je postignuta zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC (<10−7 A pri 750 V i 180 °C, vidi detalje u Dodatnoj bilješci 6)—ključna točka koju spominju Smith et al.19—za razliku na materijale korištene u ranijim studijama17,20. Ova izvedba je postignuta zahvaljujući vrlo niskoj struji curenja ovih MLC (<10−7 A pri 750 V i 180 °C, vidi detalje u Dodatnoj bilješci 6)—ključna točka koju spominju Smith et al.19—za razliku na materijale korištene 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 su karakteristike postignute zbog vrlo niske struje curenja ovih MLC-ova (<10–7 A pri 750 V i 180 °C, vidi dodatnu bilješku 6 za detalje) – kritična točka koju su spomenuli Smith et al. 19 – za razliku od materijala korištenih u ranijim studijama17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明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 bilješku 6 za detalje) – ključna točka koju spominju Smith et al. 19 – za usporedbu, ove izvedbe su ostvarene.na materijale korištene u ranijim studijama 17,20.
Isti uvjeti (600 V, 20–90 °C) primijenjeni su na Stirlingov ciklus (dodatna bilješka 7). Kao što se i očekivalo prema rezultatima DE ciklusa, prinos je bio 41,0 mJ. Jedna od najupečatljivijih značajki Stirlingovih ciklusa je njihova sposobnost da pojačaju početni napon kroz termoelektrični učinak. Uočili smo porast napona do 39 (od početnog napona od 15 V do krajnjeg napona do 590 V, vidi Dodatnu sliku 7.2).
Druga značajka razlikovanja ovih MLC-ova je da su oni makroskopski objekti dovoljno veliki da skupljaju energiju u rasponu džula. Stoga smo konstruirali prototip žetelice (HARV1) koristeći 28 MLC PST debljine 1 mm, slijedeći isti dizajn paralelne ploče koji su opisali Torello et al.14, u matrici 7×4 kao što je prikazano na slici. Dielektrična tekućina koja nosi toplinu u razvodnik se pomiče peristaltičkom pumpom između dva rezervoara gdje se temperatura fluida održava konstantnom (metoda). Prikupite do 3,1 J koristeći Olsonov ciklus opisan na sl. 2a, izotermna područja na 10°C i 125°C i područja izopolja na 0 i 750 V (195 kV cm-1). To odgovara gustoći energije od 3,14 J cm-3. Pomoću ovog kombajna mjerenja su obavljena u različitim uvjetima (slika 2b). Imajte na umu da je 1,8 J dobiveno u temperaturnom rasponu od 80 °C i naponu od 600 V (155 kV cm-1). Ovo se dobro slaže s prethodno spomenutih 65 mJ za PST MLC debljine 1 mm pod istim uvjetima (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentalna postavka sastavljenog prototipa HARV1 temeljenog na 28 MLC PST-ova debljine 1 mm (4 reda × 7 stupaca) koji rade na Olsonovim ciklusima. Za svaki od četiri koraka ciklusa, temperatura i napon su navedeni u prototipu. Računalo pokreće peristaltičku pumpu koja cirkulira dielektričnu tekućinu između hladnog i vrućeg rezervoara, dva ventila i izvora energije. Računalo također koristi termoparove za prikupljanje podataka o naponu i struji koji se dovode do prototipa i temperaturi kombajna iz napajanja. b, Energija (boja) prikupljena našim prototipom 4×7 MLC u odnosu na raspon temperature (X-os) i napon (Y-os) u različitim eksperimentima.
Veća verzija žetelice (HARV2) s 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 bilješka 8). Godine 1984. Olsen je napravio sakupljač energije koji se temeljio na 317 g spoja Pb(Zr,Ti)O3 dopiranog kositrom koji je mogao generirati 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 napravili korak dalje, napravili smo treći kombajn (HARV3) s PST MLC-om debljine 0,5 mm i sličnim postavkama kao HARV1 i HARV2 (dodatna bilješka 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 pak 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 bilješka 10 i dodatne tablice 2–4) koja odgovara eksperimentima HARV1. Modeliranje konačnih elemenata omogućilo je predviđanje vrijednosti snage gotovo reda veličine veće (430 mW) za isti broj PST stupaca stanjivanjem MLC-a na 0,2 mm, korištenjem vode kao rashladnog sredstva i vraćanjem matrice na 7 redaka . × 4 stupca (uz , bilo je 960 mW kada je spremnik bio pokraj kombajna, Dodatna slika 10b).
Kako bi se pokazala korisnost ovog kolektora, Stirlingov ciklus primijenjen je na samostalni demonstrator koji se sastoji od samo dva PST MLC-a debljine 0,5 mm kao kolektora topline, visokonaponske sklopke, niskonaponske sklopke s kondenzatorom za pohranu, DC/DC pretvarača , mikrokontroler male snage, dva termopara i pretvarač pojačanja (dodatna bilješka 11). Krug zahtijeva da se kondenzator za pohranu inicijalno napuni na 9 V, a zatim radi autonomno dok se temperatura dvaju MLC-ova kreće od -5°C do 85°C, ovdje u ciklusima od 160 s (nekoliko ciklusa prikazano je u Dodatnoj bilješci 11) . Nevjerojatno, dva MLC-a težine samo 0,3 g mogu autonomno kontrolirati ovaj veliki sustav. Još jedna zanimljiva značajka je da niskonaponski pretvarač može pretvoriti 400 V u 10-15 V sa 79% učinkovitosti (dodatna bilješka 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 Nd i gustoće dovedene topline Qin (dodatna bilješka 12):
Slike 3a,b prikazuju učinkovitost η, odnosno 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 \(\this\) 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). Ovo je dvostruko veća 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). Rasponi temperatura ispod 10 K nisu uzeti u obzir jer je toplinska histereza PST MLC između 5 i 8 K. Prepoznavanje pozitivnog učinka faznih prijelaza na učinkovitost je kritično. Zapravo, optimalne vrijednosti η i ηr gotovo su sve dobivene na početnoj temperaturi Ti = 25°C na sl. 3a,b. To je zbog bliskog faznog prijelaza kada se ne primjenjuje polje, a Curiejeva temperatura TC je oko 20 °C u ovim MLC-ovima (dodatna bilješka 13).
a,b, učinkovitost η i proporcionalna učinkovitost Olsonovog ciklusa (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } za maksimalni električni poljem od 195 kV cm-1 i različitim početnim temperaturama Ti, }}\,\)(b) za MPC PST debljine 0,5 mm, ovisno o temperaturnom intervalu ΔTspan.
Potonje opažanje ima dvije važne implikacije: (1) svaki učinkovit ciklus mora započeti na temperaturama iznad TC da bi se dogodio fazni prijelaz izazvan poljem (od paraelektričnog do feroelektričnog); (2) ovi materijali su učinkovitiji u vremenima rada blizu TC. Iako su u našim eksperimentima prikazane velike učinkovitosti, ograničeni temperaturni raspon ne dopušta nam postizanje velike apsolutne učinkovitosti zbog Carnotove granice (\(\Delta T/T\)). Međutim, izvrsna učinkovitost koju pokazuju 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. Kako bi se postigle te vrijednosti i testirao koncept, bilo bi korisno koristiti dopirane PST-ove s različitim TC-ovima, kao što su proučavali Shebanov i Borman. Pokazali su da TC u PST može varirati od 3°C (dopiranje Sb) do 33°C (dopiranje Ti) 22 . Stoga pretpostavljamo da se piroelektrični regeneratori sljedeće generacije koji se temelje na dopiranim PST MLC-ovima ili drugim materijalima s jakim faznim prijelazom prvog reda mogu natjecati s najboljim električnim kombajnima.
U ovoj smo studiji istraživali MLC napravljene od PST-a. Ovi uređaji se sastoje od niza Pt i PST elektroda, pri čemu je nekoliko kondenzatora spojeno paralelno. PST je odabran jer je izvrstan EC materijal i stoga potencijalno izvrstan NLP materijal. Pokazuje oštar feroelektrični-paraelektrični fazni prijelaz prvog reda oko 20 °C, što ukazuje da su promjene njegove entropije slične onima prikazanima na slici 1. Slični MLC-ovi u potpunosti su opisani za uređaje EC13,14. U ovoj studiji koristili smo MLC 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC debljine 1 mm i 0,5 mm izrađeni su od 19 odnosno 9 slojeva PST-a debljine 38,6 µm. U oba slučaja, unutarnji PST sloj postavljen je između platinskih 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. Pojedinosti procesa pripreme opisane su u prethodnom članku14. Jedna od razlika između PST MLC-a i prethodnog članka je redoslijed B-mjesta, koji uvelike utječe na izvedbu EC-a u PST-u. Redoslijed B-mjesta PST MLC-a je 0,75 (dodatna napomena 2) dobivenog sinteriranjem na 1400°C nakon čega slijede stotine sati dugog žarenja na 1000°C. Za više informacija o PST MLC-u pogledajte dodatne bilješke 1-3 i dodatnu tablicu 5.
Glavni koncept ove studije temelji se na Olsonovom ciklusu (slika 1). Za takav ciklus potreban nam je topli i hladni spremnik i napajanje sposobno pratiti i kontrolirati napon i struju u raznim MLC modulima. Ovi izravni ciklusi koristili su dvije različite konfiguracije, naime (1) Linkam moduli koji griju i hlade jedan MLC spojen na Keithley 2410 izvor energije, i (2) tri prototipa (HARV1, HARV2 i HARV3) paralelno s istim izvorom energije. U potonjem slučaju, dielektrična tekućina (silikonsko ulje s viskoznošću od 5 cP na 25°C, kupljeno od Sigma Aldrich) korištena je za izmjenu topline između dva rezervoara (vrućeg i hladnog) i MLC-a. Termalni spremnik sastoji se od staklene posude napunjene dielektričnom tekućinom i postavljene na vrh termalne ploče. Hladnjak se sastoji od vodene kupelji s tekućim cijevima koje sadrže dielektričnu tekućinu u velikoj plastičnoj posudi napunjenoj vodom i ledom. Dva trosmjerna klizna ventila (kupljena od Bio-Chem Fluidics) postavljena su na svaki kraj kombajna kako bi se tekućina ispravno prebacivala iz jednog spremnika u drugi (Slika 2a). Kako bi se osigurala toplinska ravnoteža između paketa PST-MLC i rashladne tekućine, period ciklusa je produžen sve dok ulazni i izlazni termoelementi (što je moguće bliže paketu PST-MLC) ne pokažu istu temperaturu. Python skripta upravlja i sinkronizira sve instrumente (mjerače izvora, pumpe, ventile i termoparove) za izvođenje ispravnog Olsonovog ciklusa, tj. petlja rashladne tekućine počinje kružiti kroz PST stog nakon što se mjerač izvora napuni tako da se zagriju na željenu temperaturu primijenjeni napon za dati Olsonov ciklus.
Alternativno, ova izravna mjerenja prikupljene energije potvrdili smo neizravnim metodama. Ove neizravne metode temelje se na petljama polja električnog pomaka (D) – električno polje (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 . na slici 2. .1b. Ove DE petlje također se prikupljaju pomoću Keithley 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. Tekućinski razmak između PST-MLC redova je 0,75 mm. To se postiže dodavanjem traka dvostrane trake kao tekućih odstojnika oko rubova PST MLC-a. PST MLC je električno povezan paralelno sa srebrnim epoksidnim mostom u kontaktu s vodovima elektrode. Nakon toga, žice su zalijepljene srebrnom epoksidnom smolom sa svake strane terminala elektrode za spajanje na napajanje. Na kraju, umetnite cijelu strukturu u poliolefinsko crijevo. Potonji je zalijepljen na cijev za tekućinu kako bi se osiguralo pravilno brtvljenje. Konačno, termoparovi K-tipa debljine 0,25 mm ugrađeni su u svaki kraj PST-MLC strukture za praćenje ulazne i izlazne temperature tekućine. Da biste to učinili, crijevo se prvo mora probušiti. Nakon postavljanja 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 redaka, a preostala četiri su imala po 15 MLC PST-ova debljine 1 mm. u strukturi paralelnih ploča od 3 stupca × 5 redaka. Ukupan broj korištenih PST MLC je 220 (160 debljine 0,5 mm i 60 PST MLC debljine 1 mm). Ove dvije podjedinice nazivamo HARV2_160 i HARV2_60. Tekući otvor 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 tekućine, pumpe, ventile i hladnu stranu (dopunska bilješka 8). Dvije HARV2 jedinice dijele toplinski spremnik, 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 žetvom energije od 11,2 J.
Postavite PST MLC debljine 0,5 mm u poliolefinsko crijevo s dvostranom trakom i žicom s obje strane kako biste stvorili prostor za protok tekućine. Zbog svoje male veličine, prototip je postavljen pored ventila toplog ili hladnog spremnika, što je minimaliziralo vrijeme ciklusa.
U PST MLC, konstantno električno polje se primjenjuje 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 se vraća natrag u brojač izvora, što odgovara još jednom doprinosu prikupljene energije. Konačno, s primijenjenim naponom V = 0, MLC PST-ovi se hlade na svoju početnu temperaturu tako da ciklus može ponovno započeti. U ovoj fazi energija se ne prikuplja. Pokrenuli smo Olsenov ciklus pomoću Keithley 2410 SourceMeter, puneći PST MLC iz izvora napona i postavljajući trenutnu usklađenost na odgovarajuću vrijednost tako da je tijekom faze punjenja prikupljeno dovoljno bodova 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 sakupi se dovoljno bodova za pouzdan izračun energija) i hladna temperatura. 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 sakupi se dovoljno bodova za pouzdan izračun energija) i hladna temperatura. 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 Stirling PST MLC ciklusima, punili su se u načinu izvora napona pri početnoj vrijednosti električnog polja (početni napon Vi > 0), željenoj struji prinosa, tako da faza punjenja traje oko 1 s (i dovoljan broj bodova prikupljaju se za pouzdan proračun energije) i niske temperature.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）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 pouzdano izračunati (energiju) i nisku temperaturu. U ciklusu Stirlinga PST MLC radi u režimu izvornog 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 izvora napona s početnom vrijednošću električnog polja (početni napon Vi > 0), potrebna struja usklađenosti je takva da faza punjenja traje oko 1 s (i dovoljan broj bodova prikupljaju se za pouzdano izračunavanje energije) i niske temperature .Prije nego što se PST MLC zagrije, otvorite krug primjenom odgovarajuće struje od I = 0 mA (minimalna odgovarajuća struja koju naš mjerni izvor može podnijeti je 10 nA). Kao rezultat, naboj ostaje u PST-u MJK, 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 raste (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 za isto vrijeme. budući da su početni naboj. Ista trenutna korespondencija vraća se izvoru mjerača. Zbog povećanja napona, pohranjena energija na visokoj temperaturi veća je od one koja je bila osigurana na početku ciklusa. Dakle, energija se dobiva pretvaranjem topline u električnu energiju.
Koristili smo Keithley 2410 SourceMeter za praćenje napona i struje primijenjenih na PST MLC. Odgovarajuća energija izračunava se integracijom umnoška napona i struje očitanih Keithleyjevim mjeračem izvora, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ lijevo(t\ desno){V}_{{\rm{mjerno}}}(t)\), gdje je τ period perioda. Na našoj krivulji energije, pozitivne vrijednosti energije znače energiju koju moramo dati MLC PST-u, a negativne vrijednosti znače energiju koju izvlačimo iz njih, a time i primljenu energiju. Relativna snaga za određeni ciklus prikupljanja određena je dijeljenjem prikupljene energije s periodom τ cijelog ciklusa.
Svi podaci navedeni su u glavnom tekstu ili u dodatnim informacijama. Pisma i zahtjeve za materijalima treba uputiti izvoru AT ili ED podataka koji se nalaze uz ovaj članak.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za žetvu energije. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za žetvu energije.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO i Henao, NC Pregled razvoja i primjene termoelektričnih mikrogeneratora za žetvu 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 žetvu energije.nastaviti. 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: 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).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Spojeni piro-piezoelektrični efekt za samonapajajuće simultano mjerenje temperature i tlaka. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunktivni piro-piezoelektrični efekt za samonapajajuće simultano mjerenje temperature i tlaka.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinirani piropiezoelektrični učinak za autonomno istovremeno 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 & Yang, Y. Za samonapajanje u isto vrijeme kao temperatura i tlak.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Kombinirani termopiezoelektrični učinak za autonomno istovremeno 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 ciklusa. Pametna alma mater. struktura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali sljedeće generacije za međupretvorbu elektrotermalne energije čvrstog stanja. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorični i piroelektrični materijali sljedeće generacije za međupretvorbu elektrotermalne energije čvrstog stanja. 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 Sljedeća generacija elektrokaloričnih i piroelektričnih materijala za interkonverziju elektrotermalne energije čvrstog stanja. 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 Elektrokalorični i piroelektrični materijali koji slijede za uzajamno pretvaranje čvrste elektrotermične energije. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Sljedeća generacija elektrokaloričnih i piroelektričnih materijala za interkonverziju elektrotermalne energije čvrstog stanja.Lady Bull. 39, 1099-1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard i vrijednost zasluga za kvantificiranje učinka piroelektričnih nanogeneratora. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard i vrijednost zasluga za kvantificiranje učinka piroelektričnih nanogeneratora.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Standard i ocjena kvalitete za kvantificiranje učinka 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 izvedbe za kvantificiranje učinkovitosti piroelektričnog nanogeneratora.Nano energija 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovo skandij tantalatu s pravom regeneracijom putem varijacije polja. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovo skandij tantalatu s pravom regeneracijom putem varijacije polja.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND Elektrokalorični ciklusi hlađenja u olovo-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. Ciklus elektrotermalnog hlađenja skandij-olovo tantalata za pravu regeneraciju putem preokreta polja.fizika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorični materijali u blizini feroičkih faznih prijelaza. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorični materijali u blizini feroičkih faznih prijelaza.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Kalorični 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. & 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. & Mathur, ND Kalorični materijali za hlađenje i grijanje. Moya, X. & 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. & 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 rashladni uređaji: 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. Elektrotermalni hladnjaci: pregled.Napredno. elektronski. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. i sur. Ogromna energetska učinkovitost elektrokaloričnog materijala u visoko uređenom skandij-skandij-olovu. Nacionalna komunikacija. 12, 3298 (2021).
Nair, B. i sur. Elektrotoplinski učinak oksidnih višeslojnih kondenzatora velik je u širokom temperaturnom rasponu. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. i sur. Veliki temperaturni raspon u elektrotermalnim regeneratorima. Znanost 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. i sur. Visokoučinkovit čvrsti elektrotermalni rashladni sustav. Znanost 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. i sur. Kaskadni elektrotermički rashladni uređaj za veliki porast temperature. Nacionalna energija 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Visokoučinkovita izravna pretvorba topline u električnu energiju, piroelektrična mjerenja. Olsen, RB & Brown, DD Visokoučinkovita izravna pretvorba topline u električnu energiju, piroelektrična mjerenja.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 & 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 sur. Gustoća energije i snage u tankim relaksorskim feroelektričnim filmovima. Nacionalna alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimiziranje feroelektričnog faznog prijelaza i električnih gubitaka. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadna piroelektrična pretvorba: optimiziranje 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 Korištenje feroelektričnih materijala za pretvaranje toplinske energije u električnu. proces. IEEE 51, 838-845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadni pretvarač piroelektrične energije. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadni pretvarač piroelektrične energije.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Kaskadni piroelektrični pretvarači energije.Feroelektrici 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. O čvrstim otopinama olovo-skandij tantalata s visokim elektrokalorijskim učinkom. Shebanov, L. & Borman, K. O čvrstim otopinama olovo-skandij tantalata s visokim elektrokalorijskim učinkom.Shebanov L. i Borman K. O čvrstim 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。 Shebanov, L. i Borman, K.Shebanov L. i Borman K. O čvrstim otopinama skandij-olovo-skandij s visokim elektrokalorijskim učinkom.Feroelektrici 127, 143–148 (1992).
Zahvaljujemo N. Furusawi, Y. Inoueu i K. Hondi na njihovoj pomoći u stvaranju MLC-a. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB i ED Zahvaljujemo Luksemburškoj nacionalnoj istraživačkoj zakladi (FNR) na podršci ovom radu putem CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay i BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Odjel za istraživanje i tehnologiju materijala, Luksemburški institut za tehnologiju (LIST), Belvoir, Luksemburg