Oferowanie zrównoważonych źródeł energii elektrycznej jest jednym z najważniejszych wyzwań tego stulecia. Obszary badawcze w materiałach pozyskiwania energii wynikają z tej motywacji, w tym termoelektryczne, fotowoltaic2 i termophotovoltaics3. Chociaż brakuje nam materiałów i urządzeń zdolnych do pozyskiwania energii w zakresie Joule, materiały piroelektryczne, które mogą przekształcić energię elektryczną na okresowe zmiany temperatury, są uważane za czujniki 4 i harowanie energii 5,6,7. Tutaj opracowaliśmy makroskopowy kombajn energii cieplnej w postaci wielowarstwowego kondensatora wykonanego z 42 gramów scandium ołowiu, wytwarzającego 11,2 J energii elektrycznej na cykl termodynamiczny. Każdy moduł piroelektryczny może generować gęstość energii elektrycznej do 4,43 J CM-3 na cykl. Pokazujemy również, że dwa takie moduły o wadze 0,3 g są wystarczające do ciągłego zasilania autonomicznych kombajnów energii z wbudowanymi mikrokontrolerów i czujnikami temperatury. Wreszcie pokazujemy, że w zakresie temperatur 10 K, te kondensatory wielowarstwowe mogą osiągnąć 40% sprawności Carnot. Właściwości te wynikają z (1) zmiany faz ferroelektrycznych dla wysokiej wydajności, (2) niskiego prądu upływu, aby zapobiec stratom, oraz (3) wysokie napięcie rozpadu. Te makroskopowe, skalowalne i wydajne pielęgnacje energii piroelektrycznej ponownie wyobrażają sobie wytwarzanie energii termoelektrycznej.
W porównaniu z przestrzennym gradientem temperatury wymaganym do materiałów termoelektrycznych, pozyskiwanie energii materiałów termoelektrycznych wymaga cyklizacji temperatury w czasie. Oznacza to cykl termodynamiczny, który najlepiej opisuje schemat entropii (S) -Temperature (T). Rycina 1A pokazuje typowy wykres ST nieliniowego materiału piroelektrycznego (NLP) wykazującego oparty na polu przejście fazowo-paraelektryczno-paraelektrycznej w tantalanie ołowiu ołowiu Scandium (PST). Niebieskie i zielone odcinki cyklu na schemacie ST odpowiadają przekształconej energii elektrycznej w cyklu Olsona (dwie sekcje izotermiczne i dwie sekcje izopolu). Tutaj rozważamy dwa cykle o tej samej zmianie pola elektrycznego (pola i wyłączona) i zmiana temperatury δT, choć z różnymi początkowymi temperaturami. Zielony cykl nie znajduje się w regionie przejściowym fazowym, a zatem ma znacznie mniejszy obszar niż cykl niebieski znajdujący się w regionie przejściowym fazowym. Na schemacie ST im większy obszar, tym większa zebrana energia. Dlatego przejście fazowe musi zebrać więcej energii. Potrzeba jazdy na dużych obszarach w NLP jest bardzo podobna do potrzeby zastosowań elektrotermicznych 9, 10, 11, 12, gdzie kondensatory wielowarstwowe PST (MLC) i terpolimery na bazie PVDF wykazały niedawno doskonałą odwrotną wydajność. Status wydajności chłodzenia w cyklu 13,14,15,16. Dlatego zidentyfikowaliśmy interesujące MLC PST dla pozyskiwania energii cieplnej. Próbki te zostały w pełni opisane w metodach i scharakteryzowane w notatkach uzupełniających 1 (skaningowa mikroskopia elektronowa), 2 (dyfrakcja rentgenowska) i 3 (kalorymetria).
A, szkic entropii (S) -Temperature (T) z polem elektrycznym na i wyłączonym zastosowaniu do materiałów NLP pokazujących przejścia fazowe. Dwa cykle pobierania energii pokazano w dwóch różnych strefach temperatury. Cykle niebieskie i zielone występują odpowiednio wewnątrz i na zewnątrz przejścia fazowego, a kończą się w bardzo różnych obszarach powierzchni. B, dwa pierścienie jednobiegunowe de pst MLC, grubość 1 mm, mierzone odpowiednio między 0 a 155 kV cm-1 w 20 ° C i 90 ° C oraz odpowiadające cykle Olsen. Listy ABCD odnoszą się do różnych stanów w cyklu Olsona. AB: MLCS naładowano do 155 kV CM-1 w 20 ° C. BC: MLC utrzymywano przy 155 kV cm-1, a temperatura podnioskowano do 90 ° C. CD: MLC zrzuca w 90 ° C. DA: MLC schłodzone do 20 ° C w polu zerowym. Niebieski obszar odpowiada mocy wejściowej wymaganej do rozpoczęcia cyklu. Obszar pomarańczowy to energia zebrana w jednym cyklu. C, górny panel, napięcie (czarny) i prąd (czerwony) w porównaniu z czasem, śledzone w tym samym cyklu Olsona co b. Dwie wkładki reprezentują wzmocnienie napięcia i prądu w kluczowych punktach w cyklu. W dolnym panelu żółte i zielone krzywe reprezentują odpowiednio odpowiednie krzywe temperatury i energii, dla MLC o grubości 1 mm. Energia jest obliczana na podstawie krzywych prądu i napięcia na górnym panelu. Energia ujemna odpowiada zebranej energii. Kroki odpowiadające literom kapitałowym w czterech liczbach są takie same jak w cyklu Olsona. Cykl AB'CD odpowiada cyklowi Stirling (dodatkowa przypis 7).
gdzie E i D są odpowiednio polem elektrycznym i polem przemieszczenia elektrycznego. ND można uzyskać pośrednio z obwodu DE (ryc. 1B) lub bezpośrednio poprzez uruchomienie cyklu termodynamicznego. Najbardziej przydatne metody zostały opisane przez Olsen w jego pionierskiej pracy nad zebraniem energii piroelektrycznej w latach 80.17.
Na rys. 1B pokazuje dwie monopolarne pętle de próbek o grubości 1 mm PST-MLC zmontowane odpowiednio w 20 ° C i 90 ° C w zakresie od 0 do 155 kV cm-1 (600 V). Te dwa cykle można wykorzystać do pośrednicznego obliczenia energii zebranej przez cykl OLSON pokazany na rycinie 1A. W rzeczywistości cykl Olsen składa się z dwóch gałęzi izofolowych (tutaj, zero pola w gałęzi DA i 155 kV cm-1 w gałęzi BC) i dwóch gałęzi izotermicznych (tutaj, 20 ° с i 20 ° с w gałęzi AB). C w gałęzi Cd) Energia zebrana podczas cyklu odpowiada regionom pomarańczowym i niebieskim (całka EDD). Zebrana energia ND to różnica między energią wejściową i wyjściową, tj. Tylko obszar pomarańczowy na ryc. 1b. Ten konkretny cykl Olsona daje gęstość energii ND 1,78 J CM-3. Cykl Stirling jest alternatywą dla cyklu Olsona (uzupełniająca przypis 7). Ponieważ łatwiej jest osiągnąć stopień stałego ładunku (obwód otwarty), gęstość energii wyodrębniona z ryc. 1B (cykl AB'CD) osiąga 1,25 J CM-3. To tylko 70% tego, co może zbierać cykl Olson, ale robi to prosty sprzęt do zbierania.
Ponadto bezpośrednio zmierzyliśmy energię zebraną podczas cyklu Olsona poprzez zasilanie PST MLC za pomocą stadium kontroli temperatury Linam i miernika źródłowego (metoda). Ryc. 1c u góry i w odpowiednich wstawkach pokazuje prąd (czerwony) i napięcie (czarny) zebrane na tym samym PST MLC o grubości 1 mm, co w przypadku pętli DE przechodzącej przez ten sam cykl OLSON. Prąd i napięcie umożliwiają obliczenie zebranej energii, a krzywe pokazano na ryc. 1C, dół (zielony) i temperatura (żółta) w całym cyklu. Litery ABCD reprezentują ten sam cykl OLSON na ryc. 1. Ładowanie MLC występuje podczas nogi AB i jest przeprowadzane przy niskim prądu (200 µA), więc sourceeter może prawidłowo kontrolować ładowanie. Konsekwencją tego stałego prądu początkowego jest to, że krzywa napięcia (krzywa czarna) nie jest liniowa z powodu nieliniowego pola przemieszczenia potencjału D PST (ryc. 1C, górna wstawka). Na końcu ładowania 30 mJ energii elektrycznej jest przechowywane w MLC (punkt B). Następnie MLC ogrzewa się i wytwarza się prąd ujemny (a zatem prąd ujemny), podczas gdy napięcie pozostaje przy 600 V. Po 40 s, gdy temperatura osiągnęła płaskowyż 90 ° C, prąd ten został kompensowany, chociaż próbka krokowa wytwarzała w obwodzie moc elektryczną 35 mJ. Napięcie MLC (oddział CD) jest następnie zmniejszone, co powoduje dodatkowe 60 mJ prac elektrycznych. Całkowita energia wyjściowa wynosi 95 MJ. Zebrana energia jest różnicą między energią wejściową i wyjściową, co daje 95–30 = 65 MJ. Odpowiada to gęstości energii 1,84 j cm-3, która jest bardzo zbliżona do ND ekstrahowanej z pierścienia de. Odtwarzalność tego cyklu Olsona został szeroko przetestowany (Uwaga 4). Dzięki dalszemu zwiększaniu napięcia i temperatury osiągnęliśmy 4,43 J CM-3 przy użyciu cykli Olsen w PST MLC o grubości 0,5 mm w zakresie temperatur 750 V (195 kV cm-1) i 175 ° C (Uwaga uzupełniająca 5). Jest to czterokrotnie większe niż najlepsza wydajność zgłoszona w literaturze dla bezpośrednich cykli Olsona i uzyskano na cienkich filmach PB (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (cm. Tabela dodatkowa 1 dla więcej wartości w literaturze). Wydajność ta została osiągnięta ze względu na bardzo niski prąd wycieku tych MLC (<10–7 A w 750 V i 180 ° C, patrz szczegóły w dodatkowej przypisie 6) - kluczowy punkt wspomniany przez Smitha i in. 19 - w przeciwieństwie do materiałów zastosowanych we wcześniejszych badaniach17,20. Wydajność ta została osiągnięta ze względu na bardzo niski prąd wycieku tych MLC (<10–7 A w 750 V i 180 ° C, patrz szczegóły w dodatkowej przypisie 6) - kluczowy punkt wspomniany przez Smitha i in. 19 - w przeciwieństwie do materiałów zastosowanych we wcześniejszych badaniach17,20. Эти характеристиubli ыыыи достигнуты благодаря ччень низком тку уечки эих MLC (<10–7 a п 180 ° C, C, с. вополнительном примечании 6) - критический момент, упомянутый сиитом и др. 19 - в отличие от катериалам, исползованны в боле раннних исследоваjerunkoruх17,20. Te cechy zostały osiągnięte z powodu bardzo niskiego prądu upływu tych MLC (<10–7 A w 750 V i 180 ° C, patrz szczegółowe informacje na temat uzupełniającej przypisu 6) - punkt krytyczny wspomniany przez Smitha i in. 19 - W przeciwieństwie do materiałów stosowanych we wcześniejszych badaniach17,20.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 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。 Поскольку ток утечки этих Mlc ччень низкий (<10–7 A пи 750 в 180 ° C, см. Подробноium 6) ключевой момент, упомянутый ситом и др. 19 - для сравнениala, ыыли достигнунуты ээи характристики. Ponieważ prąd wycieku tych MLC jest bardzo niski (<10–7 A w 750 V i 180 ° C, szczegółowe informacje na temat uzupełniającej przypisu 6) - kluczowy punkt wspomniany przez Smitha i in. 19 - Dla porównania osiągnięcia te zostały osiągnięte.do materiałów używanych we wcześniejszych badaniach 17,20.
Te same warunki (600 V, 20–90 ° C) zastosowano w cyklu Stirling (uzupełniająca przypis 7). Jak oczekiwano wyników cyklu DE, wydajność wyniosła 41,0 mJ. Jedną z najbardziej uderzających cech cykli Stirling jest ich zdolność do wzmocnienia początkowego napięcia poprzez efekt termoelektryczny. Zaobserwowaliśmy wzrost napięcia do 39 (od początkowego napięcia 15 V do napięcia końcowego do 590 V, patrz uzupełniający ryc. 7.2).
Kolejną cechą wyróżniającą tych MLC jest to, że są to makroskopowe obiekty wystarczająco duże, aby zbierać energię w zakresie Joule. Dlatego skonstruowaliśmy prototypowy kombajn (Harv1) przy użyciu o grubości 28 mlc PST 1 mm, po tym samym równoległym projekcie płyty opisanej przez Torello i in. 14, w matrycy 7 × 4, jak pokazano na ryc. Na ryc. Płyn dielektryczny w kolektorze jest wypierany przez pompę perystaltyczną między dwoma rezerwuarami. Zbierz do 3,1 J przy użyciu cyklu Olsona opisanego na FIG. 2a, regiony izotermiczne w 10 ° C i 125 ° C oraz regiony izofolowe przy 0 i 750 V (195 kV cm-1). Odpowiada to gęstości energii 3,14 j cm-3. Za pomocą tej kombinacji pomiary wykonano w różnych warunkach (ryc. 2B). Należy zauważyć, że 1,8 J uzyskano w zakresie temperatur 80 ° C i napięcie 600 V (155 kV cm-1). Jest to zgodne z wymienionymi wcześniej 65 MJ dla PST o grubości 1 mm w tych samych warunkach (28 × 65 = 1820 MJ).
A, Eksperymentalna konfiguracja złożonego prototypu Harv1 na podstawie 28 MLC PSTS o grubości 1 mm (4 rzędów × 7 kolumn) działających na cyklach Olsona. Dla każdego z czterech etapów cyklu w prototypie podano temperaturę i napięcie. Komputer napędza pompę perystaltyczną, która krąży płyn dielektryczny między zimnymi i gorącymi zbiornikami, dwoma zaworami i źródłem zasilania. Komputer wykorzystuje również termopary do gromadzenia danych na temat napięcia i prądu dostarczonego do prototypu i temperatury kombajnu z zasilania. B, energia (kolor) zebrane przez nasz prototyp 4 × 7 mlc w porównaniu z zakresem temperatur (osi x) i napięcie (osi y) w różnych eksperymentach.
Większa wersja Harvester (Harv2) z grubością 60 pST MLC i grubości 160 pST mlc 0,5 mm (41,7 g aktywnego materiału piroelektrycznego) dała 11,2 J (Uwaga uzupełniająca 8). W 1984 r. Olsen stworzył kombajn energetyczny oparty na 317 g związku PB Pb (ZR, Ti), zdolnego do wygenerowania 6,23 J energii elektrycznej w temperaturze około 150 ° C (Ref. 21). W tym połączeniu jest to jedyna inna wartość dostępna w zakresie Joule. Osiągnęło to nieco ponad połowę wartości, którą osiągnęliśmy i prawie siedem razy więcej. Oznacza to, że gęstość energii Harv2 jest 13 razy wyższa.
Okres cyklu Harv1 wynosi 57 sekund. Wytworzyło to 54 mW mocy z 4 rzędami 7 kolumn z zestawów MLC o grubości 1 mm. Aby posunąć się o krok dalej, zbudowaliśmy trzecią kombajn (Harv3) z PST MLC o grubości 0,5 mm i podobną konfiguracją do Harv1 i Harv2 (Uzupełniająca przypis 9). Zmierzyliśmy czas termalizacji 12,5 sekundy. Odpowiada to czasowi cyklu 25 s (uzupełniający ryc. 9). Zebrana energia (47 mJ) daje moc elektryczną 1,95 MW na MLC, co z kolei pozwala nam wyobrazić sobie, że Harv2 wytwarza 0,55 W (około 1,95 MW × 280 pST MLC o grubości 0,5 mm). Ponadto symulowaliśmy transfer ciepła przy użyciu symulacji elementów skończonych (COMSOL, uzupełniającej uwagi 10 i tabeli uzupełniających 2–4) odpowiadających eksperymentom Harv1. Modelowanie elementów skończonych umożliwiło przewidywanie wartości mocy prawie rzędu wielkości wyższej (430 MW) dla tej samej liczby kolumn PST poprzez przerzedzenie MLC do 0,2 mm, używając wody jako płynu chłodzącego i przywracając matrycę do 7 wierszy. × 4 kolumny (oprócz, było 960 MW, gdy zbiornik znajdował się obok kombajnu, uzupełniający ryc. 10b).
Aby zademonstrować przydatność tego kolekcjonera, cykl Stirling zastosowano do samodzielnego demonstratora składającego się z zaledwie dwóch MLC o grubości 0,5 mm jako kolekcjonerów ciepła, przełącznika wysokiego napięcia, przełącznika niskiego napięcia z konwaktorem magazynowym, konwerterę DC/DC, mikrokontroller o niskiej mocy, dwa termopolę i wzmocnienie (suplementarna uwaga 11). Obwód wymaga początkowo naładowania kondensatora do przechowywania przy 9 V, a następnie działa autonomicznie, podczas gdy temperatura dwóch MLC waha się od -5 ° C do 85 ° C, tutaj w cyklach 160 s (kilka cykli pokazano w dodatkowej przypisie 11). Co ciekawe, dwa MLC o wadze tylko 0,3 g mogą autonomicznie kontrolować ten duży system. Kolejną interesującą cechą jest to, że konwerter o niskim napięciu jest w stanie przekształcić 400 V na 10-15 V z wydajnością 79% (uzupełniająca uwaga 11 i uzupełniająca rysunek 11.3).
Na koniec oceniliśmy wydajność tych modułów MLC w przekształcaniu energii cieplnej w energię elektryczną. Współczynnik jakości η wyników definiuje się jako stosunek gęstości zebranej energii elektrycznej ND do gęstości dostarczonej QIN ciepła (Uwaga uzupełniająca 12):
Ryciny 3A, B pokazują odpowiednio wydajność η i wydajność proporcjonalną ηr cyklu Olsen, jako funkcję zakresu temperatury o grubości 0,5 mm PST MLC. Oba zestawy danych podano dla pola elektrycznego 195 kV CM-1. Wydajność \ (\ this \) osiąga 1,43%, co odpowiada 18% ηr. Jednak dla zakresu temperatury 10 K od 25 ° C do 35 ° C, ηR osiąga wartości do 40% (niebieska krzywa na ryc. 3B). Jest to dwukrotność znanej wartości materiałów NLP zarejestrowanych w filmach PMN-PT (ηr = 19%) w zakresie temperatur 10 K i 300 kV cm-1 (Ref. 18). Zakresy temperatury poniżej 10 K nie uwzględniono, ponieważ termiczna histereza PST MLC wynosi od 5 do 8 K. rozpoznanie pozytywnego wpływu przejść fazowych na wydajność. W rzeczywistości optymalne wartości η i ηr są prawie wszystkie uzyskane w początkowej temperaturze Ti = 25 ° C na ryc. 3a, ur. Wynika to z zamkniętego przejścia fazowego, gdy nie jest stosowane pole, a temperatura Curie TC wynosi około 20 ° C w tych MLC (Uzupełniająca się przypis 13).
a, wydajność η i proporcjonalna wydajność cyklu Olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot}} dla maksimum elektrycznego przez pole 195 km-1 i innej początkowej temperatury TI, TI, }} \, \) (b) dla MPC PST o grubości 0,5 mm, w zależności od przedziału temperatury ΔTSpan.
Ta ostatnia obserwacja ma dwa ważne implikacje: (1) wszelkie efektywne cykl musi rozpocząć się w temperaturach powyżej TC dla indukowanego polem przejściem fazowym (od paraelektrycznego na ferroelektryczne); (2) Materiały te są bardziej wydajne w czasie przebiegu blisko TC. Chociaż w naszych eksperymentach pokazano na dużą wydajność, ograniczony zakres temperatur nie pozwala nam osiągnąć dużych bezwzględnych wydajności z powodu limitu Carnota (\ (\ Delta T/T \)). Jednak doskonała wydajność wykazana przez te PST MLC uzasadnia Olsen, gdy wspomina, że ​​„idealny regeneracyjny silnik termoelektryczny klasy 20 działający w temperaturach od 50 ° C do 250 ° C może mieć wydajność 30%” 17. Aby osiągnąć te wartości i przetestować koncepcję, przydatne byłoby użycie domieszkowanych PST z różnymi TC, badanymi przez Shebanov i Borman. Wykazali, że TC w PST może wahać się od 3 ° C (domieszkowanie SB) do 33 ° C (doping Ti) 22. Dlatego postawiamy hipotezę, że regeneratorzy pyroelektryczne nowej generacji oparte na domieszkowanych PST MLC lub innych materiałach z silnym przejściem fazowym pierwszego rzędu mogą konkurować z najlepszymi harpiami mocy.
W tym badaniu zbadaliśmy MLC wykonane z PST. Urządzenia te składają się z serii elektrod PT i PST, w których kilka kondensatorów jest połączonych równolegle. PST został wybrany, ponieważ jest to doskonały materiał EC, a zatem potencjalnie doskonały materiał NLP. Wykazuje ostre przejście ferroelektryczno-paraelektryczne pierwszego rzędu około 20 ° C, co wskazuje, że jej zmiany entropii są podobne do tych pokazanych na ryc. 1. Podobne MLC zostały w pełni opisane dla urządzeń EC13,14. W tym badaniu wykorzystaliśmy 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. MLC o grubości 1 mm i 0,5 mm wykonano z 19 i 9 warstw PST o grubości odpowiednio 38,6 µm. W obu przypadkach wewnętrzną warstwę PST umieszczono między elektrodami platynowymi o grubości 2,05 µm. Projekt tych MLC zakłada, że ​​55% PST jest aktywnych, co odpowiada części między elektrodami (Note uzupełniający 1). Aktywna powierzchnia elektrody wynosiła 48,7 mm2 (tabela uzupełniająca 5). MLC PST przygotowano metodą reakcji fazy stałej i metody odlewania. Szczegóły procesu przygotowania zostały opisane w poprzednim artykule14. Jedną z różnic między PST MLC a poprzednim artykułem jest kolejność B-Sites, która znacznie wpływa na wydajność EC w PST. Kolejność B-miejsce PST MLC wynosi 0,75 (Note dodatkowa 2) uzyskana przez spiekanie w 1400 ° C, a następnie setki godzin wyżarzania w 1000 ° C. Aby uzyskać więcej informacji na temat PST MLC, patrz Uwagi uzupełniające 1-3 i Tabela uzupełniająca 5.
Główna koncepcja tego badania opiera się na cyklu Olsona (ryc. 1). W takim cyklu potrzebujemy gorącego i zimnego zbiornika oraz zasilacza zdolnego do monitorowania i kontrolowania napięcia i prądu w różnych modułach MLC. Te bezpośrednie cykle wykorzystywały dwie różne konfiguracje, a mianowicie (1) moduły linkama ogrzewanie i chłodzenie jeden MLC podłączony do źródła zasilania Keithley 2410 oraz (2) trzy prototypy (Harv1, Harv2 i Harv3) równolegle z tą samą energią źródłową. W tym drugim przypadku płyn dielektryczny (olej silikonowy o lepkości 5 CP w 25 ° C, zakupiony od Sigma Aldrich) zastosowano do wymiany ciepła między dwoma zbiornikami (gorąco i zimno) i MLC. Zbiornik termiczny składa się z szklanego pojemnika wypełnionego płynem dielektrycznym i umieszczonym na płycie termicznej. Zimne magazyn składa się z kąpieli wodnej z płynnymi rurkami zawierającymi płyn dielektryczny w dużym plastikowym pojemniku wypełnionym wodą i lodem. Na każdym końcu kombajna umieszczono dwa trójstronne zawory ściskające (zakupione od bio-chemów) na każdym końcu kombajnu, aby odpowiednio przełączać płyn z jednego zbiornika na inny (ryc. 2A). Aby zapewnić równowagę termiczną między pakietem PST-MLC a płynem chłodzącym, okres cyklu został wydłużony, aż termopary wlotowe i wylotowe (jak najbliżej pakietu PST-MLC) wykazały tę samą temperaturę. Skrypt Pythona zarządza i synchronizuje wszystkie instrumenty (mierniki źródłowe, pompy, zawory i termopar), aby uruchomić prawidłowy cykl Olson, tj. Pętla płynu chłodzącego zaczyna jeździć na stosie PST po naładowaniu licznika źródłowego, aby ogrzewać się przy pożądanym zastosowanym napięciu dla danego cyklu Olsona.
Alternatywnie potwierdziliśmy te bezpośrednie pomiary zebranej energii za pomocą metod pośrednich. Te pośrednie metody oparte są na przemieszaniu elektrycznym (D) - pola elektrycznym (E) pętle polowych zebranych w różnych temperaturach, a poprzez obliczenie obszaru między dwiema pętlami DE można dokładnie oszacować, ile energii można zebrać, jak pokazano na rysunku. Na ryc. 2. 1b. Te pętle DE są również gromadzone przy użyciu mierników źródłowych Keithley.
Dwadzieścia osiem MLC o grubości 1 mm złożono w 4-kolejowej równoległej strukturze płytki 7-kolumnowej zgodnie z projektem opisanym w odniesieniu. 14. Płynna szczelina między rzędami PST-MLC wynosi 0,75 mm. Osiąga się to przez dodanie pasków dwustronnej taśmy jako przekładki cieczy wokół krawędzi PST MLC. PST MLC jest elektrycznie połączony równolegle z srebrnym mostem epoksydowym w kontakcie z przewodami elektrody. Następnie przewody przyklejono srebrną żywicą epoksydową z każdej strony zacisków elektrody w celu połączenia z zasilaczem. Na koniec włóż całą strukturę do węża poliolefinowego. Ten ostatni jest przyklejony do rurki płynnej, aby zapewnić prawidłowe uszczelnienie. Wreszcie termopary typu K o grubości 0,25 mm zostały wbudowane na każdy koniec struktury PST-MLC w celu monitorowania temperatur wlotowych i wylotowych. Aby to zrobić, wąż należy najpierw perforować. Po zainstalowaniu termopary nałóż ten sam klej, co poprzednio między wąż termopary i drut, aby przywrócić uszczelkę.
Zbudowano osiem osobnych prototypów, z których cztery miały 40 0,5 mm MLC PST rozłożonych jako płytki równoległe z 5 kolumnami i 8 wierszy, a pozostałe cztery miały 15 mlc o grubości 15 1 mm. W 3-kolumnach × 5 rzędowych struktury płytki równoległej. Całkowita liczba zastosowanych MLC PST wynosiła 220 (grubość 160 0,5 mm i 60 PST MLC o grubości 1 mm). Nazywamy te dwa podjednostki Harv2_160 i Harv2_60. Płynna szczelina w prototypu Harv2_160 składa się z dwóch dwustronnych taśm o grubości 0,25 mm z drutem o grubości 0,25 mm między nimi. W przypadku prototypu Harv2_60 powtórzyliśmy tę samą procedurę, ale przy użyciu drutu o grubości 0,38 mm. W przypadku symetrii Harv2_160 i Harv2_60 mają własne obwody płynowe, pompy, zawory i zimne (Uzupełniająca przypis 8). Dwie jednostki Harv2 mają zbiornik cieplny, 3 -litrowy pojemnik (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dwóch gorących płytach z obrotowymi magnesami. Wszystkie osiem indywidualnych prototypów jest równolegle podłączone elektrycznie. Podjednostki Harv2_160 i Harv2_60 działają jednocześnie w cyklu Olsona, powodując zbiór energii wynoszący 11,2 J.
Umieść PST MLC o grubości 0,5 mm w wąż poliolefin z dwustronną taśmą i drutem po obu stronach, aby stworzyć przestrzeń do przepływu cieczy. Ze względu na swój niewielki rozmiar prototyp umieszczono obok gorącego lub zimnego zaworu zbiornika, minimalizując czasy cyklu.
W PST MLC stosuje się stałe pole elektryczne poprzez zastosowanie stałego napięcia do gałęzi grzewczej. W rezultacie generuje się ujemny prąd termiczny i przechowywana jest energia. Po podgrzaniu PST MLC pole jest usuwane (v = 0), a energia przechowywana w nim jest zwracana z powrotem do licznika źródłowego, co odpowiada jeszcze jednemu udziałowi zebranej energii. Wreszcie, przy zastosowaniu napięcia V = 0, MLC PST są chłodzone do ich początkowej temperatury, aby cykl mógł rozpocząć się od nowa. Na tym etapie energia nie jest gromadzona. Prowadziliśmy cykl Olsen za pomocą kwopera Keithley 2410, ładując PST MLC od źródła napięcia i ustawiając dopasowanie prądu do odpowiedniej wartości, aby zebrano wystarczającą liczbę punktów podczas fazy ładowania do niezawodnych obliczeń energii.
W cyklach Stirling PST MLCS naładowano w trybie źródłowym napięcia w początkowej wartości pola elektrycznego (początkowe napięcie VI> 0), pożądany prąd zgodności, tak aby etap ładowania przybierał około 1 s (i wystarczającą liczbę punktów zebrano w celu wiarygodnego obliczenia energii) i niskiej temperatury. W cyklach Stirling PST MLCS naładowano w trybie źródłowym napięcia w początkowej wartości pola elektrycznego (początkowe napięcie VI> 0), pożądany prąd zgodności, tak aby etap ładowania przybierał około 1 s (i wystarczającą liczbę punktów zebrano w celu wiarygodnego obliczenia energii) i niskiej temperatury. В цикbarów стирлинга pst mlc заряжались р режиме источника наunkcji ) достаточное количество точек для надежного раччета энергия) и иолодная температура. W cyklach Stirling PST MLC zostały one naładowane w trybie źródła napięcia w początkowej wartości pola elektrycznego (początkowe napięcie VI> 0), pożądany prąd plonu, tak aby etap ładowania zajęł około 1 s (i pobierana jest wystarczająca liczba punktów dla niezawodnej obliczenia energii) i zimnej temperatury.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。 W cyklu głównym PST MLC jest naładowany przy początkowej wartości pola elektrycznego (początkowe napięcie VI> 0) w trybie źródła napięcia, tak że wymagany prąd zgodności zajmował około 1 sekundy dla etapu ładowania (i zebraliśmy wystarczającą liczbę punktów, aby niezawodnie obliczyć (energię) i niską temperaturę. В цикле стирлинга pST Mlc заряжается р режиме источника наunkcji наряжение vi> 0), требуеый ток податливости таков, чч этап заряrawa занимает Oколо 1 с (и наnerwów количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие температуы. W cyklu Stirling PST MLC jest naładowany w trybie źródła napięcia o wartości początkowej pola elektrycznego (napięcie początkowe VI> 0), wymagany prąd zgodności jest taki, że etap ładowania trwa około 1 s (i pobierana jest wystarczająca liczba punktów, aby niezawodnie obliczyć energię) i niskie temperatury.Przed rozgrzaniem PST MLC otwórz obwód, stosując odpowiedni prąd i = 0 mA (minimalny prąd dopasowywania, którym nasze źródło pomiarowe może obsłużyć 10 Na). W rezultacie ładunek pozostaje w PST MJK, a napięcie wzrasta w miarę ogrzewania próbki. W ramieniu BC nie jest gromadzona energia, ponieważ i = 0 Ma. Po osiągnięciu wysokiej temperatury napięcie w MLT FT wzrasta (w niektórych przypadkach więcej niż 30 razy, patrz dodatkowy ryc. 7.2), MLK FT jest rozładowywane (v = 0), a energia elektryczna jest w nich przechowywana dla tego samego, co jest one początkowym ładunkiem. Ta sama aktualna korespondencja jest zwracana do źródła miernika. Ze względu na przyrost napięcia przechowywana energia w wysokiej temperaturze jest wyższa niż na początku cyklu. W związku z tym energię uzyskuje się przez przekształcenie ciepła w energię elektryczną.
Wykorzystaliśmy kwoper Keithley 2410 do monitorowania napięcia i prądu zastosowanego do PST MLC. Odpowiednia energia jest obliczana poprzez zintegrowanie produktu napięcia i bieżącego odczytu przez miernik źródłowy Keithleya, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {MES))} \ left (t \ right) {v} _ {{{\ rm τ jest okresem okresu. Na naszej krzywej energii dodatnie wartości energii oznaczają energię, którą musimy dać MLC PST, a wartości ujemne oznaczają energię, którą z nich wydobywamy, a zatem energia otrzymana. Względna moc dla danego cyklu zbioru jest określana poprzez podzielenie zebranej energii przez okres τ całego cyklu.
Wszystkie dane są przedstawione w głównym tekście lub w dodatkowych informacjach. Listy i prośby o materiały powinny być kierowane do źródła danych AT lub ED dostarczonych z tym artykułem.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Przegląd rozwoju i zastosowań mikrogeniatorów termoelektrycznych do pozyskiwania energii. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Przegląd rozwoju i zastosowań mikrogeniatorów termoelektrycznych do pozyskiwania energii.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo i Henao, NC Przegląd rozwoju i zastosowania termoelektrycznych mikrogeniatorów do pozyskiwania energii. 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, Karolina Karolina PółnocnaAndo Junior, Ohio, Maran, Alo i Henao, NC rozważają opracowanie i zastosowanie mikrogeniatorów termoelektrycznych do pozyskiwania energii.wznawiać. wsparcie. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiały fotowoltaiczne: obecne wydajność i przyszłe wyzwania. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiały fotowoltaiczne: obecne wydajność i przyszłe wyzwania.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. and Sinke, VK Materiały fotowoltaiczne: obecne wydajność i przyszłe wyzwania. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC ： ： 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiały słoneczne: obecna wydajność i przyszłe wyzwania.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. and Sinke, VK Materiały fotowoltaiczne: obecne wydajność i przyszłe wyzwania.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl i Yang, Y. Połączone działanie pyro-piezoelektryczne dla jednoczesnej temperatury i ciśnienia. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl i Yang, Y. Celunking Pyro-Piezoelectric Effect dla samozasilającej jednoczesnej temperatury i wyczuwania ciśnienia.Song K., Zhao R., Wang Zl i Yan Yu. Połączony efekt piropieelektryczny dla autonomicznego jednoczesnego pomiaru temperatury i ciśnienia. 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. Do samokontroli w tym samym czasie, co temperatura i ciśnienie.Song K., Zhao R., Wang Zl i Yan Yu. Połączony efekt termizoelektryczny dla autonomicznego jednoczesnego pomiaru temperatury i ciśnienia.Do przodu. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Zbiór energii oparty na cyklach Pyroelektrycznych Ericsson w relaksatorowej ceramice ferroelektrycznej. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Zbiór energii oparty na cyklach Pyroelektrycznych Ericsson w relaksatorowej ceramice ferroelektrycznej.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Zbieranie energii na podstawie piroelektrycznych cykli Ericsson w ceramice ferroelektrycznej relaksora.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Zbieranie energii w relaksatorowej ceramice ferroelektrycznej opartej na cyklu Pyroelektrycznym Ericsson. Smart Alma Mater. struktura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKintry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Next Generation Materials Materials Electrocaloric and Pyroelectric Materials dla międzywykonawki energii elektrotermicznej. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKintry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Next Generation Materials Materials Electrocaloric and Pyroelectric Materials dla międzywykonawki energii elektrotermicznej. Alpay, sp, Mantese, J., Trolier-McKintry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw электрокалорические и пироэлектрическиliwą матеyszów заимного преобразования тверотеrób Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKintry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Next Generation Material i piroelektryczne materiały do ​​interkonwersji energii elektrotermicznej w stanie stałych. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckintry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckintry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Alpay, sp, Mantese, J., Trolier-McKintry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw электрокалорические и пироэлектрическиliwą матеyszów заимного преобразования тверотеrób Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKintry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Next Generation Material i piroelektryczne materiały do ​​interkonwersji energii elektrotermicznej w stanie stałych.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard i figury merit w celu kwantyfikacji wydajności nanogeneratorów piroelektrycznych. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard i figury merit w celu kwantyfikacji wydajności nanogeneratorów piroelektrycznych.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl i Yang, Yu. Standardowy i jakość oceny kwantyfikacji wydajności nanogeneratorów piroelektrycznych. 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. Kryteria i miary wydajności w kwantyfikacji wydajności nanogeneratora piroelektrycznego.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloryczne cykle chłodzenia w scandium ołowiu z prawdziwą regeneracją poprzez zmianę pola. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloryczne cykle chłodzenia w scandium ołowiu z prawdziwą regeneracją poprzez zmianę pola.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND elektrokaloryczne cykle chłodzenia w tantalnicie ołowiu z prawdziwą regeneracją za pomocą modyfikacji pola. 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。 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, i elektrotermiczny cykl chłodzenia tantalanu Scandium-Lead dla prawdziwej regeneracji poprzez odwrócenie pola.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiały kaloryczne w pobliżu przejścia fazy fazowej. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiały kaloryczne w pobliżu przejścia fazy fazowej.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materiały kaloryczne w pobliżu przejściowych fazowych fazy. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, Nd 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiały termiczne w pobliżu metalurgii żelaznej.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materiały termiczne w pobliżu przejściowych fazy żelaza.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. i Mathur, ND Materiały kaloryczne do chłodzenia i ogrzewania. Moya, X. i Mathur, ND Materiały kaloryczne do chłodzenia i ogrzewania.Moya, X. i Mathur, ND Materiały termiczne do chłodzenia i ogrzewania. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. i Mathur, ND Materiały termiczne do chłodzenia i ogrzewania.Moya X. i Mathur ND Materiały termiczne do chłodzenia i ogrzewania.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. i Defay, E. Elektrokaloryczne chłodnice: recenzja. Torelló, A. i Defay, E. Elektrokaloryczne chłodnice: recenzja.Torello, A. i Defay, E. Elektrokaloryczne agregaty chłodnicy: recenzja. Torelló, A. & Defay, E. ： ： 评论。 Torelló, A. & Defay, E. ： ： 评论。Torello, A. i Defay, E. Elektrotermiczne chłodnice: recenzja.Zaawansowany. elektroniczny. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. i in. Ogromna efektywność energetyczna materiału elektrokalorycznego w wysoko uporządkowanej scandium-scandium. Komunikacja narodowa. 12, 3298 (2021).
Nair, B. i in. Elektrotermiczny efekt kondensatorów wielowarstwowych tlenków jest duży w szerokim zakresie temperatur. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. i in. Ogromny zakres temperatur u regeneratorów elektrotermicznych. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. i in. Wysoko wydajny układ chłodzenia elektrotermicznego w stanie stałym. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. i in. Kaskadowe elektrotermiczne urządzenie chłodzące dla dużego wzrostu temperatury. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB i Brown, DD Wysoka wydajność bezpośrednia konwersja ciepła do energii elektrycznej pomiary piroelektrycznej. Olsen, RB i Brown, DD Wysoka wydajność bezpośrednia konwersja ciepła do energii elektrycznej związanych z energią piroelektryczną.Olsen, RB i Brown, DD wysoce wydajna bezpośrednia konwersja ciepła w energię elektryczną związaną z pomiarami piroelektrycznymi. 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 Efektywna bezpośrednia konwersja ciepła do energii elektrycznej związana z pomiarami piroelektrycznymi.Ferroelecrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. i in. Gęstość energii i mocy w cienkich filmach ferroelektrycznych relaksujących. Krajowa alma mater. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: Optymalizacja przejścia fazowego i strat elektrycznych. Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: Optymalizacja przejścia fazowego i strat elektrycznych.Smith, An i Hanrahan, BM Kascaded Pyroelectric Conversion: Ferroelektryczna przejście fazy i optymalizacja strat elektrycznych. 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 Cascaded Pyroelectric Conversion: Optymalizacja przejściów faz fazowych i strat elektrycznych.J. Zastosowanie. fizyka. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Zastosowanie materiałów ferroelektrycznych do przekształcania energii cieplnej na energię elektryczną. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Power Converters.Ferroelecrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. O stałej roztwory tantalate ołowiu o wysokim efekcie elektrokalorycznym. Shebanov, L. & Borman, K. O stałej roztwory tantalate ołowiu o wysokim efekcie elektrokalorycznym.Shebanov L. i Borman K. O solidnych roztworach tantalanu ołowiowo-szandium o wysokim efekcie elektrokalorycznym. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. i Borman K. na stałe roztwory Scandium-Lead-Scandium o wysokim efekcie elektrokalorycznym.Ferroelecrics 127, 143–148 (1992).
Dziękujemy N. Furusawa, Y. Inoue i K. Honda za pomoc w stworzeniu MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB i ED dzięki Luksemburgowi National Research Foundation (FNR) za wsparcie tej pracy za pośrednictwem CamelHeat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay-Siebentrit, Thermodimat C20/14718071/Defay/15/10935404/ Bridges2021/MS/16282302/Cecoha/Defay.
Departament Badań i technologii, Luksemburg Institute of Technology (List), Belvoir, Luksemburg