Нудењето одржливи извори на електрична енергија е еден од најважните предизвици на овој век. Истражувачките области во материјалите за собирање енергија произлегуваат од оваа мотивација, вклучувајќи термоелектрични1, фотоволтаични2 и термофотоволтаици3. Иако ни недостигаат материјали и уреди способни да собираат енергија во опсегот на Џули, пироелектричните материјали кои можат да ја претворат електричната енергија во периодични температурни промени се сметаат за сензори4 и жетвари за енергија5,6,7. Овде развивме макроскопски жетвар на топлинска енергија во форма на повеќеслоен кондензатор направен од 42 грама оловен скандиум танталат, кој произведува 11,2 J електрична енергија по термодинамички циклус. Секој пироелектричен модул може да генерира густина на електрична енергија до 4,43 J cm-3 по циклус. Исто така, покажуваме дека два такви модула со тежина од 0,3 g се доволни за континуирано напојување на автономни жетвари за енергија со вградени микроконтролери и сензори за температура. Конечно, покажуваме дека за температурен опсег од 10 K, овие повеќеслојни кондензатори можат да достигнат 40% ефикасност на Карно. Овие својства се должат на (1) промена на фероелектричната фаза за висока ефикасност, (2) мала струја на истекување за да се спречат загубите и (3) висок пробивен напон. Овие макроскопски, скалабилни и ефикасни пироелектрични комбајни повторно го замислуваат производството на термоелектрична енергија.
Во споредба со просторниот температурен градиент потребен за термоелектрични материјали, собирањето енергија на термоелектричните материјали бара температурен циклус со текот на времето. Ова значи термодинамички циклус, кој најдобро се опишува со дијаграмот ентропија (S)-температура (T). Слика 1а покажува типичен ST график на нелинеарен пироелектричен (NLP) материјал кој покажува теренски фероелектрично-параелектричен фазен премин во скандиум олово танталат (PST). Сините и зелените делови од циклусот на ST дијаграмот одговараат на конвертираната електрична енергија во Олсоновиот циклус (два изотермални и два изополни делови). Овде разгледуваме два циклуса со иста промена на електричното поле (полето вклучено и исклучено) и промена на температурата ΔT, иако со различни почетни температури. Зелениот циклус не се наоѓа во регионот на транзиција на фази и затоа има многу помала површина од синиот циклус лоциран во регионот на транзиција на фаза. Во дијаграмот ST, колку е поголема површината, толку е поголема собраната енергија. Затоа, фазната транзиција мора да собере повеќе енергија. Потребата за возење на голема површина во NLP е многу слична на потребата за електротермални апликации9, 10, 11, 12 каде што PST повеќеслојните кондензатори (MLCs) и терполимерите базирани на PVDF неодамна покажаа одлични обратни перформанси. статус на изведба на ладење во циклусот 13,14,15,16. Затоа, идентификувавме PST MLC од интерес за собирање топлинска енергија. Овие примероци се целосно опишани во методите и се карактеризираат во дополнителните белешки 1 (скенирана електронска микроскопија), 2 (дифракција на Х-зраци) и 3 (калориметрија).
а, Скица на заплет на ентропија (S)-температура (T) со вклучено и исклучено електрично поле применето на материјалите од НЛП кои прикажуваат фазни транзиции. Прикажани се два циклуса на собирање енергија во две различни температурни зони. Синиот и зелениот циклус се случуваат внатре и надвор од фазната транзиција, соодветно, и завршуваат во многу различни региони на површината. б, два униполарни прстени DE PST MLC, со дебелина од 1 mm, измерени помеѓу 0 и 155 kV cm-1 на 20 °C и 90 °C, соодветно, и соодветните Олсен циклуси. Буквите ABCD се однесуваат на различни состојби во Олсоновиот циклус. AB: MLCs беа наполнети до 155 kV cm-1 на 20°C. BC: MLC се одржуваше на 155 kV cm-1 и температурата беше подигната на 90 °C. ЦД: MLC се испушта на 90°C. DA: MLC разладено на 20°C на нулта област. Сината област одговара на влезната моќност потребна за започнување на циклусот. Портокаловата област е енергијата собрана во еден циклус. c, горниот панел, напонот (црн) и струјата (црвено) наспроти времето, следени за време на истиот Олсон циклус како b. Двата влошки претставуваат засилување на напонот и струјата во клучните точки во циклусот. Во долниот панел, жолтите и зелените кривини ги претставуваат соодветните криви на температурата и енергијата, соодветно, за MLC со дебелина од 1 mm. Енергијата се пресметува од кривите на струјата и напонот на горниот панел. Негативната енергија одговара на собраната енергија. Чекорите што одговараат на големите букви во четирите бројки се исти како во циклусот Олсон. Циклусот AB'CD одговара на циклусот Стирлинг (дополнителна забелешка 7).
каде што E и D се електричното поле и полето на електричното поместување, соодветно. Nd може да се добие индиректно од колото DE (сл. 1б) или директно со започнување на термодинамички циклус. Најкорисните методи беа опишани од Олсен во неговата пионерска работа за собирање пироелектрична енергија во 1980-тите17.
На сл. 1b покажува две монополарни DE јамки од примероци PST-MLC со дебелина од 1 mm, собрани на 20 °C и 90 °C, соодветно, во опсег од 0 до 155 kV cm-1 (600 V). Овие два циклуса може да се користат за индиректно пресметување на енергијата собрана од Олсоновиот циклус прикажан на слика 1а. Всушност, циклусот Олсен се состои од две гранки на изополе (овде, нула поле во гранката DA и 155 kV cm-1 во гранката BC) и две изотермални гранки (тука, 20°С и 20°С во гранката AB) . C во гранката на ЦД) Енергијата собрана во текот на циклусот одговара на портокаловите и сините региони (ЕдД интеграл). Собраната енергија Nd е разликата помеѓу влезната и излезната енергија, односно само портокаловата површина на сл. 1б. Овој конкретен Олсон циклус дава густина на енергија Nd од 1,78 J cm-3. Циклусот Стирлинг е алтернатива на циклусот Олсон (Дополнителна белешка 7). Бидејќи е полесно да се достигне фазата на постојано полнење (отворено коло), густината на енергијата извлечена од Сл. 1б (циклус AB'CD) достигнува 1,25 J cm-3. Ова е само 70% од она што може да го собере циклусот Олсон, но едноставната опрема за берба го прави тоа.
Дополнително, директно ја измеривме енергијата собрана за време на циклусот Олсон со напојување на PST MLC користејќи етапа за контрола на температурата на Linkam и мерач на извор (метод). Слика 1c на врвот и во соодветните влезови ги прикажува струјата (црвена) и напонот (црна) собрани на истиот PST MLC со дебелина од 1 mm како и за јамката DE што поминува низ истиот Олсон циклус. Струјата и напонот овозможуваат да се пресмета собраната енергија, а кривите се прикажани на сл. 1c, дното (зелено) и температура (жолта) во текот на целиот циклус. Буквите ABCD го претставуваат истиот Олсон циклус на Сл. 1. Полнењето MLC се случува за време на AB кракот и се врши со мала струја (200 µA), така што SourceMeter може правилно да го контролира полнењето. Последица на оваа константна почетна струја е тоа што кривата на напон (црна крива) не е линеарна поради нелинеарното поместување на полето на потенцијалот D PST (сл. 1в, горно вметнување). На крајот од полнењето, 30 mJ електрична енергија се складира во MLC (точка Б). MLC потоа се загрева и се создава негативна струја (а со тоа и негативна струја) додека напонот останува на 600 V. По 40 секунди, кога температурата достигнала плато од 90 °C, оваа струја била компензирана, иако примерокот од чекорот произведено во колото електрична моќност од 35 mJ за време на ова изополе (второто вметнување на Сл. 1в, горе). Напонот на MLC (ЦД на гранка) потоа се намалува, што резултира со дополнителни 60 mJ електрична работа. Вкупната излезна енергија е 95 mJ. Собраната енергија е разликата помеѓу влезната и излезната енергија која дава 95 – 30 = 65 mJ. Ова одговара на енергетската густина од 1,84 J cm-3, што е многу блиску до Nd извлечен од прстенот DE. Репродуктивноста на овој Олсон циклус е опширно тестирана (Дополнителна белешка 4). Со дополнително зголемување на напонот и температурата, постигнавме 4,43 J cm-3 користејќи циклуси Olsen во PST MLC со дебелина од 0,5 mm во температурен опсег од 750 V (195 kV cm-1) и 175 °C (Дополнителна белешка 5). Ова е четири пати поголема од најдобрата изведба пријавена во литературата за директни Олсонови циклуси и е добиена на тенки филмови од Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm . Дополнително Табела 1 за повеќе вредности во литературата). Оваа изведба е постигната поради многу ниската струја на истекување на овие MLC (<10−7 A на 750 V и 180 °C, видете детали во Дополнителна белешка 6) - клучна точка спомната од Smith et al.19 - за разлика на материјалите користени во претходните студии17,20. Оваа изведба е постигната поради многу ниската струја на истекување на овие MLC (<10−7 A на 750 V и 180 °C, видете детали во Дополнителна белешка 6) - клучна точка спомната од Smith et al.19 - за разлика на материјалите користени во претходните студии17,20. 10-7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности во дополнителен примечании 6) — критически момент, упомянут. 19 — во отличие од к материјалот, использованным в более ранних исследованиях17,20. Овие карактеристики беа постигнати поради многу ниската струја на истекување на овие MLC (<10–7 A на 750 V и 180 °C, видете ја дополнителната белешка 6 за детали) - критична точка спомената од Smith et al. 19 – за разлика од материјалите користени во претходните студии17,20.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 до 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补兎 诡）））） - 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 相比乸乸下 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 相比之下之下 相比之下 相比之下 相比之下，農到早期研究中使用的材料17.20. Поскольку ток утечки етих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности во дополнительном примечании 6) — клучен момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Бидејќи струјата на истекување на овие MLC е многу ниска (<10–7 A на 750 V и 180 °C, видете ја дополнителната белешка 6 за детали) - клучна точка спомената од Smith et al. 19 – за споредба, овие изведби се постигнати.на материјалите користени во претходните студии 17,20.
Истите услови (600 V, 20–90 °C) се применуваат на циклусот Стирлинг (Дополнителна белешка 7). Како што се очекуваше од резултатите од циклусот DE, приносот беше 41,0 mJ. Една од највпечатливите карактеристики на Стирлинг циклусите е нивната способност да го засилуваат почетниот напон преку термоелектричниот ефект. Забележавме засилување на напонот до 39 (од почетен напон од 15 V до крајниот напон до 590 V, видете ја дополнителната слика 7.2).
Друга карактеристична карактеристика на овие MLC е тоа што тие се макроскопски објекти доволно големи за да собираат енергија во опсегот на џули. Затоа, конструиравме прототип жетвар (HARV1) користејќи 28 MLC PST со дебелина од 1 mm, следејќи го истиот дизајн на паралелна плоча опишан од Torello et al.14, во матрица 7×4 како што е прикажано на сл. Диелектричната течност што носи топлина во колекторот се поместува со перисталтичка пумпа помеѓу два резервоари каде температурата на течноста се одржува константна (метод). Соберете до 3,1 J користејќи го Олсон циклусот опишан на сл. 2а, изотермални региони на 10°C и 125°C и области на изофилд на 0 и 750 V (195 kV cm-1). Ова одговара на енергетската густина од 3,14 J cm-3. Користејќи го овој комбајн, мерењата беа направени под различни услови (сл. 2б). Забележете дека 1,8 J е добиен во температурен опсег од 80 °C и напон од 600 V (155 kV cm-1). Ова е во добра согласност со претходно споменатите 65 mJ за PST MLC со дебелина од 1 mm под истите услови (28 × 65 = 1820 mJ).
а, Експериментално поставување на склопен прототип HARV1 базиран на 28 MLC PST со дебелина од 1 mm (4 реда × 7 колони) кои работат на циклуси Олсон. За секој од четирите чекори на циклусот, температурата и напонот се дадени во прототипот. Компјутерот придвижува перисталтичка пумпа која циркулира диелектрична течност помеѓу ладните и топлите резервоари, два вентили и изворот на енергија. Компјутерот користи и термоспојки за собирање податоци за напонот и струјата доставени до прототипот и температурата на комбајнот од напојувањето. б, Енергија (боја) собрана од нашиот прототип 4×7 MLC наспроти температурниот опсег (оската X) и напонот (оската Y) во различни експерименти.
Поголема верзија на жетварот (HARV2) со 60 PST MLC со дебелина од 1 mm и 160 PST MLC со дебелина од 0,5 mm (41,7 g активен пироелектричен материјал) даде 11,2 J (Дополнителна белешка 8). Во 1984 година, Олсен направил енергетски жетвар базиран на 317 g соединение допирано со калај Pb(Zr,Ti)O3 способно да генерира 6,23 J електрична енергија на температура од околу 150 °C (реф. 21). За оваа комбинација, ова е единствената друга вредност достапна во опсегот на џули. Доби нешто повеќе од половина од вредноста што ја постигнавме и речиси седум пати поголем квалитет. Ова значи дека енергетската густина на HARV2 е 13 пати поголема.
Периодот на циклусот HARV1 е 57 секунди. Ова произведе моќ од 54 mW со 4 реда од 7 колони од комплети MLC со дебелина од 1 mm. За да одиме чекор понатаму, изградивме трет комбајн (HARV3) со PST MLC дебел 0,5 mm и слично поставување на HARV1 и HARV2 (Дополнителна белешка 9). Измеривме време на термализација од 12,5 секунди. Ова одговара на времетраење на циклусот од 25 секунди (Дополнителна слика 9). Собраната енергија (47 mJ) дава електрична моќност од 1,95 mW по MLC, што пак ни овозможува да замислиме дека HARV2 произведува 0,55 W (приближно 1,95 mW × 280 PST MLC со дебелина од 0,5 mm). Дополнително, симулиравме пренос на топлина користејќи симулација на конечни елементи (COMSOL, дополнителна белешка 10 и дополнителни табели 2-4) што одговара на експериментите HARV1. Моделирањето со конечни елементи овозможи да се предвидат вредностите на моќноста речиси по ред поголема (430 mW) за ист број на PST колони со разредување на MLC на 0,2 mm, користење вода како течност за ладење и враќање на матрицата на 7 редови . × 4 колони (покрај , имаше 960 mW кога резервоарот беше до комбајнот, Дополнителна слика 10б).
За да се покаже корисноста на овој колектор, беше применет Стирлингов циклус на самостоен демонстратор кој се состои од само два PST MLC со дебелина од 0,5 mm како топлински колектори, висок напонски прекинувач, нисконапонски прекинувач со кондензатор за складирање, DC/DC конвертор , микроконтролер со мала моќност, два термопара и конвертор за засилување (Дополнителна белешка 11). Колото бара кондензаторот за складирање првично да се полни на 9V, а потоа да работи автономно додека температурата на двата MLC се движи од -5°C до 85°C, овде во циклуси од 160 секунди (неколку циклуси се прикажани во Дополнителна белешка 11) . Неверојатно, два MLC со тежина од само 0,3 g можат автономно да го контролираат овој голем систем. Друга интересна карактеристика е тоа што нисконапонскиот конвертор е способен да конвертира 400V во 10-15V со 79% ефикасност (Дополнителна белешка 11 и дополнителна слика 11.3).
Конечно, ја оценивме ефикасноста на овие MLC модули во претворањето на топлинската енергија во електрична енергија. Факторот за квалитет η на ефикасност е дефиниран како однос на густината на собраната електрична енергија Nd до густината на испорачаната топлина Qin (Дополнителна белешка 12):
Сликите 3а,б ја прикажуваат ефикасноста η и пропорционална ефикасност ηr на циклусот Олсен, соодветно, како функција од температурниот опсег на PST MLC со дебелина од 0,5 mm. Двете групи на податоци се дадени за електрично поле од 195 kV cm-1. Ефикасноста \(\this\) достигнува 1,43%, што е еквивалентно на 18% од ηr. Сепак, за температурен опсег од 10 K од 25 °C до 35 °C, ηr достигнува вредности до 40% (сина крива на Сл. 3б). Ова е двојно повеќе од познатата вредност за NLP материјалите снимени во PMN-PT филмовите (ηr = 19%) во температурен опсег од 10 K и 300 kV cm-1 (Реф. 18). Температурните опсези под 10 K не беа земени предвид бидејќи термичката хистереза ​​на PST MLC е помеѓу 5 и 8 K. Препознавањето на позитивниот ефект на фазните транзиции врз ефикасноста е критично. Всушност, оптималните вредности на η и ηr се скоро сите добиени на почетната температура Ti = 25°C на Сл. 3а, б. Ова се должи на блиска фазна транзиција кога не се применува поле и температурата на Кири TC е околу 20 °C во овие MLC (Дополнителна белешка 13).
a,b, ефикасноста η и пропорционалната ефикасност на Олсоновиот циклус (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } за максимално електрично поле од 195 kV cm-1 и различни почетни температури Ti, }}\,\)(b) за MPC PST дебел 0,5 mm, во зависност од температурниот интервал ΔTspan.
Последното набљудување има две важни импликации: (1) секое ефективно возење велосипед мора да започне на температури над TC за да се случи фазна транзиција индуцирана од теренот (од параелектричен во фероелектричен); (2) овие материјали се поефикасни во време на работа блиску до TC. Иако ефикасноста од големи размери се прикажани во нашите експерименти, ограничениот температурен опсег не ни дозволува да постигнеме големи апсолутни ефикасности поради лимитот Карно (\(\Delta T/T\)). Сепак, одличната ефикасност што ја покажаа овие PST MLC го оправдува Олсен кога споменува дека „идеален регенеративен термоелектричен мотор од класа 20 кој работи на температури помеѓу 50 °C и 250 °C може да има ефикасност од 30%“17. За да се достигнат овие вредности и да се тестира концептот, би било корисно да се користат допирани PST со различни TC, како што го проучувале Шебанов и Борман. Тие покажаа дека TC во PST може да варира од 3°C (Sb допинг) до 33°C (Ti допинг) 22 . Затоа, претпоставуваме дека следната генерација пироелектрични регенератори засновани на допирани PST MLC или други материјали со силна транзиција на фаза од прв ред можат да се натпреваруваат со најдобрите жетвари за моќност.
Во оваа студија, ги истражувавме MLC направени од PST. Овие уреди се состојат од серија на Pt и PST електроди, при што неколку кондензатори се поврзани паралелно. PST е избран затоа што е одличен EC материјал и затоа потенцијално одличен NLP материјал. Покажува остра фероелектрична-параелектрична фазна транзиција од прв ред околу 20 °C, што покажува дека неговите промени во ентропијата се слични на оние прикажани на сл. 1. Слични MLC се целосно опишани за уредите EC13,14. Во оваа студија, користевме 10,4 × 7,2 × 1 mm³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLCs. MLC со дебелина од 1 mm и 0,5 mm беа направени од 19 и 9 слоеви на PST со дебелина од 38,6 μm, соодветно. Во двата случаи, внатрешниот PST слој беше поставен помеѓу платински електроди со дебелина од 2,05 µm. Дизајнот на овие MLC претпоставува дека 55% од PST се активни, што одговара на делот помеѓу електродите (Дополнителна белешка 1). Областа на активната електрода беше 48,7 mm2 (Дополнителна табела 5). MLC PST беше подготвен со реакција на цврста фаза и метод на лиење. Деталите за процесот на подготовка се опишани во претходната статија14. Една од разликите помеѓу PST MLC и претходната статија е редоследот на B-страниците, што во голема мера влијае на перформансите на EC во PST. Редоследот на B-локалитети на PST MLC е 0,75 (Дополнителна белешка 2) добиен со синтерување на 1400°C проследено со стотина часа жарење на 1000°C. За повеќе информации за PST MLC, видете Дополнителни белешки 1-3 и дополнителна табела 5.
Главниот концепт на оваа студија се базира на циклусот Олсон (сл. 1). За таков циклус ни треба топол и ладен резервоар и напојување способно да ги следи и контролира напонот и струјата во различните MLC модули. Овие директни циклуси користеа две различни конфигурации, имено (1) Linkam модули за греење и ладење еден MLC поврзан со извор на енергија Keithley 2410 и (2) три прототипови (HARV1, HARV2 и HARV3) паралелно со истиот извор на енергија. Во вториот случај, диелектрична течност (силиконско масло со вискозност од 5 cP на 25°C, купена од Sigma Aldrich) се користеше за размена на топлина помеѓу двата резервоари (топло и ладно) и MLC. Термичкиот резервоар се состои од стаклен сад исполнет со диелектрична течност и поставен на врвот на термалната плоча. Ладилното складирање се состои од водена бања со течни цевки кои содржат диелектрична течност во голем пластичен сад исполнет со вода и мраз. Два тринасочни вентили за штипкање (купени од Bio-Chem Fluidics) беа поставени на секој крај на комбајнот за правилно префрлување на течноста од еден резервоар во друг (слика 2а). За да се обезбеди топлинска рамнотежа помеѓу пакетот PST-MLC и течноста за ладење, периодот на циклусот беше продолжен додека влезните и излезните термопарови (што е можно поблиску до пакетот PST-MLC) не ја покажаа истата температура. Скриптата на Python управува и ги синхронизира сите инструменти (изворни броила, пумпи, вентили и термопарови) за да го изврши правилниот Олсон циклус, т.е. применет напон за даден Олсон циклус.
Алтернативно, овие директни мерења на собраната енергија ги потврдивме со индиректни методи. Овие индиректни методи се засноваат на електрично поместување (D) – јамки на полето на електричното поле (E) собрани на различни температури, а со пресметување на површината помеѓу две DE јамки, може точно да се процени колку енергија може да се собере, како што е прикажано на сликата. . на слика 2. .1б. Овие DE јамки исто така се собираат со користење на броилата на изворите на Китли.
Дваесет и осум PST MLC со дебелина од 1 мм беа собрани во паралелна структура на плоча со 4 реда и 7 колони според дизајнот опишан во референцата. 14. Јазот на течноста помеѓу редовите PST-MLC е 0,75 mm. Ова се постигнува со додавање на ленти со двострана лента како течни разделувачи околу рабовите на PST MLC. PST MLC е електрично поврзан паралелно со сребрен епоксиден мост во контакт со каблите на електродата. После тоа, жиците беа залепени со сребрена епоксидна смола на секоја страна од терминалите на електродата за поврзување со напојувањето. На крајот, вметнете ја целата структура во полиолефинското црево. Вториот е залепен на цевката за течност за да се обезбеди правилно запечатување. Конечно, термопарови од К-тип со дебелина од 0,25 mm беа вградени во секој крај на структурата PST-MLC за следење на температурите на влезната и излезната течност. За да го направите ова, цревото прво мора да се пробие. По инсталирањето на термоспојот, нанесете го истото лепило како претходно помеѓу цревото на термоспојот и жицата за да го вратите заптивката.
Беа изградени осум посебни прототипи, од кои четири имаа 40 MLC PST со дебелина од 0,5 mm распоредени како паралелни плочи со 5 колони и 8 редови, а останатите четири имаа по 15 MLC PST со дебелина од 1 mm. во структура на паралелна плоча со 3 колони × 5 реда. Вкупниот број на употребени PST MLC беше 220 (160 дебели 0,5 mm и 60 PST MLC со дебелина од 1 mm). Овие две подединици ги нарекуваме HARV2_160 и HARV2_60. Течниот јаз во прототипот HARV2_160 се состои од две двострани ленти со дебелина од 0,25 mm со жица со дебелина од 0,25 mm меѓу нив. За прототипот HARV2_60, ја повторивме истата постапка, но со жица со дебелина од 0,38 mm. За симетрија, HARV2_160 и HARV2_60 имаат свои кола за течност, пумпи, вентили и ладна страна (Дополнителна белешка 8). Две единици HARV2 делат резервоар за топлина, контејнер од 3 литри (30 cm x 20 cm x 5 cm) на две рингли со ротирачки магнети. Сите осум поединечни прототипови се електрично поврзани паралелно. Подединици HARV2_160 и HARV2_60 работат истовремено во циклусот Олсон што резултира со берба на енергија од 11,2 Ј.
Ставете го PST MLC со дебелина од 0,5 mm во полиолефинско црево со двострана лента и жица од двете страни за да создадете простор за проток на течност. Поради неговата мала големина, прототипот беше поставен до вентил за резервоар со топла или ладна, минимизирајќи го времето на циклусот.
Во PST MLC, постојано електрично поле се применува со примена на постојан напон на грејната гранка. Како резултат на тоа, се генерира негативна топлинска струја и се складира енергија. По загревањето на PST MLC, полето се отстранува (V = 0), а енергијата складирана во него се враќа назад во бројачот на изворот, што одговара на уште еден придонес од собраната енергија. Конечно, со применет напон V = 0, MLC PSTs се ладат до нивната почетна температура за да може циклусот да започне повторно. Во оваа фаза, енергијата не се собира. Го водевме циклусот Олсен користејќи Keithley 2410 SourceMeter, полнење на PST MLC од извор на напон и поставување на тековната совпаѓање на соодветната вредност, така што беа собрани доволно поени за време на фазата на полнење за сигурни пресметки за енергија.
Во циклусите Стирлинг, PST MLC се полнеле во режим на извор на напон со почетна вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0), посакувана струја на усогласеност, така што чекорот на полнење трае околу 1 s (и се собираат доволно поени за сигурна пресметка на енергијата) и студената температура. Во циклусите Стирлинг, PST MLC се полнеле во режим на извор на напон со почетна вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0), посакувана струја на усогласеност, така што чекорот на полнење трае околу 1 s (и се собираат доволно поени за сигурна пресметка на енергијата) и студената температура. Во циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что етапично зарядки чек для надежного расчета енергия) и холодная температура. Во циклусите Stirling PST MLC, тие беа наполнети во режимот на извор на напон на почетната вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0), саканата струја на попуст, така што фазата на полнење трае околу 1 s (и доволен број на поени се собираат за сигурна пресметка на енергија) и ладна температура.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电掋Vi > 0）充模式下以初始电场值（初始电掋Vi > 0）充遺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. Во главниот циклус, PST MLC се полни со почетната вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0) во режимот на извор на напон, така што потребната струја на усогласеност трае околу 1 секунда за чекорот на полнење (и собравме доволно поени за да сигурно пресметајте (енергија) и ниска температура. Во цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения со начальным значењем электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости такви, што е доста зарядки за1 , чтобы надежно расцитать енергию) и ниски температуры . Во циклусот Стирлинг, PST MLC се полни во режим на извор на напон со почетна вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0), потребната струја на усогласеност е таква што фазата на полнење трае околу 1 s (и доволен број на поени се собираат за веродостојно пресметување на енергијата) и ниски температури .Пред да се загрее PST MLC, отворете го колото со примена на соодветна струја од I = 0 mA (минималната струја на совпаѓање со која може да се справи нашиот мерен извор е 10 nA). Како резултат на тоа, полнењето останува во PST на MJK, а напонот се зголемува како што се загрева примерокот. Не се собира енергија во кракот BC бидејќи I = 0 mA. По постигнување висока температура, напонот во MLT FT се зголемува (во некои случаи повеќе од 30 пати, видете ја дополнителната слика 7.2), MLK FT се испушта (V = 0) и електричната енергија се складира во нив за истото бидејќи тие се првично полнење. Истата сегашна кореспонденција се враќа на броилото-извор. Поради засилување на напонот, складираната енергија на висока температура е повисока од онаа што беше обезбедена на почетокот на циклусот. Следствено, енергијата се добива со претворање на топлината во електрична енергија.
Ние користевме Keithley 2410 SourceMeter за следење на напонот и струјата што се применуваат на PST MLC. Соодветната енергија се пресметува со интегрирање на производот на напонот и струјата што ги чита Китлиовиот извор метар, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ лево(t\ десно){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), каде τ е периодот на периодот. На нашата енергетска крива, позитивните енергетски вредности значат енергија што треба да ја дадеме на MLC PST, а негативните вредности ја означуваат енергијата што ја извлекуваме од нив, а со тоа и добиената енергија. Релативната моќност за даден циклус на собирање се одредува со делење на собраната енергија со периодот τ од целиот циклус.
Сите податоци се прикажани во главниот текст или во дополнителни информации. Писмата и барањата за материјали треба да се упатат до изворот на податоците за AT или ED дадени со овој член.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Преглед на развојот и примената на термоелектричните микрогенератори за собирање енергија. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Преглед на развојот и примената на термоелектричните микрогенератори за собирање енергија.Андо Јуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, NC Преглед на развојот и примената на термоелектричните микрогенератори за собирање енергија. Андо Јуниор, ОХ, Маран, АЛО и Хенао, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Андо Јуниор, ОХ, Маран, АЛО и Хенао, NCАндо Јуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, NC размислуваат за развој и примена на термоелектрични микрогенератори за собирање енергија.продолжи. поддршка. Energy Rev. 91, 376-393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Фотоволтаични материјали: сегашна ефикасност и идни предизвици. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Фотоволтаични материјали: сегашна ефикасност и идни предизвици.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. and Sinke, VK Photovoltaic материјали: тековни перформанси и идни предизвици. Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕК, Ерлер, Б. и Синке, 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 Соларни материјали: сегашна ефикасност и идни предизвици.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. and Sinke, VK Photovoltaic материјали: тековни перформанси и идни предизвици.Наука 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Споен пиро-пиезоелектричен ефект за самонапојувано истовремено сензорирање на температура и притисок. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Споен пиро-пиезоелектричен ефект за симултано сензорирање на температура и притисок со самопогон.Сонг К., Жао Р., Ванг ЗЛ и Јан Ју. Комбиниран пиропиезоелектричен ефект за автономно истовремено мерење на температура и притисок. 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. За само-напојување во исто време со температура и притисок.Сонг К., Жао Р., Ванг ЗЛ и Јан Ју. Комбиниран термопиезоелектричен ефект за автономно истовремено мерење на температура и притисок.Напред. Алма Матер 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Собирање на енергија врз основа на пироелектрични циклуси на Ericsson во релаксаторска фероелектрична керамика. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Собирање на енергија врз основа на пироелектрични циклуси на Ericsson во релаксаторска фероелектрична керамика.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Собирање енергија врз основа на пироелектрични Ericsson циклуси во релаксаторска фероелектрична керамика.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Собирање на енергија во релаксаторна фероелектрична керамика базирана на пироелектричен велосипедизам Ericsson. Паметна алма матер. структура. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрични материјали од следната генерација за интерконверзија на електротермална енергија во цврста состојба. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрични материјали од следната генерација за интерконверзија на електротермална енергија во цврста состојба. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материјали следующего поколения за взаимного преобразования энергемические твердотельной. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Следна генерација електрокалорични и пироелектрични материјали за интерконверзија на електротермална енергија во цврста состојба. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материјали следующего поколения за взаимного преобразования энергемические твердотельной. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Следна генерација електрокалорични и пироелектрични материјали за интерконверзија на електротермална енергија во цврста состојба.Лејди Бул. 39, 1099-1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандард и бројна вредност за квантифицирање на перформансите на пироелектричните наногенератори. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандард и бројна вредност за квантифицирање на перформансите на пироелектричните наногенератори.Џанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ју. Стандарден и квалитетен резултат за квантифицирање на перформансите на пироелектричните наногенератори. 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。 Џанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј.Џанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ју. Критериуми и мерки за изведба за квантифицирање на перформансите на пироелектричен наногенератор.Нано енергија 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалорични циклуси на ладење во олово скандиум танталат со вистинска регенерација преку варијација на полето. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалорични циклуси на ладење во олово скандиум танталат со вистинска регенерација преку варијација на полето.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. и Mathur, ND Електрокалорични циклуси на ладење во олово-скандиум танталат со вистинска регенерација со помош на теренска модификација. 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畚 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Тантал;Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. и Mathur, ND.физика Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Калоричните материјали во близина на транзиции на фероична фаза. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Калоричните материјали во близина на транзиции на фероична фаза.Moya, X., Kar-Narayan, S. и Mathur, ND Калоричните материјали во близина на транзиции на фероидна фаза. Моја, Х., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Термички материјали во близина на црна металургија.Moya, X., Kar-Narayan, S. и Mathur, ND Термички материјали во близина на транзиции на железна фаза.Нат. алма матер 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Калорични материјали за ладење и греење. Moya, X. & Mathur, ND Калорични материјали за ладење и греење.Moya, X. и Mathur, ND Термички материјали за ладење и греење. Моја, Икс и Матур, НД 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Термички материјали за ладење и греење.Moya X. и Mathur ND Термички материјали за ладење и греење.Science 370, 797-803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорични ладилници: преглед. Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорични ладилници: преглед.Torello, A. и Defay, E. Електрокалорични чилери: преглед. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论.Torello, A. и Defay, E. Електротермални ладилници: преглед.Напредно. електронски. алма матер. 8. 2101031 (2022).
Нучокгве, Ј. и сор. Огромна енергетска ефикасност на електрокалоричен материјал во високо нарачан скандиум-скандиум-олово. Национална комуникација. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Електротермичкиот ефект на оксидните повеќеслојни кондензатори е голем во широк температурен опсег. Nature 575, 468–472 (2019).
Торело, А. и сор. Огромен температурен опсег кај електротермалните регенератори. Science 370, 125-129 (2020).
Wang, Y. et al. Систем за електротермално ладење во цврста состојба со високи перформанси. Science 370, 129-133 (2020).
Менг, Ј. и сор. Каскаден електротермички уред за ладење за голем пораст на температурата. Национална енергија 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Директна конверзија на топлина во електрична енергија поврзани со пироелектрични мерења со висока ефикасност. Olsen, RB & Brown, DD Директна конверзија на топлина во електрична енергија поврзани со пироелектрични мерења со висока ефикасност.Olsen, RB и Brown, DD Високо ефикасна директна конверзија на топлина во електрична енергија поврзана со пироелектрични мерења. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Олсен, РБ и Браун, ДДOlsen, RB и Brown, DD Ефикасна директна конверзија на топлина во електрична енергија поврзана со пироелектрични мерења.Ferroelectrics 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. et al. Енергија и густина на моќност во тенки релаксаторски фероелектрични филмови. Национална алма матер. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизирање на транзицијата на фероелектричната фаза и електричните загуби. Smith, AN & Hanrahan, BM Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизирање на транзицијата на фероелектричната фаза и електричните загуби.Smith, AN и Hanrahan, BM Каскадна пироелектрична конверзија: фероелектрична фазна транзиција и оптимизација на електрични загуби. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Смит, АН и Ханрахан, БМSmith, AN и Hanrahan, BM Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизација на фероелектрични фазни транзиции и електрични загуби.J. Апликација. физика. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Употреба на фероелектрични материјали за претворање на топлинската енергија во електрична енергија. процес. IEEE 51, 838-845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Каскаден пироелектричен конвертор на енергија. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Каскаден пироелектричен конвертор на енергија.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM и Dullea, J. Каскада пироелектрична енергија конвертор. Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бриско, Џ.М. и Далеа, Џ. 级联热释电能量转换器。 Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бриско, Џ.М. и Далеа, Џ. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM и Dullea, J. Каскадни пироелектрични конвертори на енергија.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. На цврсти раствори на олово-скандиум танталат со високо електрокалорично дејство. Shebanov, L. & Borman, K. На цврсти раствори на олово-скандиум танталат со високо електрокалорично дејство.Shebanov L. and Borman K. На цврсти раствори на олово-скандиум танталат со високо електрокалорично дејство. Шебанов, Л. и Борман, К. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Шебанов, Л. и Борман, К.Shebanov L. and Borman K. На цврсти раствори на скандиум-олово-скандиум со високо електрокалорично дејство.Ferroelectrics 127, 143-148 (1992).
Им благодариме на N. Furusawa, Y. Inoue и K. Honda за нивната помош во создавањето на MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB и ED Благодарност до Националната истражувачка фондација на Луксембург (FNR) за поддршката на оваа работа преку CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay и BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Оддел за истражување и технологија на материјали, Луксембуршки институт за технологија (LIST), Белвоар, Луксембург