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 термофотоволтаични3. Иако ни недостасуваат материјали и уреди способни за собирање енергија во Џуловиот опсег, пироелектричните материјали што можат да ја претворат електричната енергија во периодични температурни промени се сметаат за сензори4 и собирачи на енергија5,6,7. Овде развивме макроскопски собирач 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 модули со тежина од 0,3 g се доволни за континуирано напојување на автономни собирачи на енергија со вградени микроконтролери и температурни сензори. Конечно, покажуваме дека за температурен опсег од 10 K, овие повеќеслојни кондензатори можат да достигнат 40% Карноова ефикасност. Овие својства се должат на (1) фероелектрична фазна промена за висока ефикасност, (2) ниска струја на истекување за да се спречат загуби и (3) висок напон на распаѓање. Овие макроскопски, скалабилни и ефикасни пироелектрични собирачи на енергија го преосмислуваат производството на термоелектрична енергија.
Во споредба со просторниот температурен градиент потребен за термоелектрични материјали, собирањето енергија од термоелектрични материјали бара температурно циклирање со текот на времето. Ова значи термодинамички циклус, кој најдобро се опишува со дијаграмот на ентропија (S) - температура (T). Слика 1а прикажува типичен ST дијаграм на нелинеарен пироелектричен (NLP) материјал што демонстрира фероелектрично-параелектричен фазен премин управуван од поле во скандиум оловен танталат (PST). Сините и зелените делови од циклусот на ST дијаграмот одговараат на конвертираната електрична енергија во Олсоновиот циклус (два изотермни и два изополни делови). Овде разгледуваме два циклуса со иста промена на електричното поле (вклучено и исклучено поле) и промена на температурата ΔT, иако со различни почетни температури. Зелениот циклус не се наоѓа во регионот на фазен премин и затоа има многу помала површина од синиот циклус што се наоѓа во регионот на фазен премин. Во ST дијаграмот, колку е поголема површината, толку е поголема собраната енергија. Затоа, фазниот премин мора да собира повеќе енергија. Потребата за циркулирање на голема површина во NLP е многу слична на потребата за електротермички апликации9, 10, 11, 12 каде што PST повеќеслојните кондензатори (MLC) и терполимерите базирани на PVDF неодамна покажаа одличен статус на обратни перформанси на ладење во циклусот 13,14,15,16. Затоа, идентификувавме PST MLC од интерес за собирање на топлинска енергија. Овие примероци се целосно опишани во методите и карактеризирани во дополнителните белешки 1 (скенирачка електронска микроскопија), 2 (дифракција на Х-зраци) и 3 (калориметрија).
a, Скица на графикон на ентропија (S)-температура (T) со вклучено и исклучено електрично поле применето на NLP материјали што ги прикажува фазните транзиции. Прикажани се два циклуса на собирање енергија во две различни температурни зони. Синиот и зелениот циклус се случуваат во и надвор од фазниот премин, соодветно, и завршуваат во многу различни региони на површината. b, два DE PST MLC униполарни прстени, дебели 1 mm, мерени помеѓу 0 и 155 kV cm-1 на 20 °C и 90 °C, соодветно, и соодветните Олсенови циклуси. Буквите ABCD се однесуваат на различни состојби во Олсоновиот циклус. AB: MLC беа наполнети на 155 kV cm-1 на 20 °C. BC: MLC беше одржуван на 155 kV cm-1 и температурата беше покачена на 90 °C. CD: MLC се празне на 90 °C. DA: MLC изладен на 20 °C во нулто поле. Сината област одговара на влезната моќност потребна за да се започне циклусот. Портокаловата област е енергијата собрана во еден циклус. c, горен панел, напон (црн) и струја (црвена) во однос на времето, следени за време на истиот Олсонов циклус како b. Двата влошки го претставуваат засилувањето на напонот и струјата во клучните точки во циклусот. На долниот панел, жолтата и зелената крива ги претставуваат соодветните криви на температура и енергија, соодветно, за MLC со дебелина од 1 mm. Енергијата се пресметува од кривите на струја и напон на горниот панел. Негативната енергија одговара на собраната енергија. Чекорите што одговараат на големите букви во четирите слики се исти како во Олсоновиот циклус. Циклусот AB'CD одговара на Стирлинговиот циклус (дополнителна забелешка 7).
каде што E и D се електричното поле и електричното поле на поместување, соодветно. Nd може да се добие индиректно од DE колото (сл. 1б) или директно со започнување на термодинамички циклус. Најкорисните методи ги опиша Олсен во неговата пионерска работа за собирање пироелектрична енергија во 1980-тите17.
На сл. 1б се прикажани две монополарни DE јамки од PST-MLC примероци со дебелина од 1 mm, склопени 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, Олсеновиот циклус се состои од две гранки на изотополе (тука, нулто поле во гранката DA и 155 kV cm-1 во гранката BC) и две изотермни гранки (тука, 20°C и 20°C во гранката AB). C во гранката CD) Енергијата собрана за време на циклусот одговара на портокаловите и сините региони (EdD интеграл). Собраната енергија Nd е разликата помеѓу влезната и излезната енергија, т.е. само портокаловата област на сл. 1б. Овој конкретен Олсонов циклус дава густина на енергија Nd од 1,78 J cm-3. Стирлинговиот циклус е алтернатива на Олсоновиот циклус (Дополнителна забелешка 7). Бидејќи полесно се достигнува фазата на константно полнење (отворено коло), густината на енергија извлечена од Сл. 1б (циклус AB'CD) достигнува 1,25 J cm-3. Ова е само 70% од она што може да го собере Олсоновиот циклус, но едноставната опрема за собирање го прави тоа.
Дополнително, директно ја измеривме енергијата собрана за време на Олсоновиот циклус со вклучување на PST MLC користејќи фаза за контрола на температурата на Linkam и мерач на извор (метод). Слика 1c на врвот и во соодветните вметнати делови ја прикажува струјата (црвена) и напонот (црна) собрани на истиот PST MLC со дебелина од 1 mm како и за DE јамката што поминува низ истиот Олсонов циклус. Струјата и напонот овозможуваат пресметување на собраната енергија, а кривите се прикажани на сл. 1c, долу (зелена) и температура (жолта) во текот на целиот циклус. Буквите ABCD го претставуваат истиот Олсонов циклус на сл. 1. Полнењето на MLC се случува за време на AB ногата и се изведува со ниска струја (200 µA), така што SourceMeter може правилно да го контролира полнењето. Последицата од оваа константна почетна струја е дека кривата на напонот (црна крива) не е линеарна поради нелинеарното поле на потенцијално поместување D PST (сл. 1c, горен вметнат дел). На крајот од полнењето, 30 mJ електрична енергија се складира во MLC (точка Б). Потоа MLC се загрева и се создава негативна струја (и затоа негативна струја) додека напонот останува на 600 V. По 40 секунди, кога температурата достигна плато од 90 °C, оваа струја беше компензирана, иако чекорниот примерок произведе електрична енергија од 35 mJ во колото за време на ова изополе (втор вметнат дел на Сл. 1c, горе). Напонот на MLC (гранка CD) 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, што дава 95 – 30 = 65 mJ. Ова одговара на густина на енергија од 1,84 J cm-3, што е многу блиску до Nd извлечениот од DE прстенот. Репродуктивноста на овој Олсонов циклус е опширно тестирана (Дополнителна забелешка 4). Со понатамошно зголемување на напонот и температурата, постигнавме 4,43 J cm-3 користејќи Олсенови циклуси во PST MLC со дебелина од 0,5 mm во температурен опсег од 750 V (195 kV cm-1) и 175 °C (Дополнителна забелешка 5). Ова е четири пати поголемо од најдобрите перформанси објавени во литературата за директни Олсонови циклуси и е добиено на тенки филмови од Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm . Дополнителна табела 1 за повеќе вредности во литературата). Овие перформанси се постигнати благодарение на многу ниската струја на истекување на овие MLC (<10−7 A на 750 V и 180 °C, видете детали во Дополнителната белешка 6) - клучна точка спомената од Смит и сор.19 - за разлика од материјалите што се користат во претходните студии17,20. Овие перформанси се постигнати благодарение на многу ниската струја на истекување на овие MLC (<10−7 A на 750 V и 180 °C, видете детали во Дополнителната белешка 6) - клучна точка спомената од Смит и сор.19 - за разлика од материјалите што се користат 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 Смит и сор. 19 – за разлика од материјалите што се користеа 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中的详细信息）——Смит 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20料1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 诸信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之之下 相比乸乸相比之下 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 繋之下相比之下 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 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 забелешка 6 за детали) – клучна точка спомената од Смит и сор. 19 – за споредба, овие перформанси беа постигнати.на материјалите што се користеле во претходните студии 17,20.
Истите услови (600 V, 20–90 °C) се применија и на Стирлинговиот циклус (Дополнителна забелешка 7). Како што се очекуваше од резултатите од DE циклусот, приносот беше 41,0 mJ. Една од највпечатливите карактеристики на Стирлинговите циклуси е нивната способност да го засилат почетниот напон преку термоелектричниот ефект. Забележавме зголемување на напонот до 39 (од почетен напон од 15 V до краен 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 џуловиот опсег. Затоа, конструиравме прототип на собирач (HARV1) користејќи 28 MLC PST со дебелина од 1 mm, следејќи го истиот дизајн на паралелни плочи опишан од Torello et al.14, во матрица 7×4 како што е прикажано на сл. Диелектричната течност што носи топлина во колекторот е поместена со перисталтична пумпа помеѓу два резервоара каде што температурата на течноста се одржува константна (метод). Соберете до 3,1 J користејќи го Олсоновиот циклус опишан на сл. 2a, изотермни региони на 10°C и 125°C и изополени региони на 0 и 750 V (195 kV cm-1). Ова одговара на густина на енергија од 3,14 J cm-3. Користејќи го овој комбајн, мерењата се земени под различни услови (Сл. 2б). Забележете дека 1,8 J се добиени 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).
a, Експериментално поставување на склопен HARV1 прототип базиран на 28 MLC PST со дебелина од 1 mm (4 реда × 7 колони) кои работат на Олсонови циклуси. За секој од четирите чекори на циклусот, температурата и напонот се дадени во прототипот. Компјутерот управува со перисталтична пумпа која циркулира диелектрична течност помеѓу ладните и топлите резервоари, два вентили и извор на енергија. Компјутерот, исто така, користи термопарови за собирање податоци за напонот и струјата што се доставуваат до прототипот и температурата на комбајнот од напојувањето. b, Енергија (боја) собрана од нашиот 4×7 MLC прототип во однос на температурниот опсег (X-оска) и напонот (Y-оска) во различни експерименти.
Поголема верзија на комбајнот (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 забелешка 8). Во 1984 година, Олсен направи комбајн на енергија базиран на 317 g соединение Pb(Zr,Ti)O3 допирано со калај, способно да генерира 6,23 J електрична енергија на температура од околу 150 °C (реф. 21). За овој комбајн, ова е единствената друга вредност достапна во џулскиот опсег. Доби нешто повеќе од половина од вредноста што ја постигнавме и речиси седум пати поголем квалитет. Ова значи дека густината на енергија на HARV2 е 13 пати поголема.
Периодот на циклусот HARV1 е 57 секунди. Ова произведе 54 mW моќност со 4 реда од 7 колони од MLC сетови со дебелина од 1 mm. За да одиме чекор понатаму, изградивме трет комбајн (HARV3) со PST MLC со дебелина од 0,5 mm и слична поставеност како HARV1 и HARV2 (Дополнителна забелешка 9). Измеривме време на термализација од 12,5 секунди. Ова одговара на време на циклус од 25 s (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). Покрај тоа, симулиравме пренос на топлина користејќи Симулација на конечни елементи (COMSOL, Дополнителна забелешка 10 и Дополнителни табели 2-4) што одговара на експериментите со HARV1. Моделирањето со конечни елементи овозможи да се предвидат вредности на моќност речиси еден ред на големина повисоки (430 mW) за ист број PST колони со разредување на MLC на 0,2 mm, користење на вода како средство за ладење и враќање на матрицата на 7 реда × 4 колони (дополнително на , имаше 960 mW кога резервоарот беше до комбајнот, Дополнителна слика 10б).
За да се демонстрира корисноста на овој колектор, Стирлингов циклус беше применет на самостоен демонстратор кој се состои од само два PST MLC со дебелина од 0,5 mm како колектори на топлина, прекинувач за висок напон, прекинувач за низок напон со кондензатор за складирање, DC/DC конвертор, микроконтролер со ниска моќност, два термопарови и конвертор за зголемување на напонот (Дополнителна забелешка 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, тука во циклуси од 160 s (неколку циклуси се прикажани во Дополнителната забелешка 11). Впечатливо е што два MLC со тежина од само 0,3 g можат автономно да го контролираат овој голем систем. Друга интересна карактеристика е тоа што конверторот за низок напон е способен да конвертира 400V во 10-15V со ефикасност од 79% (Дополнителна забелешка 11 и Дополнителна слика 11.3).
Конечно, ја оценивме ефикасноста на овие MLC модули во претворањето на топлинската енергија во електрична енергија. Факторот на квалитет η на ефикасноста е дефиниран како однос на густината на собраната електрична енергија Nd кон густината на испорачаната топлина Qin (Дополнителна забелешка 12):
Сликите 3a,b ја покажуваат ефикасноста η и пропорционалната ефикасност ηr на Олсеновиот циклус, соодветно, како функција од температурниот опсег на PST MLC со дебелина од 0,5 mm. И двата сета податоци се дадени за електрично поле од 195 kV cm-1. Ефикасноста \(\ова\) 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. 3b). Ова е двојно поголема од познатата вредност за NLP материјали снимени во PMN-PT филмови (ηr = 19%) во температурниот опсег од 10 K и 300 kV cm-1 (Реф. 18). Температурните опсези под 10 K не беа земени предвид бидејќи термичката хистерезис на PST MLC е помеѓу 5 и 8 K. Препознавањето на позитивниот ефект на фазните транзиции врз ефикасноста е од клучно значење. Всушност, оптималните вредности на η и ηr речиси сите се добиени на почетната температура Ti = 25°C на сликите 3a,b. Ова се должи на близок фазен премин кога не се применува поле и температурата на Кири TC е околу 20 °C во овие MLC (Дополнителна забелешка 13).
a,b, ефикасноста η и пропорционалната ефикасност на Олсоновиот циклус (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} за максимално електрично дејство од поле од 195 kV cm-1 и различни почетни температури Ti, }}\,\)(b) за MPC PST со дебелина од 0,5 mm, во зависност од температурниот интервал ΔTspan.
Второто набљудување има две важни импликации: (1) секое ефикасно циклирање мора да започне на температури над TC за да се случи фазен премин предизвикан од поле (од параелектричен во фероелектричен); (2) овие материјали се поефикасни во времиња на работа блиски до TC. Иако во нашите експерименти се прикажани ефикасности на голем обем, ограничениот температурен опсег не ни дозволува да постигнеме големи апсолутни ефикасности поради Карноовата граница (\(\Делта T/T\)). Сепак, одличната ефикасност демонстрирана од овие PST MLC го оправдува Олсен кога споменува дека „идеален регенеративен термоелектричен мотор од класа 20 што 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 проучувале Шебанов и Борман. Тие покажаа дека TC во PST може да варира од 3°C (допирање со Sb) до 33°C (допирање со Ti)22. Затоа, претпоставуваме дека пироелектричните регенератори од следната генерација базирани на допирани PST MLC или други материјали со силен фазен премин од прв ред можат да се натпреваруваат со најдобрите собирачи на енергија.
Во оваа студија, истражувавме MLC направени од PST. Овие уреди се состојат од серија Pt и PST електроди, при што неколку кондензатори се поврзани паралелно. PST беше избран бидејќи е одличен EC материјал и затоа потенцијално одличен NLP материјал. Покажува остра фероелектрично-параелектрична фазна транзиција од прв ред околу 20 °C, што укажува дека неговите промени во ентропијата се слични на оние прикажани на Сл. 1. Слични MLC се целосно опишани за EC13,14 уреди. Во оваа студија, користевме 10,4 × 7,2 × 1 mm³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. MLC со дебелина од 1 mm и 0,5 mm беа направени од 19 и 9 слоеви 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 забелешка 1). Активната површина на електродата беше 48,7 mm2 (Дополнителна табела 5). MLC PST беше подготвен со реакција на цврста фаза и метод на леење. Деталите за процесот на подготовка се опишани во претходна статија14. Една од разликите помеѓу PST MLC и претходната статија е редоследот на B-местата, што во голема мера влијае на перформансите на EC во PST. Редоследот на B-местата на PST MLC е 0,75 (Дополнителна забелешка 2) добиено со синтерување на 1400°C, проследено со стотици часа жарење на 1000°C. За повеќе информации за PST MLC, видете ги Дополнителните забелешки 1-3 и Дополнителната табела 5.
Главниот концепт на оваа студија е базиран на Олсоновиот циклус (сл. 1). За таков циклус, ни е потребен резервоар за топла и ладна течност и напојување способен за следење и контрола на напонот и струјата во различните MLC модули. Овие директни циклуси користеа две различни конфигурации, имено (1) Linkam модули кои греат и ладат еден MLC поврзан со извор на енергија Keithley 2410 и (2) три прототипови (HARV1, HARV2 и HARV3) паралелно со истата изворна енергија. Во вториот случај, диелектрична течност (силиконско масло со вискозитет од 5 cP на 25°C, купено од Sigma Aldrich) беше користена за размена на топлина помеѓу двата резервоари (топла и ладна) и MLC. Термичкиот резервоар се состои од стаклен сад исполнет со диелектрична течност и поставен на врвот на термичката плоча. Ладилникот се состои од водена бања со течни цевки што содржат диелектрична течност во голем пластичен сад исполнет со вода и мраз. Два тронасочни вентили (купени од Bio-Chem Fluidics) беа поставени на секој крај од комбајнот за правилно префрлање на течноста од еден резервоар во друг (Слика 2а). За да се обезбеди термичка рамнотежа помеѓу PST-MLC пакетот и течноста за ладење, периодот на циклусот беше продолжен сè додека влезните и излезните термопарови (што е можно поблиску до PST-MLC пакетот) не покажаа иста температура. Python скриптата управува и синхронизира сите инструменти (изворни мерачи, пумпи, вентили и термопарови) за да го извршат точниот Олсонов циклус, т.е. јамката на течноста за ладење започнува да циклира низ PST стекот откако изворниот мерач ќе се наполни, така што тие се загреваат на посакуваниот применет напон за даден Олсонов циклус.
Алтернативно, ги потврдивме овие директни мерења на собраната енергија со индиректни методи. Овие индиректни методи се базираат на електрично поместување (D) - јамки на електрично 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 2. .1б. Овие DE јамки се собираат и со користење на извори на Keithley.
Дваесет и осум PST MLC со дебелина од 1 mm беа склопени во структура со паралелни плочи од 4 реда и 7 колони според дизајнот опишан во референцата. 14. Јазот за течност помеѓу редовите PST-MLC е 0,75 mm. Ова се постигнува со додавање ленти од двострана лента како одстојници за течност околу рабовите на PST MLC. PST MLC е електрично поврзан паралелно со сребрен епоксиден мост во контакт со електродните кабли. После тоа, жиците беа залепени со сребрена епоксидна смола од секоја страна на терминалите на електродата за поврзување со напојувањето. Конечно, вметнете ја целата структура во полиолефинското црево. Второто е залепено на цевката за течност за да се обезбеди правилно запечатување. Конечно, термопарови од типот К со дебелина од 0,25 mm беа вградени во секој крај од структурата PST-MLC за да се следат температурите на влезната и излезната течност. За да го направите ова, цревото прво мора да се перфорира. По инсталирањето на термопарот, нанесете го истото лепило како претходно помеѓу цревото на термопарот и жицата за да го вратите запечатувањето.
Изградени се осум одделни прототипови, од кои четири имале 40 MLC PST плочи со дебелина од 0,5 mm, распоредени како паралелни плочи со 5 колони и 8 реда, а преостанатите четири имале по 15 MLC PST плочи со дебелина од 1 mm, во структура на паралелни плочи со 3 колони × 5 реда. Вкупниот број на употребени PST MLC плочи беше 220 (160 со дебелина од 0,5 mm и 60 PST MLC плочи со дебелина од 1 mm). Овие две подединици ги нарекуваме HARV2_160 и HARV2_60. Јазот за течност 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 користејќи жица со дебелина од 0,38 mm. За симетрија, HARV2_160 и HARV2_60 имаат свои сопствени флуидни кола, пумпи, вентили и ладна страна (Дополнителна забелешка 8). Две HARV2 единици делат резервоар за топлина, сад од 3 литри (30 cm x 20 cm x 5 cm) на две топли плочи со ротирачки магнети. Сите осум поединечни прототипови се електрично поврзани паралелно. Под-единиците HARV2_160 и HARV2_60 работат истовремено во Олсоновиот циклус, што резултира со собирање енергија од 11,2 J.
Ставете PST MLC со дебелина од 0,5 мм во полиолефинско црево со двострана лента и жица од двете страни за да создадете простор за проток на течноста. Поради малата големина, прототипот беше поставен до вентил за топол или ладен резервоар, со што се минимизираа времето на циклусот.
Во PST MLC, се применува константно електрично поле со примена на константен 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 примена на напон V = 0, MLC PST се ладат до нивната почетна температура за да може циклусот да започне одново. Во оваа фаза, енергијата не се собира. Го спроведовме циклусот Олсен користејќи Keithley 2410 SourceMeter, полнејќи го PST MLC од извор на напон и поставувајќи го совпаѓањето на струјата на соодветната вредност, така што беа собрани доволно поени за време на фазата на полнење за сигурни пресметки на енергија.
Во Стирлинговите циклуси, PST MLC се полнеа во режим на извор на напон при почетна вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0), посакувана струја на усогласеност, така што чекорот на полнење трае околу 1 секунда (и се собираат доволно поени за сигурна пресметка на енергијата) и ниска температура. Во Стирлинговите циклуси, PST MLC се полнеа во режим на извор на напон при почетна вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0), посакувана струја на усогласеност, така што чекорот на полнење трае околу 1 секунда (и се собираат доволно поени за сигурна пресметка на енергијата) и ниска 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 соло на етапично зарядки количество точек для надежного расчета енергия) и холодная температура. Во Stirling PST MLC циклусите, тие беа полнети во режим на извор на напон при почетната вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0), саканата струја на принос, така што фазата на полнење трае околу 1 s (и се собираат доволен број точки за сигурна пресметка на енергија) и студена 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。 Во главниот циклус, PST MLC се полни на почетната вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0) во режим на извор на напон, така што потребната струја на усогласување трае околу 1 секунда за чекорот на полнење (и собравме доволно поени за сигурно да ја пресметаме (енергијата) и ниската температура. Во цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения со начальным значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости такви, што е доста е доста зарядки за количество точек, чтобы надежно расцитать энергию) и низкие температуры. Во Стирлинговиот циклус, PST MLC се полни во режим на извор на напон со почетна вредност на електричното поле (почетен напон Vi > 0), потребната струја на усогласување е таква што фазата на полнење трае околу 1 s (и се собираат доволен број точки за сигурно 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 соодветна струја што нашиот мерен извор може да ја поднесе е 10 nA). Како резултат на тоа, во PST на MJK останува полнеж, а напонот се зголемува како што примерокот се загрева. Не се собира енергија во раката BC бидејќи I = 0 mA. По достигнување на висока температура, напонот во MLT FT се зголемува (во некои случаи повеќе од 30 пати, видете дополнителна сл. 7.2), MLK FT се испразнува (V = 0), а електричната енергија се складира во нив за истото време како и почетното полнење. Истата струја се враќа во метар-извор. Поради зголемувањето на напонот, складираната енергија на висока температура е поголема од онаа што била обезбедена на почетокот на циклусот. Следствено, енергијата се добива со претворање на топлината во електрична енергија.
Користевме Keithley 2410 SourceMeter за да го следиме напонот и струјата што се применуваат на PST MLC. Соодветната енергија се пресметува со интегрирање на производот од напонот и струјата што ги чита изворниот метар на Keithley, \(E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), каде што τ е периодот на периодот. На нашата крива на енергија, позитивните вредности на енергијата значат енергијата што треба да ја дадеме на MLC PST, а негативните вредности значат енергијата што ја извлекуваме од нив и затоа енергијата што ја примаме. Релативната моќност за даден циклус на собирање се определува со делење на собраната енергија со периодот τ од целиот циклус.
Сите податоци се презентирани во главниот текст или во дополнителни информации. Писмата и барањата за материјали треба да бидат насочени кон изворот на податоците од AT или ED дадени со овој напис.
Андо Џуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Преглед на развојот и примената на термоелектрични микрогенератори за собирање енергија. Андо Џуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Преглед на развојот и примената на термоелектрични микрогенератори за собирање енергија.Андо Џуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Преглед на развојот и примената на термоелектрични 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 Џуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина размислуваат за развој и примена на термоелектрични микрогенератори за собирање енергија.биографија. поддршка. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕЦ, Ерлер, Б. и Синке, ВЦ Фотоволтаични материјали: сегашна ефикасност и идни предизвици. Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕЦ, Ерлер, Б. и Синке, ВЦ Фотоволтаични материјали: сегашна ефикасност и идни предизвици.Полман, А., Најт, М., Гарнет, Е.К., Ерлер, Б. и Синке, В.К. Фотоволтаични материјали: моментални 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。 Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕЦ, Ерлер, Б. и Синке, ВЦ Сончеви материјали: моментална ефикасност и идни предизвици.Полман, А., Најт, М., Гарнет, Е.К., Ерлер, Б. и Синке, В.К. Фотоволтаични материјали: моментални перформанси и идни предизвици.Наука 352, aad4424 (2016).
Сонг, К., Жао, Р., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј. Коњукциран пиро-пиезоелектричен ефект за самостојно напојувано истовремено мерење на температура и притисок. Сонг, К., Жао, Р., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј. Конјунктивен пиро-пиезоелектричен ефект за самостојно напојувано истовремено мерење на температура и притисок.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。 Сонг, К., Жао, Р., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј. За самостојно 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).
Себалд, Г., Првост, С. и Гујомар, Д. Собирање енергија базирано на пироелектрични циклуси на Ериксон во релаксорна фероелектрична керамика. Себалд, Г., Првост, С. и Гујомар, Д. Собирање енергија базирано на пироелектрични циклуси на Ериксон во релаксорна фероелектрична керамика.Себалд Г., Прувост С. и Гујомар Д. Собирање енергија базирано на пироелектрични циклуси на Ериксон во релаксорна фероелектрична керамика.Себалд Г., Прувост С. и Гујомар Д. Собирање енергија во релаксорна фероелектрична керамика базирано на пироелектричен циклус на Ериксон. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролиер-Макинстри, С., Жанг, К. и Ватмор, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали од следната генерација за меѓуконверзија на електротермална енергија во цврста состојба. Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролиер-Макинстри, С., Жанг, К. и Ватмор, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали од следната генерација за меѓуконверзија 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. Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролиер-Макинстри, С., Жанг, К. и Ватмор, РВ. Електрокалорични и пироелектрични материјали од следната генерација за меѓуконверзија на електротермална енергија во цврста состојба. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролиер-Макинстри, С., Жанг, К. и Ватмор, РВ Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материјали следующего поколения за взаимного преобразования энергемические твердотельной. Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролиер-Макинстри, С., Жанг, К. и Ватмор, РВ. Електрокалорични и пироелектрични материјали од следната генерација за меѓуконверзија на електротермална енергија во цврста состојба.Лејди Бул. 39, 1099–1109 (2014).
Жанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј. Стандард и показател за заслуги за квантифицирање на перформансите на пироелектрични наногенератори. Жанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј. Стандард и показател за заслуги за квантифицирање на перформансите на пироелектрични наногенератори.Жанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ју. Стандарден и квалитативен резултат за квантифицирање на перформансите на пироелектрични 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.Жанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ју. Критериуми и мерки за перформанси за квантифицирање на перформансите на пироелектричен наногенератор.Нано енергија 55, 534–540 (2019).
Кросли, С., Наир, Б., Ватмор, РВ, Моја, Кс. и Матур, НД Електрокалорични циклуси на ладење во оловен скандиум танталат со вистинска регенерација преку варијација на полето. Кросли, С., Наир, Б., Ватмор, РВ, Моја, Кс. и Матур, НД Електрокалорични циклуси на ладење во оловен скандиум танталат со вистинска регенерација преку варијација на полето.Кросли, С., Наир, Б., Ватмор, РВ, Моја, Кс. и Матур, НД Електрокалорични циклуси на ладење во олово-скандиум танталат со вистинска регенерација преку модификација на полето. 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;Кросли, С., Наир, Б., Ватмор, РВ, Моја, Х. и Матур, НД Електротермален циклус на ладење на скандиум-оловен танталат за вистинска регенерација преку пресврт на полето.физика, рев. X 9, 41002 (2019).
Моја, Х., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Калориски материјали во близина на фероични фазни транзиции. Моја, Х., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Калориски материјали во близина на фероични фазни транзиции.Моја, Х., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Калориски материјали во близина на фазни транзиции на фероид. Моја, Х., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД 铁质相变附近的热量材料。 Моја, Х., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Термички материјали во близина на црната металургија.Моја, Х., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Термички материјали во близина на фазни транзиции на железо.Нат. алма матер 13, 439–450 (2014).
Моја, Х. и Матур, Северна Дакота Калориски материјали за ладење и греење. Моја, Х. и Матур, Северна Дакота Калориски материјали за ладење и греење.Моја, X. и Матур, Северна Дакота Термички материјали за ладење и греење. Моја, Икс и Матур, НД 用于冷却和加热的热量材料。 Моја, Х. и Матур, Северна Дакота Термички материјали за ладење и греење.Моја X. и Матур НД Термички материјали за ладење и греење.Наука 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорични ладилници: преглед. Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорични ладилници: преглед.Торело, А. и Дефеј, Е. Електрокалорични ладилници: преглед. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论.Торело, А. и Дефеј, Е. Електротермални ладилници: преглед.Напредно. електронско. алма матер. 8. 2101031 (2022).
Нучокгве, Ј. и др. Огромна енергетска ефикасност на електрокалоричен материјал во високо подреден скандиум-скандиум-олово. Национален соопштение. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Електротермалниот ефект на оксидните повеќеслојни кондензатори е голем во широк температурен опсег. Nature 575, 468–472 (2019).
Торело, А. и др. Огромен температурен опсег кај електротермалните регенератори. Science 370, 125–129 (2020).
Ванг, Ј. и др. Високо-перформансен електротермички систем за ладење во цврста состојба. Science 370, 129–133 (2020).
Менг, Ј. и др. Каскаден електротермички уред за ладење за големо зголемување на температурата. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Олсен, РБ и Браун, ДД Пироелектрични мерења поврзани со висока ефикасност, директна конверзија на топлина во електрична енергија. Олсен, РБ и Браун, ДД Пироелектрични мерења поврзани со висока ефикасност на директна конверзија на топлина во електрична енергија.Олсен, РБ и Браун, ДД 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, ДДОлсен, РБ и Браун, ДД Ефикасна директна конверзија на топлина во електрична енергија поврзана со пироелектрични мерења.Фероелектрика 40, 17–27 (1982).
Пандја, С. и др. Густина на енергија и моќност во тенки релаксаторни фероелектрични филмови. Национална алма матер. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Смит, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизирање на фероелектричниот фазен премин и електричните загуби. Смит, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизирање на фероелектричниот фазен премин и електричните загуби.Смит, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: фероелектричен фазен премин 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, БМСмит, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизација на фероелектрични фазни транзиции и електрични загуби.J. Примена. физика. 128, 24103 (2020).
Хох, СР Употреба на фероелектрични материјали за претворање на топлинска енергија во електрична енергија. процес. IEEE 51, 838–845 (1963).
Олсен, РБ, Бруно, Д.А., Бриско, Џ.М. и Дулеа, Ј. Каскаден пироелектричен енергетски конвертор. Олсен, РБ, Бруно, Д.А., Бриско, Џ.М. и Дулеа, Ј. Каскаден пироелектричен енергетски конвертор.Олсен, РБ, Бруно, Д.А., Бриско, Ј.М. и Дулеа, Ј. Пироелектричен конвертор на енергија во Каскада. 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。Олсен, РБ, Бруно, Д.А., Бриско, Ј.М. и Дулеа, Ј. Каскадни пироелектрични конвертори на енергија.Фероелектрика 59, 205–219 (1984).
Шебанов, Л. и Борман, К. На цврсти раствори од олово-скандиум танталат со висок електрокалоричен ефект. Шебанов, Л. и Борман, К. На цврсти раствори од олово-скандиум танталат со висок електрокалоричен ефект.Шебанов Л. и Борман К. На цврсти раствори на олово-скандиум танталат со висок електрокалоричен ефект. 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.Шебанов Л. и Борман К. На цврсти раствори од скандиум-олово-скандиум со висок електрокалоричен ефект.Фероелектрика 127, 143–148 (1992).
Им се заблагодаруваме на Н. Фурусава, Ј. Иноуе и К. Хонда 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