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.
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.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.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).
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.DA: MLC разладено на 20°C на нулта област.

На сл.In fact, the Olsen cycle consists of two isofield branches (here, zero field in the DA branch and 155 kV cm-1 in the BC branch) and two isothermal branches (here, 20°С and 20°С in the AB branch) .1б.
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.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).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 produced in the circuit an electrical power of 35 mJ during this isofield (second inset in Fig. 1c, top).This is four times greater than the best performance reported in the literature for direct Olson cycles and was obtained on thin films of Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3)18 (cm .Supplementary Табела 1 за повеќе вредности во литературата). 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.
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 циклусите на Стирлинг е нивната способност да го засилат почетниот напон преку термоелектричниот ефект.Забележавме добивка на напон до 39 (од почетен напон од 15 V до крајниот напон до 590 V, видете Дополнителна слика 7.2).
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 the manifold is displaced by a peristaltic pump between two reservoirs where the fluid temperature is kept constant (method).

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).
Периодот на циклусот HARV1 е 57 секунди.За да го направиме еден чекор подалеку, изградивме трета комбинација (HARV3) со PST MLC со дебелина од 0,5 мм и слично поставување на HARV1 и HARV2 (Дополнителна белешка 9).Собраната енергија (47 MJ) дава електрична енергија од 1,95 MW на MLC, што пак ни овозможува да замислиме дека HARV2 произведува 0,55 W (приближно 1,95 MW × 280 PST MLC 0,5 mm дебели).Покрај тоа, симулиравме пренос на топлина со помош на симулација на конечни елементи (COMSOL, Дополнителна белешка 10 и Дополнителни табели 2–4) што одговараат на експериментите HARV1.Моделирањето на конечни елементи овозможи да се предвидат вредностите на моќност скоро редослед на големина повисока (430 MW) за ист број PST колони со опаѓање на MLC на 0,2 mm, користејќи вода како течноста за ладење и враќање на матрицата на 7 реда .
The circuit requires the storage capacitor to be initially charged at 9V and then runs autonomously while the temperature of the two MLCs ranges from -5°C to 85°C, here in cycles of 160 s (several cycles are shown in Supplementary Note 11) .

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.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.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).

Последното набудување има две важни импликации: (1) Секое ефикасно возење велосипед мора да започне на температури над ТЦ за фаза на транзиција предизвикана од поле (од паралектрик до фероелектрик) што треба да се случи;Иако ефикасноста на големи размери се прикажани во нашите експерименти, ограничениот опсег на температура не ни дозволува да постигнеме големи апсолутни ефикасности заради границата на карнот (\ (\ Делта Т/Т \)).Како и да е, одличната ефикасност што ја покажаа овие PST MLC го оправдуваат Олсен кога спомнува дека „идеален регенеративен термоелектричен мотор кој работи на температури помеѓу 50 ° C и 250 ° C може да има ефикасност од 30%“ 17.Затоа, претпоставуваме дека пироелектричните регенератори од следната генерација засновани на допирани PST MLC или други материјали со силна транзиција од фаза од прв ред можат да се натпреваруваат со најдобрите жетви за напојување.
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.Редоследот на Б-страниците на PST MLC е 0,75 (Дополнителна белешка 2) добиен со топење на 1400 ° C проследено со стотици часови долги анализирање на 1000 ° C.
Главниот концепт на оваа студија се заснова на циклусот Олсон (Сл. 1).Термичкиот резервоар се состои од стаклен сад исполнет со диелектрична течност и поставен на врвот на термичката плоча.Студеното складирање се состои од водена бања со течни цевки кои содржат диелектрична течност во голем пластичен сад исполнет со вода и мраз.
These indirect methods are based on electric displacement (D) – electric field (E) field loops collected at different temperatures, and by calculating the area between two DE loops, one can accurately estimate how much energy can be collected, as shown in the figure .На Слика 2. .1б.Овие De јамки се собрани и со употреба на мерачи на извори 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.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.
Вкупниот број на користени PST MLC беше 220 (дебелина од 160 0,5 mm и дебелина од 60 PST MLC 1 mm).Ние ги нарекуваме овие две субјекти HARV2_160 и HARV2_60.Течниот јаз во прототипот HARV2_160 се состои од две двострани ленти дебели 0,25 мм со жица помеѓу нив дебелина од 0,25 мм.

По загревањето на PST MLC, полето се отстранува (v = 0), а енергијата што се чува во него се враќа назад во бројачот на изворот, што одговара на уште еден придонес на собраната енергија.Во оваа фаза, енергијата не се собира.Ние го истрчавме циклусот Олсен со помош на китли 2410 извори, полнејќи го PST MLC од извор на напон и го поставиме тековниот натпревар со соодветната вредност, така што беа собрани доволно поени за време на фазата на полнење за сигурни пресметки на 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 the energy) and cold temperature. 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 the energy) and cold temperature. In the Stirling PST MLC cycles, they were charged in the voltage source mode at the initial value of the electric field (initial voltage Vi > 0), the desired yield current, so that the charging stage takes about 1 s (and a sufficient number на точките се собираат за сигурна пресметка на енергија) и температура на студ.在 斯特林 循环 ， pst mlc 在 电压源 模式 下 以 初始 电场值 （电压 电压 vi> 0） 充电 ， 所 的 顺应 电流 使得 充电 步骤 大约 需要 1 秒 并且 收集 了 足够 足够 的 的 以 可靠 可靠 地 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠能量） 和。 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 reliably calculate (energy) and low temperature. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие температуры . 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).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 as they be the initial charge.
Ние користевме Keithley 2410 SourceMeter за следење на напонот и струјата што се применуваат на PST MLC.The corresponding energy is calculated by integrating the product of voltage and current read by Keithley's source meter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ лево(t\ десно){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), каде τ е периодот на периодот.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 бидат насочени кон изворот на податоците АТ или ЕД дадени со овој напис.
Андо Јуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, NC размислуваат за развој и примена на термоелектрични микрогенератори за собирање енергија.продолжи.поддршка.

Напред.
Паметна алма Матер.структура.17, 15012 (2007).
Алпеј, Сп, Мантес, Ј. rаовањея tverdodельной электротмирмичесской эnергии. 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. Алпеј, Сп, Мантес, Ј. rаовањея tverdodельной электротмирмичесской эnергии. 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).
Џанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ју. Џанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј.Џанг, К., Ванг, Ј., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ју.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. and Mathur, ND електрокалорични циклуси на ладење во олово-скандиум танталат со вистинска регенерација со помош на модификација на полето. Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. and Mathur, nd Електротермален циклус на ладење на танталат на скандиум-олово за вистинска регенерација преку пресврт на полето.физика Rev. X 9, 41002 (2019).
Нат.алма матер 13, 439–450 (2014).
Science 370, 797-803 (2020).
Напредно.електронски.алма матер.8. 2101031 (2022).
Нучокгве, Ј. и сор.Национална комуникација.12, 3298 (2021).
Nair, B. et al.
Торело, А. и сор.
Wang, Y. et al.
Менг, Ј. и сор.
Олсен, РБ и Браун, ДД
Pandya, S. et al.Национална алма матер.
Смит, АН и Ханрахан, БМJ. Апликација.физика.128, 24103 (2020).
процес.