Å tilby bærekraftige kilder til elektrisitet er en av de viktigste utfordringene i dette århundret. Forskningsområder innen energihøstingsmaterialer stammer fra denne motivasjonen, inkludert termoelektrisk1, fotovoltaisk2 og termofotovoltaikk3. Selv om vi mangler materialer og enheter som er i stand til å høste energi i Joule-området, regnes pyroelektriske materialer som kan konvertere elektrisk energi til periodiske temperaturendringer som sensorer4 og energihøstere5,6,7. Her har vi utviklet en makroskopisk termisk energihøster i form av en flerlagskondensator laget av 42 gram blyskandiumtantalat, som produserer 11,2 J elektrisk energi per termodynamisk syklus. Hver pyroelektrisk modul kan generere elektrisk energitetthet opptil 4,43 J cm-3 per syklus. Vi viser også at to slike moduler som veier 0,3 g er nok til kontinuerlig å drive autonome energihøstere med innebygde mikrokontrollere og temperatursensorer. Til slutt viser vi at for et temperaturområde på 10 K kan disse flerlagskondensatorene nå 40 % Carnot-effektivitet. Disse egenskapene skyldes (1) ferroelektrisk faseendring for høy effektivitet, (2) lav lekkasjestrøm for å forhindre tap, og (3) høy gjennombruddsspenning. Disse makroskopiske, skalerbare og effektive pyroelektriske krafthøstermaskinene fornyer termoelektrisk kraftproduksjon.
Sammenlignet med den romlige temperaturgradienten som kreves for termoelektriske materialer, krever energihøsting av termoelektriske materialer temperatursyklus over tid. Dette betyr en termodynamisk syklus, som best beskrives av entropi (S)-temperatur (T) diagrammet. Figur 1a viser et typisk ST-plott av et ikke-lineært pyroelektrisk (NLP) materiale som viser en feltdrevet ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang i skandiumblytantalat (PST). De blå og grønne delene av syklusen på ST-diagrammet tilsvarer den konverterte elektriske energien i Olson-syklusen (to isotermiske og to isopolseksjoner). Her tar vi for oss to sykluser med samme elektriske feltendring (felt på og av) og temperaturendring ΔT, om enn med forskjellige starttemperaturer. Den grønne syklusen er ikke lokalisert i faseovergangsregionen og har dermed et mye mindre areal enn den blå syklusen som ligger i faseovergangsregionen. I ST-diagrammet er det slik at jo større areal, desto større blir den innsamlede energien. Derfor må faseovergangen samle mer energi. Behovet for sykling på store områder i NLP er svært lik behovet for elektrotermiske applikasjoner9, 10, 11, 12 der PST flerlagskondensatorer (MLC) og PVDF-baserte terpolymerer nylig har vist utmerket revers ytelse. kjøleytelsesstatus i syklus 13,14,15,16. Derfor har vi identifisert PST MLC-er av interesse for termisk energihøsting. Disse prøvene er fullstendig beskrevet i metodene og karakterisert i tilleggsnotater 1 (skanneelektronmikroskopi), 2 (røntgendiffraksjon) og 3 (kalorimetri).
a, Skisse av en entropi (S)-temperatur (T) plott med elektrisk felt på og av påført NLP materialer som viser faseoverganger. To energiinnsamlingssykluser vises i to forskjellige temperatursoner. De blå og grønne syklusene skjer henholdsvis innenfor og utenfor faseovergangen, og ender i svært forskjellige områder av overflaten. b, to DE PST MLC unipolare ringer, 1 mm tykke, målt mellom 0 og 155 kV cm-1 ved henholdsvis 20 °C og 90 °C, og de tilsvarende Olsen-syklusene. Bokstavene ABCD refererer til forskjellige tilstander i Olson-syklusen. AB: MLC-er ble ladet til 155 kV cm-1 ved 20°C. BC: MLC ble holdt ved 155 kV cm-1 og temperaturen ble hevet til 90 °C. CD: MLC utlades ved 90°C. DA: MLC avkjølt til 20°C i nullfelt. Det blå området tilsvarer inngangseffekten som kreves for å starte syklusen. Det oransje området er energien samlet i en syklus. c, topppanel, spenning (svart) og strøm (rød) versus tid, sporet under samme Olson-syklus som b. De to innsatsene representerer forsterkningen av spenning og strøm ved nøkkelpunkter i syklusen. I det nedre panelet representerer de gule og grønne kurvene de tilsvarende temperatur- og energikurvene, henholdsvis for en 1 mm tykk MLC. Energi beregnes fra strøm- og spenningskurvene på topppanelet. Negativ energi tilsvarer den innsamlede energien. Trinnene som tilsvarer de store bokstavene i de fire figurene er de samme som i Olson-syklusen. Syklusen AB'CD tilsvarer Stirling-syklusen (tilleggsnotat 7).
hvor E og D er henholdsvis det elektriske feltet og det elektriske forskyvningsfeltet. Nd kan oppnås indirekte fra DE-kretsen (fig. 1b) eller direkte ved å starte en termodynamisk syklus. De mest nyttige metodene ble beskrevet av Olsen i hans banebrytende arbeid med innsamling av pyroelektrisk energi på 1980-tallet17.
På fig. 1b viser to monopolare DE-løkker av 1 mm tykke PST-MLC-prøver satt sammen ved henholdsvis 20 °C og 90 °C, over et område på 0 til 155 kV cm-1 (600 V). Disse to syklusene kan brukes til indirekte å beregne energien samlet av Olson-syklusen vist i figur 1a. Faktisk består Olsen-syklusen av to isofeltgrener (her nullfelt i DA-grenen og 155 kV cm-1 i BC-grenen) og to isotermiske grener (her, 20°С og 20°С i AB-grenen) . C i CD-grenen) Energien som samles inn under syklusen tilsvarer de oransje og blå områdene (EdD-integral). Den oppsamlede energien Nd er differansen mellom inn- og utgangsenergi, dvs. kun det oransje området i fig. 1b. Denne spesielle Olson-syklusen gir en Nd-energitetthet på 1,78 J cm-3. Stirling-syklusen er et alternativ til Olson-syklusen (tilleggsnotat 7). Fordi det konstante ladetrinnet (åpen krets) er lettere å nå, når energitettheten ekstrahert fra fig. 1b (syklus AB'CD) 1,25 J cm-3. Dette er bare 70 % av det Olson-syklusen kan samle inn, men enkelt høsteutstyr gjør det.
I tillegg målte vi direkte energien som ble samlet inn under Olson-syklusen ved å aktivere PST MLC ved å bruke et Linkam temperaturkontrolltrinn og en kildemåler (metode). Figur 1c øverst og i de respektive innleggene viser strømmen (rød) og spenningen (svart) samlet på den samme 1 mm tykke PST MLC som for DE-sløyfen som går gjennom den samme Olson-syklusen. Strøm og spenning gjør det mulig å beregne den oppsamlede energien, og kurvene er vist i fig. 1c, bunn (grønn) og temperatur (gul) gjennom hele syklusen. Bokstavene ABCD representerer den samme Olson-syklusen i fig. 1. MLC-lading skjer under AB-etappen og utføres med lav strøm (200 µA), slik at SourceMeter kan kontrollere ladingen på riktig måte. Konsekvensen av denne konstante startstrømmen er at spenningskurven (svart kurve) ikke er lineær på grunn av det ikke-lineære potensialforskyvningsfeltet D PST (fig. 1c, innfelt øverst). Ved slutten av ladingen lagres 30 mJ elektrisk energi i MLC (punkt B). MLC-en varmes deretter opp og en negativ strøm (og derfor en negativ strøm) produseres mens spenningen holder seg på 600 V. Etter 40 s, da temperaturen nådde et platå på 90 °C, ble denne strømmen kompensert, selv om trinnprøven produsert i kretsen en elektrisk effekt på 35 mJ i løpet av dette isofeltet (andre innfelt i fig. 1c, øverst). Spenningen på MLC (branch CD) reduseres deretter, noe som resulterer i ytterligere 60 mJ med elektrisk arbeid. Den totale utgangsenergien er 95 mJ. Den oppsamlede energien er differansen mellom inngangs- og utgangsenergien, som gir 95 – 30 = 65 mJ. Dette tilsvarer en energitetthet på 1,84 J cm-3, som er svært nær Nd som trekkes ut fra DE-ringen. Reproduserbarheten til denne Olson-syklusen har blitt grundig testet (tilleggsnotat 4). Ved å øke spenningen og temperaturen ytterligere oppnådde vi 4,43 J cm-3 ved å bruke Olsen-sykluser i en 0,5 mm tykk PST MLC over et temperaturområde på 750 V (195 kV cm-1) og 175 °C (tilleggsnotat 5). Dette er fire ganger høyere enn den beste ytelsen som er rapportert i litteraturen for direkte Olson-sykluser og ble oppnådd på tynne filmer av Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Supplerende) Tabell 1 for flere verdier i litteraturen). Denne ytelsen er nådd på grunn av den svært lave lekkasjestrømmen til disse MLC-ene (<10−7 A ved 750 V og 180 °C, se detaljer i tilleggsnotat 6) – et avgjørende punkt nevnt av Smith et al.19 – i kontrast til materialene brukt i tidligere studier17,20. Denne ytelsen er nådd på grunn av den svært lave lekkasjestrømmen til disse MLC-ene (<10−7 A ved 750 V og 180 °C, se detaljer i tilleggsnotat 6) – et avgjørende punkt nevnt av Smith et al.19 – i kontrast til materialene brukt i tidligere studier17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 апри 750 В °C, ± 180 ºC олнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Disse egenskapene ble oppnådd på grunn av den svært lave lekkasjestrømmen til disse MLC-ene (<10–7 A ved 750 V og 180 °C, se tilleggsnotat 6 for detaljer) – et kritisk punkt nevnt av Smith et al. 19 – i motsetning til materialer brukt i tidligere studier17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充似歡充似昦说瘎6 丯瘎等人19 提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 °C 时 <10-7 A ， 参见 䡥兎 详 6 说）））） — 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 相比之下丯且之下下 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 相比之下觧比之下缰康到早期研究中使用的材料17.20. Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В og 180 °C, см. подробности в дополнитель дополнитель) момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Siden lekkasjestrømmen til disse MLC-ene er svært lav (<10–7 A ved 750 V og 180 °C, se tilleggsnotat 6 for detaljer) – et nøkkelpunkt nevnt av Smith et al. 19 – til sammenligning ble disse ytelsene oppnådd.til materialer brukt i tidligere studier 17,20.
De samme forholdene (600 V, 20–90 °C) gjaldt for Stirling-syklusen (tilleggsnotat 7). Som forventet fra resultatene av DE-syklusen var utbyttet 41,0 mJ. En av de mest slående egenskapene til Stirling-sykluser er deres evne til å forsterke startspenningen gjennom den termoelektriske effekten. Vi observerte en spenningsforsterkning på opptil 39 (fra en startspenning på 15 V til en sluttspenning på opptil 590 V, se tilleggsfigur 7.2).
Et annet kjennetegn ved disse MLC-ene er at de er makroskopiske objekter som er store nok til å samle energi i joule-området. Derfor konstruerte vi en prototypehøster (HARV1) ved bruk av 28 MLC PST 1 mm tykk, etter samme parallellplatedesign beskrevet av Torello et al.14, i en 7×4 matrise som vist i fig. Den varmebærende dielektriske væsken i manifolden fortrenges av en peristaltisk pumpe mellom to reservoarer hvor væsketemperaturen holdes konstant (metode). Samle opp til 3,1 J ved å bruke Olson-syklusen beskrevet i fig. 2a, isotermiske områder ved 10°C og 125°C og isofeltområder ved 0 og 750 V (195 kV cm-1). Dette tilsvarer en energitetthet på 3,14 J cm-3. Ved å bruke denne skurtreskeren ble målinger tatt under ulike forhold (fig. 2b). Merk at 1,8 J ble oppnådd over et temperaturområde på 80 °C og en spenning på 600 V (155 kV cm-1). Dette stemmer godt overens med de tidligere nevnte 65 mJ for 1 mm tykk PST MLC under samme forhold (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentell oppsett av en sammensatt HARV1-prototype basert på 28 MLC PST-er 1 mm tykke (4 rader × 7 kolonner) som kjører på Olson-sykluser. For hvert av de fire syklustrinnene er temperatur og spenning gitt i prototypen. Datamaskinen driver en peristaltisk pumpe som sirkulerer en dielektrisk væske mellom de kalde og varme reservoarene, to ventiler og en strømkilde. Datamaskinen bruker også termoelementer for å samle inn data om spenningen og strømmen som leveres til prototypen og temperaturen på skurtreskeren fra strømforsyningen. b, Energi (farge) samlet av vår 4×7 MLC-prototype versus temperaturområde (X-akse) og spenning (Y-akse) i forskjellige eksperimenter.
En større versjon av hogstmaskinen (HARV2) med 60 PST MLC 1 mm tykk og 160 PST MLC 0,5 mm tykk (41,7 g aktivt pyroelektrisk materiale) ga 11,2 J (tilleggsnotat 8). I 1984 laget Olsen en energihøster basert på 317 g av en tinndopet Pb(Zr,Ti)O3-forbindelse som er i stand til å generere 6,23 J elektrisitet ved en temperatur på ca. 150 °C (ref. 21). For denne skurtreskeren er dette den eneste andre verdien som er tilgjengelig i joule-området. Den fikk litt over halvparten av verdien vi oppnådde og nesten syv ganger kvaliteten. Dette betyr at energitettheten til HARV2 er 13 ganger høyere.
HARV1-syklusperioden er 57 sekunder. Dette ga 54 mW effekt med 4 rader med 7 kolonner med 1 mm tykke MLC-sett. For å ta det ett skritt videre, bygde vi en tredje skurtresker (HARV3) med en 0,5 mm tykk PST MLC og lignende oppsett til HARV1 og HARV2 (tilleggsnotat 9). Vi målte en termaliseringstid på 12,5 sekunder. Dette tilsvarer en syklustid på 25 s (tilleggsbilde 9). Den innsamlede energien (47 mJ) gir en elektrisk effekt på 1,95 mW per MLC, som igjen lar oss forestille oss at HARV2 produserer 0,55 W (omtrent 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm tykk). I tillegg simulerte vi varmeoverføring ved å bruke Finite Element Simulation (COMSOL, tilleggsnotat 10 og tilleggstabeller 2–4) tilsvarende HARV1-eksperimentene. Finite element-modellering gjorde det mulig å forutsi effektverdier nesten en størrelsesorden høyere (430 mW) for samme antall PST-kolonner ved å tynne ut MLC til 0,2 mm, bruke vann som kjølevæske og gjenopprette matrisen til 7 rader . × 4 kolonner (i tillegg til , var det 960 mW når tanken sto ved siden av skurtreskeren, tilleggsbilde 10b).
For å demonstrere nytten av denne kollektoren ble en Stirling-syklus brukt på en frittstående demonstrator bestående av kun to 0,5 mm tykke PST MLC-er som varmesamlere, en høyspentbryter, en lavspentbryter med lagringskondensator, en DC/DC-omformer , en laveffekts mikrokontroller, to termoelementer og boost-omformer (tilleggsmerknad 11). Kretsen krever at lagringskondensatoren initialt lades ved 9V og kjører deretter autonomt mens temperaturen på de to MLC-ene varierer fra -5 °C til 85 °C, her i sykluser på 160 s (flere sykluser er vist i tilleggsnotat 11) . Bemerkelsesverdig nok kan to MLC-er som bare veier 0,3 g autonomt kontrollere dette store systemet. En annen interessant funksjon er at lavspenningsomformeren er i stand til å konvertere 400V til 10-15V med 79 % effektivitet (tilleggsnotat 11 og tilleggsfigur 11.3).
Til slutt evaluerte vi effektiviteten til disse MLC-modulene når det gjelder å konvertere termisk energi til elektrisk energi. Kvalitetsfaktoren η for effektivitet er definert som forholdet mellom tettheten til den oppsamlede elektriske energien Nd og tettheten til den tilførte varmen Qin (tilleggsnotat 12):
Figurene 3a,b viser henholdsvis virkningsgraden η og proporsjonal virkningsgrad ηr for Olsen-syklusen, som en funksjon av temperaturområdet til en 0,5 mm tykk PST MLC. Begge datasettene er gitt for et elektrisk felt på 195 kV cm-1. Virkningsgraden \(\this\) når 1,43 %, som tilsvarer 18 % av ηr. Men for et temperaturområde på 10 K fra 25 °C til 35 °C, når ηr verdier opp til 40 % (blå kurve i fig. 3b). Dette er to ganger den kjente verdien for NLP-materialer registrert i PMN-PT-filmer (ηr = 19%) i temperaturområdet 10 K og 300 kV cm-1 (Ref. 18). Temperaturområder under 10 K ble ikke vurdert fordi den termiske hysteresen til PST MLC er mellom 5 og 8 K. Erkjennelse av den positive effekten av faseoverganger på effektiviteten er kritisk. Faktisk er de optimale verdiene for η og ηr nesten alle oppnådd ved starttemperaturen Ti = 25 °C i fig. 3a,b. Dette skyldes en tett faseovergang når ingen felt brukes og Curie-temperaturen TC er rundt 20 °C i disse MLC-ene (tilleggsnotat 13).
a,b, effektiviteten η og den proporsjonale effektiviteten til Olson-syklusen (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } for maksimal elektrisk med et felt på 195 kV cm-1 og forskjellige starttemperaturer Ti, }}\,\)(b) for MPC PST 0,5 mm tykk, avhengig av temperaturintervallet ΔTspan.
Sistnevnte observasjon har to viktige implikasjoner: (1) enhver effektiv syklus må begynne ved temperaturer over TC for at en feltindusert faseovergang (fra paraelektrisk til ferroelektrisk) skal skje; (2) disse materialene er mer effektive ved kjøretider nær TC. Selv om storskala effektivitet er vist i våre eksperimenter, tillater det begrensede temperaturområdet oss ikke å oppnå store absolutte effektiviteter på grunn av Carnot-grensen (\(\Delta T/T\)). Den utmerkede effektiviteten demonstrert av disse PST MLC-ene rettferdiggjør imidlertid Olsen når han nevner at "en ideell klasse 20 regenerativ termoelektrisk motor som opererer ved temperaturer mellom 50 °C og 250 °C kan ha en effektivitet på 30 %"17. For å nå disse verdiene og teste konseptet, ville det være nyttig å bruke dopede PST-er med forskjellige TC-er, som studert av Shebanov og Borman. De viste at TC i PST kan variere fra 3°C (Sb-doping) til 33°C (Ti-doping) 22 . Derfor antar vi at neste generasjons pyroelektriske regeneratorer basert på dopede PST MLC-er eller andre materialer med en sterk førsteordens faseovergang kan konkurrere med de beste krafthøstere.
I denne studien undersøkte vi MLC-er laget av PST. Disse enhetene består av en serie Pt- og PST-elektroder, hvor flere kondensatorer er koblet parallelt. PST ble valgt fordi det er et utmerket EC-materiale og derfor et potensielt utmerket NLP-materiale. Den viser en skarp førsteordens ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang rundt 20 °C, noe som indikerer at entropiendringene ligner de som er vist i fig. 1. Lignende MLC-er er fullstendig beskrevet for EC13,14-enheter. I denne studien brukte vi 10,4 × 7,2 × 1 mm³ og 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC-er. MLC-er med en tykkelse på 1 mm og 0,5 mm ble laget av henholdsvis 19 og 9 lag PST med en tykkelse på 38,6 µm. I begge tilfeller ble det indre PST-laget plassert mellom 2,05 µm tykke platinaelektroder. Utformingen av disse MLC-ene forutsetter at 55 % av PST-ene er aktive, tilsvarende delen mellom elektrodene (tilleggsnotat 1). Det aktive elektrodearealet var 48,7 mm2 (tilleggstabell 5). MLC PST ble fremstilt ved fastfasereaksjon og støpemetode. Detaljene i forberedelsesprosessen er beskrevet i en tidligere artikkel14. En av forskjellene mellom PST MLC og den forrige artikkelen er rekkefølgen på B-sider, som i stor grad påvirker ytelsen til EC i PST. Rekkefølgen av B-steder for PST MLC er 0,75 (tilleggsnotat 2) oppnådd ved sintring ved 1400°C etterfulgt av hundrevis av timer lang utglødning ved 1000°C. For mer informasjon om PST MLC, se tilleggsnotater 1-3 og tilleggstabell 5.
Hovedkonseptet i denne studien er basert på Olson-syklusen (fig. 1). For en slik syklus trenger vi et varmt og kaldt reservoar og en strømforsyning som er i stand til å overvåke og kontrollere spenningen og strømmen i de ulike MLC-modulene. Disse direkte syklusene brukte to forskjellige konfigurasjoner, nemlig (1) Linkam-moduler som varmet og kjølte en MLC koblet til en Keithley 2410-strømkilde, og (2) tre prototyper (HARV1, HARV2 og HARV3) parallelt med samme energikilde. I sistnevnte tilfelle ble en dielektrisk væske (silikonolje med en viskositet på 5 cP ved 25°C, kjøpt fra Sigma Aldrich) brukt for varmeveksling mellom de to reservoarene (varmt og kaldt) og MLC. Det termiske reservoaret består av en glassbeholder fylt med dielektrisk væske og plassert på toppen av den termiske platen. Kuldelagring består av et vannbad med væskerør som inneholder dielektrisk væske i en stor plastbeholder fylt med vann og is. To treveis klemventiler (kjøpt fra Bio-Chem Fluidics) ble plassert i hver ende av skurtreskeren for å bytte væske fra ett reservoar til et annet (Figur 2a). For å sikre termisk likevekt mellom PST-MLC-pakken og kjølevæsken, ble syklusperioden forlenget til innløps- og utløpstermoelementene (så nær PST-MLC-pakken som mulig) viste samme temperatur. Python-skriptet administrerer og synkroniserer alle instrumenter (kildemålere, pumper, ventiler og termoelementer) for å kjøre riktig Olson-syklus, dvs. at kjølevæskesløyfen begynner å sykle gjennom PST-stabelen etter at kildemåleren er ladet, slik at de varmes opp til ønsket påført spenning for gitt Olson-syklus.
Alternativt har vi bekreftet disse direkte målingene av innsamlet energi med indirekte metoder. Disse indirekte metodene er basert på elektrisk forskyvning (D) – elektrisk felt (E) feltsløyfer samlet ved forskjellige temperaturer, og ved å beregne arealet mellom to DE-sløyfer kan man nøyaktig estimere hvor mye energi som kan samles opp, som vist i figuren . i figur 2. .1b. Disse DE-løkkene er også samlet ved hjelp av Keithley-kildemålere.
Tjueåtte 1 mm tykke PST MLC-er ble satt sammen i en 4-rads, 7-søylers parallell platestruktur i henhold til designet beskrevet i referansen. 14. Væskegapet mellom PST-MLC-rader er 0,75 mm. Dette oppnås ved å legge til striper med dobbeltsidig tape som flytende avstandsstykker rundt kantene på PST MLC. PST MLC er elektrisk koblet parallelt med en sølvepoksybro i kontakt med elektrodeledningene. Etter det ble ledninger limt med sølvepoksyharpiks på hver side av elektrodeterminalene for tilkobling til strømforsyningen. Til slutt setter du hele strukturen inn i polyolefinslangen. Sistnevnte limes til væskerøret for å sikre riktig tetting. Til slutt ble 0,25 mm tykke K-type termoelementer bygget inn i hver ende av PST-MLC-strukturen for å overvåke innløps- og utløpsvæsketemperaturene. For å gjøre dette må slangen først perforeres. Etter installering av termoelementet, påfør samme lim som før mellom termoelementslangen og ledningen for å gjenopprette forseglingen.
Åtte separate prototyper ble bygget, hvorav fire hadde 40 0,5 mm tykke MLC PSTer fordelt som parallelle plater med 5 kolonner og 8 rader, og de resterende fire hadde 15 1 mm tykke MLC PSTer hver. i 3-søyle × 5-rads parallell platestruktur. Det totale antallet PST MLC som ble brukt var 220 (160 0,5 mm tykke og 60 PST MLC 1 mm tykke). Vi kaller disse to underenhetene HARV2_160 og HARV2_60. Væskegapet i prototypen HARV2_160 består av to dobbeltsidige taper 0,25 mm tykke med en 0,25 mm tykk tråd mellom dem. For HARV2_60-prototypen gjentok vi samme prosedyre, men med 0,38 mm tykk ledning. For symmetri har HARV2_160 og HARV2_60 egne væskekretser, pumper, ventiler og kald side (tilleggsnotat 8). To HARV2-enheter deler et varmereservoar, en 3 liters beholder (30 cm x 20 cm x 5 cm) på to kokeplater med roterende magneter. Alle åtte individuelle prototyper er elektrisk koblet parallelt. HARV2_160- og HARV2_60-underenhetene fungerer samtidig i Olson-syklusen, noe som resulterer i en energiavling på 11,2 J.
Plasser 0,5 mm tykk PST MLC i polyolefinslangen med dobbeltsidig tape og wire på begge sider for å skape plass for væske å strømme. På grunn av sin lille størrelse ble prototypen plassert ved siden av en varm eller kald reservoarventil, noe som minimerer syklustidene.
I PST MLC påføres et konstant elektrisk felt ved å påføre en konstant spenning til varmegrenen. Som et resultat genereres en negativ termisk strøm og energi lagres. Etter oppvarming av PST MLC fjernes feltet (V = 0), og energien som er lagret i den, returneres tilbake til kildetelleren, som tilsvarer ett bidrag til av den innsamlede energien. Til slutt, med en spenning V = 0 påført, blir MLC PST-ene avkjølt til sin opprinnelige temperatur slik at syklusen kan starte på nytt. På dette stadiet samles ikke energi. Vi kjørte Olsen-syklusen ved å bruke et Keithley 2410 SourceMeter, lade PST MLC fra en spenningskilde og satte strømtilsvaret til riktig verdi slik at nok poeng ble samlet under ladefasen for pålitelige energiberegninger.
I Stirling-sykluser ble PST MLC-er ladet i spenningskildemodus med en innledende elektrisk feltverdi (initialspenning Vi > 0), en ønsket samsvarsstrøm slik at ladetrinnet tar rundt 1 s (og nok poeng samles for en pålitelig beregning av energien) og kald temperatur. I Stirling-sykluser ble PST MLC-er ladet i spenningskildemodus med en innledende elektrisk feltverdi (initialspenning Vi > 0), en ønsket samsvarsstrøm slik at ladetrinnet tar rundt 1 s (og nok poeng samles for en pålitelig beregning av energien) og kald temperatur. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электриче > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (og набирается достаточное колич та энергия) og холодная температура. I Stirling PST MLC-syklusene ble de ladet i spenningskildemodus ved startverdien av det elektriske feltet (startspenning Vi > 0), ønsket flytestrøm, slik at ladetrinnet tar ca. 1 s (og et tilstrekkelig antall av poeng samles for en pålitelig energiberegning) og kald temperatur.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压顔锵压源模式下以初始电场值（初始电压顔锔电压顔纔眀煅电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. I hovedsyklusen lades PST MLC med den innledende elektriske feltverdien (startspenning Vi > 0) i spenningskildemodus, slik at den nødvendige samsvarsstrømmen tar ca. 1 sekund for ladetrinnet (og vi samlet nok poeng til å pålitelig beregne (energi) og lav temperatur. Цике стирiger kond оы надежно раситать энергию) и низие темературы . I Stirling-syklusen lades PST MLC i spenningskildemodus med en startverdi av det elektriske feltet (startspenning Vi > 0), den nødvendige samsvarsstrømmen er slik at ladetrinnet tar ca. 1 s (og et tilstrekkelig antall av poeng samles for pålitelig å beregne energien) og lave temperaturer .Før PST MLC varmes opp, åpne kretsen ved å bruke en matchende strøm på I = 0 mA (minste matchende strøm som vår målekilde kan håndtere er 10 nA). Som et resultat forblir en ladning i PST av MJK, og spenningen øker når prøven varmes opp. Ingen energi samles i arm BC fordi I = 0 mA. Etter å ha nådd en høy temperatur, øker spenningen i MLT FT (i noen tilfeller mer enn 30 ganger, se tilleggs fig. 7.2), MLK FT utlades (V = 0), og elektrisk energi lagres i dem for det samme ettersom de er den første kostnaden. Den samme gjeldende korrespondansen returneres til målerkilden. På grunn av spenningsforsterkning er den lagrede energien ved høy temperatur høyere enn det som ble gitt i begynnelsen av syklusen. Følgelig oppnås energi ved å omdanne varme til elektrisitet.
Vi brukte en Keithley 2410 SourceMeter for å overvåke spenningen og strømmen påført PST MLC. Den tilsvarende energien beregnes ved å integrere produktet av spenning og strøm avlest av Keithleys kildemåler, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas)}}\ venstre(t\ høyre){V}_{{\rm{mål}}}(t)\), der τ er perioden for perioden. På energikurven vår betyr positive energiverdier energien vi må gi til MLC PST, og negative verdier betyr energien vi trekker ut fra dem og dermed energien som mottas. Den relative kraften for en gitt innsamlingssyklus bestemmes ved å dele den innsamlede energien med perioden τ av hele syklusen.
Alle data er presentert i hovedteksten eller i tilleggsinformasjon. Brev og forespørsler om materialer skal rettes til kilden til AT- eller ED-dataene som følger med denne artikkelen.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC En gjennomgang av utviklingen og bruken av termoelektriske mikrogeneratorer for energihøsting. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC En gjennomgang av utviklingen og bruken av termoelektriske mikrogeneratorer for energihøsting.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO og Henao, NC Oversikt over utvikling og anvendelse av termoelektriske mikrogeneratorer for energihøsting. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO og Henao, NC vurderer utvikling og bruk av termoelektriske mikrogeneratorer for energihøsting.gjenoppta. støtte. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaiske materialer: nåværende effektivitet og fremtidige utfordringer. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaiske materialer: nåværende effektivitet og fremtidige utfordringer.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK Fotovoltaiske materialer: nåværende ytelse og fremtidige utfordringer. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Solmaterialer: nåværende effektivitet og fremtidige utfordringer.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK Fotovoltaiske materialer: nåværende ytelse og fremtidige utfordringer.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Sammenhengende pyro-piezoelektrisk effekt for selvdrevet samtidig temperatur- og trykkføling. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkt pyro-piezoelektrisk effekt for selvdrevet samtidig temperatur- og trykkføling.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Kombinert pyropiezoelektrisk effekt for autonom samtidig måling av temperatur og trykk. 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. For selvdrift samtidig som temperatur og trykk.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Kombinert termopiezoelektrisk effekt for autonom samtidig måling av temperatur og trykk.Framover. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energihøsting basert på Ericssons pyroelektriske sykluser i en relaxor ferroelektrisk keramikk. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energihøsting basert på Ericssons pyroelektriske sykluser i en relaxor ferroelektrisk keramikk.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Energihøsting basert på pyroelektriske Ericsson-sykluser i relaxor ferroelektrisk keramikk.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Energihøsting i relaxor ferroelektrisk keramikk basert på Ericsson pyroelektrisk sykling. Smart alma mater. struktur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Neste generasjons elektrokaloriske og pyroelektriske materialer for elektrotermisk energi i fast tilstand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Neste generasjons elektrokaloriske og pyroelektriske materialer for elektrotermisk energi i fast tilstand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Neste generasjons elektrokaloriske og pyroelektriske materialer for elektrotermisk energi i fast tilstand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热邇 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Neste generasjons elektrokaloriske og pyroelektriske materialer for elektrotermisk energi i fast tilstand.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard og verdi for kvantifisering av ytelsen til pyroelektriske nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard og verdi for kvantifisering av ytelsen til pyroelektriske nanogeneratorer.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL og Yang, Yu. En standard- og kvalitetspoengsum for å kvantifisere ytelsen til pyroelektriske nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL og Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL og Yang, Yu. Kriterier og ytelsesmål for å kvantifisere ytelsen til en pyroelektrisk nanogenerator.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriske kjølesykluser i blyskandiumtantalat med ekte regenerering via feltvariasjon. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriske kjølesykluser i blyskandiumtantalat med ekte regenerering via feltvariasjon.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. og Mathur, ND Elektrokaloriske kjølesykluser i bly-skandiumtantalat med ekte regenerering ved hjelp av feltmodifikasjon. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantal酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. og Mathur, ND En elektrotermisk avkjølingssyklus av skandium-blytantalat for ekte regenerering gjennom feltreversering.fysikk Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroiske faseoverganger. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroiske faseoverganger.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroide faseoverganger. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Termiske materialer nær jernholdig metallurgi.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Termiske materialer nær jernfaseoverganger.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kaloriske materialer for kjøling og oppvarming. Moya, X. & Mathur, ND Kaloriske materialer for kjøling og oppvarming.Moya, X. og Mathur, ND Termiske materialer for kjøling og oppvarming. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Termiske materialer for kjøling og oppvarming.Moya X. og Mathur ND Termiske materialer for kjøling og oppvarming.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokaloriske kjølere: en anmeldelse. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokaloriske kjølere: en anmeldelse.Torello, A. og Defay, E. Elektrokaloriske kjølere: en anmeldelse. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. og Defay, E. Elektrotermiske kjølere: en gjennomgang.Avansert. elektronisk. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme energieffektivitet av elektrokalorisk materiale i høyt ordnet scandium-scandium-bly. Nasjonal kommunikasjon. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Den elektrotermiske effekten av oksid-flerlagskondensatorer er stor over et bredt temperaturområde. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Stort temperaturområde i elektrotermiske regeneratorer. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Høyytelses solid state elektrotermisk kjølesystem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskade elektrotermisk kjøleenhet for stor temperaturøkning. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Høy effektivitet direkte konvertering av varme til elektrisk energi-relaterte pyroelektriske målinger. Olsen, RB & Brown, DD Høyeffektiv direkte konvertering av varme til elektrisk energirelaterte pyroelektriske målinger.Olsen, RB og Brown, DD Svært effektiv direkte konvertering av varme til elektrisk energi knyttet til pyroelektriske målinger. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB og Brown, DD Effektiv direkte konvertering av varme til elektrisitet knyttet til pyroelektriske målinger.Ferroelectrics 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi- og effekttetthet i tynne ferroelektriske avslappende filmer. Nasjonal alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadert pyroelektrisk konvertering: optimalisering av den ferroelektriske faseovergangen og elektriske tap. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadert pyroelektrisk konvertering: optimalisering av den ferroelektriske faseovergangen og elektriske tap.Smith, AN og Hanrahan, BM Kaskadert pyroelektrisk konvertering: ferroelektrisk faseovergang og optimalisering av elektrisk tap. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗. Smith, AN & Hanrahan, BMSmith, AN og Hanrahan, BM Kaskadert pyroelektrisk konvertering: optimalisering av ferroelektriske faseoverganger og elektriske tap.J. Søknad. fysikk. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Bruken av ferroelektriske materialer for å konvertere termisk energi til elektrisitet. behandle. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded pyroelektrisk energiomformer. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded pyroelektrisk energiomformer.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Cascaded pyroelektriske kraftomformere.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. På bly-skandium tantalat faste løsninger med høy elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. På bly-skandium tantalat faste løsninger med høy elektrokalorisk effekt.Shebanov L. og Borman K. På faste løsninger av bly-skandiumtantalat med høy elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体. Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. og Borman K. Om skandium-bly-skandium faste løsninger med høy elektrokalorisk effekt.Ferroelectrics 127, 143-148 (1992).
Vi takker N. Furusawa, Y. Inoue og K. Honda for deres hjelp med å lage MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB og ED Takk til Luxembourg National Research Foundation (FNR) for å støtte dette arbeidet gjennom CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay og BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Institutt for materialforskning og -teknologi, Luxembourg Institute of Technology (LIST), Belvoir, Luxembourg