Å tilby bærekraftige strømkilder er en av de viktigste utfordringene i dette århundret. Forskningsområder innen energihøstingsmaterialer stammer fra denne motivasjonen, inkludert termoelektrisk1, solcellepanel2 og termofotovoltaisk3. 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 pyroelektriske modul kan generere elektrisk energitetthet på 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 gjennomslagsspenning. Disse makroskopiske, skalerbare og effektive pyroelektriske krafthøsterne tenker nytt om termoelektrisk kraftproduksjon.
Sammenlignet med den romlige temperaturgradienten som kreves for termoelektriske materialer, krever energihøsting av termoelektriske materialer temperatursykling 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 demonstrerer en feltdrevet ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang i scandium-blytantalat (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 betrakter vi to sykluser med samme elektriske feltendring (felt av og på) og temperaturendring ΔT, om enn med forskjellige starttemperaturer. Den grønne syklusen er ikke lokalisert i faseovergangsområdet og har dermed et mye mindre område enn den blå syklusen som ligger i faseovergangsområdet. I ST-diagrammet, jo større område, desto større innsamlet energi. Derfor må faseovergangen samle inn mer energi. Behovet for storområdesykling i NLP er svært likt behovet for elektrotermiske applikasjoner9, 10, 11, 12 der PST-flerlagskondensatorer (MLC-er) og PVDF-baserte terpolymerer nylig har vist utmerket reversert 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 tilleggsnotatene 1 (skanningselektronmikroskopi), 2 (røntgendiffraksjon) og 3 (kalorimetri).
a, Skisse av et entropi (S)-temperatur (T)-plott med elektrisk felt av og på påført NLP-materialer som viser faseoverganger. To energiinnsamlingssykluser er vist i to forskjellige temperatursoner. De blå og grønne syklusene forekommer 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 opprettholdt 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 som samles inn i én syklus. c, toppanel, spenning (svart) og strøm (rød) versus tid, sporet under samme Olson-syklus som b. De to innsettingene representerer forsterkningen av spenning og strøm på viktige punkter i syklusen. I det nedre panelet representerer de gule og grønne kurvene henholdsvis de tilsvarende temperatur- og energikurvene for en 1 mm tykk MLC. Energi beregnes fra strøm- og spenningskurvene på toppanelet. Negativ energi tilsvarer den innsamlede energien. Trinnene som tilsvarer store bokstaver i de fire figurene er de samme som i Olson-syklusen. Syklusen AB'CD tilsvarer Stirling-syklusen (tilleggsmerknad 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 å samle inn pyroelektrisk energi på 1980-tallet.
Figur 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 fra 0 til 155 kV cm⁻¹ (600 V). Disse to syklusene kan brukes til indirekte å beregne energien som samles inn 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 °C og 20 °C i AB-grenen). Energien som samles inn i løpet av syklusen tilsvarer de oransje og blå områdene (EdD-integralet). Den innsamlede energien Nd er forskjellen mellom inngangs- og utgangsenergi, dvs. bare det oransje området i figur 1b. Denne spesielle Olson-syklusen gir en Nd-energitetthet på 1,78 J cm⁻¹. Stirling-syklusen er et alternativ til Olson-syklusen (tilleggsnotat 7). Fordi det er lettere å nå konstant ladenivå (åpen krets), når energitettheten utledet fra figur 1b (syklus AB'CD) 1,25 J cm-3. Dette er bare 70 % av hva 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 hjelp av et Linkam temperaturkontrolltrinn og en kildemåler (metode). Figur 1c øverst og i de respektive innfelte bildene viser strømmen (rød) og spenningen (svart) samlet inn på den samme 1 mm tykke PST MLC som for DE-sløyfen som går gjennom den samme Olson-syklusen. Strømmen og spenningen gjør det mulig å beregne den innsamlede energien, og kurvene er vist i figur 1c, nederst (grønn) og temperaturen (gul) gjennom hele syklusen. Bokstavene ABCD representerer den samme Olson-syklusen i figur 1. MLC-lading skjer under AB-etappen og utføres med lav strøm (200 µA), slik at SourceMeter kan kontrollere ladingen ordentlig. Konsekvensen av denne konstante startstrømmen er at spenningskurven (svart kurve) ikke er lineær på grunn av det ikke-lineære potensialforskyvningsfeltet D PST (figur 1c, øverste innfelte bilde). Ved slutten av ladingen lagres 30 mJ elektrisk energi i MLC (punkt B). MLC-en varmes deretter opp, og en negativ strøm (og dermed en negativ strøm) produseres mens spenningen forblir på 600 V. Etter 40 sekunder, da temperaturen nådde et platå på 90 °C, ble denne strømmen kompensert, selv om trinnprøven produserte en elektrisk effekt på 35 mJ i kretsen under dette isofeltet (andre innfelt i figur 1c, øverst). Spenningen på MLC-en (gren-CD) reduseres deretter, noe som resulterer i ytterligere 60 mJ elektrisk arbeid. Den totale utgangsenergien er 95 mJ. Den innsamlede energien er forskjellen 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 ekstrahert fra DE-ringen. Reproduserbarheten til denne Olson-syklusen har blitt grundig testet (tilleggsnotat 4). Ved å øke spenning og temperatur ytterligere oppnådde vi 4,43 J cm⁻³ ved bruk av Olsen-sykluser i en 0,5 mm tykk PST MLC over et temperaturområde på 750 V (195 kV cm⁻¹) og 175 °C (tilleggsmerknad 5). Dette er fire ganger større 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⁻¹). Se tilleggstabell 1 for flere verdier i litteraturen. Denne ytelsen er oppnådd på grunn av den svært lave lekkasjestrømmen til disse MLC-ene (<10⁻⁶ A ved 750 V og 180 °C, se detaljer i tilleggsnotat 6) – et viktig punkt nevnt av Smith et al.19 – i motsetning til materialene som ble brukt i tidligere studier17,20. Denne ytelsen er oppnådd på grunn av den svært lave lekkasjestrømmen til disse MLC-ene (<10⁻⁶ A ved 750 V og 180 °C, se detaljer i tilleggsnotat 6) – et viktig punkt nevnt av Smith et al.19 – i motsetning til materialene som ble brukt i tidligere studier17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 а при 750 м °C, ± 180 м. в дополнительном 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 studier 17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明6中的详细信息）——Smith 等人19提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料的材料由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 °C 时 <10-7 A , 参见 补兎 说 补兎 说信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下下且比之下 下比繋相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之且繋比之且相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В og 180 °C, см. подробности в дополнитель в дополнитель) — ключевой 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 viktig punkt nevnt av Smith et al. 19 – ble disse ytelsene oppnådd til sammenligning.til materialer brukt i tidligere studier 17,20.
De samme betingelsene (600 V, 20–90 °C) ble brukt på Stirling-syklusen (tilleggsmerknad 7). Som forventet ut fra resultatene fra DE-syklusen, var utbyttet 41,0 mJ. En av de mest slående egenskapene ved 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 særtrekk ved disse MLC-ene er at de er makroskopiske objekter store nok til å samle energi i joule-området. Derfor konstruerte vi en prototype-høster (HARV1) ved bruk av 28 MLC PST 1 mm tykk, etter samme parallelle platedesign beskrevet av Torello et al.14, i en 7×4-matrise som vist i figur. Den varmebærende dielektriske væsken i manifolden fortrenges av en peristaltisk pumpe mellom to reservoarer der væsketemperaturen holdes konstant (metode). Samle opp til 3,1 J ved bruk av Olson-syklusen beskrevet i figur 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⁻¹. Ved bruk av denne kombinasjonen ble det tatt målinger under forskjellige forhold (figur 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 de samme forholdene (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentelt oppsett av en montert 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 oppgitt i prototypen. Datamaskinen driver en peristaltisk pumpe som sirkulerer en dielektrisk væske mellom det kalde og varme reservoaret, to ventiler og en strømkilde. Datamaskinen bruker også termoelementer for å samle inn data om spenningen og strømmen som tilføres prototypen og temperaturen på skurtreskeren fra strømforsyningen. b, Energi (farge) samlet inn av vår 4×7 MLC-prototype versus temperaturområde (X-akse) og spenning (Y-akse) i forskjellige eksperimenter.
En større versjon av høstemaskinen (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 omtrent 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 bedre kvalitet. Dette betyr at energitettheten til HARV2 er 13 ganger høyere.
HARV1-syklusperioden er 57 sekunder. Dette produserte 54 mW effekt med 4 rader med 7 kolonner med 1 mm tykke MLC-sett. For å ta det et skritt videre, bygde vi en tredje skurtresker (HARV3) med en 0,5 mm tykk PST MLC og lignende oppsett som HARV1 og HARV2 (tilleggsnotat 9). Vi målte en termaliseringstid på 12,5 sekunder. Dette tilsvarer en syklustid på 25 s (tilleggsfigur 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 hjelp av Finite Element Simulation (COMSOL, tilleggsnotat 10 og tilleggstabeller 2–4) som tilsvarer HARV1-eksperimentene. Endelig elementmodellering 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 da tanken var ved siden av skurtreskeren, tilleggsfigur 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 varmekollektorer, en høyspenningsbryter, en lavspenningsbryter med lagringskondensator, en DC/DC-omformer, en lavstrømsmikrokontroller, to termoelementer og en boost-omformer (tilleggsnotat 11). Kretsen krever at lagringskondensatoren først lades ved 9 V og deretter går autonomt mens temperaturen til de to MLC-ene varierer fra -5 °C til 85 °C, her i sykluser på 160 sekunder (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 400 V til 10–15 V med 79 % effektivitet (tilleggsnotat 11 og tilleggsfigur 11.3).
Til slutt evaluerte vi effektiviteten til disse MLC-modulene i å konvertere termisk energi til elektrisk energi. Kvalitetsfaktoren η for effektivitet er definert som forholdet mellom tettheten av den innsamlede elektriske energien Nd og tettheten av den tilførte varmen Qin (tilleggsnotat 12):
Figur 3a og b viser henholdsvis effektiviteten η og den proporsjonale effektiviteten 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. Effektiviteten \(\dette\) når 1,43 %, som tilsvarer 18 % av ηr. For et temperaturområde på 10 K fra 25 °C til 35 °C når imidlertid ηr verdier opptil 40 % (blå kurve i figur 3b). Dette er det dobbelte av 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. Det er kritisk å anerkjenne den positive effekten av faseoverganger på effektiviteten. Faktisk oppnås nesten alle de optimale verdiene for η og ηr ved starttemperaturen Ti = 25 °C i figur 3a, b. Dette skyldes en tett faseovergang når intet felt påføres 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)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for den maksimale elektriske effekten ved et felt på 195 kV cm-1 og forskjellige starttemperaturer Ti, }}\,\)(b) for MPC PST 0,5 mm tykk, avhengig av temperaturintervallet ΔTspan.
Den sistnevnte observasjonen har to viktige implikasjoner: (1) enhver effektiv sykling 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 ikke det begrensede temperaturområdet oss å oppnå stor absolutt effektivitet på grunn av Carnot-grensen (\(\DeltaT/T\)). Den utmerkede effektiviteten demonstrert av disse PST MLC-ene rettferdiggjør imidlertid Olsen når han nevner at "en ideell regenerativ termoelektrisk motor i klasse 20 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, slik det ble 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 krafthøsterne.
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. Det viser en skarp førsteordens ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang rundt 20 °C, noe som indikerer at entropiendringene er lik de som er vist i figur 1. Lignende MLC-er er beskrevet fullstendig 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 19 og 9 lag PST med en tykkelse på henholdsvis 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 (tilleggsmerknad 1). Det aktive elektrodearealet var 48,7 mm2 (tilleggstabell 5). MLC PST ble fremstilt ved fastfasereaksjon og støpemetode. Detaljene i fremstillingsprosessen er beskrevet i en tidligere artikkel14. En av forskjellene mellom PST MLC og den forrige artikkelen er rekkefølgen på B-stedene, som i stor grad påvirker ytelsen til EC i PST. Rekkefølgen på B-stedene til PST MLC er 0,75 (tilleggsmerknad 2) oppnådd ved sintring ved 1400 °C etterfulgt av hundrevis av timers gløding ved 1000 °C. For mer informasjon om PST MLC, se tilleggsmerknadene 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 forskjellige MLC-modulene. Disse direkte syklusene brukte to forskjellige konfigurasjoner, nemlig (1) Linkam-moduler som varmer og kjøler én 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 til varmeveksling mellom de to reservoarene (varmt og kaldt) og MLC-en. Det termiske reservoaret består av en glassbeholder fylt med dielektrisk væske og plassert på toppen av den termiske platen. Kjølelagring består av et vannbad med væskerør som inneholder dielektrisk væske i en stor plastbeholder fylt med vann og is. To treveis klemmeventiler (kjøpt fra Bio-Chem Fluidics) ble plassert i hver ende av skurtreskeren for å veksle væske riktig 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-stakken etter at kildemåleren er ladet, slik at de varmes opp ved ønsket påført spenning for en gitt Olson-syklus.
Alternativt har vi bekreftet disse direkte målingene av innsamlet energi med indirekte metoder. Disse indirekte metodene er basert på elektriske forskyvnings- (D) – elektriske felt- (E) feltløkker samlet inn ved forskjellige temperaturer, og ved å beregne arealet mellom to DE-løkker kan man nøyaktig estimere hvor mye energi som kan samles inn, som vist i figur 2. .1b. Disse DE-løkkene samles også inn ved hjelp av Keithley-kildemålere.
Tjueåtte 1 mm tykke PST MLC-er ble satt sammen i en parallell platestruktur med 4 rader og 7 kolonner i henhold til designet beskrevet i referansen. 14. Væskegapet mellom PST-MLC-radene er 0,75 mm. Dette oppnås ved å legge til strimler av dobbeltsidig tape som væskeavstandsstykker rundt kantene på PST MLC-en. PST MLC-en er elektrisk koblet parallelt med en sølv-epoksybro i kontakt med elektrodeledningene. Deretter ble ledninger limt med sølv-epoksyharpiks til hver side av elektrodeterminalene for tilkobling til strømforsyningen. Til slutt settes 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 montering av termoelementet, påfør samme lim som før mellom termoelementslangen og ledningen for å gjenopprette tetningen.
Åtte separate prototyper ble bygget, hvorav fire hadde 40 0,5 mm tykke MLC PST-er fordelt som parallelle plater med 5 kolonner og 8 rader, og de resterende fire hadde 15 1 mm tykke MLC PST-er hver i en parallell platestruktur med 3 kolonner × 5 rader. Det totale antallet PST MLC-er 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. Væskespalten i prototypen HARV2_160 består av to dobbeltsidige taper 0,25 mm tykke med en 0,25 mm tykk tråd mellom seg. For HARV2_60-prototypen gjentok vi samme prosedyre, men brukte 0,38 mm tykk tråd. For symmetri har HARV2_160 og HARV2_60 sine 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 varmeplater med roterende magneter. Alle åtte individuelle prototyper er elektrisk koblet parallelt. Underenhetene HARV2_160 og HARV2_60 fungerer samtidig i Olson-syklusen, noe som resulterer i en energihøsting på 11,2 J.
Plasser 0,5 mm tykk PST MLC i polyolefinslangen med dobbeltsidig tape og ståltråd på begge sider for å skape plass til at væsken kan strømme. På grunn av den lille størrelsen ble prototypen plassert ved siden av en varm- eller kaldtankventil, noe som minimerte syklustidene.
I PST MLC påføres et konstant elektrisk felt ved å påføre en konstant spenning på 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, noe som tilsvarer ytterligere ett bidrag av den innsamlede energien. Til slutt, med en spenning V = 0 påført, avkjøles MLC PST-ene til sin opprinnelige temperatur slik at syklusen kan starte på nytt. På dette stadiet samles ikke energi inn. Vi kjørte Olsen-syklusen ved hjelp av en Keithley 2410 SourceMeter, ladet PST MLC fra en spenningskilde og stilte inn strømtilpasningen til riktig verdi slik at nok poeng ble samlet inn under ladefasen for pålitelige energiberegninger.
I Stirling-sykluser ble PST MLC-er ladet i spenningskildemodus ved en initial elektrisk feltverdi (initial spenning Vi > 0), en ønsket samsvarsstrøm slik at ladetrinnet tar rundt 1 sekund (og nok punkter samles inn for en pålitelig beregning av energien) og kaldtemperatur. I Stirling-sykluser ble PST MLC-er ladet i spenningskildemodus ved en initial elektrisk feltverdi (initial spenning Vi > 0), en ønsket samsvarsstrøm slik at ladetrinnet tar rundt 1 sekund (og nok punkter samles inn for en pålitelig beregning av energien) og kaldtemperatur. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электриче напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап здки занимает около 1 с (og набирается дичочно для надежного расчета энергия) og холодная температура. I Stirling PST MLC-syklusene ble de ladet i spenningskildemodus ved den opprinnelige verdien av det elektriske feltet (startspenning Vi > 0), ønsket flytestrøm, slik at ladetrinnet tar omtrent 1 sekund (og et tilstrekkelig antall punkter samles inn 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。 I mastersyklusen lades PST MLC ved den initiale elektriske feltverdien (initial spenning Vi > 0) i spenningskildemodus, slik at den nødvendige samsvarsstrømmen tar omtrent 1 sekund for ladetrinnet (og vi samlet nok poeng til å beregne (energi) og lav temperatur pålitelig). В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электричелняго ( напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап здки занимает около 1 с (og набирается дочно точек, чтобы надежно рассчитать энергию) og низкие температуры. 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 omtrent 1 sekund (og et tilstrekkelig antall punkter samles inn for å beregne energien pålitelig) og lave temperaturer.Før PST MLC varmes opp, åpne kretsen ved å påføre en matchingstrøm på I = 0 mA (minimum matchingstrøm som målekilden vår kan håndtere er 10 nA). Som et resultat forblir en ladning i PST-en til MJK, og spenningen øker etter hvert som prøven varmes opp. Ingen energi samles opp 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 ytterligere figur 7.2), MLK FT utlades (V = 0), og elektrisk energi lagres i dem i den samme som de er den første ladningen. Den samme strømkorrespondansen returneres til målerkilden. På grunn av spenningsøkning 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 som påføres PST MLC. Den tilsvarende energien beregnes ved å integrere produktet av spenning og strøm som leses av Keithleys kildemåler, \(E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas})}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), hvor τ er periodens løp. På energikurven vår betyr positive energiverdier energien vi har å gi til MLC PST, og negative verdier betyr energien vi utvinner fra dem og dermed energien vi mottar. Den relative effekten for en gitt innsamlingssyklus bestemmes ved å dele den innsamlede energien med perioden τ for hele syklusen.
Alle data presenteres i hovedteksten eller i tilleggsinformasjon. Brev og forespørsler om materiale skal rettes til kilden for AT- eller ED-dataene som er oppgitt i denne artikkelen.
Ando Junior, OH, Maran, ALO og Henao, NC. En gjennomgang av utviklingen og anvendelsene av termoelektriske mikrogeneratorer for energihøsting. Ando Junior, OH, Maran, ALO og Henao, NC. En gjennomgang av utviklingen og anvendelsene 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 i Ohio, Maran i Alo og Henao i North Carolina vurderer utvikling og anvendelse av termoelektriske mikrogeneratorer for energihøsting.CV. støtte. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. og Sinke, WC. Fotovoltaiske materialer: nåværende effektivitet og fremtidige utfordringer. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. og 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. og 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.Vitenskap 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL og Yang, Y. Konjunksjonell pyro-piezoelektrisk effekt for selvdrevet samtidig temperatur- og trykkmåling. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL og Yang, Y. Konjunksjonell pyro-piezoelektrisk effekt for selvdrevet samtidig temperatur- og trykkmåling.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 og Yang, Y. For selvforsynende kraft samtidig med temperatur og trykk.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Kombinert termopiezoelektrisk effekt for autonom samtidig måling av temperatur og trykk.Fremover. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. og Guyomar, D. Energihøsting basert på Ericssons pyroelektriske sykluser i en relaxor ferroelektrisk keramikk. Sebald, G., Pruvost, S. og 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. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. og Whatmore, RW Neste generasjons elektrokaloriske og pyroelektriske materialer for omdannelse av elektrotermisk energi i fast tilstand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. og Whatmore, RW Neste generasjons elektrokaloriske og pyroelektriske materialer for omdannelse av elektrotermisk energi i fast tilstand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. og Whatmore, RW Neste generasjons elektrokaloriske og pyroelektriske materialer for omdannelse av 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. og Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. og Whatmore, RW Neste generasjons elektrokaloriske og pyroelektriske materialer for omdannelse av elektrotermisk energi i fast tilstand.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL og Yang, Y. Standard og fortjenstverdi for kvantifisering av ytelsen til pyroelektriske nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL og Yang, Y. Standard og fortjenstverdi 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.Nanoenergi 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. og Mathur, ND Elektrokaloriske kjølesykluser i blyskandiumtantalat med ekte regenerering via feltvariasjon. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. og 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 feltmodifisering. 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 kjølesyklus av scandium-bly-tantalat for ekte regenerering gjennom feltreversering.fysikk Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroiske faseoverganger. Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroiske faseoverganger.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroidfaseoverganger. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. og 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. og Mathur, ND Kaloriske materialer for kjøling og oppvarming. Moya, X. og 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. og Mathur, ND Termiske materialer for kjøling og oppvarming.Moya X. og Mathur ND Termiske materialer for kjøling og oppvarming.Vitenskap 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 oversikt. 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 oversikt.Avansert. elektronisk. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorm energieffektivitet av elektrokalorisk materiale i høyordnet scandium-scandium-bly. National communicate. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Den elektrotermiske effekten av oksidflerlagskondensatorer 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. Høytytende faststoff-elektrotermisk kjølesystem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadebasert elektrotermisk kjøleanordning for stor temperaturøkning. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB og Brown, DD Høyeffektiv direkte konvertering av varme til elektrisk energirelaterte pyroelektriske målinger. Olsen, RB og Brown, DD Høyeffektiv direkte konvertering av varme til elektrisk energirelaterte pyroelektriske målinger.Olsen, RB og Brown, DD. Svært effektiv direkte omdannelse 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 og Brown, DDOlsen, RB og Brown, DD Effektiv direkte omdannelse av varme til elektrisitet knyttet til pyroelektriske målinger.Ferroelektrikk 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi- og effekttetthet i tynne relaxor-ferroelektriske filmer. Nasjonalt alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN og Hanrahan, BM Kaskadert pyroelektrisk konvertering: optimalisering av ferroelektrisk faseovergang og elektriske tap. Smith, AN og Hanrahan, BM Kaskadert pyroelektrisk konvertering: optimalisering av ferroelektrisk faseovergang 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 og Hanrahan, BMSmith, AN og Hanrahan, BM Kaskadert pyroelektrisk konvertering: optimalisering av ferroelektriske faseoverganger og elektriske tap.J. Anvendelse. fysikk. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Bruk av ferroelektriske materialer for å omdanne termisk energi til elektrisitet. prosess. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Kaskadert pyroelektrisk energiomformer. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Kaskadert pyroelektrisk energiomformer.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Cascade pyroelektrisk kraftomformer. 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. Kaskadekoblede pyroelektriske kraftomformere.Ferroelektrikk 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. og Borman, K. Om bly-skandium-tantalatfaste løsninger med høy elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. og Borman, K. Om bly-skandium-tantalatfaste løsninger med høy elektrokalorisk effekt.Shebanov L. og Borman K. Om 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. og Borman, K.Shebanov L. og Borman K. Om faste scandium-bly-scandium-løsninger med høy elektrokalorisk effekt.Ferroelektrikk 127, 143–148 (1992).
Vi takker N. Furusawa, Y. Inoue og K. Honda for deres hjelp med å opprette 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, Luxembourgs teknologiske institutt (LIST), Belvoir, Luxembourg