Å tilby bærekraftige strømkilder er en av de viktigste utfordringene i dette århundret. Forskningsområder innen energihøstingsmaterialer stammer fra denne motivasjonen, inkludert Thermoelektrisk1, Photovoltaic2 og Thermophotovoltaics3. Selv om vi mangler materialer og enheter som er i stand til å høste energi i Joule -området, anses pyroelektriske materialer som kan konvertere elektrisk energi til periodiske temperaturendringer ansett som sensorer4 og energihøstinger5,6,7. Her har vi utviklet en makroskopisk termisk energihøst i form av en flerlags kondensator laget av 42 gram blyskandiumtantalat, og produsert 11,2 J elektrisk energi per termodynamisk syklus. Hver pyroelektrisk modul kan generere elektrisk energitetthet opp til 4,43 J cm-3 per syklus. Vi viser også at to slike moduler som veier 0,3 g er nok til å kontinuerlig drive autonome energihogger med innebygde mikrokontrollere og temperatursensorer. Til slutt viser vi at for et temperaturområde på 10 K kan disse flerlags kondensatorene nå 40% Carnot -effektivitet. Disse egenskapene skyldes (1) ferroelektrisk faseendring for høy effektivitet, (2) lav lekkasjestrøm for å forhindre tap og (3) høy nedbrytningsspenning. Disse makroskopiske, skalerbare og effektive pyroelektriske krafthøstere gjenspeiler 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 (er) -temperatur (t) diagram. Figur 1A viser et typisk ST-plot av et ikke-lineært pyroelektrisk (NLP) materiale som viser et feltdrevet ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang i scandium bly tantalat (PST). De blå og grønne seksjonene i syklusen på ST -diagrammet tilsvarer den konverterte elektriske energien i Olson -syklusen (to isotermiske og to isopolseksjoner). Her vurderer vi to sykluser med samme elektriske feltendring (felt av og på) og temperaturendring ΔT, om enn med forskjellige innledende temperaturer. Den grønne syklusen er ikke lokalisert i faseovergangsregionen og har dermed et mye mindre område enn den blå syklusen som ligger i faseovergangsregionen. I ST -diagrammet, jo større område, jo større er den innsamlede energien. Derfor må faseovergangen samle mer energi. Behovet for sykkel i NLP er veldig likt behovet for elektrotermiske applikasjoner9, 10, 11, 12 der PST flerlags kondensatorer (MLC) og PVDF-baserte terpolymerer har nylig vist utmerket omvendt ytelse. Kjøleytelsesstatus i syklus 13,14,15,16. Derfor har vi identifisert PST MLCs av interesse for høsting av termisk energi. Disse prøvene er fullstendig beskrevet i metodene og karakterisert i tilleggsnotater 1 (skanningselektronmikroskopi), 2 (røntgendiffraksjon) og 3 (kalorimetri).
A, skisse av en entropi (er) -temperatur (t) plot med elektrisk felt av og på påført på NLP-materialer som viser faseoverganger. To energisamlingssykluser vises i to forskjellige temperatursoner. De blå og grønne syklusene forekommer henholdsvis i og utenfor faseovergangen, og ender i veldig forskjellige regioner av overflaten. B, to de pst MLC unipolare ringer, 1 mm tykk, målt mellom henholdsvis 0 og 155 kV cm-1 ved henholdsvis 20 ° C og 90 ° C, og de tilsvarende Olsen-syklusene. Brevene ABCD viser til forskjellige stater i Olson -syklusen. AB: MLC 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 slipper ut ved 90 ° C. DA: MLC kjølt til 20 ° C i null felt. Det blå området tilsvarer inngangseffekten som kreves for å starte syklusen. Det oransje området er energien som samles inn i en syklus. C, topppanel, spenning (svart) og strøm (rød) kontra tid, sporet under samme Olson -syklus som b. De to innleggene representerer forsterkning av spenning og strøm på nøkkelpunkter 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 ut fra strøm- og spenningskurver på topppanelet. Negativ energi tilsvarer den innsamlede energien. Trinnene som tilsvarer de store bokstavene i de fire tallene er de samme som i Olson -syklusen. Syklusen AB'CD tilsvarer Stirling Cycle (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 å samle pyroelektrisk energi på 1980-17.
På fig. 1B viser to monopolare DE-løkker med 1 mm tykke PST-MLC-prøver samlet 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 å indirekte beregne energien som er samlet inn av Olson -syklusen vist i figur 1A. Faktisk består Olsen-syklusen av to Isofield-grener (her, null felt 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) tilsvarer energien som samles inn under syklusen de oransje og blå regionene (EDD Integral). Den innsamlede energien ND er forskjellen mellom inngangs- og utgangsenergi, dvs. bare 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 (Supplerende note 7). Fordi det konstante ladningstrinnet (åpen krets) lettere nås, når energitettheten som er utvunnet fra fig. 1B (syklus AB'CD) 1,25 J CM-3. Dette er bare 70% av det Olson -syklusen kan samle inn, men enkelt høstingsutstyr gjør det.
I tillegg målte vi direkte energien som ble samlet inn under Olson -syklusen ved å energi PST MLC ved å bruke et Linkam -temperaturkontrollstadium og en kildemåler (metode). Figur 1C øverst og i de respektive innsatsene viser strømmen (rød) og spenningen (svart) samlet på samme 1 mm tykke PST MLC som for DE Loop som går gjennom samme Olson -syklus. Strømmen og spenningen gjør det mulig å beregne den innsamlede energien, og kurvene er vist på fig. 1C, bunn (grønn) og temperatur (gul) gjennom hele syklusen. Bokstavene ABCD representerer den samme Olson -syklusen i fig. 1. MLC -lading oppstår under AB -benet og utføres ved en lav strøm (200 µA), slik at sourcemeter kan kontrollere lading på riktig måte. Konsekvensen av denne konstante initialstrømmen er at spenningskurven (svart kurve) ikke er lineær på grunn av det ikke-lineære potensielle forskyvningsfeltet D PST (fig. 1C, toppinnsats). På slutten av ladingen lagres 30 MJ elektrisk energi i MLC (punkt B). MLC varmes deretter opp og en negativ strøm (og derfor en negativ strøm) produseres mens spenningen forblir ved 600 V. Etter 40 sekunder, når temperaturen nådde et platå på 90 ° C, ble denne strømmen kompensert, selv om trinnprøven produsert i kretsen en elektrisk kraft på 35 MJ under denne isofield (andre innsett i fig. 1C, topp). Spenningen på MLC (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 veldig nær ND-hentet fra DE-ringen. Reproduserbarheten til denne Olson -syklusen er omfattende testet (Supplerende note 4). Ved å øke spenningen og temperaturen 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 (tilleggsnotat 5). Dette er fire ganger større enn den beste ytelsen 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. Supplementary 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 viktig punkt nevnt av Smith et al.19 - i motsetning til materialene som ble 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 viktig punkt nevnt av Smith et al.19 - i motsetning til materialene som ble brukt i tidligere studier17,20. Эти характеристики ыи достигнун в дополнителном примечании 6) - критичесий мент, уомянутый ситом и др. 19 - в отичие от к материалам, исолованны в более ранних иседованиях17,20. 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 ， 请参见补充说明 6 中的详细信息） —— Smith 等人 19 提到的关键点 提到的关键点 提到的关键点 ， ， 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 补充 说明 6 中 详细 信息））））） 等 人 人 提到 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 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 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 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 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 说明 Посоbe кевой момент, уомяннтый ситом и др. 19 - дя сравнения, ыи достигнуты эти характеристики. Siden lekkasjestrømmen til disse MLC -ene er veldig 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 forestillingene oppnådd.til materialer brukt i tidligere studier 17,20.
De samme forholdene (600 V, 20–90 ° C) påført Stirling -syklusen (Supplerende note 7). Som forventet fra resultatene fra DE -syklusen, var utbyttet 41,0 MJ. En av de mest slående trekkene i Stirling -sykluser er deres evne til å forsterke den innledende spenningen gjennom den termoelektriske effekten. Vi observerte en spenningsforsterkning på opptil 39 (fra en initialspenning på 15 V til en sluttspenning på opptil 590 V, se tillegg Fig. 7.2).
Et annet kjennetegn ved disse MLC -ene er at de er makroskopiske gjenstander som er store nok til å samle energi i Joule -serien. Derfor konstruerte vi en prototypehøsting (HARV1) ved bruk av 28 MLC PST 1 mm tykk, etter den samme parallelle platedesignen beskrevet av Torello et al.14, i en 7 × 4-matrise som vist på fig. Hatmet-metodisk pump mellom manifolden som er forstyrret av en perist. Samle opp til 3,1 j ved bruk av Olson -syklusen beskrevet i fig. 2A, isotermiske regioner ved 10 ° C og 125 ° C og Isofield-regioner ved 0 og 750 V (195 kV cm-1). Dette tilsvarer en energitetthet på 3,14 J CM-3. Ved bruk av denne kombinasjonen ble målinger tatt under forskjellige 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 er i god overensstemmelse med den tidligere nevnte 65 MJ for 1 mm tykk PST MLC under de samme forholdene (28 × 65 = 1820 MJ).
A, eksperimentelt oppsett av en samlet Harv1 -prototype basert på 28 MLC PSTS 1 mm tykke (4 rader × 7 kolonner) som kjører på Olson -sykluser. For hvert av de fire syklustrinnene er temperatur og spenning tilveiebragt 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 leveres til prototypen og temperaturen på kombinasjonen fra strømforsyningen. B, energi (farge) samlet av vårt 4 × 7 mlc prototype kontra temperaturområde (x-aksen) og spenning (Y-aksen) i forskjellige eksperimenter.
En større versjon av Harvester (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 energihøsting basert på 317 g av en tinn-dopet Pb (Zr, Ti) O3-forbindelse som var i stand til å generere 6,23 J elektrisitet ved en temperatur på omtrent 150 ° C (ref. 21). For denne kombinasjonen er dette den eneste andre verdien som er tilgjengelig i Joule -serien. 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 produserte 54 MW kraft med 4 rader med 7 søyler på 1 mm tykke MLC -sett. For å ta det et skritt videre, bygde vi en tredje kombinasjon (HARV3) med en 0,5 mm tykk PST MLC og lignende oppsett som HARV1 og HARV2 (Supplementær note 9). Vi målte en termaliseringstid på 12,5 sekunder. Dette tilsvarer en syklustid på 25 s (supplementær fig. 9). Den innsamlede energien (47 MJ) gir en elektrisk kraft på 1,95 mW per mlc, som igjen lar oss forestille oss at HARV2 produserer 0,55 W (ca. 1,95 MW × 280 pst MLC 0,5 mm tykk). I tillegg simulerte vi varmeoverføring ved bruk av endelig elementsimulering (COMSOL, Supplerende note 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 MLC til 0,2 mm, ved å 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 kombinasjonen, tilleggs Fig. 10B).
For å demonstrere nytten av denne samleren, ble en Stirling-syklus brukt på en frittstående demonstrant bestående av bare to 0,5 mm tykk PST MLC som varmeinnsamlere, en høyspenningsbryter, en lavspenningsbryter med lagringskondensator, en DC/DC-omformer, en lav effekt-mikrokontroller. Kretsen krever at lagringskondensatoren opprinnelig lades ved 9V og kjøres 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 kan to MLC -er som bare veier 0,3 g autonomt kontrollere dette store systemet. En annen interessant funksjon er at lavspenningskonverteren er i stand til å konvertere 400V til 10-15V med 79% effektivitet (Supplerende merknad 11 og tilleggsfigur 11.3).
Til slutt evaluerte vi effektiviteten til disse MLC -modulene for 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 medfølgende varmen Qin (tilleggsnotat 12):
Figur 3A, B viser effektiviteten η og proporsjonal effektivitet ηr i henholdsvis olsen -syklusen som en funksjon av temperaturområdet for 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%, noe som tilsvarer 18% av ηr. For et temperaturområde på 10 K fra 25 ° C til 35 ° C når ηr imidlertid verdier opp til 40% (blå kurve i fig. 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. Anerkjennelse av den positive effekten av faseoverganger på effektivitet er kritisk. Faktisk er de optimale verdiene til η og ηr nesten alle oppnådd ved den opprinnelige temperaturen Ti = 25 ° C i fig. 3a, b. Dette skyldes en nær faseovergang når ingen felt blir påført og Curie -temperaturen TC er rundt 20 ° C i disse MLC -ene (Supplerende note 13).
A, B, effektiviteten η og den proporsjonale effektiviteten til Olson-syklusen (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {\ rm {carnot}}} for den maksimale elektriske av et felt av 195 km {carnot}}} for det maksimale elektriske av et felt av 195 kv {carnot}}}}}}} {{\ rm {carnot {carnot} }} \, \) (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 en feltindusert faseovergang (fra paraelectric til ferroelektrisk) som skal oppstå; (2) Disse materialene er mer effektive ved kjøretid nær TC. Selv om storskala effektivitet er vist i våre eksperimenter, tillater ikke det begrensede temperaturområdet oss å oppnå store absolutte effektiviteter på grunn av Carnot-grensen (\ (\ delta t/t \). Imidlertid rettferdiggjør den utmerkede effektiviteten av disse PST MLC -ene 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 krafthøstene.
I denne studien undersøkte vi MLC -er laget av PST. Disse enhetene består av en serie PT- og PST -elektroder, hvorved flere kondensatorer er koblet parallelt. PST ble valgt fordi det er et utmerket EF -materiale og derfor et potensielt utmerket NLP -materiale. Den viser en skarp førsteordens ferroelektrisk-paraelectric faseovergang rundt 20 ° C, noe som indikerer at dens entropiendringer er lik de som er vist på fig. 1. Lignende MLC-er er fullt beskrevet for EC13,14-enheter. I denne studien brukte vi 10,4 × 7,2 × 1 mm³ og 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ mlcs. MLCer 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 um. I begge tilfeller ble det indre PST -laget plassert mellom 2,05 um tykke platinaelektroder. Utformingen av disse MLC -ene forutsetter at 55% av PST -ene er aktive, tilsvarende delen mellom elektrodene (supplementær note 1). Det aktive elektrodeområdet var 48,7 mm2 (supplerende tabell 5). MLC PST ble fremstilt ved fastfase -reaksjon 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-siter, noe som påvirker ytelsen til EC i PST i stor grad. Rekkefølgen på B-sider for PST MLC er 0,75 (tilleggsnotat 2) oppnådd ved sintring ved 1400 ° C etterfulgt av hundrevis av timer lang annealing ved 1000 ° C. For mer informasjon om PST MLC, se Tilleggsnotater 1-3 og tilleggstabell 5.
Hovedkonseptet med denne studien er basert på Olson -syklusen (fig. 1). For en slik syklus trenger vi et varmt og kaldt reservoar og en strømforsyning som kan overvåke og kontrollere spenningen og strømmen i de forskjellige MLC -modulene. Disse direkte syklusene brukte to forskjellige konfigurasjoner, nemlig (1) Linkam -moduler oppvarming og avkjøling en MLC koblet til en Keithley 2410 strømkilde, og (2) tre prototyper (HARV1, HARV2 og HARV3) parallelt med samme kildeenergi. I sistnevnte tilfelle ble en dielektrisk væske (silikonolje med en viskositet på 5 cp ved 25 ° C, kjøpt fra Sigma Aldrich) brukt til varmeutveksling 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. Kølelsesbevegelse består av et vannbad med flytende rør som inneholder dielektrisk væske i en stor plastbeholder fylt med vann og is. To treveis klypeventiler (kjøpt fra Bio-Chem Fluidics) ble plassert i hver ende av kombinasjonen for å bytte 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 innløpet og utløpstermoelementer (så nær PST-MLC-pakken) viste den samme temperaturen. Python -skriptet administrerer og synkroniserer alle instrumenter (kildemålere, pumper, ventiler og termoelementer) for å kjøre riktig OLSON -syklus, dvs. kjølevæskens sløyfe begynner å sykle gjennom PST -stabelen etter at kildesyklusen er ladet slik at de varmer opp ved ønsket påført spenning for gitt Olson -syklus.
Alternativt har vi bekreftet disse direkte målingene av samlet energi med indirekte metoder. Disse indirekte metodene er basert på elektrisk forskyvning (D) - elektrisk felt (E) feltløkker samlet ved forskjellige temperaturer, og ved å beregne området mellom to DE -løkker, kan man nøyaktig estimere hvor mye energi som kan samles, som vist på figuren. i figur 2. .1b. Disse DE -løkkene blir også samlet ved hjelp av Keithley Source Meters.
Tjueåtte 1 mm tykke PST MLC-er ble samlet i en 4-rads, 7-kolonne parallellplatestruktur i henhold til designet beskrevet i referansen. 14. Væskegapet mellom PST-MLC-rader er 0,75 mm. Dette oppnås ved å legge til strimler av tosidig tape som flytende avstandsstykker rundt kantene på PST MLC. PST MLC er elektrisk koblet parallelt med en sølv epoksybro i kontakt med elektrodeledningene. Etter det ble ledninger limt med sølvpoksyharpiks til hver side av elektrodeterminalene for tilkobling til strømforsyningen. Til slutt sett inn hele strukturen i polyolefinslangen. Sistnevnte er limt til væskøret for å sikre riktig tetning. Til slutt ble 0,25 mm tykke K-type termoelementer innebygd i hver ende av PST-MLC-strukturen for å overvåke innløps- og utløps-væsketemperaturene. For å gjøre dette, må slangen først være perforert. Etter å ha installert termoelementet, påfør det samme limet 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 3-kolonne × 5-rads parallellplatestruktur. Det totale antallet PST MLC som ble brukt var 220 (160 0,5 mm tykk og 60 pst MLC 1 mm tykk). Vi kaller disse to underenhetene Harv2_160 og Harv2_60. Det flytende gapet i prototypen HARV2_160 består av to tosidige bånd 0,25 mm tykk med en ledning 0,25 mm tykk mellom dem. For HARV2_60 -prototypen gjentok vi den samme prosedyren, men ved å bruke 0,38 mm tykk ledning. For symmetri har HARV2_160 og HARV2_60 sine egne væskekretser, pumper, ventiler og kald side (Supplerende note 8). To HARV2 -enheter deler et varmeservoar, en 3 -liters beholder (30 cm x 20 cm x 5 cm) på to varme plater 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 energihøst på 11.2 J.
Plasser 0,5 mm tykk PST MLC i polyolefinslange med tosidig tape og ledning på begge sider for å skape plass for væske til å strømme. På grunn av sin lille størrelse ble prototypen plassert ved siden av en varm eller kald reservoarventil, og minimerer syklustider.
I PST MLC påføres et konstant elektrisk felt ved å påføre en konstant spenning på oppvarmingsgrenen. 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 det returneres tilbake til kildetelleren, som tilsvarer ett bidrag til den innsamlede energien. Til slutt, med en spenning V = 0 påført, avkjøles MLC PST -er til den opprinnelige temperaturen slik at syklusen kan starte på nytt. På dette stadiet blir ikke energi samlet. Vi kjørte Olsen -syklusen ved hjelp av en Keithley 2410 sourcemeter, ladet PST MLC fra en spenningskilde og satte gjeldende kamp til riktig verdi slik at nok punkter ble samlet inn i ladefasen for pålitelige energiberegninger.
I Stirling -sykluser ble PST MLC -er ladet i spenningskildemodus med en innledende elektrisk feltverdi (initial spenning VI> 0), en ønsket samsvarsstrøm slik at ladetrinnet tar rundt 1 s (og nok punkter 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 (initial spenning VI> 0), en ønsket samsvarsstrøm slik at ladetrinnet tar rundt 1 s (og nok punkter samles for en pålitelig beregning av energien) og kald temperatur. В циках стирлинга pst mlc заряжалис в режиме источника напоояжения при налалалалесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесесене че че чr.r. ? количество точек дя надежного рачета энергия) и холодная темература. I Stirling PST MLC -syklusene ble de ladet i spenningskildemodus ved startverdien av det elektriske feltet (initial spenning VI> 0), ønsket avkastningsstrøm, slik at ladetrinnet tar omtrent 1 s (og et tilstrekkelig antall 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 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 hovedsyklusen lades PST MLC til den opprinnelige elektriske feltverdien (initial spenning VI> 0) i spenningskildemodus, slik at den nødvendige samsvarsstrømmen tar omtrent 1 sekund for ladetrinnet (og vi samlet nok punkter til å beregne pålitelig (energi) og lav temperatur. Вике стирлинга pst mlc заряжается в режиме источника напряжred min неое н н с с с н her н н ° напряжение VI> 0), требеый ток податливости тов, что этап заряди занимает ооло 1 с (ианимает ооло 1т изт нанимает ололт аз (тттALч а иззтYеpynn. количество точек, чтоы надежно раситать энергию) и низие темературы. I Stirling -syklusen lades PST MLC i spenningskildemodus med en startverdi av det elektriske feltet (initialspenning VI> 0), den nødvendige samsvarsstrømmen er slik at ladetrinnet tar omtrent 1 s (og et tilstrekkelig antall poeng blir samlet inn for å beregne energien pålitelig) og lave temperaturer.Før PST MLC varmer opp, åpner du kretsen ved å bruke en matchende strøm på i = 0 mA (minimum 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 ytterligere fig. 7.2), blir MLK FT utskrevet (V = 0), og elektrisk energi lagres i dem for det samme som de er den første ladningen. Den samme nåværende 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 konvertere varme til strøm.
Vi brukte en Keithley 2410 sourcemeter for å overvåke spenningen og strømmen som ble påført på 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))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), where τ er perioden for perioden. På vår energikurve betyr positive energiverdier energien vi må gi til MLC PST, og negative verdier betyr at energien vi trekker ut fra dem og derfor energien mottatt. Den relative kraften for en gitt innsamlingssyklus bestemmes ved å dele den innsamlede energien med perioden τ i hele syklusen.
Alle data presenteres i hovedteksten eller i ytterligere informasjon. Brev og forespørsler om materiale skal rettes mot kilden til AT- eller ED -dataene som følger med denne artikkelen.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC En gjennomgang av utviklingen og anvendelsene av termoelektriske mikrogeneratorer for energihøsting. Ando Junior, OH, Maran, Alo & 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, Ohio, Maran, Alo og Henao, NC vurderer utvikling og anvendelse av termoelektriske mikrogeneratorer for energihøsting.gjenoppta. støtte. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sineke, WC fotovoltaiske materialer: nåværende effektivitet og fremtidige utfordringer. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sineke, WC fotovoltaiske materialer: nåværende effektivitet og fremtidige utfordringer.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sineke, VK Photovoltaic Materials: Current Performance and Future Challenges. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sineke, WC ： ： 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sineke, WC Solar Materials: Current Efficiency and Future Challenges.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sineke, VK Photovoltaic Materials: Current Performance and Future Challenges.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Konjunkterte pyro-piezoelektrisk effekt for selvdrevet samtidig temperatur og trykkfølelse. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Konjunktpyro-piezoelektrisk effekt for selvdrevet samtidig temperatur og trykkfølelse.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 selvdrevet 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. Energyhøsting basert på Ericsson pyroelektriske sykluser i en relaxor ferroelektrisk keramikk. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energyhøsting basert på Ericsson 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 generasjon Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Neste generasjon Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эектрокоричесие и пироэектричесие маериаате ие ие пе перере пеakte пее пеakte пее пеakte пае пеakte пае пе пе пае пае пае пае пае мае пае пае пае пае пае мае пае поле иее поле иr.r. взаимного преобразования твердотелной эектротермичесой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric and Pyroelektriske materialer for faststoffs elektrotermisk energi interkonversjon. 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释电材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эектрокоричесие и пироэектричесие маериаате ие ие пе перере пеakte пее пеakte пее пеakte пае пеakte пае пе пе пае пае пае пае пае мае пае пае пае пае пае мае пае поле иее поле иr.r. взаимного преобразования твердотелной эектротермичесой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric and Pyroelektriske materialer for faststoffs elektrotermisk energi interkonversjon.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard og -figur for å kvantifisere ytelsen til pyroelektriske nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard og -figur for å kvantifisere ytelsen til pyroelektriske nanogeneratorer.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl og Yang, Yu. En standard og kvalitetspoeng 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 & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl og Yang, Yu. Kriterier og ytelsestiltak 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-scandium tantalat med ekte regenerering ved hjelp av feltmodifisering. 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的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantalum 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, og en elektrotermisk kjølesyklus av scandium-bly tantalat for ekte regenerering gjennom felt reversering.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND-kalori-materialer i nærheten av ferroiske faseoverganger. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND-kalori-materialer i nærheten av ferroiske faseoverganger.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND-kalori-materialer i nærheten av ferroidfaseoverganger. 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 -kalorimaterialer for kjøling og oppvarming. Moya, X. & Mathur, ND -kalorimaterialer 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 og termiske materialer for kjøling og oppvarming.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokaloriske kjølere: En gjennomgang. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokaloriske kjølere: En gjennomgang.Torello, A. og Defay, E. Electrocaloric Chillers: A Review. Torelló, A. & Defay, E. ： 评论。 Torelló, A. & Defay, E. ： 评论。Torello, A. og Defay, E. Elektrotermiske kjølere: En gjennomgang.Avansert. elektronisk. Alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorm energieffektivitet av elektrokalorisk materiale i høyt ordnet skandium-scandium-bly. Nasjonalt kommunikasjon. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Den elektrotermiske effekten av oksyd 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. Høy ytelse Solid State elektrotermalt kjølesystem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadeelektrotermisk kjøleanordning for stor temperaturøkning. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High Efficieincy Direkte konvertering av varme til elektrisk energirelaterte pyroelektriske målinger. Olsen, RB & Brown, DD Høy effektivitet Direkte konvertering av varme til elektriske energirelaterte pyroelektriske målinger.Olsen, RB og Brown, DD Svært effektiv direkte konvertering av varme til elektrisk energi assosiert med 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 assosiert med pyroelektriske målinger.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi og krafttetthet i tynne relaxor ferroelektriske filmer. Nasjonal alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM kaskaderte pyroelektrisk konvertering: Optimalisering av ferroelektrisk faseovergang og elektriske tap. Smith, An & Hanrahan, BM kaskaderte pyroelektrisk konvertering: Optimalisering av ferroelektrisk faseovergang og elektriske tap.Smith, An og Hanrahan, BM kaskaderte 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 kaskaderte pyroelektrisk konvertering: optimalisering av ferroelektriske faseoverganger og elektriske tap.J. Søknad. Fysikk. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Bruk av ferroelektriske materialer for å konvertere termisk energi til elektrisitet. behandle. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulla, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulla, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dulla, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulla, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulla, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dulla, J. Kaskaderte pyroelektriske kraftomformere.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-scandium tantalate faste oppløsninger med høy elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-scandium tantalate faste oppløsninger med høy elektrokalorisk effekt.Shebanov L. og Borman K. På faste løsninger av bly-scandium tantalat 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. På skandium-lead-scandium faste oppløsninger med høy elektrokalorisk effekt.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Vi takker N. Furusawa, Y. Inoue og K. Honda for deres hjelp til å opprette MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB og ED takket være Luxembourg National Research Foundation (FNR) for å ha støttet dette arbeidet gjennom Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay- Siebentritt, Thermodimat C20/Defay- Siebentritt, Thermodimat C20/Defay- Siebentritt, Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Department of Materials Research and Technology, Luxembourg Institute of Technology (List), Belvoir, Luxembourg