Jätkusuutlike elektrienergiaallikate pakkumine on selle sajandi üks olulisemaid väljakutseid. Sellest motivatsioonist tulenevad energia kogumise materjalide uurimisvaldkonnad, sealhulgas termoelektrilised1, fotogalvaanilised2 ja termofotovoltailised3. Kuigi meil puuduvad materjalid ja seadmed, mis suudaksid energiat koguda Joule'i vahemikus, peetakse püroelektrilisi materjale, mis suudavad elektrienergiat perioodilisteks temperatuurimuutusteks muuta, anduriteks4 ja energiakogujateks5,6,7. Oleme siin välja töötanud makroskoopilise soojusenergia koguja mitmekihilise kondensaatori kujul, mis on valmistatud 42 grammist pliiskandiumtantalaadist ja mis toodab termodünaamilise tsükli kohta 11,2 J elektrienergiat. Iga püroelektriline moodul suudab genereerida elektrienergia tihedust kuni 4,43 J cm-3 tsükli kohta. Samuti näitame, et kahest sellisest 0,3 g kaaluvast moodulist piisab autonoomsete energiakogujate pidevaks toitmiseks sisseehitatud mikrokontrollerite ja temperatuurianduritega. Lõpuks näitame, et temperatuurivahemikus 10 K võivad need mitmekihilised kondensaatorid saavutada 40% Carnot' kasuteguri. Need omadused tulenevad (1) ferroelektrilisest faasimuutusest kõrge kasuteguri tagamiseks, (2) madalast lekkevoolust kadude vältimiseks ja (3) kõrgest läbilöögipingest. Need makroskoopilised, skaleeritavad ja tõhusad püroelektrilised energiakombainid kujutavad termoelektrilise energia tootmist uuesti läbi.
Võrreldes termoelektriliste materjalide jaoks vajaliku ruumilise temperatuurigradiendiga nõuab termoelektriliste materjalide energia kogumine aja jooksul temperatuuri tsüklit. See tähendab termodünaamilist tsüklit, mida kirjeldab kõige paremini entroopia (S)-temperatuuri (T) diagramm. Joonis 1a näitab mittelineaarse püroelektrilise (NLP) materjali tüüpilist ST-graafikut, mis demonstreerib välja poolt juhitavat ferroelektrilist-paraelektrilist faasisiiret skandiumplii tantalaadis (PST). Tsükli sinine ja roheline osa ST-diagrammil vastavad Olsoni tsükli muundatud elektrienergiale (kaks isotermilist ja kaks isopoolosa). Siin vaatleme kahte tsüklit, millel on sama elektrivälja muutus (väli sees ja väljas) ja temperatuuri muutus ΔT, ehkki erinevate algtemperatuuridega. Roheline tsükkel ei asu faasisiirde piirkonnas ja seega on selle pindala palju väiksem kui sinisel tsüklil, mis asub faasisiirde piirkonnas. ST-diagrammil, mida suurem on pindala, seda suurem on kogutud energia. Seetõttu peab faasisiire koguma rohkem energiat. NLP-s on suure pindalaga tsüklilise jahutamise vajadus väga sarnane elektrotermiliste rakenduste vajadusega9, 10, 11, 12, kus PST mitmekihilised kondensaatorid (MLC-d) ja PVDF-põhised terpolümeerid on hiljuti näidanud suurepärast pöördjõudlust. Jahutusvõime staatus tsüklis13,14,15,16. Seetõttu oleme tuvastanud soojusenergia kogumiseks huvipakkuvad PST MLC-d. Neid proove on meetodites täielikult kirjeldatud ja iseloomustatud lisamärkustes 1 (skaneeriv elektronmikroskoopia), 2 (röntgendifraktsioon) ja 3 (kalorimeetria).
a, Entroopia (S)-temperatuuri (T) graafiku eskiis, kus elektriväli on sisse ja välja lülitatud NLP-materjalidele, mis näitavad faasisiireid. Näidatud on kaks energia kogumise tsüklit kahes erinevas temperatuurivööndis. Sinine ja roheline tsükkel toimuvad vastavalt faasisiirde sees ja väljaspool ning lõpevad pinna väga erinevates piirkondades. b, kaks DE PST MLC unipolaarset rõngast, paksusega 1 mm, mõõdetuna vahemikus 0 kuni 155 kV cm-1 vastavalt temperatuuridel 20 °C ja 90 °C ning vastavad Olseni tsüklid. Tähed ABCD tähistavad Olsoni tsükli erinevaid olekuid. AB: MLC-sid laeti temperatuuril 20 °C pingeni 155 kV cm-1. BC: MLC-d hoiti pingel 155 kV cm-1 ja temperatuur tõsteti 90 °C-ni. CD: MLC tühjeneb temperatuuril 90 °C. DA: MLC jahutati nullväljas temperatuurini 20 °C. Sinine ala vastab tsükli alustamiseks vajalikule sisendvõimsusele. Oranž ala on ühe tsükli jooksul kogutud energia. c, ülemine paneel, pinge (must) ja voolutugevus (punane) aja suhtes, jälgitud sama Olsoni tsükli jooksul kui b. Kaks sisestust esindavad pinge ja voolutugevuse võimendamist tsükli võtmepunktides. Alumisel paneelil esindavad kollased ja rohelised kõverad vastavalt temperatuuri- ja energiakõveraid 1 mm paksuse MLC jaoks. Energia arvutatakse ülemise paneeli voolu- ja pingekõverate põhjal. Negatiivne energia vastab kogutud energiale. Nelja numbri suurtähtedega tähistatud sammud on samad, mis Olsoni tsüklis. Tsükkel AB'CD vastab Stirlingi tsüklile (lisamärkus 7).
kus E ja D on vastavalt elektriväli ja elektriline nihkeväli. Nd saab saada kaudselt DE-ahelast (joonis 1b) või otse termodünaamilise tsükli käivitamise teel. Kõige kasulikumaid meetodeid kirjeldas Olsen oma teedrajavas töös püroelektrilise energia kogumise kohta 1980. aastatel17.
Joonisel fig 1b on kujutatud kahte 1 mm paksusest PST-MLC proovist koosnevat monopolaarset DE-ahelat, mis on kokku pandud vastavalt temperatuuril 20 °C ja 90 °C vahemikus 0 kuni 155 kV cm-1 (600 V). Neid kahte tsüklit saab kasutada joonisel fig 1a kujutatud Olsoni tsükli poolt kogutud energia kaudseks arvutamiseks. Tegelikult koosneb Olseni tsükkel kahest isovälja harust (siin nullväli DA harus ja 155 kV cm-1 BC harus) ja kahest isotermilisest harust (siin 20°С ja 20°С AB harus). C CD harus). Tsükli jooksul kogutud energia vastab oranžile ja sinisele piirkonnale (EdD integraal). Kogutud energia Nd on sisend- ja väljundenergia vahe, st ainult oranž ala joonisel fig 1b. See konkreetne Olsoni tsükkel annab Nd energiatiheduseks 1,78 J cm-3. Stirlingi tsükkel on Olsoni tsükli alternatiiv (lisamärkus 7). Kuna konstantse laengu etappi (avatud vooluring) on ​​lihtsam saavutada, ulatub jooniselt 1b (tsükkel AB'CD) eraldatud energiatihedus 1,25 J cm-3-ni. See on vaid 70% sellest, mida Olsoni tsükkel suudab koguda, kuid lihtsad kogumisseadmed teevad seda.
Lisaks mõõtsime otse Olsoni tsükli ajal kogutud energiat, pingestades PST MLC Linkami temperatuuri reguleerimisetapi ja lähtemõõturi abil (meetod). Joonis 1c üleval ja vastavatel sisestustel näitab sama 1 mm paksuse PST MLC peal kogutud voolu (punane) ja pinget (must) kui DE ahelal, mis läbib sama Olsoni tsüklit. Voolu ja pinge abil on võimalik arvutada kogutud energiat ning kõverad on näidatud joonisel 1c all (roheline) ja temperatuuril (kollane) kogu tsükli jooksul. Tähed ABCD tähistavad sama Olsoni tsüklit joonisel 1. MLC laadimine toimub AB etapi ajal ja seda teostatakse madala voolutugevusega (200 µA), seega saab SourceMeter laadimist õigesti juhtida. Selle konstantse algvoolu tagajärg on see, et pingekõver (must kõver) ei ole lineaarne mittelineaarse potentsiaali nihkevälja D PST tõttu (joonis 1c, ülemine sisestus). Laadimise lõpus salvestub MLC-sse 30 mJ elektrienergiat (punkt B). Seejärel MLC kuumeneb ja tekib negatiivne vool (ja seega ka negatiivne vool), samal ajal kui pinge püsib 600 V juures. 40 sekundi pärast, kui temperatuur saavutas platoo 90 °C, kompenseeriti see vool, kuigi astmeline näidis tekitas selle isovälja ajal vooluringis 35 mJ elektrienergiat (teine ​​sisselõige joonisel 1c, üleval). Seejärel vähendatakse MLC pinget (haru CD), mille tulemuseks on täiendavalt 60 mJ elektrilist tööd. Kogu väljundenergia on 95 mJ. Kogutud energia on sisend- ja väljundenergia vahe, mis annab 95 – 30 = 65 mJ. See vastab energiatihedusele 1,84 J cm-3, mis on väga lähedane DE-tsüklist eraldatud Nd-le. Selle Olsoni tsükli reprodutseeritavust on põhjalikult testitud (lisamärkus 4). Pinge ja temperatuuri edasise suurendamisega saavutasime Olseni tsüklite abil 0,5 mm paksuses PST MLC-s temperatuurivahemikus 750 V (195 kV cm-1) ja 175 °C (lisamärkus 5) 4,43 J cm-3. See on neli korda suurem kui kirjanduses otseste Olsoni tsüklite kohta teatatud parim tulemus ja see saadi Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) õhukeste kilede (1,06 J cm-3)18 (cm-1) puhul. Lisatabelis 1 on kirjandusest rohkem väärtusi. See jõudlus on saavutatud tänu nende MLC-de väga madalale lekkevoolule (<10−7 A pingel 750 V ja temperatuuril 180 °C, vt üksikasju lisamärkuses 6) – Smith jt19 mainitud oluline punkt –, erinevalt varasemates uuringutes17,20 kasutatud materjalidest. See jõudlus on saavutatud tänu nende MLC-de väga madalale lekkevoolule (<10−7 A pingel 750 V ja temperatuuril 180 °C, vt üksikasju lisamärkuses 6) – Smith jt19 mainitud oluline punkt –, erinevalt varasemates uuringutes17,20 kasutatud materjalidest. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 Вистносмор 750 Видсмопи в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Need omadused saavutati tänu nende MLC-de väga madalale lekkevoolule (<10–7 A pingel 750 V ja temperatuuril 180 °C, üksikasjad vt lisamärkuses 6) – kriitiline punkt, mida mainisid Smith jt. 19 – erinevalt varasemates uuringutes kasutatud materjalidest 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斀17,20斀由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 < 10-7 A ， 参见 补 䘅 说 渥 䘅 说 渥信息））)））） — 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 相比之下下下下下 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，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 и 180 °C, см. подробности в дополнительноча) —полнительном ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Kuna nende MLC-de lekkevool on väga madal (<10–7 A pingel 750 V ja temperatuuril 180 °C, vt üksikasju lisamärkuses 6) – mida Smith jt. 19 mainisid võrdluseks –, saavutati need tulemused.varasemates uuringutes kasutatud materjalidega 17,20.
Samad tingimused (600 V, 20–90 °C) kehtisid Stirlingi tsüklile (lisamärkus 7). Nagu DE-tsükli tulemustest oodatud, oli saagis 41,0 mJ. Stirlingi tsüklite üks silmatorkavamaid omadusi on nende võime võimendada algpinget termoelektrilise efekti abil. Täheldasime pinge võimendust kuni 39 (algpingest 15 V lõpppingeni kuni 590 V, vt lisajoonis 7.2).
Nende MLC-de teine ​​eristav omadus on see, et need on makroskoopilised objektid, mis on piisavalt suured, et koguda energiat džauli ulatuses. Seetõttu konstrueerisime prototüüpse harvesteri (HARV1), kasutades 28 1 mm paksust MLC PST-d, järgides sama paralleelplaatide konstruktsiooni, mida on kirjeldanud Torello jt.14, 7×4 maatriksis, nagu on näidatud joonisel. Soojuskandjat dielektrilist vedelikku kollektoris tõrjub peristaltiline pump kahe reservuaari vahel, kus vedeliku temperatuuri hoitakse konstantsena (meetod). Koguge kuni 3,1 J, kasutades joonisel 2a kirjeldatud Olsoni tsüklit, isotermilisi piirkondi temperatuuridel 10 °C ja 125 °C ning isovälja piirkondi pingetel 0 ja 750 V (195 kV cm-1). See vastab energiatihedusele 3,14 J cm-3. Selle kombaini abil tehti mõõtmised erinevates tingimustes (joonis 2b). Pange tähele, et 1,8 J saadi temperatuurivahemikus 80 °C ja pingel 600 V (155 kV cm-1). See on kooskõlas eelnevalt mainitud 65 mJ-ga 1 mm paksuse PST MLC puhul samades tingimustes (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Kokkupandud HARV1 prototüübi eksperimentaalne seadistus, mis põhineb 28-l 1 mm paksusel MLC PST-l (4 rida × 7 veergu), mis töötavad Olsoni tsüklitel. Iga nelja tsüklietapi jaoks on prototüübis ette nähtud temperatuur ja pinge. Arvuti käivitab peristaltilise pumba, mis tsirkuleerib dielektrilist vedelikku külma ja kuuma reservuaari, kahe klapi ja toiteallika vahel. Arvuti kasutab ka termopaare, et koguda andmeid prototüübile antava pinge ja voolu ning kombaini temperatuuri kohta toiteallikast. b, Meie 4×7 MLC prototüübi poolt kogutud energia (värvus) temperatuurivahemiku (X-telg) ja pinge (Y-telg) suhtes erinevates katsetes.
Suurem versioon kombainist (HARV2) 60 PST MLC 1 mm paksuse ja 160 PST MLC 0,5 mm paksuse kihiga (41,7 g aktiivset püroelektrilist materjali) andis 11,2 J (lisamärkus 8). 1984. aastal valmistas Olsen energiakombaini, mis põhines 317 g tinaga legeeritud Pb(Zr,Ti)O3 ühendil ja oli võimeline tootma 6,23 J elektrit temperatuuril umbes 150 °C (viide 21). Selle kombaini puhul on see ainus muu džauli vahemikus saadaolev väärtus. See saavutas veidi üle poole meie saavutatud väärtusest ja peaaegu seitse korda parema kvaliteedi. See tähendab, et HARV2 energiatihedus on 13 korda suurem.
HARV1 tsükliperiood on 57 sekundit. See tootis 54 mW võimsust 4 rea ja 7 kolonniga 1 mm paksuste MLC-komplektide abil. Veel ühe sammu võrra edasi ehitasime kolmanda kombaini (HARV3) 0,5 mm paksuse PST MLC-ga ja sarnase seadistusega nagu HARV1 ja HARV2 puhul (lisamärkus 9). Mõõtsime termiseerimisajaks 12,5 sekundit. See vastab 25 sekundilisele tsükliajale (lisajoonis 9). Kogutud energia (47 mJ) annab elektrilise võimsuse 1,95 mW MLC kohta, mis omakorda võimaldab meil ette kujutada, et HARV2 toodab 0,55 W (ligikaudu 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm paksune). Lisaks simuleerisime soojusülekannet lõplike elementide meetodi simulatsiooni abil (COMSOL, lisamärkus 10 ja lisatabelid 2–4), mis vastab HARV1 katsetele. Lõplike elementide modelleerimine võimaldas ennustada sama arvu PST-kolonnide korral peaaegu suurusjärgu võrra suuremaid võimsusväärtusi (430 mW), lahjendades MLC-d 0,2 mm-ni, kasutades jahutusvedelikuna vett ja taastades maatriksi 7 rea × 4 kolonnini (lisaks oli kombaini kõrval paagi võimsust 960 mW, lisajoonis 10b).
Selle kollektori kasulikkuse demonstreerimiseks rakendati Stirlingi tsüklit eraldiseisvale demonstratsiooniseadmele, mis koosnes ainult kahest 0,5 mm paksusest PST MLC-st soojuskollektoritena, kõrgepinge lülitist, madalpinge lülitist akumulaatorkondensaatoriga, alalisvoolu/alalisvoolu muundurist, väikese võimsusega mikrokontrollerist, kahest termopaarist ja võimendusmuundurist (lisamärkus 11). Ahel nõuab, et akumulaatorkondensaator laaditakse esialgu 9 V pingega ja seejärel töötab see autonoomselt, samal ajal kui kahe MLC temperatuur on vahemikus -5 °C kuni 85 °C, antud juhul 160 sekundiliste tsüklitena (mitu tsüklit on näidatud lisamärkuses 11). Tähelepanuväärne on see, et kaks MLC-d, mis kaaluvad vaid 0,3 g, suudavad seda suurt süsteemi autonoomselt juhtida. Teine huvitav omadus on see, et madalpinge muundur suudab teisendada 400 V pingeks 10–15 V 79% efektiivsusega (lisamärkus 11 ja lisajoonis 11.3).
Lõpuks hindasime nende MLC-moodulite efektiivsust soojusenergia elektrienergiaks muundamisel. Efektiivsuse kvaliteeditegur η on defineeritud kui kogutud elektrienergia tiheduse Nd ja tarnitud soojuse tiheduse Qin suhe (lisamärkus 12):
Joonistel 3a ja 3b on näidatud vastavalt Olseni tsükli efektiivsus η ja proportsionaalne efektiivsus ηr temperatuurivahemiku funktsioonina 0,5 mm paksuse PST MLC puhul. Mõlemad andmekogumid on antud elektrivälja 195 kV cm-1 jaoks. Efektiivsus ulatub 1,43%-ni, mis on võrdne 18%-ga ηr-ist. Temperatuurivahemikus 10 K, 25 °C kuni 35 °C, ulatub ηr aga kuni 40%-ni (sinine kõver joonisel 3b). See on kaks korda suurem kui teadaolev väärtus NLP-materjalide puhul, mis on mõõdetud PMN-PT-kiledes (ηr = 19%) temperatuurivahemikus 10 K kuni 300 kV cm-1 (viide 18). Temperatuurivahemikke alla 10 K ei arvestatud, kuna PST MLC termiline hüsterees on vahemikus 5 kuni 8 K. Faasiüleminekute positiivse mõju tunnustamine efektiivsusele on kriitilise tähtsusega. Tegelikult saadakse joonistel 3a ja b peaaegu kõik optimaalsed η ja ηr väärtused algtemperatuuril Ti = 25 °C. See on tingitud tihedast faasisiirdest, kui välja ei rakendata ja Curie temperatuur TC on nendes MLC-des umbes 20 °C (lisamärkus 13).
a,b, Olsoni tsükli efektiivsus η ja proportsionaalne efektiivsus (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} maksimaalse elektrilise pinge korral 195 kV cm-1 välja ja erinevate algtemperatuuride Ti, }}\,\)(b) 0,5 mm paksuse MPC PST jaoks, sõltuvalt temperatuurivahemikust ΔTspan.
Viimasel tähelepanekul on kaks olulist tagajärge: (1) igasugune efektiivne tsükkel peab algama temperatuuridel üle TC, et toimuks väljaindutseeritud faasisiire (paraelektrilisest ferroelektriliseks); (2) need materjalid on efektiivsemad TC-le lähedastel tööaegadel. Kuigi meie katsetes on näidatud laiaulatuslikke efektiivsusi, ei võimalda piiratud temperatuurivahemik meil saavutada Carnot' piiri (\(\Delta T/T\)) tõttu suurt absoluutset efektiivsust. Nende PST MLC-de suurepärane efektiivsus õigustab aga Olseni väiteid, kui ta mainib, et "ideaalne 20. klassi regeneratiivne termoelektriline mootor, mis töötab temperatuurivahemikus 50 °C kuni 250 °C, võib olla 30% efektiivsusega"17. Nende väärtuste saavutamiseks ja kontseptsiooni testimiseks oleks kasulik kasutada erinevate TC-dega legeeritud PST-sid, nagu on uurinud Shebanov ja Borman. Nad näitasid, et TC PST-s võib varieeruda vahemikus 3 °C (Sb legeerimine) kuni 33 °C (Ti legeerimine)22. Seetõttu püstitame hüpoteesi, et järgmise põlvkonna püroelektrilised regeneraatorid, mis põhinevad legeeritud PST MLC-del või muudel tugeva esimese järgu faasisiirdega materjalidel, suudavad konkureerida parimate energiakogujatega.
Selles uuringus uurisime PST-st valmistatud MLC-sid. Need seadmed koosnevad Pt- ja PST-elektroodide seeriast, kusjuures mitu kondensaatorit on ühendatud paralleelselt. PST valiti, kuna see on suurepärane EC-materjal ja seega potentsiaalselt suurepärane NLP-materjal. Sellel on järsk esimese astme ferroelektriline-paraelektriline faasisiire umbes 20 °C juures, mis näitab, et selle entroopia muutused on sarnased joonisel 1 näidatutega. Sarnaseid MLC-sid on täielikult kirjeldatud EC13,14 seadmete jaoks. Selles uuringus kasutasime 10,4 × 7,2 × 1 mm³ ja 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC-sid. 1 mm ja 0,5 mm paksused MLC-d valmistati vastavalt 19 ja 9 PST kihist paksusega 38,6 µm. Mõlemal juhul asetati sisemine PST kiht 2,05 µm paksuste plaatinaelektroodide vahele. Nende MLC-de disain eeldab, et 55% PST-dest on aktiivsed, mis vastab elektroodide vahelisele osale (lisamärkus 1). Aktiivse elektroodi pindala oli 48,7 mm2 (lisatabel 5). MLC PST valmistati tahkefaasilise reaktsiooni ja valamismeetodi abil. Valmistamisprotsessi üksikasju on kirjeldatud eelmises artiklis14. Üks erinevusi PST MLC ja eelmise artikli vahel on B-kohtade järjekord, mis mõjutab oluliselt EC toimivust PST-s. PST MLC B-kohtade järjekord on 0,75 (lisamärkus 2), mis saadakse paagutamisel temperatuuril 1400 °C, millele järgneb sadade tundide pikkune lõõmutamine temperatuuril 1000 °C. Lisateavet PST MLC kohta leiate lisamärkustest 1-3 ja lisatabelist 5.
Selle uuringu põhikontseptsioon põhineb Olsoni tsüklil (joonis 1). Sellise tsükli jaoks vajame kuuma ja külma reservuaari ning toiteallikat, mis on võimeline jälgima ja juhtima pinget ja voolu erinevates MLC-moodulites. Need otsesed tsüklid kasutasid kahte erinevat konfiguratsiooni, nimelt (1) Linkami moodulid, mis soojendasid ja jahutasid ühte MLC-d, mis oli ühendatud Keithley 2410 toiteallikaga, ja (2) kolm prototüüpi (HARV1, HARV2 ja HARV3) paralleelselt sama energiaallikaga. Viimasel juhul kasutati kahe reservuaari (kuuma ja külma) ja MLC vaheliseks soojusvahetuseks dielektrilist vedelikku (silikoonõli viskoossusega 5 cP temperatuuril 25 °C, ostetud Sigma Aldrichilt). Termoreservuaar koosneb dielektrilise vedelikuga täidetud klaasanumast, mis asetatakse termoplaadi peale. Külmhoidla koosneb veevannist, kus vedeltorud sisaldavad dielektrilist vedelikku suures plastanumas, mis on täidetud vee ja jääga. Vedeliku korrektseks ümberlülitamiseks ühest reservuaarist teise paigutati kombaini mõlemasse otsa kaks kolmekäigulist tangventiili (ostetud ettevõttest Bio-Chem Fluidics) (joonis 2a). PST-MLC paketi ja jahutusvedeliku vahelise termilise tasakaalu tagamiseks pikendati tsükliperioodi seni, kuni sisse- ja väljalasketermopaarid (võimalikult lähedal PST-MLC pakendile) näitasid sama temperatuuri. Pythoni skript haldab ja sünkroniseerib kõiki instrumente (lähtemõõturid, pumbad, ventiilid ja termopaarid), et käivitada õige Olsoni tsükkel, st jahutusvedeliku ringlus hakkab PST-virnas tsüklit tegema pärast lähtemõõturi laadimist, nii et need kuumenevad antud Olsoni tsükli jaoks soovitud rakendatud pingeni.
Teise võimalusena oleme neid kogutud energia otseseid mõõtmisi kinnitanud kaudsete meetoditega. Need kaudsed meetodid põhinevad erinevatel temperatuuridel kogutud elektrilise nihke (D) ja elektrivälja (E) väljakontuuridel ning kahe DE-kontuuri vahelise pindala arvutamise abil saab täpselt hinnata, kui palju energiat on võimalik koguda, nagu on näidatud joonisel 2.1b. Neid DE-kontuure kogutakse samuti Keithley allikamõõturite abil.
Kakskümmend kaheksa 1 mm paksust PST MLC-d monteeriti 4-realiseks, 7-kolonniseks paralleelplaatide struktuuriks vastavalt viites kirjeldatud konstruktsioonile. 14. PST-MLC ridade vaheline vedeliku vahe on 0,75 mm. See saavutatakse kahepoolse teibi ribade lisamisega vedeliku vahetükkideks PST MLC servade ümber. PST MLC on elektriliselt ühendatud paralleelselt hõbedase epoksüüdsillaga, mis puutub kokku elektroodijuhtmetega. Pärast seda liimiti elektroodiklemmide mõlemale küljele hõbedase epoksüüdvaiguga juhtmed toiteallikaga ühendamiseks. Lõpuks sisestati kogu konstruktsioon polüolefiinvoolikusse. Viimane liimiti vedelikutoru külge, et tagada korralik tihendus. Lõpuks ehitati PST-MLC struktuuri mõlemasse otsa 0,25 mm paksused K-tüüpi termopaarid sisse- ja väljalaskevedeliku temperatuuri jälgimiseks. Selleks tuleb voolik kõigepealt perforeerida. Pärast termopaari paigaldamist kandke termopaari vooliku ja juhtme vahele sama liim nagu varem, et taastada tihend.
Ehitati kaheksa eraldi prototüüpi, millest neljal oli 40 0,5 mm paksust MLC PST-d, mis olid jaotatud paralleelsete plaatidena 5 samba ja 8 reaga, ning ülejäänud neljal oli igaühel 15 1 mm paksust MLC PST-d 3-samba × 5 reaga paralleelsete plaatide struktuuris. Kasutatud PST MLC-de koguarv oli 220 (160 0,5 mm paksust ja 60 1 mm paksust PST MLC-d). Me nimetame neid kahte alaühikut HARV2_160 ja HARV2_60. Prototüübi HARV2_160 vedelikuvahe koosneb kahest kahepoolsest 0,25 mm paksusest teibist, mille vahel on 0,25 mm paksune traat. HARV2_60 prototüübi puhul kordasime sama protseduuri, kuid kasutades 0,38 mm paksust traati. Sümmeetria tagamiseks on HARV2_160-l ja HARV2_60-l oma vedelikuringlused, pumbad, ventiilid ja külm pool (lisamärkus 8). Kaks HARV2 seadet jagavad soojusreservuaari – 3-liitrist konteinerit (30 cm x 20 cm x 5 cm), mis on asetatud kahele pöörlevate magnetitega kuumplaadile. Kõik kaheksa individuaalset prototüüpi on elektriliselt paralleelselt ühendatud. HARV2_160 ja HARV2_60 allüksused töötavad samaaegselt Olsoni tsüklis, mille tulemuseks on 11,2 J energiatootmine.
Asetage 0,5 mm paksune PST MLC polüolefiinvoolikusse, kinnitades selle mõlemalt poolt kahepoolse teibi ja traadiga, et vedelikul oleks ruumi voolamiseks. Väikese suuruse tõttu paigutati prototüüp kuuma või külma reservuaari ventiili kõrvale, minimeerides tsükliaegu.
PST MLC-s rakendatakse kütteharule konstantset pinget, mis tekitab konstantse elektrivälja. Selle tulemusel tekib negatiivne termiline vool ja energia salvestub. Pärast PST MLC kuumutamist väli eemaldatakse (V = 0) ja selles salvestunud energia suunatakse tagasi allikaloendurisse, mis vastab kogutud energia ühele lisapanusele. Lõpuks, pinge V = 0 rakendamisel, jahutatakse MLC PST-d algtemperatuurini, et tsükkel saaks uuesti alata. Selles etapis energiat ei koguta. Käivitasime Olseni tsükli Keithley 2410 SourceMeteriga, laadides PST MLC-d pingeallikast ja seades voolutugevuse sobivale väärtusele, et laadimisfaasis kogutaks piisavalt punkte usaldusväärsete energiaarvutuste jaoks.
Stirlingi tsüklites laaditi PST MLC-sid pingeallika režiimis algse elektrivälja väärtuse (algpinge Vi > 0), soovitud vastavusvooluga, nii et laadimisetapp kestaks umbes 1 s (ja kogutaks piisavalt punkte energia usaldusväärseks arvutamiseks), ja külma temperatuuri juures. Stirlingi tsüklites laaditi PST MLC-sid pingeallika režiimis algse elektrivälja väärtuse (algpinge Vi > 0), soovitud vastavusvooluga, nii et laadimisetapp kestaks umbes 1 s (ja kogutaks piisavalt punkte energia usaldusväärseks arvutamiseks), ja külma temperatuuri juures. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электричелкоя ( напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достатоф количество точек для надежного расчета энергия) ja холодная температура. Stirlingi PST MLC tsüklites laaditi neid pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusel (algpinge Vi > 0), soovitud voolutugevusel, nii et laadimisetapp võtab aega umbes 1 s (ja usaldusväärse energiaarvutuse jaoks kogutakse piisav arv punkte) ja külmas temperatuuril.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. Põhitsüklis laetakse PST MLC pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusel (algpinge Vi > 0), nii et vajaliku vastavusvoolu saavutamine laadimisetapis võtab umbes 1 sekundi (ja me kogusime piisavalt punkte, et usaldusväärselt arvutada (energia) ja madalat temperatuuri. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электричельалгоеначелькоя напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достатоф количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) ja низкие температуры. Stirlingi tsüklis laetakse PST MLC pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusega (algpinge Vi > 0), vajaliku vastavusvooluga, mis on selline, et laadimisetapp võtab aega umbes 1 s (ja kogutakse piisav arv punkte energia usaldusväärseks arvutamiseks) ning madalatel temperatuuridel.Enne kui PST MLC kuumeneb, avage vooluring, rakendades sobitusvoolu I = 0 mA (minimaalne sobitusvool, mida meie mõõteallikas talub, on 10 nA). Selle tulemusena jääb MJK PST-sse laeng ja pinge suureneb proovi kuumenedes. Harus BC ei kogune energiat, kuna I = 0 mA. Pärast kõrge temperatuuri saavutamist suureneb MLT FT pinge (mõnel juhul rohkem kui 30 korda, vt lisajoonist 7.2), MLK FT tühjeneb (V = 0) ja neisse salvestub elektrienergiat sama palju kui esialgsel laengul. Sama voolutugevus tagastatakse mõõteallikale. Pinge võimenduse tõttu on kõrgel temperatuuril salvestatud energia suurem kui tsükli alguses. Järelikult saadakse energia soojuse muundamisel elektriks.
PST MLC-le rakendatava pinge ja voolu jälgimiseks kasutasime Keithley 2410 SourceMeterit. Vastav energia arvutatakse Keithley allikamõõturi loetud pinge ja voolu korrutise integreerimise teel, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), kus τ on perioodi periood. Meie energiakõveral tähistavad positiivsed energiaväärtused energiat, mida peame MLC PST-le andma, ja negatiivsed väärtused energiat, mida me neilt ammutame ja seega ka saadavat energiat. Antud kogumistsükli suhteline võimsus määratakse kogutud energia jagamisel kogu tsükli perioodiga τ.
Kõik andmed on esitatud põhitekstis või lisateabes. Kirjad ja materjalide taotlused tuleks suunata käesoleva artikliga kaasasolevate AT- või ED-andmete allikale.
Ando Junior, OH, Maran, ALO ja Henao, NC. Termoelektriliste mikrogeneraatorite arendamise ja rakenduste ülevaade energia kogumiseks. Ando Junior, OH, Maran, ALO ja Henao, NC. Termoelektriliste mikrogeneraatorite arendamise ja rakenduste ülevaade energia kogumiseks.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO ja Henao, Põhja-Carolina. Ülevaade termoelektriliste mikrogeneraatorite arendamisest ja rakendamisest energia kogumiseks. 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 ja Henao, NCAndo Junior Ohios, Maran ALO-s ja Henao Põhja-Carolinas kaaluvad termoelektriliste mikrogeneraatorite väljatöötamist ja rakendamist energia kogumiseks.CV. Tugi. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. ja Sinke, WC. Fotogalvaanilised materjalid: praegune efektiivsus ja tulevased väljakutsed. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. ja Sinke, WC. Fotogalvaanilised materjalid: praegune efektiivsus ja tulevased väljakutsed.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. ja Sinke, VK Fotogalvaanilised materjalid: praegune toimivus ja tulevased väljakutsed. 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. ja Sinke, WC. Päikeseenergiamaterjalid: praegune efektiivsus ja tulevased väljakutsed.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. ja Sinke, VK Fotogalvaanilised materjalid: praegune toimivus ja tulevased väljakutsed.Teadus 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL ja Yang, Y. Konjunktne püro-piesoelektriline efekt iseseisvalt töötava samaaegse temperatuuri ja rõhu mõõtmise jaoks. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL ja Yang, Y. Konjunktne püro-piesoelektriline efekt iseseisvalt töötava samaaegse temperatuuri ja rõhu mõõtmise jaoks.Song K., Zhao R., Wang ZL ja Yan Yu. Kombineeritud püropiesoelektriline efekt temperatuuri ja rõhu autonoomseks samaaegseks mõõtmiseks. 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 ja Yang, Y. Isetoite saamiseks samaaegselt temperatuuri ja rõhuga.Song K., Zhao R., Wang ZL ja Yan Yu. Kombineeritud termopiesoelektriline efekt temperatuuri ja rõhu autonoomseks samaaegseks mõõtmiseks.Edasi. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. ja Guyomar, D. Energia kogumine Ericssoni püroelektriliste tsüklite abil relaksor-ferroelektrilises keraamikas. Sebald, G., Pruvost, S. ja Guyomar, D. Energia kogumine Ericssoni püroelektriliste tsüklite abil relaksor-ferroelektrilises keraamikas.Sebald G., Prouvost S. ja Guyomar D. Energia kogumine püroelektrilistel Ericssoni tsüklitel relaksor-ferroelektrilises keraamikas.Sebald G., Prouvost S. ja Guyomar D. Energia kogumine relaksor-ferroelektrilises keraamikas Ericssoni püroelektrilise tsükkelduse põhjal. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Järgmise põlvkonna elektrokalorilised ja püroelektrilised materjalid tahkis-elektrotermilise energia vastastikmuundamiseks. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Järgmise põlvkonna elektrokalorilised ja püroelektrilised materjalid tahkis-elektrotermilise energia vastastikmuundamiseks. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следеникояпо взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. ja Whatmore, RW. Järgmise põlvkonna elektrokalorilised ja püroelektrilised materjalid tahkiselektrotermilise energia vastastikmuundamiseks. 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 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. ja Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следеникояпо взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. ja Whatmore, RW. Järgmise põlvkonna elektrokalorilised ja püroelektrilised materjalid tahkiselektrotermilise energia vastastikmuundamiseks.Leedi Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL ja Yang, Y. Püroelektriliste nanogeneraatorite jõudluse kvantifitseerimise standard ja väärtusnäitaja. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL ja Yang, Y. Püroelektriliste nanogeneraatorite jõudluse kvantifitseerimise standard ja väärtusnäitaja.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL ja Yang, Yu. Püroelektriliste nanogeneraatorite jõudluse kvantifitseerimise standard ja kvaliteediskoor. 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 ja Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL ja Yang, Yu. Püroelektrilise nanogeneraatori jõudluse kvantifitseerimise kriteeriumid ja tulemuslikkuse näitajad.Nanoenergia 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. ja Mathur, ND. Elektrokalorilised jahutustsüklid pliiskandiumtantalaadis koos tõelise regenereerimisega välja varieerimise teel. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. ja Mathur, ND. Elektrokalorilised jahutustsüklid pliiskandiumtantalaadis koos tõelise regenereerimisega välja varieerimise teel.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. ja Mathur, ND Elektrokalorilised jahutustsüklid plii-skandiumtantalaadis tõelise regenereerimisega väljamodifikatsiooni abil. 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 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantaal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. ja Mathur, ND. Skandium-plii tantalaadi elektrotermiline jahutustsükkel tõeliseks regenereerimiseks välja ümberpööramise teel.füüsika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND. Kalorilised materjalid ferroilisest faasisiiretest lähedal. Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND. Kalorilised materjalid ferroilisest faasisiiretest lähedal.Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND. Kalorilised materjalid ferroidfaasisiirete lähedal. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料. Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND. Termilised materjalid raudmetallurgia lähedal.Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND. Raua faasisiirete lähedal asuvad termilised materjalid.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. ja Mathur, ND. Kalorilised materjalid jahutamiseks ja kütmiseks. Moya, X. ja Mathur, ND. Kalorilised materjalid jahutamiseks ja kütmiseks.Moya, X. ja Mathur, ND. Termomaterjalid jahutamiseks ja kütmiseks. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料. Moya, X. ja Mathur, ND. Termomaterjalid jahutamiseks ja kütmiseks.Moya X. ja Mathur ND Termomaterjalid jahutamiseks ja kütmiseks.Teadus 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorilised jahutid: ülevaade. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorilised jahutid: ülevaade.Torello, A. ja Defay, E. Elektrokalorilised jahutid: ülevaade. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论.Torello, A. ja Defay, E. Elektrotermilised jahutid: ülevaade.Täiustatud. elektroonika. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. jt. Elektrokalorilise materjali tohutu energiatõhusus kõrgelt korrastatud skandium-skandium-plii ühendites. National Communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. jt. Oksiidmitmekihiliste kondensaatorite elektrotermiline efekt on laias temperatuurivahemikus suur. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. jt. Elektrotermiliste regeneraatorite tohutu temperatuurivahemik. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. jt. Suure jõudlusega tahkis-elektrotermiline jahutussüsteem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. jt. Kaskaadne elektrotermiline jahutusseade suure temperatuuritõusu jaoks. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB ja Brown, DD. Soojuse kõrge efektiivsusega otsene elektrienergiaks muundamine püroelektriliste mõõtmistega. Olsen, RB ja Brown, DD. Soojuse kõrge efektiivsusega otsene muundamine elektrienergiaks, mis on seotud püroelektriliste mõõtmistega.Olsen, RB ja Brown, DD. Püroelektriliste mõõtmistega seotud väga efektiivne soojuse otsene muundamine elektrienergiaks. 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 ja Brown, DDOlsen, RB ja Brown, DD. Püroelektriliste mõõtmistega seotud efektiivne soojuse otsene muundamine elektriks.Ferroelektrikud 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. jt. Energia ja võimsustihedus õhukeste relaksor-ferroelektriliste kilede puhul. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN ja Hanrahan, BM. Kaskaadne püroelektriline muundamine: ferroelektrilise faasisiirde ja elektrikadude optimeerimine. Smith, AN ja Hanrahan, BM. Kaskaadne püroelektriline muundamine: ferroelektrilise faasisiirde ja elektrikadude optimeerimine.Smith, AN ja Hanrahan, BM. Kaskaadne püroelektriline muundamine: ferroelektriline faasisiire ja elektrikadude optimeerimine. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗. Smith, AN ja Hanrahan, BMSmith, AN ja Hanrahan, BM Kaskaadne püroelektriline muundamine: ferroelektriliste faasisiirete ja elektrikadude optimeerimine.J. Application. Physics. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Ferroelektriliste materjalide kasutamine soojusenergia muundamiseks elektriks. protsess. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM ja Dullea, J. Kaskaadühendusega püroelektriline energiamuundur. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM ja Dullea, J. Kaskaadühendusega püroelektriline energiamuundur.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM ja Dullea, J. Cascade'i püroelektriline muundur. 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 ja Dullea, J. Kaskaadühendusega püroelektrilised muundurid.Ferroelektrikud 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. ja Borman, K. Kõrge elektrokalorilise efektiga plii-skandiumi tantalaadi tahkete lahuste kohta. Shebanov, L. ja Borman, K. Kõrge elektrokalorilise efektiga plii-skandiumi tantalaadi tahkete lahuste kohta.Shebanov L. ja Borman K. Pliiskandiumi tantalaadi tahkete lahuste kohta, millel on kõrge elektrokaloriline efekt. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体. Šebanov, L. ja Borman, K.Shebanov L. ja Borman K. Skandium-plii-skandiumi tahkete lahuste kohta, millel on kõrge elektrokaloriline efekt.Ferroelektrikud 127, 143–148 (1992).
Täname N. Furusawat, Y. Inouet ja K. Hondat abi eest MLC loomisel. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB ja ED. Täname Luksemburgi Riiklikku Teadusfondi (FNR) selle töö toetamise eest CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay ja BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay kaudu.
Materjaliuuringute ja -tehnoloogia osakond, Luksemburgi Tehnoloogiainstituut (LIST), Belvoir, Luksemburg