Säästlike elektriallikate pakkumine on selle sajandi üks olulisemaid väljakutseid. Sellest motivatsioonist tulenevad energia kogumise materjalide uurimisvaldkonnad, sealhulgas termoelektrilised1, fotogalvaanilised2 ja termofotogalvaanilised3. Kuigi meil puuduvad materjalid ja seadmed, mis suudaksid koguda Joule'i vahemikus energiat, peetakse püroelektrilisi materjale, mis suudavad elektrienergiat perioodilisteks temperatuurimuutusteks muuta, anduriteks4 ja energiakogujateks5,6,7. Siin oleme välja töötanud makroskoopilise soojusenergia harvesteri mitmekihilise kondensaatori kujul, mis on valmistatud 42 grammist pliiskandiumtantalaadist, mis toodab 11,2 J elektrienergiat termodünaamilise tsükli kohta. Iga püroelektriline moodul suudab toota elektrienergia tihedust kuni 4,43 J cm-3 tsükli kohta. Samuti näitame, et kahest sellisest 0,3 g kaaluvast moodulist piisab manustatud mikrokontrollerite ja temperatuurianduritega autonoomsete energiakombainide pidevaks toiteks. Lõpuks näitame, et temperatuurivahemikus 10 K võivad need mitmekihilised kondensaatorid jõuda 40% Carnot' efektiivsuseni. Need omadused on tingitud (1) ferroelektrilisest faasimuutusest kõrge efektiivsuse saavutamiseks, (2) madalast lekkevoolust kadude vältimiseks ja (3) kõrgest läbilöögipingest. Need makroskoopilised, skaleeritavad ja tõhusad püroelektrilised võimsuskombainid kujundavad ümber termoelektrilise elektritootmise.
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. Joonisel fig 1a on kujutatud mittelineaarse püroelektrilise (NLP) materjali tüüpiline ST-diagramm, mis näitab välja juhitavat ferroelektri-paraelektrilist faasisiiret skandium pliitantaadis (PST). Tsükli sinine ja roheline osa ST diagrammil vastavad Olsoni tsüklis muundatud elektrienergiale (kaks isotermilist ja kaks isopoolsektsiooni). Siin vaatleme kahte tsüklit, millel on sama elektrivälja muutus (väli sisse ja välja) ja temperatuurimuutus ΔT, ehkki erinevate algtemperatuuridega. Roheline tsükkel ei asu faasisiirdepiirkonnas ja seega on selle pindala palju väiksem kui faasisiirdepiirkonnas paikneval sinisel tsüklil. ST diagrammil on nii, et mida suurem on pindala, seda suurem on kogutud energia. Seetõttu peab faasisiire koguma rohkem energiat. Vajadus suure ala tsüklite järele NLP-s on väga sarnane vajadusele elektrotermiliste rakenduste järele9, 10, 11, 12, kus PST mitmekihilised kondensaatorid (MLC) ja PVDF-põhised terpolümeerid on hiljuti näidanud suurepärast vastupidist jõudlust. jahutuse jõudluse olek tsüklis 13,14,15,16. 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) diagrammi visand koos elektrivälja sisse- ja väljalülitamisega, mis on rakendatud NLP materjalidele, mis näitavad faasisiirdeid. Kaks energia kogumise tsüklit on näidatud kahes erinevas temperatuuritsoonis. 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 temperatuuril 20 °C ja 90 °C, ja vastavad Olseni tsüklid. Tähed ABCD viitavad erinevatele olekutele Olsoni tsüklis. AB: MLC-d laeti 155 kV cm-1 temperatuuril 20 °C. BC: MLC hoiti 155 kV cm-1 juures ja temperatuur tõsteti 90 °C-ni. CD: MLC tühjeneb temperatuuril 90 °C. DA: MLC jahutatud 20 °C-ni nullväljas. Sinine ala vastab tsükli käivitamiseks vajalikule sisendvõimsusele. Oranž ala on ühe tsükli jooksul kogutud energia. c, ülemine paneel, pinge (must) ja vool (punane) versus aeg, jälgitakse sama Olsoni tsükli ajal kui b. Need kaks sisestust tähistavad pinge ja voolu võimendamist tsükli võtmepunktides. Alumisel paneelil tähistavad kollased ja rohelised kõverad vastavalt 1 mm paksuse MLC vastavaid temperatuuri- ja energiakõveraid. Energia arvutatakse ülemise paneeli voolu- ja pingekõverate järgi. Negatiivne energia vastab kogutud energiale. Neljal joonisel olevatele suurtähtedele vastavad sammud on samad, mis Olsoni tsüklis. Tsükkel AB'CD vastab Stirlingi tsüklile (lisamärkus 7).
kus E ja D on vastavalt elektriväli ja elektrinihkeväli. Nd võib saada kaudselt DE ahelast (joonis 1b) või otse termodünaamilise tsükli käivitamisega. Kõige kasulikumaid meetodeid kirjeldas Olsen oma teedrajavas töös püroelektrienergia kogumisel 1980. aastatel17.
Joonisel fig. Joonisel 1b on näidatud kaks monopolaarset DE-silmust 1 mm paksustest PST-MLC proovidest, 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 1a näidatud Olsoni tsükliga kogutud energia kaudseks arvutamiseks. Tegelikult koosneb Olseni tsükkel kahest isovälja harust (siin on 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 alternatiiv Olsoni tsüklile (lisamärkus 7). Kuna konstantse laengu staadium (avatud vooluring) on ​​kergemini saavutatav, ulatub jooniselt 1b (tsükkel AB'CD) eraldatud energiatihedus 1,25 J cm-3. See on vaid 70% sellest, mida Olsoni tsükkel suudab koguda, kuid lihtsad koristusseadmed teevad seda.
Lisaks mõõtsime otse Olsoni tsükli ajal kogutud energiat, lülitades sisse PST MLC, kasutades Linkami temperatuuri reguleerimisetappi ja allikamõõturit (meetod). Joonisel 1c on ülaosas ja vastavates sisendites näidatud vool (punane) ja pinge (must), mis on kogutud samale 1 mm paksusele PST MLC-le nagu sama Olsoni tsüklit läbiva DE-ahela jaoks. Vool ja pinge võimaldavad arvutada kogutud energiat ning kõverad on näidatud joonisel fig. 1c, alumine (roheline) ja temperatuur (kollane) kogu tsükli jooksul. Tähed ABCD tähistavad sama Olsoni tsüklit joonisel 1. MLC laadimine toimub AB-etapi ajal ja see toimub madala vooluga (200 µA), nii et SourceMeter saab laadimist korralikult juhtida. Selle konstantse algvoolu tagajärjeks on see, et pingekõver (must kõver) ei ole lineaarne mittelineaarse potentsiaalse nihkevälja D PST tõttu (joonis 1c, ülemine sisestus). Laadimise lõppedes salvestatakse MLC-sse 30 mJ elektrienergiat (punkt B). Seejärel MLC kuumeneb ja tekib negatiivne vool (ja seega negatiivne vool), samal ajal kui pinge jääb 600 V juurde. 40 sekundi pärast, kui temperatuur saavutas 90 °C platoo, see vool kompenseeriti, kuigi astmeline näidis tekitas selle isovälja ajal ahelas 35 mJ elektrivõimsust (teine ​​sisestus joonisel 1c, ülemine). Seejärel vähendatakse MLC (haru CD) pinget, mille tulemuseks on täiendavalt 60 mJ elektritööd. 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 tõstmisega saavutasime Olseni tsüklite abil 0,5 mm paksuses PST MLC-s 4, 43 J cm-3 temperatuurivahemikus 750 V (195 kV cm-1) ja 175 ° C (lisamärkus 5). See on neli korda suurem kui kirjanduses kirjeldatud parim jõudlus otse Olsoni tsüklite kohta ja see saadi õhukeste Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) kiledega (1,06 J cm-3)18 (cm . Täiendav teave Tabelis 1 on rohkem kirjanduses olevaid väärtusi). See jõudlus on saavutatud tänu nende MLC-de väga madalale lekkevoolule (<10–7 A 750 V ja 180 °C juures, vt üksikasju lisamärkuses 6) – Smithi jt.19 mainitud ülioluline punkt. varasemates uuringutes kasutatud materjalidele17,20. See jõudlus on saavutatud tänu nende MLC-de väga madalale lekkevoolule (<10–7 A 750 V ja 180 °C juures, vt üksikasju lisamärkuses 6) – Smithi jt.19 mainitud ülioluline punkt. varasemates uuringutes kasutatud materjalidele17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 Видсмо пи 180 В олнительном 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 750 V ja 180 ° C juures, vt üksikasju lisamärkusest 6) – Smithi jt maininud kriitilist punkti. 19 – erinevalt varasemates uuringutes kasutatud materjalidest17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参续th缁补充说明 䡥充说明6（等人19 提到的关键点—相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20.由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补兎 说渁）））) — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 之比之下 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，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 дополнительюча) — омент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Kuna nende MLC-de lekkevool on väga madal (<10–7 A 750 V ja 180 °C juures, vt üksikasju lisamärkusest 6), mis on Smithi jt poolt mainitud põhipunkt. 19 – võrdluseks need esitused saavutati.varasemates uuringutes kasutatud materjalidele 17,20.
Stirlingi tsükli puhul kehtisid samad tingimused (600 V, 20–90 °C) (lisamärkus 7). Nagu DE tsükli tulemuste põhjal eeldati, oli saagis 41,0 mJ. Stirlingi tsüklite üks silmatorkavamaid omadusi on nende võime võimendada algpinget termoelektrilise efekti kaudu. Täheldasime pingevõimendust kuni 39 (algpingest 15 V kuni lõpppingeni kuni 590 V, vt lisajoonis 7.2).
Veel üks nende MLC-de eristav omadus on see, et need on piisavalt suured makroskoopilised objektid, et koguda energiat džauli vahemikus. Seetõttu konstrueerisime prototüübi harvesteri (HARV1), kasutades 1 mm paksust 28 MLC PST-d, järgides sama paralleelse plaadi konstruktsiooni, mida on kirjeldanud Torello et al.14, 7 × 4 maatriksis, nagu on näidatud joonisel. Soojust kandev dielektriline vedelik kollektorit nihutatakse peristaltilise pumba abil kahe reservuaari vahel, kus vedeliku temperatuur hoitakse konstantsena (meetod). Koguge kuni 3,1 J, kasutades joonisel fig 1 kirjeldatud Olsoni tsüklit. 2a, isotermilised piirkonnad 10 °C ja 125 °C juures ning isovälja piirkonnad 0 ja 750 V (195 kV cm-1) juures. See vastab energiatihedusele 3,14 J cm-3. Seda kombaini kasutades 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 hästi kooskõlas eelnevalt mainitud 65 mJ-ga 1 mm paksuse PST MLC jaoks samadel tingimustel (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Kokkupandud HARV1 prototüübi eksperimentaalne seadistamine, mis põhineb 28 MLC PST-l, mille paksus on 1 mm (4 rida × 7 veergu), mis töötavad Olsoni tsüklitel. Iga nelja tsükli etapi jaoks on prototüübis ette nähtud temperatuur ja pinge. Arvuti käitab peristaltilist pumpa, mis tsirkuleerib dielektrilist vedelikku külma ja kuuma reservuaari, kahe klapi ja toiteallika vahel. Arvuti kasutab termopaare ka andmete kogumiseks prototüübile antud pinge ja voolu ning toiteallikast kombaini temperatuuri kohta. b, Meie 4 × 7 MLC prototüübi kogutud energia (värv) võrreldes temperatuurivahemikuga (X-telg) ja pingega (Y-telg) erinevates katsetes.
Harvesteri suurem versioon (HARV2), mille 60 PST MLC paksus oli 1 mm ja 160 PST MLC paksusega 0,5 mm (41,7 g aktiivne püroelektriline materjal), andis 11,2 J (lisamärkus 8). 1984. aastal valmistas Olsen energiakombaini, mis põhines 317 g tinaga legeeritud Pb(Zr,Ti)O3 ühendil, mis on võimeline tootma 6,23 J elektrit umbes 150 °C temperatuuril (viide 21). Selle kombaini puhul on see ainus džauli vahemikus saadaval olev väärtus. See sai veidi üle poole väiksema väärtuse, mille saavutasime, ja peaaegu seitse korda parema kvaliteediga. See tähendab, et HARV2 energiatihedus on 13 korda suurem.
HARV1 tsükli periood on 57 sekundit. See andis 54 mW võimsust 4 rea 7 kolonniga 1 mm paksuste MLC komplektidega. Et astuda sammu edasi, ehitasime kolmanda kombaini (HARV3), millel on 0,5 mm paksune PST MLC ja sarnane seadistus HARV1 ja HARV2 jaoks (lisamärkus 9). Mõõtsime termiliseerimisajaks 12,5 sekundit. See vastab tsükliajale 25 s (täiendav joonis 9). Kogutud energia (47 mJ) annab elektrivõimsuseks 1,95 mW MLC kohta, mis omakorda võimaldab meil ette kujutada, et HARV2 toodab 0,55 W (ligikaudu 1,95 mW × 280 PST MLC paksusega 0,5 mm). Lisaks simuleerisime soojusülekannet lõplike elementide simulatsiooni (COMSOL, lisamärkus 10 ja täiendavad tabelid 2–4) abil, mis vastab HARV1 katsetele. Lõplike elementide modelleerimine võimaldas ennustada peaaegu suurusjärgu võrra suuremaid võimsusväärtusi (430 mW) sama arvu PST-kolonnide jaoks, lahjendades MLC-d 0,2 mm-ni, kasutades jahutusvedelikuna vett ja taastades maatriksi 7-realiseks. . × 4 kolonni (lisaks 960 mW, kui paak oli kombaini kõrval, täiendav joonis 10b).
Selle kollektori kasulikkuse demonstreerimiseks rakendati Stirlingi tsüklit eraldiseisvale demonstraatorile, mis koosnes ainult kahest 0,5 mm paksusest PST MLC-st soojuskollektorina, kõrgepinge lülitist, madalpinge lülitist koos salvestuskondensaatoriga ja alalis-alalisvoolu muundurist. , väikese võimsusega mikrokontroller, kaks termopaari ja võimendusmuundur (lisamärkus 11). Ahel eeldab, et salvestuskondensaatorit tuleb algselt laadida 9 V ja seejärel töötada iseseisvalt, samal ajal kui kahe MLC temperatuur on vahemikus -5 °C kuni 85 °C, siin 160-sekundiliste tsüklitena (mitu tsüklit on näidatud lisamärkuses 11). . Märkimisväärne on see, et kaks MLC-d, mis kaaluvad vaid 0,3 g, suudavad seda suurt süsteemi iseseisvalt juhtida. Veel üks huvitav omadus on see, et madalpingemuundur on võimeline teisendama 400 V pingeks 10–15 V 79% efektiivsusega (lisamärkus 11 ja lisajoonis 11.3).
Lõpuks hindasime nende MLC moodulite tõhusust soojusenergia muundamisel elektrienergiaks. Tõhususe kvaliteeditegur η on määratletud kui kogutud elektrienergia tiheduse Nd ja tarnitud soojuse tiheduse Qin suhe (lisamärkus 12):
Joonistel 3a, b on näidatud vastavalt Olseni tsükli efektiivsus η ja proportsionaalne efektiivsus ηr 0, 5 mm paksuse PST MLC temperatuurivahemiku funktsioonina. Mõlemad andmekogumid on antud 195 kV cm-1 elektrivälja kohta. Kasutegur \(\this\) jõuab 1,43% -ni, mis võrdub 18% ηr-st. Kuid temperatuurivahemikus 10 K vahemikus 25 °C kuni 35 °C saavutab ηr väärtused kuni 40% (sinine kõver joonisel 3b). See on kaks korda suurem teadaolev väärtus PMN-PT kiledes (ηr = 19%) salvestatud NLP materjalide puhul temperatuurivahemikus 10 K ja 300 kV cm-1 (viide 18). Temperatuurivahemikke alla 10 K ei võetud arvesse, kuna PST MLC termiline hüsterees on vahemikus 5–8 K. Faasiüleminekute positiivse mõju äratundmine efektiivsusele on kriitilise tähtsusega. Tegelikult on η ja ηr optimaalsed väärtused peaaegu kõik saadud algtemperatuuril Ti = 25 °C joonistel fig. 3a,b. See on tingitud tihedast faasiüleminekust, kui välja ei rakendata ja Curie temperatuur TC on nendes MLC-des umbes 20 °C (lisamärkus 13).
a,b, kasutegur η ja Olsoni tsükli proportsionaalne kasutegur (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } maksimaalsele elektrilisele väljaga 195 kV cm-1 ja erinevate algtemperatuuridega Ti, }}\,\)(b) MPC PST puhul 0,5 mm paksune, sõltuvalt temperatuurivahemikust ΔTspan.
Viimasel vaatlusel on kaks olulist tähendust: (1) mis tahes tõhus tsükkel peab algama temperatuuridel üle TC, et toimuks välja poolt indutseeritud faasiüleminek (paraelektriliselt ferroelektriliseks); (2) need materjalid on tõhusamad TC-le lähedasel tööajal. Kuigi meie katsetes on näidatud suuremahulisi efektiivsusi, ei võimalda piiratud temperatuurivahemik meil Carnot' piiri (\(\Delta T/T\)) tõttu saavutada suurt absoluutset efektiivsust. Kuid nende PST MLC-de suurepärane efektiivsus õigustab Olseni, kui ta mainib, et "ideaalse klassi 20 regeneratiivse termoelektrilise mootori kasutegur, mis töötab temperatuuril 50 °C kuni 250 °C, võib olla 30% kasutegur"17. Nende väärtuste saavutamiseks ja kontseptsiooni testimiseks oleks kasulik kasutada erinevate TC-dega legeeritud PST-sid, nagu uurisid Shebanov ja Borman. Nad näitasid, et PST TC võib varieeruda vahemikus 3 °C (Sb doping) kuni 33 °C (Ti doping) 22 . Seetõttu oletame, et järgmise põlvkonna püroelektrilised regeneraatorid, mis põhinevad legeeritud PST MLC-del või muudel tugeva esimese järgu faasiüleminekuga materjalidel, võivad konkureerida parimate jõukombainidega.
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 terav esimest järku ferroelektriline-paraelektriline faasiüleminek umbes 20 °C juures, mis näitab, et selle entroopia muutused on sarnased joonisel 1 näidatud muutustega. Sarnaseid MLC-sid on täielikult kirjeldatud EC13,14 seadmete jaoks. Selles uuringus kasutasime MLC-sid mõõtmetega 10,4 × 7,2 × 1 mm³ ja 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC-d paksusega 1 mm ja 0, 5 mm valmistati vastavalt 19 ja 9 PST kihist paksusega 38, 6 µm. Mõlemal juhul asetati sisemine PST kiht 2, 05 µm paksuste plaatina elektroodide 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 (täiendav tabel 5). MLC PST valmistati tahkefaasilise reaktsiooni ja valamise meetodil. Ettevalmistusprotsessi üksikasju on kirjeldatud eelmises artiklis14. Üks erinevusi PST MLC ja eelmise artikli vahel on B-saitide järjekord, mis mõjutab oluliselt EC jõudlust PST-s. PST MLC B-saitide järjekord on 0, 75 (lisamärkus 2), mis saadakse paagutamisel 1400 ° C juures, millele järgneb sadade tundide pikkune lõõmutamine 1000 ° C juures. PST MLC kohta lisateabe saamiseks vaadake lisamärkusi 1–3 ja täiendavat tabelit 5.
Selle uurimuse põhikontseptsioon põhineb Olsoni tsüklil (joonis 1). Sellise tsükli jaoks vajame kuuma ja külma reservuaari ning toiteallikat, mis on võimeline jälgima ja juhtima erinevate MLC moodulite pinget ja voolu. Nendes otsetsüklites kasutati kahte erinevat konfiguratsiooni, nimelt (1) Linkami moodulid soojendavad ja jahutasid ühte Keithley 2410 toiteallikaga ühendatud MLC-d ja (2) kolme prototüüpi (HARV1, HARV2 ja HARV3) paralleelselt sama energiaallikaga. Viimasel juhul kasutati kahe reservuaari (kuum ja külm) ja MLC vaheliseks soojusvahetuseks dielektrilist vedelikku (silikoonõli viskoossusega 5 cP 25 °C juures, ostetud firmalt Sigma Aldrich). Termoreservuaar koosneb klaasanumast, mis on täidetud dielektrilise vedelikuga ja asetatakse termoplaadi peale. Külmhoone koosneb veevannist, mille vedelikutorud sisaldavad dielektrilist vedelikku suures vee ja jääga täidetud plastmahutis. Vedeliku ühest reservuaarist teise ümberlülitamiseks asetati kombaini mõlemasse otsa kaks kolmekäigulist pigistusklappi (ostetud ettevõttest Bio-Chem Fluidics) (joonis 2a). PST-MLC paketi ja jahutusvedeliku vahelise termilise tasakaalu tagamiseks pikendati tsükli perioodi, kuni sisse- ja väljalaske termopaarid (võimalikult lähedal PST-MLC pakendile) näitasid sama temperatuuri. Pythoni skript haldab ja sünkroniseerib kõiki instrumente (allikaarvestid, pumbad, ventiilid ja termopaarid), et käitada õiget Olsoni tsüklit, st jahutusvedeliku ahel hakkab tsükliliselt läbi PST korstna pärast lähtearvesti laadimist nii, et need soojenevad soovitud tasemel. antud Olsoni tsükli jaoks rakendatud pinge.
Teise võimalusena oleme need kogutud energia otsesed mõõtmised kinnitanud kaudsete meetoditega. Need kaudsed meetodid põhinevad elektrilise nihke (D) – elektrivälja (E) väljasilmustel, mis kogutakse erinevatel temperatuuridel ning kahe DE-ahela vahelise pindala arvutamisel saab täpselt hinnata, kui palju energiat on võimalik koguda, nagu on näidatud joonisel. . joonisel 2. .1b. Neid DE silmuseid kogutakse ka Keithley lähtemõõturite abil.
Kakskümmend kaheksa 1 mm paksust PST MLC-d pandi kokku 4-realiseks 7-sambaliseks paralleelplaadiks vastavalt viites kirjeldatud konstruktsioonile. 14. PST-MLC ridade vaheline vedelikuvahe on 0,75 mm. See saavutatakse kahepoolse teibi ribade lisamisega vedelate vahetükkidena ümber PST MLC servade. PST MLC on elektriliselt ühendatud paralleelselt hõbedase epoksiidsillaga, mis puutub kokku elektroodide juhtmetega. Pärast seda liimiti elektroodide klemmide mõlemale küljele hõbeepoksüvaiguga juhtmed toiteallikaga ühendamiseks. Lõpuks sisestage kogu konstruktsioon polüolefiinvoolikusse. Viimane on nõuetekohase tihenduse tagamiseks liimitud vedelikutoru külge. Lõpuks ehitati PST-MLC struktuuri mõlemasse otsa 0, 25 mm paksused K-tüüpi termopaarid, et jälgida sisse- ja väljalaskevedeliku temperatuure. Selleks tuleb voolik esmalt perforeerida. Pärast termopaari paigaldamist kandke tihendi taastamiseks termopaari vooliku ja traadi vahele sama liim nagu enne.
Ehitati kaheksa eraldi prototüüpi, millest neljal oli 40 0,5 mm paksust MLC PST-d, mis olid jaotatud paralleelsete plaatidena 5 veeru ja 8 reaga, ning ülejäänud neljal oli igaühel 15 1 mm paksust MLC PST-d. 3-veerulises × 5-reas paralleelse plaadi struktuuris. Kasutatud PST MLC-de koguarv oli 220 (160 0,5 mm paksust ja 60 PST MLC-d 1 mm paksusest). Nimetame neid kahte allüksust 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 kasutasime 0,38 mm paksust traati. Sümmeetria tagamiseks on HARV2_160 ja HARV2_60 oma vedelikuahelad, pumbad, ventiilid ja külm pool (lisamärkus 8). Kaks HARV2 seadet jagavad soojusmahutit, 3-liitrist mahutit (30 cm x 20 cm x 5 cm) kahel pöörleva magnetiga pliidiplaadil. Kõik kaheksa üksikut prototüüpi on elektriliselt ühendatud paralleelselt. Subühikud HARV2_160 ja HARV2_60 töötavad Olsoni tsüklis samaaegselt, mille tulemuseks on 11,2 J energia kogus.
Asetage 0,5 mm paksune PST MLC polüolefiinvoolikusse, mille mõlemal küljel on kahepoolne teip ja traat, et tekitada ruumi vedeliku voolamiseks. Selle väiksuse tõttu paigutati prototüüp kuuma või külma reservuaari ventiili kõrvale, minimeerides tsükliaega.
PST MLC-s rakendatakse konstantset elektrivälja, rakendades kütteharule konstantset pinget. Selle tulemusena tekib negatiivne soojusvool ja energia salvestatakse. Pärast PST MLC kuumutamist väli eemaldatakse (V = 0) ja selles salvestatud energia suunatakse tagasi allikaloendurisse, mis vastab veel ühele kogutud energia panusele. Lõpuks, rakendades pinget V = 0, jahutatakse MLC PST-d algtemperatuurini, et tsükkel saaks uuesti alata. Selles etapis energiat ei koguta. Juhtisime Olseni tsüklit Keithley 2410 SourceMeteri abil, laadides PST MLC-d pingeallikast ja seadistades voolu sobivuse sobivale väärtusele, nii et laadimisfaasis koguti piisavalt punkte usaldusväärsete energiaarvutuste jaoks.
Stirlingi tsüklites laaditi PST MLC-sid pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusega (algpinge Vi > 0), soovitud vastavusvooluga, nii et laadimisetapp võtab aega umbes 1 s (ja kogutakse piisavalt punkte, et usaldusväärselt arvutada energia) ja külm temperatuur. Stirlingi tsüklites laaditi PST MLC-sid pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusega (algpinge Vi > 0), soovitud vastavusvooluga, nii et laadimisetapp võtab aega umbes 1 s (ja kogutakse piisavalt punkte, et usaldusväärselt arvutada energia) ja külm temperatuur. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электричеплкоя > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное коливочест а энергия) ja холодная температура. Stirlingi PST MLC tsüklites laaditi neid pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusel (algpinge Vi > 0), soovitud jõudlusvoolul, nii et laadimisetapis kulub umbes 1 s (ja piisav arv). punkte kogutakse usaldusväärse energiaarvutuse jaoks) ja külma temperatuuri.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（扵电逵庵庵逵麵庵电压）充电压Vi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 laaditakse PST MLC pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusega (algpinge Vi > 0), nii et nõutav vastavusvool võtab laadimisetapi jaoks aega umbes 1 sekund (ja kogusime piisavalt punkte, et usaldusväärselt arvutada (energia) ja madal temperatuur. В цике стирлинга pst mlc зарж жаетс в в источникmini ение vi> 0), требеый то тодатливости таков, что этап заряи занимает о с с с с со ио ио ио ио ио ио дч дч дч, дч дч дч дч ич ич ич ич ич ич ич кч, ич ич ич, ич кч ич кчч. тоы надежно раситать энергию) и низие темературы . Stirlingi tsüklis laaditakse PST MLC pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusega (algpinge Vi > 0), nõutav vastavusvool on selline, et laadimisetapis kulub umbes 1 s (ja piisav arv energia usaldusväärseks arvutamiseks kogutakse punkte) ja madalatel temperatuuridel .Enne PST MLC soojenemist avage ahel, rakendades sobivat voolu I = 0 mA (minimaalne sobitusvool, mida meie mõõteallikas suudab taluda, on 10 nA). Selle tulemusena jääb MJK PST-sse laeng ning proovi kuumenemisel pinge tõuseb. Käes BC energiat ei koguta, sest I = 0 mA. Pärast kõrge temperatuuri saavutamist suureneb pinge MLT FT-s (mõnel juhul rohkem kui 30 korda, vt lisajoonis 7.2), MLK FT tühjeneb (V = 0) ja neisse salvestatakse sama aja jooksul elektrienergiat. kuna need on esialgne tasu. Sama jooksev vastavus tagastatakse arvesti allikale. Pingevõimenduse tõttu on kõrgel temperatuuril salvestatud energia suurem kui tsükli alguses. Järelikult saadakse energiat soojuse muundamisel elektriks.
PST MLC-le rakendatud pinge ja voolu jälgimiseks kasutasime Keithley 2410 SourceMeterit. Vastav energia arvutatakse Keithley allikaarvesti poolt loetud pinge ja voolu korrutise integreerimise teel \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas)}\ vasak(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), kus τ on perioodi periood. Meie energiakõveral tähendavad positiivsed energia väärtused energiat, mida peame MLC PST-le andma, ja negatiivsed väärtused energiat, mille me neist eraldame ja seega ka saadud energiat. Antud kogumistsükli suhteline võimsus määratakse kogutud energia jagamisel kogu tsükli perioodiga τ.
Kõik andmed esitatakse põhitekstis või lisateabes. Kirjad ja materjalide taotlused tuleks suunata käesolevas artiklis esitatud AT või ED andmete allikale.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Ülevaade termoelektriliste mikrogeneraatorite arendamise ja rakenduste kohta energia kogumiseks. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Ülevaade termoelektriliste mikrogeneraatorite arendamise ja rakenduste kohta energia kogumiseks.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO ja Henao, NC 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, Ohio, Maran, ALO ja Henao, NC kaaluvad termoelektriliste mikrogeneraatorite väljatöötamist ja rakendamist energia kogumiseks.jätkata. toetust. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotogalvaanilised materjalid: praegused tõhusused ja tuleviku väljakutsed. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotogalvaanilised materjalid: praegused tõhusused ja tuleviku väljakutsed.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. ja Sinke, VK Fotogalvaanilised materjalid: praegune jõudlus ja tuleviku 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. & Sinke, WC Päikesematerjalid: praegune efektiivsus ja tuleviku väljakutsed.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. ja Sinke, VK Fotogalvaanilised materjalid: praegune jõudlus ja tuleviku väljakutsed.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkteeritud püro-piesoelektriline efekt isetoitega samaaegseks temperatuuri ja rõhu tuvastamiseks. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunktpüro-piesoelektriline efekt isetoitega samaaegseks temperatuuri ja rõhu tuvastamiseks.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 & Yang, Y. Isetoite jaoks 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. & Guyomar, D. Energy harvesting based on Ericsson pyroelectric cycles in a relaxor ferroelectric ceramic. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energy harvesting based on Ericsson pyroelectric cycles in a relaxor ferroelectric ceramic.Sebald G., Prouvost S. ja Guyomar D. Energia kogumine püroelektriliste Ericssoni tsüklite alusel lõdvestaja ferroelektrilises keraamikas.Sebald G., Prouvost S. ja Guyomar D. Energia kogumine relaksori ferroelektrilises keraamikas, mis põhineb Ericssoni püroelektrilisel jalgrattasõidul. Tark alma mater. struktuur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Järgmise põlvkonna elektrokalorilised ja püroelektrilised materjalid tahkis-elektrotermilise energia vastastikuseks muundamiseks. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Järgmise põlvkonna elektrokalorilised ja püroelektrilised materjalid tahkis-elektrotermilise energia vastastikuseks muundamiseks. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следениковопо образования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Järgmise põlvkonna elektrokalorilised ja püroelektrilised materjalid tahkis-elektrotermilise energia interkonversiooniks. 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. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следениковопо образования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Järgmise põlvkonna elektrokalorilised ja püroelektrilised materjalid tahkis-elektrotermilise energia interkonversiooniks.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard ja väärtuste näitaja püroelektriliste nanogeneraatorite jõudluse kvantifitseerimiseks. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard ja väärtuste näitaja püroelektriliste nanogeneraatorite jõudluse kvantifitseerimiseks.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL ja Yang, Yu. Standard- ja kvaliteediskoor püroelektriliste nanogeneraatorite jõudluse kvantifitseerimiseks. 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. Kriteeriumid ja jõudlusnäitajad püroelektrilise nanogeneraatori jõudluse kvantifitseerimiseks.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Electrocaloric cooling cycles in pliiscandium tantalate with real regeneration via field variation. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Electrocaloric cooling cycles in pliiscandium tantalate with real regeneration via field variation.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. ja Mathur, ND Elektrokalorilised jahutustsüklid plii-skandiumitantalaadis koos tõelise regenereerimisega välja modifitseerimise 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 kaudu.füüsika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorilised materjalid ferroilise faasi üleminekute läheduses. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorilised materjalid ferroilise faasi üleminekute läheduses.Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND Kalorilised materjalid ferroidifaasi üleminekute läheduses. 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 Soojusmaterjalid mustmetallurgia lähedal.Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND Termilised materjalid raua faasiüleminekute läheduses.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kalorisisaldusega materjalid jahutamiseks ja soojendamiseks. Moya, X. & Mathur, ND Kalorisisaldusega materjalid jahutamiseks ja soojendamiseks.Moya, X. ja Mathur, ND Soojusmaterjalid jahutamiseks ja soojendamiseks. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料. Moya, X. & Mathur, ND Soojusmaterjalid jahutamiseks ja soojendamiseks.Moya X. ja Mathur ND Soojusmaterjalid jahutamiseks ja kütmiseks.Science 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. elektrooniline. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Elektrokalorilise materjali tohutu energiatõhusus kõrge järjestusega skandium-skandiumi-pliis. Rahvusvaheline suhtlemine. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Mitmekihiliste oksiidkondensaatorite elektrotermiline efekt on laias temperatuurivahemikus suur. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Tohutu temperatuurivahemik elektrotermilistes regeneraatorites. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Kõrge jõudlusega tahkiselektrotermiline jahutussüsteem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskaadelektrotermiline jahutusseade suureks temperatuuritõusuks. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Suure tõhususega soojuse otsemuundamine elektrienergiaga seotud püroelektriliseks mõõtmiseks. Olsen, RB & Brown, DD Suure tõhususega soojuse otsemuundamine elektrienergiaga seotud püroelektriliseks mõõtmiseks.Olsen, RB ja Brown, DD Väga tõhus soojuse otsene muundamine elektrienergiaks, mis on seotud püroelektriliste mõõtmistega. 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 ja Brown, DD Soojuse tõhus otsene muundamine elektriks, mis on seotud püroelektriliste mõõtmistega.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energia ja võimsustihedus õhukestes lõdvestavates ferroelektrilistes kiledes. Rahvuslik alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskaadpüroelektriline muundamine: ferroelektrilise faasisiirde ja elektrikadude optimeerimine. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskaadpüroelektriline muundamine: ferroelektrilise faasisiirde ja elektrikadude optimeerimine.Smith, AN ja Hanrahan, BM Kaskaadpüroelektriline muundamine: ferroelektriline faasiüleminek 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 Kaskaadpüroelektriline muundamine: ferroelektriliste faasiüleminekute ja elektrikadude optimeerimine.J. Taotlus. füüsika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Ferroelektriliste materjalide kasutamine soojusenergia muundamiseks elektriks. protsessi. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskaadpüroelektriline energiamuundur. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskaadpüroelektriline energiamuundur.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM ja Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM ja Dullea, J. Kaskaadpüroelektrilised võimsusmuundurid.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Plii-skandiumitantalaadi tahkete lahuste kohta, millel on kõrge elektrokalorne toime. Shebanov, L. & Borman, K. Plii-skandiumitantalaadi tahkete lahuste kohta, millel on kõrge elektrokalorne toime.Shebanov L. ja Borman K. Suure elektrokalorilise toimega plii-skandiumtantalaadi tahketel lahustel. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体. Shebanov, L. ja Borman, K.Shebanov L. ja Borman K. Kõrge elektrokaloriefektiga skandium-plii-skandiumi tahkete lahuste kohta.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Täname N. Furusawat, Y. Inoue'd ja K. Hondat abi eest MLC loomisel. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB ja ED Täname Luksemburgi riiklikku uurimisfondi (FNR) selle töö toetamise eest läbi CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay ja BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Materjaliuuringute ja tehnoloogia osakond, Luksemburgi Tehnoloogiainstituut (LIST), Belvoir, Luksemburg