Jätkusuutlike elektriallikate pakkumine on selle sajandi üks olulisemaid väljakutseid. Energia koristamismaterjalide uurimisvaldkonnad tulenevad sellest motivatsioonist, sealhulgas termoelektrilisest1, fotogalvaanilise2 ja termofotogalvaanics3. Kuigi meil puuduvad materjalid ja seadmed, mis on võimelised energiavahemikus energiat koristama, loetakse anduriks4 ja energiaharjatajad 5,6,7. Siin oleme välja töötanud makroskoopilise termilise energiariietuse mitmekihilise kondensaatori kujul, mis on valmistatud 42 grammi plii skandiumtantalaadist, mis toodab 11,2 J elektrienergiat termodünaamilise tsükli kohta. Iga püroelektriline moodul võib genereerida elektrienergia tihedust kuni 4,43 J cm-3 tsükli kohta. Samuti näitame, et kaks sellist moodulit, mis kaaluvad 0,3 g, piisab autonoomsete energiakombainide pidevaks toiteks manustatud mikrokontrollerite ja temperatuurianduritega. Lõpuks näitame, et temperatuurivahemikus 10 K võivad need mitmekihilised kondensaatorid saavutada 40% -lise Carnot'i efektiivsuse. Need omadused on tingitud (1) ferroelektrilise faasi muutusest suure efektiivsuse saavutamiseks, (2) madala lekkevoolu kadude vältimiseks ja (3) kõrge lagunemispinge. Need makroskoopilised, skaleeritavad ja tõhusad püroelektrilise võimsusega koristajad kujundavad termoelektrilise energia tootmist.
Võrreldes termoelektriliste materjalide jaoks vajaliku ruumilise temperatuurigradiendiga nõuab termoelektriliste materjalide energia koristamine aja jooksul temperatuuri tsüklit. See tähendab termodünaamilist tsüklit, mida kõige paremini kirjeldab entroopia (d) -temperatuuri (t) diagramm. Joonis 1A näitab mittelineaarse püroelektrilise (NLP) materjali tüüpilist ST-graafikut, mis näitab põllupõhist ferroelektrilise-paraelektrilise faasi üleminekut skandiumi plii tantalaadi (PST) korral. Tsükli sinised ja rohelised lõigud ST -diagrammil vastavad Olsoni tsükli konverteeritud elektrienergiale (kaks isotermilist ja kaks isopooli lõiku). Siin käsitleme kahte tsüklit, millel on sama elektrivälja muutus (väli sisse ja välja) ja temperatuurimuutus ΔT, ehkki erinevate algtemperatuuridega. Roheline tsükkel ei asu faasi ülemineku piirkonnas ja seega on sellel palju väiksem pindala kui faasisiirde piirkonnas asuv sinine tsükkel. ST -diagrammil, mida suurem on pindala, seda suurem on kogutud energia. Seetõttu peab faaside üleminek koguma rohkem energiat. NLP suure pindala tsükli vajadus on väga sarnane vajadusega elektrotermiliste rakenduste järele9, 10, 11, 12, kus PST mitmekihilised kondensaatorid (MLC) ja PVDF-põhised terpolümeerid on hiljuti näidanud suurepärast vastupidist jõudlust. Jahutamise jõudluse olek tsüklis 13,14,15,16. Seetõttu oleme tuvastanud huvipakkuvad PST MLC -d soojusenergia koristamise vastu. Neid proove on täielikult kirjeldatud meetodites ja iseloomustatud täiendavates märkustes 1 (skaneeriva elektronmikroskoopia), 2 (röntgendifraktsioon) ja 3 (kalorimeetria).
a, entroopia (s) -temperatuuri (t) graafiku visand koos elektriväljaga ja väljalülitatud NLP-materjalidele, mis näitavad faasisiirdeid. Kaks erinevas temperatuuritsoonis on näidatud kaks energiakogumistsüklit. Sinised ja rohelised tsüklid esinevad vastavalt faaside ülemineku seest ja väljaspool ning lõppevad pinna väga erinevates piirkondades. b, kaks de pst mlc unipolaarset rõngast, 1 mm paksused, mõõdetuna vastavalt 0 kuni 155 kV cm-1 vastavalt 20 ° C ja 90 ° C juures, ja vastavad Olseni tsüklid. Tähed ABCD viitavad Olsoni tsükli erinevatele olekutele. AB: MLC-sid lasti 20 ° C juures 155 kV cm-1. BC: MLC hoiti kiirusel 155 kV cm-1 ja temperatuur tõsteti temperatuurini 90 ° C. CD: MLC tühjeneb temperatuuril 90 ° C. DA: MLC jahutati temperatuurini 20 ° C nullväljal. Sinine ala vastab tsükli käivitamiseks vajaliku sisendvõimsusele. Oranži piirkond on ühes tsüklis kogutud energia. C, ülemine paneel, pinge (must) ja vool (punane) versus aeg, mida jälgitakse sama Olsoni tsükli ajal nagu b. Kaks sisetükki tähistavad pinge ja voolu võimendamist tsükli põhipunktides. Alumises paneelis tähistavad kollased ja rohelised kõverad vastavalt vastavad temperatuuri- ja energiakõverad 1 mm paksuse MLC jaoks. Energia arvutatakse ülemise paneeli voolu- ja pingekõverate põhjal. Negatiivne energia vastab kogutud energiale. Nelja joonise pealinna tähtedele vastavad sammud on samad kui Olsoni tsüklis. Tsükkel AB'CD vastab Stirlingi tsüklile (täiendav märkus 7).
kus E ja D on vastavalt elektriväli ja elektri nihkeväli. ND saab kaudselt DE vooluringist (joonis 1B) või otse termodünaamilise tsükli käivitamisega. Olsen kirjeldas kõige kasulikumaid meetodeid oma teedrajavas töös püroelektrilise energia kogumisel 1980ndatel17.
Joonisel fig. 1B näitab kahte monopolaarset desiheli 1 mM paksuse PST-MLC proovide abil, mis on kokku pandud vastavalt 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 isofield-harust (siin, DA haru nullväli ja 155 kV cm-1 BC harus) ja kahest isotermilisest harust (siin, 20 ° с ja 20 ° с AB-harus). C CD -harus) Tsükli käigus kogutud energia vastab oranžidele ja sinistele piirkondadele (EDD integreeritud). Kogutud energia nd on erinevus sisendi ja väljundienergia vahel, st ainult oranži ala joonisel fig. 1b. See konkreetne Olsoni tsükkel annab ND energiatiheduse 1,78 J cm-3. Stirlingi tsükkel on Olsoni tsükli alternatiiv (täiendav märkus 7). Kuna konstantse laenguastmega (avatud vooluring) on ​​kergemini saavutatud, ulatub joonisel 1B ekstraheeritud energiatihedus (tsükkel AB'CD) 1,25 J CM-3. See on vaid 70% sellest, mida Olsoni tsükkel võib koguda, kuid lihtsad koristamisseadmed teevad seda.
Lisaks mõõtsime Olsoni tsükli käigus kogutud energiat otse, energiat PST MLC, kasutades Linkami temperatuuri juhtimise etappi ja lähtemõõturit (meetod). Joonis 1C ülaosas ja vastavates sisendites näitab sama 1 mm paksuse PST MLC -ga kogutud vool (punane) ja pinge (must) nagu sama Olsoni tsükli läbivat DE -silmust. Vool ja pinge võimaldavad kogutud energiat arvutada ning kõverad on näidatud joonisel fig. 1c, põhi (roheline) ja temperatuur (kollane) kogu tsükli vältel. Tähed ABCD tähistavad sama Olsoni tsüklit joonisel 1. MLC laadimine toimub AB -jala ajal ja see viiakse läbi madala vooluga (200 µA), seega saab Sourcemeeter 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 lõpus hoitakse MLC -s 30 mJ elektrienergiat (punkt B). Seejärel soojeneb MLC ja negatiivne vool (ja seega ka negatiivne vool), samal ajal kui pinge püsib 600 V juures. Pärast 40 sekundit, kui temperatuur jõudis platoole 90 ° C, kompenseeriti see vool, ehkki astmeproov tekitas vooluringis elektrienergiat 35 mJ (teine ​​sisend selle isofieldi ajal (teine ​​joonis). Seejärel vähendatakse MLC (haru CD) pinget, mille tulemuseks on veel 60 mJ elektritööd. Kogu väljundienergia on 95 MJ. Kogutud energia on sisendi ja väljundienergia erinevus, mis annab 95–30 = 65 mJ. See vastab energiatihedusele 1,84 J cm-3, mis on väga lähedal deringist ekstraheeritud ND-le. Selle Olsoni tsükli reprodutseeritavust on põhjalikult testitud (täiendav märkus 4). Pinge ja temperatuuri veelgi suurendades saavutasime 4,43 J cm-3, kasutades Olsen tsüklit 0,5 mm paksuses PST MLC-s temperatuurivahemikus 750 V (195 kV cm-1) ja 175 ° C (täiendav märkus 5). See on neli korda suurem kui otsese Olsoni tsüklite kirjanduses esitatud parim jõudlus ja saadi Pb (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) õhukestel kiledel (1,06 J CM-3) 18 (CM. KIRJANDUSE KIRJANDUSE Väärtuste jaoks). See jõudlus on saavutatud nende MLC -de väga madala lekkevoolu tõttu (<10–7 A 750 V ja 180 ° C juures, vt üksikasju täiendava märkuse 6) - Smith jt, 19. - 19 -aastaste oluliste punktide - oluliste punktide osas - võrreldes varasemates uuringutes kasutatud materjalidega17,20. See jõudlus on saavutatud nende MLC -de väga madala lekkevoolu tõttu (<10–7 A 750 V ja 180 ° C juures, vt üksikasju täiendava märkuse 6) - Smith jt, 19. - 19 -aastaste oluliste punktide - oluliste punktide osas - võrreldes varasemates uuringutes kasutatud materjalidega17,20. Эти характеристистикики ыи достигнутыыы багагаря чтень низом у уток утечи этих mlc (<10–7 а ат р ° ° ° ° ° р ° ° ° ° ° ° ° ° ° °р ° ° ° ° ° р р р р °р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р р т т °р ° в дополнителном примечанииic 6) - критичесий момент, уом. 19 - о отличие от о к атериалам, исоловованны в болееmüük раних и иоедовованих17,20. Need omadused saavutati nende MLC -de väga madala lekkevoolu tõttu (<10–7 A temperatuuril 750 V ja 180 ° C, vt üksikasju täiendava märkuse 6) - see on kriitiline punkt, mida mainivad Smith jt. 19 - vastupidiselt varasemates uuringutes kasutatud materjalidele17,20.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 —— 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 补充 说明 6 中 详细 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 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。 Посоло тт утечи этих mlc очень низий (<10–7 а а при 750 в и и 180 ° C, с. кевой момент, уомяный min ситом и др. 19 - дравнении, ыи достигнуты эти характеристики. Kuna nende MLC -de lekkevool on väga madal (<10–7 A 750 V ja 180 ° C juures, vt üksikasju täiendava märkuse 6) - võtmepunkt, mida mainivad Smith jt. 19 - Võrdluseks saavutati need etendused.varasemates uuringutes kasutatud materjalidele 17,20.
Stirlingi tsüklile rakendati samad tingimused (600 V, 20–90 ° C) (täiendav märkus 7). Nagu DE -tsükli tulemustest võib oodata, oli saagis 41,0 mJ. Stirlingi tsüklite üks silmatorkavamaid omadusi on nende võime võimendada esialgset pinget läbi termoelektrilise efekti. Vaatasime pinget kuni 39 (algpingest 15 V kuni lõpppinge kuni 590 V, vt täiendav joonis 7.2).
Nende MLC -de teine ​​eristav omadus on see, et need on makroskoopilised objektid, mis on piisavalt suured, et koguda energiat džauli vahemikus. Seetõttu konstrueerisime prototüübi Harvesteri (HARV1), kasutades 28 MLC PST 1 mm paksust, järgides sama paralleelse plaadi kujundust, mida kirjeldab Torello jt.14, 7 × 4 maatriksiga, nagu on näidatud joonisel. Kuumust kandvat dielektriline vedelik kollektoris nihutatakse peristaltilise pumbaga kahe veendumuse vahel konstantse temperatuuriga (Meetod). Koguge kuni 3.1 J, kasutades joonisel fig. 2A, isotermilised piirkonnad temperatuuril 10 ° C ja 125 ° C ning isofieldi piirkonnad 0 ja 750 V juures (195 kV cm-1). See vastab energiatihedusele 3,14 J cm-3. Seda kombaini kasutades tehti mõõtmised erinevatel tingimustel (joonis 2B). Pange tähele, et 1,8 J saadi temperatuurivahemikus 80 ° C ja pinge 600 V (155 kV cm-1). See on samades tingimustes (28 × 65 = 1820 MJ) eelnevalt mainitud 65 MJ -ga hästi kooskõlas 65 MJ -ga.
A, kokkupandud HARV1 prototüübi eksperimentaalne seadistus, mis põhineb Olsoni tsüklitel töötavatel 28 MLC PST -del 1 mm (4 rida × 7 veergu). Iga nelja tsükli etapi jaoks on prototüübis pakutud temperatuur ja pinge. Arvuti juhib peristaltilise pumba, mis ringleb dielektrilise vedeliku külma ja kuuma reservuaari, kahe ventiili ja toiteallika vahel. Arvuti kasutab ka termopaare andmete kogumiseks pinge ja voolu kohta, mis on tarnitud prototüübile ja kombaini temperatuurile toiteallikast. B, energia (värv), mis on kogutud meie 4 × 7 MLC prototüüp versus temperatuurivahemik (x-telg) ja pinge (y-telg) erinevates katsetes.
Karjuse (HARV2) suurem versioon 60 pst MLC 1 mm paksusega ja 160 pst MLC 0,5 mm paksusega (41,7 g aktiivne püroelektriline materjal) andis 11,2 J (täiendav märkus 8). 1984. aastal tegi Olsen energiakombaini, mis põhines 317 g-le topitud Pb (ZR, Ti) O3 ühendil, mis suudab elektrit toota 6,23 J elektrit temperatuuril umbes 150 ° C (viide 21). Selle kombaini jaoks on see ainus teine ​​jouli vahemikus saadaval olev väärtus. See sai veidi üle poole väärtusest, mille saavutasime, ja peaaegu seitse korda kvaliteedist. See tähendab, et Harv2 energiatihedus on 13 korda suurem.
HARV1 tsükliperiood on 57 sekundit. See tootis 54 MW võimsust, 4 rida 7 veergu 1 mm paksuse MLC komplektiga. Ühe sammu edasi astumiseks ehitasime kolmanda kombinaadi (HARV3) 0,5 mm paksuse PST MLC ja sarnase seadistusega Harv1 ja Harv2 -ga (täiendav märkus 9). Mõõtsime termiliseerimisaja 12,5 sekundit. See vastab tsükli ajale 25 sekundit (täiendav joonis 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 (umbes 1,95 MW × 280 PST MLC 0,5 mm paksuseks). Lisaks simuleerisime soojusülekannet, kasutades lõplike elementide simulatsiooni (COMSOL, täiendav märkus 10 ja lisatabelid 2–4), mis vastavad HARV1 katsetele. Lõplike elementide modelleerimine võimaldas ennustada võimsuse väärtusi peaaegu suurusjärgus (430 mW) sama arvu PST veergude jaoks, harvendades MLC -ni 0,2 mm, kasutades vett jahutusvedelikuna, ja taastades maatriksi 7 reale. × 4 kolonnid (lisaks oli ka 960 MW, kui paak oli kombaini kõrval, täiendav joonis 10b).
Selle kollektori kasulikkuse demonstreerimiseks kanti eraldiseisvale meeleavaldusele, mis koosnes ainult kahest 0,5 mm paksusest PST MLC-st soojuskollektorina, kõrgepinge lülitit, madala pingega lülitiga, mis on salvestusruumi, DC/DC muundur, vähese võimsusega mikrokontrolleri, kaks termokoorikut, kahte termokoorikut ja täiendavat). Vooluring nõuab, et algselt laetakse salvestusmaterjal 9 V juures ja seejärel töötab autonoomselt, samal ajal kui kahe MLC temperatuur on vahemikus -5 ° C kuni 85 ° C, siin siin 160 sekundit tsüklites (mitu tsüklit on näidatud täiendava märkuse 11 korral). Tähelepanuväärselt suudavad kaks ainult 0,3 g kaaluvad MLC -d seda suurt süsteemi autonoomselt juhtida. Veel üks huvitav omadus on see, et madala pingemuundur on võimeline teisendama 400 V 10-15 V 79% -lise efektiivsusega (täiendav märkus 11 ja täiendav joonis 11.3).
Lõpuks hindasime nende MLC moodulite efektiivsust termilise energia muundamisel elektrienergiaks. Efektiivsuse kvaliteeditegur η on määratletud kui kogutud elektrienergia tiheduse ja tarnitud soojus Qini tiheduse suhe (täiendav märkus 12):
Joonised 3A, B näitavad vastavalt Olseni tsükli efektiivsust η ja proportsionaalne efektiivsus ηR, mis sõltub temperatuurivahemikust 0,5 mm paksuse PST MLC. Mõlemad andmekogumid on esitatud 195 kV cm-1 elektrivälja jaoks. Tõhusus \ (\ this \) ulatub 1,43% -ni, mis võrdub 18% -ga ηR -ist. Kuid temperatuurivahemikus 10 k vahemikus 25 ° C kuni 35 ° C ulatub ηR väärtusteni kuni 40% (sinine kõver joonisel 3B). See on kaks korda suurem kui PMN-PT-filmides (ηR = 19%) registreeritud NLP-materjalide teadaolev väärtus temperatuurivahemikus 10 K ja 300 kV cm-1 (viide 18). Temperatuurivahemikku alla 10 K ei arvestatud, kuna PST MLC termiline hüstereesis on vahemikus 5 kuni 8 K. Faasisiirde positiivse mõju äratundmine efektiivsusele on kriitiline. Tegelikult on η ja ηR optimaalsed väärtused peaaegu kõik saadud esialgse temperatuuri Ti = 25 ° C joonistel fig. 3a, b. Selle põhjuseks on tiheda faasi üleminekust, kui välja ei rakendata ja kurie temperatuur TC on nendes MLC -des umbes 20 ° C (täiendav märkus 13).
a,b, the efficiency η and the proportional efficiency of the Olson cycle (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for the maximum electric by a field of 195 kV cm-1 and different initial temperatures Ti, }} \, \) (b) MPC PST 0,5 mm paksuse jaoks, sõltuvalt temperatuuri intervallist ΔTSPAN.
Viimasel vaatlusel on kaks olulist mõju: (1) mis tahes efektiivne tsükkel peab alustama temperatuuridel, mis ületavad TC-st, kui välitingimustes indutseeritud faasi üleminekut (paraelektrilisest ferroelektrilisest); (2) Need materjalid on tõhusamad TC -le lähedal asuvatel aegadel. Ehkki meie katsetes on näidatud suuremahulised efektiivsused, ei võimalda piiratud temperatuurivahemik meil saavutada CARNOT-i piiri tõttu suuri absoluutset efektiivsust (\ (\ delta t/t \)). Kuid nende PST MLC -de suurepärase efektiivsuse õigustamine õigustab Olsenit, kui ta mainib, et “ideaalne klassi 20 regeneratiivne termoelektriline mootor, mis töötab temperatuuridel vahemikus 50 ° C kuni 250 ° C, võib olla efektiivsus 30%” 17. Nende väärtuste saavutamiseks ja kontseptsiooni testimiseks oleks kasulik kasutada erinevate TC -dega doptaid PST -sid, nagu uurivad Shebanov ja Borman. Nad näitasid, et TC PST -s võib varieeruda vahemikus 3 ° C (SB doping) kuni 33 ° C (TI doping) 22. Seetõttu hüpoteesime, et järgmise põlvkonna püroelektrilised regeneraatorid, mis põhinevad legeeritud PST MLC -del või muudel tugeva esimese järgu faasi üleminekuga materjalidel, võivad konkureerida parimate võimsuse koristajatega.
Selles uuringus uurisime PST -st valmistatud MLC -sid. Need seadmed koosnevad PT ja PST -elektroodide seeriast, kusjuures mitmed kondensaatorid on ühendatud paralleelselt. PST valiti seetõttu, et see on suurepärane EC -materjal ja seetõttu potentsiaalselt suurepärane NLP materjal. Sellel on terav esmaklassiline ferroelektriline-paraelektriline faasi üleminek umbes 20 ° C paiku, mis näitab, et selle entroopia muutused on sarnased joonisel 1 näidatud omadega. Sarnaseid MLC-sid on täielikult kirjeldatud EC13,14 seadmete puhul. Selles uuringus kasutasime 10,4 × 7,2 × 1 mm³ ja 10,4 × 7,2 × 0,5 mm ni. MLC -d paksusega 1 mM ja 0,5 mm tehti vastavalt 19 ja 9 kihist PST paksusega vastavalt 38,6 um. Mõlemal juhul pandi sisemine PST kiht 2,05 um paksuse plaatina elektroodide vahel. Nende MLC -de kujundus eeldab, et 55% PST -dest on aktiivsed, mis vastab elektroodide vahelisele osale (täiendav märkus 1). Aktiivne elektroodi pindala oli 48,7 mm2 (täiendav tabel 5). MLC PST valmistati tahke faasireaktsiooni ja valamismeetodi abil. Ettevalmistusprotsessi üksikasju on kirjeldatud eelmises artiklis 14. Üks erinevusi PST MLC ja eelneva artikli vahel on B-saitide järjekord, mis mõjutab suuresti EC jõudlust PST-s. PST MLC B-alade järjekord on 0,75 (täiendav märkus 2), mis on saadud paagutamise teel temperatuuril 1400 ° C, millele järgneb sadu tunde pikk lõõmutamine temperatuuril 1000 ° C. Lisateavet PST MLC kohta leiate täiendavatest märkustest 1-3 ja lisatabel 5.
Selle uuringu peamine kontseptsioon põhineb Olsoni tsüklil (joonis 1). Sellise tsükli jaoks vajame kuuma ja külma veehoidlat ning toiteallikat, mis on võimeline pinget ja voolu jälgima ja kontrollima erinevates MLC moodulites. Need otsesed tsüklid kasutasid kahte erinevat konfiguratsiooni, nimelt (1) Linkami moodulid kuumutamist ja jahutamist ühe MLC -ga, mis on ühendatud Keithley 2410 toiteallikaga, ja (2) kolm prototüüpi (HARV1, HARV2 ja Harv3) paralleelselt sama lähteenergiaga. Viimasel juhul kasutati kahe reservuaari (kuuma ja külm) ja MLC vahel soojusvahetuseks dielektrilist vedelikku (silikoonõli 5 CP -ga 5 CP temperatuuril 25 ° C, mis on ostetud Sigma Aldrich'ist) ja MLC. Termiline reservuaar koosneb dielektrilise vedelikuga täidetud klaasist ja asetatud termilise plaadi peale. Külmhoidla koosneb veevannist, mille vedelikud torud sisaldavad dielektrilist vedelikku vee ja jääga täidetud suures plastmahutis. Kombineerimise mõlemas otsas asetati kaks kolmesuunalist näputäis ventiili (ostetud biokeemvedelikest), et vedelik ühelt reservuaarist õigeks lülitada (joonis 2A). PST-MLC paketi ja jahutusvedeliku vahelise termilise tasakaalu tagamiseks pikendati tsükliperioodi, kuni sisselaskeava ja väljalaskeava termopaarid (võimalikult lähedal PST-MLC pakendile) näitas sama temperatuuri. Pythoni skript haldab ja sünkroonib kõiki instrumente (lähtemõõturid, pumbad, klapid ja termopaarid) õige Olsoni tsükli käivitamiseks, st jahutusvedeliku silmus hakkab pärast lähtemõõturi laadimist läbi PST -virna tsükli, nii et need soojendavad soovitud rakendatud pinget antud OLSON -i tsükli jaoks.
Teise võimalusena kinnitasime neid kaudsete meetoditega kogutud energia otseseid mõõtmisi. Need kaudsed meetodid põhinevad elektrilisel nihkel (D) - erinevatel temperatuuridel kogutud elektrivälja (e) väljasilmustel ja arvutades pindala kahe silmuse vahel, saab täpselt hinnata, kui palju energiat saab koguda, nagu on näidatud joonisel. Joonisel 2 .1b. Neid DE -silmuseid kogutakse ka Keithley lähtemõõturite abil.
Nelja-kaheksa paksuse PST MLC-ga kokku pandi 4-realise, 7-veeruga paralleelse plaadi struktuuri vastavalt viites kirjeldatud kujundusele. 14. Vedeliku lõhe PST-MLC ridade vahel on 0,75 mm. See saavutatakse, lisades kahepoolse lindi ribad vedelate vahetükkidena PST MLC servade ümber. PST MLC on elektriliselt ühendatud paralleelselt hõbedase epoksüsillaga, mis on kokkupuutel elektroodi juhtmetega. Pärast seda liimiti juhtmed hõbedase epoksüvaiguga elektroodiklemmi mõlemale küljele, et ühendada toiteallikas. Lõpuks sisestage kogu struktuur polüolefiini voolikusse. Viimane liimitakse vedelikutoru külge, et tagada nõuetekohane tihendamine. Lõpuks ehitati PST-MLC konstruktsiooni mõlemasse otsa 0,25 mm paksused K-tüüpi termopaarid, et jälgida sisse- ja väljalaskeava vedeliku temperatuuri. Selleks tuleb kõigepealt voolik olla perforeeritud. Pärast termopaari paigaldamist kandke tihend taastamiseks sama liim nagu enne termopaari vooliku ja traadi vahel.
Ehitati kaheksa eraldi prototüüpi, millest neljal oli 40 0,5 mm paksust MLC PST -d jaotunud paralleelsete plaatidena 5 veeru ja 8 reaga ning ülejäänud neljal oli 15 1 mm paksused MLC PST -d. 3-veerulises × 5-rea paralleelse plaadi struktuuris. Kasutatavate PST MLC -de koguarv oli 220 (paksus 160 0,5 mm ja 60 pst MLC 1 mm). Kutsume neid kahte alaühikut Harv2_160 ja Harv2_60. Prototüübis HARV2_160 vedelik tühimik koosneb kahest kahepoolsest lindist 0,25 mm paksusega traadiga 0,25 mm paksusega. HARV2_60 prototüübi jaoks kordasime sama protseduuri, kuid kasutades 0,38 mm paksust traati. Sümmeetria jaoks on Harv2_160 ja Harv2_60 oma vedeliku vooluringid, pumbad, klapid ja külm külg (täiendav märkus 8). Kahel Harv2 ühikul on kahel kuumal plaadil, millel on pöörlevate magnetitega kuumal plaadil 3 -liitrine konteiner (30 cm x 20 cm x 5 cm). Kõik kaheksa üksikut prototüüpi on elektriliselt ühendatud paralleelselt. Harv2_160 ja Harv2_60 alaühikud töötavad samaaegselt Olsoni tsüklis, mille tulemuseks on energiasaak 11,2 J.
Asetage 0,5 mm paks PST MLC polüolefiini voolikusse kahepoolse lindiga ja traadiga mõlemale küljele, et luua ruum vedeliku voolamiseks. Selle väikese suuruse tõttu asetati prototüüp kuuma või külma veehoidla ventiili kõrvale, minimeerides tsükli korda.
PST MLC -s rakendatakse konstantset elektrivälja, kandes kütteharule konstantset pinget. Selle tulemusel genereeritakse negatiivne soojusvool ja energiat säilitatakse. Pärast PST MLC soojendamist eemaldatakse väli (v = 0) ja sellesse salvestatud energia tagastatakse tagasi lähteloendurisse, mis vastab veel ühele kogutud energia panusele. Lõpuks jahutatakse MLC PST -d pinge V = 0 abil nende algtemperatuurile, nii et tsükkel saaks uuesti alata. Selles etapis energiat ei koguta. Me juhtisime Olseni tsüklit, kasutades Keithley 2410 Sourcemeetri, laadides PST MLC pingeallikalt ja seades praeguse vaste sobivale väärtusele, nii et usaldusväärsete energiaarvutuste jaoks koguti laadimisfaasis piisavalt punkte.
Stirlingi tsüklites laeti PST MLC -sid pingeallika režiimis esialgse elektrivälja väärtuse korral (esialgne pinge VI> 0), soovitud vastavusvool, nii et laadimisaste võtab umbes 1 s (ja energia usaldusväärseks arvutamiseks kogutakse piisavalt punkte) ja külma temperatuuri jaoks. Stirlingi tsüklites laeti PST MLC -sid pingeallika režiimis esialgse elektrivälja väärtuse korral (esialgne pinge VI> 0), soovitud vastavusvool, nii et laadimisaste võtab umbes 1 s (ja energia usaldusväärseks arvutamiseks kogutakse piisavalt punkte) ja külma temperatuuri jaoks. В циках стирлинга pst mlc зарande жалис в режиме источника напржржения при начал. (началное напржение vi> 0), желаемом податливом т т т тта этап зар зани заним к ((н ((ии (ии и ((и и; достататjõuke количество точек д надежного рачета энергия) и и иололодная темера. Stirlingi PST MLC -tsüklites laeti need pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusest (esialgne pinge VI> 0), soovitud saagivool, nii et laadimisjärgus võtab umbes 1 s (ja usaldusväärse energiaarvutuse jaoks kogutakse piisavat arvu punkte).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。 和低温。 Peatsüklis laetakse PST MLC esialgse elektrivälja väärtuse (esialgne pinge VI> 0) pingeallika režiimis, nii et nõutav vastavusvool võtab laadimisastme jaoks umbes 1 sekundi (ja kogusime piisavalt punkte, et usaldusväärselt arvutada (energiat) ja madala temperatuuriga. В цике стирлинга pst mlc заржаетс в в ииме источника напржения с с с начачive напржение vi> 0), требеый ток ток податлости таков, что этап зап зар каним очо счо с (с (с (((и с (о со (соя (соя (со. количество точек, чтоы надежно раситать энергию) и и низие темемертуы. Stirlingi tsüklis laetakse PST MLC pingeallika režiimis elektrivälja algväärtusega (esialgne pinge VI> 0), nõutav vastavusvool on selline, et laadimisjärgus võtab umbes 1 s (ja piisav arv punkte kogutakse, et energiat usaldusväärselt arvutada) ja madala temperatuuriga).Enne kui PST MLC kuumeneb, avage vooluring, rakendades sobivat voolu I = 0 Ma (minimaalne sobiv vool, millega meie mõõteallikas hakkama saab, on 10 NA). Selle tulemusel jääb laeng MJK PST -sse ja proovi kuumenedes pinge suureneb. ARM BC -s ei koguta energiat, kuna i = 0 mA. Pärast kõrge temperatuuri saavutamist suureneb pinge MLT FT (mõnel juhul rohkem kui 30 korda, vt täiendavat joonis 7.2), MLK FT lastakse välja (v = 0) ja neis hoitakse elektrienergiat samasse, kuna need on algtasu. Sama praegune kirjavahetus tagastatakse arvesti lähtekoodile. Pinge võimenduse tõttu on kõrgel temperatuuril salvestatud energia kõrgem kui see, mis tsükli alguses pakuti. Järelikult saadakse energiat soojuse elektriks muundamisega.
PST MLC -le rakendatava pinge ja voolu jälgimiseks kasutasime Keithley 2410 Sourcemeetri. Vastav energia arvutatakse, integreerides pinge ja voolu loetud toote Keithley lähtemõõturi järgi \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ \ rm {meat)}}}}} {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{. τ on periood. Meie energiakõveral tähendavad positiivsed energiaväärtused energiat, mida peame MLC PST -le andma, ja negatiivsed väärtused tähendavad energiat, mille me neilt kaevandame, ja seetõttu saadud energiat. Antud kogumistsükli suhteline võimsus määratakse kogutud energia jagamisega kogu tsükli perioodiga τ.
Kõik andmed on esitatud põhitekstis või lisateave. Materjalide kirjad ja taotlused tuleks suunata selle artikliga esitatud AT või ED -andmete allikale.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Termoelektriliste mikrogeneraatori väljatöötamise ja rakenduste ülevaade energia koristamiseks. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Termoelektriliste mikrogeneraatori väljatöötamise ja rakenduste ülevaade energia koristamiseks.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO ja Henao, NC Ülevaade termoelektriliste mikrogeneraatide väljatöötamisest ja rakendamisest energia koristamiseks. 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 ja Henao, NC kaaluvad termoelektriliste mikrogeneraatide väljatöötamist ja kasutamist energia koristamiseks.jätkata. Toetus. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC fotogalvaanilised materjalid: praegused tõhusused ja tulevased väljakutsed. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC fotogalvaanilised materjalid: praegused tõhusused ja tulevased väljakutsed.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. ja Sinke, VK fotogalvaanilised materjalid: praegused jõudlus 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。 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Päikesematerjalid: praegune tõhusus ja tulevased väljakutsed.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. ja Sinke, VK fotogalvaanilised materjalid: praegused jõudlus ja tulevased väljakutsed.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunteetitud püro-pi-Piezoelektriline efekt iseenda võimsusega samaaegseks temperatuuriks ja rõhutundeks. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunct püro-pi-pi-pi-pi-pi-ielektriline efekt iseenda võimsusega samaaegseks temperatuuriks ja rõhutundeks.Laul K., Zhao R., Wang ZL ja Yan Yu. Kombineeritud pürolektriline efekt temperatuuri ja rõhu autonoomseks 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. Temperatuuri ja rõhku samal ajal iseenda võimsuse eest.Laul K., Zhao R., Wang ZL ja Yan Yu. Kombineeritud termopiesoelektriline toime temperatuuri ja rõhu autonoomseks mõõtmiseks.Edasi. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Eringe koristamine, mis põhineb Ericssoni püroelektrilistel tsüklitel lõõgastaja ferroelektrilise keraamikas. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Eringe koristamine, mis põhineb Ericssoni püroelektrilistel tsüklitel lõõgastaja ferroelektrilise keraamikas.Sebald G., Prouvost S. ja Guyomar D. Energia koristamine, mis põhineb püroelektrilisel Ericssoni tsüklitel lõõgastaja ferroelektrilise keraamikas.Sebald G., Prouvost S. ja Guyomar D. Energia koristamine Relaxori ferroelektrilises keraamikas, mis põhineb Ericssoni püroelektrilisel tsüklil. Nutikas alma mater. Struktuur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW järgmise põlvkonna elektrokalori- ja püroelektrilised materjalid tahke oleku elektrotermilise energiavahelise muundamise jaoks. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW järgmise põlvkonna elektrokalori- ja püroelektrilised materjalid tahke oleku elektrotermilise energiavahelise muundamise jaoks. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw эектрокалоричесие и и иироэектричес аи сед ее еее ее едее. заимного преобразования тердотелной эектротермичойой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW järgmise põlvkonna elektrokalori- ja püroelektrilised materjalid tahke oleku 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 эектрокалоричесие и и иироэектричес аи сед ее еее ее едее. заимного преобразования тердотелной эектротермичойой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW järgmise põlvkonna elektrokalori- ja püroelektrilised materjalid tahke oleku elektrotermilise energia interkonversiooniks.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard ja meritsiidi arv püroelektriliste nanogeneraatorite jõudluse kvantifitseerimiseks. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard ja meritsiidi arv 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 & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl ja Yang, Yu. Kriteeriumid ja jõudlusmeetmed püroelektrilise nanogeneraatori jõudluse kvantifitseerimiseks.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND elektrokalorilised jahutustsüklid plii skandiumi tantalaadiga tõelise regenereerimisega põllu variatsiooni kaudu. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND elektrokalorilised jahutustsüklid plii skandiumi tantalaadiga tõelise regenereerimisega põllu variatsiooni kaudu.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. ja Mathur, ND elektrokalorilised jahutustsüklid plii-skandiumi tantalaadis 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的再生。 通过场变化实现真正的再生。 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, Skandiumi-litside tantalaadi elektrotermiline jahutuskoht tõeliseks regenereerimiseks põllu ümberpööramise kaudu.Füüsika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorite materjalid ferroiliste faasi üleminekute lähedal. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorite materjalid ferroiliste faasi üleminekute lähedal.Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND kalorite materjalid Ferroid-faasi üleminekute lähedal. 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 termilised materjalid raudmetallurgia lähedal.Moya, X., Kar-Narayan, S. ja Mathur, ND termilised materjalid rauafaasi üleminekute lähedal.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND kalorite materjalid jahutamiseks ja kuumutamiseks. Moya, X. & Mathur, ND kalorite materjalid jahutamiseks ja kuumutamiseks.Moya, X. ja Mathur, ND Sootud materjalid jahutamiseks ja kuumutamiseks. Moya, X. & Mathur, nd 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Sootud materjalid jahutamiseks ja kuumutamiseks.Moya X. ja Mathur ja jahutamiseks ja kuumutamiseks mõeldud soojusmaterjalid.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。 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 评论。Torello, A. ja Defay, E. Elektrotermilised jahutid: ülevaade.Arenenud. elektrooniline. Alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. jt. Elektrokalorilise materjali tohutu energiatõhusus kõrgelt tellitud skandium-skandiumi-pliis. Riiklik suhtlus. 12, 3298 (2021).
Nair, B. jt. Oksiidi mitmekihiliste kondensaatorite elektrotermiline toime on laias temperatuurivahemikus suur. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. jt. Elektrotermiliste regeneraatori tohutu temperatuurivahemik. Teadus 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. jt. Suure jõudlusega tahke olekuga elektrotermiline jahutussüsteem. Teadus 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. jt. Kaskaad elektrotermiline jahutusseade suure temperatuuri tõusu tagamiseks. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD kõrge efektiivse efektiivse kuumuse muundamine elektrienergiaga seotud püroelektrilisteks mõõtmisteks. Olsen, RB ja Brown, DD kõrge efektiivsusega soojuse otsene muundamine elektrienergiaga seotud püroelektrilisteks mõõtmisteks.Olsen, RB ja pruun, DD väga tõhus soojuse otsene muundamine elektrienergiaks, mis on seotud püroelektriliste mõõtmistega. Olsen, RB ja 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 pruun, dd efektiivne soojuse otsene muundamine elektriks, mis on seotud püroelektriliste mõõtmistega.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. jt. Energia ja võimsustihedus õhukestes lõdvestajates ferroelektrilistes kiledes. Riiklik Alma mater. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM kaskaaditud püroelektriline muundamine: ferroelektrilise faasi ülemineku ja elektriliste kadude optimeerimine. Smith, An & Hanrahan, BM kaskaaditud püroelektriline muundamine: ferroelektrilise faasi ülemineku ja elektriliste kadude optimeerimine.Smith, AN ja Hanrahan, BM kaskaaditud püroelektriline muundamine: ferroelektriline faasi üleminek ja elektrilise kadu optimeerimine. Smith, An & Hanrahan, BM 级联热释电转换 ： 优化铁电相变和电损耗。 优化铁电相变和电损耗。 Smith, An & Hanrahan, BMSmith, AN ja Hanrahan, BM kaskaaditud püroelektriline muundamine: ferroelektriliste faasi üleminekute ja elektriliste kadude optimeerimine.J. Taotlus. Füüsika. 128, 24103 (2020).
Hoch, sr ferroelektriliste materjalide kasutamine termilise energia elektriks muundamiseks. protsess. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskaaditud püroelektrilise energia muundur. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskaaditud püroelektrilise energia muundur.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM ja Dullea, J. Cascade püroelektrilise võimsuse muundur. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 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。 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM ja Dullea, J. Kaskaaditud püroelektrilise võimsuse muundurid.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. ja Borman, K. Plii-Škandiumi tantalaadi tahkete lahuste kohta, millel on kõrge elektrokaloriline toime. Shebanov, L. ja Borman, K. Plii-Škandiumi tantalaadi tahkete lahuste kohta, millel on kõrge elektrokaloriline toime.Shebanov L. ja Borman K. Plii-skandiumtantalaadi tahkete lahuste kohta, millel on kõrge elektrokaloriline toime. 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. ja Borman K. Skandiumi-plii-skandiumi tahkete lahuste kohta, millel on kõrge elektrokaloriline toime.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Täname N. Furusawa, Y. Inoue ja K. Honda abi eest MLC loomisel. PL, AT, YN, AA, JL, UP, UP, VK, OB, OB ja ED tänu Luksemburgi Riiklikule Research Foundationile (FNR) selle töö toetamise eest kaamelheat C17/MS/11703691/Decay, Massena Pride/15/10935404/Defay- Siebentritt, Thermodimat ja MS/14718 Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY.
Luksemburgi tehnoloogiainstituut (List), Belvoir, Luxembourg Material Research and Technology osakond