A fenntartható villamosenergia-források kínálata az évszázad egyik legfontosabb kihívása. Ebből a motivációból fakadnak az energiagyűjtő anyagok kutatási területei, beleértve a termoelektromos1, a fotovoltaikus2 és a termofotovoltaikus3. Bár hiányoznak a Joule-tartományba tartozó energiagyűjtésre alkalmas anyagok és eszközök, az elektromos energiát időszakos hőmérsékletváltozásokká alakító piroelektromos anyagokat érzékelőknek4 és energiagyűjtőknek5,6,7 tekintjük. Itt kifejlesztettünk egy makroszkopikus hőenergia-gyűjtőt, többrétegű kondenzátor formájában, amely 42 gramm ólom-szkandium-tantalátból készül, és termodinamikai ciklusonként 11,2 J elektromos energiát termel. Mindegyik piroelektromos modul ciklusonként akár 4,43 J cm-3 elektromos energiasűrűséget is képes előállítani. Azt is megmutatjuk, hogy két ilyen 0,3 g tömegű modul elegendő a beágyazott mikrokontrollerekkel és hőmérséklet-érzékelőkkel ellátott, autonóm energiagyűjtők folyamatos áramellátásához. Végül megmutatjuk, hogy 10 K hőmérséklet-tartományban ezek a többrétegű kondenzátorok elérhetik a 40%-os Carnot hatásfokot. Ezek a tulajdonságok (1) a ferroelektromos fázisváltásnak köszönhetőek a nagy hatásfok érdekében, (2) a veszteségek elkerülése érdekében alacsony szivárgási áramnak és (3) a nagy áttörési feszültségnek. Ezek a makroszkopikus, méretezhető és hatékony piroelektromos árambegyűjtők újragondolják a termoelektromos energiatermelést.
A termoelektromos anyagokhoz szükséges térbeli hőmérsékleti gradienshez képest a termoelektromos anyagok energiagyűjtése időbeli hőmérsékleti ciklusokat igényel. Ez egy termodinamikai ciklust jelent, amelyet az entrópia (S)-hőmérséklet (T) diagram írja le legjobban. Az 1a. ábra egy nemlineáris piroelektromos (NLP) anyag tipikus ST diagramját mutatja be, amely egy mező által vezérelt ferroelektromos-paraelektromos fázisátalakulást mutat be szkandium-ólom-tantalátban (PST). A ciklus kék és zöld szakasza az ST diagramon az Olson-ciklusban átalakított elektromos energiának felel meg (két izoterm és két izopólus szakasz). Itt két ciklust veszünk figyelembe, azonos elektromos térváltozással (mező be- és kikapcsolása) és ΔT hőmérséklet-változással, bár eltérő kezdeti hőmérséklettel. A zöld ciklus nem a fázisátmeneti tartományban helyezkedik el, így sokkal kisebb területe van, mint a fázisátmeneti tartományban található kék ciklusnak. Az ST diagramban minél nagyobb a terület, annál nagyobb az összegyűjtött energia. Ezért a fázisátalakulásnak több energiát kell gyűjtenie. Az NLP-ben a nagy területű ciklusok iránti igény nagyon hasonló az elektrotermikus alkalmazásokhoz9, 10, 11, 12, ahol a PST többrétegű kondenzátorok (MLC) és a PVDF-alapú terpolimerek a közelmúltban kiváló fordított teljesítményt mutattak. hűtési teljesítmény állapota a 13,14,15,16 ciklusban. Ezért azonosítottuk a hőenergia-gyűjtés szempontjából érdekes PST MLC-ket. Ezeket a mintákat a módszerekben részletesen leírtuk, és az 1. (pásztázó elektronmikroszkópia), 2. (röntgendiffrakció) és 3. (kalorimetria) kiegészítő megjegyzésekkel jellemezték.
a, Entrópia (S)-hőmérséklet (T) diagram vázlata elektromos tér be- és kikapcsolásával, NLP anyagokra alkalmazott fázisátalakulásokat mutató. Két energiagyűjtési ciklus látható két különböző hőmérsékleti zónában. A kék és zöld ciklusok a fázisátalakuláson belül és kívül fordulnak elő, és a felület nagyon különböző területein végződnek. b, két DE PST MLC unipoláris gyűrű, 1 mm vastag, 0 és 155 kV cm-1 között mérve 20 °C-on, illetve 90 °C-on, és a megfelelő Olsen-ciklusok. Az ABCD betűk az Olson-ciklus különböző állapotaira utalnak. AB: MLC-ket 155 kV cm-1-re töltöttünk 20 °C-on. BC: Az MLC-t 155 kV cm-1 értéken tartottuk, és a hőmérsékletet 90 °C-ra emeltük. CD: MLC kisül 90°C-on. DA: MLC 20°C-ra hűtve nulla mezőben. A kék terület a ciklus elindításához szükséges bemeneti teljesítménynek felel meg. A narancssárga terület az egy ciklusban összegyűjtött energia. c, felső panel, feszültség (fekete) és áram (piros) az idő függvényében, ugyanazon Olson-ciklus alatt követve, mint a b. A két betét a feszültség és az áram erősítését jelenti a ciklus kulcspontjain. Az alsó panelen a sárga és zöld görbe a megfelelő hőmérsékleti és energiagörbét jelenti egy 1 mm vastag MLC-hez. Az energia kiszámítása a felső panelen lévő áram- és feszültséggörbékből történik. A negatív energia az összegyűjtött energiának felel meg. A négy ábrán a nagybetűknek megfelelő lépések megegyeznek az Olson-ciklusban leírtakkal. Az AB'CD ciklus a Stirling-ciklusnak felel meg (7. kiegészítő megjegyzés).
ahol E és D az elektromos tér, illetve az elektromos eltolási mező. Nd közvetve a DE áramkörből (1b. ábra) vagy közvetlenül egy termodinamikai ciklus elindításával nyerhető. A leghasznosabb módszereket Olsen írta le az 1980-as években a piroelektromos energia gyűjtéséről szóló úttörő munkájában17.
ábrán. Az 1b. ábra két, 1 mm vastag PST-MLC próbatestből álló monopoláris DE hurkot mutat be 20 °C-on, illetve 90 °C-on, 0 és 155 kV cm-1 (600 V) tartományban. Ez a két ciklus felhasználható az 1a. ábrán látható Olson-ciklus által összegyűjtött energia közvetett kiszámítására. Valójában az Olsen-ciklus két izotér ágból (itt nulla mező a DA ágban és 155 kV cm-1 a BC ágban) és két izoterm ágból (itt 20°С és 20°С az AB ágban) áll. . C a CD ágban) A ciklus során összegyűjtött energia a narancssárga és kék tartománynak felel meg (EdD integrál). Az összegyűjtött energia Nd a bemeneti és a kimenő energia különbsége, azaz csak a narancssárga terület a 3. ábrán. 1b. Ez a bizonyos Olson-ciklus 1,78 J cm-3 Nd energiasűrűséget ad. A Stirling-ciklus az Olson-ciklus alternatívája (7. kiegészítő megjegyzés). Mivel az állandó töltési fokozat (nyitott áramkör) könnyebben elérhető, az 1b. ábrán látható energiasűrűség (AB'CD ciklus) eléri az 1,25 J cm-3 értéket. Ez csak a 70%-a annak, amit az Olson-ciklus össze tud gyűjteni, de az egyszerű betakarítógépek megteszik.
Ezenkívül közvetlenül mértük az Olson-ciklus során összegyűjtött energiát a PST MLC bekapcsolásával egy Linkam hőmérséklet-szabályozó fokozat és egy forrásmérő segítségével (módszer). Az 1c. ábra a tetején és a megfelelő betétekben mutatja az áramot (piros) és a feszültséget (fekete), amely ugyanazon az 1 mm vastag PST MLC-n van összegyűjtve, mint az ugyanazon az Olson-cikluson átmenő DE hurok esetében. Az áramerősség és a feszültség lehetővé teszi az összegyűjtött energia kiszámítását, a görbék az 1. ábrán láthatók. 1c, alsó (zöld) és hőmérséklet (sárga) a ciklus alatt. Az ABCD betűk ugyanazt az Olson-ciklust képviselik az 1. ábrán. Az MLC töltés az AB szakasz során történik, és alacsony áramerősséggel (200 µA) történik, így a SourceMeter megfelelően tudja szabályozni a töltést. Ennek az állandó kezdeti áramnak az a következménye, hogy a feszültséggörbe (fekete görbe) nem lineáris a D PST nemlineáris potenciáleltolódási mező miatt (1c. ábra, felső beillesztés). A töltés végén 30 mJ elektromos energia tárolódik az MLC-ben (B pont). Az MLC ekkor felmelegszik, és negatív áram (és ezért negatív áram) keletkezik, miközben a feszültség 600 V marad. 40 másodperc elteltével, amikor a hőmérséklet elérte a 90 °C-os platót, ez az áram kompenzálva lett, bár a lépésminta az áramkörben 35 mJ elektromos teljesítményt állított elő ezen izotér alatt (a második beillesztés az 1c. ábrán, felül). Ezután az MLC (ág CD) feszültsége csökken, ami további 60 mJ elektromos munkát eredményez. A teljes kimenő energia 95 mJ. Az összegyűjtött energia a bemeneti és a kimeneti energia különbsége, ami 95 – 30 = 65 mJ. Ez 1,84 J cm-3 energiasűrűségnek felel meg, ami nagyon közel áll a DE gyűrűből kivont Nd-hez. Ennek az Olson-ciklusnak a reprodukálhatóságát alaposan tesztelték (4. kiegészítő megjegyzés). A feszültség és a hőmérséklet további növelésével 4,43 J cm-3 értéket értünk el Olsen-ciklusokkal 0,5 mm vastag PST MLC-ben 750 V (195 kV cm-1) és 175 °C hőmérséklet-tartományban (5. kiegészítő megjegyzés). Ez négyszer nagyobb, mint a szakirodalomban közölt legjobb teljesítmény közvetlen Olson-ciklusokra vonatkozóan, és vékony Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) filmeken (1,06 J cm-3)18 (cm ). 1. táblázat a szakirodalomban található további értékekért). Ezt a teljesítményt ezen MLC-k nagyon alacsony szivárgási árama (<10-7 A 750 V-on és 180 °C-on, lásd a 6. kiegészítő megjegyzésben) éri el – ez a döntő pont, amelyet Smith és munkatársai19 említettek. a korábbi tanulmányokban használt anyagokhoz17,20. Ezt a teljesítményt ezen MLC-k nagyon alacsony szivárgási árama (<10-7 A 750 V-on és 180 °C-on, lásd a 6. kiegészítő megjegyzésben) éri el – ez a döntő pont, amelyet Smith és munkatársai19 említettek. a korábbi tanulmányokban használt anyagokhoz17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при при 750 Видмрод по пи 18 В олнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Ezeket a jellemzőket ezen MLC-k nagyon alacsony szivárgási áramának köszönhették (<10–7 A 750 V-on és 180 °C-on, lásd a 6. kiegészítő megjegyzést a részletekért) – ez egy kritikus pont, amelyet Smith és munkatársai említettek. 19 – ellentétben a korábbi tanulmányokban használt anyagokkal17,20.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 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之之下 相比之下下 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 相比之下 相比之下 相比之下 相比之丧.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 дополнительча – пополнительюч) омент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Mivel ezeknek az MLC-knek a szivárgási árama nagyon alacsony (<10–7 A 750 V-on és 180 °C-on, lásd a 6. kiegészítő megjegyzést a részletekért) – ez egy kulcsfontosságú pont, amelyet Smith és munkatársai említettek. 19 – összehasonlításképpen ezeket a teljesítményeket sikerült elérni.korábbi tanulmányokban használt anyagokhoz 17,20.
Ugyanezek a feltételek (600 V, 20–90 °C) vonatkoztak a Stirling-ciklusra is (7. kiegészítő megjegyzés). A DE-ciklus eredményeinek megfelelően a hozam 41,0 mJ volt. A Stirling-ciklusok egyik legszembetűnőbb tulajdonsága, hogy képesek a kezdeti feszültséget a termoelektromos hatás révén felerősíteni. 39-ig terjedő feszültségnövekedést figyeltünk meg (15 V kezdeti feszültségtől 590 V-ig terjedő végfeszültségig, lásd a 7.2. kiegészítő ábrát).
Ezen MLC-k másik megkülönböztető jellemzője, hogy elég nagy méretű makroszkopikus objektumok ahhoz, hogy energiát gyűjtsenek a joule tartományban. Ezért elkészítettünk egy prototípus betakarítógépet (HARV1) 28 MLC PST 1 mm vastagságú, a Torello és munkatársai által leírt párhuzamos lemezkialakítást követve, 7×4-es mátrixban, ahogy az ábrán látható. A hőhordozó dielektromos folyadék az elosztót egy perisztaltikus szivattyú mozgatja két tartály közé, ahol a folyadék hőmérsékletét állandóan tartják (módszer). Gyűjtse össze 3,1 J-t az 1. ábrán leírt Olson-ciklussal. 2a. ábra: izoterm régiók 10 °C-on és 125 °C-on, valamint izoterális régiók 0 és 750 V-on (195 kV cm-1). Ez 3,14 J cm-3 energiasűrűségnek felel meg. Ezzel a kombájnnal különböző körülmények között méréseket végeztünk (2b. ábra). Megjegyezzük, hogy 1,8 J értéket kaptunk 80 °C hőmérséklet-tartományban és 600 V (155 kV cm-1) feszültség mellett. Ez jó összhangban van a korábban említett 65 mJ-vel, 1 mm vastag PST MLC-hez azonos körülmények között (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Egy összeállított HARV1 prototípus kísérleti beállítása 28, 1 mm vastag MLC PST-n (4 sor × 7 oszlop), amelyek Olson ciklusokon futnak. Mind a négy cikluslépéshez a hőmérséklet és a feszültség megtalálható a prototípusban. A számítógép egy perisztaltikus szivattyút hajt, amely dielektromos folyadékot keringet a hideg és meleg tartályok, két szelep és egy áramforrás között. A számítógép hőelemekkel is gyűjt adatokat a prototípusra adott feszültségről és áramerősségről, valamint a kombájn tápegységről érkező hőmérsékletéről. b, A 4×7 MLC prototípusunk által gyűjtött energia (szín) a hőmérséklet-tartomány (X-tengely) és a feszültség (Y-tengely) függvényében különböző kísérletekben.
A betakarítógép nagyobb változata (HARV2) 1 mm vastag 60 PST MLC-vel és 0,5 mm vastag 160 PST MLC-vel (41,7 g aktív piroelektromos anyag) 11,2 J értéket adott (8. kiegészítő megjegyzés). 1984-ben Olsen 317 g ónnal adalékolt Pb(Zr,Ti)O3 vegyületből 6,23 J villamos energiát képes előállítani körülbelül 150 °C hőmérsékleten (21. hivatkozás). Ennél a kombájnnál ez az egyetlen elérhető érték a joule tartományban. Valamivel több mint fele az elért értéknek és közel hétszerese a minőségnek. Ez azt jelenti, hogy a HARV2 energiasűrűsége 13-szor nagyobb.
A HARV1 ciklus időtartama 57 másodperc. Ez 54 mW teljesítményt produkált 1 mm vastag MLC-készletekből álló 7 oszlopos 4 sorral. Hogy még egy lépéssel tovább tegyük, egy harmadik kombájnt (HARV3) építettünk 0,5 mm vastag PST MLC-vel és a HARV1-hez és HARV2-höz hasonló beállítással (9. kiegészítő megjegyzés). 12,5 másodperces hőkezelési időt mértünk. Ez 25 s ciklusidőnek felel meg (9. kiegészítő ábra). Az összegyűjtött energia (47 mJ) 1,95 mW elektromos teljesítményt ad MLC-nként, ami viszont lehetővé teszi számunkra, hogy elképzeljük, hogy a HARV2 0,55 W-ot termel (körülbelül 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm vastagságban). Ezenkívül a HARV1 kísérleteknek megfelelő végeselemes szimulációval (COMSOL, 10. kiegészítő megjegyzés és 2–4. kiegészítő táblázatok) szimuláltuk a hőátadást. A végeselemes modellezés lehetővé tette az MLC 0,2 mm-es vékonyításával, a víz hűtőközegként történő felhasználásával és a mátrix 7 sorosra való visszaállításával közel nagyságrenddel magasabb teljesítményértékek (430 mW) előrejelzését ugyanannyi PST oszlop esetén. . × 4 oszlop (a mellett 960 mW volt, amikor a tartály a kombájn mellett volt, Kiegészítő 10b. ábra).
A kollektor hasznosságának bemutatására Stirling-ciklust alkalmaztak egy önálló demonstrátoron, amely mindössze két 0,5 mm vastag PST MLC-ből állt hőgyűjtőként, egy nagyfeszültségű kapcsolóból, egy kisfeszültségű kapcsolóból tárolókondenzátorral, valamint egy DC/DC konverterből. , egy kis teljesítményű mikrokontroller, két hőelem és egy erősítő konverter (11. kiegészítő megjegyzés). Az áramkör megköveteli, hogy a tárolókondenzátort kezdetben 9 V-on töltsék, majd önállóan működjenek, miközben a két MLC hőmérséklete -5 °C és 85 °C között van, itt 160 másodperces ciklusokban (több ciklus a 11. kiegészítő megjegyzésben látható). . Figyelemre méltó, hogy két, mindössze 0,3 g tömegű MLC képes önállóan vezérelni ezt a nagy rendszert. További érdekesség, hogy a kisfeszültségű konverter 400V-ot 10-15V-ra képes 79%-os hatásfokkal átalakítani (11. kiegészítő megjegyzés és 11.3. kiegészítő ábra).
Végül értékeltük ezen MLC modulok hatékonyságát a hőenergia elektromos energiává alakításában. A hatásfok η minőségi tényezője az összegyűjtött elektromos energia Nd sűrűségének és a szolgáltatott hő Qin sűrűségének aránya (12. kiegészítő megjegyzés):
A 3a, b ábrák az Olsen-ciklus η hatékonyságát és ηr arányos hatásfokot mutatják be egy 0,5 mm vastag PST MLC hőmérséklet-tartományának függvényében. Mindkét adatsor 195 kV cm-1 elektromos térre vonatkozik. A \(\this\) hatásfok eléri az 1,43%-ot, ami az ηr 18%-ának felel meg. Azonban 10 K hőmérsékleti tartományban 25 °C és 35 °C között az ηr eléri a 40%-os értéket (kék görbe a 3b. ábrán). Ez kétszerese a PMN-PT filmekben rögzített NLP anyagok ismert értékének (ηr = 19%) 10 K és 300 kV cm-1 hőmérséklet-tartományban (18. hivatkozás). A 10 K alatti hőmérsékleti tartományokat nem vettük figyelembe, mivel a PST MLC termikus hiszterézise 5 és 8 K között van. A fázisátalakulások hatékonyságra gyakorolt ​​pozitív hatásának felismerése kritikus. Valójában az η és ηr optimális értékeit szinte mindegyik a Ti = 25 °C kezdeti hőmérsékleten kapja meg az 1-1. 3a,b. Ez egy szoros fázisátalakulásnak köszönhető, amikor nincs mező, és a TC Curie-hőmérséklet 20 °C körül van ezekben az MLC-kben (13. kiegészítő megjegyzés).
a,b, az Olson-ciklus η hatásfoka és arányos hatásfoka (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } a maximális elektromosságra 195 kV cm-1 térerővel és különböző kezdeti hőmérsékletekkel Ti, }}\,\)(b) az MPC PST esetén 0,5 mm vastag, a ΔTspan hőmérsékleti intervallumtól függően.
Az utóbbi megfigyelésnek két fontos következménye van: (1) minden hatékony ciklusnak TC feletti hőmérsékleten kell kezdődnie ahhoz, hogy a mező által kiváltott fázisátalakulás (paraelektromosból ferroelektromosba) bekövetkezzen; (2) ezek az anyagok hatékonyabbak a TC-hez közeli futási időkben. Bár kísérleteinkben nagy léptékű hatásfokot mutatnak ki, a korlátozott hőmérséklet-tartomány a Carnot-határ (\(\Delta T/T\)) miatt nem teszi lehetővé nagy abszolút hatásfok elérését. A PST MLC-k által mutatott kiváló hatékonyság azonban igazolja Olsent, amikor megemlíti, hogy „egy ideális, 20-as osztályú regeneratív termoelektromos motor, amely 50 °C és 250 °C közötti hőmérsékleten működik, 30%-os hatásfokkal is rendelkezhet”17. Ezen értékek eléréséhez és a koncepció teszteléséhez hasznos lenne adalékolt PST-ket használni különböző TC-kkel, amint azt Shebanov és Borman tanulmányozta. Kimutatták, hogy a PST-ben a TC 3°C-tól (Sb adalékolás) 33°C-ig (Ti adalékolás) változhat 22 . Ezért feltételezzük, hogy a következő generációs piroelektromos regenerátorok, amelyek adalékolt PST MLC-ken vagy más erős elsőrendű fázisátalakulású anyagokon alapulnak, felvehetik a versenyt a legjobb teljesítmény-betakarítókkal.
Ebben a tanulmányban PST-ből készült MLC-ket vizsgáltunk. Ezek az eszközök Pt és PST elektródák sorozatából állnak, ahol több kondenzátor van párhuzamosan csatlakoztatva. A PST-re esett a választás, mert ez egy kiváló EC-anyag, és ezért potenciálisan kiváló NLP-anyag. Éles elsőrendű ferroelektromos-paraelektromos fázisátalakulást mutat 20 °C körül, ami azt jelzi, hogy entrópiaváltozásai hasonlóak az 1. ábrán láthatóakhoz. Hasonló MLC-ket az EC13,14 eszközökhöz már részletesen leírtak. Ebben a vizsgálatban 10,4 × 7,2 × 1 mm³ és 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ méretű MLC-ket használtunk. 1 mm és 0,5 mm vastagságú MLC-ket készítettek 19 és 9 réteg PST-ből, amelyek vastagsága 38,6 µm volt. Mindkét esetben a belső PST réteget 2,05 µm vastag platinaelektródák közé helyeztük. Ezen MLC-k kialakítása azt feltételezi, hogy a PST-k 55%-a aktív, ami megfelel az elektródák közötti résznek (1. kiegészítő megjegyzés). Az aktív elektród területe 48,7 mm2 volt (5. kiegészítő táblázat). Az MLC PST-t szilárd fázisú reakcióval és öntési módszerrel állítottuk elő. Az előkészítési folyamat részleteit egy korábbi cikkben14 ismertettük. Az egyik különbség a PST MLC és az előző cikk között a B-helyek sorrendje, ami nagyban befolyásolja az EC teljesítményét a PST-ben. A PST MLC B-helyeinek sorrendje 0,75 (2. kiegészítő megjegyzés), amelyet 1400 °C-on végzett szintereléssel, majd több száz órás hőkezeléssel 1000 °C-on kapunk. A PST MLC-vel kapcsolatos további információkért lásd az 1-3. kiegészítő megjegyzéseket és az 5. kiegészítő táblázatot.
A tanulmány fő koncepciója az Olson-cikluson alapul (1. ábra). Egy ilyen ciklushoz szükségünk van egy hideg-meleg tartályra, valamint egy olyan tápegységre, amely képes figyelni és szabályozni a különböző MLC modulok feszültségét és áramát. Ezek a közvetlen ciklusok két különböző konfigurációt használtak, nevezetesen (1) a Linkam modulok egy Keithley 2410 áramforráshoz csatlakoztatott MLC-t melegítenek és hűtöttek, és (2) három prototípust (HARV1, HARV2 és HARV3) párhuzamosan ugyanazzal az energiaforrással. Ez utóbbi esetben a két tartály (hideg és meleg) és az MLC közötti hőcseréhez dielektromos folyadékot (25 °C-on 5 cP viszkozitású szilikonolaj, a Sigma Aldrich cégtől vásároltunk) használtak. A termikus tartály egy dielektromos folyadékkal töltött üvegtartályból áll, amely a hőlemez tetején van elhelyezve. A hidegtároló vízfürdőből áll, dielektromos folyadékot tartalmazó folyadékcsövekkel egy vízzel és jéggel teli nagy műanyag tartályban. Két háromutas szorítószelepet (a Bio-Chem Fluidicstól vásároltunk) helyeztek el a kombájn mindkét végén, hogy megfelelően váltsák át a folyadékot az egyik tartályból a másikba (2a. ábra). A PST-MLC csomag és a hűtőfolyadék közötti hőegyensúly biztosítása érdekében a ciklusidőt meghosszabbították, amíg a bemeneti és kimeneti hőelemek (a PST-MLC csomaghoz lehető legközelebb) azonos hőmérsékletet mutattak. A Python szkript kezeli és szinkronizálja az összes műszert (forrásmérőket, szivattyúkat, szelepeket és hőelemeket) a megfelelő Olson-ciklus futtatása érdekében, azaz a hűtőfolyadék hurok ciklusba kezd a PST-kötegben, miután a forrásmérő feltöltődött, hogy a kívánt értékre melegedjenek fel. adott Olson-ciklusra alkalmazott feszültség.
Alternatív megoldásként az összegyűjtött energia direkt méréseit közvetett módszerekkel is megerősítettük. Ezek az indirekt módszerek elektromos elmozdulás (D) – elektromos tér (E) térhurkokon alapulnak, amelyeket különböző hőmérsékleteken gyűjtenek össze, és két DE hurok közötti terület kiszámításával pontosan meg lehet becsülni, hogy mennyi energia gyűjthető össze, amint az az ábrán látható. . ábrán 2. .1b. Ezeket a DE hurkokat szintén Keithley-forrásmérők segítségével gyűjtik össze.
Huszonnyolc 1 mm vastag PST MLC-t állítottunk össze egy 4 soros, 7 oszlopos párhuzamos lemezszerkezetben a referenciában leírt terv szerint. 14. A PST-MLC sorok közötti folyadékhézag 0,75 mm. Ezt úgy érik el, hogy kétoldalas szalagcsíkokat helyeznek el folyékony távtartóként a PST MLC szélei körül. A PST MLC elektromosan párhuzamosan csatlakozik egy ezüst epoxi hídhoz, amely érintkezik az elektródák vezetékeivel. Ezt követően ezüst epoxigyantával vezetékeket ragasztottak az elektróda kivezetéseinek mindkét oldalára a tápellátáshoz való csatlakozáshoz. Végül helyezze be a teljes szerkezetet a poliolefin tömlőbe. Ez utóbbit a folyadékcsőre ragasztják a megfelelő tömítés érdekében. Végül a PST-MLC szerkezet mindkét végébe 0,25 mm vastag K-típusú hőelemeket építettek a bemeneti és kimeneti folyadék hőmérsékletének figyelésére. Ehhez a tömlőt először perforálni kell. A hőelem felszerelése után vigye fel ugyanazt a ragasztót, mint korábban, a hőelem tömlője és a vezeték közé a tömítés helyreállításához.
Nyolc különálló prototípus készült, amelyek közül négyben 40 darab 0,5 mm vastag MLC PST volt elosztva párhuzamos lemezként 5 oszloppal és 8 sorral, a maradék négyben pedig egyenként 15 1 mm vastag MLC PST. 3 oszlopos × 5 soros párhuzamos lemezszerkezetben. A felhasznált PST MLC teljes száma 220 volt (160 0,5 mm vastag és 60 PST MLC 1 mm vastag). Ezt a két alegységet HARV2_160-nak és HARV2_60-nak nevezzük. A HARV2_160 prototípus folyadékrés két kétoldalas, 0,25 mm vastag szalagból áll, amelyek között egy 0,25 mm vastag huzal található. A HARV2_60 prototípus esetében megismételtük ugyanezt az eljárást, de 0,38 mm vastag huzallal. A szimmetria érdekében a HARV2_160 és HARV2_60 saját folyadékkörrel, szivattyúval, szeleppel és hideg oldallal rendelkezik (8. kiegészítő megjegyzés). Két HARV2 egység egy hőtárolón, egy 3 literes tartályon (30 cm x 20 cm x 5 cm) osztozik két forgó mágneses főzőlapon. Mind a nyolc egyedi prototípus elektromosan párhuzamosan van csatlakoztatva. A HARV2_160 és HARV2_60 alegységek egyidejűleg működnek az Olson-ciklusban, ami 11,2 J energiagyűjtést eredményez.
Helyezzen 0,5 mm vastag PST MLC-t egy poliolefin tömlőbe, kétoldalas ragasztószalaggal és huzallal mindkét oldalon, hogy helyet biztosítson a folyadék áramlásának. Kis mérete miatt a prototípust egy meleg vagy hideg tartályszelep mellé helyezték el, minimalizálva a ciklusidőket.
A PST MLC-ben állandó elektromos mezőt alkalmaznak úgy, hogy állandó feszültséget kapcsolnak a fűtési ágra. Ennek eredményeként negatív hőáram keletkezik, és energia tárolódik. A PST MLC felmelegítése után a mező eltávolításra kerül (V = 0), és a benne tárolt energia visszakerül a forrásszámlálóba, ami az összegyűjtött energia eggyel több hozzájárulásának felel meg. Végül V = 0 feszültség mellett az MLC PST-ket a kezdeti hőmérsékletükre hűtik, hogy a ciklus újraindulhasson. Ebben a szakaszban az energia nem gyűjthető. Az Olsen-ciklust egy Keithley 2410 SourceMeter segítségével futtattuk le, a PST MLC-t feszültségforrásról töltöttük, és az aktuális egyezést a megfelelő értékre állítottuk, hogy a töltési fázis során elegendő pontot gyűjtsünk a megbízható energiaszámításokhoz.
A Stirling-ciklusokban a PST MLC-ket feszültségforrás üzemmódban töltötték fel egy kezdeti elektromos térértéken (a kezdeti feszültség Vi > 0), a kívánt megfelelő áramerősség mellett, így a töltési lépés körülbelül 1 másodpercig tart (és elegendő pontot gyűjtenek össze a az energia) és a hideg hőmérséklet. A Stirling-ciklusokban a PST MLC-ket feszültségforrás üzemmódban töltötték fel egy kezdeti elektromos térértéken (a kezdeti feszültség Vi > 0), a kívánt megfelelő áramerősség mellett, így a töltési lépés körülbelül 1 másodpercig tart (és elegendő pontot gyűjtenek össze a az energia) és a hideg hőmérséklet. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электриначелкоя > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное колисточе) а энергия) és холодная температура. A Stirling PST MLC ciklusokban feszültségforrás üzemmódban az elektromos tér kezdeti értékén (Vi > 0 kezdeti feszültség), a kívánt folyási áramon töltötték fel őket úgy, hogy a töltési fokozat kb. 1 s (és kellő számú) pontokat gyűjtenek a megbízható energiaszámításért) és a hideg hőmérsékletet.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（初始电压ﺌ）兵电压Vi > 0）充电压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. A mesterciklusban a PST MLC a kezdeti elektromos térértéken (Vi > 0 kezdeti feszültség) töltődik feszültségforrás üzemmódban, így a szükséges megfelelő áram körülbelül 1 másodpercig tart a töltési lépéshez (és elég pontot gyűjtöttünk ahhoz, hogy megbízhatóan kiszámítja (energia) és alacsony hőmérsékletet. В цике стинга pST mlc заржж ж е р риме источника ение vi> 0), тебеый т податлálat az тоыы надежно раситать энергию) и нзие темературы . A Stirling-ciklusban a PST MLC feszültségforrás üzemmódban az elektromos mező kezdeti értékével (kezdeti feszültség Vi > 0) töltődik, a szükséges megfelelő áramerősség olyan, hogy a töltési szakasz körülbelül 1 másodpercig tart (és elegendő számú pontokat gyűjtenek az energia megbízható kiszámításához) és az alacsony hőmérsékletek .Mielőtt a PST MLC felmelegszik, nyissa meg az áramkört I = 0 mA illesztőáram alkalmazásával (a mérőforrásunk által kezelhető minimális illesztőáram 10 nA). Ennek eredményeként töltés marad az MJK PST-jében, és a feszültség nő, ahogy a minta felmelegszik. A BC karban nem gyűjtenek energiát, mert I = 0 mA. A magas hőmérséklet elérése után az MLT FT feszültsége megnő (néhány esetben több mint 30-szorosára, lásd a 7.2. további ábrát), az MLK FT lemerül (V = 0), és ugyanennyi ideig elektromos energia tárolódik bennük. mivel ezek a kezdeti töltés. Ugyanaz az aktuális megfelelés kerül vissza a mérőforrásba. A feszültségerősítés miatt a magas hőmérsékleten tárolt energia nagyobb, mint a ciklus elején biztosított. Következésképpen az energiát a hő elektromos árammá alakításával nyerik.
Keithley 2410 SourceMetert használtunk a PST MLC-re alkalmazott feszültség és áram figyelésére. A megfelelő energiát a Keithley-féle forrásmérő által leolvasott feszültség és áram szorzatának integrálásával számítjuk ki, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas)}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), ahol τ a periódus periódusa. Az energiagörbénkön a pozitív energiaértékek azt az energiát jelentik, amelyet az MLC PST-nek kell adnunk, a negatív értékek pedig a belőlük kivont energiát, és így a kapott energiát. Egy adott gyűjtési ciklus relatív teljesítményét úgy határozzuk meg, hogy az összegyűjtött energiát elosztjuk a teljes ciklus τ periódusával.
Minden adat a fő szövegben vagy a kiegészítő információkban található. A leveleket és az anyagok iránti kérelmeket a cikkben szereplő AT vagy ED adatok forrásához kell irányítani.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC. Áttekintés a termoelektromos mikrogenerátorok fejlesztéséről és alkalmazásáról energiagyűjtésre. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC. Áttekintés a termoelektromos mikrogenerátorok fejlesztéséről és alkalmazásáról energiagyűjtésre.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO és Henao, NC. Áttekintés a termoelektromos mikrogenerátorok fejlesztéséről és alkalmazásáról energiagyűjtésre. 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 és Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO és Henao, NC fontolgatja termoelektromos mikrogenerátorok kifejlesztését és alkalmazását energiagyűjtésre.önéletrajz. támogatás. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaikus anyagok: jelenlegi hatékonyság és jövőbeli kihívások. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaikus anyagok: jelenlegi hatékonyság és jövőbeli kihívások.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. és Sinke, VK Fotovoltaikus anyagok: jelenlegi teljesítmény és jövőbeli kihívások. 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 Napelemek: jelenlegi hatékonyság és jövőbeli kihívások.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. és Sinke, VK Fotovoltaikus anyagok: jelenlegi teljesítmény és jövőbeli kihívások.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Összekapcsolt piro-piezoelektromos effektus saját tápellátású egyidejű hőmérséklet- és nyomásérzékeléshez. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunktív piro-piezoelektromos effektus saját tápellátású egyidejű hőmérséklet- és nyomásérzékeléshez.Song K., Zhao R., Wang ZL és Yan Yu. Kombinált piropiezoelektromos hatás a hőmérséklet és nyomás autonóm egyidejű mérésére. 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. A hőmérséklettel és nyomással egyidejűleg történő önellátáshoz.Song K., Zhao R., Wang ZL és Yan Yu. Kombinált termopiezoelektromos hatás a hőmérséklet és nyomás autonóm egyidejű mérésére.Előre. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energia betakarítás Ericsson piroelektromos ciklusokon alapuló relaxor ferroelektromos kerámiában. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energia betakarítás Ericsson piroelektromos ciklusokon alapuló relaxor ferroelektromos kerámiában.Sebald G., Prouvost S. és Guyomar D. Energia betakarítás piroelektromos Ericsson ciklusok alapján relaxor ferroelektromos kerámiában.Sebald G., Prouvost S. és Guyomar D. Energia betakarítás relaxor ferroelektromos kerámiában Ericsson piroelektromos kerékpározáson alapuló. Okos alma mater. szerkezet. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Következő generációs elektrokalorikus és piroelektromos anyagok szilárdtest-elektrotermikus energia interkonverzióhoz. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Következő generációs elektrokalorikus és piroelektromos anyagok szilárdtest-elektrotermikus energia interkonverzióhoz. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следенияпом образования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Következő generációs elektrokalorikus és piroelektromos anyagok szilárdtest-elektrotermikus energia interkonverzióhoz. 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 следенияпом образования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Következő generációs elektrokalorikus és piroelektromos anyagok szilárdtest-elektrotermikus energia interkonverzióhoz.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Szabvány és érdemi adat a piroelektromos nanogenerátorok teljesítményének számszerűsítésére. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Szabvány és érdemi adat a piroelektromos nanogenerátorok teljesítményének számszerűsítésére.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL és Yang, Yu. Szabvány- és minőségi pontszám a piroelektromos nanogenerátorok teljesítményének számszerűsítésére. 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 és Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL és Yang, Yu. Kritériumok és teljesítménymérők a piroelektromos nanogenerátor teljesítményének számszerűsítéséhez.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Electrocaloric cooling cycles in lead scandium tantalate with true regeneration via field variation. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Electrocaloric cooling cycles in lead scandium tantalate with true regeneration via field variation.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. and Mathur, ND Elektrokalorikus hűtési ciklusok ólom-szkandium-tantalátban valódi regenerációval terepi módosítással. 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. Tantál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. és Mathur, ND. A szkandium-ólom-tantalát elektrotermikus hűtési ciklusa a valódi regeneráció érdekében a mező megfordításán keresztül.fizika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalóriatartalmú anyagok ferroos fázisátmenetek közelében. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalóriatartalmú anyagok ferroos fázisátmenetek közelében.Moya, X., Kar-Narayan, S. and Mathur, ND Kalóriatartalmú anyagok ferroid fázisátmenetek közelében. 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. Termikus anyagok vaskohászat közelében.Moya, X., Kar-Narayan, S. és Mathur, ND. Termikus anyagok vas fázisátalakulások közelében.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kalóriatartalmú anyagok hűtéshez és fűtéshez. Moya, X. & Mathur, ND Kalóriatartalmú anyagok hűtéshez és fűtéshez.Moya, X. és Mathur, ND Termikus anyagok hűtéshez és fűtéshez. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料. Moya, X. & Mathur, ND Termikus anyagok hűtéshez és fűtéshez.Moya X. és Mathur ND Termikus anyagok hűtéshez és fűtéshez.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorikus hűtők: áttekintés. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorikus hűtők: áttekintés.Torello, A. és Defay, E. Elektrokalorikus hűtők: áttekintés. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论.Torello, A. és Defay, E. Elektrotermikus hűtők: áttekintés.Fejlett. elektronikus. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Az elektrokalorikus anyagok óriási energiahatékonysága magasan rendezett szkandium-szkandium-ólomban. Nemzeti kommunikálni. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Az oxid többrétegű kondenzátorok elektrotermikus hatása széles hőmérsékleti tartományban nagy. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Hatalmas hőmérséklet-tartomány az elektrotermikus regenerátorokban. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Nagy teljesítményű szilárdtest elektrotermikus hűtőrendszer. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaszkád elektrotermikus hűtőberendezés nagy hőmérséklet-emelkedéshez. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Nagy hatékonyságú közvetlen hőátalakítás elektromos energiával kapcsolatos piroelektromos mérések. Olsen, RB & Brown, DD Hő nagy hatékonyságú közvetlen átalakítása elektromos energiával kapcsolatos piroelektromos mérések.Olsen, RB és Brown, DD Rendkívül hatékony közvetlen hőátalakítás elektromos energiává piroelektromos mérésekkel összefüggésben. 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 és Brown, DD A hő hatékony közvetlen átalakítása villamos energiává piroelektromos mérésekkel együtt.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energia- és teljesítménysűrűség vékony relaxor ferroelektromos filmekben. Nemzeti alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaszkádos piroelektromos átalakítás: a ferroelektromos fázisátalakulások és az elektromos veszteségek optimalizálása. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaszkádos piroelektromos átalakítás: a ferroelektromos fázisátalakulások és az elektromos veszteségek optimalizálása.Smith, AN és Hanrahan, BM. Kaszkádos piroelektromos átalakítás: ferroelektromos fázisátalakulás és elektromos veszteségoptimalizálás. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗. Smith, AN és Hanrahan, BMSmith, AN és Hanrahan, BM. Kaszkádos piroelektromos átalakítás: ferroelektromos fázisátalakulások és elektromos veszteségek optimalizálása.J. Jelentkezés. fizika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Ferroelektromos anyagok használata hőenergia elektromos árammá alakítására. folyamat. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaszkádos piroelektromos energiaátalakító. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaszkádos piroelektromos energiaátalakító.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM és 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 és Dullea, J. Kaszkádos piroelektromos áramátalakítók.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Az ólom-scandium tantalate szilárd oldatokról nagy elektrokalória hatással. Shebanov, L. & Borman, K. Az ólom-scandium tantalate szilárd oldatokról nagy elektrokalória hatással.Shebanov L. és Borman K. Az ólom-szkandium-tantalát szilárd oldatairól, amelyek nagy elektrokalória hatásúak. 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. és Borman K. A nagy elektrokalória hatású szkandium-ólom-szkandium szilárd oldatokról.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Köszönjük N. Furusawának, Y. Inoue-nak és K. Hondának az MLC létrehozásában nyújtott segítségét. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB és ED Köszönet a Luxemburgi Nemzeti Kutatási Alapítványnak (FNR), hogy a CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-en keresztül támogatta ezt a munkát. Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay és BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Anyagkutatási és Technológiai Osztály, Luxembourg Institute of Technology (LIST), Belvoir, Luxembourg