A fenntartható villamosenergia -források kínálása a század egyik legfontosabb kihívása. Az energiatermelő anyagok kutatási területei ebből a motivációból fakadnak, beleértve a Thermoelectric1, a Photovoltaic2 és a Thermophotovoltaics3. Noha hiányoznak olyan anyagok és eszközök, amelyek képesek energiát betakarítani a Joule -tartományban, a piroelektromos anyagokat, amelyek az elektromos energiát periodikus hőmérsékleti változásokká alakítják, érzékelőknek tekintik4 és az energia betakarítók 5,6,7. Itt kifejlesztettünk egy makroszkopikus termikus energiatermelőt többrétegű kondenzátor formájában, amely 42 gramm ólom -scandium -tantalátból készül, és 11,2 J elektromos energiát termel a termodinamikai ciklusonként. Minden piroelektromos modul ciklusonként 4,43 J cm-3 elektromos energia sűrűségét generálhatja. Megmutatjuk azt is, hogy két 0,3 g súlyú ilyen modul elegendő ahhoz, hogy folyamatosan táplálja az autonóm energiatermelőket beágyazott mikrovezérlőkkel és hőmérséklet -érzékelőkkel. Végül megmutatjuk, hogy a 10 K hőmérsékleti tartományban ezek a többrétegű kondenzátorok elérhetik a 40% -os Carnot hatékonyságot. Ezeket a tulajdonságokat (1) a nagy hatékonyságú ferroelektromos fázisváltozásnak, (2) alacsony szivárgási áramnak köszönhető, hogy megakadályozzák a veszteségeket, és (3) nagy bontási feszültség. Ezek a makroszkopikus, skálázható és hatékony piroelektromos energia -betakarítók újragondolják a hőelektromos energiatermelést.
A hőelektromos anyagokhoz szükséges térbeli hőmérsékleti gradienshez képest a hőelektromos anyagok energia betakarításához az idő múlásával hőmérsékleti ciklus szükséges. Ez egy termodinamikai ciklust jelent, amelyet a legjobban az entrópia (S)-hőmérséklet (T) diagram ír le. Az 1a. Ábra egy nemlineáris piroelektromos (NLP) anyag tipikus ST-diagramját mutatja, amely a Scandium Lead Tantalate-ban (PST) egy mezővezérelt ferroelektromos-paraelektromos fázisátmenetet mutat. A ciklus kék és zöld szakaszai az ST -diagramon megfelelnek az OLSON ciklus konvertált elektromos energiájának (két izotermikus és két izopol szakasz). Itt két ciklust vesszük figyelembe, ugyanazzal az elektromos mezőváltozással (be- és kikapcsoló mező) és a hőmérséklet -változás Δt, bár különböző kezdeti hőmérsékletekkel. A zöld ciklus nem a fázisátmeneti régióban helyezkedik el, így sokkal kisebb területe van, mint a fázisátmeneti régióban található kék ciklus. Az ST diagramban minél nagyobb a terület, annál nagyobb az összegyűjtött energia. Ezért a fázisátmenetnek több energiát kell gyűjtenie. Az NLP-ben a nagy terület kerékpározásának szükségessége nagyon hasonló az elektrotermikus alkalmazások szükségességéhez 9, 10, 11, 12, ahol a PST többrétegű kondenzátorok (MLC) és a PVDF-alapú terpolimerek nemrégiben kiváló fordított teljesítményt mutattak. A hűtési teljesítmény állapota a 13,14,15,16 ciklusban. Ezért azonosítottuk az érdeklődésre számot tartó PST MLC -ket a termikus energia betakarításához. Ezeket a mintákat teljes mértékben leírták a módszerekben, és az 1. kiegészítő megjegyzésekben (pásztázó elektronmikroszkópia), 2 (röntgendiffrakció) és 3 (kalorimetria) jellemezték.
A, Az entrópia (S)-hőmérsékleti (T) diagram vázlata, amelynek elektromos mezője be- és kikapcsol, az NLP anyagokra alkalmazva, a fázisátmeneteket. Két energiaszedési ciklus két különböző hőmérsékleti zónában jelenik meg. A kék és a zöld ciklusok a fázisátmenet belsejében és kívül, és a felület nagyon különböző régióiban végződnek. B, két de PST MLC Unipolar gyűrű, 1 mm vastag, 0 és 155 kV cm-1 között, 20 ° C-on és 90 ° C-on, valamint a megfelelő Olsen ciklusok között. Az ABCD betűk az Olson -ciklus különböző állapotaira utalnak. AB: Az MLC-ket 155 kV cm-1-re töltöttük 20 ° C-on. BC: Az MLC-t 155 kV cm-1-en tartottuk, és a hőmérsékletet 90 ° C-ra emeltük. CD: MLC kisülése 90 ° C -on. DA: MLC 20 ° C -ra hűtve nulla mezőben. A kék terület megfelel a ciklus elindításához szükséges bemeneti teljesítménynek. A narancssárga terület az egy ciklusban összegyűjtött energia. C, a felső panel, a feszültség (fekete) és az áram (piros) és az idő, ugyanazon Olson -ciklus során nyomon követve, mint b. A két betét a feszültség és az áram amplifikációját képviseli a ciklus kulcsfontosságú pontjain. Az alsó panelen a sárga és a zöld görbék a megfelelő hőmérsékleti és energiagörbéket képviselik 1 mm vastag MLC -nél. Az energiát a felső panelen lévő áram- és feszültséggörbékből számolják. A negatív energia megfelel az összegyűjtött energiának. A négy számban a nagybetűknek megfelelő lépések megegyeznek az Olson -ciklusban. Az AB'CD ciklus megfelel a Stirling ciklusnak (kiegészítő 7. megjegyzés).
ahol E és D az elektromos és az elektromos elmozdulási mező. Az ND közvetett módon nyerhető a DE áramkörből (1B. Ábra) vagy közvetlenül a termodinamikai ciklus elindításával. A leghasznosabb módszereket Olsen írta le a piroelektromos energia összegyűjtésével kapcsolatos úttörő munkájában az 1980S17 -ben.
Az 1. ábrán Az 1B két monopoláris DE hurkot mutat, 1 mm vastag PST-MLC mintát, amely 20 ° C-on és 90 ° C-on összeállt, 0–155 kV cm-1 tartományban (600 V). Ez a két ciklus felhasználható az 1a. Ábrán bemutatott OLSON -ciklus által összegyűjtött energia közvetett kiszámításához. Valójában az Olsen ciklus két izofield ágból áll (itt nulla mező a DA ágban és 155 kV cm-1 a BC ágban) és két izotermikus ágból (itt 20 ° с és 20 ° с az AB ágban). C a CD ágban) A ciklus során összegyűjtött energia megfelel a narancssárga és a kék régióknak (EDD Integral). Az összegyűjtött energia ND a bemeneti és a kimeneti energia közötti különbség, azaz csak a narancssárga terület. 1b. Ez a konkrét Olson-ciklus 1,78 J cm-3 energia sűrűségét eredményezi. A Stirling ciklus az Olson -ciklus alternatívája (7. kiegészítő megjegyzés). Mivel az állandó töltési szakasz (nyitott áramkör) könnyebben elérhető, az 1B. Ábrából (AB'CD ciklus) kinyert energia sűrűség eléri az 1,25 J cm-3-at. Ez csak 70% -a az Olson -ciklus gyűjtésére, de az egyszerű betakarító berendezések ezt megteszik.
Ezenkívül közvetlenül mértük az OLSON -ciklus során összegyűjtött energiát azáltal, hogy a PST MLC -t egy Linkam hőmérséklet -szabályozó szakasz és egy forrásmérő (módszer) felhasználásával tápláltuk. Az 1C. Ábra a tetején és a megfelelő betétekben az ugyanazon 1 mm vastag PST MLC -en összegyűjtött áram (piros) és feszültséget (fekete) mutatja, mint az ugyanazon Olson -cikluson átmenő de huroknál. Az áram és a feszültség lehetővé teszi az összegyűjtött energia kiszámítását, és a görbéket az ábra mutatja. 1c, alsó (zöld) és hőmérséklet (sárga) a ciklus során. Az ABCD betűk ugyanazt az Olson -ciklust képviselik az 1. ábrán. Az MLC töltés az AB láb alatt történik, és alacsony árammal (200 µA) végzik, így a Sourcemeter megfelelően képes vezérelni a töltést. Ennek az állandó kezdeti áramnak az a következménye, hogy a feszültséggörbe (fekete görbe) nem lineáris a nemlineáris potenciál elmozdulási mező miatt (1C ábra, felső beillesztés). A töltés végén 30 MJ elektromos energiát tárolnak az MLC -ben (B pont). Az MLC ezután felmelegszik, és negatív áramot (és ezért negatív áramot) állítanak elő, míg a feszültség 600 V -os marad. Ezután csökkentjük az MLC (ág CD) feszültségét, ami további 60 MJ elektromos munkát eredményez. A teljes kimeneti energia 95 MJ. Az összegyűjtött energia a bemeneti és a kimeneti energia közötti különbség, amely 95 - 30 = 65 MJ -t eredményez. Ez megfelel az 1,84 J cm-3 energia-sűrűségnek, amely nagyon közel áll a DE gyűrűből származó ND-hez. Ennek az Olson -ciklusnak a reprodukálhatóságát széles körben tesztelték (4. kiegészítő megjegyzés). A feszültség és a hőmérséklet további növelésével 4,43 J cm-3-at értünk el Olsen ciklusok felhasználásával 0,5 mm vastag PST MLC-ben 750 V (195 kV cm-1) és 175 ° C hőmérsékleti tartományban (5. kiegészítő megjegyzés). Ez négyszer nagyobb, mint az irodalomban a közvetlen Olson-ciklusokhoz közölt legjobb teljesítmény, és a PB (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3) 18 (cm. Km. Táblázat. 1. sz. Táblázatának több értékét az irodalom több értékére kapta). Ezt a teljesítményt elérték ezen MLC -k nagyon alacsony szivárgási árama miatt (<10–7 A 750 V és 180 ° C -on, lásd a 6. kiegészítő megjegyzés részleteit) - egy kritikus pont, amelyet Smith és munkatársai említenek. Ezt a teljesítményt elérték ezen MLC -k nagyon alacsony szivárgási árama miatt (<10–7 A 750 V és 180 ° C -on, lásd a 6. kiegészítő megjegyzés részleteit) - egy kritikus pont, amelyet Smith és munkatársai említenek. Эти характеристики ыи оттигнуы багодаря чень низом то течи эи с с с с с п п п п п п п с п п с п с п с с п п с с. в оолнителном примечаниmány 6) - критичесий момент, уомнуый ситом и и и и. 19 - в о оичие о к материалам, ипозueнанныы в б лene раннnkх ислueнаних17,20. Ezeket a tulajdonságokat ezen MLC -k nagyon alacsony szivárgási árama miatt sikerült elérni (<10–7 A 750 V és 180 ° C -on, lásd a 6. kiegészítő megjegyzést a részletekért) - egy kritikus pont, amelyet Smith et al. 19 - A korábbi vizsgálatokban használt anyagokkal ellentétben17,20.由于这些 MLC 的泄漏电流非常低（在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 6 中的详细信息）））））） 等人 19 提到的关键点 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 说明 说明 6 详细 信息 信息））））） 人 提到 关键 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 点 点 点 点 点 点 点 点 点 相比之下 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 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17.20。 Посол то уечи этих mlc чень низий (<10–7 а при 750 и и 180 ° C, с. кевой момент, уомнуыйый ситом и и. 19 - л сравнения, ыии оостигнуы эти характеристики. Mivel ezeknek az MLC -knek a szivárgási árama nagyon alacsony (<10–7 A 750 V és 180 ° C -on, lásd a 6. kiegészítő megjegyzést a részletekért) - Smith et al. 19 - Összehasonlításképpen, ezeket az előadásokat sikerült elérni.a korábbi vizsgálatokban felhasznált anyagokhoz 17,20.
Ugyanazok a feltételek (600 V, 20–90 ° C) vonatkoznak a Stirling ciklusra (7. kiegészítő megjegyzés). Amint a DE ciklus eredményeiből várható, a hozam 41,0 MJ volt. A Stirling ciklusok egyik legszembetűnőbb tulajdonsága az, hogy képesek a kezdeti feszültséget a hőelektromos hatás révén erősíteni. Megfigyeltük a feszültségnövekedést legfeljebb 39 -ig (a kezdeti 15 V -os feszültségtől a végfeszültségig, legfeljebb 590 V -ig, lásd a kiegészítő 7.2. Ábrát).
Ezen MLC -k másik megkülönböztető tulajdonsága az, hogy olyan makroszkopikus tárgyak, amelyek elég nagyok ahhoz, hogy energiát gyűjtsenek a Joule -tartományban. Ezért egy 28 mlc PST 1 mm vastag prototípus (Harv1) prototípusát (Harv1) készítettük, ugyanazt a párhuzamos lemez kialakítását követve, amelyet Torello és mtsai. Gyűjtsön össze legfeljebb 3,1 j -t a 2. ábrán ismertetett OLSON ciklus segítségével. 2A, izotermikus régiók 10 ° C-on és 125 ° C-on, és az izofield régiók 0 és 750 V-os (195 kV cm-1). Ez megfelel a 3,14 J cm-3 energia sűrűségének. Ennek a kombinációnak a felhasználásával a méréseket különféle körülmények között végeztük (2B. Ábra). Vegye figyelembe, hogy 1,8 J-t 80 ° C hőmérsékleti tartományban és 600 V feszültség (155 kV cm-1) feszültségen kaptunk. Ez jó egyetértésben van a korábban említett 65 MJ -vel 1 mm vastag PST MLC -vel azonos körülmények között (28 × 65 = 1820 MJ).
A, egy összeállított Harv1 prototípus kísérleti beállítása 28 MLC PST -en alapul, 1 mm vastag (4 sor × 7 oszlop), amely az OLSON ciklusokon fut. A négy ciklusos lépés mindegyikére a hőmérsékletet és a feszültséget a prototípus tartalmazza. A számítógép egy perisztaltikus szivattyút hajt, amely dielektromos folyadékot kering a hideg és a forró tartályok, a két szelep és az áramforrás között. A számítógép hőelemeket is használ a prototípushoz szállított feszültségről és áramról, valamint a kombájn hőmérsékletének a tápegységből történő gyűjtésére. B, az energia (szín), amelyet 4 × 7 mlc prototípusunk gyűjtött a hőmérsékleti tartomány (x tengely) és a feszültség (Y-tengely) ellen, különböző kísérletekben.
A Harvester (Harv2) nagyobb verziója, 60 PST MLC 1 mm vastag és 160 PST MLC 0,5 mm vastag (41,7 g aktív piroelektromos anyag) 11,2 J -t adott (8. kiegészítő megjegyzés). 1984-ben Olsen energiatermelőt készített 317 g ón-adalékolt PB (ZR, Ti) O3 vegyület alapján, amely képes 6,23 J villamos energiát termelni kb. 150 ° C hőmérsékleten (21. hivatkozás). Ehhez a kombájnhoz ez az egyetlen másik érték, amely a Joule tartományban elérhető. Alig több mint fele az elért értéknek és a minőség közel hétszeresének. Ez azt jelenti, hogy a Harv2 energia sűrűsége 13 -szor magasabb.
A Harv1 ciklus periódusa 57 másodperc. Ez 54 MW teljesítményt produkált 4 sor 7 oszlop 1 mm vastag MLC készletével. Egy lépéssel tovább haladva egy harmadik kombinációt (Harv3) építettünk egy 0,5 mm vastag PST MLC -vel és hasonló beállítással a Harv1 -hez és a Harv2 -hez (9. kiegészítő megjegyzés). Mérték a 12,5 másodperc hőkezelési időt. Ez megfelel a 25 másodperces ciklusidőnek (kiegészítő 9. ábra). Az összegyűjtött energia (47 MJ) 1,95 mW / mlc elektromos teljesítményt eredményez, ami viszont lehetővé teszi, hogy elképzeljük, hogy a Harv2 0,55 W -t (kb. Ezen túlmenően a Hőátvitelt véges elem szimulációval (COMSOL, 10. kiegészítő megjegyzés és 2–4. Táblázat) szimuláltuk, amely megfelel a Harv1 kísérleteknek. A véges elemmodellezés lehetővé tette a teljesítményértékek előrejelzését szinte nagyobb mértékű (430 mW) nagyságrenddel (430 mW) az azonos számú PST oszlopnál az MLC 0,2 mm -re történő elvékonyításával, a víz hűtőfolyadékként történő felhasználásával, és a mátrix 7 sorra történő visszaállításával. × 4 oszlopok (amellett, hogy 960 MW volt, amikor a tartály a kombájn mellett volt, kiegészítő 10b. Ábra).
A gyűjtő hasznosságának bemutatására egy Stirling ciklust alkalmaztak egy önálló demonstrátorra, amely mindössze két 0,5 mm vastag PST MLC-ből áll, hőgyűjtőként, nagy feszültségkapcsolóból, alacsony feszültségkapcsolóval, tároló kondenzátorral, DC/DC konverterrel, alacsony teljesítményű mikrokontrollerrel, két hőszíni és boost átalakítóval (kiegészítő megjegyzés). Az áramkör előírja, hogy a tároló kondenzátor kezdetben 9 V -os töltésű, majd önállóan fut, míg a két MLC hőmérséklete -5 ° C és 85 ° C között van, itt 160 s ciklusokban (több ciklus a 11. kiegészítő megjegyzésben látható). Figyelemre méltó, hogy két, csak 0,3 g súlyú MLC -k képesek önállóan irányítani ezt a nagy rendszert. Egy másik érdekes tulajdonság az, hogy az alacsony feszültségű konverter képes 400 V-ra 10-15 V-ra konvertálni 79% -os hatékonysággal (11. kiegészítő és 11.3. Ábra).
Végül kiértékeljük ezen MLC modulok hatékonyságát a hőkenergia elektromos energiává történő átalakításában. A hatékonyság η minőségi tényezőjét úgy definiáljuk, hogy az összegyűjtött elektromos energia nd sűrűségének és a mellékelt hő -qin sűrűségének aránya (12. kiegészítő megjegyzés):
A 3a., B. ábra az Olsen ciklus hatékonyságát és arányos hatékonyságát mutatja, a 0,5 mm vastag PST MLC hőmérsékleti tartományának függvényében. Mindkét adatkészletet 195 kV CM-1 elektromos mezőre adják. A hatékonyság \ (\ ez \) eléri az 1,43% -ot, ami megegyezik a ηR 18% -ával. Ugyanakkor a 10 K hőmérsékleti tartomány esetében 25 ° C és 35 ° C között ηr eléri az értékeket 40% -ig (kék görbe a 3b. Ábra). Ez kétszer ez a PMN-PT filmekben rögzített NLP-anyagok ismert értéke (ηr = 19%) 10 K és 300 kV cm-1 hőmérsékleti 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 fázisátmenetek hatékonyságának pozitív hatása a hatékonyságra kritikus jelentőségű. Valójában az η és ηr optimális értékeit szinte mind a kezdeti hőmérsékleten kapjuk, Ti = 25 ° C -on. 3a, b. Ennek oka a szoros fázisátmenet, ha nem alkalmaznak mezőt, és a Curie hőmérséklet TC körülbelül 20 ° C körül van ezekben az MLC -kben (13. kiegészítő megjegyzés).
A, B, az OLSON ciklus hatékonysága és arányos hatékonysága (A) \ ({\ ETA} _ {\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {\ rm {carnot}}} a 195 kv-1 és a különböző inicialis ti, {\ rm {carnot}}}}}} mezővel, amely a maximális elektromos elektromos árammal, 195 kv-1, és különböző inicialis, }} \, \) (B) az MPC PST -hez, 0,5 mm vastag, az ΔtSPAN hőmérsékleti intervallumától függően.
Ez utóbbi megfigyelésnek két fontos következménye van: (1) a tényleges kerékpározásnak a TC feletti hőmérsékleten kell kezdődnie a terep által indukált fázisátmenethez (a paraelektromos és a ferroelektromos); (2) Ezek az anyagok hatékonyabbak a TC közelében lévő futási időpontokban. Noha kísérleteinkben nagymértékű hatékonyság mutatkozik, a korlátozott hőmérsékleti tartomány nem teszi lehetővé a Carnot határ (\ (\ delta t/t \)) miatti nagy abszolút hatékonyság elérését. A PST MLC -k által bemutatott kiváló hatékonyság azonban igazolja Olsen -t, amikor megemlíti, hogy „egy ideális 20. osztályú regeneráló hőelektromos motor 50 ° C és 250 ° C közötti hőmérsékleten működhet, 30%-os hatékonyság”. Ezen értékek elérése és a koncepció tesztelése érdekében hasznos lenne a különféle TC -kkel rendelkező dopped PST -t használni, ahogyan a Sheanov és a Borman tanulmányozta. Megmutatták, hogy a TC a PST -ben 3 ° C -tól (SB dopping) 33 ° C -ig (TI -doping) változhat. Ezért feltételezzük, hogy a következő generációs piroelektromos regenerátorok adalékolt PST MLC -kkel vagy más, erős elsőrendű fázisátmenetet tartalmazó anyagok alapján versenyezhetnek a legjobb energiatermelőkkel.
Ebben a tanulmányban megvizsgáltuk a PST -ből készült MLC -ket. Ezek az eszközök PT és PST elektródok sorozatából állnak, amelyekkel több kondenzátor párhuzamosan van csatlakoztatva. A PST -t azért választották, mert kiváló EC anyag, és ezért potenciálisan kiváló NLP anyag. Éles elsőrendű ferroelektromos-paraelektromos fázis átmenetet mutat 20 ° C körül, jelezve, hogy az entrópia változásai hasonlóak az 1. ábrán bemutatotthoz. Hasonló MLC-ket teljes mértékben leírtak az EC13,14 eszközöknél. Ebben a tanulmányban 10,4 × 7,2 × 1 mm3 és 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ mlcs -t használtunk. Az 1 mm és 0,5 mm vastagságú MLC -ket 19 és 9 rétegű PST -ből készítettük, 38,6 μm vastagsággal. Mindkét esetben a belső PST réteget 2,05 μm vastag platina elektródok között helyeztük el. Ezen MLC -k kialakítása feltételezi, hogy a PST 55% -a aktív, ami megfelel az elektródák közötti résznek (1. kiegészítő megjegyzés). Az aktív elektróda területe 48,7 mm2 volt (5. kiegészítő táblázat). Az MLC PST -t szilárd fázisú reakcióval és casting módszerrel állítottuk elő. Az előkészítési folyamat részleteit egy előző cikk ismertette. Az egyik különbség a PST MLC és az előző cikk között a B-helyek sorrendje, amely nagymértékben befolyásolja az EC teljesítményét a PST-ben. A PST MLC B-helyének sorrendje 0,75 (2. kiegészítő megjegyzés), amelyet 1400 ° C-on történő szintereléssel kapnak, majd több száz órás hosszúságú lágyítás 1000 ° C-on. A PST MLC-vel kapcsolatos további információkért lásd az 1-3. Kiegészítő megjegyzéseket és az 5. kiegészítő táblázatot.
A tanulmány fő fogalma az Olson cikluson alapul (1. ábra). Egy ilyen ciklushoz meleg és hideg tartályra és tápegységre van szükség, amely képes a feszültség és az áram ellenőrzésére és vezérlésére a különféle MLC modulokban. Ezek a közvetlen ciklusok két különböző konfigurációt használtak, nevezetesen (1) Linkam modulok fűtése és hűtése A Keithley 2410 tápellátáshoz csatlakoztatva, és (2) három prototípus (Harv1, Harv2 és Harv3) ugyanazon forrás energiával párhuzamosan. Az utóbbi esetben egy dielektromos folyadékot (szilikonolajat, amelynek viszkozitása 5 cp 25 ° C -on, a Sigma Aldrich -től vásárolt), a két rezervoár (meleg és hideg) és az MLC közötti hőcserére. A termikus tartály egy dielektromos folyadékkal töltött üvegtartályból áll, és a hőlap tetejére helyezve. A hidegtárolás egy vízfürdőből áll, amely dielektromos folyadékot tartalmaz egy nagy, vízzel és jéggel töltött műanyag tartályban. Két háromirányú csipetszelepet (a Bio-Chem Fluidics-től vásárolt) a kombájn mindkét végére helyeztünk, hogy a folyadék megfelelően váltson az egyik tartályról a másikra (2A. Ábra). A PST-MLC csomag és a hűtőfolyadék közötti termikus egyensúly biztosítása érdekében a ciklus periódusát addig meghosszabbítottuk, amíg a bemeneti és kimeneti hőelem (a lehető legközelebb a PST-MLC csomaghoz) ugyanazt a hőmérsékletet mutatta. A Python szkript az összes hangszert (forrásmérők, szivattyúk, szelepek és hőelemek) kezeli és szinkronizálja a megfelelő OLSON ciklus futtatásához
Alternatív megoldásként megerősítettük a gyűjtött energia közvetlen méréseit közvetett módszerekkel. Ezek a közvetett módszerek az elektromos elmozduláson alapulnak (D) - elektromos mező (E) mezőhurkok, amelyeket különböző hőmérsékleten gyűjtöttek, és a két hurok közötti terület kiszámításával pontosan meg lehet becsülni, hogy mekkora energiát lehet összegyűjteni, az ábrán látható módon. A 2. ábrán .1b. Ezeket a de hurkokat Keithley forrásmérőkkel is összegyűjtik.
Huszonnyolc 1 mm vastag PST MLC-t egy 4 soros, 7 oszlopos párhuzamos lemezszerkezetben szereltünk össze a referenciában leírt terv szerint. 14. A PST-MLC sorok közötti folyadékrés 0,75 mm. Ezt úgy érik el, hogy a PST MLC szélei körül kétoldalas szalagcsíkokat adnak folyékony távtartóként. A PST MLC elektromosan csatlakozik egy ezüst epoxi -híddal párhuzamosan, az elektróda vezetékeivel érintkezve. Ezt követően a vezetékeket ezüst epoxi gyantával ragasztottuk az elektróda csatlakozóinak mindkét oldalára, hogy csatlakozzanak a tápegységhez. Végül helyezze be a teljes szerkezetet a poliolefin tömlőbe. Ez utóbbit a folyadékcsőhöz ragasztják a megfelelő tömítés biztosítása érdekében. Végül 0,25 mm vastag K-típusú hőelemeket építettek be a PST-MLC szerkezet mindkét végébe, hogy megfigyeljék a bemeneti és kimeneti folyadék hőmérsékleteit. Ehhez a tömlőt először perforálni kell. A hőelem telepítése után alkalmazza ugyanazt a ragasztót, mint korábban a hőelem tömlő és a vezeték között a tömítés visszaállításához.
Nyolc különálló prototípust építettek, amelyek közül négy 40 0,5 mm vastag MLC PST -t oszlik el párhuzamos lemezekként 5 oszlop és 8 sor, és a fennmaradó négynek 15 1 mm vastag MLC PST -je volt. 3 oszlopos × 5 soros párhuzamos lemezszerkezetben. A felhasznált PST MLC -k teljes száma 220 (160 0,5 mm vastag és 60 PST MLC 1 mm vastag). Ezt a két alegységet a Harv2_160 és a Harv2_60 alegységnek hívjuk. A Harv2_160 prototípus folyékony rése két, 0,25 mm vastag kétoldalas szalagból áll, amelyek között 0,25 mm vastag huzal van. A Harv2_60 prototípushoz ugyanazt az eljárást megismételtük, de 0,38 mm vastag huzalt használunk. A szimmetria érdekében a Harv2_160 és a Harv2_60 saját folyadék áramkörökkel, szivattyúkkal, szelepekkel és hideg oldalukkal rendelkezik (8. kiegészítő megjegyzés). Két Harv2 egységgel rendelkezik egy 3 literes tartály (30 cm x 20 cm x 5 cm) hőtartályon, két forró lemezen forgó mágnesekkel. Mind a nyolc egyedi prototípus párhuzamosan elektromosan csatlakozik. A Harv2_160 és a Harv2_60 alegységek egyidejűleg működnek az Olson ciklusban, ami 11,2 -es energiatermelést eredményez.
Helyezze a 0,5 mm vastag PST MLC -t a poliolefin -tömlőbe kétoldalas szalaggal és huzalon mindkét oldalon, hogy a folyadék folyjon. Kis méretének köszönhetően a prototípust egy meleg vagy hideg tartály szelepe mellett helyezték el, minimalizálva a ciklusidőket.
A PST MLC -ben állandó elektromos mezőt alkalmaznak úgy, hogy állandó feszültséget alkalmaznak a fűtési ágra. Ennek eredményeként negatív termikus áramot generálnak, és az energiát tárolják. A PST MLC melegítése után a mezőt eltávolítják (v = 0), és a benne tárolt energiát visszajuttatják a forrásszámlálóba, amely megfelel az összegyűjtött energia további hozzájárulásának. Végül, a V = 0 feszültség alkalmazásával az MLC PST -ket a kezdeti hőmérsékletre lehűtik, hogy a ciklus újra elinduljon. Ebben a szakaszban az energiát nem gyűjtik. Az Olsen ciklust egy Keithley 2410 forrásméter segítségével futtattuk, és a PST MLC -t egy feszültségforrásból töltjük be, és az aktuális illesztést a megfelelő értékre állítva úgy, hogy a töltési szakaszban elegendő pontot gyűjtsünk a megbízható energiaszámításokhoz.
A Stirling ciklusokban a PST MLC -ket feszültségforrás üzemmódban töltöttük egy kezdeti elektromos mező értéken (kezdeti feszültség VI> 0), a kívánt megfelelési áramot, így a töltési lépés körülbelül 1 s -t vesz igénybe (és elegendő pontot gyűjt az energia megbízható kiszámításához) és a hideg hőmérséklethez. A Stirling ciklusokban a PST MLC -ket feszültségforrás üzemmódban töltöttük egy kezdeti elektromos mező értéken (kezdeti feszültség VI> 0), a kívánt megfelelési áramot, így a töltési lépés körülbelül 1 s -t vesz igénybe (és elegendő pontot gyűjt az energia megbízható kiszámításához) és a hideg hőmérséklethez. В циках стирлинга pst mlc заржалис в режиме источника напения при началном значениииотояояояояnke (началное напение Vi> 0), желаемом подаtter отаточное количество точек д надежного р чета энергия) и х холная терратура. A Stirling PST MLC ciklusokban a feszültségforrás üzemmódban töltötték őket az elektromos mező kezdeti értékén (a kezdeti feszültség VI> 0), a kívánt hozamáramot, így a töltési szakasz körülbelül 1 s -t vesz igénybe (és elegendő számot gyűjtünk egy megbízható energiaszámításhoz) és a hideghőmérsékletet.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。 A főciklusban a PST MLC -t a kezdeti elektromos mező értékén (a kezdeti feszültség VI> 0) töltik fel a feszültségforrás módban, így a szükséges megfelelési áram körülbelül 1 másodpercig tart a töltési lépésnél (és elegendő pontot gyűjtöttünk ahhoz, hogy megbízhatóan kiszámítsuk az energiát és az alacsony hőmérsékletet. В цике стирлинга pst mlc заржж ж е р име источника напения с н началны значением эекичичогánk (поо п п п п п п п п п пánk. напржение Vi> 0), тебеыйый то податлосостти таков, ччо ээап занимает оол оnk 1 с (и набирая д д д д д д titka. количество точек, ччоы надежно раситать энергию) и нзие темературы. A Stirling ciklusban a PST MLC -t a feszültségforrás üzemmódban töltik fel az elektromos mező kezdeti értékével (a kezdeti feszültség VI> 0), a szükséges megfelelési áram olyan, hogy a töltési szakasz körülbelül 1 s -t vesz igénybe (és elegendő számú pontot gyűjtenek az energia megbízható kiszámításához) és az alacsony hőmérsékletek.Mielőtt a PST MLC felmelegszik, nyissa meg az áramkört az I = 0 Ma megfelelő áram alkalmazásával (a mérési forrás minimális illesztési árama 10 NA). Ennek eredményeként az MJK PST -ben marad egy töltés, és a feszültség növekszik, amikor a minta felmelegszik. A BC karban nem gyűjtenek energiát, mert i = 0 mA. A magas hőmérséklet elérése után az MLT FT feszültsége növekszik (egyes esetekben több mint 30 -szor, lásd a további 7.2. Ugyanezt a jelenlegi levelezést visszajuttatják a mérőforráshoz. A feszültségnövekedés miatt a magas hőmérsékleten a tárolt energia magasabb, mint amit a ciklus elején biztosítottak. Következésképpen az energiát úgy kapjuk meg, hogy a hőt elektromos áramra alakítják.
A Keithley 2410 forrásterületét használtuk a PST MLC -re alkalmazott feszültség és áram ellenőrzésére. A megfelelő energiát úgy számítják ki, hogy a feszültség és az áram termékének integrálásával, Keithley forrásmérője, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {mérés)}} \ bal (t \ dight) {v {{{\ rm}}}} \ {{{\ rm}}} {{{\ rm}}} {{{\ rm}}. τ az időszak időszaka. Energiagörbünkön a pozitív energiaértékek azt a energiát jelentik, amelyet az MLC PST -nek kell adnunk, és a negatív értékek azt a energiát jelentik, amelyet tőlük kinyitunk, és ezért a kapott energiát. Az adott gyűjtési ciklus relatív teljesítményét úgy határozzuk meg, hogy az összegyűjtött energiát elosztják a teljes ciklus τ periódusával.
Az összes adatot a fő szövegben vagy további információkban mutatjuk be. Az anyagi leveleket és az anyagkérelmeket az e cikkhez mellékelt AT vagy ED adatok forrásához kell irányítani.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC A hőelektromos mikrogenerátorok fejlesztésének és alkalmazásának áttekintése az energia betakarítására. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC A hőelektromos mikrogenerátorok fejlesztésének és alkalmazásának áttekintése az energia betakarítására.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo és Henao, NC, áttekintés a termoelektromos mikrogenerátorok fejlesztéséről és alkalmazásáról az energia betakarítására. Ando Junior, OH, Maran, Alo és 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 fontolóra veszik a hőelektromos mikrogenerátorok fejlesztését és alkalmazását az energia betakarításához.folytatja. támogatás. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. és Sinke, WC fotovoltaikus anyagok: jelenlegi hatékonyság és jövőbeli kihívások. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. és 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. és Sinke, WC ： ： 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. és Sinke, WC Solar Materials: 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. Konjektált piro-piezoelektromos hatás az önellátó egyidejű hőmérséklethez és a nyomásérzékeléshez. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Conjunct Pyro-piezoelektromos hatás az önellátó egyidejű hőmérséklethez és a nyomásérzékeléshez.Song K., Zhao R., Wang ZL és Yan Yu. Kombinált piropiezoelektromos hatás a hőmérséklet és a 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. az önellátáshoz, a hőmérséklet és a nyomás ugyanakkor.Song K., Zhao R., Wang ZL és Yan Yu. Kombinált termopiezoelektromos hatás a hőmérséklet és a nyomás autonóm egyidejű mérésére.Előre. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. és Guyomar, D. Energia betakarítás Ericsson piroelektromos ciklusok alapján egy relaxor ferroelektromos kerámia. Sebald, G., Pruvost, S. és Guyomar, D. Energia betakarítás Ericsson piroelektromos ciklusok alapján egy relaxor ferroelektromos kerámia.Sebald G., Prouvost S. és Guyomar D. Energia betakarítás a piroelektromos Ericsson ciklusok alapján a relaxor ferroelektromos kerámiában.Sebald G., Prouvost S. és Guyomar D. Energia betakarítás a relaxor ferroelektromos kerámiában, az Ericsson piroelektromos kerékpározás alapján. Intelligens alma mater. szerkezet. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric és Pyroelektromos anyagok szilárdtest elektrotermikus energia interkonverziójára. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric és Pyroelektromos anyagok szilárdtest elektrotermikus energia interkonverziójára. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinsry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эектрокароричесие и пироэектричесие материjárási заимного преобразования тердотелной эектротермичесой энергиüntet. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Elektrocaloric és Pyroelektromos anyagok szilárdtest elektrotermikus energia interkonverziójára. 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-McKinsry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эектрокароричесие и пироэектричесие материjárási заимного преобразования тердотелной эектротермичесой энергиüntet. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Elektrocaloric és Pyroelektromos anyagok szilárdtest elektrotermikus energia interkonverziójára.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard és a meritfigura a piroelektromos nanogenerátorok teljesítményének számszerűsítésére. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard és a meritfigura a piroelektromos nanogenerátorok teljesítményének számszerűsítésére.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL és Yang, Yu. Standard 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 & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL és Yang, Yu. Kritériumok és teljesítménymutatók a piroelektromos nanogenerátor teljesítményének számszerűsítésére.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. és Mathur, ND elektrokalorikus hűtési ciklusok ólom -scandium -tantalátban, valódi regenerációval a terepi variáción keresztül. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. és Mathur, ND elektrokalorikus hűtési ciklusok ólom -scandium -tantalátban, valódi regenerációval a terepi variáción keresztül.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. és Mathur, ND elektrokalorikus hűtési ciklusok az ólom-szkandium-tantálban, valódi regenerációval terepi módosítással. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. és Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环 ， 通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. és Mathur, ND. Tantalum 酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. és Mathur, ND A scandium-ólom-tantate elektrotermikus hűtési ciklusa a valódi regenerációhoz a mező megfordításán keresztül.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. és Mathur, ND kalória anyagok a Ferroic fázisátmenetek közelében. Moya, X., Kar-Narayan, S. és Mathur, ND kalória anyagok a Ferroic fázisátmenetek közelében.Moya, X., Kar-Narayan, S. és Mathur, ND kalória anyagok a Ferroid fázisátmenetek közelében. Moya, X., Kar-Narayan, S. és Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. és Mathur, ND termikus anyagok a vasfém kohászat közelében.Moya, X., Kar-Narayan, S. és Mathur, ND termikus anyagok a vasfázisú átmenetek közelében.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. és Mathur, ND kalória anyagok hűtéshez és fűtéshez. Moya, X. és Mathur, ND kalória anyagok hűtéshez és fűtéshez.Moya, X. és Mathur, ND termikus anyagok hűtéshez és fűtéshez. Moya, X. és Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. és Mathur, ND termikus anyagok hűtéshez és fűtéshez.Moya X. és a Mathur és a Mathur ND hőkezelőanyagok a hűtéshez és a fűtéshez.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. és Defay, E. Elektrocalorikus hűtők: áttekintés. Torelló, A. és Defay, E. Elektrocalorikus hűtők: áttekintés.Torello, A. és Defay, E. Elektrocalorikus 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 anyag óriási energiahatékonysága a nagyon rendezett Scandium-Scandium-vezetékben. Nemzeti kommunikáció. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Az oxid többrétegű kondenzátorok elektrotermikus hatása nagy hőmérsékleti tartományban nagy. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Hatalmas hőmérsékleti tartomány az elektrotermikus regenerátorokban. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Nagyteljesítményű szilárdtest elektrotermikus hűtőrendszer. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaszkád elektrotermikus hűtőberendezés a nagy hőmérséklet -emelkedéshez. Nemzeti Energia 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD, nagy hatékonyságú, a hő közvetlen átalakítása elektromos energiával kapcsolatos piroelektromos mérésekké. Olsen, RB & Brown, DD, nagy hatékonyságú, a hő közvetlen átalakítása elektromos energiával kapcsolatos piroelektromos mérésekké.Olsen, RB és Brown, DD, a hőcserékhez a piroelektromos mérésekkel járó elektromos energiává vált. 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 hőcsökkentés hatékony közvetlen átalakítása a piroelektromos mérésekhez kapcsolódó villamos energiává.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energia és energia sűrűsége vékony relaxor ferroelektromos filmekben. Nemzeti Alma Mater. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM kaszkadált piroelektromos átalakítás: A ferroelektromos fázis átmenetének és az elektromos veszteségek optimalizálása. Smith, An & Hanrahan, BM kaszkadált piroelektromos átalakítás: A ferroelektromos fázis átmenetének és az elektromos veszteségek optimalizálása.Smith, AN és Hanrahan, BM kaszkadált piroelektromos átalakítás: ferroelektromos fázis átmenet és elektromos veszteség optimalizálás. Smith, An & Hanrahan, BM 级联热释电转换 ： 优化铁电相变和电损耗。 Smith, An & Hanrahan, BMSmith, AN és Hanrahan, BM kaszkadált piroelektromos átalakítás: A ferroelektromos fázis átmenetek és az elektromos veszteségek optimalizálása.J. Alkalmazás. fizika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR A ferroelektromos anyagok felhasználása a hőkenergia elektromosságra történő átalakításához. folyamat. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM és Dullea, J. Cascaded Pyroelektromos energia -átalakító. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM és Dullea, J. Cascaded Pyroelektromos energia -átalakító.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM és Dullea, J. Cascade Pyroelektromos Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM és Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM és Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM és Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Power Converters.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. és Borman, K. Az ólom-szkandium-tantalát szilárd oldatokról, amelyek nagy elektrokalorikus hatásúak. Shebanov, L. és Borman, K. Az ólom-szkandium-tantalát szilárd oldatokról, amelyek nagy elektrokalorikus hatásúak.Shebanov L. és Borman K., az ólom-szkandium-tantalát szilárd oldatairól, nagy elektrokalorikus hatással. Shebanov, L. és Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Sheanov, L. és Borman, K.Shebanov L. és Borman K. a Scandium-Lead-Scandium szilárd oldatokon, nagy elektrokalorikus hatással.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Köszönjük N. Furusawa, Y. Inoue és K. Honda segítségét az MLC létrehozásában. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB és ED a Luxembourg Nemzeti Kutatási Alapítványnak (FNR) köszönhetően, hogy támogatta ezt a munkát a Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay-Sieebentritt, Siebentritt, Siebentritt, Siebentritt révén. Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Anyagkutatási és Technológiai Tanszék, Luxembourg Technológiai Intézet (Lista), Belvoir, Luxembourg