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.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.Megmutatjuk azt is, hogy két 0,3 g súlyú ilyen modul elegendő ahhoz, hogy folyamatosan táplálja az autonóm energiatermelőket beágyazott mikrovezérlőkkel és hőmérséklet -érzékelőkkel.Ezeket a tulajdonságokat (1) a nagy hatékonyságú ferroelektromos fázisváltozásnak, (2) alacsony szivárgási áramnak köszönhető, hogy megakadályozzák a veszteségeket, és (3) nagy bontási feszültség.
A termoelektromos anyagokhoz szükséges térbeli hőmérsékleti gradienshez képest a termoelektromos anyagok energiagyűjtése időbeli hőmérsékleti ciklusokat igényel.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 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 fázisátmenetnek 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 az érdeklődésre számot tartó PST MLC -ket a termikus energia betakarításához.Ezeket a mintákat a módszerekben részletesen leírtuk, és az 1. (pásztázó elektronmikroszkópia), 2. (röntgendiffrakció) és 3. (kalorimetria) kiegészítő megjegyzésekkel jellemezték.
B, két de PST MLC unipoláris gyűrű, 1 mm vastag, 0 és 155 kV cm-1 között, 20 ° C-on és 90 ° C-on, és a megfelelő Olsen ciklusok között.AB: MLC-ket 155 kV cm-1-re töltöttünk 20 °C-on.CD: MLC kisül 90°C-on.DA: MLC 20°C-ra hűtve nulla mezőben.C, felső panel, feszültség (fekete) és áram (piros) az idővel, nyomon követve ugyanabban az Olson -ciklusban, 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.
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.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 megfelel a narancssárga és a kék régióknak (EDD Integral).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 fokozat (nyitott áramkör) könnyebben elérhető, az 1b. ábrán látható energiasűrűség (AB'CD ciklus) eléri az 1,25 J cm-3 értéket.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 a töltés ellenőrzésére.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 energiát tárolnak 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 teljesítménytermelve ezen az izofield alatt (az 1C. Ábrán, a második beillesztés, a tetején).A teljes kimenő energia 95 mJ.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 ). Table 1 for more values ​​in the literature). 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) - Smith és munkatársai által említett döntő pont - ezzel szemben - ezzel szemben a korábbi tanulmányokban használt anyagokhoz17,20. 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) - Smith és munkatársai által említett döntő pont - ezzel szemben - ezzel szemben a korábbi tanulmányokban használt anyagokhoz17,20. Эти характеристики ыи оттигнуы багодаря чень низом то течи э э с с с с п п п п п п п п с п с п п п п с с п п с с п с сánk. лнителном примечаниmány 6) - критичесий момент, уомнуыйый ситом 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，请参见补充说明6 中的详细信息）——Smith 等人19 提到的关键点——相比之下， 已经 达到 了 这 种 性能 到 早期 研究 使用 使用 的 材料 材料 17,20。 Посол то уечи этих mlc чень низий (<10–7 а при 750 и и ° C, с. н,, уоный ситом и д. 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.korábbi tanulmányokban használt 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).
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 the manifold is displaced by a peristaltic pump between two reservoirs where the fluid temperature is kept constant (method).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 hőelemekkel is gyűjt adatokat a prototípusra adott feszültségről és áramerősségről, valamint a kombájn tápegységről érkező hőmérsékletéről.B, az energia (szín), amelyet 4 × 7 mlc prototípusunk gyűjtött a hőmérsékleti tartomány (x tengely) és a feszültség (Y-tengely) ellen, 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).
A HARV1 ciklus időtartama 57 másodperc.Ez 54 MW teljesítményt produkált 4 sor 7 oszlop 1 mm vastag MLC készletével.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).Mérték a 12,5 másodperc hőkezelési időt.Ez megfelel a 25 másodperces ciklusidőnek (kiegészítő 9. 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 oszlopok (amellett, hogy 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. , a low power microcontroller, two thermocouples and boost converter (Supplementary Note 11).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). .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 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 ábrák az Olsen-ciklus η hatékonyságát és ηr arányos hatásfokot mutatják be egy 0,5 mm vastag PST MLC hőmérséklet-tartományának függvényében.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 fázisátalakulások hatékonyságra gyakorolt ​​pozitív hatásának felismerése kritikus.Valójában az η és ηr optimális értékeit szinte mindegyik a kezdeti hőmérsékleten kapja meg, Ti = 25 ° C -on.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 hatékonysága és arányos hatékonysága (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.
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-hez közeli futási időkben.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 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 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 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, amely nagymértékben 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 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 eszközt (forrásmérők, szivattyúk, szelepek és hőelemek) kezeli és szinkronizálja a megfelelő OLSON ciklus futtatásához adott Olson-ciklusra alkalmazott feszültség.
Alternatív megoldásként megerősítettük a gyűjtött energia közvetlen méréseit közvetett módszerekkel.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. .A 2. ábrán .1b.Ezeket a de hurkokat Keithley forrásmérőkkel is összegyűjtik.
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 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 folyadékcsőre ragasztják a megfelelő tömítés 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 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 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 energia számításokhoz.
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 > электричеплкоя 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное колисточест 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 电场值 （初始 电压 Vi> 0） 充电 所 需 的 顺应 使得 充电 大约 需要 需要 秒 并且 收集 了 足够 的 点 以 可靠 可靠 地 地 地 地 地 地 地 地 地 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 步骤 使得 使得 电流 使得 电流 电流 顺应 顺应 顺应 顺应能量） 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 заржжаетс в режиме источника напения с н н налоз зnkн н э э э э э эа а ж п п kódol ние vi> 0), тебеыйый то податливости таков, ччо ээап занимает о о szám 1 с ч ч ч ч ч ч чánk (набираmal сот,, чо ч ч ч ч ч чánk чо ч ч ч ч ч ч ч parancson ч ч ч ч ч ч ч parancson чо ч ч ч ч чánk. ы н надежно раситать энергию) и н зие 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 az I = 0 Ma megfelelő áram alkalmazásával (a mérési forrás minimális illesztési árama 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 növekszik (egyes esetekben több mint 30 -szor, lásd a további 7.2. mivel ezek a kezdeti töltés.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.
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.
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 & 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. 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. & 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. 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. 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 温度 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 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-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эектрокараричесие и иироэоэесо ánk д зоиобо погánk доиоinket. разования тердотелной эектротермичесой энергии. 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 能 相互 转换 转换 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 эектрокараричесие и иироэоэесо ánk д зоиобо погánk доиоinket. разования тердотелной эектротермичесой энергии. 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 ， ， ， 场 变化 实现 真正 真正 的。。。 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 热量 热量。。 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。。 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 nagy hőmérséklet-emelkedéshez.National Energy 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 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 & 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 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. 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. és Borman, K. 关于 具有 高电热 效应 的 钪铅 钪固。。 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. 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- Siebentritt, Thermodimat C20/MS/14718071/Defay and Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Anyagkutatási és Technológiai Tanszék, Luxembourg Technológiai Intézet (Lista), Belvoir, Luxembourg