Ponuka trvalo udržateľných zdrojov elektrickej energie je jednou z najdôležitejších výziev tohto storočia. Z tejto motivácie vychádzajú výskumné oblasti materiálov na získavanie energie, vrátane termoelektrických1, fotovoltaických2 a termofotovoltaických3. Hoci nám chýbajú materiály a zariadenia schopné zbierať energiu v rozsahu Joule, pyroelektrické materiály, ktoré dokážu premieňať elektrickú energiu na periodické zmeny teploty, sa považujú za senzory4 a energetické zberače5,6,7. Tu sme vyvinuli makroskopický zberač tepelnej energie vo forme viacvrstvového kondenzátora vyrobeného zo 42 gramov tantalátu olovnatého skandium, ktorý produkuje 11,2 J elektrickej energie na termodynamický cyklus. Každý pyroelektrický modul môže generovať hustotu elektrickej energie až 4,43 J cm-3 na cyklus. Ukážeme tiež, že dva takéto moduly s hmotnosťou 0,3 g stačia na nepretržité napájanie autonómnych zberačov energie so zabudovanými mikrokontrolérmi a teplotnými senzormi. Nakoniec ukážeme, že pre teplotný rozsah 10 K môžu tieto viacvrstvové kondenzátory dosiahnuť 40% Carnotovu účinnosť. Tieto vlastnosti sú spôsobené (1) feroelektrickou fázovou zmenou pre vysokú účinnosť, (2) nízkym zvodovým prúdom, aby sa zabránilo stratám, a (3) vysokým prierazným napätím. Tieto makroskopické, škálovateľné a efektívne pyroelektrické kombajny prepracúvajú výrobu termoelektrickej energie.
V porovnaní s priestorovým teplotným gradientom potrebným pre termoelektrické materiály si získavanie energie termoelektrických materiálov vyžaduje teplotné cykly v priebehu času. To znamená termodynamický cyklus, ktorý najlepšie vystihuje diagram entropie (S)-teplota (T). Obrázok la ukazuje typický ST graf nelineárneho pyroelektrického (NLP) materiálu demonštrujúceho poľom riadený feroelektricko-paraelektrický fázový prechod v tantaláte skandium olovnatém (PST). Modrá a zelená sekcia cyklu na ST diagrame zodpovedajú premenenej elektrickej energii v Olsonovom cykle (dve izotermické a dve izopólové sekcie). Tu uvažujeme dva cykly s rovnakou zmenou elektrického poľa (pole zapnuté a vypnuté) a zmenou teploty ΔT, aj keď s rôznymi počiatočnými teplotami. Zelený cyklus sa nenachádza v oblasti fázového prechodu, a preto má oveľa menšiu plochu ako modrý cyklus nachádzajúci sa v oblasti fázového prechodu. V ST diagrame platí, že čím väčšia plocha, tým väčšia zhromaždená energia. Preto musí fázový prechod zhromaždiť viac energie. Potreba cyklovania na veľkej ploche v NLP je veľmi podobná potrebe elektrotermálnych aplikácií9, 10, 11, 12, kde PST viacvrstvové kondenzátory (MLC) a terpolyméry na báze PVDF nedávno preukázali vynikajúci reverzný výkon. stav chladiaceho výkonu v cykle 13,14,15,16. Preto sme identifikovali PST MLC zaujímavé pre zber tepelnej energie. Tieto vzorky boli plne opísané v metódach a charakterizované v doplnkových poznámkach 1 (skenovacia elektrónová mikroskopia), 2 (röntgenová difrakcia) a 3 (kalorimetria).
a, Náčrt diagramu entropie (S)-teploty (T) so zapnutým a vypnutým elektrickým poľom aplikovaným na materiály NLP, ktoré ukazujú fázové prechody. Dva cykly zberu energie sú zobrazené v dvoch rôznych teplotných zónach. Modré a zelené cykly sa vyskytujú vo vnútri a mimo fázového prechodu a končia vo veľmi odlišných oblastiach povrchu. b, dva unipolárne krúžky DE PST MLC s hrúbkou 1 mm, merané medzi 0 a 155 kV cm-1 pri 20 °C, respektíve 90 °C, a zodpovedajúce Olsenove cykly. Písmená ABCD označujú rôzne stavy v Olsonovom cykle. AB: MLC boli nabité na 155 kV cm-1 pri 20 °C. BC: MLC sa udržiavala na 155 kV cm-1 a teplota sa zvýšila na 90 °C. CD: MLC sa vybíja pri 90 °C. DA: MLC ochladená na 20 °C v nulovom poli. Modrá oblasť zodpovedá príkonu potrebnému na spustenie cyklu. Oranžová oblasť je energia zhromaždená v jednom cykle. c, horný panel, napätie (čierna) a prúd (červená) v závislosti od času, sledované počas rovnakého Olsonovho cyklu ako b. Dve vložky predstavujú zosilnenie napätia a prúdu v kľúčových bodoch cyklu. Na spodnom paneli predstavujú žlté a zelené krivky zodpovedajúce teplotné a energetické krivky pre MLC s hrúbkou 1 mm. Energia sa vypočíta z prúdových a napäťových kriviek na hornom paneli. Záporná energia zodpovedá zhromaždenej energii. Kroky zodpovedajúce veľkým písmenám na štyroch číslach sú rovnaké ako v Olsonovom cykle. Cyklus AB'CD zodpovedá Stirlingovmu cyklu (doplnková poznámka 7).
kde E a D sú elektrické pole a pole elektrického posunu. Nd je možné získať nepriamo z obvodu DE (obr. 1b) alebo priamo spustením termodynamického cyklu. Najužitočnejšie metódy opísal Olsen vo svojej priekopníckej práci o zbere pyroelektrickej energie v osemdesiatych rokoch 20. storočia17.
Na obr. 1b ukazuje dve monopolárne DE slučky vzoriek PST-MLC s hrúbkou 1 mm zostavených pri 20 °C a 90 °C, v tomto poradí, v rozsahu 0 až 155 kV cm-1 (600 V). Tieto dva cykly možno použiť na nepriamy výpočet energie zhromaždenej Olsonovým cyklom znázorneným na obrázku 1a. V skutočnosti sa Olsenov cyklus skladá z dvoch izopolových vetiev (tu nulové pole vo vetve DA a 155 kV cm-1 vo vetve BC) a dvoch izotermických vetiev (tu 20°С a 20°С vo vetve AB) . C vo vetve CD) Energia získaná počas cyklu zodpovedá oranžovej a modrej oblasti (integrál EdD). Zozbieraná energia Nd je rozdiel medzi vstupnou a výstupnou energiou, tj iba oranžová plocha na obr. 1b. Tento konkrétny Olsonov cyklus dáva hustotu energie Nd 1,78 J cm-3. Stirlingov cyklus je alternatívou k Olsonovmu cyklu (doplnková poznámka 7). Pretože stupeň konštantného nabitia (otvorený okruh) je ľahšie dosiahnuteľný, hustota energie získaná z obr. 1b (cyklus AB'CD) dosahuje 1,25 J cm-3. To je len 70 % toho, čo dokáže Olsonov cyklus zhromaždiť, ale jednoduché zberacie zariadenie to dokáže.
Okrem toho sme priamo merali energiu zhromaždenú počas Olsonovho cyklu napájaním PST MLC pomocou stupňa riadenia teploty Linkam a zdroja (metóda). Obrázok 1c v hornej časti a v príslušných vložkách ukazuje prúd (červená) a napätie (čierna) zhromaždené na rovnakom 1 mm hrubom PST MLC ako pre slučku DE prechádzajúcu rovnakým Olsonovým cyklom. Prúd a napätie umožňujú vypočítať zozbieranú energiu a krivky sú znázornené na obr. 1c, spodok (zelený) a teplota (žltý) počas celého cyklu. Písmená ABCD predstavujú rovnaký Olsonov cyklus na Obr. 1. Nabíjanie MLC prebieha počas úseku AB a prebieha pri nízkom prúde (200 µA), takže SourceMeter môže správne riadiť nabíjanie. Dôsledkom tohto konštantného počiatočného prúdu je, že krivka napätia (čierna krivka) nie je lineárna v dôsledku nelineárneho poľa posunutia potenciálu D PST (obr. 1c, horná vložka). Na konci nabíjania sa v MLC (bod B) uloží 30 mJ elektrickej energie. MLC sa potom zahreje a vytvorí sa záporný prúd (a teda záporný prúd), pričom napätie zostáva na hodnote 600 V. Po 40 s, keď teplota dosiahla plató 90 °C, bol tento prúd kompenzovaný, hoci kroková vzorka produkoval v obvode elektrický výkon 35 mJ počas tohto izopoľa (druhá vložka na obr. 1c, hore). Napätie na MLC (vetve CD) sa potom zníži, čo má za následok ďalších 60 mJ elektrickej práce. Celková výstupná energia je 95 mJ. Zozbieraná energia je rozdiel medzi vstupnou a výstupnou energiou, čo dáva 95 – 30 = 65 mJ. To zodpovedá hustote energie 1,84 J cm-3, čo je veľmi blízko k Nd extrahovanému z DE kruhu. Reprodukovateľnosť tohto Olsonovho cyklu bola dôkladne testovaná (doplnková poznámka 4). Ďalším zvyšovaním napätia a teploty sme dosiahli 4,43 J cm-3 pomocou Olsenových cyklov v 0,5 mm hrubej PST MLC v teplotnom rozsahu 750 V (195 kV cm-1) a 175 ° C (doplnková poznámka 5). To je štyrikrát viac ako najlepší výkon uvádzaný v literatúre pre priame Olsonove cykly a bol získaný na tenkých filmoch Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm . Tabuľka 1 pre ďalšie hodnoty v literatúre). Tento výkon bol dosiahnutý vďaka veľmi nízkemu zvodovému prúdu týchto MLC (<10-7 A pri 750 V a 180 °C, pozri podrobnosti v doplnkovej poznámke 6) – zásadný bod, ktorý spomínali Smith a kol.19 – na rozdiel od toho na materiály použité v skorších štúdiách17,20. Tento výkon bol dosiahnutý vďaka veľmi nízkemu zvodovému prúdu týchto MLC (<10-7 A pri 750 V a 180 °C, pozri podrobnosti v doplnkovej poznámke 6) – zásadný bod, ktorý spomínali Smith a kol.19 – na rozdiel od toho na materiály použité v skorších štúdiách17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих – 75 MLC °C 08 MLC (<10 см. 19 — в отличие от к материалам, использованным v более ранних исследованиях17,20. Tieto charakteristiky sa dosiahli vďaka veľmi nízkemu zvodovému prúdu týchto MLC (<10–7 A pri 750 V a 180 °C, podrobnosti pozri v doplnkovej poznámke 6) – kritický bod, ktorý uviedol Smith a kol. 19 – na rozdiel od materiálov používaných v skorších štúdiách17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补参见补充说明业䯼仼仼仼仸仸仸仸仸等人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 补嘎 说海）））） — 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 相比之下下下下下下下 相比之下 相比之下 相比之下下下 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 相比乲滋，卷相比乲滋，卷卷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 a 180 °C, смд. примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Pretože zvodový prúd týchto MLC je veľmi nízky (<10–7 A pri 750 V a 180 °C, podrobnosti pozri v doplnkovej poznámke 6) – kľúčový bod, ktorý spomenuli Smith a kol. 19 – pre porovnanie, tieto výkony boli dosiahnuté.na materiály použité v skorších štúdiách 17,20.
Rovnaké podmienky (600 V, 20–90 °C) platili pre Stirlingov cyklus (doplnková poznámka 7). Ako sa očakávalo z výsledkov DE cyklu, výťažok bol 41,0 mJ. Jednou z najvýraznejších vlastností Stirlingových cyklov je ich schopnosť zosilniť počiatočné napätie prostredníctvom termoelektrického efektu. Pozorovali sme zosilnenie napätia až 39 (od počiatočného napätia 15 V po koncové napätie až 590 V, pozri doplnkový obr. 7.2).
Ďalšou charakteristickou črtou týchto MLC je, že ide o makroskopické objekty dostatočne veľké na to, aby zbierali energiu v rozsahu joulov. Preto sme skonštruovali prototyp kombajnu (HARV1) s použitím 28 MLC PST s hrúbkou 1 mm, podľa rovnakého dizajnu paralelnej dosky, ktorý opísal Torello et al.14, v matrici 7×4, ako je znázornené na obr. rozdeľovač je premiestňovaný peristaltickým čerpadlom medzi dvoma nádržami, kde sa teplota kvapaliny udržiava konštantná (metóda). Zozbierajte až 3,1 J pomocou Olsonovho cyklu opísaného na obr. 2a, izotermické oblasti pri 10 °C a 125 °C a oblasti izopola pri 0 a 750 V (195 kV cm-1). To zodpovedá hustote energie 3,14 J cm-3. Pomocou tohto kombajnu sa robili merania za rôznych podmienok (obr. 2b). Všimnite si, že 1,8 J sa získalo v teplotnom rozsahu 80 °C a napätí 600 V (155 kV cm-1). To je v dobrej zhode s vyššie uvedenými 65 mJ pre 1 mm hrubý PST MLC za rovnakých podmienok (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Experimentálne nastavenie zostaveného prototypu HARV1 založeného na 28 MLC PST s hrúbkou 1 mm (4 riadky × 7 stĺpcov), ktoré bežia na Olsonových cykloch. Pre každý zo štyroch krokov cyklu je v prototype uvedená teplota a napätie. Počítač poháňa peristaltické čerpadlo, ktoré cirkuluje dielektrickú kvapalinu medzi studeným a horúcim zásobníkom, dvoma ventilmi a zdrojom energie. Počítač tiež pomocou termočlánkov zbiera údaje o napätí a prúde dodávanom prototypu a teplote kombajnu z napájacieho zdroja. b, Energia (farba) zhromaždená naším prototypom 4 × 7 MLC verzus teplotný rozsah (os X) a napätie (os Y) v rôznych experimentoch.
Väčšia verzia harvestora (HARV2) s 60 PST MLC s hrúbkou 1 mm a 160 PST MLC s hrúbkou 0,5 mm (41,7 g aktívneho pyroelektrického materiálu) poskytla 11,2 J (doplnková poznámka 8). V roku 1984 Olsen vyrobil energetický zberač založený na 317 g zlúčeniny Pb(Zr,Ti)O3 dopovanej cínom, ktorá je schopná generovať 6,23 J elektriny pri teplote asi 150 °C (odkaz 21). Pre tento kombajn je to jediná iná dostupná hodnota v rozsahu joulov. Dosiahol o niečo viac ako polovicu hodnoty, ktorú sme dosiahli, a takmer sedemnásobok kvality. To znamená, že hustota energie HARV2 je 13-krát vyššia.
Doba cyklu HARV1 je 57 sekúnd. To produkovalo výkon 54 mW so 4 radmi po 7 stĺpcoch sád MLC s hrúbkou 1 mm. Aby sme to posunuli o krok ďalej, postavili sme tretí kombajn (HARV3) s 0,5 mm hrubým PST MLC a podobným nastavením ako HARV1 a HARV2 (doplnková poznámka 9). Namerali sme čas termizácie 12,5 sekundy. To zodpovedá dobe cyklu 25 s (doplnkový obrázok 9). Zozbieraná energia (47 mJ) dáva elektrický výkon 1,95 mW na MLC, čo nám zase umožňuje predstaviť si, že HARV2 produkuje 0,55 W (približne 1,95 mW × 280 PST MLC s hrúbkou 0,5 mm). Okrem toho sme simulovali prenos tepla pomocou simulácie konečných prvkov (COMSOL, doplnková poznámka 10 a doplnkové tabuľky 2–4) zodpovedajúce experimentom HARV1. Modelovanie konečných prvkov umožnilo predpovedať hodnoty výkonu takmer o rád vyššie (430 mW) pre rovnaký počet stĺpcov PST stenčením MLC na 0,2 mm, použitím vody ako chladiacej kvapaliny a obnovením matice na 7 riadkov. . × 4 stĺpce (okrem 960 mW, keď bola nádrž vedľa kombajnu, doplnkový obrázok 10b).
Na demonštráciu užitočnosti tohto kolektora bol Stirlingov cyklus aplikovaný na samostatný demonštrátor pozostávajúci iba z dvoch 0,5 mm hrubých PST MLC ako tepelných kolektorov, vysokonapäťového spínača, nízkonapäťového spínača s akumulačným kondenzátorom, DC/DC meniča. , mikrokontrolér s nízkym výkonom, dva termočlánky a zosilňovací menič (doplnková poznámka 11). Obvod vyžaduje, aby bol akumulačný kondenzátor najprv nabitý na 9 V a potom beží autonómne, zatiaľ čo teplota dvoch MLC sa pohybuje od -5 ° C do 85 ° C, tu v cykloch 160 s (niekoľko cyklov je uvedených v doplnkovej poznámke 11) . Pozoruhodné je, že dva MLC s hmotnosťou iba 0,3 g dokážu autonómne riadiť tento veľký systém. Ďalšou zaujímavou vlastnosťou je, že menič nízkeho napätia je schopný konvertovať 400 V na 10-15 V s účinnosťou 79 % (doplnková poznámka 11 a doplnkový obrázok 11.3).
Nakoniec sme vyhodnotili účinnosť týchto MLC modulov pri premene tepelnej energie na elektrickú energiu. Faktor kvality η účinnosti je definovaný ako pomer hustoty odobratej elektrickej energie Nd k hustote dodaného tepla Qin (doplnková poznámka 12):
Obrázky 3a, b znázorňujú účinnosť η a proporcionálnu účinnosť ηr Olsenovho cyklu, v tomto poradí, ako funkciu teplotného rozsahu 0,5 mm hrubého PST MLC. Obidva súbory údajov sú uvedené pre elektrické pole 195 kV cm-1. Účinnosť \(\this\) dosahuje 1,43%, čo zodpovedá 18% ηr. Pre rozsah teplôt 10 K od 25 °C do 35 °C však ηr dosahuje hodnoty až 40 % (modrá krivka na obr. 3b). Toto je dvojnásobok známej hodnoty pre materiály NLP zaznamenané vo filmoch PMN-PT (ηr = 19 %) v teplotnom rozsahu 10 K a 300 kV cm-1 (odkaz 18). Teplotné rozsahy pod 10 K sa nezohľadnili, pretože tepelná hysterézia PST MLC je medzi 5 a 8 K. Rozpoznanie pozitívneho účinku fázových prechodov na účinnosť je kritické. V skutočnosti sú optimálne hodnoty η a ηr takmer všetky získané pri počiatočnej teplote Ti = 25 °C na obr. 3a,b. Je to spôsobené úzkym fázovým prechodom, keď nie je aplikované žiadne pole a Curieho teplota TC je v týchto MLC okolo 20 ° C (doplnková poznámka 13).
a,b, účinnosť η a proporcionálna účinnosť Olsonovho cyklu (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } pre maximálne elektrické pole 195 kV cm-1 a rôzne počiatočné teploty Ti, }}\,\)(b) pre MPC PST hrúbky 0,5 mm, v závislosti od teplotného intervalu ΔTspan.
Posledné pozorovanie má dva dôležité dôsledky: (1) akékoľvek efektívne cyklovanie musí začať pri teplotách nad TC, aby nastala poľom indukovaná fázová premena (z paraelektrickej na feroelektrickú); (2) tieto materiály sú účinnejšie pri prevádzkových časoch blízkych TC. Hoci naše experimenty ukazujú účinnosť vo veľkom meradle, obmedzený rozsah teplôt nám neumožňuje dosiahnuť veľké absolútne účinnosti kvôli Carnotovmu limitu (\(\Delta T/T\)). Vynikajúca účinnosť preukázaná týmito PST MLC však ospravedlňuje Olsena, keď uvádza, že „ideálny regeneračný termoelektrický motor triedy 20 pracujúci pri teplotách medzi 50 °C a 250 °C môže mať účinnosť 30 %“17. Na dosiahnutie týchto hodnôt a otestovanie konceptu by bolo užitočné použiť dopované PST s rôznymi TC, ako študovali Shebanov a Borman. Ukázali, že TC v PST sa môže meniť od 3 °C (Sb doping) do 33 °C (Ti doping)22. Preto predpokladáme, že pyroelektrické regenerátory novej generácie založené na dopovaných PST MLC alebo iných materiáloch so silným fázovým prechodom prvého poriadku môžu konkurovať najlepším zberačom energie.
V tejto štúdii sme skúmali MLC vyrobené z PST. Tieto zariadenia pozostávajú zo série Pt a PST elektród, pričom niekoľko kondenzátorov je zapojených paralelne. PST bol vybraný, pretože je to vynikajúci materiál EC a teda potenciálne vynikajúci materiál NLP. Vykazuje ostrý feroelektricko-paraelektrický fázový prechod prvého rádu okolo 20 °C, čo naznačuje, že zmeny jeho entropie sú podobné tým, ktoré sú znázornené na obr. 1. Podobné MLC boli úplne opísané pre zariadenia EC13,14. V tejto štúdii sme použili 10,4 × 7,2 × 1 mm³ a 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. MLC s hrúbkou 1 mm a 0,5 mm boli vyrobené z 19 a 9 vrstiev PST s hrúbkou 38,6 um. V oboch prípadoch bola vnútorná PST vrstva umiestnená medzi 2,05 um hrubé platinové elektródy. Konštrukcia týchto MLC predpokladá, že 55 % PST je aktívnych, čo zodpovedá časti medzi elektródami (doplnková poznámka 1). Aktívna plocha elektród bola 48,7 mm2 (doplnková tabuľka 5). MLC PST bol pripravený reakciou na pevnej fáze a metódou odlievania. Podrobnosti o procese prípravy boli popísané v predchádzajúcom článku14. Jedným z rozdielov medzi PST MLC a predchádzajúcim článkom je poradie miest B, ktoré výrazne ovplyvňuje výkon EC v PST. Poradie miest B PST MLC je 0,75 (doplnková poznámka 2) získaných spekaním pri 1400 °C, po ktorom nasleduje stovky hodín dlhého žíhania pri 1000 °C. Ďalšie informácie o PST MLC nájdete v doplnkových poznámkach 1-3 a doplnkovej tabuľke 5.
Hlavná koncepcia tejto štúdie je založená na Olsonovom cykle (obr. 1). Pre takýto cyklus potrebujeme horúci a studený zásobník a napájací zdroj schopný monitorovať a riadiť napätie a prúd v rôznych moduloch MLC. Tieto priame cykly využívali dve rôzne konfigurácie, a to (1) moduly Linkam ohrievajúce a chladiace jeden MLC pripojený k zdroju energie Keithley 2410 a (2) tri prototypy (HARV1, HARV2 a HARV3) paralelne s rovnakým zdrojom energie. V druhom prípade sa na výmenu tepla medzi dvoma zásobníkmi (teplým a studeným) a MLC použila dielektrická kvapalina (silikónový olej s viskozitou 5 cP pri 25 °C, zakúpený od Sigma Aldrich). Tepelný zásobník pozostáva zo sklenenej nádoby naplnenej dielektrickou kvapalinou a umiestnenej na hornej strane tepelnej dosky. Skladovanie v chlade pozostáva z vodného kúpeľa s kvapalinovými trubicami obsahujúcimi dielektrickú kvapalinu vo veľkej plastovej nádobe naplnenej vodou a ľadom. Dva trojcestné škrtiace ventily (zakúpené od Bio-Chem Fluidics) boli umiestnené na každom konci kombajnu, aby správne prepínali kvapalinu z jedného zásobníka do druhého (obrázok 2a). Aby sa zabezpečila tepelná rovnováha medzi balíkom PST-MLC a chladivom, doba cyklu sa predĺžila, kým vstupné a výstupné termočlánky (čo najbližšie k balíku PST-MLC) nevykazovali rovnakú teplotu. Skript Python spravuje a synchronizuje všetky prístroje (merače zdroja, čerpadlá, ventily a termočlánky), aby spustili správny Olsonov cyklus, tj slučka chladiacej kvapaliny začne cyklovať cez zásobník PST po nabití merača zdroja, aby sa zohriali na požadovanú hodnotu. aplikované napätie pre daný Olsonov cyklus.
Prípadne sme tieto priame merania zozbieranej energie potvrdili nepriamymi metódami. Tieto nepriame metódy sú založené na slučkách poľa elektrického posunu (D) – elektrického poľa (E) zhromaždených pri rôznych teplotách a výpočtom plochy medzi dvoma slučkami DE možno presne odhadnúť, koľko energie je možné zhromaždiť, ako je znázornené na obrázku . na obrázku 2. .1b. Tieto slučky DE sa tiež zbierajú pomocou zdrojových meračov Keithley.
Dvadsaťosem 1 mm hrubých PST MLC bolo zostavených v 4-radovej, 7-stĺpcovej paralelnej doskovej štruktúre podľa návrhu opísaného v odkaze. 14. Medzera tekutiny medzi radmi PST-MLC je 0,75 mm. To sa dosiahne pridaním prúžkov obojstrannej pásky ako tekutých rozperiek okolo okrajov PST MLC. PST MLC je elektricky zapojené paralelne so strieborným epoxidovým mostíkom v kontakte s elektródami. Potom boli drôty prilepené striebornou epoxidovou živicou na každú stranu svoriek elektródy na pripojenie k napájaciemu zdroju. Nakoniec vložte celú konštrukciu do polyolefínovej hadice. Ten je prilepený k trubici s kvapalinou, aby sa zabezpečilo správne utesnenie. Nakoniec boli do každého konca štruktúry PST-MLC zabudované termočlánky typu K s hrúbkou 0,25 mm na monitorovanie teploty vstupnej a výstupnej kvapaliny. Aby ste to dosiahli, hadica musí byť najskôr perforovaná. Po inštalácii termočlánku naneste rovnaké lepidlo ako predtým medzi hadicu termočlánku a drôt, aby sa obnovilo tesnenie.
Bolo vyrobených osem samostatných prototypov, z ktorých štyri mali 40 0,5 mm hrubých MLC PST rozmiestnených ako paralelné dosky s 5 stĺpcami a 8 radmi a zvyšné štyri mali každý 15 1 mm hrubých MLC PST. v 3-stĺpovej × 5-radovej paralelnej doskovej štruktúre. Celkový počet použitých PST MLC bol 220 (160 0,5 mm hrubý a 60 PST MLC 1 mm hrubý). Tieto dve podjednotky nazývame HARV2_160 a HARV2_60. Kvapalinová medzera v prototype HARV2_160 pozostáva z dvoch obojstranných pások s hrúbkou 0,25 mm s drôtom s hrúbkou 0,25 mm medzi nimi. Pre prototyp HARV2_60 sme zopakovali rovnaký postup, ale s použitím drôtu s hrúbkou 0,38 mm. Kvôli symetrii majú HARV2_160 a HARV2_60 svoje vlastné kvapalinové okruhy, čerpadlá, ventily a studenú stranu (doplnková poznámka 8). Dve jednotky HARV2 zdieľajú zásobník tepla, 3-litrovú nádobu (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvoch varných platniach s otočnými magnetmi. Všetkých osem jednotlivých prototypov je elektricky paralelne zapojených. Podjednotky HARV2_160 a HARV2_60 pracujú súčasne v Olsonovom cykle, čo vedie k zberu energie 11,2 J.
Umiestnite 0,5 mm hrubý PST MLC do polyolefínovej hadice s obojstrannou páskou a drôtom na oboch stranách, aby ste vytvorili priestor pre prúdenie kvapaliny. Kvôli svojej malej veľkosti bol prototyp umiestnený vedľa horúceho alebo studeného ventilu zásobníka, čím sa minimalizovali doby cyklu.
V PST MLC sa aplikuje konštantné elektrické pole privedením konštantného napätia na vykurovaciu vetvu. V dôsledku toho vzniká záporný tepelný prúd a energia sa ukladá. Po zahriatí PST MLC sa pole odstráni (V = 0) a energia v ňom uložená sa vráti späť do počítadla zdroja, čo zodpovedá ďalšiemu príspevku zozbieranej energie. Nakoniec, s aplikovaným napätím V = 0, sa MLC PST ochladia na svoju počiatočnú teplotu, takže cyklus môže začať znova. V tomto štádiu sa energia nezbiera. Spustili sme cyklus Olsen pomocou Keithley 2410 SourceMeter, nabíjali sme PST MLC zo zdroja napätia a nastavili aktuálnu zhodu na vhodnú hodnotu, aby sa počas fázy nabíjania nazbieralo dostatok bodov na spoľahlivé výpočty energie.
V Stirlingových cykloch sa PST MLC nabíjali v režime zdroja napätia pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0), požadovanom prúde poddajnosti, takže krok nabíjania trvá približne 1 s (a zhromaždí sa dostatok bodov na spoľahlivý výpočet energia) a nízka teplota. V Stirlingových cykloch sa PST MLC nabíjali v režime zdroja napätia pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0), požadovanom prúde poddajnosti, takže krok nabíjania trvá približne 1 s (a zhromaždí sa dostatok bodov na spoľahlivý výpočet energia) a nízka teplota. „ яжение vi> 0), желаемомом податлиliká токе, так что ээап заря зар víkend „ V cykloch Stirling PST MLC boli nabíjané v režime zdroja napätia na počiatočnú hodnotu elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0), požadovaný výnosový prúd, takže fáza nabíjania trvá asi 1 s (a dostatočný počet bodov sa zbiera na spoľahlivý výpočet energie) a nízkej teplote.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）嵅怵甼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。 V hlavnom cykle sa PST MLC nabíja na počiatočnú hodnotu elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0) v režime zdroja napätia, takže požadovaný prúd poddajnosti trvá približne 1 sekundu pre krok nabíjania (a nazbierali sme dostatok bodov na to, aby sme spoľahlivo vypočítať (energiu) a nízku teplotu. „ ение vi> 0), требуемый ток податлиlikáи тао что ээа ээп заря занимаоло 1 н н н доло д н н н Oлоло эз н н н O</s>л д н н н O</s>л д н д д O</s>о д д д O</s>о д доло д чол сол соллоло д чолллоло д саллоло д нол с ч Oлолл с чол с ч Oлол н ч с Oкол н ч ч Oко с чол сол с Oкв н нол с т Oкол н чол. обы надежно рассчитать энергию) и н низкие температуры . V Stirlingovom cykle sa PST MLC nabíja v režime zdroja napätia s počiatočnou hodnotou elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0), požadovaný prúd poddajnosti je taký, že fáza nabíjania trvá asi 1 s (a dostatočný počet bodov sa zbiera na spoľahlivý výpočet energie) a nízkych teplôt .Pred zahriatím PST MLC otvorte obvod privedením vyrovnávacieho prúdu I = 0 mA (minimálny prispôsobovací prúd, ktorý náš merací zdroj zvládne, je 10 nA). V dôsledku toho zostáva náboj v PST MJK a napätie sa zvyšuje, keď sa vzorka zahrieva. V ramene BC sa nezhromažďuje žiadna energia, pretože I = 0 mA. Po dosiahnutí vysokej teploty sa napätie v MLT FT zvýši (v niektorých prípadoch aj viac ako 30-krát, viď dodatočný obr. 7.2), MLK FT sa vybije (V = 0) a elektrická energia sa v nich uloží na rovnakú dobu. ako počiatočný poplatok. Rovnaká korešpondencia prúdu sa vráti do zdroja merača. V dôsledku zosilnenia napätia je akumulovaná energia pri vysokej teplote vyššia ako energia, ktorá bola poskytnutá na začiatku cyklu. V dôsledku toho sa energia získava premenou tepla na elektrickú energiu.
Použili sme Keithley 2410 SourceMeter na monitorovanie napätia a prúdu aplikovaného na PST MLC. Zodpovedajúca energia sa vypočíta integrovaním súčinu napätia a prúdu odčítaného Keithleyovým zdrojom, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), kde τ je obdobie obdobia. Na našej energetickej krivke kladné energetické hodnoty znamenajú energiu, ktorú musíme odovzdať MLC PST, a záporné hodnoty znamenajú energiu, ktorú z nich vyťažíme, a teda prijatú energiu. Relatívny výkon pre daný zberný cyklus sa určí vydelením zozbieranej energie periódou τ celého cyklu.
Všetky údaje sú uvedené v hlavnom texte alebo v doplňujúcich informáciách. Listy a žiadosti o materiály by mali byť smerované na zdroj údajov AT alebo ED poskytnutých v tomto článku.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Prehľad vývoja a aplikácií termoelektrických mikrogenerátorov na získavanie energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Prehľad vývoja a aplikácií termoelektrických mikrogenerátorov na získavanie energie.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO a Henao, NC Prehľad vývoja a použitia termoelektrických mikrogenerátorov na získavanie energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO a Henao, NC zvažujú vývoj a aplikáciu termoelektrických mikrogenerátorov na získavanie energie.životopis. podporu. Energia Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaické materiály: súčasná efektívnosť a budúce výzvy. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaické materiály: súčasná efektívnosť a budúce výzvy.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. a Sinke, VK Fotovoltaické materiály: súčasný výkon a budúce výzvy. 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 Solárne materiály: súčasná účinnosť a budúce výzvy.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. a Sinke, VK Fotovoltaické materiály: súčasný výkon a budúce výzvy.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkovaný pyro-piezoelektrický efekt pre samonapájacie simultánne snímanie teploty a tlaku. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkčný pyro-piezoelektrický efekt pre simultánne snímanie teploty a tlaku s vlastným pohonom.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný pyropiezoelektrický efekt pre autonómne simultánne meranie teploty a tlaku. 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. Pre samonapájanie v rovnakom čase ako teplota a tlak.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný termopiezoelektrický efekt pre autonómne simultánne meranie teploty a tlaku.Vpred. alma mater 31, 1902 831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Zber energie na báze Ericssonových pyroelektrických cyklov v relaxačnej feroelektrickej keramike. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Zber energie na báze Ericssonových pyroelektrických cyklov v relaxačnej feroelektrickej keramike.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Zber energie na báze pyroelektrických Ericssonových cyklov v relaxorovej feroelektrickej keramike.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Zber energie v relaxačnej feroelektrickej keramike založenej na pyroelektrickom cyklovaní Ericsson. Inteligentná alma mater. štruktúru. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály ďalšej generácie na interkonverziu elektrotermálnej energie v tuhom stave. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály ďalšej generácie na interkonverziu elektrotermálnej energie v tuhom stave. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW я взаимного преобразования твердотельной эlektroteрмической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály ďalšej generácie na interkonverziu elektrotermálnej energie v tuhom stave. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW я взаимного преобразования твердотельной эlektroteрмической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály ďalšej generácie na interkonverziu elektrotermálnej energie v tuhom stave.Lady Bull. 39, 1099 – 1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Štandard a hodnota pre kvantifikáciu výkonu pyroelektrických nanogenerátorov. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Štandard a hodnota pre kvantifikáciu výkonu pyroelektrických nanogenerátorov.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Yu. Štandardné a kvalitatívne skóre na kvantifikáciu výkonu pyroelektrických nanogenerátorov. 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 a Yang, Yu. Kritériá a výkonové opatrenia na kvantifikáciu výkonu pyroelektrického nanogenerátora.Nano energia 55, 534 – 540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v tantaláte skandia olovnatého so skutočnou regeneráciou prostredníctvom variácie poľa. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v tantaláte skandia olovnatého so skutočnou regeneráciou prostredníctvom variácie poľa.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v olovo-skandium tantalátu so skutočnou regeneráciou pomocou modifikácie poľa. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & 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. a Mathur, ND Elektrotermický chladiaci cyklus tantalátu skandium-olova pre skutočnú regeneráciu prostredníctvom reverzácie poľa.fyzika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroických fázových prechodov. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroických fázových prechodov.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroidných fázových prechodov. 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 Tepelné materiály v blízkosti železnej metalurgie.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Tepelné materiály v blízkosti fázových prechodov železa.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kalorické materiály na chladenie a vykurovanie. Moya, X. & Mathur, ND Kalorické materiály na chladenie a vykurovanie.Moya, X. a Mathur, ND Tepelné materiály na chladenie a vykurovanie. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Tepelné materiály na chladenie a vykurovanie.Moya X. a Mathur ND Tepelné materiály na chladenie a vykurovanie.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorické chladiče: prehľad. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorické chladiče: prehľad.Torello, A. a Defay, E. Elektrokalorické chladiče: prehľad. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. a Defay, E. Elektrotermické chladiče: prehľad.Pokročilé. elektronické. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. a kol. Enormná energetická účinnosť elektrokalorického materiálu vo vysoko usporiadanom skandium-skandium-olovo. Národná komunikácia. 12, 3298 (2021).
Nair, B. a kol. Elektrotermický účinok oxidových viacvrstvových kondenzátorov je veľký v širokom rozsahu teplôt. Príroda 575, 468–472 (2019).
Torello, A. a kol. Obrovský teplotný rozsah v elektrotermálnych regenerátoroch. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. a kol. Vysoko výkonný polovodičový elektrotermický chladiaci systém. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. a kol. Kaskádové elektrotermické chladiace zariadenie pre veľký nárast teploty. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Vysokoúčinná priama premena tepla na pyroelektrické merania súvisiace s elektrickou energiou. Olsen, RB & Brown, DD Vysokoúčinná priama premena tepla na pyroelektrické merania súvisiace s elektrickou energiou.Olsen, RB a Brown, DD Vysoko účinná priama premena tepla na elektrickú energiu spojená s pyroelektrickými meraniami. 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 a Brown, DD Efektívna priama premena tepla na elektrinu spojená s pyroelektrickými meraniami.Ferroelectrics 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. a kol. Hustota energie a výkonu v tenkých relaxorových feroelektrických filmoch. Národná alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverzia: optimalizácia feroelektrického fázového prechodu a elektrických strát. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverzia: optimalizácia feroelektrického fázového prechodu a elektrických strát.Smith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverzia: feroelektrický fázový prechod a optimalizácia elektrických strát. 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 a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverzia: optimalizácia feroelektrických fázových prechodov a elektrických strát.J. Aplikácia. fyzika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Použitie feroelektrických materiálov na premenu tepelnej energie na elektrickú. proces. IEEE 51, 838-845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskádový pyroelektrický menič energie. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskádový pyroelektrický menič energie.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a 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 a Dullea, J. Kaskádové pyroelektrické meniče energie.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. O tuhých roztokoch olovo-skandium tantalátu s vysokým elektrokalorickým účinkom. Shebanov, L. & Borman, K. O tuhých roztokoch olovo-skandium tantalátu s vysokým elektrokalorickým účinkom.Shebanov L. a Borman K. O tuhých roztokoch tantalátu olova a skandia s vysokým elektrokalorickým účinkom. 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. a Borman K. O pevných roztokoch skandium-olovo-skandium s vysokým elektrokalorickým účinkom.Ferroelectrics 127, 143-148 (1992).
Ďakujeme N. Furusawa, Y. Inoue a K. Honda za pomoc pri vytváraní MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB a ED Ďakujeme Luxemburskej národnej výskumnej nadácii (FNR) za podporu tejto práce prostredníctvom CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay a BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Katedra materiálového výskumu a technológie, Luxemburský technologický inštitút (LIST), Belvoir, Luxembursko