Poskytovanie udržateľných zdrojov elektriny je jednou z najdôležitejších výziev tohto storočia. Výskumné oblasti v materiáloch na zber energie vyplývajú z tejto motivácie vrátane termoelektrického1, fotovoltaic2 a termophotovoltaics3. Aj keď nám chýbajú materiály a zariadenia schopné zberať energiu v rozsahu joule, pyroelektrické materiály, ktoré dokážu premeniť elektrickú energiu na periodické zmeny teploty Tu sme vyvinuli makroskopický kombajn tepelnej energie vo forme viacvrstvového kondenzátora vyrobeného zo 42 gramov tantalátu olova olovo, ktorý produkuje 11,2 j elektrickej energie na termodynamický cyklus. Každý pyroelektrický modul môže generovať hustotu elektrickej energie až do 4,43 J cm-3 na cyklus. Ukazujeme tiež, že dva takéto moduly s hmotnosťou 0,3 g sú dostatočné na to, aby nepretržite napájali autonómne zberače energie so zabudovanými mikrokontrolérmi a teplotnými senzormi. Nakoniec ukazujeme, že pre teplotný rozsah 10 K tieto viacvrstvové kondenzátory môžu dosiahnuť 40% karnotovú účinnosť. Tieto vlastnosti sú spôsobené (1) zmenou ferroelektrickej fázy pre vysokú účinnosť, (2) s nízkym únikom, aby sa zabránilo stratám, a (3) vysokému rozkladnému napätiu. Tieto makroskopické, škálovateľné a účinné zberače pyroelektrických výkonov opätovne predstavujú termoelektrickú výrobu energie.
V porovnaní s priestorovým teplotným gradientom potrebným pre termoelektrické materiály vyžaduje zber energie termoelektrických materiálov v priebehu času teplotnú cyklovanie. To znamená termodynamický cyklus, ktorý je najlepšie opísaný diagramom entropie (S) (T). Obrázok 1A zobrazuje typický ST graf nelineárneho pyroelektrického (NLP) materiálu demonštrujúceho ferroelektricko-paraelektrický fázový prechod v teréne poháňanom ferroelektrickým-paraelektrický fázový prechod v tantaláte olova Škanda (PST). Modré a zelené úseky cyklu na ST diagrame zodpovedajú premenenej elektrickej energii v Olsonovom cykle (dve izotermálne a dve rezoly izopoly). Tu uvažujeme o dvoch cykloch s rovnakou zmenou elektrického poľa (zapnuté a vypnuté pole) a zmenou teploty AT, aj keď s rôznymi počiatočnými teplotami. Zelený cyklus nie je umiestnený v oblasti fázového prechodu, a preto má oveľa menšiu plochu ako modrý cyklus umiestnený v oblasti fázového prechodu. V diagrame ST, čím väčšia je oblasť, tým väčšia je zozbieraná energia. Preto musí fázový prechod zhromažďovať viac energie. Potreba cyklistiky na veľkej ploche v NLP je veľmi podobná potrebe elektrotermálnych aplikácií9, 10, 11, 12, kde viacvrstvové kondenzátory PST (MLC) a Terpolyméry založené na PVDF nedávno vykazovali vynikajúci reverzný výkon. Stav výkonnosti chladenia v cykle 13,14,15,16. Preto sme identifikovali záujmové MLC PST pre zber tepelnej energie. Tieto vzorky boli úplne opísané v metódach a charakterizované v doplnkových poznámkach 1 (skenovacia elektrónová mikroskopia), 2 (rôntgenová difrakcia) a 3 (kalorimetria).
A, náčrt grafu entropie (S)-T) s elektrickým poľom zapnuté a vypnuté aplikované na materiály NLP ukazujúce fázové prechody. Dva cykly zberu energie sú uvedené 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, hrubé 1 mm, merané medzi 0 a 155 kV cm-1 pri 20 ° C a 90 ° C, a zodpovedajúce OLSEN cykly. Listy ABCD sa týkajú rôznych stavov 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 vypúšťa pri 90 ° C. DA: MLC chladená na 20 ° C v nulovom poli. Modrá oblasť zodpovedá vstupnému výkonu potrebnému na spustenie cyklu. Oranžová oblasť je energia zozbieraná v jednom cykle. C, horný panel, napätie (čierna) a prúd (červená) verzus čas sledovaný počas rovnakého Olsonového cyklu ako b. Tieto dve vložky predstavujú zosilnenie napätia a prúdu v kľúčových bodoch v cykle. V dolnom paneli predstavujú žlté a zelené krivky zodpovedajúce teplotné a energetické krivky pre 1 mm hrubú MLC. Energia sa vypočíta z kriviek prúdu a napätia na hornom paneli. Negatívna energia zodpovedá zozbieranej energii. Kroky zodpovedajúce kapitálovým písmenom v štyroch číslach sú rovnaké ako v Olsonovom cykle. Cyklus AB'CD zodpovedá cyklu Stirlingu (dodatočná 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 začatím termodynamického cyklu. Najužitočnejšie metódy opísal Olsen v jeho priekopníckej práci na zhromažďovaní pyroelektrickej energie v 80. rokoch 2017.
Na obr. 1B ukazuje dve monopolárne de slučky s 1 mm hrubými vzorkami PST-MLC zostavené pri 20 ° C a 90 ° C, v rozsahu 0 až 155 kV cm-1 (600 V). Tieto dva cykly sa môžu použiť na nepriame výpočet energie zozbieranej Olsonovým cyklom znázornením na obrázku 1A. Cyklus Olsen v skutočnosti pozostáva z dvoch vetiev izofield (tu, nulové pole v vetve DA a 155 kV cm-1 v vetve BC) a dvoch izotermálnych vetiev (tu, 20 ° с a 20 ° с v vetve AB). C v vetve CD) Energia zozbieraná počas cyklu zodpovedá oranžovým a modrým oblastiam (EDD integrál). Zhromaždená energia ND je rozdiel medzi vstupnou a výstupnou energiou, tj. Iba oranžová plocha na obr. 1B. Tento konkrétny Olson cyklus poskytuje nd hustotu energie 1,78 J CM-3. Cyklus Stirling je alternatívou k cyklu Olson (doplnková poznámka 7). Pretože sa ľahšie dosiahne fáza konštantného náboja (otvorený obvod), hustota energie extrahovaná z obr. 1B (cyklus AB'CD) dosahuje 1,25 J CM-3. To je iba 70% toho, čo môže Cyklus Olson zbierať, ale jednoduché zberné zariadenie to robí.
Okrem toho sme priamo merali energiu zozbieranú počas Olsonového cyklu energiou PST MLC pomocou štádiu regulácie teploty Linkam a merača zdroja (metóda). Obrázok 1C na vrchu a v príslušných vložkách zobrazuje prúd (červené) a napätie (čierny) zozbieraný na rovnakom 1 mm hrubom PST MLC ako pre slučku de prechádzajúcej rovnakým Olsonovým cyklom. Prúd a napätie umožňujú výpočet zozbieranej energie a krivky sú znázornené na obr. 1c, spodná (zelená) a teplota (žltá) počas celého cyklu. Písmená ABCD predstavujú rovnaký Olson cyklus na obr. 1. K nabíjaniu MLC sa vyskytuje počas AB nohy a vykonáva sa 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 posunu potenciálu D PST (obr. 1C, horná vložka). Na konci nabíjania sa v MLC uloží 30 mJ elektrickej energie. MLC sa potom zahrieva a vytvára sa záporný prúd (a teda záporný prúd), zatiaľ čo napätie zostáva pri 600 V. Po 40 s, keď teplota dosiahla plató 90 ° C, bol tento prúd kompenzovaný, hoci vzorka kroku vytvorená v obvode elektrickým výkonom 35 MJ počas tohto izofield (druhý vložka na obrázku 1C). Napätie na MLC (CD Branch CD) sa potom zníži, čo vedie k ďalším 60 mJ elektrickej práce. Celková výkonná energia je 95 MJ. Zhromaždená energia je rozdiel medzi vstupnou a výstupnou energiou, ktorá dáva 95 - 30 = 65 mJ. To zodpovedá hustote energie 1,84 J CM-3, ktorá je veľmi blízko k ND extrahovanej z DE Ring. Reprodukovateľnosť tohto cyklu Olson bola rozsiahle testovaná (doplnková poznámka 4). Ďalším zvyšujúcim sa napätím a teplotou sme dosiahli 4,43 J CM-3 s použitím OLSEN cyklov v 0,5 mm hrubej PST MLC v teplotnom rozsahu 750 V (195 kV cm-1) a 175 ° C (doplnková poznámka 5). Je to štyrikrát väčšie ako najlepší výkon uvedený v literatúre pre priame olsonové cykly a získal sa na tenkých filmoch Pb (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (cm. Supplementárna tabuľka 1 pre viac hodnôt v literatúre). Tento výkon sa dosiahol v dôsledku veľmi nízkeho únikového prúdu týchto MLC (<10-7 A pri 750 V a 180 ° C, pozri podrobnosti v doplnkovej poznámke 6) - zásadný bod uvedený Smithom a kol .19 - na rozdiel od materiálov použitých v predchádzajúcich štúdiách17,20. Tento výkon sa dosiahol v dôsledku veľmi nízkeho únikového prúdu týchto MLC (<10-7 A pri 750 V a 180 ° C, pozri podrobnosti v doplnkovej poznámke 6) - zásadný bod uvedený Smithom a kol .19 - na rozdiel od materiálov použitých v predchádzajúcich štúdiách17,20. Эти характеристики ыыли достигнуты благодаря чень низкому току утеч дтих Mlc (<10–7 а п 750 дополнительном примечании 6) - критический момент, упомянутый смитом др. 19. Tieto charakteristiky sa dosiahli v dôsledku veľmi nízkeho priechodného prúdu týchto MLC (<10–7 A pri 750 V a 180 ° C, podrobnosti nájdete v doplnkovej poznámke 6) - kritický bod uvedený Smith et al. 19 - Na rozdiel od materiálov použitých v predchádzajúcich 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中使用的材料 17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细 信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。 Поскольку т утечи этих mlc чень низкий (<10–7 а ари 750 в и 180 ° C, с. ключевой момент, упомянутый смитом и др. 19 - для сравнения, ыыли достигнуты эти характеристики. Pretože únik prúdu týchto MLC je veľmi nízky (<10–7 A pri 750 V a 180 ° C, podrobnosti nájdete v doplnkovej poznámke 6) - kľúčovým bodom, ktorý spomenul Smith et al. 19 - Na porovnanie sa tieto predstavenia dosiahli.do materiálov použitých v predchádzajúcich štúdiách 17,20.
Rovnaké podmienky (600 V, 20–90 ° C) aplikované na cyklus Stirling (doplnková poznámka 7). Ako sa očakávalo z výsledkov cyklu DE, výnos bol 41,0 mJ. Jednou z najvýraznejších funkcií cyklov Stirling je ich schopnosť zosilniť počiatočné napätie termoelektrickým účinkom. Pozorovali sme zisk napätia až do 39 (z počiatočného napätia 15 V do koncového napätia až do 590 V, pozri doplnkový obr. 7.2).
Ďalšou rozlišovacou črtou týchto MLC je to, že sú to makroskopické objekty dostatočne veľké na to, aby zbierali energiu v rozsahu Joule. Preto sme skonštruovali prototypový kombajn (HARM1) s použitím 28 mlc PST 1 mm hrubý, po rovnakom konštrukcii rovnobežných doštičiek opísaných spoločnosťou Torello et al.14, v matrici 7 x 4, ako je znázornené na obr. Zhromaždite až 3,1 j pomocou Olsonového cyklu opísaného na obr. 2a, izotermické oblasti pri 10 ° C a 125 ° C a Izofieldov oblastí pri 0 a 750 V (195 kV cm-1). To zodpovedá hustote energie 3,14 J CM-3. Pri použití tejto kombinácie sa merania uskutočňovali za rôznych podmienok (obr. 2B). Všimnite si, že 1,8 J sa získal v teplotnom rozsahu 80 ° C a napätie 600 V (155 kV cm-1). To je v dobrej zhode s vyššie uvedeným 65 mJ pre 1 mm hrubú PST MLC za rovnakých podmienok (28 × 65 = 1820 mJ).
A, experimentálne nastavenie zostaveného prototypu HARM1 založeného na 28 MLC PST 1 mm hrúbka (4 riadky × 7 stĺpcov), ktoré bežia na cykloch Olson. Pre každý zo štyroch krokov cyklu sú teplota a napätie v prototype uvedené. Počítač poháňa peristaltické čerpadlo, ktoré cirkuluje dielektrickú tekutinu medzi studenými a horúcimi nádržami, dvoma ventilmi a zdrojom energie. Počítač tiež používa termočlánky na zhromažďovanie údajov o napätí a prúde dodávanom do prototypu a teploty kombinácie z napájacieho zdroja. B, Energia (farba) zozbieraná našim prototypom 4 x 7 MLC verzus teplotný rozsah (os x) a napätie (os y) v rôznych experimentoch.
Väčšia verzia kombajnu (HARM2) so 60 PST MLC 1 mm hrubá a 160 pst MLC 0,5 mm hrubá (41,7 g aktívneho pyroelektrického materiálu) poskytla 11,2 J (doplnková poznámka 8). V roku 1984 Olsen vyrobil energetický kombajn na základe 317 g zlúčeniny PB (ZR, Ti) O3, ktorá bola schopná vyrábať 6,23 J elektriny pri teplote asi 150 ° C (odkaz 21). Pre túto kombináciu je to jediná ďalšia hodnota dostupná v rozsahu Joule. Dostala sa o niečo viac ako polovicu hodnoty, ktorú sme dosiahli, a takmer sedemnásobok kvality. To znamená, že hustota energie HARM2 je 13 -krát vyššia.
Obdobie cyklu HARM1 je 57 sekúnd. To vytvorilo 54 MW energie so 4 radmi 7 stĺpcov s množstvom MLC s hrúbkou 1 mm. Aby sme to urobili o krok ďalej, postavili sme tretiu kombináciu (HARM3) s 0,5 mm hrubým PST MLC a podobným nastavením ako HARM1 a HARM2 (doplnková poznámka 9). Zmerali sme termalizačnú dobu 12,5 sekundy. To zodpovedá dobe cyklu 25 s (doplnkový obr. 9). Zhromaždená energia (47 MJ) poskytuje elektrickú energiu 1,95 mW na MLC, čo nám zase umožňuje predstaviť si, že HARM2 produkuje 0,55 W (približne 1,95 MW × 280 PST MLC hrúbka 0,5 mm). Okrem toho sme simulovali prenos tepla pomocou simulácie konečných prvkov (COMSOL, doplnkovú poznámku 10 a doplnkové tabuľky 2–4) zodpovedajúce experimentom HARM1. Modelovanie konečných prvkov umožnilo predpovedať hodnoty výkonu takmer poradie veľkosti vyššie (430 mW) pre rovnaký počet stĺpcov PST tým, že sa MLC na 0,2 mm zredukovalo na 0,2 mm, pri použití vody ako chladiva a obnovením matrice do 7 riadkov. × 4 stĺpce (okrem toho, že tam bolo 960 mW, keď bola nádrž vedľa kombajnu, doplnkový obr. 10B).
Na demonštráciu užitočnosti tohto kolektora sa použil na samostatného demonštrátora, ktorý pozostával iba z dvoch 0,5 mm hrubých PST MLC, ako je zberateľov tepla, vysoký napätie, spínač s nízkym napätím s úložným kondenzátorom, konvertor s nízkym výkonom, nízko výkonný mikrokontrolér, dva termočlánky a prepracovaný konvertor (doplnkový prevodník (supančný poznámker 11). Obvod vyžaduje, aby sa skladovací kondenzátor spočiatku nabíjal pri 9 V a potom autonómne beží, zatiaľ čo teplota dvoch MLC sa pohybuje od -5 ° C do 85 ° C, tu v cykloch 160 s (niekoľko cyklov je znázornených v doplnkovej poznámke 11). Je pozoruhodné, že dva MLC s hmotnosťou iba 0,3 g môžu autonómne ovládať tento veľký systém. Ďalšou zaujímavou vlastnosťou je, že prevodník s nízkym napätím je schopný previesť 400 V až 10-15 V s 79% účinnosťou (doplnková poznámka 11 a doplnkový obrázok 11.3).
Nakoniec sme vyhodnotili účinnosť týchto modulov MLC pri premene tepelnej energie na elektrickú energiu. Faktor kvality η účinnosti je definovaný ako pomer hustoty zozbieranej elektrickej energie nd k hustote dodaného tepla Qin (doplnková poznámka 12):
Obrázky 3a, b ukazujú účinnosť η a proporcionálnu účinnosť ηR cyklu OLSEN, v respektíve funkcie teplotného rozsahu 0,5 mm hrubého PST MLC. Oba súbory údajov sú uvedené pre elektrické pole 195 kV CM-1. Účinnosť \ (\ this \) dosahuje 1,43%, čo zodpovedá 18% ηr. Avšak pre teplotný rozsah 10 K od 25 ° C do 35 ° C dosahuje ηR hodnoty až do 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). Rozsahy teploty pod 10 K sa nezohľadnili, pretože tepelná hysteréza PST MLC je medzi 5 a 8 K. Rozpoznávanie 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 kvôli tesnému fázovému prechodu, keď sa nanáša žiadne pole a v týchto MLC je okolo 20 ° C okolo 20 ° C (doplnková poznámka 13).
A, B, účinnosť η a proporcionálna účinnosť Olsonového cyklu (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {rm}}} = \ eta /{\ \ eta}} {{\ rm {carnot}} pre maximum elektrické pole 195 kv cm-1 a inak TEPECTURES TI, }} \, \) (b) pre MPC PST 0,5 mm hrubú, v závislosti od teplotného intervalu ΔTSPAN.
Posledne uvedené pozorovanie má dva dôležité dôsledky: (1) Akékoľvek efektívne cyklovanie sa musí začať pri teplotách nad TC pre fázový prechod vyvolaný poľom (od paraelektrického na ferroelektrický); (2) Tieto materiály sú efektívnejšie v behových časoch blízko TC. Aj keď v našich experimentoch sú uvedené rozsiahle účinnosti, obmedzený teplotný rozsah nám neumožňuje dosiahnuť veľkú absolútnu účinnosť v dôsledku limitu Carnot (\ (\ delta t/t \)). Vynikajúca účinnosť preukázaná týmito PST MLC však odôvodňuje Olsen, keď uvádza, že „ideálny regeneratívny termoelektrický motor pracujúci pri teplotách medzi 50 ° C a 250 ° C môže mať účinnosť 30%“ 17. Na dosiahnutie týchto hodnôt a testovanie koncepcie by bolo užitočné používať dopované PST s rôznymi TCS, ako študovali Shebanov a Borman. Ukázali, že TC v PST sa môže meniť od 3 ° C (doping SB) 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 zberateľom energie.
V tejto štúdii sme skúmali MLC vyrobené z PST. Tieto zariadenia pozostávajú zo série elektród PT a PST, pričom niekoľko kondenzátorov je paralelne pripojených. PST bol vybraný, pretože je vynikajúcim materiálom EC, a preto je potenciálne vynikajúci materiál NLP. Vykazuje ostrý prechod ferroelektrickej a paraelektrickej fázy prvého poriadku okolo 20 ° C, čo naznačuje, že jeho zmeny 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 x 7,2 x 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 obidvoch prípadoch bola vnútorná vrstva PST umiestnená medzi 2,05 um hrubými platinovými elektródami. Návrh týchto MLC predpokladá, že 55% PST je aktívnych, čo zodpovedá časti medzi elektródami (doplnková poznámka 1). Oblasť aktívnej elektródy bola 48,7 mm2 (doplnková tabuľka 5). MLC PST sa pripravil pomocou metódy tuhej fázy a metódy odlievania. Podrobnosti o procese prípravy boli opísané v predchádzajúcom článku14. Jedným z rozdielov medzi PST MLC a predchádzajúcim článkom je poradie B-stíh, ktoré výrazne ovplyvňujú výkonnosť ES v PST. Poradie B-stíh PST MLC je 0,75 (doplnková poznámka 2) získaná spekaním pri 1400 ° C, po ktorej nasleduje stovky hodín dlhé žíhanie pri 1000 ° C. Viac informácií 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 horúca a studená nádrž a napájanie schopné monitorovať a riadiť napätie a prúd v rôznych moduloch MLC. Tieto priame cykly používali dve rôzne konfigurácie, konkrétne (1) Linkamové moduly zahrievanie a chladenie Jeden MLC pripojený k zdroju výkonu Keithley 2410 a (2) tri prototypy (HARM1, HARM2 a HARM3) paralelne s rovnakou zdrojovou energiou. V druhom prípade sa na výmenu tepla medzi dvoma nádržami (horúca a studena) použila dielektrická tekutina (silikónový olej s viskozitou 5 cp pri 25 ° C, zakúpený od Sigma Aldrich). Tepelná nádrž pozostáva zo sklenenej nádoby naplnenej dielektrickou tekutinou a umiestnenou na hornú časť tepelnej dosky. Skladovanie za studena sa skladá z vodného kúpeľa s tekutými skúmavkami obsahujúcimi dielektrickú tekutinu vo veľkej plastovej nádobe naplnenej vodou a ľadom. Na každom konci kombinácie sa umiestnili dva trojcestné ventily (zakúpené od Bio-Chem Fluidics), aby sa správne prepínala tekutina z jedného rezervoáru do druhého (obrázok 2A). Aby sa zabezpečila tepelná rovnováha medzi balíkom PST-MLC a chladiacej kvapaliny, perióda cyklu sa predĺžila, až kým vstupné a výstupné termočlánky (čo najbližšie k balíku PST-MLC) nevykazuje rovnakú teplotu. Pythonov skript spravuje a synchronizuje všetky prístroje (zdrojové merače, čerpadlá, ventily a termočlánky), aby spustil správny Olson cyklus, tj slučka chladiacej kvapaliny začína cyklistiku cez stoh PST po nabití zdrojového merača tak, aby sa zahreli v požadovanom použití napätia pri danom Olsonovom cykle.
Alternatívne sme potvrdili tieto priame merania zozbieranej energie nepriamymi metódami. Tieto nepriame metódy sú založené na elektrickom posunu (D) - elektrické pole (E) polí slučky zozbierané pri rôznych teplotách a výpočtom plochy medzi dvoma slučkami DE je možné presne odhadnúť, koľko energie je možné zhromaždiť, ako je znázornené na obrázku. na obrázku 2 .1b. Tieto slučky DE sa zhromažďujú aj pomocou meracích zdrojov zdrojov Keithley.
Dvadsaťosem 1 mm hrubých PST MLC bolo zostavených v 4-ruke 7-stĺpcovej paralelnej platničky podľa návrhu opísaného v referencii. 14. Medzi tekutinami 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 spojený paralelne so strieborným epoxidovým mostom v kontakte s elektródovými vodičmi. Potom boli drôty prilepené striebornou epoxidovou živicou na každú stranu terminálov elektród na pripojenie k napájaniu. Nakoniec vložte celú štruktúru do hadice polyolefínu. Ten je prilepený na trubicu tekutiny, aby sa zabezpečilo správne utesnenie. Nakoniec boli na každom konci štruktúry PST-MLC zabudované termočlánky s hrúbkou 0,25 mm, aby sa monitorovali teploty vstupnej a výstupnej kvapaliny. Aby to bolo možné, hadica musí byť najprv perforovaná. Po inštalácii termočlánku naneste rovnaké lepidlo ako predtým medzi hadicou termočlánkov a drôtom na obnovenie tesnenia.
Bolo postavených osem samostatných prototypov, z ktorých štyri mali 40 0,5 mm hrubé MLC PST distribuovaných ako paralelné platne s 5 stĺpcami a 8 riadkami a zostávajúce štyri mali každý 15 mm hrubých MLC PST. v 3-stĺpcovej štruktúre rovnobežnej platne × 5-row. Celkový počet použitých MLC PST bol 220 (hrúbka 160 0,5 mm a 60 pst MLC 1 mm). Týmto dvom podjednotkám nazývame Harm2_160 a Harm2_60. Kvapalná medzera v prototype Harm2_160 pozostáva z dvoch obojstranných pások 0,25 mm hrubá s drôtom 0,25 mm medzi nimi. Pre prototyp Harm2_60 sme opakovali rovnaký postup, ale použili sme drôt hrubého 0,38 mm. V prípade symetrie majú Harm2_160 a HARM2_60 svoje vlastné tekuté obvody, čerpadlá, ventily a studená strana (doplnková poznámka 8). Dve jednotky Harm2 zdieľajú tepelný nádrž, 3 -litrový nádoba (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvoch horúcich doštičkách s rotujúcimi magnetmi. Všetkých osem jednotlivých prototypov je elektricky spojené paralelne. Podjednotky Harm2_160 a Harm2_60 pracujú súčasne v Olsonovom cykle, čo vedie k úrode energie 11,2 J.
Vložte 0,5 mm hrubú PST MLC do polyolefínovej hadice s obojstrannou páskou a drôtom na oboch stranách, aby ste vytvorili priestor na prietok kvapaliny. Vďaka svojej malej veľkosti bol prototyp umiestnený vedľa teplového alebo studeného ventilu, čo minimalizuje časy cyklu.
V PST MLC sa konštantné elektrické pole aplikuje použitím konštantného napätia na vykurovaciu vetvu. V dôsledku toho sa generuje negatívny tepelný prúd a ukladá sa energia. Po zahrievaní PST MLC je pole odstránené (v = 0) a energia uložená v ňom sa vráti späť do počítadla zdroja, čo zodpovedá jednému ďalšiemu príspevku zozbieranej energie. Nakoniec, s aplikovaným napätím V = 0 sa MLC PST ochladia na počiatočnú teplotu, aby sa cyklus mohol začať znova. V tejto fáze sa energia nezhromažďuje. Spustili sme Olsen cyklus pomocou Sourcemeter Keithley 2410, nabíjame PST MLC zo zdroja napätia a nastavili aktuálnu zhodu na vhodnú hodnotu, aby sa počas fázy nabíjania zhromaždilo dostatok bodov pre spoľahlivé výpočty energie.
V cykloch Stirling boli PST MLC nabité v režime zdroja napätia pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie VI> 0), požadovaný prúd dodržiavania predpisov tak, aby krok nabíjania trval okolo 1 s (a dostatok bodov sa zhromažďuje pre spoľahlivý výpočet energie) a chladiarenia. V cykloch Stirling boli PST MLC nabité v režime zdroja napätia pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie VI> 0), požadovaný prúd dodržiavania predpisov tak, aby krok nabíjania trval okolo 1 s (a dostatok bodov sa zhromažďuje pre spoľahlivý výpočet energie) a chladiarenia. Циклах стирлинга pst Mlc заряжались в риме источчника напрррряжениvia при наля ззениии эления пек по нал minutok (' количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура ээолодная температура. V cykloch Stirling PST MLC boli nabité v režime zdroja napätia pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie VI> 0), požadovaný výnosový prúd, takže štádium nabíjania trvá približne 1 s (a dostatočný počet bodov sa zhromažďuje pre spoľahlivú výpočet energie) a studenú teplotu.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 （） 和低温。 V hlavnom cykle sa PST MLC nabíja pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie VI> 0) v režime zdroja napätia, takže požadovaný prúd dodržiavania predpisov trvá pri kroku nabíjania približne 1 sekundu (a zhromaždili sme dostatok bodov, aby sme spoľahlivo vypočítali (energia) a nízka teplota. Цикле стирлинга pst Mlc заряж жается в риме источника напрж напряжение vi> 0), требуемый ток податлиliká nazky таков, что ээап зар яар зает около 1 с (и и н нирает дает оае 1 количество точек, ччобы надежно рассчитать энергию) и и и низкие температуры. V cykle Stirling je PST MLC nabitá v režime zdroja napätia s počiatočnou hodnotou elektrického poľa (počiatočné napätie VI> 0) je požadovaný prúd dodržiavania tak taký, že fáza nabíjania trvá približne 1 s (a na spoľahlivom výpočte energie sa zhromažďuje dostatočný počet bodov.Predtým, ako sa PST MLC zahreje, otvorte obvod použitím zodpovedajúceho prúdu I = 0 Ma (minimálny zodpovedajúci prúd, ktorý náš zdroj merania dokáže zvládnuť, je 10 NA). Výsledkom je, že náboj zostáva 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 viac ako 30 -krát pozri ďalší obr. 7.2) sa MLK FT vypustí (v = 0) a elektrická energia je v nich uložená v nich, ako je počiatočný náboj. Rovnaká aktuálna korešpondencia sa vráti na zdroj meračov. Kvôli zisku napätia je uložená energia pri vysokej teplote vyššia, ako bola poskytnutá na začiatku cyklu. V dôsledku toho sa energia získa premenou tepla na elektrinu.
Na monitorovanie napätia a prúdu aplikovaného na PST MLC sme použili Sourcemeter Keithley 2410. Zodpovedajúca energia sa vypočíta integráciou produktu napätia a aktuálneho čítania pomocou Keithleyho zdrojového merača, \ (e = {\ int} _ {0}^{{\ tau} {i} _ ({{\ rm} (t)} \ vľavo (t \ vpravo) {v} {{{{}} (t))) τ je obdobie obdobia. Na našej energetickej krivke pozitívne hodnoty energie znamenajú energiu, ktorú musíme dať MLC PST, a záporné hodnoty znamenajú energiu, ktorú z nich získavame, a preto prijatá energia. Relatívny výkon pre daný cyklus zberu je určený vydelením zozbieranej energie do obdobia τ celého cyklu.
Všetky údaje sú uvedené v hlavnom texte alebo v ďalších informáciách. Listy a žiadosti o materiály by mali byť nasmerované na zdroj AT alebo ED údajov uvedených v tomto článku.
Ando Junior, OH, Maran, Alo a Henao, NC Prehľad vývoja a aplikácií termoelektrických mikrogenerátorov na zber energie. Ando Junior, OH, Maran, Alo a Henao, NC Prehľad vývoja a aplikácií termoelektrických mikrogenerátorov na zber energie.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo a Henao, NC Prehľad vývoja a aplikácie termoelektrických mikrogenerátorov na zber energie. Ando Junior, Oh, Maran, Alo a 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 a Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, Alo a Henao, NC zvažujú vývoj a aplikáciu termoelektrických mikrogenerátorov na zber energie.pokračovať. podpora. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC fotovoltaické materiály: predstavuje efektívnosť a budúce výzvy. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC fotovoltaické materiály: predstavuje 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 Solar Materials: 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. Spojovaný pyro-pizoelektrický efekt pre samo-poháňaný simultánny snímanie teploty a tlaku. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Spojte pyro-pizoelektrický efekt pre samo-poháňané simultánne snímanie teploty a tlaku.Song K., Zhao R., Wang Zl a Yan Yu. Kombinovaný pyropiezoelektrický účinok na 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 pohon v rovnakom čase ako teplota a tlak.Song K., Zhao R., Wang Zl a Yan Yu. Kombinovaný termopiezoelektrický účinok na autonómne simultánne meranie teploty a tlaku.Dopredu. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Zber energie založený na pyroelektrických cykloch Ericsson v relaxorickej ferroelektrickej keramike. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Zber energie založený na pyroelektrických cykloch Ericsson v relaxorickej ferroelektrickej keramike.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Zber energie založený na pyroelektrických cykloch Ericsson v relaxorovej ferroelektrickej keramike.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Zber energie v relaxorovej ferroelektrickej keramike založenej na pyroelektrickej cyklistike Ericsson. Smart Alma Mater. štruktúra. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály pre interkonverziu na elektrotermálnu energiu v tuhom stave. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály pre interkonverziu na elektrotermálnu energiu v tuhom stave. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокалориаческие и и п пироэлектричves мератериалы сves пего пего пег пег arkend преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály pre elektronverziu v tuhej elektrárni. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокалориаческие и и п пироэлектричves мератериалы сves пего пего пег пег arkend преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály pre elektronverziu v tuhej elektrárni.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Štandard a číslo meritu na kvantifikáciu výkonu pyroelektrických nanogenerátorov. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Štandard a číslo meritu na kvantifikáciu výkonu pyroelektrických nanogenerátorov.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl a Yang, Yu. Štandardné a kvalitné 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 výkonnostné opatrenia na kvantifikáciu výkonu pyroelektrického nanogenerátora.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v olovenom škandiálnom tantaláte so skutočnou regeneráciou prostredníctvom poľa. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v olovenom škandiálnom tantaláte so skutočnou regeneráciou prostredníctvom poľa.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v olovom-scandium tantaláte so skutočnou regeneráciou pomocou modifikácie poľa. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环 ， 通过场变化实现真正的再生。 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 elektrotermálny chladiaci cyklus tantalátu štiepeného škrupania na skutočnú regeneráciu prostredníctvom obrátenia poľa.Physics Rev. x 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, nd kalorické materiály v blízkosti ferroických fázových prechodov. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, nd kalorické materiály v blízkosti ferroických fázových prechodov.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, nd kalorické materiály v blízkosti fázových prechodov Ferroid. 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 prechodov železnej fázy.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 zahrievanie. 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 zahrievanie.Moya X. a Mathur nd tepelné materiály na chladenie a zahrievanie.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. Elektrotermálne chladiče: prehľad.Pokročilé. elektronické. alma mater. 8. 2101031 (2022).
NUCHOKGWE, Y. a kol. Obrovská energetická účinnosť elektrokalorického materiálu vo vysoko usporiadanom štiepenom škrubke. Národná komunikácia. 12, 3298 (2021).
Nair, B. a kol. Elektotermálny účinok viacvrstvových kondenzátorov oxidov je veľký v širokom teplotnom rozmedzí. Nature 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 systém v tuhom stave Elektrotermálny chladiaci systém. Science 370, 129 - 133 (2020).
Meng, Y. a kol. Kaskádové elektrotermálne chladiace zariadenie pre veľké zvýšenie teploty. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Vysoký účinný priamy konverzia tepla na elektrické pyroelektrické merania súvisiace s energiou. Olsen, RB & Brown, DD Vysoko účinná priama premena tepla na pyroelektrické merania súvisiace s elektrickou energiou.Olsen, RB a Brown, DD Vysoko účinná priama premena tepla na elektrickú energiu spojenú 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 spojenú s pyroelektrickými meraniami.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. a kol. Hustota energie a energie v tenkých relaxorových ferroelektrických filmoch. Národná alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM kaskádová pyroelektrická konverzia: optimalizácia ferroelektrického fázového prechodu a elektrických strát. Smith, AN & Hanrahan, BM kaskádová pyroelektrická konverzia: optimalizácia ferroelektrického fázového prechodu a elektrických strát.Smith, An a Hanrahan, BM kaskádová pyroelektrická konverzia: Ferroelektrický fázový prechod a optimalizácia elektrickej straty. 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 ferroelektrických fázových prechodov a elektrických strát.J. Aplikácia. fyzika. 128, 24103 (2020).
Hoch, sr Používanie ferroelektrických materiálov na premenu tepelnej energie na elektrinu. proces. IEEE 51, 838 - 845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter.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. Cascaded Pyroelectric Power Converters.Ferroelectrics 59, 205 - 219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. na tuhých roztokoch tantalátu olova-scandium tantalátu s vysokým elektrokalorickým účinkom. Shebanov, L. & Borman, K. na tuhých roztokoch tantalátu olova-scandium tantalátu s vysokým elektrokalorickým účinkom.Shebanov L. a Borman K. o pevných roztokoch vodičného tantalátu 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. na roztokoch s vysokým elektrokalorickým účinkom Scandium-Lead-Scandium Solid.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 Vďaka Luxembourg National Research Foundation (FNR) na podporu tejto práce prostredníctvom Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay-SieBenritt, Thermodimat C20/MS/1471811/Defay Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Oddelenie materiálov Výskum a technológia, Luxembursko Inštitút technológie (zoznam), Belvoir, Luxembursko