Ponúkanie udržateľných zdrojov elektriny je jednou z najdôležitejších výziev tohto storočia. Výskumné oblasti v oblasti materiálov na získavanie energie pramenia z tejto motivácie, vrátane termoelektrických1, fotovoltaických2 a termofotovoltaických3. Hoci nám chýbajú materiály a zariadenia schopné získavať energiu v Jouleovom rozsahu, pyroelektrické materiály, ktoré dokážu premieňať elektrickú energiu na periodické teplotné zmeny, sa považujú za senzory4 a zberače energie5,6,7. V tejto práci sme vyvinuli makroskopický zberač tepelnej energie vo forme viacvrstvového kondenzátora vyrobeného zo 42 gramov tantalátu olovnatého a skandium-tantalátu, ktorý produkuje 11,2 J elektrickej energie na termodynamický cyklus. Každý pyroelektrický modul dokáže generovať hustotu elektrickej energie až do 4,43 J cm-3 na cyklus. Ukazujeme tiež, že dva takéto moduly s hmotnosťou 0,3 g stačia na nepretržité napájanie autonómnych zberačov energie so zabudovanými mikrokontrolérmi a teplotnými senzormi. Nakoniec ukazujeme, že pre teplotný rozsah 10 K môžu tieto viacvrstvové kondenzátory dosiahnuť 40 % Carnotovu účinnosť. Tieto vlastnosti sú spôsobené (1) zmenou feroelektrickej fázy pre vysokú účinnosť, (2) nízkym zvodovým prúdom pre zabránenie stratám a (3) vysokým prierazným napätím. Tieto makroskopické, škálovateľné a účinné pyroelektrické zberače energie nanovo predstavujú výrobu termoelektrickej energie.
V porovnaní s priestorovým teplotným gradientom potrebným pre termoelektrické materiály si získavanie energie z termoelektrických materiálov vyžaduje teplotné cyklovanie v priebehu času. To znamená termodynamický cyklus, ktorý najlepšie opisuje diagram entropie (S) - teploty (T). Obrázok 1a znázorňuje typický ST graf nelineárneho pyroelektrického (NLP) materiálu demonštrujúci fázový prechod feroelektrický-paraelektrický fázový prechod riadený poľom v tantaláte skandia a olova (PST). Modrá a zelená časť cyklu na ST diagrame zodpovedajú premenenej elektrickej energii v Olsonovom cykle (dve izotermické a dve izopólové časti). 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 je plocha, tým väčšia je zozbieraná energia. Preto musí fázový prechod zhromaždiť viac energie. Potreba cyklovania na veľkej ploche v NLP je veľmi podobná potrebe elektrotermických aplikácií9, 10, 11, 12, kde viacvrstvové kondenzátory PST (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, ktoré sú zaujímavé pre získavanie 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 grafu entropie (S) - teploty (T) s aplikovaným elektrickým poľom zapnutým a vypnutým na NLP materiály, znázorňujúci fázové prechody. Zobrazené sú dva cykly zberu energie v dvoch rôznych teplotných zónach. Modrý a zelený cyklus sa vyskytujú vo vnútri a mimo fázového prechodu a končia vo veľmi odlišných oblastiach povrchu. b, dva unipolárne kruhy DE PST MLC s hrúbkou 1 mm, merané medzi 0 a 155 kV cm-1 pri 20 °C a 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 bol udržiavaný na 155 kV cm-1 a teplota bola zvýšená na 90 °C. CD: MLC sa vybíja pri 90 °C. DA: MLC ochladený na 20 °C v nulovom poli. Modrá oblasť zodpovedá vstupnému výkonu potrebnému na spustenie cyklu. Oranžová oblasť predstavuje energiu zhromaždenú v jednom cykle. c, horný panel, napätie (čierna) a prúd (červená) v závislosti od času, sledované počas toho istého Olsonovho cyklu ako b. Dva výrezy predstavujú zosilnenie napätia a prúdu v kľúčových bodoch cyklu. V dolnom paneli žltá a zelená krivka predstavujú zodpovedajúce teplotné a energetické krivky pre 1 mm hrubý MLC. Energia sa vypočíta z kriviek prúdu a napätia na hornom paneli. Záporná energia zodpovedá zozbieranej energii. Kroky zodpovedajúce veľkým písmenám na štyroch obrázkoch sú rovnaké ako v Olsonovom cykle. Cyklus AB'CD zodpovedá Stirlingovmu cyklu (doplňujúca poznámka 7).
kde E a D sú elektrické pole a pole elektrického posunu. Nd je možné získať nepriamo z DE obvodu (obr. 1b) alebo priamo spustením termodynamického cyklu. Najužitočnejšie metódy opísal Olsen vo svojej priekopníckej práci o zbere pyroelektrickej energie v 80. rokoch 20. storočia17.
Na obr. 1b sú znázornené dve monopolárne DE slučky vzoriek PST-MLC s hrúbkou 1 mm zostavených pri teplote 20 °C a 90 °C v rozsahu od 0 do 155 kV cm-1 (600 V). Tieto dva cykly možno použiť na nepriamy výpočet energie zozbieranej Olsonovým cyklom znázorneným na obrázku 1a. V skutočnosti Olsenov cyklus pozostáva z dvoch izopolných vetiev (tu nulové pole vo vetve DA a 155 kV cm-1 vo vetve BC) a dvoch izotermických vetiev (tu 20 °C a 20 °C vo vetve AB). C vo vetve CD) Energia zozbieraná počas cyklu zodpovedá oranžovej a modrej oblasti (EdD integrál). Zozbieraná energia Nd je rozdiel medzi vstupnou a výstupnou energiou, t. j. iba oranžová oblasť na obr. 1b. Tento konkrétny Olsonov cyklus poskytuje hustotu energie Nd 1,78 J cm-3. Stirlingov cyklus je alternatívou k Olsonovmu cyklu (doplnková poznámka 7). Pretože fáza konštantného náboja (otvorený obvod) sa ľahšie dosiahne, hustota energie extrahovaná z obr. 1b (cyklus AB'CD) dosahuje 1,25 J cm-3. To je len 70 % toho, čo dokáže Olsonov cyklus zhromaždiť, ale jednoduché zariadenie na zhromažďovanie to dokáže.
Okrem toho sme priamo merali energiu zozbieranú počas Olsonovho cyklu zapnutím PST MLC pomocou teplotného regulátora Linkam a merača zdroja (metóda). Obrázok 1c hore a v príslušných vložkách zobrazuje prúd (červená) a napätie (čierna) zozbierané na rovnakom 1 mm hrubom PST MLC ako pre DE slučku prechádzajúcu rovnakým Olsonovým cyklom. Prúd a napätie umožňujú vypočítať zozbieranú energiu a krivky sú znázornené na obr. 1c dole (zelená) a teplota (žltá) počas celého cyklu. Písmená ABCD predstavujú rovnaký Olsonov cyklus na obr. 1. Nabíjanie MLC prebieha počas fázy AB 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 kvôli nelineárnemu poľu posunutia potenciálu D PST (obr. 1c, horná vložka). Na konci nabíjania sa v MLC uloží 30 mJ elektrickej energie (bod B). MLC sa potom zahreje a vytvára sa záporný prúd (a teda záporný prúd), zatiaľ čo napätie zostáva na hodnote 600 V. Po 40 sekundách, keď teplota dosiahla plató 90 °C, bol tento prúd kompenzovaný, hoci stupňovitá vzorka produkovala v obvode počas tohto izopľa elektrický výkon 35 mJ (druhá vložka na obr. 1c, hore). Napätie na MLC (vetva CD) sa potom zníži, čo vedie k dodatočnej elektrickej práci 60 mJ. 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, ktorá je veľmi blízka Nd extrahovanému z DE kruhu. Reprodukovateľnosť tohto Olsonovho cyklu bola rozsiahlo testovaná (doplnková poznámka 4). Ďalším zvyšovaním napätia a teploty sme dosiahli hodnotu 4,43 J cm-3 pomocou Olsenových cyklov v 0,5 mm hrubom PST MLC v teplotnom rozsahu 750 V (195 kV cm-1) a 175 °C (doplnková poznámka 5). To je štyrikrát viac ako najlepší výkon uvedený v literatúre pre priame Olsonove cykly a bolo dosiahnuté na tenkých vrstvách Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm-1). Ďalšie hodnoty v literatúre nájdete v doplnkovej tabuľke 1). Tento výkon sa dosiahol vďaka veľmi nízkemu zvodovému prúdu týchto MLC (<10−7 A pri 750 V a 180 °C, podrobnosti pozri v doplnkovej poznámke 6) – kľúčovému bodu, ktorý spomenuli Smith a kol.19 – na rozdiel od materiálov použitých v skorších štúdiách17,20. Tento výkon sa dosiahol vďaka veľmi nízkemu zvodovému prúdu týchto MLC (<10−7 A pri 750 V a 180 °C, podrobnosti pozri v doplnkovej poznámke 6) – kľúčovému bodu, ktorý spomenuli Smith a kol.19 – na rozdiel od materiálov použitých v skorších štúdiách17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому очень низкому toku утечки этих 07 MLC (< 10 180 °C, см. др. 19 — в отличие от к материалам, использованным v более ранних исследованиях17,20. Tieto charakteristiky boli dosiahnuté vďaka veľmi nízkemu zvodovému prúdu týchto MLC (<10–7 A pri 750 V a 180 °C, podrobnosti pozri v doplnkovej poznámke 6) – kritickému bodu, ktorý spomenuli Smith a kol. 19 – na rozdiel od materiálov použitých v skorších štúdiách 17,20.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0㖂1由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补兎 说 时信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比繋下 相比下下下下下下下下下信息））））））））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 相比下 相比之下下下下下 相比之下 相比之下 相比之下下下下下下下之下下下下下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能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, см. постробновной дополнительном примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Keďže 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 pre porovnanie spomenuli Smith a kol. 19 –, boli dosiahnuté tieto výkony.k materiálom použitým v skorších štúdiách 17,20.
Rovnaké podmienky (600 V, 20–90 °C) boli použité aj pre Stirlingov cyklus (doplnková poznámka 7). Ako sa očakávalo na základe výsledkov DE cyklu, výťažok bol 41,0 mJ. Jednou z najvýraznejších vlastností Stirlingových cyklov je ich schopnosť zosilniť počiatočné napätie prostredníctvom termoelektrického javu. Pozorovali sme nárast napätia až o 39 (z počiatočného napätia 15 V na koncové napätie až 590 V, pozri doplnkový obrázok 7.2).
Ďalším rozlišovacím znakom týchto MLC je, že sú to makroskopické objekty dostatočne veľké na to, aby zhromažďovali energiu v joulovom rozsahu. Preto sme skonštruovali prototyp zberača (HARV1) s použitím 28 MLC PST s hrúbkou 1 mm, podľa rovnakej konštrukcie paralelných dosiek, akú opísali Torello a kol.14, v matrici 7×4, ako je znázornené na obr. Teplonosná dielektrická kvapalina v rozdeľovači je presúvaná peristaltickým čerpadlom medzi dvoma zásobníkmi, kde je teplota kvapaliny udržiavaná konštantná (metóda). Zhromažďujte až 3,1 J pomocou Olsonovho cyklu opísaného na obr. 2a, izotermické oblasti pri 10 °C a 125 °C a oblasti izopoľa pri 0 a 750 V (195 kV cm-1). To zodpovedá hustote energie 3,14 J cm-3. Pomocou tohto zberača boli merania vykonané za rôznych podmienok (obr. 2b). Treba poznamenať, že 1,8 J bolo získaných v teplotnom rozsahu 80 °C a napätí 600 V (155 kV cm-1). Toto je v dobrej zhode s predtým spomínanými 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) bežiacich 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 studenou a horúcou nádržou, dvoma ventilmi a zdrojom energie. Počítač tiež používa termočlánky na zhromažďovanie údajov o napätí a prúde dodávanom do prototypu a teplote kombajnu zo zdroja napájania. b, Energia (farba) zhromaždená naším 4×7 MLC prototypom v závislosti od teplotného rozsahu (os X) a napätia (os Y) v rôznych experimentoch.
Väčšia verzia zberača energie (HARV2) so 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 zberač energie na báze 317 g zlúčeniny Pb(Zr,Ti)O3 dopovanej cínom, ktorý bol schopný generovať 6,23 J elektriny pri teplote približne 150 °C (odkaz 21). Pre tento kombajn je to jediná ďalšia dostupná hodnota v joulovom rozsahu. Dosiahol niečo vyše polovice hodnoty, ktorú sme dosiahli, a takmer sedemnásobok kvality. To znamená, že hustota energie HARV2 je 13-krát vyššia.
Perióda cyklu HARV1 je 57 sekúnd. To vyprodukovalo 54 mW energie so 4 radmi po 7 stĺpcoch 1 mm hrubých súprav MLC. Aby sme to posunuli ešte o krok ďalej, zostrojili sme tretí kombinátor (HARV3) s 0,5 mm hrubým PST MLC a podobným nastavením ako HARV1 a HARV2 (doplnková poznámka 9). Namerali sme čas termalizácie 12,5 sekundy. To zodpovedá času 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) zodpovedajúceho experimentom HARV1. Modelovanie metódou konečných prvkov umožnilo predpovedať hodnoty výkonu takmer o rád vyššie (430 mW) pre rovnaký počet stĺpcov PST zriedením MLC na 0,2 mm, použitím vody ako chladiva a obnovením matrice na 7 riadkov. × 4 stĺpce (okrem toho bolo 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, mikrokontroléra s nízkym výkonom, dvoch termočlánkov a zvyšujúceho meniča (doplnková poznámka 11). Obvod vyžaduje, aby bol akumulačný kondenzátor najprv nabitý na 9 V a potom bežal autonómne, 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 dokážu autonómne riadiť tento veľký systém. Ďalšou zaujímavou vlastnosťou je, že nízkonapäťový menič je schopný prevádzať 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 zozbieranej elektrickej energie Nd k hustote dodaného tepla Qin (doplnková poznámka 12):
Obrázky 3a,b znázorňujú účinnosť η a proporcionálnu účinnosť ηr Olsenovho cyklu ako funkciu teplotného rozsahu 0,5 mm hrubého PST MLC. Obe sady údajov sú uvedené pre elektrické pole 195 kV cm-1. Účinnosť dosahuje 1,43 %, čo zodpovedá 18 % ηr. Avšak pre teplotný rozsah 10 K od 25 °C do 35 °C dosahuje ηr hodnoty až 40 % (modrá krivka na obr. 3b). To je dvojnásobok známej hodnoty pre NLP materiály zaznamenanej vo filmoch PMN-PT (ηr = 19 %) v teplotnom rozsahu 10 K a 300 kV cm-1 (odkaz 18). Teplotné rozsahy pod 10 K neboli brané do úvahy, pretože tepelná hysterézia PST MLC je medzi 5 a 8 K. Rozpoznanie pozitívneho vplyvu 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 blízkym fázovým prechodom, keď nie je aplikované žiadne pole a Curieova 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 maximálny elektrický výkon poľa 195 kV cm-1 a rôznych počiatočných teplotách Ti, }}(b) pre MPC PST s hrúbkou 0,5 mm v závislosti od teplotného intervalu ΔTspan.
Toto pozorovanie má dva dôležité dôsledky: (1) akékoľvek účinné cyklovanie musí začať pri teplotách nad TC, aby došlo k fázovému prechodu indukovanému poľom (z paraelektrického na feroelektrický); (2) tieto materiály sú účinnejšie pri prevádzkových časoch blízkych TC. Hoci naše experimenty preukázali účinnosť vo veľkom meradle, obmedzený teplotný rozsah nám neumožňuje dosiahnuť veľkú absolútnu účinnosť kvôli Carnotovmu limitu (ΔT/T). Vynikajúca účinnosť, ktorú preukázali tieto PST MLC, však ospravedlňuje Olsena, keď uvádza, že „ideálny regeneratívny termoelektrický motor triedy 20 pracujúci pri teplotách medzi 50 °C a 250 °C môže mať účinnosť 30 %“17. Na dosiahnutie týchto hodnôt a testovanie konceptu by bolo užitočné použiť dopované PST s rôznymi TC, ako študovali Shebanov a Borman. Ukázali, že TC v PST sa môže pohybovať od 3 °C (dopovanie Sb) do 33 °C (dopovanie Ti)22. Preto predpokladáme, že pyroelektrické regenerátory novej generácie založené na dopovaných PST MLC alebo iných materiáloch so silným fázovým prechodom prvého rádu 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 vynikajúcim EC materiálom, a teda potenciálne vynikajúcim NLP materiálom. Vykazuje ostrý fázový prechod z feroelektrického na paraelektrický prvok prvého rádu okolo 20 °C, čo naznačuje, že jeho zmeny entropie sú podobné tým, ktoré sú znázornené na obr. 1. Podobné MLC boli plne opísané pre zariadenia EC13,14. V tejto štúdii sme použili MLC s rozmermi 10,4 × 7,2 × 1 mm³ a 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC s hrúbkou 1 mm a 0,5 mm boli vyrobené z 19 a 9 vrstiev PST s hrúbkou 38,6 µm. V oboch prípadoch bola vnútorná vrstva PST umiestnená medzi 2,05 µm hrubými platinovými elektródami. Konštrukcia týchto MLC predpokladá, že 55 % PST je aktívnych, čo zodpovedá časti medzi elektródami (doplnková poznámka 1). Plocha aktívnej elektródy bola 48,7 mm2 (doplnková tabuľka 5). MLC PST bol pripravený reakciou v pevnej fáze a metódou odlievania. Podrobnosti o procese prípravy boli opísané v predchádzajúcom článku14. Jedným z rozdielov medzi PST MLC a predchádzajúcim článkom je poradie B-miest, ktoré výrazne ovplyvňuje výkon EC v PST. Poradie B-miest PST MLC je 0,75 (doplnková poznámka 2), získané spekaním pri 1400 °C, po ktorom nasledovalo stovky hodín trvajúce 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 zásobník teplej a studenej vody a zdroj napájania schopný monitorovať a riadiť napätie a prúd v rôznych moduloch MLC. Tieto priame cykly používali 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 spoločnosti Sigma Aldrich). Tepelný zásobník pozostáva zo sklenenej nádoby naplnenej dielektrickou kvapalinou a umiestnenej na tepelnej platni. Chladiaca nádrž pozostáva z vodného kúpeľa s kvapalinovými trubicami obsahujúcimi dielektrickú kvapalinu vo veľkej plastovej nádobe naplnenej vodou a ľadom. Na každom konci kombajnu boli umiestnené dva trojcestné škrtiace ventily (zakúpené od spoločnosti Bio-Chem Fluidics), aby sa správne prepínala kvapalina z jednej nádrže do druhej (obrázok 2a). Aby sa zabezpečila tepelná rovnováha medzi balíkom PST-MLC a chladiacou kvapalinou, doba cyklu sa predĺžila, kým vstupné a výstupné termočlánky (čo najbližšie k balíku PST-MLC) neukazovali rovnakú teplotu. Skript Python riadi a synchronizuje všetky prístroje (zdrojové merače, čerpadlá, ventily a termočlánky) tak, aby spúšťali správny Olsonov cyklus, t. j. chladiaci okruh začne cyklovať cez zásobník PST po nabití zdrojového merača, aby sa zahrial na požadované aplikované napätie pre daný Olsonov cyklus.
Alternatívne sme tieto priame merania zozbieranej energie potvrdili nepriamymi metódami. Tieto nepriame metódy sú založené na slučkách elektrického posunu (D) – elektrického poľa (E) zozbieraných pri rôznych teplotách a výpočtom plochy medzi dvoma slučkami DE je možné presne odhadnúť, koľko energie je možné zozbierať, ako je znázornené na obrázku 2.1b. Tieto slučky DE sa tiež zhromažďujú pomocou zdrojových meračov Keithley.
Dvadsaťosem 1 mm hrubých PST MLC bolo zostavených do 4-radovej, 7-stĺpcovej paralelnej doskovej štruktúry podľa návrhu opísaného v referencii. 14. Medzera medzi radmi PST-MLC je 0,75 mm. To sa dosiahne pridaním prúžkov obojstrannej pásky ako kvapalinových dištančných podložiek okolo okrajov PST MLC. PST MLC je elektricky paralelne pripojený strieborným epoxidovým mostíkom v kontakte s vodičmi elektród. Následne boli na každú stranu svoriek elektród nalepené vodiče striebornou epoxidovou živicou pre pripojenie k napájaniu. Nakoniec sa celá štruktúra vloží do polyolefínovej hadice. Tá sa prilepí k kvapalinovej trubici, aby sa zabezpečilo správne utesnenie. Nakoniec boli do každého konca štruktúry PST-MLC zabudované 0,25 mm hrubé termočlánky typu K na monitorovanie vstupnej a výstupnej teploty kvapaliny. Na to je potrebné hadicu najskôr perforovať. Po inštalácii termočlánku sa medzi hadicu a vodič termočlánku nanesie rovnaké lepidlo ako predtým, aby sa obnovilo utesnenie.
Bolo vyrobených osem samostatných prototypov, z ktorých štyri mali 40 0,5 mm hrubých MLC PST rozmiestnených ako rovnobežné dosky s 5 stĺpcami a 8 radmi a zvyšné štyri mali po 15 1 mm hrubých MLC PST v štruktúre s rovnobežnými doskami s 3 stĺpcami × 5 radmi. Celkový počet použitých PST MLC bol 220 (160 s hrúbkou 0,5 mm a 60 PST MLC s hrúbkou 1 mm). 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 vlastné kvapalinové okruhy, čerpadlá, ventily a studenú stranu (doplnková poznámka 8). Dve jednotky HARV2 zdieľajú tepelný zásobník, 3-litrovú nádobu (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvoch vyhrievacích platniach s rotujúcimi magnetmi. Všetkých osem jednotlivých prototypov je elektricky zapojených paralelne. Podjednotky HARV2_160 a HARV2_60 pracujú súčasne v Olsonovom cykle, čo vedie k energetickému zisku 11,2 J.
Do polyolefínovej hadice umiestnite 0,5 mm hrubý PST MLC pomocou obojstrannej pásky a drôtu na oboch stranách, aby ste vytvorili priestor pre prúdenie kvapaliny. Vzhľadom na svoju malú veľkosť bol prototyp umiestnený vedľa ventilu horúcej alebo studenej nádrže, čím sa minimalizovali časy cyklov.
V PST MLC sa aplikuje konštantné elektrické pole privedením konštantného napätia na vykurovaciu vetvu. V dôsledku toho sa generuje záporný tepelný prúd a ukladá sa energia. Po zahriatí PST MLC sa pole odstráni (V = 0) a energia v ňom uložená sa vráti späť do zdrojového počítadla, čo zodpovedá ďalšiemu príspevku zozbieranej energie. Nakoniec, s privedeným napätím V = 0, sa MLC PST ochladia na svoju počiatočnú teplotu, aby sa cyklus mohol znova spustiť. V tejto fáze sa energia nezhromažďuje. Olsenov cyklus sme spustili pomocou Keithley 2410 SourceMeter, pričom sme PST MLC nabíjali zo zdroja napätia a nastavovali sme prispôsobenie prúdu na vhodnú hodnotu, aby sa počas fázy nabíjania zozbieralo dostatok bodov pre spoľahlivé výpočty energie.
V Stirlingových cykloch boli PST MLC nabíjané v režime zdroja napätia pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0), požadovanom prúde poddajnosti tak, aby krok nabíjania trval približne 1 s (a aby sa zhromaždil dostatok bodov pre spoľahlivý výpočet energie) a nízkej teplote. V Stirlingových cykloch boli PST MLC nabíjané v režime zdroja napätia pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0), požadovanom prúde poddajnosti tak, aby krok nabíjania trval približne 1 s (a aby sa zhromaždil dostatok bodov pre spoľahlivý výpočet energie) a nízkej teplote. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения причначальне электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, такдатитарта занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета) холодная температура. V cykloch Stirling PST MLC boli nabíjané v režime zdroja napätia pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0), požadovanom výťažnom prúde, takže fáza nabíjania trvá približne 1 s (a zozbiera sa dostatočný počet bodov pre 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）充电，所需的顺应电流使得充电步骤大约需要1秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 V hlavnom cykle sa PST MLC nabíja pri počiatočnej hodnote elektrického poľa (počiatočné napätie Vi > 0) v režime zdroja napätia, takže požadovaný prúd poddajnosti trvá približne 1 sekundu pre krok nabíjania (a zhromaždili sme dostatok bodov na spoľahlivý výpočet (energie) a nízkej teploty). В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным ннначальным не эlektrического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно ратсьчино ратсьчиное 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 približne 1 s (a je zozbieraný dostatočný počet bodov na spoľahlivý výpočet energie) a nízkymi teplotami.Predtým, ako sa PST MLC zahreje, otvorte obvod privedením prispôsobovacieho prúdu I = 0 mA (minimálny prispôsobovací prúd, ktorý dokáže náš merací zdroj spracovať, je 10 nA). V dôsledku toho v PST MJK zostáva náboj a napätie sa zvyšuje so zahrievaním vzorky. 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), MLK FT sa vybije (V = 0) a elektrická energia sa v nich uloží po dobu rovnakú, ako je počiatočný náboj. Rovnaký prúd sa vráti do meracieho zdroja. Vďaka zosilneniu napätia je uložená energia pri vysokej teplote vyššia ako energia, ktorá bola poskytnutá na začiatku cyklu. V dôsledku toho sa energia získava premenou tepla na elektrinu.
Na monitorovanie napätia a prúdu privádzaného do PST MLC sme použili Keithley 2410 SourceMeter. Zodpovedajúca energia sa vypočíta integráciou súčinu napätia a prúdu odčítaného Keithleyho zdrojovým meračom, \ (E = {\int}_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), kde τ je perióda periódy. Na našej energetickej krivke kladné hodnoty energie znamenajú energiu, ktorú musíme odovzdať MLC PST, a záporné hodnoty znamenajú energiu, ktorú z nich extrahujeme, 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 adresované zdroju údajov AT alebo ED uvedených v tomto článku.
Ando Junior, OH, Maran, ALO a Henao, NC. Prehľad vývoja a aplikácií termoelektrických mikrogenerátorov na získavanie energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO a Henao, NC. Prehľad vývoja a aplikácií termoelektrických mikrogenerátorov na získavanie energie.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO a Henao, NC. Prehľad vývoja a aplikácie 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 v štáte Ohio, Maran v štáte Los Angeles a Henao v štáte Severná Karolína zvažujú vývoj a aplikáciu termoelektrických mikrogenerátorov na získavanie energie.životopis. podpora. Energy 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.Veda 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL a Yang, Y. Spojený pyro-piezoelektrický efekt pre samonapájacie simultánne snímanie teploty a tlaku. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL a Yang, Y. Konjunktný pyro-piezoelektrický efekt pre simultánne snímanie teploty a tlaku s vlastným napájaním.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný pyropiezoelektrický jav 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 a Yang, Y. Pre vlastné napájanie súčasne s teplotou a tlakom.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný termopiezoelektrický jav pre autonómne simultánne meranie teploty a tlaku.Vpred. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. a Guyomar, D. Získavanie energie na základe Ericssonových pyroelektrických cyklov v relaxorovej feroelektrickej keramike. Sebald, G., Pruvost, S. a Guyomar, D. Získavanie energie na základe Ericssonových pyroelektrických cyklov v relaxorovej feroelektrickej keramike.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Získavanie energie na základe pyroelektrických Ericssonových cyklov v relaxorovej feroelektrickej keramike.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Získavanie energie v relaxorových feroelektrických keramikách na základe Ericssonovho pyroelektrického cyklovania. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. a Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály novej generácie pre elektrotermálnu premenu energie v pevnom skupenstve. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. a Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály novej generácie pre elektrotermálnu premenu energie v pevnom skupenstve. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW поколения для взаимного преобразования твердотельной эlektroteрмической энергия Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. a Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály novej generácie pre elektrotermálnu premenu energie v tuhom skupenstve. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. a Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW поколения для взаимного преобразования твердотельной эlektroteрмической энергия Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. a Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály novej generácie pre elektrotermálnu premenu energie v tuhom skupenstve.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Y. Štandard a ukazovateľ kvality pre kvantifikáciu výkonu pyroelektrických nanogenerátorov. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Y. Štandard a ukazovateľ kvality 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 výkonnostné miery na kvantifikáciu výkonu pyroelektrického nanogenerátora.Nanoenergia 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v tantaláte olovnatom a skandia so skutočnou regeneráciou prostredníctvom zmeny poľa. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v tantaláte olovnatom a skandia so skutočnou regeneráciou prostredníctvom zmeny poľa.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladiace cykly v tantaláte olovnato-skandia 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 skandia a olova pre skutočnú regeneráciu prostredníctvom obrátenia poľa.fyzika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti fázových prechodov na báze železa. Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti fázových prechodov na báze železa.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. a 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. a Mathur, ND Kalorické materiály na chladenie a vykurovanie. Moya, X. a 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. a Mathur, ND Tepelné materiály na chladenie a vykurovanie.Moya X. a Mathur ND Tepelné materiály na chladenie a vykurovanie.Veda 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.Pokročilá. elektronika. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. a kol. Obrovská energetická účinnosť elektrokalorického materiálu vo vysoko usporiadanej štruktúre skandium-skandium-olovo. National communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. a kol. Elektrotermický účinok viacvrstvových oxidových kondenzátorov je veľký v širokom teplotnom rozsahu. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. a kol. Obrovský teplotný rozsah v elektrotermických regenerátoroch. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. a kol. Vysokovýkonný elektrotermický chladiaci systém v pevnom skupenstve. 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 a Brown, DD Vysokoúčinná priama premena tepla na elektrickú energiu súvisiaca s pyroelektrickými meraniami. Olsen, RB a Brown, DD Vysokoúčinná priama premena tepla na elektrickú energiu súvisiaca s pyroelektrickými meraniami.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 a Brown, DDOlsen, RB a Brown, DD Efektívna priama premena tepla na elektrinu spojená s pyroelektrickými meraniami.Feroelektrika 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. a kol. Energia a hustota výkonu v tenkých relaxorových feroelektrických filmoch. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverzia: optimalizácia feroelektrického fázového prechodu a elektrických strát. Smith, AN a 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 a Hanrahan, BMSmith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverzia: optimalizácia feroelektrických fázových prechodov a elektrických strát.J. Aplikačná fyzika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR. Použitie feroelektrických materiálov na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Kaskádový pyroelektrický menič energie. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Kaskádový pyroelektrický menič energie.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Cascade Pyroelektrický menič energie. 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 výkonu.Feroelektrika 59, 205–219 (1984).
Šebanov, L. a Borman, K. O pevných roztokoch tantalátu olova a skandia s vysokým elektrokalorickým účinkom. Šebanov, L. a Borman, K. O pevných roztokoch tantalátu olova a skandia s vysokým elektrokalorickým účinkom.Šebanov L. a Borman K. O pevných roztokoch tantalátu olovnatého 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。 Šebanov, L. a Borman, K.Šebanov L. a Borman K. O tuhých roztokoch skandium-olovo-skandium s vysokým elektrokalorickým efektom.Feroelektrika 127, 143–148 (1992).
Ďakujeme N. Furusawovi, Y. Inoueovi a K. Hondovi za ich 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 projektov 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