Запропонувати стійкі джерела електроенергії є одним із найважливіших завдань цього століття.Напрямки досліджень матеріалів для збору енергії випливають із цієї мотивації, включаючи термоелектрику1, фотоелектричну2 та термофотоелектричну3.Хоча нам не вистачає матеріалів і пристроїв, здатних збирати енергію в діапазоні Джоуля, піроелектричні матеріали, які можуть перетворювати електричну енергію в періодичні зміни температури, вважаються датчиками4 і збирачами енергії5,6,7.Тут ми розробили макроскопічний збирач теплової енергії у формі багатошарового конденсатора, виготовленого з 42 грамів танталату свинцю скандію, який виробляє 11,2 Дж електричної енергії за термодинамічний цикл.Кожен піроелектричний модуль може генерувати щільність електричної енергії до 4,43 Дж см-3 за цикл.Ми також показуємо, що двох таких модулів вагою 0,3 г достатньо для безперервного живлення автономних збирачів енергії з вбудованими мікроконтролерами та датчиками температури.Нарешті, ми показуємо, що для температурного діапазону 10 К ці багатошарові конденсатори можуть досягти 40% ефективності карно.Ці властивості зумовлені (1) сегнетоелектричною зміною фази для високої ефективності, (2) низьким струмом витоку для запобігання втратам і (3) високою напругою пробою.Ці макроскопічні, масштабовані та ефективні піроелектричні вруки потужності переробляють термоелектричну виробництво потужності.
Порівняно з просторовим температурним градієнтом, необхідним для термоелектричних матеріалів, збір енергії термоелектричних матеріалів вимагає зміни температури в часі.Це означає термодинамічний цикл, який найкраще описується на ентропії (S)-температурі (T).На рисунку 1а показаний типовий графік ST нелінійного піроелектричного (NLP) матеріалу, що демонструє керований полем сегнетоелектричний-параелектричний фазовий перехід у танталаті свинцю скандію (PST).Синій і зелений ділянки циклу на діаграмі ST відповідають перетвореній електричній енергії в циклі Олсона (дві ізотермічні та дві ізопольні ділянки).Тут ми розглядаємо два цикли з однаковою зміною електричного поля (поле ввімкнено та вимкнено) та зміною температури ΔT, хоча з різними початковими температурами.Зелений цикл не розташований в області фазового переходу і тому має набагато меншу площу, ніж синій цикл, розташований в області фазового переходу.На діаграмі Св. Чим більша площа, тим більша зібрана енергія.Тому фазовий перехід повинен збирати більше енергії.Потреба в циклічності великої площі в НЛП дуже схожа на потребу в електротермічних застосуваннях9, 10, 11, 12, де багатошарові конденсатори PST (MLC) і терполімери на основі PVDF нещодавно продемонстрували чудову реверсивну продуктивність.Статус ефективності охолодження в циклі 13,14,15,16.Тому ми визначили MLC PST, що цікавлять для збирання теплової енергії.Ці зразки були повністю описані в методах і охарактеризовані в додаткових примітках 1 (скануюча електронна мікроскопія), 2 (рентгенівська дифракція) і 3 (калориметрія).
A, ескіз ентропії (S) -стемператури (t) графік з електричним полем, що вмикається та вимкнено, до матеріалів NLP, що показує фазові переходи.Два цикли збору енергії показані у двох різних температурних зонах.Сині та зелені цикли відбуваються всередині та поза фазовим переходом відповідно і закінчуються в дуже різних областях поверхні.b, два уніполярних кільця DE PST MLC товщиною 1 мм, виміряні від 0 до 155 кВ см-1 при 20 °C і 90 °C відповідно, і відповідні цикли Олсена.Листи ABCD посилаються на різні стани в циклі Олсона.AB: MLC заряджали до 155 кВ см-1 при 20 ° C.BC: MLC підтримували на рівні 155 кВ см-1 і температуру підвищували до 90 °C.CD: MLC розряди при 90 ° С.DA: MLC охолоджений до 20 ° С у нульовому полі.Синя зона відповідає вхідній потужності, необхідній для запуску циклу.Помаранчева область - це енергія, зібрана в один цикл.c, верхня панель, залежність напруги (чорний) і струму (червоний) від часу, що відстежується протягом того самого циклу Олсона, що й b.Дві вставки представляють посилення напруги та струму в ключових точках циклу.На нижній панелі жовта та зелена криві представляють відповідні криві температури та енергії відповідно для MLC товщиною 1 мм.Енергія розраховується за кривими струму та напруги на верхній панелі.Негативна енергія відповідає зібраній енергії.Етапи, що відповідають великим літерам на чотирьох малюнках, такі ж, як і в циклі Олсона.Цикл AB'CD відповідає циклу Стірлінга (додаткова примітка 7).
де E і D - електричне поле та електричне поле переміщення відповідно.НД може бути отриманий опосередковано з ланцюга DE (рис. 1В) або безпосередньо запускаючи термодинамічний цикл.Найкорисніші методи були описані Олсеном у його піонерській роботі над збором піроелектричної енергії у 1980S17.
На рис.1b показано дві монополярні петлі DE зразків PST-MLC товщиною 1 мм, зібраних при 20 °C і 90 °C відповідно, в діапазоні від 0 до 155 кВ см-1 (600 В).Ці два цикли можуть бути використані для опосередкованого обчислення енергії, зібраної циклом Олсона, показаним на малюнку 1А.Насправді цикл Олсена складається з двох гілок ізополя (тут нульове поле у ​​гілці DA і 155 кВ см-1 у гілці BC) і двох ізотермічних гілок (тут 20°С і 20°С у гілці AB) .C У гілці CD) енергія, зібрана під час циклу, відповідає помаранчевим та синім областям (EDD Integral).Зібрана енергія ND - це різниця між вхідною та вихідною енергією, тобто лише помаранчева область на фіг.1б.Цей конкретний цикл Олсона дає і щільність енергії 1,78 Дж. См-3.Цикл Стірлінга - це альтернатива циклу Олсона (додаткова примітка 7).Оскільки стадія постійного заряду (відкритий ланцюг) досягається легше, щільність енергії, отримана з рис. 1b (цикл AB'CD), досягає 1,25 Дж см-3.Це лише 70% того, що може збирати цикл Олсона, але просте обладнання для збирання врожаю це робить.
Крім того, ми безпосередньо виміряли енергію, зібрану під час циклу Олсона, включивши PST MLC за допомогою каскаду контролю температури Linkam і вимірювача джерела (метод).На малюнку 1c вгорі та у відповідних вставках показані струм (червоний) та напруга (чорний), зібраний на тому ж товщині 1 мм PST MLC, що і для циклу DE, що проходить через той самий цикл Олсона.Струм і напруга дозволяють обчислити зібрану енергію, а криві показані на рис.1c, низ (зелений) і температура (жовтий) протягом усього циклу.Листи ABCD представляють один і той же цикл Олсона на рис. 1. Зарядка MLC відбувається під час ноги AB і проводиться при низькому струмі (200 мкА), тому Sourcemeter може належним чином контролювати зарядку.Наслідком цього постійного початкового струму є те, що крива напруги (чорна крива) не лінійна через нелінійне поле зміщення потенціалу D PST (рис. 1С, верхня вставка).Наприкінці зарядки в MLC (точка B) накопичується 30 мДж електричної енергії.Потім MLC нагрівається, а негативний струм (а отже, негативний струм) виробляється, поки напруга залишається на рівні 600 В. після 40 с, коли температура досягла плато 90 ° C, цей струм був компенсований, хоча крок зразок виробляв у ланцюзі електричну потужність 35 мДж під час цього ізополя (друга вставка на рис. 1c, угорі).Потім напруга на MLC (відгалуження CD) зменшується, що призводить до додаткових 60 мДж електричної роботи.Загальна вихідна енергія - 95 МДж.Зібрана енергія є різницею між вхідною та вихідною енергією, яка дає 95 – 30 = 65 мДж.Це відповідає щільності енергії 1,84 Дж см-3, що дуже близько до Nd, вилученого з кільця DE.Відтворюваність цього циклу Олсона була ретельно перевірена (Додаткова примітка 4).Подальше збільшуючи напругу та температуру, ми досягли 4,43 Дж. См-3, використовуючи цикли Олсена в PST PST товщиною 0,5 мм у температурному діапазоні 750 В (195 кВ см-1) та 175 ° C (додаткова примітка 5).Це в чотири рази більше, ніж найкращі показники, повідомлені в літературі для прямих циклів Олсона, і отримували на тонких плівках PB (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 Дж. См-3) 18 (CM. Таблиця 1 для додаткових значень у літературі). Ця продуктивність була досягнута завдяки дуже низькому струму витоку цих МЛК (<10-7 A при 750 В і 180 ° C, див. Деталі в додатковій примітці 6) - вирішальний момент, про який згадується Smith et al.19 - на противагу до матеріалів, що використовуються в попередніх дослідженнях17,20. Ця продуктивність була досягнута завдяки дуже низькому струму витоку цих МЛК (<10-7 A при 750 В і 180 ° C, див. Деталі в додатковій примітці 6) - вирішальний момент, про який згадується Smith et al.19 - на противагу до матеріалів, що використовуються в попередніх дослідженнях17,20. Ці характеристики були досягнуті завдяки дуже низькому току утечки цих MLC (<10–7 А при 750 В і 180 °C, см. подробиці в додатковому приміченні 6) — критичний момент, згаданий Смітом і др.19 — у відмінності від матеріалів, використаних у більш ранніх дослідженнях17,20. Ці характеристики були досягнуті завдяки дуже низькому струму витоку цих MLC (<10–7 A при 750 В і 180 °C, див. Додаткову примітку 6 для деталей) – критична точка, згадана Smith et al.19 - На відміну від матеріалів, що використовуються в попередніх дослідженнях17,20.由于 这些 MLC 的 电流 电流 非常 低 （在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 a ， 请 补充 说明 6 中 的 详细））） — — — — — — — — — — — 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 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 的 材料 材料 17,20。由于 这些 MLC 的 非常 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 说明 6 中 详细 信息））） 相比） 等 等 人 提到 关键 点 相比之下 相比 相比） 人 提到 关键 点 相比之下 相比 相比） 人 提到 关键 点 相比 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 到 早期 研究 中 使用 的 材料 17.20。 Оскільки ток утечки цих MLC дуже низький (<10–7 А при 750 В і 180 °C, см. подробиці в додатковому приміченні 6) — ключовий момент, згаданий Смітом та ін.19. Оскільки струм витоку цих MLC дуже низький (<10–7 A при 750 В і 180 °C, див. Додаткову примітку 6 для деталей) – ключовий момент, згаданий Smith et al.19 - Для порівняння було досягнуто цих виступів.до матеріалів, що використовуються в попередніх дослідженнях 17,20.
Такі ж умови (600 В, 20–90 ° C), застосовані до циклу Стірлінга (додаткова примітка 7).Як і очікувалося від результатів циклу DE, врожайність становила 41,0 МДж.Однією з найбільш вражаючих особливостей циклів Стірлінга є їх здатність посилити початкову напругу через термоелектричний ефект.Ми спостерігали посилення напруги до 39 (від початкової напруги від 15 В до кінцевої напруги до 590 В, див. Додаткову рис. 7.2).
Ще одна відмітна особливість цих MLC - це те, що вони макроскопічні об'єкти, достатньо великі, щоб зібрати енергію в діапазоні Joule.Отже, ми побудували прототип комбайтера (HARV1), використовуючи товщиною 28 MLC PST 1 мм, дотримуючись тієї ж конструкції паралельної пластини, описаної Torello et al.14, у матриці 7 × 4, як показано на рис. Колектор зміщується перистальтичним насосом між двома резервуарами, де температура рідини зберігається постійною (метод).Зберіть до 3,1 Дж, використовуючи цикл Олсона, описаний на рис.2a, ізотермічні області при 10 ° С і 125 ° С та Ізофілд-областях при 0 і 750 В (195 кВ см-1).Це відповідає щільності енергії 3,14 Дж см-3.Використовуючи цей комбінат, вимірювання проводили в різних умовах (рис. 2В).Зауважимо, що 1,8 Дж був отриманий у температурному діапазоні 80 ° C та напругою 600 В (155 кВ см-1).Це добре узгоджується з раніше згаданим 65 МДж на 1 мм товщиною PST MLC за тих же умов (28 × 65 = 1820 МДж).
A, експериментальна установка зібраного прототипу HARV1 на основі 28 MLC PSTS товщиною 1 мм (4 рядки × 7 стовпців), що працює на циклах Олсона.Для кожного з чотирьох етапів циклу в прототипі надаються температура та напруга.Комп'ютер керує перистальтичним насосом, який циркулює діелектричну рідину між холодними та гарячими резервуарами, двома клапанами та джерелом живлення.Комп’ютер також використовує термопари для збору даних про напругу та струм, що подаються на прототип, і температуру комбайна від джерела живлення.B, енергія (колір), зібрана нашим прототипом 4 × 7 MLC проти температурного діапазону (осі x) та напругою (осі y) в різних експериментах.
Більша версія комбінезони (Harv2) з товщиною 60 PST MLC 1 мм і товщиною 160 PST MLC 0,5 мм (41,7 г активного піроелектричного матеріалу) дала 11,2 Дж (додаткова примітка 8).У 1984 році Олсен здійснив енергетичний комбінат на основі 317 г сполуки O3, легованого оловом (ZR, Ti) O3, здатного генерувати 6,23 Дж електроенергії при температурі близько 150 ° C (повід. 21).Для цього комбайна це єдине інше значення в діапазоні джоулів.Він отримав трохи більше половини цінності, яку ми досягли, і майже в сім разів кращу якість.Це означає, що щільність енергії HARV2 у 13 разів вища.
Період циклу Harv1 - 57 секунд.Це виробляло 54 мВт потужності з 4 рядами по 7 стовпців наборів MLC товщиною 1 мм.Щоб зробити це на крок далі, ми побудували третій комбайн (Harv3) з PST MLC товщиною 0,5 мм та подібною установкою до Harv1 та Harv2 (додаткова примітка 9).Ми виміряли час термалізації 12,5 секунд.Це відповідає часу циклу 25 с (додатковий рис. 9).Зібрана енергія (47 МДж) дає електричну потужність 1,95 МВт на MLC, що, в свою чергу, дозволяє нам уявити, що HARV2 виробляє 0,55 Вт (приблизно 1,95 мВт × 280 PST MLC 0,5 мм товщиною).Крім того, ми моделювали теплопередачу за допомогою моделювання кінцевих елементів (COMSOL, додаткова примітка 10 та додаткові таблиці 2–4), що відповідають експериментам HARV1.Моделювання кінцевих елементів дозволило передбачити значення потужності майже на порядок вище (430 МВт) для однакової кількості стовпців PST шляхом витончення MLC до 0,2 мм, використовуючи воду в якості теплоносія та відновлення матриці до 7 рядків .× 4 стовпці (крім того, було 960 МВт, коли резервуар був поруч із комбінатом, додатковий рис. 10В).
Щоб продемонструвати корисність цього колектора, цикл Стірлінга було застосовано до автономного демонстратора, який складався лише з двох PST MLC товщиною 0,5 мм як теплоприймачів, високовольтного вимикача, низьковольтного вимикача з накопичувальним конденсатором, перетворювача DC/DC , Мікроконтролер з низькою потужністю, два термопари та перетворювач підвищення (додаткова примітка 11).Схема вимагає, щоб накопичувальний конденсатор спочатку заряджався при напрузі 9 В, а потім працював автономно, коли температура двох MLC коливається від -5°C до 85°C, тут циклами по 160 с (кілька циклів показано в Додатковій примітці 11). .Примітно, що два МЛК вагою лише 0,3 г можуть автономно контролювати цю велику систему.Ще одна цікава особливість полягає в тому, що перетворювач низької напруги здатний перетворювати 400 В на 10-15 В з ефективністю 79% (Додаткова примітка 11 і Додатковий малюнок 11.3).
Нарешті, ми оцінили ефективність цих модулів MLC при перетворенні теплової енергії в електричну енергію.Коефіцієнт ефективності η визначається як відношення щільності зібраної електричної енергії Nd до щільності підведеного тепла Qin (додаткова примітка 12):
На малюнках 3a, b показано ефективність η та пропорційну ефективність ηr циклу Олсена відповідно, як функція температурного діапазону PST товщиною 0,5 мм.Обидва набори даних наведено для електричного поля 195 кВ см-1.ККД \(\this\) досягає 1,43%, що еквівалентно 18% від ηr.Однак для діапазону температур 10 K від 25 °C до 35 °C ηr досягає значень до 40% (синя крива на рис. 3b).Це вдвічі перевищує відоме значення для матеріалів NLP, зареєстроване в плівках PMN-PT (ηr = 19%) в діапазоні температур 10 К і 300 кВ см-1 (Посилання 18).Діапазони температури нижче 10 К не розглядалися, оскільки тепловий гістерезис MLC PST становить від 5 до 8 К. Визнання позитивного впливу фазових переходів на ефективність є критичним.Насправді оптимальні значення η і ηr майже всі отримані при початковій температурі Ti = 25°C на рис.3а,б.Це пов’язано з близьким фазовим переходом, коли не застосовується поле, а температура Кюрі ТК становить близько 20 ° C в цих МЛК (додаткова примітка 13).
A, B, ефективність η та пропорційна ефективність циклу Олсона (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot} } для максимального електричного полем 195 кВ см-1 та різними початковими температурами Ti, }}\,\)(б) для ГДК PST товщиною 0,5 мм залежно від інтервалу температур ΔTspan.
Останнє спостереження має два важливі наслідки: (1) будь-який ефективний цикл повинен починатися при температурах вище TC, щоб відбувся індукований полем фазовий перехід (від параелектричного до сегнетоелектричного);(2) ці матеріали є більш ефективними за час роботи, близький до TC.Хоча масштабна ефективність показана в наших експериментах, обмежений діапазон температури не дозволяє нам досягти великої абсолютної ефективності через межу карно (\ (\ delta t/t \)).Однак відмінна ефективність, продемонстрована цими МЛК PST, виправдовує Олсена, коли він згадує, що «ідеальний регенеративний термоелектричний двигун класу 20 класу, що працює при температурі між 50 ° C і 250 ° C, може мати ефективність 30%» 17.Щоб досягти цих значень і перевірити концепцію, було б корисно використовувати леговані PST з різними TC, як це було вивчено Шебановим і Борманом.Вони показали, що TC у PST може змінюватися від 3°C (легування Sb) до 33°C (легування Ti) 22 .Тому ми гіпотезуємо, що піроелектричні регенератори наступного покоління на основі легованих MLC PST або інших матеріалів із сильним фазовим переходом першого порядку можуть конкурувати з найкращими врученнями потужності.
У цьому дослідженні ми дослідили MLC, зроблені з PST.Ці пристрої складаються з серії електродів PT та PST, завдяки чому кілька конденсаторів з'єднані паралельно.PST був обраний тому, що він є чудовим матеріалом EC, а отже, потенційно відмінним матеріалом NLP.Він демонструє різкий фазовий фазовий перехід фероелектричного параелектричного фази близько 20 ° C, що вказує на те, що його ентропія зміни схожі на ті, показані на рис. 1. Подібні MLC були повністю описані для пристроїв EC13,14.У цьому дослідженні ми використовували 10,4 × 7,2 × 1 мм³ та 10,4 × 7,2 × 0,5 мм³ MLC.MLC з товщиною 1 мм і 0,5 мм були виготовлені з 19 і 9 шарів PST з товщиною 38,6 мкм відповідно.В обох випадках внутрішній шар PST розміщувався між платиновими електродами товщиною 2,05 мкм.Конструкція цих MLC передбачає, що 55% PST активні, що відповідає частині між електродами (додаткова примітка 1).Площа активного електрода становила 48,7 мм2 (додаткова таблиця 5).MLC PST готували методом реакції твердої фази та лиття.Деталі процесу підготовки були описані в попередній статті14.Однією з відмінностей між PST MLC та попередньою статтею є порядок B-Site, що сильно впливає на ефективність ЕК у PST.Порядок B-Sites PST MLC становить 0,75 (додаткова примітка 2), отриманий шляхом спікання при 1400 ° С, а потім сотні годин відпалу при 1000 ° С.Для отримання додаткової інформації про PST MLC див. Додаткові примітки 1-3 та додаткова таблиця 5.
Основна концепція цього дослідження базується на циклі Олсона (рис. 1).Для такого циклу нам потрібен гарячий та холодний резервуар та джерело живлення, здатні контролювати та контролювати напругу та струм у різних модулях MLC.Ці прямі цикли використовували дві різні конфігурації, а саме (1) модулі Linkam модулі Опалення та охолодження одного MLC, підключеного до джерела живлення Keithley 2410, та (2) три прототипи (Harv1, Harv2 та Harv3) паралельно з тією ж енергією джерела.В останньому випадку для теплообміну між двома резервуарами (гарячим та холодним) використовували діелектричну рідину (силіконова олія з в'язкістю 5 см при 25 ° С, придбаних у Sigma Aldrich) та MLC.Тепловий резервуар складається з скляної ємності, наповненої діелектричною рідиною, і розміщена поверх теплової пластини.Холодне зберігання складається з водяної бані з рідкими трубами, що містять діелектричну рідину у великій пластиковій ємності, наповненій водою та льодом.Два тристоронні клапани (придбані у Bio-хі-хемоносної рідини) були розміщені на кожному кінці комбайна, щоб правильно перемикати рідину з одного резервуару на інший (мал. 2А).Для забезпечення теплової рівноваги між пакетом PST-MLC та теплоносієм період циклу було продовжено до тих пір, поки термопарки входу та виходу (якомога ближче до пакету PST-MLC) не показали однакову температуру.Сценарій Python керує та синхронізує всі інструменти (джерело лічильників, насоси, клапани та термопарки) для запуску правильного циклу Олсона, тобто петля теплоносія починає циклітися через стек PST після того застосована напруга для заданого циклу Олсона.
Альтернативно, ми підтвердили ці прямі вимірювання зібраної енергії непрямими методами.Ці непрямі методи базуються на петлях поля електричного зміщення (D) – електричного поля (E), зібраних при різних температурах, і, обчисливши площу між двома петлями DE, можна точно оцінити, скільки енергії можна зібрати, як показано на малюнку. .на малюнку 2. .1b.Ці петлі DE також збираються за допомогою вимірювачів джерела Keithley.
Двадцять вісім 1 мм товщиною PST MLC були зібрані в 4-рядковій, 7 стовпці паралельної структури пластини відповідно до конструкції, описаної в еталоні.14. Зазор рідини між рядами PST-MLC становить 0,75 мм.Це досягається шляхом додавання смужок двосторонньої стрічки як рідких прокладок навколо країв PST MLC.PST MLC електрично з’єднаний паралельно за допомогою сріблястого епоксидного містка в контакті з проводами електродів.Після цього дроти були приклеєні сріблястою епоксидною смолою з кожного боку клем електрода для підключення до джерела живлення.На завершення вставте всю конструкцію в поліолефіновий шланг.Останній приклеюється до рідинної трубки для забезпечення належного ущільнення.Нарешті, термопари k типу товщиною 0,25 мм були вбудовані в кожен кінець структури PST-MLC для моніторингу температури входу та виходу.Для цього шланг спочатку повинен бути перфорованим.Після встановлення термопари нанесіть той самий клей, що і раніше між шлангом термопари та дротом, щоб відновити ущільнення.
Було побудовані вісім окремих прототипів, чотири з яких мали 40 мм товщиною MLC PSTS, розподілених у вигляді паралельних пластин з 5 стовпчиками та 8 рядами, а решта чотирьох - 15 1 мм товщиною PST.У 3 колонці × 5 рядків паралельної структури пластини.Загальна кількість використовуваних PST MLC становила 220 (товщиною 160 0,5 мм і товщиною 60 PST MLC 1 мм).Ми називаємо ці два субодиниці HARV2_160 та HARV2_60.Рідкий зазор у прототипі HARV2_160 складається з двох двосторонніх стрічок товщиною 0,25 мм товщиною 0,25 мм між ними.Для прототипу HARV2_60 ми повторили ту саму процедуру, але використовуючи дріт товщиною 0,38 мм.Для симетрії HARV2_160 та HARV2_60 мають власні ланцюги рідини, насоси, клапани та холодну сторону (додаткова примітка 8).Два одиниці Harv2 мають тепловий резервуар, 3 -літровий контейнер (30 см х 20 см х 5 см) на двох гарячих плитах з обертовими магнітами.Усі вісім індивідуальних прототипів паралельно підключені електрично.Субодинини Harv2_160 та Harv2_60 працюють одночасно в циклі Олсона, що призводить до врожаю енергії 11.2 J.
Помістіть PST MLC товщиною 0,5 мм у поліолефіновий шланг із двостороннім скотчем і дротом з обох сторін, щоб створити простір для протікання рідини.Через невеликі розміри прототип був розміщений поруч із клапаном гарячого чи холодного резервуару, мінімізуючи час циклу.
У PST MLC постійне електричне поле прикладається шляхом подачі постійної напруги на гілку нагріву.Як результат, генерується негативний тепловий струм і зберігається енергія.Після нагрівання PST MLC поле видаляється (v = 0), а енергія, що зберігається в ньому, повертається назад до лічильника джерела, що відповідає ще одному внеску зібраної енергії.Нарешті, при застосуванні напруги v = 0, MLC PST охолоджуються до їх початкової температури, щоб цикл міг починатися знову.На цьому етапі енергія не збирається.Ми провели цикл Олсена за допомогою Sourcemeter Keithley 2410, заряджаючи MLC PST з джерела напруги та встановивши поточну відповідність на відповідне значення, щоб під час фази зарядки було зібрано достатньо балів для надійних розрахунків енергії.
У циклах Стірлінга PST MLC заряджали в режимі джерела напруги при початковому значенні електричного поля (початкова напруга Vi > 0), бажаному струмі податливості, так що крок заряджання займає приблизно 1 с (і збирається достатньо точок для надійного розрахунку енергія) і холодна температура. У циклах Стірлінга PST MLC заряджали в режимі джерела напруги при початковому значенні електричного поля (початкова напруга Vi > 0), бажаному струмі податливості, так що крок заряджання займає приблизно 1 с (і збирається достатньо точок для надійного розрахунку енергія) і холодна температура. Вікла -Стрицин Пст Млк. женіе vi> 0), желаемомммматтлаймтом, т. Адежного Раасете внасія) і холодная У циклах MLC Stirling PST вони заряджалися в режимі джерела напруги за початковим значенням електричного поля (початкова напруга VI> 0) бажаний струм виходу, так що стадія зарядки займає близько 1 с (і достатня кількість балів збираються для надійного розрахунку енергії) і холодної температури.在 斯特林 循环 中 ， pst mlc 在 电压源 模式 下 以 初始 （（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 秒 （并且 了 了 的 点 以 可靠 计算 计算 收集 了 的 点 以 可靠 计算 计算 并且 了 的 点 以 地 计算能量）和低温。 У головному циклі MLC PST заряджається за початковим значенням електричного поля (початкова напруга VI> 0) в режимі джерела напруги, так що необхідний струм відповідності займає приблизно 1 секунду для кроку зарядки (і ми зібрали достатньо моментів Надійно обчислити (енергію) та низьку температуру. V цїкле Стрицинга pst mlc заraжаетешта rе -оми істочнака -ряженея Счаляммеп -зе -ч чleny. Ние vi> 0), Требуеммх -Податліоськотійсько Тькови, чt.tap за Рядадки (зanymате. бындона Раскицте, . У циклі Стірлінга MLC PST заряджається в режимі джерела напруги з початковим значенням електричного поля (початкова напруга VI> 0) необхідний струм відповідності такий, що стадія зарядки займає близько 1 с (і достатня кількість точок збираються для надійного обчислення енергії) та низьких температур.Перед тим, як PST MLC нагрівається вгору, відкрийте схему, застосувавши відповідний струм I = 0 Ма (мінімальний струм відповідності, з яким може обробляти наше вимірювальне джерело, становить 10 Na).Як результат, заряд залишається в PST MJK, і напруга збільшується в міру нагрівання зразка.Жодна енергія не збирається в руці до н.е., оскільки i = 0 мА.Після досягнення високої температури напруга в MLT FT збільшується (в деяких випадках більше 30 разів див. Додаткове рис. 7.2), MLK FT викидається (v = 0), а електрична енергія зберігається в них для того ж для одного оскільки вони будуть початковою зарядкою.Така ж поточна кореспонденція повертається до джерела лічильника.Через посилення напруги, збережена енергія при високій температурі вище, ніж було надано на початку циклу.Отже, енергію отримують шляхом перетворення тепла в електроенергію.
Ми використовували Sourcemeter Keithley 2410 для моніторингу напруги та струму, застосованого до MLC PST.Відповідна енергія обчислюється шляхом інтеграції продукту напруги та струму, прочитаного за допомогою джерельного лічильника Кітлі, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {mistion)} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ліворуч (t \ праворуч) {v} _ {{\ rm {seaight}}} (t) \), де τ - період періоду.На нашій кривій енергії позитивні значення енергії означають енергію, яку ми маємо надати MLC PST, а негативні значення означають енергію, яку ми витягуємо з них, і тому отримана енергія.Відносна потужність для заданого циклу збору визначається діленням зібраної енергії на період τ всього циклу.
Усі дані представлені в основному тексті або в додатковій інформації.Листи та запити на матеріали повинні бути спрямовані на джерело даних AT або ED, наданих у цій статті.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Огляд розробки та застосування термоелектричних мікрогногена для збирання енергії. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Огляд розробки та застосування термоелектричних мікрогногена для збирання енергії.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo and Henao, NC Огляд розробки та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збирання енергії. Ando Junior, Oh, Maran, Alo & Henao, NC 回顾 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, NCАндо Джуніор, Огайо, Маран, Ало, і Хенао, Північна Кароліна, розглядають розробку та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збору енергії.резюме.підтримка.Енергія Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC фотоелектричні матеріали: представити ефективність та майбутні проблеми. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC фотоелектричні матеріали: представити ефективність та майбутні проблеми.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. and Sinke, VK Photoveoltaic Materials: поточні продуктивність та майбутні виклики. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏 材料 ： 目前 的 效率 未来 的 挑战。。。。。。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Solar Materials: поточна ефективність та майбутні виклики.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. and Sinke, VK Photoveoltaic Materials: поточні продуктивність та майбутні виклики.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Конкурентований піро-пієзоелектричний ефект для одночасного зондування температури та тиску. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conconrunt Pyro-Piezoelectric ефект для одночасного зондування температури та тиску.Сонг К., Чжао Р., Ван ЗЛ і Янь Ю.Комбінований піропієзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та тиску. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于 自 同时 温度 和 压力 传感 的 联合 热压电。。。。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. для самопоглинання одночасно з температурою та тиском.Сонг К., Чжао Р., Ван ЗЛ і Янь Ю.Комбінований термопіезоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та тиску.вперед.alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Ericsson у фероелектричній кераміці релаксор. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Ericsson у фероелектричній кераміці релаксор.Sebald G., Prouvost S. та Guyomar D. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Ericsson у релроелектричній кераміці.Sebald G., Prouvost S. та Guyomar D. Збір енергії в релаксорній сегнетоелектричній кераміці на основі піроелектричного циклічного руху Ericsson.Розумна альма-матер.структура.17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckintry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалоричні та піроелектричні матеріали RW для твердотільної енергетичної взаємодії. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckintry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалоричні та піроелектричні матеріали RW для твердотільної енергетичної взаємодії. Alpay, sp, Mantese, J., Trolier-Mckintry, S., Zhang, Q. & What More, RW эlektrorokaloriчеаскаріе, а-Пироэвектрикушонеййййойййоййойойойоййойойоййойойойойойойойойойоніонейоніойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойономомоноо-соліойоное-соліоное-соліойоноеюонооною. Разонія Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалоричні та піроелектричні матеріали RW для реконструкції електротермальної енергії твердого стану. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckintry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用 固态 电 热 能 相互 转换 下 一 代 电热 和 材料。。 的 一 电热 和 材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, sp, Mantese, J., Trolier-Mckintry, S., Zhang, Q. & What More, RW эlektrorokaloriчеаскаріе, а-Пироэвектрикушонеййййойййоййойойойоййойойоййойойойойойойойойойоніонейоніойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойойономомоноо-соліойоное-соліоное-соліойоноеюонооною. Разонія Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалоричні та піроелектричні матеріали RW для реконструкції електротермальної енергії твердого стану.Леді Бик.39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard та Fict-Merit для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенетераторів. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard та Fict-Merit для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенетераторів.Чжан, К., Ван, Ю., Ван, ЗЛ і Ян, Ю.Стандартний та якісний показник для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенетераторів. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于 热释电纳米 发电机 性能 的 标准 和 品质 因数。 Чжан К., Ван Ю., Ван ЗЛ та Ян Ю.Чжан, К., Ван, Ю., Ван, ЗЛ і Ян, Ю.Критерії та заходи щодо ефективності для кількісної оцінки продуктивності піроелектричного наногенера.Нано енергія 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалорійні цикли охолодження в танталаті свинцю скандію зі справжньою регенерацією через зміну поля. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалорійні цикли охолодження в танталаті свинцю скандію зі справжньою регенерацією через зміну поля.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. і Mathur, ND Електрокалорійні цикли охолодження в танталаті свинцю-скандію зі справжньою регенерацією за допомогою модифікації поля. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, nd 钽酸钪铅 的 电热 冷却 循环 ， 通过 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 在 电影 在 在 线 电影。。。。。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. і Mathur, ND Цикл електротермічного охолодження танталату скандію та свинцю для справжньої регенерації через зміну поля.фізика Ред. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND калорійні матеріали поблизу фазових переходів. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND калорійні матеріали поблизу фазових переходів.Moya, X., Kar-Narayan, S. and Mathur, Nd калорійні матеріали поблизу фазових переходів. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, Nd 铁质 相变 的 热量 材料 材料。。。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Тепломічні матеріали поблизу заліза металургії.Moya, X., Kar-Narayan, S. and Mathur, Nd теплові матеріали біля переходів фази заліза.Нац.alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, Nd калорійні матеріали для охолодження та опалення. Moya, X. & Mathur, Nd калорійні матеріали для охолодження та опалення.Moya, X. and Mathur, Nd теплові матеріали для охолодження та опалення. Moya, X. & Mathur, nd 用 于 冷却 和 加热 热量 材料。。。。。 Moya, X. & Mathur, Nd теплові матеріали для охолодження та опалення.Moya X. та Mathur Nd теплові матеріали для охолодження та опалення.Наука 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Affay, E. Електрокалорічні охолоджувачі: огляд. Torelló, A. & Affay, E. Електрокалорічні охолоджувачі: огляд.Torello, A. and Affay, E. Електрокалорічні чиллі: огляд. Torelló, A. & Affay, E. 电热 ： ： 评论。。。 Torelló, A. & Affay, E. 电热 ： ： 评论。。。Torello, A. and Affay, E. Електротермальні охолоджувачі: огляд.Просунутий.електронні.альма-матер.8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. та ін.Величезна енергоефективність електрокалорійного матеріалу у високо впорядкованому скандієвому скандію-провідному.Національне спілкування.12, 3298 (2021).
Nair, B. та ін.Електротермальний ефект оксидних багатошарових конденсаторів великий у широкому температурному діапазоні.Природа 575, 468–472 (2019).
Торелло, А. та ін.Величезний діапазон температури в електротермальних регенераторах.Наука 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. та ін.Високопродуктивна твердотільна електротермальна система охолодження.Наука 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. та ін.Каскадний електротермальний пристрій охолодження для великого підвищення температури.Національна енергія 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High Efficieincy Пряме перетворення тепла в електричні енергетичні піроелектричні вимірювання. Olsen, RB & Brown, DD Висока ефективність Пряме перетворення тепла в електроелектричні вимірювання, пов'язані з електричною енергією.Олсен, РБ та Браун, ДД високоефективна пряма перетворення тепла в електричну енергію, пов'язану з піроелектричними вимірюваннями. Olsen, RB & Brown, DD 高效 直接 将 热量 转换 电能 相关 的 热释 电 测量。。。。 Олсен, Р. Б. і Браун, Д. ДOlsen, RB та Brown, DD Ефективна пряма перетворення тепла в електроенергію, пов'язану з піроелектричними вимірюваннями.Ферроелектрики 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. та ін.Енергія та щільність потужності в тонких релаксорних фероелектричних плівках.Національна альма-матер.https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Cerversion: оптимізація переходу фероелектричної фази та електричних втрат. Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Cerversion: оптимізація переходу фероелектричної фази та електричних втрат.Smith, An і Hanrahan, BM каскадували піроелектричну конверсію: перехід фази та оптимізація електричних втрат. Smith, An & Hanrahan, BM 级联热 释电 转换 ： 优化 铁电 相变 电损耗。。。。 Сміт, А. Н. і Ханрахан, Б. МSmith, An і Hanrahan, BM каскадували піроелектричну конверсію: оптимізація переходів фероелектричних фаз та електричних втрат.Ж. Застосування.фізика.128, 24103 (2020).
Hoch, SR Використання сегнетоелектричних матеріалів для перетворення теплової енергії в електроенергію.процес.IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulele, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulele, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM та Dulele, J. Cascade Pyroelectric Power Power. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulele, J. 级联热 能量 转换器 转换器。。。。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulele, J. 级联热 能量 转换器 转换器。。。。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM та Dulele, J. Cascaded Pyroelectric Power Power.Фероелектрики 59, 205–219 (1984).
Шебанов, Л. та Борман, К. Про свинцеві свинцеві тверді розчини з високим електрокалорійним ефектом. Шебанов, Л. та Борман, К. Про свинцеві свинцеві тверді розчини з високим електрокалорійним ефектом.Шебанов Л. та Борман К. про тверді розчини свинцю-скандю, що танталатують з високим електрокалорійним ефектом. Шебанов, Л. і Борман, К. 关于 具有 高电热 的 钪铅 钪固 溶体。。。。。 Шебанов, Л. і Борман, К.Шебанов Л. та Борман К. про суцільні розчини Scandium-Lead-Scandium з високим електрокалорійним ефектом.Фероелектрики 127, 143–148 (1992).
Ми дякуємо Н. Фурусаві, Ю. Інуе та К. Хонді за допомогу у створенні MLC.PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB та ED Дякуємо Національному дослідницькому фонду Люксембургу (FNR) за підтримку цієї роботи через CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, Thermodimat C20/MS/14718071/Affay та Bridges2021/MS/16282302/Cecoha/affay.
Департамент досліджень та технологій матеріалів, Луксембурзький технологічний інститут (список), Бельвуар, Люксембург