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 в діапазоні температур 10 К ці багатошарові конденсатори можуть досягати 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 збирачі енергії переосмислюють термоелектричне виробництво енергії.
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 діаграмою ентропія (S)-температура (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 ST чим більша площа, тим більша зібрана енергія. Тому фазовий перехід повинен зібрати 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. стан продуктивності охолодження в циклі 13,14,15,16. Тому ми визначили PST MLC, що представляють інтерес для збору 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 графіка ентропії (S)-температури (T) із увімкненим і вимкненим електричним полем, застосованим до матеріалів NLP, що показує фазові переходи. Показано два цикли збору енергії в двох різних температурних зонах. Синій і зелений 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. Літери ABCD позначають різні стани в циклі Олсона. AB: MLC були заряджені 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 розряджається при 90°C. DA: MLC, охолоджений до 20°C 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 поле електричного зміщення відповідно. Nd можна отримати опосередковано з ланцюга DE (рис. 1b) або безпосередньо шляхом запуску термодинамічного циклу. Найбільш корисні методи були описані Олсеном у його піонерській роботі зі збору піроелектричної енергії в 1980-х роках17.
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 можна використовувати для опосередкованого розрахунку 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 помаранчевій і синій областях (інтеграл EdD). Зібрана енергія Nd є різницею між вхідною та вихідною енергією, тобто лише помаранчева область на рис. 1б. Цей конкретний цикл Олсона дає щільність енергії Nd 1,78 Дж см-3. Цикл Стірлінга є альтернативою 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 зібрати цикл Олсона, але просте збиральне обладнання справляється з цим.
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 угорі та на відповідних вставках показані струм (червоний) і напруга (чорний), зібрані на тому ж PST MLC товщиною 1 мм, що й для петлі 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. Букви ABCD позначають той самий цикл Олсона на рис. 1. Зарядка MLC відбувається під час ланки AB і здійснюється 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 є лінійною через нелінійне поле зміщення потенціалу D PST (рис. 1c, верхня вставка). Наприкінці зарядки в MLC (точка B) накопичується 30 мДж електричної енергії. Потім MLC нагрівається, і утворюється негативний струм (і, отже, негативний струм), поки напруга залишається на рівні 600 В. Через 40 с, коли температура досягла плато 90 °C, цей струм компенсувався, хоча ступінчастий 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 становить 95 мДж. Зібрана енергія є різницею між вхідною та вихідною енергією, яка дає 95 – 30 = 65 мДж. Це відповідає густині 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). Завдяки подальшому збільшенню напруги та температури ми досягли 4,43 Дж см-3 за допомогою циклів Олсена в PST MLC товщиною 0,5 мм у діапазоні температур 750 В (195 кВ см-1) і 175 °C (Додаткова примітка 5). Це вчетверо більше, ніж найкращі показники, описані в літературі для прямих циклів Олсона, і було отримано на тонких плівках Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 Дж см-3)18 (см . Додатковий Таблиця 1 для додаткових значень у літературі). Ця ефективність була досягнута завдяки дуже низькому струму витоку цих MLC (<10−7 A при 750 В і 180 °C, див. деталі в Додатковій примітці 6) — важливий момент, згаданий Смітом та ін.19 — на відміну від цього до матеріалів, використаних у попередніх дослідженнях17,20. Ця ефективність була досягнута завдяки дуже низькому струму витоку цих MLC (<10−7 A при 750 В і 180 °C, див. деталі в Додатковій примітці 6) — важливий момент, згаданий Смітом та ін.19 — на відміну від цього до матеріалів, використаних у 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, використаних у попередніх дослідженнях17,20.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）——Сміт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。 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 — для сравнения, були досягнуті ці характеристики. 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, ці показники досягнуті.до матеріалів, використаних у попередніх дослідженнях 17,20.
Ті самі умови (600 В, 20–90 °C) застосовувалися до циклу Стірлінга (додаткова примітка 7). Як і очікувалося за результатами циклу ДЕ, вихід склав 41,0 мДж. Однією з найбільш вражаючих особливостей циклів Стірлінга є їх здатність посилювати початкову напругу за допомогою термоелектричного ефекту. Ми спостерігали приріст напруги до 39 (від початкової напруги 15 В до кінцевої напруги до 590 В, див. Додатковий рис. 7.2).
Іншою відмінною рисою цих MLC є те, що вони є макроскопічними об’єктами, достатньо великими, щоб накопичувати енергію в джоульному діапазоні. Таким чином, ми побудували прототип комбайна (HARV1), використовуючи 28 MLC PST товщиною 1 мм, дотримуючись тієї ж конструкції паралельних пластин, описаної Torello та ін.14, у матриці 7×4, як показано на рис. Теплоносна діелектрична рідина в колектор переміщується перистальтичним насосом між двома резервуарами, де температура рідини підтримується постійною (метод). Зберіть до 3,1 Дж за допомогою циклу Олсона, описаного на рис. 2а, ізотермічні області при 10°C і 125°C і ізополеві області при 0 і 750 В (195 кВ см-1). Це відповідає щільності енергії 3,14 Дж см-3. За допомогою цього комбайна проводили вимірювання за різних умов (рис. 2б). Зверніть увагу, що 1,8 Дж було отримано в діапазоні температур 80 °C і напрузі 600 В (155 кВ см-1). Це добре узгоджується з раніше згаданими 65 мДж для PST MLC товщиною 1 мм за тих же умов (28 × 65 = 1820 мДж).
a, Експериментальна установка зібраного прототипу HARV1 на основі 28 MLC PST товщиною 1 мм (4 рядки × 7 стовпців), що працюють за циклами Олсона. Для кожного з чотирьох кроків циклу температура та напруга надані в прототипі. Комп’ютер керує перистальтичним насосом, який циркулює діелектричну рідину між холодним і гарячим 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, залежить від діапазону температур (вісь X) і напруги (вісь Y) у різних експериментах.
Більша версія комбайна (HARV2) з 60 PST MLC товщиною 1 мм і 160 PST MLC товщиною 0,5 мм (41,7 г активного піроелектричного матеріалу) дала 11,2 Дж (додаткова примітка 8). У 1984 році Олсен зробив збирач енергії на основі 317 г сполуки Pb(Zr,Ti)O3, легованої оловом, здатний генерувати 6,23 Дж електрики при температурі близько 150 °C (посилання 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 становить 57 секунд. Це виробляло 54 мВт потужності з 4 рядами по 7 стовпців наборів MLC товщиною 1 мм. Щоб зробити ще один крок далі, ми побудували третій комбайн (HARV3) із PST MLC товщиною 0,5 мм і подібними налаштуваннями до HARV1 і 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, у свою чергу, дозволяє нам уявити, що HARV2 виробляє 0,55 Вт (приблизно 1,95 мВт × 280 PST MLC товщиною 0,5 мм). Крім того, ми змоделювали теплопередачу за допомогою моделювання кінцевих елементів (COMSOL, додаткова примітка 10 і додаткові таблиці 2–4), що відповідає експериментам HARV1. Скінченно-елементне моделювання дозволило передбачити майже на порядок вищі значення потужності (430 мВт) для тієї ж кількості стовпців PST шляхом розрідження MLC до 0,2 мм, використання води як теплоносія та відновлення матриці до 7 рядків . × 4 колони (крім , було 960 мВт, коли бак стояв поруч з комбайном, Додатковий рис. 10b).
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 малої потужності, дві термопари та підвищувальний перетворювач (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 MLC вагою всього 0,3 г можуть автономно керувати цією великою системою. 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 у перетворенні теплової енергії в електричну. 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 і пропорційну ефективність ηr циклу Олсена відповідно як функцію температурного діапазону PST MLC 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). Температурні діапазони нижче 10 К не розглядалися, оскільки термічний гістерезис PST MLC 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 поле не застосовано, а температура Кюрі TC становить близько 20 °C у цих MLC (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. Незважаючи на те, що наші експерименти показують великомасштабну ефективність, обмежений діапазон температур не дозволяє нам досягти великих абсолютних ефективностей через межу Карно (\(\Delta T/T\)). Однак чудова ефективність, продемонстрована цими PST MLC, виправдовує Олсена, коли він згадує, що «ідеальний регенеративний термоелектричний двигун класу 20, який працює при температурах від 50 °C до 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 припускаємо, що піроелектричні регенератори наступного покоління на основі легованих PST MLC або інших матеріалів із сильним фазовим переходом першого роду можуть конкурувати з найкращими комбайнами.
У цьому дослідженні ми досліджували MLC, виготовлені з PST. Ці пристрої складаються з серії Pt і PST електродів, за допомогою яких кілька конденсаторів підключені паралельно. PST був обраний тому, що це чудовий матеріал EC і, отже, потенційно чудовий матеріал NLP. Він демонструє різкий сегнетоелектричний-параелектричний фазовий перехід першого порядку близько 20 °C, що вказує на те, що його зміни ентропії подібні до тих, що 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 MLCs. ГМК товщиною 1 мм і 0,5 мм виготовляли з 19 і 9 шарів PST товщиною 38,6 мкм відповідно. В обох випадках внутрішній шар PST був розміщений між платиновими електродами товщиною 2,05 мкм. Конструкція цих MLC передбачає, що 55% PST є активними, що відповідає частині між електродами (додаткова примітка 1). Площа активного електрода становила 48,7 мм2 (додаткова таблиця 5). MLC PST був отриманий твердофазною реакцією та методом лиття. Деталі процесу підготовки були описані в попередній статті14. Однією з відмінностей між PST MLC і попередньою статтею є порядок B-сайтів, який сильно впливає на продуктивність EC у PST. Порядок B-місць PST MLC становить 0,75 (додаткова примітка 2), отриманих шляхом спікання при 1400 °C з подальшим відпалом протягом сотень годин при 1000 °C. Для отримання додаткової інформації про PST MLC див. Додаткові примітки 1-3 і Додаткову таблицю 5.
Основна концепція цього дослідження базується на циклі Олсона (рис. 1). Для такого циклу нам потрібен гарячий і холодний резервуар і джерело живлення, здатне контролювати та контролювати напругу та струм у різних модулях MLC. Ці прямі цикли використовували дві різні конфігурації, а саме (1) модулі Linkam, що нагрівали та охолоджували один MLC, підключений до джерела живлення Keithley 2410, і (2) три прототипи (HARV1, HARV2 і HARV3) паралельно з тим самим джерелом енергії. В останньому випадку для теплообміну між двома резервуарами (гарячим і холодним) і MLC використовувалася діелектрична рідина (силіконова олія з в'язкістю 5 сП при 25°C, придбана у Sigma Aldrich). Термічний резервуар складається зі скляної ємності, наповненої діелектричною рідиною та розміщеної на термопластині. Холодильник складається з водяної бані з рідинними трубками, що містять діелектричну рідину у великому пластиковому контейнері, наповненому водою та льодом. Два триходові перетинні клапани (придбані у Bio-Chem Fluidics) були розміщені на кожному кінці комбайна для належного перемикання рідини з одного резервуара в інший (рис. 2а). Для забезпечення теплової рівноваги між корпусом PST-MLC і охолоджувачем період циклу подовжували до тих пір, поки термопари на вході та виході (як можна ближче до корпусу PST-MLC) не показали однакову температуру. Сценарій Python керує та синхронізує всі прилади (лічильники джерела, насоси, клапани та термопари) для запуску правильного циклу Олсона, тобто контур охолоджуючої рідини починає циркулювати через стек PST після того, як лічильник джерела заряджено, щоб вони нагрілися до потрібної температури. прикладена напруга для заданого циклу Олсона.
Крім того, 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 PST MLC товщиною 1 мм були зібрані в 4-рядну, 7-колонкову паралельну пластинчасту структуру відповідно до конструкції, описаної в довідці. 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 К-типу товщиною 0,25 мм були вбудовані в кожен кінець конструкції PST-MLC для контролю температури рідини на вході та виході. Для цього шланг спочатку потрібно перфорувати. Після встановлення термопари нанесіть той самий клей, що й раніше, між шлангом термопари та дротом, щоб відновити герметичність.
Було створено вісім окремих прототипів, чотири з яких мали 40 MLC PST товщиною 0,5 мм, розподілених як паралельні пластини з 5 стовпцями та 8 рядками, а решта чотири мали по 15 MLC PST товщиною 1 мм. у структурі паралельних пластин із 3 колонками × 5 рядками. Загальна кількість використовуваних PST MLC становила 220 (160 PST MLC товщиною 0,5 мм і 60 PST MLC товщиною 1 мм). Ми називаємо ці дві субодиниці HARV2_160 і HARV2_60. Рідинний розрив в прототипі HARV2_160 складається з двох двосторонніх стрічок товщиною 0,25 мм з дротом товщиною 0,25 мм між ними. Для прототипу HARV2_60 ми повторили ту ж процедуру, але з використанням дроту товщиною 0,38 мм. Для симетрії HARV2_160 і HARV2_60 мають власні рідинні контури, насоси, клапани та холодну сторону (Додаткова примітка 8). Два блоки HARV2 спільно використовують тепловий резервуар, 3-літровий контейнер (30 см x 20 см x 5 см) на двох гарячих плитах з обертовими магнітами. Усі вісім окремих прототипів електрично з’єднані паралельно. Субодиниці HARV2_160 і HARV2_60 працюють одночасно в циклі Олсона, що призводить до збору енергії 11,2 Дж.
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. В результаті утворюється негативний тепловий струм і накопичується енергія. Після нагрівання PST MLC поле знімається (V = 0), а накопичена в ньому енергія повертається назад до лічильника джерела, що відповідає ще одному внеску зібраної енергії. Нарешті, за допомогою напруги V = 0 MLC PST охолоджуються до початкової температури, щоб цикл міг початися знову. На цьому етапі енергія не збирається. Ми запустили цикл Олсена за допомогою Keithley 2410 SourceMeter, зарядивши PST MLC від джерела напруги та встановивши відповідне значення струму, щоб під час фази заряджання було зібрано достатньо балів для надійних обчислень 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. У циклах Стирлінга PST MLC заряджалися в режимі джерела напруги при початковому значенні електричного поля (початкова напруга Vi > 0), бажаному додатковому току, так що етап зарядки займає близько 1 с (і вибирається достатня кількість точок для надійного розрахунку енергії) і холодну температуру. У циклах Стірлінга PST MLC вони заряджалися в режимі джерела напруги при початковому значенні електричного поля (початкова напруга Vi > 0), бажаному струмі виходу, так що стадія заряду займає близько 1 с (і достатню 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。 У головному циклі PST MLC заряджається за початкового значення електричного поля (початкова напруга Vi > 0) у режимі джерела напруги, так що необхідний струм відповідності займає приблизно 1 секунду для етапу заряджання (і ми зібрали достатньо балів, щоб надійно розрахувати (енергію) і низьку температуру. У циклі Стирлінга PST MLC заряжається в режимі джерела напруги з початковим значенням електричного поля (початкова напруга Vi > 0), потрібен ток податливості таків, щоб етап зарядки займав близько 1 с (і набирається достатня кількість точок, щоб надійно розрахувати енергію) і низька температура. . У циклі Стірлінга PST MLC заряджається в режимі джерела напруги з початковим значенням електричного поля (початкова напруга Vi > 0), необхідний струм податливості такий, що стадія заряду займає близько 1 с (і достатню кількість точок збираються для надійного розрахунку енергії) і низьких температур.Перш ніж PST MLC нагріється, розімкніть ланцюг, застосувавши струм узгодження I = 0 мА (мінімальний струм узгодження, який може витримувати наше джерело вимірювання, становить 10 нА). В результаті в PST MJK залишається заряд, а напруга зростає в міру нагрівання зразка. У плечі BC енергія не збирається, оскільки I = 0 мА. Після досягнення високої температури напруга в MLT FT зростає (в деяких випадках більш ніж у 30 разів, див. додатковий рис. 7.2), MLK FT розряджається (V = 0), і електрична енергія в них зберігається стільки ж. оскільки вони є початковим зарядом. Така ж поточна відповідність повертається до лічильника-джерела. Завдяки посиленню напруги накопичена енергія при високій температурі вища, ніж на початку циклу. Отже, енергію отримують шляхом перетворення тепла в електрику.
Ми використовували Keithley 2410 SourceMeter для моніторингу напруги та струму, що подаються на PST MLC. Відповідна енергія обчислюється шляхом інтегрування добутку напруги та струму, зчитаних джерелом вимірювача Кейтлі, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ ліворуч (t\праворуч){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), де τ — період періоду. На нашій енергетичній кривій позитивні значення енергії означають енергію, яку ми повинні віддати MLC PST, а негативні значення означають енергію, яку ми витягуємо з них, і, отже, отриману енергію. Відносна потужність для даного циклу збору визначається шляхом ділення зібраної енергії на період τ усього циклу.
Всі дані наводяться в основному тексті або в додатковій інформації. Листи та запити на матеріали слід направляти до джерела даних AT або ED, наданих разом із цією статтею.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Огляд розробки та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збору енергії. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Огляд розробки та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збору енергії.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO та Henao, NC Огляд розробки та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збору енергії. 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。 Андо Джуніор, Огайо, Маран, Ало і Енао, Північна КаролінаАндо Джуніор, Огайо, Маран, Ало, і Хенао, Північна Кароліна, розглядають розробку та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збору енергії.резюме. підтримка. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Фотоелектричні матеріали: теперішня ефективність і майбутні виклики. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Фотоелектричні матеріали: теперішня ефективність і майбутні виклики.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. та Sinke, VK. Фотоелектричні матеріали: поточні характеристики та майбутні виклики. 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. Сонячні матеріали: поточна ефективність і майбутні виклики.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. та Sinke, VK. Фотоелектричні матеріали: поточні характеристики та майбутні виклики.Наука 352, aad4424 (2016).
Сонг, К., Чжао, Р., Ван, З. Л. та Янг, Ю. Поєднаний піро-п’єзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та тиску. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Поєднаний піро-п’єзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та тиску.Сонг К., Чжао Р., Ван ЗЛ і Янь Ю. Комбінований піроп'єзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури і тиску. Сон, К., Чжао, Р., Ван, З. Л. та Ян, Ю. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Сонг, К., Чжао, Р., Ван, ЗЛ і Ян, Ю. Для автономного живлення одночасно з температурою та тиском.Сонг К., Чжао Р., Ван ЗЛ і Янь Ю. Комбінований термоп'єзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури і тиску.вперед. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Ericsson у релаксорній сегнетоелектричній кераміці. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Ericsson у релаксорній сегнетоелектричній кераміці.Себальд Г., Прувост С. і Гійомар Д. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Ерікссона в релаксорній сегнетоелектричній кераміці.Sebald G., Prouvost S. і Guyomar D. Збір енергії в релаксорній сегнетоелектричній кераміці на основі піроелектричного циклу Ericsson. Розумна альма-матер. структура. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорійні та піроелектричні матеріали наступного покоління для взаємоперетворення електротермічної енергії в твердому тілі. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорійні та піроелектричні матеріали наступного покоління для взаємоперетворення електротермічної енергії в твердому тілі. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорічні та піроелектричні матеріали наступного покоління для взаємного перетворення твердої електротермічної енергії. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорійні та піроелектричні матеріали наступного покоління для взаємоперетворення електротермічної енергії твердого тіла. 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 Електрокалорічні та піроелектричні матеріали наступного покоління для взаємного перетворення твердої електротермічної енергії. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорійні та піроелектричні матеріали наступного покоління для взаємоперетворення електротермічної енергії твердого тіла.Леді Бик. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандарт і добротність для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенераторів. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандарт і добротність для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенераторів.Чжан, К., Ван, Ю., Ван, ЗЛ і Ян, Ю. Стандарт і показник якості для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенераторів. 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。 Чжан К., Ван Ю., Ван ЗЛ та Ян Ю.Чжан, К., Ван, Ю., Ван, ЗЛ і Ян, Ю. Критерії та показники ефективності для кількісної оцінки продуктивності піроелектричного наногенератора.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，通过场变化实现真正的再生。 Кросслі, С., Наір, Б., Ватмор, Р.В., Моя, X. і Матур, Н.Д. Тантал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. 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 заліза. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND. Калорійні матеріали поблизу фазових переходів заліза.Moya, X., Kar-Narayan, S. і Mathur, ND Калорійні матеріали поблизу фазових переходів фероїдів. 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 Термічні матеріали поблизу чорної металургії.Moya, X., Kar-Narayan, S. і Mathur, ND Термічні матеріали поблизу фазових переходів заліза.Нац. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Калорійні матеріали для охолодження та нагрівання. Moya, X. & Mathur, ND Калорійні матеріали для охолодження та нагрівання.Moya, X. і Mathur, ND Теплові матеріали для охолодження та нагрівання. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Теплові матеріали для охолодження та обігріву.Moya X. і Mathur ND Теплові матеріали для охолодження та нагріву.Наука 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорійні охолоджувачі: огляд. Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорійні охолоджувачі: огляд.Торелло, А. та Дефай, Е. Електрокалорійні холодильні машини: огляд. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Торелло, А. та Дефай, Е. Електротермічні охолоджувачі: огляд.Просунутий. електронні. альма-матер. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. та ін. Величезна енергетична ефективність електрокалорійного матеріалу у високовпорядкованому скандій-скандій-свинець. Національне спілкування. 12, 3298 (2021).
Nair, B. та ін. Електротермічний ефект оксидних багатошарових конденсаторів великий у широкому діапазоні температур. Nature 575, 468–472 (2019).
Торелло, А. та ін. Величезний діапазон температур в електротермічних регенераторах. Наука 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. та ін. Високопродуктивна твердотільна електротермічна система охолодження. Наука 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. та ін. Каскадний електротермічний охолоджувач для значного підвищення температури. Національна енергетика 5, 996–1002 (2020).
Олсен, Р. Б. і Браун, Д. Д. Високоефективне пряме перетворення тепла в електричну енергію, пов’язане з піроелектричними вимірюваннями. Olsen, RB & Brown, DD Високоефективне пряме перетворення тепла в електричну енергію, пов’язане з піроелектричними вимірюваннями.Олсен, Р. Б. і Браун, Д. Д. Високоефективне пряме перетворення тепла в електричну енергію, пов’язане з піроелектричними вимірюваннями. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Олсен, Р. Б. і Браун, Д. ДОлсен, Р. Б. і Браун, Д. Д. Ефективне пряме перетворення тепла в електрику, пов’язане з піроелектричними вимірюваннями.Сегнетоелектрики 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. та ін. Густина енергії та потужності в тонких релаксорних сегнетоелектричних плівках. Національна альма-матер. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Каскадне піроелектричне перетворення: оптимізація сегнетоелектричного фазового переходу та електричних втрат. Smith, AN & Hanrahan, BM Каскадне піроелектричне перетворення: оптимізація сегнетоелектричного фазового переходу та електричних втрат.Smith, AN і Hanrahan, BM Каскадне піроелектричне перетворення: сегнетоелектричний фазовий перехід і оптимізація електричних втрат. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Сміт, А. Н. і Ханрахан, Б. МSmith, AN і Hanrahan, BM Каскадне піроелектричне перетворення: оптимізація сегнетоелектричних фазових переходів і електричних втрат.Ж. Застосування. фізика. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Використання сегнетоелектричних матеріалів для перетворення теплової енергії в електричну. процес. IEEE 51, 838–845 (1963).
Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бріско, Дж.М. та Дуллеа, Дж. Каскадний піроелектричний перетворювач енергії. Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бріско, Дж.М. та Дуллеа, Дж. Каскадний піроелектричний перетворювач енергії.Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бріско, Дж.М. і Дуллеа, Дж. Каскадний піроелектричний перетворювач енергії. Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бріско, Дж.М. та Дуллеа, Дж. 级联热释电能量转换器。 Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бріско, Дж.М. та Дуллеа, Дж. 级联热释电能量转换器。Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бріско, Дж.М. і Дуллеа, Дж. Каскадні піроелектричні перетворювачі енергії.Сегнетоелектрики 59, 205–219 (1984).
Шебанов Л. і Борман К. Про тверді розчини танталату свинцю-скандію з високим електрокалорійним ефектом. Шебанов Л. і Борман К. Про тверді розчини танталату свинцю-скандію з високим електрокалорійним ефектом.Шебанов Л., Борман К. Про тверді розчини танталату свинцю-скандію з високим електрокалорійним ефектом. Шебанов, Л. і Борман, К. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Шебанов, Л. і Борман, К.Шебанов Л., Борман К. Про тверді розчини скандій-свинець-скандій з високим електрокалорійним ефектом.Сегнетоелектрики 127, 143–148 (1992).
Ми дякуємо N. Furusawa, Y. Inoue та K. Honda 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/Defay та BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Департамент дослідження матеріалів і технології, Люксембурзький технологічний інститут (LIST), Бельвуар, Люксембург