Забезпечення стійких джерел електроенергії є одним із найважливіших викликів цього століття. Наукові напрямки в галузі матеріалів для збору енергії випливають з цієї мотивації, включаючи термоелектричні1, фотоелектричні2 та термофотовольтаїчні3. Хоча нам бракує матеріалів та пристроїв, здатних збирати енергію в джоулевому діапазоні, піроелектричні матеріали, які можуть перетворювати електричну енергію на періодичні зміни температури, вважаються датчиками4 та збирачами енергії5,6,7. Тут ми розробили макроскопічний збирач теплової енергії у вигляді багатошарового конденсатора, виготовленого з 42 грамів танталату свинцю скандію, що 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 діапазону температур 10 K ці багатошарові конденсатори можуть досягати 40% ефективності Карно. Ці властивості зумовлені (1) зміною сегнетоелектричної фази для високої ефективності, (2) низьким струмом витоку для запобігання втратам та (3) високою напругою пробою. Ці макроскопічні, масштабовані та ефективні піроелектричні збирачі енергії переосмислюють термоелектричну генерацію енергії.
Порівняно з просторовим градієнтом температури, необхідним для термоелектричних матеріалів, збирання енергії термоелектричними матеріалами вимагає циклічної зміни температури з часом. Це означає термодинамічний цикл, який найкраще описується діаграмою ентропії (S) - температури (T). На рисунку 1a показано типову графік ST нелінійного піроелектричного (NLP) матеріалу, що демонструє фазовий перехід сегнетоелектрич-параелектричний, керований полем, у танталаті скандію свинцю (PST). Синя та зелена 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 й з різними початковими температурами. Зелений цикл не розташований в області фазового переходу і, таким чином, має набагато меншу площу, ніж синій цикл, розташований в області фазового переходу. На діаграмі ST, чим більша площа, тим більше зібрана енергія. Отже, фазовий перехід повинен зібрати більше енергії. Потреба в циклі великої площі в NLP дуже схожа на потребу в електротермічних застосуваннях9, 10, 11, 12, де багатошарові конденсатори PST (MLC) та терполімери на основі PVDF нещодавно продемонстрували чудову зворотну продуктивність охолодження. стан продуктивності охолодження в циклі 13, 14, 15, 16. Таким чином, ми визначили PST MLC, що становлять інтерес для збору теплової енергії. Ці зразки були повністю описані в методах та охарактеризовані в додаткових примітках 1 (скануюча електронна мікроскопія), 2 (рентгенівська дифракція) та 3 (калориметрія).
a, Ескіз графіка залежності ентропії (S) від температури (T) з увімкненим та вимкненим електричним полем, застосованим до матеріалів NLP, що показує фазові переходи. Показано два цикли збору енергії у двох різних температурних зонах. Синій та зелений цикли відбуваються відповідно всередині та поза фазовим переходом і закінчуються в дуже різних областях поверхні. b, два уніполярні кільця DE PST MLC товщиною 1 мм, виміряні між 0 та 155 кВ см-1 при 20 °C та 90 °C відповідно, та відповідні цикли Ольсена. Літери ABCD позначають різні стани в циклі Ольсена. AB: MLC заряджали до 155 кВ см-1 при 20 °C. BC: MLC підтримували при 155 кВ см-1, а температуру підвищували до 90 °C. CD: MLC розряджається при 90 °C. DA: MLC охолоджували до 20 °C у нульовому полі. Синя область відповідає вхідній потужності, необхідній для початку циклу. Помаранчева область - це енергія, зібрана за один цикл. c, верхня панель, напруга (чорний) та струм (червоний) у залежності від часу, що відстежувалися протягом того ж 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 для MLC товщиною 1 мм. Енергія розраховується за кривими струму та напруги на верхній панелі. Негативна енергія відповідає зібраній енергії. Кроки, що відповідають великим літерам на чотирьох рисунках, такі ж, як і в циклі Олсона. Цикл AB'CD відповідає циклу Стірлінга (додаткова примітка 7).
де E та D – відповідно електричне поле та поле електричного зміщення. Nd можна отримати опосередковано з ланцюга DE (рис. 1b) або безпосередньо, запускаючи термодинамічний цикл. Найбільш корисні методи були описані Ольсеном у його новаторській роботі зі збору піроелектричної енергії у 1980-х роках17.
На рис. 1b показано дві монополярні петлі DE товщиною 1 мм зразків PST-MLC, зібраних при 20 °C та 90 °C відповідно, в діапазоні від 0 до 155 кВ см-1 (600 В). Ці два цикли можна використовувати для непрямого розрахунку енергії, зібраної циклом Олсона, показаним на рисунку 1a. Фактично, цикл Олсона складається з двох ізопольових гілок (тут нульове поле у ​​гілці DA та 155 кВ см-1 у гілці BC) та двох ізотермічних гілок (тут 20°С та 20°С у гілці AB). C у гілці CD). Енергія, зібрана під час циклу, відповідає помаранчевій та синій областям (інтеграл EdD). Зібрана енергія Nd - це різниця між вхідною та вихідною енергією, тобто лише помаранчева область на рис. 1b. 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 (розірваний ланцюг) досягається легше, густина енергії, отримана з рис. 1b (цикл AB'CD), досягає 1,25 Дж см-3. Це лише 70% від того, що може зібрати цикл Олсона, але просте обладнання для збору енергії дозволяє це зробити.
Крім того, ми безпосередньо виміряли енергію, зібрану під час циклу Олсона, шляхом живлення PST MLC за допомогою каскаду контролю температури Linkam та вимірювача джерела (метод). На рисунку 1c зверху та на відповідних вставках показано струм (червоний) та напругу (чорний), зібрані на тому ж PST MLC товщиною 1 мм, що й для петлі DE, що проходить через той самий цикл Олсона. Струм та напруга дозволяють розрахувати зібрану енергію, а криві показані на рис. 1c внизу (зелений), а температура (жовтий) протягом усього циклу. Літери ABCD позначають той самий цикл Олсона на рис. 1. Заряджання MLC відбувається під час ділянки AB та здійснюється при низькому струмі (200 мкА), тому SourceMeter може належним чином контролювати заряджання. 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). В кінці заряджання в MLC накопичується 30 мДж електричної енергії (точка B). Потім MLC нагрівається, і виробляється негативний струм (і, отже, негативний струм), поки напруга залишається на рівні 600 В. Через 40 с, коли температура досягла плато 90 °C, цей струм був компенсований, хоча ступінчастий зразок виробляв у колі електричну потужність 35 мДж протягом цього ізополя (друга вставка на рис. 1c, зверху). Напруга на MLC (гілка CD) потім зменшується, що призводить до додаткових 60 мДж електричної роботи. Загальна вихідна енергія становить 95 мДж. Зібрана енергія є різницею між вхідною та вихідною енергією, що дає 95 – 30 = 65 мДж. Це відповідає щільності енергії 1,84 Дж см-3, що дуже близько до Nd, витягнутого з DE-кільця. Відтворюваність цього циклу Олсона була ретельно перевірена (Додаткова примітка 4). Подальше збільшення напруги та температури дозволило нам досягти значення 4,43 Дж см⁻³ за допомогою циклів Ольсена в PST MLC товщиною 0,5 мм у діапазоні температур 750 В (195 кВ см⁻¹) та 175 °C (Додаткова примітка 5). Це в чотири рази більше, ніж найкращий показник, описаний у літературі для прямих циклів Ольсона, і було отримано на тонких плівках Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT) (1,06 Дж см⁻¹ (см⁻¹). Більше значень у літературі дивіться у Додатковій таблиці 1). Такої продуктивності було досягнуто завдяки дуже низькому струму витоку цих MLC (<10−7 A при 750 В та 180 °C, див. деталі у Додатковій примітці 6) — ключовому моменту, згаданому Смітом та ін.19 — на відміну від матеріалів, що використовувалися в попередніх дослідженнях17,20. Такої продуктивності було досягнуто завдяки дуже низькому струму витоку цих MLC (<10−7 A при 750 В та 180 °C, див. деталі у Додатковій примітці 6) — ключовому моменту, згаданому Смітом та ін.19 — на відміну від матеріалів, що використовувалися 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 та 180 °C, див. Додаткову примітку 6 для деталей) – критичний момент, згаданий Смітом та ін. 19 – на відміну від матеріалів, що використовувалися в попередніх дослідженнях 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）——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 та 180 °C, див. Додаткову примітку 6 для деталей) – ключовий момент, згаданий Смітом та ін. 19 – – ці характеристики були досягнуті.до матеріалів, використаних у попередніх дослідженнях 17,20.
Ті ж умови (600 В, 20–90 °C) застосовувалися до циклу Стірлінга (Додаткова примітка 7). Як і очікувалося з результатів циклу DE, вихід становив 41,0 мДж. Однією з найяскравіших особливостей циклів Стірлінга є їхня здатність підсилювати початкову напругу за допомогою термоелектричного ефекту. Ми спостерігали посилення напруги до 39 (від початкової напруги 15 В до кінцевої напруги до 590 В, див. Додатковий рис. 7.2).
Ще однією відмінною рисою цих MLC є те, що вони є макроскопічними об'єктами, достатньо великими, щоб збирати енергію в джоулевому діапазоні. Тому ми створили прототип збирача (HARV1), використовуючи 28 MLC PST товщиною 1 мм, дотримуючись тієї ж конструкції паралельних пластин, описаної Торелло та ін.14, у матриці 7×4, як показано на рис. Теплоносна діелектрична рідина в колекторі витісняється перистальтичним насосом між двома резервуарами, де температура рідини підтримується постійною (метод). Збирати до 3,1 Дж, використовуючи цикл Олсона, описаний на рис. 2a, ізотермічні області при 10°C та 125°C та ізопольні області при 0 та 750 В (195 кВ см-1). Це відповідає щільності енергії 3,14 Дж см-3. Використовуючи цей комбайн, вимірювання проводилися за різних умов (рис. 2b). Зауважте, що 1,8 Дж було отримано в діапазоні температур 80 °C та напрузі 600 В (155 кВ см-1). Це добре узгоджується з раніше згаданими 65 мДж для PST MLC товщиною 1 мм за тих самих 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 в прототипі задаються температура та напруга. Комп'ютер керує перистальтичним насосом, який циркулює діелектричну рідину між холодним та гарячим резервуарами, двома клапанами та джерелом живлення. Комп'ютер також використовує термопари для збору даних про напругу та струм, що подаються на прототип, та температуру комбайна від джерела живлення. b, Енергія (колір), зібрана нашим прототипом 4×7 MLC, залежно від діапазону температур (вісь X) та напруги (вісь Y) у різних експериментах.
Більша версія комбайна (HARV2) з 60 PST MLC товщиною 1 мм та 160 PST MLC товщиною 0,5 мм (41,7 г активного піроелектричного матеріалу) дала 11,2 Дж (Додаткова примітка 8). У 1984 році Олсен створив енергетичний комбайн на основі 317 г легованої оловом сполуки Pb(Zr,Ti)O3, здатної генерувати 6,23 Дж електроенергії при температурі близько 150 °C (посилання 21). Для цього комбайна це єдине інше доступне значення в діапазоні джоулів. Він отримав трохи більше половини досягнутого нами значення та майже в сім разів вищу 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 колонок наборів MLC товщиною 1 мм. Щоб піти ще далі, ми побудували третій комбайн (HARV3) з PST MLC товщиною 0,5 мм та аналогічною установкою, як у 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, 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 моделювали теплопередачу за допомогою моделювання методом скінченних елементів (COMSOL, Додаткова примітка 10 та Додаткові таблиці 2–4), що відповідає експериментам HARV1. Моделювання методом скінченних елементів дозволило передбачити значення потужності майже на порядок вищі (430 мВт) для тієї ж кількості колон PST шляхом зменшення товщини MLC до 0,2 мм, використання води як охолоджувальної рідини та відновлення матриці до 7 рядків. × 4 колони (окрім , було 960 мВт, коли резервуар знаходився поруч із комбайном, Додатковий рис. 10b).
Щоб продемонструвати корисність цього колектора, цикл Стірлінга було застосовано до автономного демонстратора, що складається лише з двох MLC з PST товщиною 0,5 мм як теплових колекторів, високовольтного перемикача, низьковольтного перемикача з накопичувальним конденсатором, перетворювача постійного струму в постійний струм, малопотужного мікроконтролера, двох термопар та підвищувального перетворювача (Додаткова примітка 11). Схема вимагає, щоб накопичувальний конденсатор був спочатку заряджений до 9 В, а потім працював автономно, поки 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 лише 0,3 г можуть автономно керувати цією великою системою. Ще однією цікавою особливістю є те, що низьковольтний перетворювач здатний перетворювати 400 В в 10-15 В з ефективністю 79% (Додаткова примітка 11 та Додатковий рисунок 11.3).
Нарешті, ми оцінили ефективність цих MLC-модулів у перетворенні теплової енергії в електричну. Коефіцієнт якості η ефективності визначається як відношення густини зібраної електричної енергії Nd до густини подаваного тепла Qin (Додаткова примітка 12):
На рисунках 3a,b показано коефіцієнт корисної дії η та пропорційний коефіцієнт корисної дії ηr циклу Ольсена відповідно як функцію температурного діапазону PST MLC товщиною 0,5 мм. Обидва набори даних наведено для електричного поля 195 кВ см-1. Коефіцієнт корисної дії (ККД) досягає 1,43%, що еквівалентно 18% від ηr. Однак для температурного діапазону 10 K від 25 °C до 35 °C ηr досягає значень до 40% (синя крива на рис. 3b). Це вдвічі перевищує відоме значення для NLP-матеріалів, зареєстроване в плівках PMN-PT (ηr = 19%) в температурному діапазоні 10 K та 300 кВ см-1 (посилання 18). Діапазон температур нижче 10 K не розглядався, оскільки тепловий гістерезис PST MLC становить від 5 до 8 K. Визнання позитивного впливу фазових переходів на коефіцієнт корисної дії є критично важливим. Фактично, оптимальні значення η та ηr майже всі отримані при початковій температурі Ti = 25°C на рис. 3a,b. Це пов'язано з близьким фазовим переходом, коли поле не прикладено, а температура Кюрі TC становить близько 20°C у цих MLC (Додаткова примітка 13).
a,b, коефіцієнт корисної дії η та пропорційний коефіцієнт корисної дії циклу Олсона (a)({\eta}_{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{\rm{Карно}} для максимальної електричної напруги полем 195 кВ см-1 та різними початковими температурами Ti, }}(b) для MPC PST товщиною 0,5 мм, залежно від температурного інтервалу ΔTspan.
Останнє спостереження має два важливі наслідки: (1) будь-яке ефективне циклування має починатися за температур вище TC, щоб відбувся фазовий перехід, індукований полем (від параелектрика до сегнетоелектрика); (2) ці матеріали є більш ефективними за часів роботи, близьких до TC. Хоча в наших експериментах показано великомасштабну ефективність, обмежений діапазон температур не дозволяє нам досягти великої абсолютної ефективності через межу Карно (ΔT/T). Однак чудова ефективність, продемонстрована цими PST MLC, виправдовує Ольсена, коли він згадує, що «ідеальний регенеративний термоелектричний двигун класу 20, що працює за температур 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 досліджували Шебанов і Борман. Вони показали, що TC в PST може змінюватися від 3 °C (легування Sb) до 33 °C (легування Ti)22. Таким чином, ми висуваємо гіпотезу, що піроелектричні регенератори наступного покоління на основі легованих PST MLC або інших матеріалів із сильним фазовим переходом першого роду можуть конкурувати з найкращими збирачами енергії.
У цьому дослідженні ми досліджували MLC, виготовлені з PST. Ці пристрої складаються з серії електродів Pt та PST, при цьому кілька конденсаторів з'єднані паралельно. PST був обраний, оскільки він є чудовим EC-матеріалом і, отже, потенційно чудовим NLP-матеріалом. Він демонструє різкий сегнетоелектричний-параелектричний фазовий перехід першого порядку близько 20 °C, що вказує на те, що зміни його ентропії подібні до тих, що показані на рис. 1. Подібні MLC були повністю описані для пристроїв EC13,14. У цьому дослідженні ми використовували MLC розміром 10,4 × 7,2 × 1 мм³ та 10,4 × 7,2 × 0,5 мм³. MLC товщиною 1 мм та 0,5 мм були виготовлені з 19 та 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 методом твердофазної реакції та лиття. Деталі процесу приготування були описані в попередній статті14. Одна з відмінностей між PST MLC та попередньою статтею полягає в порядку B-сайтів, що суттєво впливає на продуктивність електрохімічної обробки (EC) у PST. Порядок B-сайтів PST MLC становить 0,75 (Додаткова примітка 2), отриманого 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 та Додаткову таблицю 5.
Основна концепція цього дослідження базується на циклі Олсона (рис. 1). Для такого циклу нам потрібен резервуар для гарячого та холодного струму, а також 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 нагрівають та охолоджують один MLC, підключений до джерела живлення Keithley 2410, та (2) три прототипи (HARV1, HARV2 та HARV3) паралельно з тим самим джерелом енергії. В останньому випадку для теплообміну між двома резервуарами (гарячим та холодним) та MLC використовувалася діелектрична рідина (силіконова олія з в'язкістю 5 сП при 25°C, придбана у Sigma Aldrich). Термічний резервуар складається зі скляного контейнера, заповненого діелектричною рідиною та розміщеного поверх термопластини. Холодний накопичувач складається з водяної бані з рідинними трубками, що містять діелектричну рідину у великому пластиковому контейнері, заповненому водою та льодом. Два триходові пережимні клапани (придбані у Bio-Chem Fluidics) були розміщені на кожному кінці комбайна для правильного перемикання рідини з одного резервуара в інший (Рисунок 2a). Щоб забезпечити тепловий баланс між пакетом PST-MLC та охолоджуючою рідиною, період циклу було подовжено до тих пір, поки вхідна та вихідна термопари (якомога ближче до пакету PST-MLC) не показували однакову температуру. Сценарій Python керує та синхронізує всі прилади (вимірювачі джерела, насоси, клапани та термопари) для запуску правильного циклу Олсона, тобто цикл охолоджуючої рідини починає циклічно проходити через стек PST після того, як вимірювач джерела заряджений, щоб вони нагрівалися до потрібної прикладеної напруги для заданого циклу Олсона.
Як альтернатива, ми підтвердили ці прямі вимірювання зібраної енергії за допомогою непрямих методів. Ці непрямі методи базуються на петлях поля електричного зміщення (D) – електричного поля (E), зібраних за різних температур, і, обчислюючи площу між двома петлями DE, можна точно оцінити, скільки енергії можна зібрати, як показано на рисунку 2.1b. Ці петлі DE також збираються за допомогою вимірювачів джерел Keithley.
Двадцять вісім PST MLC товщиною 1 мм були зібрані в 4-рядну, 7-стовпцеву паралельну пластинчасту структуру відповідно до конструкції, описаної в посиланні. 14. Рідинний зазор між рядами PST-MLC становить 0,75 мм. Це досягається шляхом додавання смужок двостороннього скотчу як рідинних прокладок по краях PST MLC. PST MLC електрично з'єднаний паралельно за допомогою срібного епоксидного містка, що контактує з висновками електродів. Після цього дроти були приклеєні срібною епоксидною смолою до кожного боку клем електродів для підключення до джерела живлення. Нарешті, вся конструкція вставляється в поліолефіновий шланг. Останній приклеюється до рідинної трубки для забезпечення належної герметизації. Нарешті, в кожен кінець конструкції PST-MLC були вбудовані термопари типу K товщиною 0,25 мм для контролю температури рідини на вході та виході. Для цього шланг спочатку необхідно перфорувати. Після встановлення термопари нанесіть той самий клей, що й раніше, між шлангом та дротом термопари, щоб відновити герметизацію.
Було побудовано вісім окремих прототипів, чотири з яких мали 40 MLC PST товщиною 0,5 мм, розподілених у вигляді паралельних пластин з 5 колонами та 8 рядами, а решта чотири мали по 15 MLC PST товщиною 1 мм кожен у структурі з паралельними пластинами 3 колони × 5 рядів. Загальна кількість використаних PST MLC становила 220 (160 товщиною 0,5 мм та 60 PST MLC товщиною 1 мм). Ми називаємо ці два підрозділи HARV2_160 та HARV2_60. Рідинний зазор у 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 саму процедуру, але використовуючи дріт товщиною 0,38 мм. Для симетрії HARV2_160 та HARV2_60 мають власні рідинні контури, насоси, клапани та холодну сторону (Додаткова примітка 8). Два блоки HARV2 мають спільний тепловий резервуар – 3-літровий контейнер (30 см x 20 см x 5 см) на двох нагрівальних пластинах з обертовими магнітами. Усі вісім окремих прототипів електрично з'єднані паралельно. Блоки HARV2_160 та 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, обмотуючи його двостороннім скотчем та дротом з обох боків, щоб створити простір для потоку рідини. Через невеликий розмір прототип було розміщено поруч із клапаном гарячого або холодного резервуара, що мінімізувало час циклу.
У PST MLC постійне електричне поле прикладається шляхом подачі постійної напруги до нагрівальної гілки. В результаті генерується негативний тепловий струм і накопичується енергія. Після нагрівання PST MLC поле знімається (V = 0), і енергія, що накопичується в ньому, повертається назад до лічильника джерела, що відповідає ще одному внеску зібраної енергії. Нарешті, при подачі напруги V = 0, MLC PST охолоджуються до початкової температури, щоб цикл міг розпочатися знову. На цьому етапі енергія не накопичується. Ми запустили цикл Олсена за допомогою Keithley 2410 SourceMeter, заряджаючи PST MLC від джерела напруги та встановлюючи відповідне значення струму, щоб під час фази заряджання було зібрано достатньо точок для надійних розрахунків енергії.
У циклах Стірлінга PST MLC заряджалися в режимі джерела напруги при початковому значенні електричного поля (початкова напруга Vi > 0), бажаному струмі податливості, щоб етап заряджання займав близько 1 с (і було зібрано достатньо точок для надійного розрахунку енергії) та низькій температурі. У циклах Стірлінга PST MLC заряджалися в режимі джерела напруги при початковому значенні електричного поля (початкова напруга Vi > 0), бажаному струмі податливості, щоб етап заряджання займав близько 1 с (і було зібрано достатньо точок для надійного розрахунку енергії) та низькій температурі. 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 їх заряджали в режимі джерела напруги при початковому значенні електричного поля (початкова напруга Vi > 0), бажаному струмі текучості, так що етап заряджання займає близько 1 с (і збирається достатня кількість точок для надійного розрахунку енергії) та низькій температурі.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 при початковому значенні електричного поля (початкова напруга Vi > 0) в режимі джерела напруги, так що необхідний струм відповідності займає близько 1 секунди для етапу заряджання (і ми зібрали достатньо точок для надійного розрахунку (енергії) та низької температури. У циклі Стирлінга PST MLC заряжається в режимі джерела напруги з початковим значенням електричного поля (початкова напруга Vi > 0), потрібен ток піддатливості таків, щоб етап зарядки займав близько 1 с (і вибирається 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 етап заряджання займає близько 1 с (і збирається достатня кількість точок для надійного розрахунку енергії) та низькими температурами.Перш ніж PST MLC нагріється, розімкнути коло, подаючи узгоджувальний струм I = 0 мА (мінімальний узгоджувальний струм, який може впоратися наше вимірювальне джерело, становить 10 нА). В результаті в PST MJK залишається заряд, а напруга зростає в міру нагрівання зразка. У плечі BC енергія не накопичується, 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 в них накопичується електрична енергія протягом того ж часу, що й початковий заряд. Той самий струм повертається до вимірювального джерела. Завдяки посиленню напруги, накопичена енергія при високій температурі вища, ніж та, що була на початку циклу. Отже, енергія отримується шляхом перетворення тепла в електрику.
Ми використовували джереломір Keithley 2410 для контролю напруги та струму, що подаються на MLC PST. Відповідна енергія розраховується шляхом інтегрування добутку напруги та струму, зчитуваних джереломіром Keithley, \ (E = {\int}_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), де τ – період періоду. На нашій кривій енергії позитивні значення енергії означають енергію, яку ми повинні віддати MLC PST, а негативні значення означають енергію, яку ми з них витягуємо, а отже, і отриману енергію. 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 слід направляти до джерела даних AT або ED, наданих у цій статті.
Андо Джуніор, Огайо, Маран, Ало та Хенао, Північна Кароліна. Огляд розробки та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збору енергії. Андо Джуніор, Огайо, Маран, Ало та Хенао, Північна Кароліна. Огляд розробки та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збору енергії.Андо Джуніор, Огайо, Маран, Алабама та Хенао, Північна Кароліна. 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 (штат Огайо), Маран (штат Алабама) та Хенао (штат Північна Кароліна) розглядають можливість розробки та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збору енергії.резюме. підтримка. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Е.К., Ерлер, Б. та Сінке, В.К. Фотоелектричні матеріали: поточна ефективність та майбутні виклики. Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Е.К., Ерлер, Б. та Сінке, В.К. Фотоелектричні матеріали: поточна ефективність та майбутні виклики.Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Е.К., Ерлер, Б. та Сінке, В.К. Фотоелектричні матеріали: поточні показники 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。 Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Е.К., Ерлер, Б. та Сінке, В.К. Сонячні матеріали: поточна ефективність та майбутні виклики.Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Е.К., Ерлер, Б. та Сінке, В.К. Фотоелектричні матеріали: поточні показники та майбутні виклики.Наука 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL та Yang, Y. Спільний піроп'єзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та тиску. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL та Yang, Y. Кон'юнктний піроп'єзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та тиску.Сун К., Чжао Р., Ван З.Л. та Ян Ю. Комбінований піроп'єзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та 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, З.Л. та Ян, Ю. Для самостійного живлення одночасно з температурою та тиском.Сун К., Чжао Р., Ван З.Л. та Ян Ю. Комбінований термоп'єзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та тиску.Вперед. альма-матер 31, 1902831 (2019).
Себальд, Г., Прувост, С. та Гайомар, Д. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Еріксона в релаксорній сегнетоелектричній кераміці. Себальд, Г., Прувост, С. та Гайомар, Д. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Еріксона в релаксорній сегнетоелектричній кераміці.Зебальд Г., Прувост С. та Гайомар Д. Збір енергії на основі піроелектричних циклів Еріксона в релаксорній сегнетоелектричній кераміці.Зебальд Г., Прувост С. та Гайомар Д. Збір енергії в релаксорній сегнетоелектричній кераміці на основі піроелектричного циклування Еріксона. Розумна структура альма-матер. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорічні та піроелектричні матеріали наступного покоління для твердотільного електротермічного взаємоперетворення енергії. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорічні та піроелектричні матеріали наступного покоління для твердотільного електротермічного взаємоперетворення енергії. 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 Електрокалорічні та піроелектричні матеріали наступного покоління для твердотільного електротермічного взаємоперетворення енергії. 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。 Алпай, С.П., Мантезе, Дж., Трольє-Макінстрі, С., Чжан, К. та Вотмор, Р.В. 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 Електрокалорічні та піроелектричні матеріали наступного покоління для твердотільного електротермічного взаємоперетворення енергії.Леді Булл. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандарт та показник якості для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенераторів. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандарт та показник якості для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенераторів.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL та Yang, Yu. Стандартний та якісний показник 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, З.Л. та Ян, Ю. Критерії та показники ефективності для кількісної оцінки продуктивності піроелектричного наногенератора.Наноенергія 55, 534–540 (2019).
Кросслі, С., Наїр, Б., Вотмор, Р. В., Мойя, Х. та Матур, Н. Д. Електрокалорічні цикли охолодження в танталаті скандію свинцю зі справжньою регенерацією шляхом зміни поля. Кросслі, С., Наїр, Б., Вотмор, Р. В., Мойя, Х. та Матур, Н. Д. Електрокалорічні цикли охолодження в танталаті скандію свинцю зі справжньою регенерацією шляхом зміни поля.Кросслі, С., Наїр, Б., Вотмор, Р. В., Мойя, Х. та Матур, Н. Д. Електрокалорічні 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。Кросслі, С., Наїр, Б., Вотмор, Р. В., Мойя, Х. та Матур, Н. Д. Електротермічний цикл охолодження танталату скандію-свинцю для справжньої регенерації шляхом зміни поля.фізика, ред. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Калорійні матеріали поблизу фазових переходів фероїків. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Калорійні матеріали поблизу фазових переходів фероїків.Мойя, Х., Кар-Нараян, С. та Матур, Н.Д. Калорійні матеріали поблизу фероїдних фазових переходів. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Моя, Х., Кар-Нараян, С. та Матур, Н.Д. Термічні матеріали поблизу чорної металургії.Мойя, Х., Кар-Нараян, С. та Матур, Н.Д. Термічні матеріали поблизу фазових переходів заліза.Нац. alma mater 13, 439–450 (2014).
Мойя, Х. та Матур, Н.Д. Калорійні матеріали для охолодження та нагрівання. Мойя, Х. та Матур, Н.Д. Калорійні матеріали для охолодження та нагрівання.Мойя, Х. та Матур, Н.Д. Теплові матеріали для охолодження та нагрівання. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Мойя, Х. та Матур, Н.Д. Теплові матеріали для охолодження та нагрівання.Моя Х. та Матур Н.Д. Теплові матеріали для охолодження та нагрівання.Наука 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорійні охолоджувачі: огляд. Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорійні охолоджувачі: огляд.Торелло, А. та Дефей, Е. Електрокалорічні чилери: 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 Дефей, Е. Електротермічні охолоджувачі: огляд.Додаткова. електроніка. альма-матер. 8. 2101031 (2022).
Нучокгве, Ю. та ін. Величезна енергоефективність електрокалорічного матеріалу у високовпорядкованому скандій-скандій-свинець. National communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. та ін. Електротермічний ефект багатошарових оксидних конденсаторів є значним у широкому діапазоні температур. Nature 575, 468–472 (2019).
Торелло, А. та ін. Величезний діапазон температур в електротермічних регенераторах. Science 370, 125–129 (2020).
Ван, Ю. та ін. Високопродуктивна твердотільна електротермічна система охолодження. Science 370, 129–133 (2020).
Менг, Ю. та ін. Каскадний електротермічний охолоджувальний пристрій для значного підвищення температури. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Олсен, Р.Б. та Браун, Д.Д. Високоефективне пряме перетворення тепла в електричну енергію, пов'язане з піроелектричними вимірюваннями. Олсен, Р.Б. та Браун, Д.Д. Високоефективне пряме перетворення тепла в електричну енергію, пов'язане з піроелектричними вимірюваннями.Олсен, Р.Б. та 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, раннінбек та Браун, діджейОлсен, Р.Б. та Браун, Д.Д. Ефективне пряме перетворення тепла в електрику, пов'язане з піроелектричними вимірюваннями.Сегнетоелектрика 40, 17–27 (1982).
Пандья, С. та ін. Щільність енергії та потужності в тонких релаксорних сегнетоелектричних плівках. Національна альма-матер. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Сміт, А.Н. та Ханрахан, Б.М. Каскадне піроелектричне перетворення: оптимізація сегнетоелектричного фазового переходу та електричних втрат. Сміт, А.Н. та Ханрахан, Б.М. Каскадне піроелектричне перетворення: оптимізація сегнетоелектричного фазового переходу та електричних втрат.Сміт, А.Н. та Ханрахан, Б.М. Каскадне піроелектричне перетворення: сегнетоелектричний фазовий перехід та 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. та Ханрахан, Б.М.Сміт, А.Н. та Ханрахан, Б.М. Каскадне піроелектричне перетворення: оптимізація сегнетоелектричних фазових переходів та електричних втрат.Журнал прикладної фізики. 128, 24103 (2020).
Хох, С.Р. Використання сегнетоелектричних матеріалів для перетворення теплової енергії в електрику. 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. та Дуллеа, Дж. Піроелектричний перетворювач потужності Каскейд. 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. та Дуллеа, Дж. Каскадні піроелектричні перетворювачі потужності.Сегнетоелектрика 59, 205–219 (1984).
Шебанов, Л. та Борман, К. Про тверді розчини танталату свинцю та скандію з високим електрокалоричним ефектом. Шебанов, Л. та Борман, К. Про тверді розчини танталату свинцю та скандію з високим електрокалоричним ефектом.Шебанов Л. та Борман К. Про тверді розчини танталату свинцю-скандію з високим електрокалоричним ефектом. Шебанов, Л. і Борман, К. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Шебанов, Л. та Борман, К.Шебанов Л. та Борман К. Про тверді розчини скандій-свинець-скандій з високим електрокалоричним ефектом.Сегнетоелектрика 127, 143–148 (1992).
Ми дякуємо Н. Фурусаві, Ю. Іное та К. Хонді за їхню 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.
Кафедра дослідження та технології матеріалів, Люксембурзький технологічний інститут (LIST), Бельвуар, Люксембург