Пропонуючи стійкі джерела електроенергії - одна з найважливіших проблем цього століття. Дослідницькі сфери в урожаї енергетики випливають із цієї мотивації, включаючи Thermoelectric1, PhotoEntaic2 та Thermophotovoltaics3. Хоча нам не вистачає матеріалів та пристроїв, здатних збирати енергію в діапазоні Джоула, піроелектричні матеріали, які можуть перетворити електричну енергію в періодичні зміни температури, вважаються датчиками4 та енергетичними комбайном5,6,7. Тут ми розробили макроскопічний комбінезон теплової енергії у вигляді багатошарового конденсатора, виготовленого з 42 грамів свинцевого скандинату, виробляючи 11,2 Дж електричної енергії на термодинамічний цикл. Кожен піроелектричний модуль може генерувати щільність електричної енергії до 4,43 Дж см-3 за цикл. Ми також показуємо, що два таких модулів вагою 0,3 г є достатніми для постійної потужності автономних комбайнів 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 обумовлені (1) зміною сегнетоелектричної фази для високої ефективності, (2) низьким струмом витоку для запобігання втрат та (3) високої напруги розбиття. Ці макроскопічні, масштабовані та ефективні піроелектричні вруки потужності переробляють термоелектричну виробництво потужності.
Порівняно з просторовим градієнтом температури, необхідним для термоелектричних матеріалів, збирання енергії термоелектричних матеріалів потребує температурного циклу з часом. Це означає термодинамічний цикл, який найкраще описується на ентропії (S)-температурі (T). На малюнку 1а показаний типовий графік ST нелінійного піроелектричного (NLP) матеріалу, що демонструє фероелектроелектричний фазний фазовий перехід, керований полями в свинцеві свинцю (PST). Сині та зелені ділянки циклу на діаграмі СТ відповідають перетвореній електричній енергії в циклі Олсона (дві ізотермічні та два ізопольські секції). Тут ми розглядаємо два цикли з однаковою зміною електричного поля (вмикання та вимкнення поля) та зміною температури Δt, хоча і з різними початковими температурами. Зелений цикл не розташований у області фазового переходу і, таким чином, має значно меншу площу, ніж синій цикл, розташований у фазовому перехідному області. На діаграмі Св. Чим більша площа, тим більша зібрана енергія. Тому фазовий перехід повинен збирати більше енергії. Потреба у великій площі циклу в НЛП дуже схожа на необхідність електротермальних застосувань9, 10, 11, 12, де багатошарові конденсатори PST (MLC) та терполімери на основі PVDF нещодавно показали відмінні зворотні показники. 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 та охарактеризовані в додаткових записках 1 (скануюча електронна мікроскопія), 2 (рентгенівська дифракція) та 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 однополярні кільця DE PST, товщиною 1 мм, вимірюються від 0 до 155 кВ см-1 при 20 ° С і 90 ° С відповідно та відповідних циклів Олсена. Листи ABCD посилаються на різні стани в циклі Олсона. AB: MLC заряджали до 155 кВ см-1 при 20 ° C. До н.е.: MLC підтримували при 155 кВ см-1, а температуру підвищували до 90 ° C. CD: MLC розряди при 90 ° С. DA: MLC охолоджений до 20 ° С у нульовому полі. Синя область відповідає вхідній потужності, необхідній для запуску циклу. Помаранчева область - це енергія, зібрана в одному циклі. C, верхня панель, напруга (чорна) та струм (червоний) проти часу, відстежені під час того ж циклу Олсона, що і b. Дві вставки представляють посилення напруги та струму в ключових точках циклу. На нижній панелі жовті та зелені криві представляють відповідні криві температури та енергії відповідно для MLC товщиною 1 мм. Енергія обчислюється з кривих струму та напруги на верхній панелі. Негативна енергія відповідає зібраній енергії. Кроки, що відповідають столичним літерам у чотирьох фігурах, 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 показує дві монополярні петлі DE товщиною 1 мм PST-MLC-зразки, зібрані при 20 ° С і 90 ° С відповідно, в межах 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 Isofield (тут, нульове поле у ​​гілці DA та 155 кВ см-1 у гілці BC) та дві ізотермічні гілки (тут, 20 ° С і 20 ° С в 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. 1b. Цей конкретний цикл Олсона дає і щільність енергії 1,78 Дж. См-3. Цикл Стірлінга - це альтернатива циклу Олсона (додаткова примітка 7). Оскільки постійна стадія заряду (відкритий ланцюг) легше досягається, щільність енергії, витягнута з рис. 1В (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 вимірювали енергію, зібрану під час циклу Олсона, підсилюючи PST MLC за допомогою стадії контролю температури Linkam та 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 фіг. 1c, дно (зелений) і температура (жовта) 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). В кінці зарядки в MLC зберігається 30 МДж електричної енергії (точка В). Потім MLC нагрівається, а негативний струм (а отже, негативний струм) виробляється, коли напруга залишається на рівні 600 В. після 40 с, коли температура досягла плато 90 ° C, цей струм був компенсований, хоча ступінчастий зразок, що виробляється в ланцюзі, під час цього Isofield (другий вставка на рис. 1С). Потім напруга на MLC (гілля CD) знижується, що призводить до додаткових 60 МДж електричних робіт. Загальна вихідна енергія - 95 МДж. Зібрана енергія - це різниця між вхідною та вихідною енергією, яка дає 95 - 30 = 65 МДж. Це відповідає щільності енергії 1,84 Дж. См-3, що дуже близьке до НД, витягнутих із кільця DE. Відтворюваність цього циклу Олсона була широко 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. Ця продуктивність була досягнута завдяки дуже низькому струму витоку цих MLC (<10−7 A при 750 В і 180 ° C, див. Деталі в додатковій примітці 6) - вирішальний момент, про який згадували Smith et al.19 - на відміну від матеріалів, що використовуються в попередніх дослідженнях17,20. Ця продуктивність була досягнута завдяки дуже низькому струму витоку цих MLC (<10−7 A при 750 В і 180 ° C, див. Деталі в додатковій примітці 6) - вирішальний момент, про який згадували Smith et al.19 - на відміну від матеріалів, що використовуються в попередніх дослідженнях17,20. Эti хАраактеристрикі Ббхліост -достигуты Благодаря Ойнь Никомоу Млк (<10–7 utечquy эtiх mlc. В ДОПОЛНІТЕЛЬНОМ ПРІМЕчАХАЛІВ 6) - КРИТИЧЕСККІЙСЬ 19. Ці характеристики були досягнуті завдяки дуже низькому струму витоку цих MLC (<10–7 A при 750 В і 180 ° C, детальніше див. Додаткову примітку 6) - критичний момент, про який згадували Сміт та ін. 19 - На відміну від матеріалів, що використовуються в 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 提到的关键点 相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细 信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17.20。 ПОСКОЛЬКУ ТУТЕТЕКІКИ НАТІВ МЛК ОКІННІ НИКИКІВ (<10–7 А ПРІ 750 В і 180 ° С, См. Ключевовй місяця, упмянтый Сітом і Др. 19. Оскільки струм витоку цих MLC є дуже низьким (<10–7 A при 750 В і 180 ° C, детальніше див. Додаткова примітка 6) - ключовий момент, про який згадували Сміт та ін. 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. Таким чином, 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 фіг. 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 подається до прототипу, та температури комбінату 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 комбінування це єдине інше значення, доступне в діапазоні Joule. Він отримав трохи більше половини вартості, яку ми досягли, і майже в сім разів більше якості. Це означає, що щільність енергії HARV2 в 13 разів більша.
Період циклу Harv1 - 57 секунд. Це дало 54 МВт потужності з 4 рядами 7 стовпців товщиною 1 мм наборів MLC. 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 вимірювали час термізації 12,5 секунди. Це відповідає часу циклу 25 с (додаткова 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 рядів. × 4 стовпці (крім того, було 960 МВт, коли резервуар був поруч із комбінатом, додатковий рис. 10В).
Щоб продемонструвати корисність цього колектора, цикл стіллінгу застосовувався до окремого демонстратора, що складається лише з двох PST MLC товщиною 0,5 мм, як комутатори з високою напругою, комутатора низької напруги з конденсатором зберігання, постійного струму постійного струму, перетворювача з низькою потужністю, два термоко-ревертері (доповнення 11). Схема вимагає, щоб конденсатор зберігання спочатку заряджався при 9В, а потім працює автономно, тоді як температура двох MLC коливається від -5 ° С до 85 ° С, тут у циклах 160 с (кілька циклів показані 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 перетворити 400 В на 10-15 В з 79% ефективністю (додаткова примітка 11 та додаткова рисунок 11.3).
Нарешті, ми оцінили ефективність цих модулів MLC при перетворенні теплової енергії в електричну енергію. Коефіцієнт якості η ефективності визначається як відношення щільності зібраної електричної енергії до щільності поставленого теплового цину (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 наведені для електричного поля 195 кВ см-1. Ефективність \ (\ це \) досягає 1,43%, що еквівалентно 18% ηr. Однак для температурного діапазону 10 К від 25 ° С до 35 ° С ηr досягає значень до 40% (синя крива на рис. 3В). Це вдвічі більше відомого значення для матеріалів NLP, записаних у плівках PMN-PT (ηr = 19%) у температурному діапазоні 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 тісним фазовим переходом, коли не застосовується поле, а температура Кюрі ТК становить близько 20 ° C в цих MLC (додаткова примітка 13).
a,b, the efficiency η and the proportional efficiency of the Olson cycle (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for the maximum electric by a field of 195 kV cm-1 and different initial temperatures Ti, }} \, \) (b) для товщиною 0,5 мм MPC PST, залежно від інтервалу температури ΔTSPAN.
Останнє спостереження має два важливі наслідки: (1) будь-який ефективний цикл повинен починатися при температурі вище ТС для індукованого полем фазового переходу (від параелектричного до сегнелектричного); (2) Ці матеріали є більш ефективними в часи, близькі 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 ТС, як вивчали Шебанов та Борман. Вони показали, що TC в PST може змінюватись від 3 ° C (допінг SB) до 33 ° C (допінг 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 фазо-параелектричний фазовий перехід першого порядку близько 20 ° C, що вказує на те, що зміни його ентропії схожі на ті, що показані на рис. 1. Аналогічні 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 заснована 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 (джерела, насоси, клапани та термопари) для запуску правильного циклу Олсона, тобто петля охолоджуючої рідини починає циклітися через стек PST після зарядки лічильника джерела, щоб вони нагрівалися при потрібній застосованій напрузі для заданого циклу Олсона.
Альтернативно, ми підтвердили ці прямі вимірювання зібраної енергії непрямими методами. Ці непрямі методи засновані на електричному переміщенні (D) - електричному поля (E) поля, зібрані при різних температурах, і, обчислюючи область між двома петлями, можна точно оцінити, скільки енергії можна зібрати, як показано на малюнку. на малюнку 2 .1b. Ці петлі DE також збираються за допомогою метрів 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. Розрив рідини між рядами PST-MLC становить 0,75 мм. Це досягається шляхом додавання смужок двосторонньої стрічки як рідких розпірків по краях PST MLC. MLC PST електрично з'єднаний паралельно зі срібним епоксидним мостом у контакті з електродними відводами. Після цього дроти були склеєні срібною епоксидною смолою з кожної сторони електродних клем для підключення до джерела живлення. Нарешті, вставте всю структуру в шланг поліолефіну. Останній приклеєний до рідинної трубки, щоб забезпечити належну герметизацію. 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 шланг поліолефіну з двосторонньою стрічкою та дротом з обох боків, щоб створити простір для потоку рідини. Через його невеликий розмір прототип був розміщений поруч із гарячим або холодним клапаном резервуару, мінімізуючи час циклу.
У PST MLC застосовується постійне електричне поле шляхом застосування постійної напруги до нагрівальної гілки. 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 за початковим значенням електричного поля (початкова напруга VI> 0), бажаний струм відповідності, так що крок зарядки займає близько 1 с (і достатньо балів для надійного розрахунку енергії) та температури холоду. У циклах Стірлінга PST MLC заряджали в режимі джерела напруги за початковим значенням електричного поля (початкова напруга VI> 0), бажаний струм відповідності, так що крок зарядки займає близько 1 с (і достатньо балів для надійного розрахунку енергії) та температури холоду. V цїклах Стрицинга pst mlc зараалясь Врежими істочнака -рянья Прі НчАЛОМОГО МОЖЛИВАЄТЬСЬКОГОПЛЯКАЛЯКОСЬКОМУ (nачалное нанпрана vi> 0), желаймммммкатлаймм, т, т, чtap. Достаточное вколісостто, що є дальським джадежного, расете, анргія) і холодона. У циклах MLC PST STirling вони заряджалися в режимі джерела напруги при початковому значенні електричного поля (початкова напруга VI> 0), бажаний струм виходу, так що стадія зарядки займає близько 1 с (і достатня кількість балів для надійного розрахунку енергії) та температури холодної.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。 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 ступеня зарядки (і ми зібрали достатньо моментів, щоб надійно обчислити (енергію) та низьку температуру. V цойкле Стрицинга pst mlc заraжаотся Врежиме істочнака -ряженея Счалянхмме -зеньялез ( nапряженіе vi> 0), trebuemый tok чtodyvoresti tako, чtor coliчisteco tочек, чtorbы nadeжnorо rassчithath эnerergiю) і nykiе tемпуратюры. 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 збирається для надійного обчислення енергії) та низької температури.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, як і початковий заряд. 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. The corresponding energy is calculated by integrating the product of voltage and current read by Keithley's source meter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), where 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 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, Alo та Henao, NC розглядають можливість розробки та застосування термоелектричних мікрогенераторів для збирання 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: 目前的效率和未来的挑战。 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.Пісня К., Чжао Р., Ван Зл та Ян Ю. Комбінований піропієзоелектричний ефект для автономного одночасного вимірювання температури та тиску. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. для самопоглинання одночасно з температурою та тиском.Пісня К., Чжао Р., Ван Зл та Ян 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-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эlektrorokaloryчeneskyе і-Пироэлектришкаріе Взаїмного Преобразовіят Твердотелной эLектерирмеричешкой эnerergiy. 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 эlektrorokaloryчeneskyе і-Пироэлектришкаріе Взаїмного Преобразовіят Твердотелной эLектерирмеричешкой эnerergiy. 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., Ванг, Зл і Ян, Ю. Стандартний та якісний показник для кількісної оцінки продуктивності піроелектричних наногенетераторів. 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, ZL & Yang, Y.Чжан, К., Ван, Ю., Ванг, Зл і Ян, Ю. Критерії та заходи щодо ефективності для кількісної оцінки продуктивності піроелектричного наногенера.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалористичні цикли охолодження в скандію свинцю, що танталатують із справжньою регенерацією за допомогою зміни поля. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалористичні цикли охолодження в скандію свинцю, що танталатують із справжньою регенерацією за допомогою зміни поля.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. and Mathur, ND електрокалорічні цикли охолодження в свинцевому сандалаті з 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。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, Nd. Tantalum 酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. та Mathur, Nd Електротермальний цикл охолодження танталату-свинцевого скандію для справжнього регенерації через розвороту поля.Фізика Rev. 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 铁质相变附近的热量材料。 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.Нат. 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 用于冷却和加热的热量材料。 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. 电热冷却器: 评论。 Torelló, A. & Affay, E. 电热冷却器: 评论。Torello, A. and Affay, E. Електротермальні охолоджувачі: огляд.Просунуто. електронний. 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. et al. Електротермальний ефект оксидних багатошарових конденсаторів великий у широкому температурному діапазоні. Природа 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Величезний діапазон температури в електротермальних регенераторах. Наука 370, 125–129 (2020).
Ван, Ю. та ін. Високопродуктивна твердотільна електротермальна система охолодження. Наука 370, 129–133 (2020).
Менг, Ю. 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为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB та Brown, DD Ефективна пряма перетворення тепла в електроенергію, пов'язану з піроелектричними вимірюваннями.Ферроелектрики 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. 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: 优化铁电相变和电损耗。 Smith, An & Hanrahan, BMSmith, An і Hanrahan, BM каскадували піроелектричну конверсію: оптимізація переходів фероелектричних фаз та електричних втрат.J. 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. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulele, J. 级联热释电能量转换器。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. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 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 завдяки Довідковому Національному дослідницькому фонду Люксембурга (FNR) за підтримку цієї роботи через Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/defay- Siebentritt, Thermodimat C20/MS/14718071/Affee BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/AFHAY.
Департамент досліджень та технологій матеріалів, Луксембурзький технологічний інститут (список), Бельвуар, Люксембург