At tilbyde bæredygtige elektricitetskilder er en af ​​de vigtigste udfordringer i dette århundrede. Forskningsområder i energihøstmaterialer stammer fra denne motivation, herunder termoelektrisk1, fotovoltaic2 og termophotovoltaics3. Selvom vi mangler materialer og enheder, der er i stand til at høste energi i jouleområdet, betragtes pyroelektriske materialer, der kan omdanne elektrisk energi til periodiske temperaturændringer som sensorer4 og energihøstere5,6,7. Her har vi udviklet en makroskopisk termisk energihøster i form af en flerlagskondensator lavet af 42 gram blyskandium -tantalat, der producerer 11,2 J elektrisk energi pr. Termodynamisk cyklus. Hvert pyroelektrisk modul kan generere elektrisk energitæthed op til 4,43 J CM-3 pr. Cyklus. Vi viser også, at to sådanne moduler, der vejer 0,3 g, er nok til kontinuerligt at drive autonome energihøstere med indlejrede mikrokontrollere og temperatursensorer. Endelig viser vi, at disse flerlags kondensatorer for et temperaturområde på 10 K kan nå 40% Carnot -effektivitet. Disse egenskaber skyldes (1) ferroelektrisk faseændring for høj effektivitet, (2) lav lækstrøm for at forhindre tab og (3) høj nedbrydningsspænding. Disse makroskopiske, skalerbare og effektive pyroelektriske effekthøstere genimaginerer termoelektrisk kraftproduktion.
Sammenlignet med den rumlige temperaturgradient, der kræves til termoelektriske materialer, kræver energihøstning af termoelektriske materialer temperaturcykling over tid. Dette betyder et termodynamisk cyklus, som bedst beskrives af entropien (er) -temperaturen (T) -diagrammet. Figur 1a viser et typisk ST-plot af en ikke-lineær pyroelektrisk (NLP) materiale, der demonstrerer et feltdrevet ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang i Scandium bly-fristet (PST). De blå og grønne sektioner af cyklussen på ST -diagrammet svarer til den konverterede elektriske energi i Olson -cyklus (to isotermiske og to isopolafsnit). Her overvejer vi to cyklusser med den samme elektriske feltændring (felt til og fra) og temperaturændring ΔT, omend med forskellige indledende temperaturer. Den grønne cyklus er ikke placeret i faseovergangsregionen og har således et meget mindre område end den blå cyklus, der er placeret i faseovergangsregionen. I ST -diagrammet, jo større er området, jo større er den indsamlede energi. Derfor skal faseovergangen indsamle mere energi. Behovet for store cykling af området i NLP ligner meget behovet for elektrotermiske applikationer9, 10, 11, 12, hvor PST-flerlags kondensatorer (MLC'er) og PVDF-baserede terpolymerer for nylig har vist fremragende omvendt ydeevne. Køleprestationsstatus i cyklus 13,14,15,16. Derfor har vi identificeret PST MLC'er af interesse for termisk energihøstning. Disse prøver er blevet fuldt beskrevet i metoderne og karakteriseret i supplerende noter 1 (scanning af elektronmikroskopi), 2 (røntgenstrålediffraktion) og 3 (kalorimetri).
a, skitse af en entropi (er) -temperatur (t) plot med elektrisk felt til og fra anvendt på NLP-materialer, der viser faseovergange. To energiopsamlingscyklusser er vist i to forskellige temperaturzoner. De blå og grønne cyklusser forekommer i henholdsvis faseovergangen og slutter i meget forskellige regioner på overfladen. B, to de PST MLC unipolære ringe, 1 mm tyk, målt mellem henholdsvis 0 og 155 kV cm-1 ved 20 ° C og 90 ° C og de tilsvarende Olsen-cyklusser. Brevene ABCD henviser til forskellige tilstande i Olson -cyklussen. AB: MLC'er blev opladet til 155 kV cm-1 ved 20 ° C. BC: MLC blev opretholdt ved 155 kV cm-1, og temperaturen blev hævet til 90 ° C. CD: MLC -udledninger ved 90 ° C. DA: MLC kølet til 20 ° C i nulfeltet. Det blå område svarer til den indgangseffekt, der kræves for at starte cyklussen. Det orange område er den energi, der er indsamlet i en cyklus. C, øverste panel, spænding (sort) og strøm (rød) versus tid, sporet under den samme Olson -cyklus som b. De to indsatser repræsenterer amplificeringen af ​​spænding og strøm på nøglepunkter i cyklussen. I det nedre panel repræsenterer de gule og grønne kurver de tilsvarende temperatur- og energikurver, henholdsvis for en 1 mm tyk MLC. Energi beregnes ud fra de nuværende og spændingskurver på øverste panel. Negativ energi svarer til den indsamlede energi. Trinene, der svarer til store bogstaver i de fire tal, er de samme som i Olson -cyklussen. Cyklussen Ab'cd svarer til Stirling -cyklussen (yderligere note 7).
hvor E og D er henholdsvis det elektriske felt og det elektriske forskydningsfelt. ND kan opnås indirekte fra DE -kredsløbet (fig. 1B) eller direkte ved at starte en termodynamisk cyklus. De mest nyttige metoder blev beskrevet af Olsen i hans banebrydende arbejde med at indsamle pyroelektrisk energi i 1980'erne17.
På fig. 1B viser to monopolære de-løkker på 1 mm tykke PST-MLC-prøver samlet ved henholdsvis 20 ° C og 90 ° C over et område fra 0 til 155 kV cm-1 (600 V). Disse to cyklusser kan bruges til indirekte at beregne den energi, der er indsamlet ved OLSON -cyklus vist i figur 1A. Faktisk består Olsen-cyklus af to isofieldgrene (her, nulfelt i DA-grenen og 155 kV cm-1 i BC-grenen) og to isotermiske grene (her, 20 ° с og 20 ° с i AB-grenen). C i CD -grenen) Den energi, der er indsamlet under cyklussen, svarer til de orange og blå regioner (EDD -integral). Den indsamlede energi ND er forskellen mellem input og outputenergi, dvs. kun det orange område i fig. 1b. Denne særlige Olson-cyklus giver en anden energitæthed på 1,78 J CM-3. Stirling -cyklus er et alternativ til Olson -cyklussen (Supplerende note 7). Da den konstante ladningsstadium (åbent kredsløb) lettere nås, når energitætheden, der er ekstraheret fra fig. 1B (cyklus AB'CD), 1,25 J CM-3. Dette er kun 70% af, hvad Olson -cyklussen kan indsamle, men simpelt høstudstyr gør det.
Derudover målte vi direkte den energi, der blev indsamlet under Olson -cyklussen ved at styrke PST MLC ved hjælp af et LINKAM -temperaturstyringstrin og en kildemåler (metode). Figur 1C øverst og i de respektive indsatser viser den nuværende (røde) og spænding (sort) opsamlet på den samme 1 mm tykke PST MLC som for de loop, der går gennem den samme Olson -cyklus. Den nuværende og spænding gør det muligt at beregne den indsamlede energi, og kurverne er vist i fig. 1C, bund (grøn) og temperatur (gul) i hele cyklussen. Bogstaverne ABCD repræsenterer den samme Olson -cyklus i fig. 1. MLC -opladning forekommer under AB -benet og udføres ved en lav strøm (200 µA), så sourcemeter kan korrekt kontrollere opladningen. Konsekvensen af ​​denne konstante indledende strøm er, at spændingskurven (sort kurve) ikke er lineær på grund af det ikke-lineære potentielle forskydningsfelt D PST (fig. 1C, Top Inset). Ved afslutningen af ​​opladningen gemmes 30 MJ elektrisk energi i MLC (punkt B). MLC opvarmes derefter, og en negativ strøm (og derfor produceres en negativ strøm), mens spændingen forbliver ved 600 V. Efter 40 sekunder, når temperaturen nåede et plateau på 90 ° C, blev denne strøm kompenseret, skønt trinprøven produceret i kredsløbet en elektrisk effekt på 35 MJ under denne isofield (anden indsat i fig. 1C, top). Spændingen på MLC (gren CD) reduceres derefter, hvilket resulterer i yderligere 60 MJ elektrisk arbejde. Den samlede outputenergi er 95 MJ. Den indsamlede energi er forskellen mellem input og outputenergi, der giver 95 - 30 = 65 MJ. Dette svarer til en energitæthed på 1,84 J CM-3, som er meget tæt på ND, der er ekstraheret fra DE-ringen. Reproducerbarheden af ​​denne Olson -cyklus er blevet testet i vid udstrækning (Supplerende note 4). Ved yderligere at øge spænding og temperatur opnåede vi 4,43 J CM-3 under anvendelse af Olsen-cyklusser i en 0,5 mm tyk PST MLC over et temperaturområde fra 750 V (195 kV cm-1) og 175 ° C (Supplerende note 5). Dette er fire gange større end den bedste ydelse rapporteret i litteraturen for direkte Olson-cyklusser og blev opnået på tynde film af Pb (Mg, Nb) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (cm. Supplerende tabel 1 for flere værdier i litteraturen). Denne ydelse er nået på grund af den meget lave lækstrøm for disse MLC'er (<10−7 A ved 750 V og 180 ° C, se detaljer i supplerende note 6) - et afgørende punkt, der er nævnt af Smith et al.19 - i modsætning til de materialer, der blev anvendt i tidligere undersøgelser17,20. Denne ydelse er nået på grund af den meget lave lækstrøm for disse MLC'er (<10−7 A ved 750 V og 180 ° C, se detaljer i supplerende note 6) - et afgørende punkt, der er nævnt af Smith et al.19 - i modsætning til de materialer, der blev anvendt i tidligere undersøgelser17,20. Ээ egen в дополнителном примечании 6) - критичесий момент, омомнутый ситом ир. 19 - в отличие от катериалам, исолзованныы боле ранних иседованиlendeх17,20. Disse egenskaber blev opnået på grund af den meget lave lækstrøm for disse MLC'er (<10–7 A ved 750 V og 180 ° C, se Supplerende note 6 for detaljer) - et kritisk punkt nævnt af Smith et al. 19 - I modsætning til materialer, der blev anvendt i tidligere undersøgelser17,20.由于这些 MLC 的泄漏电流非常低（在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 请参见补充说明 6 中的详细信息） —— Smith 等人 19 提到的关键点 —— 相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 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。 Посол т у у э э у у у у э у у у у у у у у § кючеВillede 19 - apr. Сравнærdighede, ыи достиgå э эти характеристикики. Da lækstrømmen for disse MLC'er er meget lav (<10-7 A ved 750 V og 180 ° C, se Supplerende note 6 for detaljer) - et nøglepunkt nævnt af Smith et al. 19 - Til sammenligning blev disse forestillinger opnået.til materialer, der blev brugt i tidligere undersøgelser 17,20.
De samme betingelser (600 V, 20–90 ° C) anvendte på Stirling -cyklus (Supplerende note 7). Som forventet af resultaterne af DE -cyklus var udbyttet 41,0 MJ. Et af de mest slående træk ved Stirling -cyklusser er deres evne til at forstærke den indledende spænding gennem den termoelektriske effekt. Vi observerede en spændingsforstærkning på op til 39 (fra en indledende spænding på 15 V til en slutspænding på op til 590 V, se Supplerende fig. 7.2).
Et andet kendetegn ved disse MLC'er er, at de er makroskopiske genstande, der er store nok til at indsamle energi i Joule -serien. Derfor konstruerede vi en prototypehøster (HARD1) under anvendelse af 28 MLC PST 1 mm tyk, efter det samme parallelle pladedesign beskrevet af Torello et al.14, i en 7 × 4 matrix som vist i fig. Den varmebærende dielektriske væske i manifolden forskydes af en peristaltisk pumpe mellem to reservoirs, hvor væskemetemsterne er kneppet (metoden). Saml op til 3,1 J ved hjælp af Olson -cyklus beskrevet i fig. 2A, isotermiske regioner ved 10 ° C og 125 ° C og isofield-regioner ved 0 og 750 V (195 kV cm-1). Dette svarer til en energitæthed på 3,14 J CM-3. Ved anvendelse af denne mejetærsker blev der foretaget målinger under forskellige betingelser (fig. 2B). Bemærk, at 1,8 J blev opnået over et temperaturområde på 80 ° C og en spænding på 600 V (155 kV cm-1). Dette er i god overensstemmelse med den tidligere nævnte 65 MJ for 1 mm tyk PST MLC under de samme betingelser (28 × 65 = 1820 MJ).
A, eksperimentel opsætning af en samlet høst1 -prototype baseret på 28 MLC PSTS 1 mm tyk (4 rækker × 7 søjler), der kører på Olson -cyklusser. For hver af de fire cyklusstrin leveres temperatur og spænding i prototypen. Computeren driver en peristaltisk pumpe, der cirkulerer en dielektrisk væske mellem de kolde og varme reservoirer, to ventiler og en strømkilde. Computeren bruger også termoelementer til at indsamle data om spændingen og den aktuelle, der leveres til prototypen og temperaturen på mejetærskeren fra strømforsyningen. B, energi (farve) opsamlet af vores 4 × 7 MLC-prototype versus temperaturområde (X-akse) og spænding (Y-akse) i forskellige eksperimenter.
En større version af høstmaskinen (HARD2) med 60 PST MLC 1 mm tyk og 160 PST MLC 0,5 mm tyk (41,7 g aktivt pyroelektrisk materiale) gav 11,2 J (Supplerende note 8). I 1984 lavede Olsen en energihøstbester baseret på 317 g af en tin-dopet PB (Zr, Ti) O3-sammensætning, der var i stand til at generere 6,23 J elektricitet ved en temperatur på ca. 150 ° C (ref. 21). For denne mejetærsker er dette den eneste anden værdi, der er tilgængelig i Joule -serien. Det fik lidt over halvdelen af ​​den værdi, vi opnåede, og næsten syv gange kvaliteten. Dette betyder, at energitætheden af ​​Harv2 er 13 gange højere.
HARD1 -cyklusperioden er 57 sekunder. Dette producerede 54 MW strøm med 4 rækker med 7 søjler med 1 mm tykke MLC -sæt. For at tage det et skridt videre, byggede vi en tredje mejetærsker (HARD3) med en 0,5 mm tyk PST MLC og lignende opsætning til HARD1 og HARD2 (Supplerende note 9). Vi målte en termaliseringstid på 12,5 sekunder. Dette svarer til en cyklustid på 25 s (Supplerende fig. 9). Den indsamlede energi (47 MJ) giver en elektrisk effekt på 1,95 MW pr. MLC, hvilket igen giver os mulighed for at forestille os, at HARD2 producerer 0,55 W (ca. 1,95 MW × 280 PST MLC 0,5 mm tyk). Derudover simulerede vi varmeoverførsel ved hjælp af endelig elementsimulering (COMSOL, supplerende note 10 og supplerende tabeller 2–4) svarende til HARD1 -eksperimenterne. Endelig elementmodellering gjorde det muligt at forudsige effektværdier næsten en størrelsesorden højere (430 MW) for det samme antal PST -søjler ved at tynde MLC til 0,2 mm ved hjælp af vand som et kølevæske og gendanne matrixen til 7 rækker. × 4 søjler (ud over, var der 960 MW, når tanken var ved siden af ​​mejetærskeren, supplerende fig. 10b).
For at demonstrere anvendeligheden af ​​denne samler blev en Stirling-cyklus påført en selvstændig demonstrator bestående af kun to 0,5 mm tykke PST MLC'er som varmeopsamlere, en højspændingsafbryder, en lavspændingsafbryder med opbevaringskondensator, en DC/DC-konverter, en lav effektmikrokontroller, to termokouler og boost-konverter (supplerende note 11). Kredsløbet kræver, at lagringskondensatoren oprindeligt oplades ved 9V og kører derefter autonomt, mens temperaturen på de to MLC'er varierer fra -5 ° C til 85 ° C, her i cykler på 160 s (flere cykler er vist i supplerende note 11). Bemærkelsesværdigt kan to MLC'er, der kun vejer 0,3 g, autonomt kontrollere dette store system. Et andet interessant træk er, at lavspændingskonverteren er i stand til at konvertere 400V til 10-15V med 79% effektivitet (Supplerende note 11 og supplerende figur 11.3).
Endelig vurderede vi effektiviteten af ​​disse MLC -moduler til konvertering af termisk energi til elektrisk energi. Kvalitetsfaktoren η af effektiviteten defineres som forholdet mellem densiteten af ​​den indsamlede elektriske energi og tætheden af ​​den medfølgende varme Qin (Supplerende note 12):
Figur 3a, B viser effektiviteten η og proportional effektivitet ηR for henholdsvis Olsen -cyklussen som funktion af temperaturområdet på en 0,5 mm tyk PST MLC. Begge datasæt er givet til et elektrisk felt på 195 kV cm-1. Effektiviteten \ (\ dette \) når 1,43%, hvilket svarer til 18% af ηr. For et temperaturområde på 10 K fra 25 ° C til 35 ° C når imidlertid værdien op til 40% (blå kurve i fig. 3B). Dette er det dobbelte af den kendte værdi for NLP-materialer, der er registreret i PMN-PT-film (ηr = 19%) i temperaturområdet på 10 K og 300 kV cm-1 (ref. 18). Temperaturområderne under 10 K blev ikke overvejet, fordi den termiske hysterese af PST MLC er mellem 5 og 8 K. Anerkendelse af den positive virkning af faseovergange på effektiviteten er kritisk. Faktisk opnås de optimale værdier af η og ηR næsten alle ved den indledende temperatur Ti = 25 ° C i fig. 3a, f. Dette skyldes en tæt faseovergang, når der ikke anvendes noget felt, og Curie -temperaturen TC er omkring 20 ° C i disse MLC'er (Supplerende note 13).
A, B, effektiviteten η og den proportionelle effektivitet af Olson-cyklussen (A) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot}} for det maksimale elektriske elektriske ved 195 kv CM-1 og forskellige indledende temperaturer Ti, Ti, Ti, }} \, \) (b) for MPC PST 0,5 mm tyk, afhængigt af temperaturintervallet ΔTspan.
Den sidstnævnte observation har to vigtige konsekvenser: (1) enhver effektiv cykling skal begynde ved temperaturer over TC for en feltinduceret faseovergang (fra paraelektrisk til ferroelektrisk) for at forekomme; (2) Disse materialer er mere effektive på løbstider tæt på TC. Selvom storskala effektivitet er vist i vores eksperimenter, tillader det begrænsede temperaturområde ikke os at opnå store absolutte effektiviteter på grund af Carnot-grænsen (\ (\ Delta T/T \)). Imidlertid retfærdiggør den fremragende effektivitet, der blev demonstreret af disse PST MLC'er, Olsen, når han nævner, at "en ideel klasse 20 -regenerativ termoelektrisk motor, der fungerer ved temperaturer mellem 50 ° C og 250 ° C, kan have en effektivitet på 30%" 17. For at nå disse værdier og teste konceptet ville det være nyttigt at bruge dopede PST'er med forskellige TC'er, som studeret af Shebanov og Borman. De viste, at TC i PST kan variere fra 3 ° C (SB -doping) til 33 ° C (Ti -doping) 22. Derfor antager vi, at næste generation af pyroelektriske regeneratorer baseret på doterede PST MLC'er eller andre materialer med en stærk første ordens faseovergang kan konkurrere med de bedste effekthøstere.
I denne undersøgelse undersøgte vi MLC'er fremstillet af PST. Disse enheder består af en række PT- og PST -elektroder, hvor flere kondensatorer er forbundet parallelt. PST blev valgt, fordi det er et fremragende EC -materiale og derfor et potentielt fremragende NLP -materiale. Det udviser en skarp førsteordens ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang omkring 20 ° C, hvilket indikerer, at dens entropi-ændringer ligner dem, der er vist i fig. 1. Lignende MLC'er er blevet fuldt beskrevet for EC13,14-enheder. I denne undersøgelse anvendte vi 10,4 × 7,2 × 1 mm³ og 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ mlcs. MLC'er med en tykkelse på 1 mm og 0,5 mm blev lavet fra 19 og 9 lag PST med en tykkelse på henholdsvis 38,6 um. I begge tilfælde blev det indre PST -lag anbragt mellem 2,05 um tykke platinelektroder. Designet af disse MLC'er antager, at 55% af PST'erne er aktive, svarende til delen mellem elektroderne (Supplerende note 1). Det aktive elektrodeområde var 48,7 mm2 (supplerende tabel 5). MLC PST blev fremstillet ved fast fase -reaktion og casting -metode. Detaljerne om forberedelsesprocessen er beskrevet i en tidligere artikel14. En af forskellene mellem PST MLC og den forrige artikel er rækkefølgen af ​​B-site, der i høj grad påvirker ydelsen af ​​EC i PST. Rækkefølgen af ​​B-sider af PST MLC er 0,75 (Supplerende note 2) opnået ved sintring ved 1400 ° C efterfulgt af hundreder af timer lang udglødning ved 1000 ° C. For mere information om PST MLC, se Supplerende noter 1-3 og Supplerende tabel 5.
Hovedbegrebet for denne undersøgelse er baseret på Olson -cyklussen (fig. 1). For en sådan cyklus har vi brug for et varmt og koldt reservoir og en strømforsyning, der er i stand til at overvåge og kontrollere spændingen og strømmen i de forskellige MLC -moduler. Disse direkte cyklusser anvendte to forskellige konfigurationer, nemlig (1) LinkAM -moduler Opvarmning og afkøling af en MLC forbundet til en Keithley 2410 strømkilde, og (2) tre prototyper (HARD1, HARD2 og HARD3) parallelt med den samme kildeenergi. I sidstnævnte tilfælde blev en dielektrisk væske (silikoneolie med en viskositet på 5 CP ved 25 ° C, købt fra Sigma Aldrich) anvendt til varmeudveksling mellem de to reservoirer (varmt og koldt) og MLC. Det termiske reservoir består af en glasbeholder fyldt med dielektrisk væske og placeret på toppen af ​​den termiske plade. Koldopbevaring består af et vandbad med flydende rør indeholdende dielektrisk væske i en stor plastbeholder fyldt med vand og is. To tre-vejs klemmeventiler (købt fra Bio-Chem Fluidics) blev anbragt i hver ende af mejetærskeren for korrekt at skifte væske fra et reservoir til en anden (figur 2A). For at sikre termisk ligevægt mellem PST-MLC-pakken og kølevæsken blev cyklusperioden forlænget, indtil indløbet og udløbet termoelementer (så tæt som muligt på PST-MLC-pakken) viste den samme temperatur. Python -scriptet administrerer og synkroniserer alle instrumenter (kildemålere, pumper, ventiler og termoelementer) til at køre den rigtige Olson -cyklus, dvs. kølevæskens loop starter med at cykle gennem PST -stakken, efter at kildemåleren er opladet, så de opvarmes ved den ønskede påførte spænding til den givne Olson -cykel.
Alternativt har vi bekræftet disse direkte målinger af indsamlet energi med indirekte metoder. Disse indirekte metoder er baseret på elektrisk forskydning (D) - elektrisk felt (E) feltsløjfer indsamlet ved forskellige temperaturer, og ved at beregne området mellem to DE -løkker kan man nøjagtigt estimere, hvor meget energi der kan indsamles, som vist på figuren. i figur 2. .1b. Disse DE -sløjfer indsamles også ved hjælp af Keithley Source Meters.
Otteogtyve 1 mm tykke PST MLC'er blev samlet i en 4-række, 7-søjle parallel pladestruktur i henhold til det design, der er beskrevet i referencen. 14. Fluidgabet mellem PST-MLC-rækker er 0,75 mm. Dette opnås ved at tilføje strimler af dobbeltsidet tape som flydende afstandsstykker omkring kanterne af PST MLC. PST MLC er elektrisk forbundet parallelt med en sølv epoxybro i kontakt med elektrodens ledninger. Derefter blev ledningerne limet med sølvpoxyharpiks til hver side af elektrodesminalerne for forbindelse til strømforsyningen. Til sidst skal du indsætte hele strukturen i polyolefinslangen. Sidstnævnte er limet på fluidrøret for at sikre korrekt forsegling. Endelig blev 0,25 mm tyk k-type termoelementer indbygget i hver ende af PST-MLC-strukturen for at overvåge indløbet og udløbsvæsketemperaturerne. For at gøre dette skal slangen først perforeres. Når du har installeret termoelementet, skal du påføre det samme klæbemiddel som før mellem termoelementslangen og ledningen for at gendanne tætningen.
Otte separate prototyper blev bygget, hvoraf fire havde 40 0,5 mm tyk MLC PST'er fordelt som parallelle plader med 5 søjler og 8 rækker, og de resterende fire havde 15 1 mm tykke MLC PST'er hver. I 3-søjle × 5-rækker parallel pladestruktur. Det samlede antal anvendte PST MLC'er var 220 (160 0,5 mm tyk og 60 PST MLC 1 mm tyk). Vi kalder disse to underenheder HARD2_160 og HARD2_60. Det flydende kløft i prototypen Harv2_160 består af to dobbeltsidede bånd 0,25 mm tykke med en tråd 0,25 mm tyk mellem dem. Til HARD2_60 -prototypen gentog vi den samme procedure, men ved hjælp af 0,38 mm tyk ledning. Til symmetri har HARD2_160 og HARD2_60 deres egne væskekredsløb, pumper, ventiler og kold side (Supplerende note 8). To HARD2 -enheder deler et varmebeholder, en 3 liters beholder (30 cm x 20 cm x 5 cm) på to varme plader med roterende magneter. Alle otte individuelle prototyper er elektrisk forbundet parallelt. HARD2_160 og HARD2_60 -underenhederne fungerer samtidig i Olson -cyklus, hvilket resulterer i en energihøst på 11,2 J.
Placer 0,5 mm tyk PST MLC i polyolefinslangen med dobbeltsidet tape og tråd på begge sider for at skabe plads til væske til at strømme. På grund af sin lille størrelse blev prototypen anbragt ved siden af ​​en varm eller kold reservoirventil, der minimerer cyklustider.
I PST MLC påføres et konstant elektrisk felt ved at anvende en konstant spænding til varmeafdelingen. Som et resultat genereres en negativ termisk strøm, og energi opbevares. Efter opvarmning af PST MLC fjernes feltet (V = 0), og den energi, der er gemt i den, returneres tilbage til kildetælleren, hvilket svarer til et mere bidrag fra den indsamlede energi. Endelig, med en spænding V = 0 påført, afkøles MLC PST'erne til deres oprindelige temperatur, så cyklussen kan starte igen. På dette tidspunkt indsamles energi ikke. Vi kørte Olsen -cyklussen ved hjælp af en Keithley 2410 sourcemeter, opladede PST MLC fra en spændingskilde og indstiller den aktuelle match til den passende værdi, så der blev opsamlet nok punkter i opladningsfasen til pålidelige energiberegninger.
I Stirling -cyklusser blev PST MLC'er opkrævet i spændingskildetilstand ved en indledende elektrisk feltværdi (indledende spænding VI> 0), en ønsket overholdelsesstrøm, så opladningstrinnet tager omkring 1 s (og nok punkter indsamles til en pålidelig beregning af energien) og kold temperatur. I Stirling -cyklusser blev PST MLC'er opkrævet i spændingskildetilstand ved en indledende elektrisk feltværdi (indledende spænding VI> 0), en ønsket overholdelsesstrøm, så opladningstrinnet tager omkring 1 s (og nok punkter indsamles til en pålidelig beregning af energien) og kold temperatur. Виках стиåbe (началное напрние VI> 0), желаемом податлaksis количество точек дя на decemberжноia рачета энергиånden) и холоднаnende т ledelse. I Stirling PST MLC -cyklusser blev de opladet i spændingskildetilstand ved den indledende værdi af det elektriske felt (indledende spænding VI> 0), den ønskede udbyttestrøm, så opladningsstadiet tager ca. 1 s (og et tilstrækkeligt antal punkter indsamles til en pålidelig energipurdering) og kold temperatur.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。 所需的顺应电流使得充电步骤大约需要 所需的顺应电流使得充电步骤大约需要 所需的顺应电流使得充电步骤大约需要 所需的顺应电流使得充电步骤大约需要 所需的顺应电流使得充电步骤大约需要 在斯特林循环中 在斯特林循环中 在斯特林循环中 在斯特林循环中 I mastercyklussen oplades PST MLC til den indledende elektriske feltværdi (indledende spænding VI> 0) i spændingskildetilstand, så den krævede overholdelsesstrøm tager ca. 1 sekund for opladningstrinnet (og vi indsamlede nok punkter til pålideligt at beregne (energi) og lav temperatur. Цике стирлиunde pst mlc зар eжiel в режиме источedel E количество точек, чтоы надежно раситать энергию) и низие темературы. I Stirling -cyklussen oplades PST MLC i spændingskildetilstand med en startværdi af det elektriske felt (indledende spænding VI> 0), den krævede overholdelsesstrøm er sådan, at opladningsstadiet tager ca. 1 s (og et tilstrækkeligt antal punkter indsamles til pålideligt beregning af energien) og lave temperaturer.Inden PST MLC varmer op, skal du åbne kredsløbet ved at anvende en matchende strøm på i = 0 Ma (den minimale matchende strøm, som vores målekilde kan håndtere, er 10 NA). Som et resultat forbliver en ladning i PST for MJK, og spændingen øges, når prøven opvarmes. Ingen energi opsamles i arm BC, fordi I = 0 Ma. Efter at have nået en høj temperatur øges spændingen i MLT FT (i nogle tilfælde mere end 30 gange, se yderligere fig. 7.2), MLK FT udledes (V = 0), og elektrisk energi gemmes i dem for det samme som de er den første ladning. Den samme nuværende korrespondance returneres til målerkilden. På grund af spændingsforstærkning er den lagrede energi ved høj temperatur højere end hvad der blev tilvejebragt i begyndelsen af ​​cyklussen. Derfor opnås energi ved at omdanne varme til elektricitet.
Vi brugte et Keithley 2410 sourcemeter til at overvåge spændingen og strømmen påført PST MLC. Den tilsvarende energi beregnes ved at integrere produktet af spænding og strøm, der er læst af Keithleys kildemåler, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {måle)} \ venstre (t \ til højre) {v} _ {{\ rm {mål}} \ \ \ venstre (t \ til højre) {v} _ _ {\ \ rm {mead}} \ \ \ \ \) \) \) \ hvor τ er perioden for perioden. På vores energikurve betyder positive energiværdier den energi, vi har at give til MLC PST, og negative værdier betyder den energi, vi udtrækker fra dem, og derfor den modtagne energi. Den relative effekt til en given indsamlingscyklus bestemmes ved at dividere den indsamlede energi med perioden τ for hele cyklussen.
Alle data præsenteres i hovedteksten eller i yderligere oplysninger. Brev og anmodninger om materialer skal rettes til kilden til AT- eller ED -data, der leveres med denne artikel.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC En gennemgang af udviklingen og anvendelserne af termoelektriske mikrogeneratorer til energihøstning. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC En gennemgang af udviklingen og anvendelserne af termoelektriske mikrogeneratorer til energihøstning.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo og Henao, NC Oversigt over udviklingen og anvendelsen af ​​termoelektriske mikrogeneratorer til energihøstning. 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 og Henao, NC overvejer udviklingen og anvendelsen af ​​termoelektriske mikrogeneratorer til energihøstning.genoptage. støtte. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC -fotovoltaiske materialer: nuværende effektivitet og fremtidige udfordringer. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC -fotovoltaiske materialer: nuværende effektivitet og fremtidige udfordringer.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. og Sinke, VK -fotovoltaiske materialer: aktuelle præstationer og fremtidige udfordringer. 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: Aktuel effektivitet og fremtidige udfordringer.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. og Sinke, VK -fotovoltaiske materialer: aktuelle præstationer og fremtidige udfordringer.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkterede pyro-piezoelektriske effekt for selvdrevet samtidig temperatur og trykføling. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkt pyro-piezoelektrisk effekt for selvdrevet samtidig temperatur og trykføling.Song K., Zhao R., Wang Zl og Yan Yu. Kombineret pyropiezoelektrisk effekt for autonom samtidig måling af temperatur og tryk. 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. For selvdrevende på samme tid som temperatur og tryk.Song K., Zhao R., Wang Zl og Yan Yu. Kombineret termopiezoelektrisk effekt for autonom samtidig måling af temperatur og tryk.Forward. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energihøstning baseret på Ericsson Pyroelektriske cyklusser i en relaxor ferroelektrisk keramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energihøstning baseret på Ericsson Pyroelektriske cyklusser i en relaxor ferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Energihøstning baseret på pyroelektriske Ericsson -cyklusser i Relaxor ferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Energihøstning i Relaxor ferroelektrisk keramik baseret på Ericsson Pyroelektrisk cykling. Smart Alma Mater. struktur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW næste generation af elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til faststof-elektrotermisk energiinterkonversion. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW næste generation af elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til faststof-elektrotermisk energiinterkonversion. Alpay, Sp, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, Rw эектрокалоричесие и пироэектричесие материаы седегеvende покеесие материаы седедег пownлесния матеykke Взаимногjekt преобразованиsdag твердотелной эектротермичесой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til faststof elektrotermisk energiinterkonvertering. 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 эектрокалоричесие и пироэектричесие материаы седегеvende покеесие материаы седедег пownлесния матеykke Взаимногjekt преобразованиsdag твердотелной эектротермичесой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til faststof elektrotermisk energiinterkonvertering.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard og figur-af-merit til kvantificering af ydelsen af ​​pyroelektriske nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard og figur-af-merit til kvantificering af ydelsen af ​​pyroelektriske nanogeneratorer.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl og Yang, Yu. En standard- og kvalitetsscore til kvantificering af pyroelektriske nanogenerators ydelse. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl og Yang, Yu. Kriterier og præstationsmålinger til kvantificering af ydelsen af ​​en pyroelektrisk nanogenerator.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND -elektrokalorisk kølecyklusser i blyskandium -tantalat med ægte regenerering via feltvariation. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND -elektrokalorisk kølecyklusser i blyskandium -tantalat med ægte regenerering via feltvariation.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. og Mathur, ND-elektrokalorisk kølecyklusser i bly-scandium-fristelse med ægte regenerering ved hjælp af feltmodifikation. 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. Tantal 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. og Mathur, og en elektrotermisk kølecyklus af skandium-bly-fristelse til ægte regenerering gennem feltvending.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorimaterialer nær ferroiske faseovergange. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorimaterialer nær ferroiske faseovergange.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND kalorimaterialer nær Ferroid-faseovergange. 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 termiske materialer nær jernholdig metallurgi.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND termiske materialer nær jernfaseovergange.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND kalorimaterialer til afkøling og opvarmning. Moya, X. & Mathur, ND kalorimaterialer til afkøling og opvarmning.Moya, X. og Mathur, ND termiske materialer til afkøling og opvarmning. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND termiske materialer til afkøling og opvarmning.Moya X. og Mathur nd termiske materialer til afkøling og opvarmning.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokaloriske kølere: En gennemgang. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokaloriske kølere: En gennemgang.Torello, A. og Defay, E. Elektrokaloriske kølere: En gennemgang. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。Torello, A. og Defay, E. Elektrotermiske kølere: En gennemgang.Fremskreden. elektronisk. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorm energieffektivitet af elektrokalorisk materiale i stærkt ordnet skandium-scandium-bly. National kommunikation. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Den elektrotermiske virkning af oxid -flerlagskondensatorer er stor over et bredt temperaturområde. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Kæmpe temperaturområde i elektrotermiske regeneratorer. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. High Performance Solid State Electrothermal Cooling System. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskade elektrotermisk køleindretning til stor temperaturstigning. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High EffepiCy Direkte omdannelse af varme til elektrisk energirelaterede pyroelektriske målinger. Olsen, RB & Brown, DD høj effektivitet direkte konvertering af varme til elektrisk energirelaterede pyroelektriske målinger.Olsen, RB og Brown, DD meget effektiv direkte omdannelse af varme til elektrisk energi forbundet med pyroelektriske målinger. 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 og Brown, DD Effektiv direkte konvertering af varme til elektricitet forbundet med pyroelektriske målinger.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi og strømtæthed i tynde relaxor ferroelektriske film. National Alma Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM kaskaderede pyroelektrisk konvertering: Optimering af den ferroelektriske faseovergang og elektriske tab. Smith, An & Hanrahan, BM kaskaderede pyroelektrisk konvertering: Optimering af den ferroelektriske faseovergang og elektriske tab.Smith, en og Hanrahan, BM kaskaderede pyroelektrisk konvertering: ferroelektrisk faseovergang og elektrisk tabsoptimering. 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, en og Hanrahan, BM kaskaderede pyroelektrisk konvertering: optimering af ferroelektriske faseovergange og elektriske tab.J. Application. Fysik. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Brug af ferroelektriske materialer til at omdanne termisk energi til elektricitet. behandle. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Power Converters.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. På bly-scandium fristede faste opløsninger med høj elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. På bly-scandium fristede faste opløsninger med høj elektrokalorisk effekt.Shebanov L. og Borman K. På faste opløsninger af bly-scandium-fristelse med en høj elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. og Borman K. på skandium-bly-scandium faste opløsninger med en høj elektrokalorisk effekt.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Vi takker N. Furusawa, Y. Inoue og K. Honda for deres hjælp til at skabe MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB og ED takket være Luxembourg National Research Foundation (FNR) for at støtte dette arbejde gennem Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay-Siebentritt, Thermodimat C20/MS/14718071/DEFAY AND Bridges2021/MS/16282302/Cecoha/Defay.
Institut for Materialeforskning og teknologi, Luxembourg Institute of Technology (List), Belvoir, Luxembourg