At tilbyde bæredygtige elektricitetskilder er en af ​​dette århundredes vigtigste udfordringer. Forskningsområder inden for energihøstningsmaterialer udspringer af denne motivation, herunder termoelektrisk1, solcelleanlæg2 og termofotovoltaik3. Selvom vi mangler materialer og apparater, der er i stand til at høste energi i Joule-området, 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 blyscandiumtantalat, der producerer 11,2 J elektrisk energi pr. termodynamisk cyklus. Hvert pyroelektrisk modul kan generere en elektrisk energitæthed på 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 mikrocontrollere og temperatursensorer. Endelig viser vi, at disse flerlagskondensatorer 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 gennemslagsspænding. Disse makroskopiske, skalerbare og effektive pyroelektriske kraftopsamlere gentænker termoelektrisk kraftproduktion.
Sammenlignet med den rumlige temperaturgradient, der kræves for termoelektriske materialer, kræver energihøstning af termoelektriske materialer temperaturcykling over tid. Dette betyder en termodynamisk cyklus, som bedst beskrives af entropi (S)-temperatur (T)-diagrammet. Figur 1a viser et typisk ST-plot af et ikke-lineært pyroelektrisk (NLP) materiale, der demonstrerer en feltdrevet ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang i scandium-blytantalat (PST). De blå og grønne sektioner af cyklussen på ST-diagrammet svarer til den konverterede elektriske energi i Olson-cyklussen (to isotermiske og to isopolsektioner). Her betragter vi to cyklusser med samme elektriske feltændring (felt til og fra) og temperaturændring ΔT, omend med forskellige starttemperaturer. Den grønne cyklus er ikke placeret i faseovergangsområdet og har således et meget mindre område end den blå cyklus, der er placeret i faseovergangsområdet. I ST-diagrammet gælder det, at jo større området er, desto større er den indsamlede energi. Derfor skal faseovergangen opsamle mere energi. Behovet for storarealcykling i NLP minder meget om behovet for elektrotermiske applikationer9, 10, 11, 12, hvor PST-flerlagskondensatorer (MLC'er) og PVDF-baserede terpolymerer for nylig har vist fremragende reverseret ydeevne. Køleevnestatus i cyklus 13, 14, 15, 16. Derfor har vi identificeret PST MLC'er af interesse til termisk energihøstning. Disse prøver er blevet fuldt ud beskrevet i metoderne og karakteriseret i supplerende noter 1 (scanningselektronmikroskopi), 2 (røntgendiffraktion) og 3 (kalorimetri).
a, Skitse af et entropi (S)-temperatur (T) plot med elektrisk felt tændt og slukket påført NLP-materialer, der viser faseovergange. To energiopsamlingscyklusser er vist i to forskellige temperaturzoner. De blå og grønne cyklusser forekommer henholdsvis inden for og uden for faseovergangen og ender i meget forskellige områder af overfladen. b, to DE PST MLC unipolare ringe, 1 mm tykke, målt mellem 0 og 155 kV cm-1 ved henholdsvis 20 °C og 90 °C, og de tilsvarende Olsen-cyklusser. Bogstaverne ABCD refererer 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 aflades ved 90 °C. DA: MLC afkølet til 20 °C i nulfelt. Det blå område svarer til den indgangseffekt, der kræves for at starte cyklussen. Det orange område er den energi, der er opsamlet i én cyklus. c, toppanel, spænding (sort) og strøm (rød) versus tid, sporet under den samme Olson-cyklus som b. De to indsætninger repræsenterer forstærkningen af ​​spænding og strøm på nøglepunkter i cyklussen. I det nederste panel repræsenterer den gule og grønne kurve henholdsvis de tilsvarende temperatur- og energikurver for en 1 mm tyk MLC. Energien beregnes ud fra strøm- og spændingskurverne på toppanelet. Negativ energi svarer til den opsamlede energi. Trinnene svarende til de store bogstaver i de fire figurer 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 indsamling af pyroelektrisk energi i 1980'erne17.
Figur 1b viser to monopolære DE-løkker af 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 indsamles af Olson-cyklussen vist i figur 1a. Faktisk består Olsen-cyklussen af ​​to isofeltgrene (her nulfelt i DA-grenen og 155 kV cm-1 i BC-grenen) og to isotermiske grene (her 20 °C og 20 °C i AB-grenen). (C i CD-grenen). Den energi, der indsamles under cyklussen, svarer til de orange og blå områder (EdD-integral). Den indsamlede energi Nd er forskellen mellem input- og outputenergi, dvs. kun det orange område i figur 1b. Denne særlige Olson-cyklus giver en Nd-energitæthed på 1,78 J cm-3. Stirling-cyklussen er et alternativ til Olson-cyklussen (Supplerende note 7). Fordi konstantladningstrinnet (åbent kredsløb) lettere nås, når energitætheden udtrukket fra figur 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 aktivere PST MLC'en ved hjælp af et Linkam temperaturkontroltrin og en sourcemeter (metode). Figur 1c øverst og i de respektive indsætninger viser strømmen (rød) og spændingen (sort) indsamlet på den samme 1 mm tykke PST MLC som for DE-sløjfen, der gennemgår den samme Olson-cyklus. Strømmen og spændingen gør det muligt at beregne den indsamlede energi, og kurverne er vist i figur 1c, nederst (grøn) og temperaturen (gul) gennem hele cyklussen. Bogstaverne ABCD repræsenterer den samme Olson-cyklus i figur 1. MLC-opladning sker under AB-benet og udføres ved en lav strøm (200 µA), så SourceMeter kan styre opladningen korrekt. Konsekvensen af ​​denne konstante startstrøm er, at spændingskurven (sort kurve) ikke er lineær på grund af det ikke-lineære potentialforskydningsfelt D PST (figur 1c, øverste indsætning). Ved afslutningen af ​​opladningen lagres 30 mJ elektrisk energi i MLC'en (punkt B). MLC'en varmes derefter op, og der produceres en negativ strøm (og derfor en negativ strøm), mens spændingen forbliver på 600 V. Efter 40 sekunder, da temperaturen nåede et plateau på 90 °C, blev denne strøm kompenseret, selvom trinprøven producerede en elektrisk effekt på 35 mJ i kredsløbet under dette isofelt (anden indsætning i figur 1c, øverst). Spændingen på MLC'en (forgrenings-CD) reduceres derefter, hvilket resulterer i yderligere 60 mJ elektrisk arbejde. Den samlede udgangsenergi er 95 mJ. Den indsamlede energi er forskellen mellem input- og outputenergien, hvilket giver 95 – 30 = 65 mJ. Dette svarer til en energitæthed på 1,84 J cm-3, hvilket er meget tæt på den Nd, der ekstraheres fra DE-ringen. Reproducerbarheden af ​​denne Olson-cyklus er blevet grundigt testet (Supplerende note 4). Ved yderligere at øge spænding og temperatur opnåede vi 4,43 J cm-3 ved hjælp af Olsen-cyklusser i en 0,5 mm tyk PST MLC over et temperaturområde på 750 V (195 kV cm-1) og 175 °C (Supplerende note 5). Dette er fire gange større end den bedste ydeevne, der er 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). Se supplerende tabel 1 for flere værdier i litteraturen. Denne ydeevne er opnået takket være den meget lave lækstrøm hos disse MLC'er (<10⁻⁶ A ved 750 V og 180 °C, se detaljer i supplerende note 6) – et afgørende punkt nævnt af Smith et al.19 – i modsætning til de materialer, der blev anvendt i tidligere undersøgelser17,20. Denne ydeevne er opnået takket være den meget lave lækstrøm hos disse MLC'er (<10⁻⁶ A ved 750 V og 180 °C, se detaljer i supplerende note 6) – et afgørende punkt nævnt af Smith et al.19 – i modsætning til de materialer, der blev anvendt i tidligere undersøgelser17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10-7 а при 750 П. ± 180 м. C. в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Disse egenskaber blev opnået på grund af den meget lave lækstrøm hos 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 anvendt i tidligere undersøgelser 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）——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的材料由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 °C 时 <10-7 A , 参见 补兎 说 补兎 说信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下下且比之下 下比繋相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之且繋比之下相相比之下 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 ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В og 180 °C, см. подробности в дополнитель в дополнитель) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. 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 – blev disse præstationer opnået til sammenligning.til materialer anvendt i tidligere studier 17,20.
De samme betingelser (600 V, 20-90 °C) blev anvendt på Stirling-cyklussen (supplerende note 7). Som forventet ud fra resultaterne af DE-cyklussen var udbyttet 41,0 mJ. Et af de mest slående træk ved Stirling-cyklusser er deres evne til at forstærke startspændingen gennem den termoelektriske effekt. Vi observerede en spændingsforøgelse på op til 39 (fra en startspænding på 15 V til en slutspænding på op til 590 V, se supplerende figur 7.2).
Et andet kendetegn ved disse MLC'er er, at de er makroskopiske objekter, der er store nok til at opsamle energi i joule-området. Derfor konstruerede vi en prototype-høster (HARV1) ved hjælp af 28 MLC PST 1 mm tykke, efter det samme parallelle pladedesign beskrevet af Torello et al.14, i en 7×4 matrix som vist i figur. Den varmebærende dielektriske væske i manifolden fortrænges af en peristaltisk pumpe mellem to reservoirer, hvor væsketemperaturen holdes konstant (metode). Opsaml op til 3,1 J ved hjælp af Olson-cyklussen beskrevet i figur 2a, isotermiske områder ved 10°C og 125°C og isofeltområder ved 0 og 750 V (195 kV cm-1). Dette svarer til en energitæthed på 3,14 J cm-3. Ved hjælp af denne kombination blev der foretaget målinger under forskellige forhold (figur 2b). Bemærk at der blev opnået 1,8 J over et temperaturområde på 80 °C og en spænding på 600 V (155 kV cm-1). Dette stemmer godt overens med de tidligere nævnte 65 mJ for 1 mm tyk PST MLC under de samme forhold (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentel opsætning af en samlet HARV1-prototype baseret på 28 MLC PST'er med en tykkelse på 1 mm (4 rækker × 7 kolonner), der kører på Olson-cyklusser. For hvert af de fire cyklustrin er temperatur og spænding angivet 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 den spænding og strøm, der tilføres prototypen, og temperaturen på mejetærskeren fra strømforsyningen. b, Energi (farve) indsamlet af vores 4×7 MLC-prototype versus temperaturområde (X-akse) og spænding (Y-akse) i forskellige eksperimenter.
En større version af høstmaskinen (HARV2) 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 fremstillede Olsen en energihøster baseret på 317 g af en tin-dopet Pb(Zr,Ti)O3-forbindelse, der var i stand til at generere 6,23 J elektricitet ved en temperatur på omkring 150 °C (ref. 21). For denne mejetærsker er dette den eneste anden tilgængelige værdi i joule-området. Den fik lidt over halvdelen af ​​den værdi, vi opnåede, og næsten syv gange kvaliteten. Det betyder, at energitætheden for HARV2 er 13 gange højere.
HARV1-cyklusperioden er 57 sekunder. Dette producerede 54 mW effekt med 4 rækker med 7 kolonner af 1 mm tykke MLC-sæt. For at tage det et skridt videre byggede vi en tredje mejetærsker (HARV3) med en 0,5 mm tyk PST MLC og en lignende opsætning som HARV1 og HARV2 (Supplerende note 9). Vi målte en termaliseringstid på 12,5 sekunder. Dette svarer til en cyklustid på 25 s (Supplerende figur 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 HARV2 producerer 0,55 W (ca. 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm tyk). Derudover simulerede vi varmeoverførsel ved hjælp af Finite Element Simulation (COMSOL, Supplerende note 10 og Supplerende tabeller 2-4) svarende til HARV1-eksperimenterne. Finite element-modellering gjorde det muligt at forudsige effektværdier næsten en størrelsesorden højere (430 mW) for det samme antal PST-kolonner ved at udtynde MLC'en til 0,2 mm, bruge vand som kølemiddel og gendanne matrixen til 7 rækker × 4 kolonner (ud over var der 960 mW, da tanken var ved siden af ​​mejetærskeren, supplerende figur 10b).
For at demonstrere anvendeligheden af ​​denne kollektor blev en Stirling-cyklus anvendt på en selvstændig demonstrator bestående af kun to 0,5 mm tykke PST MLC'er som varmekollektorer, en højspændingsafbryder, en lavspændingsafbryder med lagringskondensator, en DC/DC-konverter, en lavstrømsmikrocontroller, to termoelementer og en boost-konverter (Supplerende note 11). Kredsløbet kræver, at lagringskondensatoren initialt oplades ved 9 V og derefter kører autonomt, mens temperaturen på de to MLC'er varierer fra -5 °C til 85 °C, her i cyklusser på 160 sekunder (flere cyklusser er vist i Supplerende note 11). Bemærkelsesværdigt nok kan to MLC'er, der kun vejer 0,3 g, autonomt styre dette store system. En anden interessant funktion er, at lavspændingskonverteren er i stand til at konvertere 400 V til 10-15 V med 79 % effektivitet (Supplerende note 11 og Supplerende figur 11.3).
Endelig evaluerede vi effektiviteten af ​​disse MLC-moduler i forhold til at omdanne termisk energi til elektrisk energi. Kvalitetsfaktoren η for effektivitet er defineret som forholdet mellem densiteten af ​​den opsamlede elektriske energi Nd og densiteten af ​​den tilførte varme Qin (Supplerende note 12):
Figur 3a og 3b viser henholdsvis effektiviteten η og den proportionale effektivitet ηr for Olsen-cyklussen som funktion af temperaturområdet for en 0,5 mm tyk PST MLC. Begge datasæt er givet for et elektrisk felt på 195 kV cm⁻¹. Effektiviteten når 1,43 %, hvilket svarer til 18 % af ηr. For et temperaturområde på 10 K fra 25 °C til 35 °C når ηr dog værdier op til 40 % (blå kurve i figur 3b). Dette er det dobbelte af den kendte værdi for NLP-materialer registreret i PMN-PT-film (ηr = 19 %) i temperaturområdet 10 K og 300 kV cm⁻¹ (Ref. 18). Temperaturområder under 10 K blev ikke taget i betragtning, fordi den termiske hysterese for PST MLC er mellem 5 og 8 K. Anerkendelse af den positive effekt af faseovergange på effektiviteten er kritisk. Faktisk opnås de optimale værdier for η og ηr næsten alle ved starttemperaturen Ti = 25 °C i figur 3a, b. Dette skyldes en tæt faseovergang, når der ikke påføres noget felt, og Curie-temperaturen TC er omkring 20 °C i disse MLC'er (supplerende note 13).
a,b, effektiviteten η og den proportionale effektivitet af Olson-cyklussen (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for den maksimale elektriske effekt ved et felt på 195 kV cm-1 og forskellige starttemperaturer Ti, }}\,\)(b) for MPC PST'en med en tykkelse på 0,5 mm, afhængigt af temperaturintervallet ΔTspan.
Sidstnævnte observation har to vigtige implikationer: (1) enhver effektiv cykling skal begynde ved temperaturer over TC for at en feltinduceret faseovergang (fra paraelektrisk til ferroelektrisk) kan forekomme; (2) disse materialer er mere effektive ved driftstider tæt på TC. Selvom storskalaeffektiviteter er vist i vores eksperimenter, tillader det begrænsede temperaturområde os ikke at opnå store absolutte effektiviteter på grund af Carnot-grænsen (\(\DeltaT/T\)). Den fremragende effektivitet, der er demonstreret af disse PST MLC'er, retfærdiggør dog Olsen, når han nævner, at "en ideel klasse 20 regenerativ termoelektrisk motor, der opererer 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 undersøgt 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 generations pyroelektriske regeneratorer baseret på dopede PST MLC'er eller andre materialer med en stærk førsteordens faseovergang kan konkurrere med de bedste krafthøstere.
I denne undersøgelse undersøgte vi MLC'er lavet af PST. Disse enheder består af en række Pt- og PST-elektroder, hvor flere kondensatorer er parallelforbundet. 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 dets entropiændringer ligner dem, der er vist i figur 1. Lignende MLC'er er blevet fuldt ud beskrevet for EC13,14-enheder. I denne undersøgelse brugte vi 10,4 × 7,2 × 1 mm³ og 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC'er. MLC'er med en tykkelse på 1 mm og 0,5 mm blev lavet af henholdsvis 19 og 9 lag PST med en tykkelse på 38,6 µm. I begge tilfælde blev det indre PST-lag placeret mellem 2,05 µm 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 elektrodeareal var 48,7 mm2 (Supplerende tabel 5). MLC PST blev fremstillet ved fastfasereaktion og støbning. Detaljerne i fremstillingsprocessen er beskrevet i en tidligere artikel14. En af forskellene mellem PST MLC og den foregående artikel er rækkefølgen af ​​B-steder, hvilket i høj grad påvirker EC's ydeevne i PST. Rækkefølgen af ​​B-steder i PST MLC er 0,75 (Supplerende note 2) opnået ved sintring ved 1400 °C efterfulgt af hundredvis af timers udglødning ved 1000 °C. For mere information om PST MLC, se Supplerende noter 1-3 og Supplerende tabel 5.
Hovedkonceptet i denne undersøgelse er baseret på Olson-cyklussen (fig. 1). Til en sådan cyklus har vi brug for et varmt og koldt reservoir og en strømforsyning, der er i stand til at overvåge og styre spænding og strøm i de forskellige MLC-moduler. Disse direkte cyklusser anvendte to forskellige konfigurationer, nemlig (1) Linkam-moduler, der opvarmer og køler én MLC forbundet til en Keithley 2410 strømkilde, og (2) tre prototyper (HARV1, HARV2 og HARV3) parallelt med den samme energikilde. 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'en. Det termiske reservoir består af en glasbeholder fyldt med dielektrisk væske og placeret oven på den termiske plade. Kold opbevaring består af et vandbad med væskerør, der indeholder dielektrisk væske i en stor plastikbeholder fyldt med vand og is. To trevejs-slangeventiler (købt fra Bio-Chem Fluidics) blev placeret i hver ende af mejetærskeren for korrekt at skifte væske fra et reservoir til et andet (figur 2a). For at sikre termisk ligevægt mellem PST-MLC-pakken og kølemidlet blev cyklusperioden forlænget, indtil indløbs- og udløbstermoelementerne (så tæt som muligt på PST-MLC-pakken) viste den samme temperatur. Python-scriptet styrer og synkroniserer alle instrumenter (kildemålere, pumper, ventiler og termoelementer) for at køre den korrekte Olson-cyklus, dvs. kølemiddelløkken begynder at cirkulere gennem PST-stakken, efter at kildemåleren er opladet, så de varmes op ved den ønskede påførte spænding for en given Olson-cyklus.
Alternativt har vi bekræftet disse direkte målinger af indsamlet energi med indirekte metoder. Disse indirekte metoder er baseret på elektriske forskydnings- (D) – elektriske felt- (E) feltløjfer indsamlet ved forskellige temperaturer, og ved at beregne arealet mellem to DE-løjfer kan man nøjagtigt estimere, hvor meget energi der kan indsamles, som vist i figur 2.1b. Disse DE-løjfer indsamles også ved hjælp af Keithley-kildemålere.
Otteogtyve 1 mm tykke PST MLC'er blev samlet i en parallel pladestruktur med 4 rækker og 7 søjler i henhold til designet beskrevet i referencen. 14. Væskeafstanden mellem PST-MLC rækkerne er 0,75 mm. Dette opnås ved at tilføje strimler af dobbeltklæbende tape som væskeafstandsstykker rundt om kanterne af PST MLC'en. PST MLC'en er elektrisk forbundet parallelt med en sølvepoxybro i kontakt med elektrodeledningerne. Derefter blev ledninger limet med sølvepoxyharpiks på hver side af elektrodeterminalerne for tilslutning til strømforsyningen. Til sidst indsættes hele strukturen i polyolefinslangen. Sidstnævnte limes til væskerøret for at sikre korrekt tætning. Til sidst blev 0,25 mm tykke K-type termoelementer indbygget i hver ende af PST-MLC-strukturen for at overvåge indløbs- og udløbsvæsketemperaturerne. For at gøre dette skal slangen først perforeres. Efter installation af termoelementet påføres det samme klæbemiddel som før mellem termoelementslangen og ledningen for at genoprette tætningen.
Der blev bygget otte separate prototyper, hvoraf fire havde 40 0,5 mm tykke MLC PST'er fordelt som parallelle plader med 5 kolonner og 8 rækker, og de resterende fire havde 15 1 mm tykke MLC PST'er hver i en 3-kolonne × 5-rækkers parallel pladestruktur. Det samlede antal anvendte PST MLC'er var 220 (160 0,5 mm tykke og 60 PST MLC 1 mm tykke). Vi kalder disse to underenheder HARV2_160 og HARV2_60. Væskegabet i prototypen HARV2_160 består af to dobbeltklæbende tape 0,25 mm tykke med en 0,25 mm tyk tråd imellem dem. Til HARV2_60-prototypen gentog vi den samme procedure, men med en 0,38 mm tyk tråd. For symmetriens skyld har HARV2_160 og HARV2_60 deres egne væskekredsløb, pumper, ventiler og kold side (Supplerende note 8). To HARV2-enheder deler et varmereservoir, en 3-liters beholder (30 cm x 20 cm x 5 cm) på to varmeplader med roterende magneter. Alle otte individuelle prototyper er elektrisk forbundet parallelt. HARV2_160- og HARV2_60-underenhederne arbejder samtidigt i Olson-cyklussen, hvilket resulterer i en energihøst på 11,2 J.
Placer en 0,5 mm tyk PST MLC i en polyolefinslange med dobbeltklæbende tape og tråd på begge sider for at skabe plads til, at væsken kan strømme. På grund af dens lille størrelse blev prototypen placeret ved siden af ​​en varm- eller koldreservoirventil, hvilket minimerede cyklustiderne.
I PST MLC påføres et konstant elektrisk felt ved at påføre en konstant spænding på varmegrenen. Som et resultat genereres en negativ termisk strøm, og energi lagres. Efter opvarmning af PST MLC'en fjernes feltet (V = 0), og den energi, der er lagret i den, returneres til kildetælleren, hvilket svarer til endnu et bidrag af den indsamlede energi. Endelig, med en spænding V = 0 påført, afkøles MLC PST'erne til deres starttemperatur, så cyklussen kan starte forfra. På dette trin indsamles der ikke energi. Vi kørte Olsen-cyklussen ved hjælp af en Keithley 2410 SourceMeter, opladede PST MLC'en fra en spændingskilde og indstillede strømtilpasningen til den passende værdi, så der blev indsamlet nok point under opladningsfasen til pålidelige energiberegninger.
I Stirling-cyklusser blev PST MLC'er opladet i spændingskildetilstand ved en indledende elektrisk feltværdi (initial spænding Vi > 0), en ønsket compliance-strøm, således at opladningstrinnet tager omkring 1 s (og der indsamles nok punkter til en pålidelig beregning af energien) og kold temperatur. I Stirling-cyklusser blev PST MLC'er opladet i spændingskildetilstand ved en indledende elektrisk feltværdi (initial spænding Vi > 0), en ønsket compliance-strøm, således at opladningstrinnet tager omkring 1 s (og der indsamles nok punkter til en pålidelig beregning af energien) og kold temperatur. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электриче ( напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап здки занимает около 1 с (og набирается дичочно для надежного расчета энергия) og холодная температура. I Stirling PST MLC-cyklusserne blev de opladet i spændingskildetilstand ved den indledende værdi af det elektriske felt (indledende spænding Vi > 0), den ønskede flydestrøm, således at opladningsfasen tager ca. 1 s (og et tilstrækkeligt antal punkter indsamles til en pålidelig energiberegning) 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。 I mastercyklussen oplades PST MLC'en ved den indledende elektriske feltværdi (initialspænding Vi > 0) i spændingskildetilstanden, således at den nødvendige compliance-strøm tager cirka 1 sekund for opladningstrinnet (og vi indsamlede nok point til pålideligt at beregne (energi) og lav temperatur). В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электричелскогог ( напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап здки занимает около 1 с (og набирается дочно точек, чтобы надежно рассчитать энергию) og низкие температуры. I Stirling-cyklussen oplades PST MLC i spændingskildetilstand med en startværdi af det elektriske felt (startspænding Vi > 0), den nødvendige compliance-strøm er sådan, at opladningsfasen tager ca. 1 s (og et tilstrækkeligt antal punkter indsamles til pålideligt at beregne energien) og lave temperaturer.Før PST MLC'en varmes op, åbnes kredsløbet ved at påføre en matchingsstrøm på I = 0 mA (den minimale matchingsstrøm, som vores målekilde kan håndtere, er 10 nA). Som følge heraf forbliver der en ladning i MJK'ens PST, og spændingen stiger, når prøven varmes op. Der opsamles ingen energi i arm BC, fordi I = 0 mA. Efter at have nået en høj temperatur stiger spændingen i MLT FT'en (i nogle tilfælde mere end 30 gange, se yderligere fig. 7.2), MLK FT'en aflades (V = 0), og elektrisk energi lagres i dem i den samme mængde, som de er den oprindelige ladning. Den samme strømkorrespondance returneres til målerkilden. På grund af spændingsforøgelsen er den lagrede energi ved høj temperatur højere end den, der blev leveret i begyndelsen af ​​cyklussen. Følgelig opnås energi ved at omdanne varme til elektricitet.
Vi brugte et Keithley 2410 SourceMeter til at overvåge spændingen og strømmen, der påføres PST MLC'en. Den tilsvarende energi beregnes ved at integrere produktet af spænding og strøm, der aflæses af Keithleys sourcemeter, \(E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas})}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), hvor τ er periodens længde. På vores energikurve betyder positive energiværdier den energi, vi skal give til MLC PST'en, og negative værdier betyder den energi, vi udvinder fra dem, og dermed den modtagne energi. Den relative effekt for en given opsamlingscyklus bestemmes ved at dividere den opsamlede energi med perioden τ for hele cyklussen.
Alle data præsenteres i hovedteksten eller i yderligere information. Breve og anmodninger om materiale skal rettes til kilden til de AT- eller ED-data, der er leveret 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 udvikling og anvendelse 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 udvikling og anvendelse af termoelektriske mikrogeneratorer til energihøstning.CV. support. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. Fotovoltaiske materialer: nuværende effektivitetsgevinster og fremtidige udfordringer. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. Fotovoltaiske materialer: nuværende effektivitetsgevinster og fremtidige udfordringer.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK. Fotovoltaiske materialer: nuværende ydeevne 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. Solmaterialer: nuværende effektivitet og fremtidige udfordringer.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK. Fotovoltaiske materialer: nuværende ydeevne og fremtidige udfordringer.Videnskab 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunktioneret pyro-piezoelektrisk effekt til selvdrevet samtidig temperatur- og trykmåling. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkt pyro-piezoelektrisk effekt til selvdrevet samtidig temperatur- og trykmåling.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Kombineret pyropiezoelektrisk effekt til 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 selvforsynende energi samtidig med temperatur og tryk.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Kombineret termopiezoelektrisk effekt til autonom samtidig måling af temperatur og tryk.Fremad. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energihøstning baseret på Ericssons pyroelektriske cyklusser i en relaxor ferroelektrisk keramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energihøstning baseret på Ericssons 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. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næste generations elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til omdannelse af elektrotermisk energi i fast tilstand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næste generations elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til omdannelse af elektrotermisk energi i fast tilstand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næste generations elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til omdannelse af elektrotermisk energi i fast tilstand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW . Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næste generations elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til omdannelse af elektrotermisk energi i fast tilstand.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard og værdisæt til kvantificering af ydeevnen af ​​pyroelektriske nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard og værdisæt til kvantificering af ydeevnen af ​​pyroelektriske nanogeneratorer.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL og Yang, Yu. En standard og kvalitetsscore til kvantificering af ydeevnen af ​​pyroelektriske nanogeneratorer. 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 ydeevnemål til kvantificering af ydeevnen af ​​en pyroelektrisk nanogenerator.Nanoenergi 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriske kølecyklusser i bly-scandium-tantalat med ægte regenerering via feltvariation. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriske kølecyklusser i bly-scandium-tantalat med ægte regenerering via feltvariation.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. og Mathur, ND Elektrokaloriske kølecyklusser i bly-scandium-tantalat 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, 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, ND. En elektrotermisk kølecyklus af scandium-bly-tantalat til ægte regenerering gennem feltomvending.fysik Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroiske faseovergange. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroiske faseovergange.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Kaloriske materialer nær ferroidfaseovergange. 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 Kaloriske materialer til køling og opvarmning. Moya, X. & Mathur, ND Kaloriske materialer til køling og opvarmning.Moya, X. og Mathur, ND Termiske materialer til køling 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 køling og opvarmning.Moya X. og Mathur ND Termiske materialer til køling og opvarmning.Videnskab 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: a review. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: a review.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.Avanceret. elektronisk. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorm energieffektivitet af elektrokalorisk materiale i højordnet scandium-scandium-bly. National Communicate. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Den elektrotermiske effekt af oxid-flerlagskondensatorer er stor over et bredt temperaturområde. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Stort temperaturområde i elektrotermiske regeneratorer. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Højtydende faststofelektrotermisk kølesystem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadeelektrotermisk køleanordning til stor temperaturstigning. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Højeffektiv direkte omdannelse af varme til elektrisk energirelaterede pyroelektriske målinger. Olsen, RB & Brown, DD Højeffektiv direkte omdannelse af varme til elektrisk energirelaterede pyroelektriske målinger.Olsen, RB og Brown, DD. Højeffektiv direkte omdannelse af varme til elektrisk energi i forbindelse 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 omdannelse af varme til elektricitet i forbindelse med pyroelektriske målinger.Ferroelektriske materialer 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi- og effekttæthed i tynde relaxor ferroelektriske film. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskaderet pyroelektrisk konvertering: optimering af den ferroelektriske faseovergang og elektriske tab. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskaderet pyroelektrisk konvertering: optimering af den ferroelektriske faseovergang og elektriske tab.Smith, AN og Hanrahan, BM. Kaskaderet pyroelektrisk konvertering: ferroelektrisk faseovergang og optimering af elektrisk tab. 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 og Hanrahan, BM Kaskaderet pyroelektrisk konvertering: optimering af ferroelektriske faseovergange og elektriske tab.J. Anvendelse. fysik. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Brugen af ​​ferroelektriske materialer til at omdanne termisk energi til elektricitet. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadekoblet pyroelektrisk energikonverter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadekoblet pyroelektrisk energikonverter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Cascade pyroelektrisk kraftomformer. 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. Kaskadeforbundne pyroelektriske kraftomformere.Ferroelektriske materialer 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-skandium-tantalatfaste opløsninger med høj elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-skandium-tantalatfaste opløsninger med høj elektrokalorisk effekt.Shebanov L. og Borman K. Om faste opløsninger af bly-scandiumtantalat 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. Om scandium-bly-scandium faste opløsninger med en høj elektrokalorisk effekt.Ferroelektriske materialer 127, 143–148 (1992).
Vi takker N. Furusawa, Y. Inoue og K. Honda for deres hjælp med at oprette MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB og ED. Tak til 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 og BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Institut for Materialeforskning og Teknologi, Luxembourgs Teknologiske Institut (LIST), Belvoir, Luxembourg