At tilbyde bæredygtige kilder til elektricitet er en af ​​de vigtigste udfordringer i dette århundrede. Forskningsområder inden for energihøstmaterialer stammer fra denne motivation, herunder termoelektrisk1, fotovoltaisk2 og termofotovoltaik3. Selvom vi mangler materialer og enheder, 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 blyskandiumtantalat, 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 indbyggede mikrocontrollere og temperatursensorer. Endelig viser vi, at for et temperaturområde på 10 K kan disse flerlagskondensatorer nå 40% Carnot effektivitet. Disse egenskaber skyldes (1) ferroelektrisk faseændring for høj effektivitet, (2) lav lækstrøm for at forhindre tab og (3) høj gennembrudsspænding. Disse makroskopiske, skalerbare og effektive pyroelektriske krafthøstere genskaber termoelektrisk energiproduktion.
Sammenlignet med den rumlige temperaturgradient, der kræves for termoelektriske materialer, kræver energihøst af termoelektriske materialer temperaturcyklus over tid. Dette betyder en termodynamisk cyklus, som bedst beskrives ved entropi (S)-temperatur (T) diagrammet. Figur 1a viser et typisk ST-plot af et ikke-lineært pyroelektrisk (NLP) materiale, der viser en feltdrevet ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang i skandiumblytantalat (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, dog med forskellige starttemperaturer. Den grønne cyklus er ikke placeret i faseovergangsregionen og har dermed et meget mindre areal end den blå cyklus placeret i faseovergangsregionen. I ST-diagrammet gælder, at jo større areal, jo større er den opsamlede energi. Derfor skal faseovergangen samle mere energi. Behovet for cykling med store arealer i NLP er meget lig behovet for elektrotermiske applikationer9, 10, 11, 12, hvor PST flerlagskondensatorer (MLC'er) og PVDF-baserede terpolymerer for nylig har vist fremragende omvendt ydeevne. køleydelsesstatus i cyklus 13,14,15,16. Derfor har vi identificeret PST MLC'er af interesse for termisk energihøst. Disse prøver er blevet fuldstændigt beskrevet i metoderne og karakteriseret i supplerende noter 1 (scanningelektronmikroskopi), 2 (røntgendiffraktion) og 3 (kalorimetri).
a, Skitse af et entropi (S)-temperatur (T) plot med elektrisk felt til og fra påført NLP materialer, der viser faseovergange. To energiopsamlingscyklusser er vist i to forskellige temperaturzoner. De blå og grønne cyklusser opstår henholdsvis inden for og uden for faseovergangen og ender i meget forskellige områder af overfladen. b, to DE PST MLC unipolære 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 henviser til forskellige tilstande i Olson-cyklussen. AB: MLC'er blev ladet til 155 kV cm-1 ved 20°C. BC: MLC blev holdt 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 opsamles i én cyklus. c, toppanel, spænding (sort) og strøm (rød) versus tid, sporet under samme Olson-cyklus som b. De to indsatser repræsenterer forstærkningen af ​​spænding og strøm på nøglepunkter i cyklussen. I det nederste panel repræsenterer de gule og grønne kurver de tilsvarende temperatur- og energikurver, henholdsvis for en 1 mm tyk MLC. Energi beregnes ud fra strøm- og spændingskurverne på toppanelet. Negativ energi svarer til den opsamlede energi. De trin, der svarer til de store bogstaver i de fire figurer, er de samme som i Olson-cyklussen. Cyklus AB'CD svarer til Stirling-cyklus (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 brugbare metoder blev beskrevet af Olsen i sit banebrydende arbejde med at indsamle pyroelektrisk energi i 1980'erne17.
På fig. 1b viser to monopolære DE-løkker af 1 mm tykke PST-MLC-prøver samlet ved henholdsvis 20 °C og 90 °C over et område på 0 til 155 kV cm-1 (600 V). Disse to cyklusser kan bruges til indirekte at beregne energien opsamlet 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°С og 20°С i AB-grenen) . C i CD-grenen) Den energi, der opsamles under cyklussen, svarer til de orange og blå områder (EdD-integral). Den opsamlede energi Nd er forskellen mellem input og output energi, altså kun det orange område i fig. 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 det konstante ladningstrin (åbent kredsløb) lettere nås, når energitætheden 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 opsamlet under Olson-cyklussen ved at aktivere PST MLC'en ved hjælp af et Linkam temperaturkontroltrin og en kildemåler (metode). Figur 1c øverst og i de respektive indsatser viser strømmen (rød) og spænding (sort) opsamlet på den samme 1 mm tykke PST MLC som for DE-løkken, der gennemgår den samme Olson-cyklus. Strømmen og spændingen gør det muligt at beregne den opsamlede energi, og kurverne er vist i fig. 1c, bund (grøn) og temperatur (gul) gennem hele cyklussen. Bogstaverne ABCD repræsenterer den samme Olson-cyklus i Fig. 1. MLC-opladning finder sted under AB-benet og udføres ved lav strøm (200 µA), så SourceMeter kan styre opladningen korrekt. Konsekvensen af ​​denne konstante begyndelsesstrøm er, at spændingskurven (sort kurve) ikke er lineær på grund af det ikke-lineære potentialforskydningsfelt D PST (fig. 1c, indsat øverst). 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 s, da temperaturen nåede et plateau på 90 °C, blev denne strøm kompenseret, selvom trinprøven produceret i kredsløbet en elektrisk effekt på 35 mJ under dette isofelt (anden indsættelse i fig. 1c, øverst). Spændingen på MLC (branch CD) reduceres derefter, hvilket resulterer i yderligere 60 mJ elektrisk arbejde. Den samlede udgangsenergi er 95 mJ. Den opsamlede 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 det Nd, der udvindes 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 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 ydeevne er opnået på grund af den meget lave lækstrøm af disse MLC'er (<10−7 A ved 750 V og 180 °C, se detaljer i supplerende note 6) - et afgørende punkt nævnt af Smith et al.19 - i modsætning hertil til de materialer, der er brugt i tidligere undersøgelser17,20. Denne ydeevne er opnået på grund af den meget lave lækstrøm af disse MLC'er (<10−7 A ved 750 V og 180 °C, se detaljer i supplerende note 6) - et afgørende punkt nævnt af Smith et al.19 - i modsætning hertil til de materialer, der er brugt i tidligere undersøgelser17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 а при 750 В п олнительном 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 af 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 brugt 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，请参见补充似说昦说明丯说瘎等人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 补兎 详 6 说）））） — 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 相比之下丯且之下下 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 相比之下觧比之丈缰康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 дополнитель) момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Da lækstrømmen af ​​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 præstationer opnået.til materialer brugt i tidligere undersøgelser 17,20.
De samme betingelser (600 V, 20–90 °C) gjaldt for 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-cykler er deres evne til at forstærke startspændingen gennem den termoelektriske effekt. Vi observerede en spændingsforstærkning på op til 39 (fra en startspænding 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 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 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 reservoirer, hvor væsketemperaturen holdes konstant (metode). Saml op til 3,1 J ved hjælp af Olson-cyklussen beskrevet i fig. 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 mejetærsker blev der taget målinger under forskellige forhold (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 de tidligere nævnte 65 mJ for 1 mm tyk PST MLC under samme betingelser (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentel opsætning af en samlet HARV1-prototype baseret på 28 MLC PST'er 1 mm tykke (4 rækker × 7 kolonner), der kører på Olson-cykler. 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 leveres til prototypen, og mejetærskerens temperatur 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 lavede Olsen en energihøster baseret på 317 g af en tin-doteret Pb(Zr,Ti)O3-forbindelse, der er 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 værdi, der er tilgængelig i joule-området. Det fik lidt over halvdelen af ​​den værdi, vi opnåede, og næsten syv gange kvaliteten. Det betyder, at energitætheden af ​​HARV2 er 13 gange højere.
HARV1-cyklusperioden er 57 sekunder. Dette producerede 54 mW effekt med 4 rækker med 7 søjler 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 lignende opsætning til HARV1 og HARV2 (Supplerende note 9). Vi målte en termaliseringstid på 12,5 sekunder. Dette svarer til en cyklustid på 25 s (Supplerende Fig. 9). Den opsamlede 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 Tabel 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 fortynde MLC'en til 0,2 mm, bruge vand som kølemiddel og genoprette matrixen til 7 rækker . × 4 søjler (udover var der 960 mW, når tanken stod ved siden af ​​mejetærskeren, Supplerende Fig. 10b).
For at demonstrere anvendeligheden af ​​denne solfanger blev en Stirling-cyklus anvendt på en selvstændig demonstrator bestående af kun to 0,5 mm tykke PST MLC'er som varmekollektorer, en højspændingskontakt, en lavspændingskontakt med lagerkondensator, en DC/DC-konverter , en laveffekt mikrocontroller, to termoelementer og boost-konverter (Supplerende note 11). Kredsløbet kræver, at lagringskondensatoren initialt oplades ved 9V og kører derefter autonomt, mens temperaturen på de to MLC'er varierer fra -5°C til 85°C, her i cyklusser på 160 s (flere cyklusser er vist i supplerende note 11) . Bemærkelsesværdigt er det, at to MLC'er, der kun vejer 0,3 g, selvstændigt kan styre dette store system. En anden interessant funktion er, at lavspændingsomformeren er i stand til at konvertere 400V til 10-15V med 79 % effektivitet (Supplerende note 11 og Supplerende Figur 11.3).
Til sidst vurderede vi effektiviteten af ​​disse MLC-moduler til at konvertere termisk energi til elektrisk energi. Kvalitetsfaktoren η for effektivitet er defineret som forholdet mellem tætheden af ​​den opsamlede elektriske energi Nd og densiteten af ​​den tilførte varme Qin (Supplerende note 12):
Figur 3a,b viser henholdsvis effektiviteten η og proportional virkningsgrad ηr af 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. Virkningsgraden \(\this\) 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 fig. 3b). Dette er to gange den kendte værdi for NLP-materialer optaget 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 af PST MLC er mellem 5 og 8 K. Anerkendelse af den positive effekt af faseovergange på effektiviteten er kritisk. Faktisk er de optimale værdier af η og ηr næsten alle opnået ved starttemperaturen Ti = 25°C i fig. 3a,b. 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)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } for den maksimale elektriske med et felt på 195 kV cm-1 og forskellige begyndelsestemperaturer Ti, }}\,\)(b) for MPC PST 0,5 mm tyk, afhængigt af temperaturintervallet ΔTspan.
Sidstnævnte observation har to vigtige implikationer: (1) enhver effektiv cykling skal begynde ved temperaturer over TC for at en felt-induceret faseovergang (fra paraelektrisk til ferroelektrisk) kan forekomme; (2) disse materialer er mere effektive ved køretider tæt på TC. Selvom storskala effektivitet er vist i vores eksperimenter, tillader det begrænsede temperaturområde os ikke at opnå store absolutte effektiviteter på grund af Carnot grænsen (\(\Delta T/T\)). Imidlertid retfærdiggør den fremragende effektivitet, som disse PST MLC'er viser, Olsen, når han nævner, at "en ideel klasse 20 regenerativ termoelektrisk motor, der arbejder 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 dopede PST MLC'er eller andre materialer med en stærk førsteordens faseovergang kan konkurrere med de bedste strømhøstere.
I denne undersøgelse undersøgte vi MLC'er lavet af PST. Disse enheder består af en række Pt- og PST-elektroder, hvorved flere kondensatorer er forbundet parallelt. PST blev valgt, fordi det er et fremragende EC-materiale og derfor et potentielt fremragende NLP-materiale. Den udviser en skarp førsteordens ferroelektrisk-paraelektrisk faseovergang omkring 20 °C, hvilket indikerer, at dens entropiændringer svarer til dem, der er vist i fig. 1. Lignende MLC'er er blevet fuldstændig 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 fremstillet 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 forudsætter, 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 støbemetode. Detaljerne i forberedelsesprocessen er blevet beskrevet i en tidligere artikel14. En af forskellene mellem PST MLC og den tidligere artikel er rækkefølgen af ​​B-steder, som i høj grad påvirker ydeevnen af ​​EC i PST. Rækkefølgen af ​​B-steder af PST MLC er 0,75 (Supplerende note 2) opnået ved sintring ved 1400°C efterfulgt af hundredvis af timer lang udglødning ved 1000°C. For mere information om PST MLC, se Supplerende Note 1-3 og Supplerende Tabel 5.
Hovedkonceptet for denne undersøgelse er baseret på Olson-cyklussen (fig. 1). Til sådan en cyklus har vi brug for et varmt og koldt reservoir og en strømforsyning, der er i stand til at overvåge og styre spændingen og strømmen i de forskellige MLC-moduler. Disse direkte cyklusser brugte to forskellige konfigurationer, nemlig (1) Linkam-moduler, der opvarmede og kølede en 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 hos Sigma Aldrich) brugt til varmeveksling mellem de to reservoirer (varm og kold) og MLC. Det termiske reservoir består af en glasbeholder fyldt med dielektrisk væske og placeret oven på termopladen. Kølelageret består af et vandbad med væskerør indeholdende dielektrisk væske i en stor plastikbeholder fyldt med vand og is. To tre-vejs klemmeventiler (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 kølevæsken blev cyklusperioden forlænget, indtil indløbs- og udløbstermoelementerne (så tæt som muligt på PST-MLC-pakken) viste samme temperatur. Python-scriptet administrerer og synkroniserer alle instrumenter (kildemålere, pumper, ventiler og termoelementer) for at køre den korrekte Olson-cyklus, dvs. kølevæskesløjfen begynder at cykle gennem PST-stakken, efter at kildemåleren er opladet, så de varmes op til det ønskede niveau. påført spænding for en given Olson-cyklus.
Alternativt har vi bekræftet disse direkte målinger af opsamlet energi med indirekte metoder. Disse indirekte metoder er baseret på elektrisk forskydning (D) – elektrisk felt (E) feltsløjfer opsamlet ved forskellige temperaturer, og ved at beregne arealet mellem to DE-sløjfer kan man præcist estimere, hvor meget energi der kan opsamles, som vist på figuren . i figur 2. .1b. Disse DE-løkker opsamles også ved hjælp af Keithley-kildemålere.
Otteogtyve 1 mm tykke PST MLC'er blev samlet i en 4-rækket, 7-søjlet parallel pladestruktur ifølge det design, der er beskrevet i referencen. 14. Væskegabet mellem PST-MLC rækker er 0,75 mm. Dette opnås ved at tilføje strimler af dobbeltsidet tape som flydende afstandsstykker rundt om kanterne af PST MLC. PST MLC er elektrisk forbundet parallelt med en sølv epoxybro 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 er limet 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 søjler og 8 rækker, og de resterende fire havde hver 15 1 mm tykke MLC PST'er. i 3-søjle × 5-rækket 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 dobbeltsidede tape 0,25 mm tykke med en 0,25 mm tyk tråd imellem dem. For HARV2_60-prototypen gentog vi den samme procedure, men ved at bruge 0,38 mm tyk tråd. For symmetri 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 0,5 mm tyk PST MLC i polyolefinslangen med dobbeltklæbende tape og wire på begge sider for at skabe plads til væsken til at flyde. På grund af sin lille størrelse blev prototypen placeret ved siden af ​​en varm eller kold reservoirventil, hvilket minimerer cyklustider.
I PST MLC påføres et konstant elektrisk felt ved at påføre en konstant spænding til varmegrenen. Som et resultat genereres en negativ termisk strøm, og energi lagres. Efter opvarmning af PST MLC'en fjernes feltet (V = 0), og energien, der er lagret i det, returneres tilbage til kildetælleren, hvilket svarer til endnu et bidrag af den opsamlede energi. Til sidst, med en spænding V = 0 påført, afkøles MLC PST'erne til deres begyndelsestemperatur, så cyklussen kan starte igen. På dette stadium opsamles der ikke energi. Vi kørte Olsen-cyklussen ved hjælp af et Keithley 2410 SourceMeter, opladede PST MLC fra en spændingskilde og indstillede det aktuelle match 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 (initialspænding Vi > 0), en ønsket overensstemmelsesstrøm, 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 (initialspænding Vi > 0), en ønsket overensstemmelsesstrøm, 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 > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (og набирается достаточное колич та энергия) og холодная температура. I Stirling PST MLC-cyklusserne blev de opladet i spændingskildetilstanden ved startværdien af ​​det elektriske felt (initialspænding Vi > 0), den ønskede udbyttestrøm, således at ladetrinnet tager ca. 1 s (og et tilstrækkeligt antal point indsamles for 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（初始电压锔锔锵眀煅电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 ved den indledende elektriske feltværdi (initialspænding Vi > 0) i spændingskildetilstanden, så den nødvendige overensstemmelsesstrøm tager ca. 1 sekund for opladningstrinnet (og vi har indsamlet nok point til at pålideligt beregne (energi) og lav temperatur. Вике стирлиunde pst mlc зар eжжiel в р и и ение VI> 0), т б ud . I Stirling-cyklussen oplades PST MLC i spændingskildetilstanden med en startværdi af det elektriske felt (initialspænding Vi > 0), den nødvendige overensstemmelsesstrøm er sådan, at opladningstrinnet tager ca. 1 s (og et tilstrækkeligt antal point indsamles for pålideligt at beregne energien) og lave temperaturer .Før PST MLC'en varmes op, skal du åbne kredsløbet ved at anvende en matchende strøm på I = 0 mA (den mindste matchende strøm, som vores målekilde kan håndtere, er 10 nA). Som et resultat forbliver 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 (i nogle tilfælde mere end 30 gange, se yderligere fig. 7.2), MLK FT aflades (V = 0), og elektrisk energi lagres i dem for det samme da de er den oprindelige afgift. Den samme aktuelle korrespondance returneres til målerkilden. På grund af spændingsforstærkning er den lagrede energi ved høj temperatur højere end hvad der blev leveret 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 på PST MLC. Den tilsvarende energi beregnes ved at integrere produktet af spænding og strøm aflæst af Keithleys kildemåler, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {mål))}\ venstre(t\ højre){V}_{{\rm{mål}}}(t)\), hvor τ er perioden for perioden. På vores energikurve betyder positive energiværdier den energi, vi skal give til MLC PST, 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 af hele cyklussen.
Alle data præsenteres i hovedteksten eller i yderligere information. Breve og anmodninger om materialer skal rettes til kilden til AT- eller ED-dataene, der leveres med denne artikel.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC En gennemgang af udviklingen og anvendelsen af ​​termoelektriske mikrogeneratorer til energihøst. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC En gennemgang af udviklingen og anvendelsen af ​​termoelektriske mikrogeneratorer til energihøst.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO og Henao, NC Oversigt over udvikling og anvendelse af termoelektriske mikrogeneratorer til energihøst. 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 energihøst.genoptage. støtte. Energi 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: 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.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Sammenhængende pyro-piezoelektrisk effekt til selvdrevet samtidig temperatur- og trykføling. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Sammenhængende pyro-piezoelektrisk effekt til selvdrevet samtidig temperatur- og trykføling.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. Til selvforsynende på samme tid som temperatur og tryk.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Kombineret termopiezoelektrisk effekt til autonom samtidig måling af temperatur og tryk.Forward. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energihøst baseret på Ericssons pyroelektriske cyklusser i en relaxor ferroelektrisk keramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energihøst baseret på Ericssons pyroelektriske cyklusser i en relaxor ferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Energihøst baseret på pyroelektriske Ericsson-cyklusser i relaxor ferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Energihøst 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 ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næste generation af elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til elektrotermisk energiinterkonversion 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 ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næste generation af elektrokaloriske og pyroelektriske materialer til elektrotermisk energiinterkonversion i fast tilstand.Lady Bull. 39, 1099-1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard og fortjeneste til kvantificering af ydeevnen af ​​pyroelektriske nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard og fortjeneste 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.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriske afkølingscyklusser i blyskandiumtantalat med ægte regenerering via feltvariation. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriske afkølingscyklusser i blyskandiumtantalat med ægte regenerering via feltvariation.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. og Mathur, ND Elektrokaloriske afkølingscyklusser i bly-scandiumtantalat 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 afkølingscyklus af skandium-blytantalat til ægte regenerering gennem feltvending.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 ferroide 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 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.Science 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 anmeldelse. 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 anmeldelse.Fremskreden. elektronisk. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorm energieffektivitet af elektrokalorisk materiale i højordnet scandium-scandium-bly. Nationale kommunikere. 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. Kæmpe temperaturområde i elektrotermiske regeneratorer. Science 370, 125-129 (2020).
Wang, Y. et al. Højtydende solid state elektrotermisk kølesystem. Science 370, 129-133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskade elektrotermisk køleanordning til stor temperaturstigning. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Højeffektiv direkte konvertering af varme til elektrisk energi-relaterede pyroelektriske målinger. Olsen, RB & Brown, DD Højeffektiv direkte konvertering af varme til elektrisk energi-relaterede 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 omdannelse af varme til elektricitet i forbindelse med pyroelektriske målinger.Ferroelectrics 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi- og effekttæthed i tynde afslappende 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 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, AN og Hanrahan, BM Kaskaderet pyroelektrisk konvertering: optimering af ferroelektriske faseovergange og elektriske tab.J. Ansøgning. fysik. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Brugen af ​​ferroelektriske materialer til at omdanne termisk energi til elektricitet. behandle. IEEE 51, 838-845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskaderet pyroelektrisk energikonverter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskaderet pyroelektrisk energikonverter.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 pyroelektriske strømomformere.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-scandium tantalat faste opløsninger med høj elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-scandium tantalat faste 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.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 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, Luxembourg Institute of Technology (LIST), Belvoir, Luxembourg