Oferirea de surse durabile de energie electrică este una dintre cele mai importante provocări ale acestui secol. Zonele de cercetare în materialele de recoltare a energiei provin din această motivație, inclusiv Thermoelectric1, Photovoltaic2 și Thermofotovoltaics3. Deși ne lipsește materiale și dispozitive capabile să recolteze energie în gama Joule, materialele piroelectrice care pot transforma energia electrică în modificări periodice de temperatură sunt considerate senzori4 și recoltele de energie5,6,7. Aici am dezvoltat un recoltat de energie termică macroscopică sub forma unui condensator multistrat realizat din 42 de grame de tantalat de scandium de plumb, producând 11,2 J de energie electrică pe ciclu termodinamic. Fiecare modul piroelectric poate genera densitate de energie electrică până la 4,43 J CM-3 pe ciclu. De asemenea, arătăm că două astfel de module care cântăresc 0,3 g sunt suficiente pentru a alimenta continuu recoltoarele de energie autonome cu microcontrolere încorporate și senzori de temperatură. În cele din urmă, arătăm că pentru un interval de temperatură de 10 K, acești condensatori multistrat pot atinge eficiența carnotului de 40%. Aceste proprietăți se datorează (1) modificării fazei ferroelectrice pentru o eficiență ridicată, (2) curent de scurgere scăzut pentru a preveni pierderi și (3) tensiune de defalcare ridicată. Aceste recoltoare de energie piroelectrică macroscopică, scalabilă și eficientă reimaginează generarea de energie termoelectrică.
În comparație cu gradientul de temperatură spațială necesară pentru materialele termoelectrice, recoltarea energiei materialelor termoelectrice necesită ciclism de temperatură în timp. Aceasta înseamnă un ciclu termodinamic, care este cel mai bine descris de diagrama de temperatură de entropie (e). Figura 1A prezintă o diagramă ST tipică a unui material piroelectric neliniar (NLP) care demonstrează o tranziție de fază feroelectrică-paraelectrică bazată pe câmp în tentalatul de plumb (PST). Secțiunile albastre și verzi ale ciclului de pe diagrama ST corespund energiei electrice convertite în ciclul Olson (două secțiuni izoterme și două izopole). Aici avem în vedere două cicluri cu aceeași schimbare a câmpului electric (câmp pornit și oprit) și schimbare de temperatură ΔT, deși cu temperaturi inițiale diferite. Ciclul verde nu este localizat în regiunea de tranziție de fază și are astfel o zonă mult mai mică decât ciclul albastru situat în regiunea de tranziție de fază. În diagrama ST, cu cât este mai mare zona, cu atât energia colectată este mai mare. Prin urmare, tranziția de fază trebuie să colecteze mai multă energie. Necesitatea ciclismului cu suprafață mare în NLP este foarte asemănătoare cu nevoia de aplicații electrotermice9, 10, 11, 12 unde condensatoarele multistrat PST (MLC) și terpolimerii pe bază de PVDF au arătat recent o performanță inversă excelentă. Starea performanței de răcire în ciclul 13,14,15,16. Prin urmare, am identificat PST MLC -uri de interes pentru recoltarea energiei termice. Aceste probe au fost descrise complet în metode și caracterizate în notele suplimentare 1 (microscopie electronică de scanare), 2 (difracție cu raze X) și 3 (calorimetrie).
A, schița unei entropii (e)-temperatură (T) grafic cu câmp electric pornit și oprit aplicat materialelor NLP care prezintă tranziții de fază. Două cicluri de colectare a energiei sunt prezentate în două zone de temperatură diferite. Ciclurile albastre și verzi apar în interiorul și în afara tranziției de fază, respectiv și se termină în regiuni foarte diferite ale suprafeței. B, două inele unipolare de PST MLC, de 1 mm grosime, măsurate între 0 și 155 kV CM-1 la 20 ° C și, respectiv, 90 ° C, și ciclurile Olsen corespunzătoare. Literele ABCD se referă la diferite state din ciclul Olson. AB: MLC-urile au fost taxate la 155 kV CM-1 la 20 ° C. BC: MLC a fost menținută la 155 kV CM-1 și temperatura a fost crescută la 90 ° C. CD: descărcări MLC la 90 ° C. DA: MLC răcit la 20 ° C în câmpul zero. Zona albastră corespunde puterii de intrare necesare pentru a porni ciclul. Zona portocalie este energia colectată într -un ciclu. C, panou superior, tensiune (negru) și curent (roșu) față de timp, urmărit în același ciclu Olson ca b. Cele două inserții reprezintă amplificarea tensiunii și a curentului în punctele cheie ale ciclului. În panoul inferior, curbele galbene și verzi reprezintă temperatura și curbele de energie corespunzătoare, respectiv, pentru un MLC de 1 mm grosime. Energia este calculată din curbele de curent și de tensiune de pe panoul superior. Energia negativă corespunde energiei colectate. Pașii corespunzători literelor capitale din cele patru cifre sunt aceiași ca în ciclul Olson. Ciclul AB'CD corespunde ciclului Stirling (nota suplimentară 7).
unde E și D sunt câmpul electric și, respectiv, câmpul de deplasare electrică. ND poate fi obținut indirect din circuitul DE (Fig. 1B) sau direct prin pornirea unui ciclu termodinamic. Cele mai utile metode au fost descrise de Olsen în lucrările sale de pionierat privind colectarea energiei piroelectrice în anii 198017.
Pe fig. 1B prezintă două bucle de DE MONOPOLAR de 1 mm grosime PST-MLC asamblată la 20 ° C și, respectiv, 90 ° C, pe un interval de 0 până la 155 kV CM-1 (600 V). Aceste două cicluri pot fi utilizate pentru a calcula indirect energia colectată de ciclul Olson prezentat în figura 1a. De fapt, ciclul Olsen este format din două ramuri Isofield (aici, câmp zero în ramura DA și 155 kV CM-1 în ramura BC) și două ramuri izotermice (aici, 20 ° с și 20 ° с în ramura AB). C în ramura CD) Energia colectată în timpul ciclului corespunde regiunilor portocalii și albastre (EDD Integral). Energia colectată ND este diferența dintre energia de intrare și de ieșire, adică doar zona portocalie din fig. 1b. Acest ciclu olson special oferă o densitate energetică a ND de 1,78 J CM-3. Ciclul Stirling este o alternativă la ciclul Olson (Nota suplimentară 7). Deoarece etapa de încărcare constantă (circuit deschis) este mai ușor atinsă, densitatea de energie extrasă din Fig. 1B (ciclul ab'cd) atinge 1,25 J CM-3. Acesta este doar 70% din ceea ce poate colecta ciclul Olson, dar echipamentele de recoltare simple o face.
În plus, am măsurat direct energia colectată în timpul ciclului Olson prin energizarea PST MLC folosind o etapă de control a temperaturii Linkam și un contor sursă (metodă). Figura 1c în partea superioară și în inserțiile respective arată curentul (roșu) și tensiunea (negru) colectate pe același MLC PST gros de 1 mm ca și pentru bucla de DESCESE prin același ciclu Olson. Curentul și tensiunea fac posibilă calcularea energiei colectate, iar curbele sunt prezentate în Fig. 1c, fund (verde) și temperatură (galben) pe tot parcursul ciclului. Literele ABCD reprezintă același ciclu Olson din Fig. 1. Încărcarea MLC are loc în timpul piciorului AB și se realizează la un curent scăzut (200 µA), astfel încât Sourcemeter poate controla corect încărcarea. Consecința acestui curent inițial constant este că curba de tensiune (curba neagră) nu este liniară datorită câmpului de deplasare potențial neliniar D PST (Fig. 1C, insert superior). La sfârșitul încărcării, 30 MJ de energie electrică sunt păstrate în MLC (punctul B). Apoi, MLC se încălzește și se produce un curent negativ (și, prin urmare, un curent negativ), în timp ce tensiunea rămâne la 600 V. După 40 s, când temperatura a atins un platou de 90 ° C, acest curent a fost compensat, deși eșantionul de trepte produs în circuit o putere electrică de 35 mJ în timpul acestui izofield (al doilea inset în Fig. 1C, de sus). Tensiunea pe MLC (CD -ul ramurilor) este apoi redusă, ceea ce duce la 60 MJ suplimentar de lucrări electrice. Energia totală de producție este de 95 MJ. Energia colectată este diferența dintre energia de intrare și de ieșire, care dă 95 - 30 = 65 mJ. Aceasta corespunde unei densități energetice de 1,84 J CM-3, care este foarte aproape de ND extras din inelul de. Reproductibilitatea acestui ciclu Olson a fost testată pe scară largă (nota suplimentară 4). Prin creșterea în continuare a tensiunii și a temperaturii, am obținut 4,43 J CM-3 folosind cicluri Olsen într-un PST MLC de 0,5 mm grosime pe un interval de temperatură de 750 V (195 kV CM-1) și 175 ° C (nota suplimentară 5). Aceasta este de patru ori mai mare decât cea mai bună performanță raportată în literatura de specialitate pentru ciclurile Olson Direct și a fost obținută pe filme subțiri de Pb (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (CM. Această performanță a fost atinsă din cauza curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC (<10–7 A la 750 V și 180 ° C, a se vedea detaliile din nota suplimentară 6) - un punct crucial menționat de Smith et al.19 - în contrast cu materialele utilizate în studiile anterioare17,20. Această performanță a fost atinsă din cauza curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC (<10–7 A la 750 V și 180 ° C, a se vedea detaliile din nota suplimentară 6) - un punct crucial menționat de Smith et al.19 - în contrast cu materialele utilizate în studiile anterioare17,20. Эти характеристики ыыли достигнуты блаnțeодаря оченьихзко septembrie току àтечки ээих MLC (<10–7 а пoри 750 в 180 ° C, с. в дополнительно deja при dejaечании 6) - критический мо dejaент, уо dejaян deose с с и и др. 19 - в отличие о к материала§ и lutолззоваiserыы в р17,20. Aceste caracteristici au fost obținute datorită curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC (<10–7 A la 750 V și 180 ° C, a se vedea nota suplimentară 6 pentru detalii) - un punct critic menționat de Smith și colab. 19 - Spre deosebire de materialele utilizate în studiile anterioare 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 17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细 信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17.20。 Поскольку ток àтечкtări ээих mlc чень низкий (<10–7 п „ ключевой момент, помpr. 19! Deoarece curentul de scurgere al acestor MLC este foarte scăzut (<10–7 A la 750 V și 180 ° C, a se vedea nota suplimentară 6 pentru detalii) - un punct cheie menționat de Smith și colab. 19 - Pentru comparație, au fost obținute aceste spectacole.la materialele utilizate în studiile anterioare 17,20.
Aceleași condiții (600 V, 20–90 ° C) aplicate ciclului Stirling (nota suplimentară 7). Așa cum era de așteptat din rezultatele ciclului DE, randamentul a fost de 41,0 MJ. Una dintre cele mai marcante caracteristici ale ciclurilor Stirling este capacitatea lor de a amplifica tensiunea inițială prin efectul termoelectric. Am observat un câștig de tensiune de până la 39 (de la o tensiune inițială de 15 V la o tensiune finală de până la 590 V, vezi Fig. 7.2 suplimentar).
O altă caracteristică distinctivă a acestor MLC este aceea că sunt obiecte macroscopice suficient de mari pentru a colecta energie în gama Joule. Prin urmare, am construit o recoltă de prototip (HARV1) folosind 28 mlc PST 1 mm grosime, urmând același design paralel al plăcii descrise de Torello și colab.14, într-o matrice 7 × 4, așa cum se arată în Fig. Colectați până la 3,1 J folosind ciclul Olson descris în Fig. 2A, regiuni izotermice la 10 ° C și 125 ° C și regiuni Isofield la 0 și 750 V (195 kV CM-1). Aceasta corespunde unei densități energetice de 3,14 J CM-3. Folosind această combina, măsurătorile au fost luate în diferite condiții (Fig. 2B). Rețineți că 1,8 J a fost obținut pe un interval de temperatură de 80 ° C și o tensiune de 600 V (155 kV CM-1). Acest lucru este în acord cu 65 mJ menționat anterior pentru 1 mm grosime PST MLC în aceleași condiții (28 × 65 = 1820 MJ).
A, Configurarea experimentală a unui prototip Harv1 asamblat pe baza de 28 mlc PSTS 1 mm grosime (4 rânduri × 7 coloane) care rulează pe ciclurile Olson. Pentru fiecare dintre cele patru etape de ciclu, temperatura și tensiunea sunt prevăzute în prototip. Calculatorul conduce o pompă peristaltică care circulă un fluid dielectric între rezervoarele reci și calde, două supape și o sursă de alimentare. Calculatorul folosește, de asemenea, termocuple pentru a colecta date despre tensiunea și curentul furnizat prototipului și temperatura combinării din sursa de alimentare. B, Energy (Color) colectate de prototipul nostru de 4 × 7 MLC față de intervalul de temperatură (axa X) și tensiunea (axa y) în diferite experimente.
O versiune mai mare a recoltei (HARV2) cu 60 PST MLC 1 mm grosime și 160 PST MLC grosime de 0,5 mm (41,7 g material piroelectric activ) a dat 11,2 J (nota suplimentară 8). În 1984, Olsen a făcut o recoltă de energie bazată pe 317 g dintr-un compus Pb (ZR, Ti) O3 dopat cu staniu capabil să genereze 6,23 J de electricitate la o temperatură de aproximativ 150 ° C (Ref. 21). Pentru această combinație, aceasta este singura altă valoare disponibilă în gama Joule. A obținut puțin peste jumătate din valoarea pe care am obținut -o și de aproape șapte ori mai mare decât calitatea. Aceasta înseamnă că densitatea energetică a HARV2 este de 13 ori mai mare.
Perioada ciclului HARV1 este de 57 de secunde. Aceasta a produs 54 MW de putere cu 4 rânduri de 7 coloane de seturi MLC de 1 mm grosime. Pentru a face un pas mai departe, am construit o a treia combinație (HARV3) cu un MLC PST gros de 0,5 mm și o configurație similară cu HARV1 și HARV2 (Nota suplimentară 9). Am măsurat un timp de termalizare de 12,5 secunde. Aceasta corespunde unui timp de ciclu de 25 s (Fig. 9 suplimentar). Energia colectată (47 MJ) oferă o putere electrică de 1,95 MW pe MLC, ceea ce la rândul nostru ne permite să ne imaginăm că HARV2 produce 0,55 W (aproximativ 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm grosime). În plus, am simulat transferul de căldură folosind simularea elementelor finite (COMSOL, nota suplimentară 10 și tabelele suplimentare 2–4) corespunzătoare experimentelor HARV1. Modelarea elementelor finite a făcut posibilă prezicerea valorilor de putere aproape un ordin de mărime mai mare (430 MW) pentru același număr de coloane PST prin subțiarea MLC la 0,2 mm, folosind apa ca lichid de răcire și restabilirea matricei la 7 rânduri. × 4 coloane (pe lângă, au existat 960 MW când rezervorul era lângă combinat, Fig. 10B suplimentar).
Pentru a demonstra utilitatea acestui colector, s-a aplicat un ciclu Stirling unui demonstrator de sine stătător format din doar două MLC PST de 0,5 mm grosime ca colectoare de căldură, un întrerupător de înaltă tensiune, un comutator de joasă tensiune cu condensator de depozitare, un convertor DC/DC, un microcontroller de joasă putere, două termocuple și convertor de termocuple și conversor de joasă putere 11). Circuitul necesită ca condensatorul de depozitare să fie încărcat inițial la 9V și apoi rulează autonom, în timp ce temperatura celor două MLC variază de la -5 ° C la 85 ° C, aici în cicluri de 160 s (mai multe cicluri sunt prezentate în nota suplimentară 11). În mod remarcabil, două MLC care cântăresc doar 0,3 g pot controla autonom acest sistem mare. O altă caracteristică interesantă este aceea că convertorul de joasă tensiune este capabil să transforme 400V la 10-15V cu eficiență de 79% (Notă suplimentară 11 și Figura suplimentară 11.3).
În cele din urmă, am evaluat eficiența acestor module MLC în transformarea energiei termice în energie electrică. Factorul de calitate η de eficiență este definit ca raportul dintre densitatea energiei electrice colectate ND la densitatea căldurii furnizate (nota suplimentară 12):
Figurile 3a, b arată eficiența η și eficiența proporțională ηr a ciclului Olsen, respectiv, ca funcție a gamei de temperatură a unui MLC PST gros de 0,5 mm. Ambele seturi de date sunt date pentru un câmp electric de 195 kV CM-1. Eficiența \ (\ this \) atinge 1,43%, ceea ce este echivalent cu 18% din ηr. Cu toate acestea, pentru un interval de temperatură de 10 K de la 25 ° C la 35 ° C, ηR atinge valori până la 40% (curba albastră din Fig. 3B). Aceasta este de două ori valoarea cunoscută pentru materialele NLP înregistrate în filmele PMN-PT (ηr = 19%) în intervalul de temperatură de 10 K și 300 kV CM-1 (Ref. 18). Intervalele de temperatură sub 10 K nu au fost luate în considerare, deoarece histereza termică a PST MLC este cuprinsă între 5 și 8 K. Recunoașterea efectului pozitiv al tranzițiilor de fază asupra eficienței este esențială. De fapt, valorile optime ale η și ηR sunt aproape toate obținute la temperatura inițială Ti = 25 ° C în Fig. 3a, b. Acest lucru se datorează unei tranziții de fază strânsă atunci când nu se aplică niciun câmp, iar temperatura Curie TC este în jur de 20 ° C în aceste MLC (nota suplimentară 13).
A, B, Eficiența η și eficiența proporțională a ciclului Olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot}} pentru electric maxim de un câmp de 195 kv (b pentru MPC PST grosime de 0,5 mm, în funcție de intervalul de temperatură ΔTSPAN.
Ultima observație are două implicații importante: (1) orice ciclism eficient trebuie să înceapă la temperaturi peste TC pentru ca o tranziție de fază indusă de câmp (de la paraelectric la feroelectric) să apară; (2) Aceste materiale sunt mai eficiente la orele de rulare apropiate de TC. Deși eficiențele la scară largă sunt prezentate în experimentele noastre, intervalul de temperatură limitat nu ne permite să obținem eficiențe absolute mari din cauza limitei de carnot (\ (\ delta t/t \)). Cu toate acestea, eficiența excelentă demonstrată de aceste MLC -uri PST justifică Olsen atunci când menționează că „un motor termoelectric regenerativ de clasă 20 ideală care operează la temperaturi cuprinse între 50 ° C și 250 ° C poate avea o eficiență de 30%” 17. Pentru a ajunge la aceste valori și pentru a testa conceptul, ar fi util să se utilizeze PST -uri dopate cu diferite TC, așa cum este studiat de Shebanov și Borman. Ei au arătat că TC în PST poate varia de la 3 ° C (dopaj SB) la 33 ° C (dopaj Ti) 22. Prin urmare, ipotezăm că regeneratoarele piroelectrice de generație următoare bazate pe MLC -uri PST dopate sau alte materiale cu o tranziție puternică de fază de prim ordin poate concura cu cele mai bune recoltoare de putere.
În acest studiu, am investigat MLC -urile realizate din PST. Aceste dispozitive constau dintr -o serie de electrozi PT și PST, prin care mai multe condensatoare sunt conectate în paralel. PST a fost ales pentru că este un material EC excelent și, prin urmare, un material NLP potențial excelent. Prezintă o tranziție ascuțită de fază feroelectrică-paraelectrică de primă ordine de prim ordin de primă ordine, ceea ce indică faptul că modificările sale de entropie sunt similare cu cele prezentate în Fig. 1. MLC similare au fost descrise complet pentru dispozitivele EC13,14. În acest studiu, am utilizat 10,4 × 7,2 × 1 mm³ și 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. MLC -urile cu o grosime de 1 mm și 0,5 mm au fost făcute din 19 și 9 straturi de PST cu o grosime de 38,6 µm, respectiv. În ambele cazuri, stratul PST interior a fost plasat între electrozi de platină grosime de 2,05 µm. Proiectarea acestor MLC presupune că 55% din PST sunt active, corespunzând părții dintre electrozi (nota suplimentară 1). Zona de electrozi activi a fost de 48,7 mm2 (tabelul suplimentar 5). MLC PST a fost preparat prin reacție în fază solidă și metoda de turnare. Detaliile procesului de pregătire au fost descrise într -un articol anterior14. Una dintre diferențele dintre PST MLC și articolul precedent este ordinea site-urilor B, care afectează foarte mult performanța CE în PST. Ordinea siturilor B ale PST MLC este de 0,75 (nota suplimentară 2) obținută prin sinterizare la 1400 ° C, urmată de sute de ore de recoacere lungă la 1000 ° C. Pentru mai multe informații despre PST MLC, consultați Notele suplimentare 1-3 și Tabelul suplimentar 5.
Principalul concept al acestui studiu se bazează pe ciclul Olson (Fig. 1). Pentru un astfel de ciclu, avem nevoie de un rezervor cald și rece și o sursă de alimentare capabilă să monitorizeze și să controleze tensiunea și curentul în diferitele module MLC. Aceste cicluri directe au utilizat două configurații diferite, și anume (1) modulele Linkam încălzind și răcirea unui MLC conectat la o sursă de putere Keithley 2410 și (2) trei prototipuri (HARV1, HARV2 și HARV3) în paralel cu aceeași energie sursă. În ultimul caz, un lichid dielectric (ulei de silicon cu o vâscozitate de 5 cp la 25 ° C, achiziționat de la Sigma Aldrich) a fost utilizat pentru schimbul de căldură între cele două rezervoare (cald și rece) și MLC. Rezervorul termic este format dintr -un recipient de sticlă umplut cu lichid dielectric și plasat deasupra plăcii termice. Depozitarea la rece constă dintr -o baie de apă cu tuburi lichide care conțin lichid dielectric într -un recipient mare de plastic umplut cu apă și gheață. Două supape cu trei căi (achiziționate de la bio-chim fluidice) au fost plasate la fiecare capăt al combinației pentru a comuta în mod corespunzător lichidul de la un rezervor la altul (figura 2A). Pentru a se asigura că echilibrul termic între pachetul PST-MLC și lichid de răcire, perioada de ciclu a fost extinsă până când termocuplurile de intrare și de ieșire (cât mai aproape de pachetul PST-MLC) a arătat aceeași temperatură. Scriptul Python gestionează și sincronizează toate instrumentele (contoarele sursă, pompele, supapele și termocuplele) pentru a rula ciclul Olson corect, adică bucla de răcire începe să se deplaseze cu bicicleta prin stiva PST după ce contorul sursă este încărcat, astfel încât să se încălzească la tensiunea dorită aplicată pentru un ciclu Olson dat.
În mod alternativ, am confirmat aceste măsurători directe ale energiei colectate cu metode indirecte. Aceste metode indirecte se bazează pe deplasarea electrică (D) - bucle de câmp electrice (E) colectate la temperaturi diferite și, prin calcularea zonei dintre două bucle de DE, se poate estima cu exactitate cât de multă energie poate fi colectată, așa cum se arată în figură. În figura 2 .1b. Aceste bucle de DE sunt, de asemenea, colectate folosind contoarele de sursă Keithley.
Douăzeci și opt de MLC-uri PST grosime de 1 mm au fost asamblate într-o structură de plăci paralele cu 4 rânduri, cu 7 coloane, conform designului descris în referință. 14. Diferența fluidă dintre rândurile PST-MLC este de 0,75 mm. Acest lucru se realizează prin adăugarea benzilor de bandă cu două fețe ca distanțiere lichide în jurul marginilor PST MLC. PST MLC este conectat electric în paralel cu un pod epoxidic de argint în contact cu cablurile electrodului. După aceea, firele au fost lipite de rășină epoxidică de argint pe fiecare parte a terminalelor electrodului pentru conectarea la sursa de alimentare. În cele din urmă, introduceți întreaga structură în furtunul de poliolefină. Acesta din urmă este lipit de tubul fluid pentru a asigura etanșarea corectă. În cele din urmă, au fost încorporate termocuple de tip K grosime de 0,25 mm în fiecare capăt al structurii PST-MLC pentru a monitoriza temperaturile lichidului de intrare și ieșire. Pentru a face acest lucru, furtunul trebuie mai întâi perforat. După instalarea termocuplei, aplicați același adeziv ca înainte între furtunul termocuplei și sârmă pentru a restabili sigiliul.
Au fost construite opt prototipuri separate, dintre care patru au avut 40 de 0,5 mm PST MLC Distribuite ca plăci paralele cu 5 coloane și 8 rânduri, iar restul de patru au avut 15 mm PST MLC grosime fiecare. în structura plăcilor paralele cu 3 coloane × 5 rânduri. Numărul total de MLC PST utilizat a fost de 220 (160 0,5 mm grosime și 60 PST MLC 1 mm grosime). Numim aceste două subunități HARV2_160 și HARV2_60. Diferența lichidă din prototipul HARV2_160 este format din două benzi cu două fețe de 0,25 mm grosime cu un fir de 0,25 mm grosime între ele. Pentru prototipul HARV2_60, am repetat aceeași procedură, dar folosind sârmă groasă de 0,38 mm. Pentru simetrie, HARV2_160 și HARV2_60 au propriile lor circuite fluide, pompe, supape și latură rece (nota suplimentară 8). Două unități Harv2 împărtășesc un rezervor de căldură, un recipient de 3 litri (30 cm x 20 cm x 5 cm) pe două plăci fierbinți cu magneți rotativi. Toate cele opt prototipuri individuale sunt conectate electric în paralel. Subunitățile Harv2_160 și HARV2_60 funcționează simultan în ciclul Olson, rezultând o recoltă de energie de 11,2 J.
Puneți PST MLC PST gros de 0,5 mm în furtunul de poliolefină cu bandă cu două fețe și sârmă pe ambele părți pentru a crea spațiu pentru a curge lichidul. Datorită dimensiunilor mici, prototipul a fost plasat lângă o supapă de rezervor cald sau rece, minimizând timpii ciclului.
În PST MLC, se aplică un câmp electric constant prin aplicarea unei tensiuni constante la ramura de încălzire. Drept urmare, este generat un curent termic negativ și se păstrează energie. După încălzirea PST MLC, câmpul este îndepărtat (v = 0), iar energia stocată în acesta este returnată înapoi la contorul sursă, ceea ce corespunde încă o contribuție a energiei colectate. În cele din urmă, cu o tensiune v = 0 aplicată, PST -urile MLC sunt răcite la temperatura inițială, astfel încât ciclul să poată începe din nou. În această etapă, energia nu este colectată. Am rulat ciclul Olsen folosind un Sourcemeter Keithley 2410, încărcând PST MLC dintr -o sursă de tensiune și stabilind potrivirea curentă la valoarea corespunzătoare, astfel încât să fie colectate suficiente puncte în timpul fazei de încărcare pentru calcule energetice fiabile.
În ciclurile Stirling, MLC -urile PST au fost încărcate în modul sursă de tensiune la o valoare inițială a câmpului electric (tensiune inițială VI> 0), un curent de conformitate dorit, astfel încât etapa de încărcare să dureze în jur de 1 s (și se adună suficiente puncte pentru un calcul fiabil al energiei) și temperatura rece. În ciclurile Stirling, MLC -urile PST au fost încărcate în modul sursă de tensiune la o valoare inițială a câmpului electric (tensiune inițială VI> 0), un curent de conformitate dorit, astfel încât etapa de încărcare să dureze în jur de 1 s (și se adună suficiente puncte pentru un calcul fiabil al energiei) și temperatura rece. В циклах стирл exact pst mlc заряжались ржения при начальа наsterжения при начальнко deja значениии элек dumneavoastră (начальное наsterжжение vi> 0), желаемо deja податли dvs.м токе, так что ээаACT зарядки занимает ооло traye 1 количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температprezeра. În ciclurile Stirling PST MLC, acestea au fost încărcate în modul sursă de tensiune la valoarea inițială a câmpului electric (tensiunea inițială VI> 0), curentul de randament dorit, astfel încât etapa de încărcare durează aproximativ 1 s (și un număr suficient de puncte sunt colectate pentru un calcul energetic de încredere) și temperatura rece.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。 În ciclul principal, PST MLC este încărcat la valoarea inițială a câmpului electric (tensiunea inițială VI> 0) în modul sursă de tensiune, astfel încât curentul de conformitate necesar durează aproximativ 1 secundă pentru etapa de încărcare (și am colectat suficiente puncte pentru a calcula în mod fiabil (energie) și temperatură scăzută. В цикле стирлинză pst mlc заряжается ррения и начальника наsterжения с, налальéыкз значен vedere ( наsterжжение vi> 0), треsea uter ток податливости таков, ччо этап зарярярXякз зани§мает эколо 1 с (и набирает îndeeng количество точек, ччобы надежно расчитать энергию) и низкие темератprezeры. În ciclul Stirling, PST MLC este încărcat în modul sursă de tensiune cu o valoare inițială a câmpului electric (tensiunea inițială VI> 0), curentul de conformitate necesar este astfel încât etapa de încărcare durează aproximativ 1 s (și un număr suficient de puncte sunt colectate pentru a calcula în mod fiabil energia) și temperaturi scăzute.Înainte ca PST MLC să se încălzească, deschideți circuitul aplicând un curent de potrivire de i = 0 mA (curentul minim de potrivire pe care sursa noastră de măsurare îl poate gestiona este de 10 na). Drept urmare, o încărcare rămâne în PST -ul MJK, iar tensiunea crește pe măsură ce eșantionul se încălzește. Nu este colectată energie în ARM BC, deoarece i = 0 Ma. După ce a atins o temperatură ridicată, tensiunea în MLT FT crește (în unele cazuri de mai mult de 30 de ori, a se vedea Fig. 7.2 suplimentar), MLK FT este descărcat (v = 0), iar energia electrică este stocată în ele pentru același lucru ca și sarcina inițială. Aceeași corespondență curentă este returnată la sursa de contor. Datorită câștigului de tensiune, energia stocată la temperaturi ridicate este mai mare decât ceea ce a fost furnizat la începutul ciclului. În consecință, energia este obținută prin transformarea căldurii în electricitate.
Am folosit un Sourcemeter Keithley 2410 pentru a monitoriza tensiunea și curentul aplicat PST MLC. Energia corespunzătoare este calculată prin integrarea produsului tensiunii și a curentului citit de contorul sursă al lui Keithley, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {măs))} \ left (t \ dreapta) {v} _ {{\ rm {măsura}}}} (t) \), unde {\ rm {Meas}}}} (t) \), {\ rm {Meas}}}} (t) \), {\ rm {Meas}}}} (t) \), {\ rm {Meas}}}} (t) \), {\ rm {Meas}}} ( perioadă Pe curba noastră energetică, valorile energetice pozitive înseamnă energia pe care trebuie să o acordăm MLC PST, iar valorile negative înseamnă energia pe care o extragem din ele și, prin urmare, energia primită. Puterea relativă pentru un ciclu de colectare dat este determinată prin împărțirea energiei colectate la perioada τ a întregului ciclu.
Toate datele sunt prezentate în textul principal sau în informații suplimentare. Scrisorile și cererile de materiale ar trebui să fie direcționate către sursa datelor AT sau ED furnizate cu acest articol.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC O revizuire a dezvoltării și a aplicațiilor microgeratoarelor termoelectrice pentru recoltarea de energie. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC O revizuire a dezvoltării și a aplicațiilor microgeratoarelor termoelectrice pentru recoltarea de energie.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo și Henao, NC Prezentare generală a dezvoltării și aplicării microgeratoarelor termoelectrice pentru recoltarea de energie. 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 și Henao, NC au în vedere dezvoltarea și aplicarea microgeratoarelor termoelectrice pentru recoltarea de energie.relua. sprijin. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, CE, Ehrler, B. și Sinke, WC Materiale fotovoltaice: eficiențe prezente și provocări viitoare. Polman, A., Knight, M., Garnett, CE, Ehrler, B. și Sinke, WC Materiale fotovoltaice: eficiențe prezente și provocări viitoare.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. și Sinke, VK Materiale fotovoltaice: performanță actuală și provocări viitoare. 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, CE, Ehrler, B. și Sinke, WC Materials solar: eficiență actuală și provocări viitoare.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. și Sinke, VK Materiale fotovoltaice: performanță actuală și provocări viitoare.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Efect piro-pizoelectric conjugat pentru temperatura simultană și simterea presiunii auto-alimentate. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Efect piro-pizoelectric conjunctiv pentru temperatura simultană și simterea presiunii auto-alimentate.Song K., Zhao R., Wang Zl și Yan Yu. Efect piropiezoelectric combinat pentru măsurarea simultană autonomă a temperaturii și presiunii. 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. Pentru auto-putere, în același timp cu temperatura și presiunea.Song K., Zhao R., Wang Zl și Yan Yu. Efect termopiezoelectric combinat pentru măsurarea simultană autonomă a temperaturii și presiunii.Redirecţiona. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. și Guyomar, D. Recoltarea energiei bazate pe cicluri piroelectrice Ericsson într -o ceramică feroelectrică relaxantă. Sebald, G., Pruvost, S. și Guyomar, D. Recoltarea energiei bazate pe cicluri piroelectrice Ericsson într -o ceramică feroelectrică relaxantă.Sebald G., Prouvost S. și Guyomar D. Recoltarea energiei pe baza ciclurilor Pyroelectric Ericsson în ceramică feroelectrică relaxantă.Sebald G., Prouvost S. și Guyomar D. Recoltarea energiei în ceramica feroelectrică relaxantă bazată pe ciclismul piroelectric Ericsson. Smart Alma Mater. structura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de generație următoare pentru interconversia energetică electrotermică în stare solidă. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de generație următoare pentru interconversia energetică electrotermică în stare solidă. Alpay, Sp, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw электрокалорические и пи 3 заиuter преобразования тердотельной электротеряческой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocalorloric and Piroelectric Materials pentru interconversie energetică electrotermică în stare solidă. 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 электрокалорические и пи 3 заиuter преобразования тердотельной электротеряческой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocalorloric and Piroelectric Materials pentru interconversie energetică electrotermică în stare solidă.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard și cifră de mângâiere pentru cuantificarea performanței nanogeratoarelor piroelectrice. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard și cifră de mângâiere pentru cuantificarea performanței nanogeratoarelor piroelectrice.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl și Yang, Yu. Un scor standard și de calitate pentru cuantificarea performanței nanogeratoarelor piroelectrice. 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 și Yang, Yu. Criterii și măsuri de performanță pentru cuantificarea performanței unui nanogenator piroelectric.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Cicluri de răcire electrocalorică în tentatul de scandium cu plumb cu regenerare adevărată prin variația câmpului. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Cicluri de răcire electrocalorică în tentatul de scandium cu plumb cu regenerare adevărată prin variația câmpului.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Cicluri de răcire electrocalorice în tentalatul cu scandium plumb cu regenerare adevărată cu ajutorul modificării câmpului. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și 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。 通过场变化实现真正的再生。 通过场变化实现真正的再生。 通过场变化实现真正的再生。 通过场变化实现真正的再生。 通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND. Tantalum 酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Un ciclu de răcire electrotermică a tentației de plumb de scandium pentru regenerarea adevărată prin inversarea câmpului.Fizică Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază ferroică. Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază ferroică.Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază Ferroid. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale termice lângă metalurgia feroasă.Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale termice în apropierea tranzițiilor în faza de fier.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. și Mathur, materiale calorice pentru răcire și încălzire. Moya, X. și Mathur, materiale calorice pentru răcire și încălzire.Moya, X. și Mathur, ND Materiale termice pentru răcire și încălzire. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. și Mathur, ND Materiale termice pentru răcire și încălzire.Moya X. și Mathur și Materiale termice pentru răcire și încălzire.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. și Defay, E. Coolers Electrochoric: A Review. Torelló, A. și Defay, E. Coolers Electrochoric: A Review.TORELLO, A. și DEFAY, E. Electrocaloric Chillers: A Review. Torelló, A. și Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 Torelló, A. și Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。Torello, A. și Defay, E. Coolers electrotermale: o recenzie.Avansat. electronic. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. și colab. Eficiența energetică enormă a materialului electrocaloric în liderul scandiumului scandium. Comunicarea națională. 12, 3298 (2021).
Nair, B. și colab. Efectul electrotermic al condensatoarelor cu mai multe straturi de oxid este mare pe o gamă largă de temperatură. Natura 575, 468–472 (2019).
Torello, A. și colab. Intervalul imens de temperatură în regeneratorii electrotermali. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. și colab. Sistem de răcire electrotermică în stare solidă de înaltă performanță. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. și colab. Dispozitiv de răcire electrotermal în cascadă pentru o creștere mare a temperaturii. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB și Brown, DD Conversia directă cu eficiență ridicată a căldurii în măsurători piroelectrice legate de energie electrică. Olsen, RB și Brown, DD Conversia directă de înaltă eficiență a căldurii în măsurători piroelectrice legate de energie electrică.Olsen, RB și maro, DD conversie directă extrem de eficientă a căldurii în energie electrică asociată cu măsurători piroelectrice. 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 și maro, DD conversie directă eficientă a căldurii în electricitate asociată cu măsurători piroelectrice.Ferroelectrice 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. și colab. Energie și densitate a puterii în filmele feroelectrice de relaxare subțire. Alma Mater National. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM conversie piroelectrică în cascadă: optimizarea tranziției de fază feroelectrică și a pierderilor electrice. Smith, An & Hanrahan, BM conversie piroelectrică în cascadă: optimizarea tranziției de fază feroelectrică și a pierderilor electrice.Smith, AN și Hanrahan, BM Conversia piroelectrică în cascadă: tranziția de fază feroelectrică și optimizarea pierderilor electrice. 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 și Hanrahan, BM Conversia piroelectrică în cascadă: optimizarea tranzițiilor de fază feroelectrică și a pierderilor electrice.J. Aplicație. fizică. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Utilizarea materialelor feroelectrice pentru a transforma energia termică în electricitate. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM și Dullea, J. Convertor de energie piroelectrică în cascadă. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM și Dullea, J. Convertor de energie piroelectrică în cascadă.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM și Dullea, J. Cascade Convertor de energie piroelectrică. 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 și Dullea, J. Cascaded convertoare de energie piroelectrică.Ferroelectrice 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. și Borman, K. Pe soluții solide cu tantalat cu scandium cu un efect electrocaloric ridicat. Shebanov, L. și Borman, K. Pe soluții solide cu tantalat cu scandium cu un efect electrocaloric ridicat.Shebanov L. și Borman K. cu privire la soluții solide de tantalat cu scandium plumb cu un efect electrocaloric ridicat. Shebanov, L. și Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. și Borman, K.Shebanov L. și Borman K. pe soluții solide cu scandium-plumb-scandium cu un efect electrocaloric ridicat.Ferroelectrice 127, 143–148 (1992).
Mulțumim lui N. Furusawa, Y. Inoue și K. Honda pentru ajutorul acordat în crearea MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB and ED Thanks to the Luxembourg National Research Foundation (FNR) for supporting this work through CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay and Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY.
Departamentul de Cercetare și Tehnologie a Materialelor, Institutul de Tehnologie din Luxemburg (LIST), Belvoir, Luxemburg