Oferirea de surse durabile de energie electrică este una dintre cele mai importante provocări ale acestui secol. Domeniile de cercetare în materiale de recoltare a energiei provin din această motivație, inclusiv termoelectric1, fotovoltaic2 și termofotovoltaic3. Deși ne lipsesc materiale și dispozitive capabile să colecteze energie în intervalul Joule, materialele piroelectrice care pot transforma energia electrică în schimbări periodice de temperatură sunt considerate senzori4 și colectoare de energie5,6,7. Aici am dezvoltat un colector macroscopic de energie termică sub forma unui condensator multistrat format din 42 de grame de tantalat de plumb scandiu, producând 11,2 J de energie electrică pe ciclu termodinamic. Fiecare modul piroelectric poate genera o densitate de energie electrică de până la 4,43 J cm-3 pe ciclu. De asemenea, arătăm că două astfel de module cu o greutate de 0,3 g sunt suficiente pentru a alimenta continuu recoltatoarele 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 o eficiență Carnot de 40%. Aceste proprietăți se datorează (1) schimbării de fază feroelectrică pentru o eficiență ridicată, (2) curentului de scurgere scăzut pentru a preveni pierderile și (3) tensiunii mari de avarie. Aceste recoltatoare de energie piroelectrică macroscopice, scalabile și eficiente reimaginează generarea de energie termoelectrică.
În comparație cu gradientul spațial de temperatură necesar pentru materialele termoelectrice, recoltarea de energie a materialelor termoelectrice necesită ciclul de temperatură în timp. Aceasta înseamnă un ciclu termodinamic, care este cel mai bine descris de diagrama entropie (S)-temperatura (T). Figura 1a prezintă un grafic ST tipic al unui material piroelectric neliniar (NLP) care demonstrează o tranziție de fază feroelectric-paraelectrică condusă de câmp în tantalat de plumb de scandiu (PST). Secțiunile albastre și verzi ale ciclului de pe diagrama ST corespund energiei electrice convertite în ciclul Olson (două secțiuni izoterme și două izopol). Aici luăm în considerare două cicluri cu aceeași modificare a câmpului electric (câmp pornit și oprit) și modificarea temperaturii ΔT, deși cu temperaturi inițiale diferite. Ciclul verde nu este situat în regiunea de tranziție de fază și astfel are o zonă mult mai mică decât ciclul albastru situat în regiunea de tranziție de fază. În diagrama ST, cu cât aria este mai mare, cu atât energia colectată este mai mare. Prin urmare, tranziția de fază trebuie să colecteze mai multă energie. Nevoia de ciclizare pe suprafețe mari în NLP este foarte asemănătoare cu nevoia de aplicații electrotermale9, 10, 11, 12 în care condensatoarele multistrat (MLC) PST și terpolimerii pe bază de PVDF au demonstrat recent o performanță inversă excelentă. starea performanței de răcire în ciclul 13,14,15,16. Prin urmare, am identificat MLC-uri PST de interes pentru recoltarea energiei termice. Aceste probe au fost descrise complet în metode și caracterizate în notele suplimentare 1 (microscopie electronică cu scanare), 2 (difracție de raze X) și 3 (calorimetrie).
a, Schiță a unui diagramă de entropie (S)-temperatura (T) cu câmp electric pornit și oprit aplicat materialelor NLP care arată tranzițiile de fază. Două cicluri de colectare a energiei sunt afișate în două zone de temperatură diferite. Ciclurile albastru și verde apar în interiorul și, respectiv, în afara tranziției de fază 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 stări din ciclul Olson. AB: MLC-urile au fost încărcate la 155 kV cm-1 la 20°C. BC: MLC a fost menținută la 155 kV cm-1 și temperatura a fost ridicată la 90 °C. CD: MLC se descarcă la 90°C. DA: MLC răcit la 20°C în câmp zero. Zona albastră corespunde puterii de intrare necesare pentru a începe ciclul. Zona portocalie este energia colectată într-un ciclu. c, panoul superior, tensiune (negru) și curent (roșu) în funcție de timp, urmărite în timpul aceluiași ciclu Olson ca și b. Cele două inserții reprezintă amplificarea tensiunii și a curentului în punctele cheie ale ciclului. În panoul inferior, curbele galbene și verde reprezintă curbele de temperatură și, respectiv, de energie corespunzătoare pentru un MLC de 1 mm grosime. Energia este calculată din curbele de curent și tensiune de pe panoul superior. Energia negativă corespunde energiei colectate. Pașii corespunzători majusculelor 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 electric de deplasare. 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 lucrarea sa de pionierat privind colectarea energiei piroelectrice în anii 198017.
Pe fig. 1b prezintă două bucle DE monopolare de specimene PST-MLC cu grosimea de 1 mm asamblate la 20 °C și, respectiv, 90 °C, într-un interval de la 0 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 izocâmp (aici, câmp zero în ramura DA și 155 kV cm-1 în ramura BC) și două ramuri izoterme (aici, 20°С și 20°С în ramura AB) . C în ramura CD) Energia colectată în timpul ciclului corespunde regiunilor portocalii și albastre (integrala EdD). Energia colectată Nd este diferența dintre energia de intrare și cea de ieșire, adică doar zona portocalie din fig. 1b. Acest ciclu Olson specific oferă o densitate de energie Nd de 1,78 J cm-3. Ciclul Stirling este o alternativă la ciclul Olson (Nota suplimentară 7). Deoarece treapta de încărcare constantă (circuit deschis) este mai ușor de atins, densitatea de energie extrasă din Fig. 1b (ciclul AB'CD) ajunge la 1,25 J cm-3. Acesta este doar 70% din ceea ce poate colecta ciclul Olson, dar un simplu echipament de recoltare o face.
În plus, am măsurat direct energia colectată în timpul ciclului Olson, alimentând PST MLC folosind o etapă de control al temperaturii Linkam și un contor sursă (metodă). Figura 1c din partea de sus și în inserturile respective arată curentul (roșu) și tensiunea (negru) colectate pe același PST MLC de 1 mm grosime ca și pentru bucla DE care trece prin același ciclu Olson. Curentul și tensiunea fac posibilă calcularea energiei colectate, iar curbele sunt prezentate în fig. 1c, fund (verde) și temperatura (galben) pe tot parcursul ciclului. Literele ABCD reprezintă același ciclu Olson din Fig. 1. Încărcarea MLC are loc în timpul etapei AB și este efectuată 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 din cauza câmpului de deplasare potențial neliniar D PST (Fig. 1c, partea de sus). La sfârșitul încărcării, 30 mJ de energie electrică este stocată în MLC (punctul B). MLC-ul se încălzește apoi și se produce un curent negativ (și deci 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 treaptă a produs în circuit o putere electrică de 35 mJ în timpul acestui izocâmp (a doua inserție în Fig. 1c, sus). Tensiunea de pe MLC (ramură CD) este apoi redusă, rezultând în plus 60 mJ de lucru electric. Energia totală de ieșire este de 95 mJ. Energia colectată este diferența dintre energia de intrare și cea de ieșire, care dă 95 – 30 = 65 mJ. Aceasta corespunde unei densități de energie de 1,84 J cm-3, care este foarte apropiată de Nd extras din inelul DE. Reproductibilitatea acestui ciclu Olson a fost testată pe larg (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 gros de 0,5 mm 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 literatură pentru ciclurile Olson directe și a fost obținută pe filme subțiri de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Suplimentar). Tabelul 1 pentru mai multe valori în literatură). Această performanță a fost atinsă datorită curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC-uri (<10−7 A la 750 V și 180 °C, a se vedea detaliile în Nota suplimentară 6) - un punct crucial menționat de Smith și colab.19 - în contrast la materialele folosite în studiile anterioare17,20. Această performanță a fost atinsă datorită curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC-uri (<10−7 A la 750 V și 180 °C, a se vedea detaliile în Nota suplimentară 6) - un punct crucial menționat de Smith și colab.19 - în contrast la materialele folosite în studiile anterioare17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 В А70 пи Этизкому току). одробности в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Aceste caracteristici au fost atinse datorită curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC-uri (<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 anterioare17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说昸低（在玆中玆中昻6）渭昻等人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 见 补充 说翘歅 说昻）））） — 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 相比之下比之比之下下 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 相比之下下 相比之下之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下下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 и 180 °C, см. подробнтости подробности подробности подробности в ии 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Deoarece curentul de scurgere al acestor MLC-uri 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 – spre comparație, aceste performanțe au fost realizate.la materialele utilizate în studiile anterioare 17,20.
Aceleași condiții (600 V, 20–90 ° C) aplicate ciclului Stirling (Notă suplimentară 7). După cum era de așteptat din rezultatele ciclului DE, randamentul a fost de 41,0 mJ. Una dintre cele mai izbitoare 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 de final de până la 590 V, vezi Fig. 7.2 suplimentară).
O altă caracteristică distinctivă a acestor MLC-uri este că sunt obiecte macroscopice suficient de mari pentru a colecta energie în intervalul joule. Prin urmare, am construit un prototip de mașină de recoltat (HARV1) folosind 28 MLC PST de 1 mm grosime, urmând același design de plăci paralele descris de Torello și colab.14, într-o matrice 7×4 așa cum se arată în Fig. Fluidul dielectric transportator de căldură din colectorul este deplasat de o pompă peristaltică între două rezervoare unde temperatura fluidului este menținută constantă (metodă). Colectați până la 3,1 J utilizând ciclul Olson descris în fig. 2a, regiuni izoterme la 10°C și 125°C și regiuni izoterme la 0 și 750 V (195 kV cm-1). Aceasta corespunde unei densități de energie de 3,14 J cm-3. Folosind această combină, măsurătorile au fost efectuate în diferite condiții (Fig. 2b). Rețineți că 1,8 J a fost obținut într-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 PST MLC de 1 mm grosime în aceleași condiții (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configurare experimentală a unui prototip HARV1 asamblat bazat pe 28 PST-uri MLC de 1 mm grosime (4 rânduri × 7 coloane) care rulează pe cicluri Olson. Pentru fiecare dintre cele patru etape ale ciclului, temperatura și tensiunea sunt furnizate în prototip. Calculatorul antrenează o pompă peristaltică care circulă un fluid dielectric între rezervoarele rece și fierbinte, două supape și o sursă de energie. De asemenea, computerul folosește termocupluri pentru a colecta date despre tensiunea și curentul furnizate prototipului și temperatura combinei de la sursa de alimentare. b, Energie (culoare) colectată de prototipul nostru 4×7 MLC față de intervalul de temperatură (axa X) și tensiune (axa Y) în diferite experimente.
O versiune mai mare a mașinii de recoltat (HARV2) cu 60 PST MLC 1 mm grosime și 160 PST MLC 0,5 mm grosime (41,7 g material piroelectric activ) a dat 11,2 J (Nota suplimentară 8). În 1984, Olsen a realizat un colector de energie bazat pe 317 g de compus Pb(Zr,Ti)O3 dopat cu staniu capabil să genereze 6,23 J de energie electrică la o temperatură de aproximativ 150 °C (ref. 21). Pentru această combină, aceasta este singura altă valoare disponibilă în intervalul joule. A primit puțin peste jumătate din valoarea pe care am obținut-o și de aproape șapte ori mai mult decât calitatea. Aceasta înseamnă că densitatea de energie 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 combină (HARV3) cu un PST MLC de 0,5 mm grosime și o configurație similară cu HARV1 și HARV2 (Notă suplimentară 9). Am măsurat un timp de termalizare de 12,5 secunde. Aceasta corespunde unui timp de ciclu de 25 s (Fig. 9 suplimentară). Energia colectată (47 mJ) oferă o putere electrică de 1,95 mW per MLC, ceea ce la rândul său 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 cu elemente finite (COMSOL, nota suplimentară 10 și tabelele suplimentare 2-4) corespunzătoare experimentelor HARV1. Modelarea cu elemente finite a făcut posibilă prezicerea valorilor puterii cu aproape un ordin de mărime mai mari (430 mW) pentru același număr de coloane PST prin subțierea MLC la 0,2 mm, folosind apă ca agent de răcire și restabilirea matricei la 7 rânduri. . × 4 coloane (în plus față de , erau 960 mW când rezervorul era lângă combină, Fig. 10b suplimentară).
Pentru a demonstra utilitatea acestui colector, s-a aplicat un ciclu Stirling unui demonstrator autonom constând din doar două PST MLC-uri cu grosimea de 0,5 mm ca colectoare de căldură, un comutator de înaltă tensiune, un comutator de joasă tensiune cu condensator de stocare, un convertor DC/DC. , un microcontroler de putere redusă, două termocupluri și un convertor de amplificare (Nota suplimentară 11). Circuitul necesită ca condensatorul de stocare să fie încărcat inițial la 9V și apoi să funcționeze 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-uri care cântăresc doar 0,3 g pot controla în mod autonom acest sistem mare. O altă caracteristică interesantă este că convertorul de joasă tensiune este capabil să convertească 400V la 10-15V cu o eficiență de 79% (Nota suplimentară 11 și Figura suplimentară 11.3).
În cele din urmă, am evaluat eficiența acestor module MLC în conversia energiei termice în energie electrică. Factorul de calitate η de eficiență este definit ca raportul dintre densitatea energiei electrice colectate Nd și densitatea căldurii furnizate Qin (Notă suplimentară 12):
Figurile 3a,b arată eficiența η și, respectiv, eficiența proporțională ηr a ciclului Olsen, în funcție de intervalul de temperatură al unui PST MLC de 0,5 mm grosime. Ambele seturi de date sunt date pentru un câmp electric de 195 kV cm-1. Eficiența \(\this\) ajunge la 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 de 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 domeniul 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 histerezisul termic al PST MLC este între 5 și 8 K. Recunoașterea efectului pozitiv al tranzițiilor de fază asupra eficienței este critică. De fapt, valorile optime ale lui η și ηr sunt aproape toate obținute la temperatura inițială Ti = 25°C în Fig. 3a,b. Acest lucru se datorează unei tranziții strânse de fază atunci când nu se aplică niciun câmp și temperatura Curie TC este de aproximativ 20 ° C în aceste MLC-uri (Nota suplimentară 13).
a,b, eficiența η și eficiența proporțională a ciclului Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } pentru maximul electric printr-un câmp de 195 kV cm-1 și diferite temperaturi inițiale Ti, }}\,\)(b) pentru MPC PST 0,5 mm grosime, în funcție de intervalul de temperatură ΔTspan.
Ultima observație are două implicații importante: (1) orice ciclu efectiv trebuie să înceapă la temperaturi peste TC pentru ca o tranziție de fază indusă de câmp (de la paraelectric la feroelectric) să aibă loc; (2) aceste materiale sunt mai eficiente la timpi de rulare apropiati de TC. Deși eficiențe pe scară largă sunt arătate în experimentele noastre, intervalul limitat de temperatură nu ne permite să obținem eficiențe absolute mari datorită limitei Carnot (\(\Delta T/T\)). Cu toate acestea, eficiența excelentă demonstrată de aceste MLC-uri PST îl justifică pe Olsen când menționează că „un motor termoelectric regenerativ de clasa 20 ideal care funcționează la temperaturi cuprinse între 50 °C și 250 °C poate avea o eficiență de 30%”17. Pentru a atinge aceste valori și a testa conceptul, ar fi util să folosiți PST-uri dopate cu diferite TC, așa cum au fost studiate 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, emitem ipoteza că regeneratoarele piroelectrice de următoarea generație bazate pe MLC-uri PST dopate sau alte materiale cu o tranziție puternică de fază de ordinul întâi pot concura cu cele mai bune recolte de energie.
În acest studiu, am investigat MLC-urile realizate din PST. Aceste dispozitive constau dintr-o serie de electrozi Pt și PST, prin care mai mulți condensatori sunt conectați în paralel. PST a fost ales deoarece este un material EC excelent și, prin urmare, un material NLP potențial excelent. Prezintă o tranziție bruscă de fază feroelectric-paraelectrică de ordinul întâi în jurul valorii de 20 °C, indicând faptul că modificările entropiei sale sunt similare cu cele prezentate în Fig. 1. MLC-uri similare au fost complet descrise pentru dispozitivele EC13,14. În acest studiu, am folosit MLC-uri de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ și 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC-urile cu o grosime de 1 mm și 0,5 mm au fost realizate din 19 și, respectiv, 9 straturi de PST cu o grosime de 38,6 µm. În ambele cazuri, stratul interior PST a fost plasat între electrozi de platină cu grosimea de 2,05 µm. Designul acestor MLC-uri presupune că 55% dintre PST-uri sunt active, corespunzătoare părții dintre electrozi (Nota suplimentară 1). Suprafața electrodului activ a fost de 48,7 mm2 (Tabelul suplimentar 5). MLC PST a fost preparat prin reacția 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 anterior este ordinea site-urilor B, care afectează foarte mult performanța EC în PST. Ordinea siturilor B ale PST MLC este de 0,75 (Nota suplimentară 2) obținută prin sinterizare la 1400 ° C, urmată de o recoacere de sute de ore la 1000 ° C. Pentru mai multe informații despre PST MLC, consultați Notele suplimentare 1-3 și Tabelul suplimentar 5.
Conceptul principal al acestui studiu se bazează pe ciclul Olson (Fig. 1). Pentru un astfel de ciclu, avem nevoie de un rezervor cald și rece și de o sursă de alimentare capabilă să monitorizeze și să controleze tensiunea și curentul din diferitele module MLC. Aceste cicluri directe au folosit două configurații diferite, și anume (1) module Linkam pentru încălzirea și răcirea unui MLC conectat la o sursă de alimentare Keithley 2410 și (2) trei prototipuri (HARV1, HARV2 și HARV3) în paralel cu aceeași sursă de energie. În ultimul caz, un fluid 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 constă dintr-un recipient de sticlă umplut cu fluid dielectric și plasat deasupra plăcii termice. Depozitarea la rece constă într-o baie de apă cu tuburi lichide care conțin fluid dielectric într-un recipient mare de plastic umplut cu apă și gheață. Două supape de prindere cu trei căi (achiziționate de la Bio-Chem Fluidics) au fost plasate la fiecare capăt al combinei pentru a comuta corect fluidul de la un rezervor la altul (Figura 2a). Pentru a asigura echilibrul termic între pachetul PST-MLC și lichidul de răcire, perioada ciclului a fost prelungită până când termocuplurile de intrare și ieșire (cât mai aproape de pachetul PST-MLC) au prezentat aceeași temperatură. Scriptul Python gestionează și sincronizează toate instrumentele (contoare sursă, pompe, supape și termocupluri) pentru a rula ciclul Olson corect, adică bucla de lichid de răcire începe să circule prin stiva PST după ce contorul sursă este încărcat, astfel încât acestea să se încălzească la valoarea dorită. tensiune aplicată pentru ciclul Olson dat.
Alternativ, am confirmat aceste măsurători directe ale energiei colectate cu metode indirecte. Aceste metode indirecte se bazează pe deplasarea electrică (D) – bucle de câmp electric (E) colectate la temperaturi diferite, iar prin calcularea ariei dintre două bucle DE, se poate estima cu precizie câtă energie poate fi colectată, așa cum se arată în figură. . în figura 2. .1b. Aceste bucle DE sunt, de asemenea, colectate folosind contoarele Keithley.
Douăzeci și opt de MLC-uri PST cu grosimea de 1 mm au fost asamblate într-o structură de plăci paralele cu 4 rânduri și 7 coloane, conform designului descris în referință. 14. Distanța de fluid între rândurile PST-MLC este de 0,75 mm. Acest lucru se realizează prin adăugarea de benzi de bandă cu două fețe ca distanțiere lichide în jurul marginilor PST MLC. PST MLC este conectat electric în paralel cu o punte epoxidice argintie în contact cu cablurile electrodului. După aceea, firele au fost lipite cu rășină epoxidice argintie de fiecare parte a bornelor 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 de fluid pentru a asigura o etanșare adecvată. În cele din urmă, termocupluri de tip K cu grosimea de 0,25 mm au fost construite 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 termocuplului, aplicați același adeziv ca înainte între furtunul termocuplului și sârmă pentru a restabili etanșarea.
Au fost construite opt prototipuri separate, dintre care patru aveau PST-uri MLC de 40 de 0,5 mm grosime distribuite ca plăci paralele cu 5 coloane și 8 rânduri, iar celelalte patru aveau PST-uri MLC de 15 1 mm grosime fiecare. în structură de plăci paralele cu 3 coloane × 5 rânduri. Numărul total de PST MLC utilizate a fost de 220 (160 0,5 mm grosime și 60 PST MLC 1 mm grosime). Aceste două subunități le numim HARV2_160 și HARV2_60. Spațiul de lichid 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 de 0,38 mm grosime. Pentru simetrie, HARV2_160 și HARV2_60 au propriile circuite de fluid, pompe, supape și partea rece (Nota suplimentară 8). Două unități HARV2 împart un rezervor de căldură, un recipient de 3 litri (30 cm x 20 cm x 5 cm) pe două plăci încălzite 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 recoltare de energie de 11,2 J.
Puneți PST MLC cu grosimea de 0,5 mm în furtunul de poliolefină cu bandă dublă și sârmă pe ambele părți pentru a crea spațiu pentru curgerea lichidului. Datorită dimensiunilor sale mici, prototipul a fost plasat lângă o supapă de rezervor caldă sau rece, minimizând timpii de ciclu.
În PST MLC, un câmp electric constant este aplicat prin aplicarea unei tensiuni constante la ramura de încălzire. Ca rezultat, se generează un curent termic negativ și se înmagazinează energia. După încălzirea PST MLC, câmpul este îndepărtat (V = 0), iar energia stocată în acesta este returnată înapoi la contorul sursei, ceea ce corespunde cu încă o contribuție a energiei colectate. În cele din urmă, cu o tensiune V = 0 aplicată, PST-urile MLC sunt răcite la temperatura lor inițială, astfel încât ciclul să poată începe din nou. În această etapă, energia nu este colectată. Am rulat ciclul Olsen folosind un Keithley 2410 SourceMeter, încărcând PST MLC de la o sursă de tensiune și setând potrivirea curentului la valoarea corespunzătoare, astfel încât să se strângă suficiente puncte în timpul fazei de încărcare pentru calcule fiabile de energie.
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 aproximativ 1 s (și sunt adunate suficiente puncte pentru un calcul fiabil al energia) 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 aproximativ 1 s (și sunt adunate suficiente puncte pentru un calcul fiabil al energia) și temperatura rece. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном заряжались зальника (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает окол ное количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура. 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 curgere dorit, astfel încât etapa de încărcare durează aproximativ 1 s (și un număr suficient). de puncte sunt colectate pentru un calcul fiabil al energiei) 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）压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）压源模式枵鼉初始电场值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 (tensiune 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 calcula fiabil (energie) și temperatură scăzută. В цикле стирл exact pst mlc заряжается ррения с, сааsterжчапениениение с налалчальча ение vi> 0), требуея ток податливости таков, что этааware заряряди зан vedere обы надежно расчитать энергию) и низкие те§ . 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 de potrivire minim pe care îl poate gestiona sursa noastră de măsurare este de 10 nA). Ca rezultat, o sarcină rămâne în PST-ul MJK, iar tensiunea crește pe măsură ce proba se încălzește. Nu se colectează energie în brațul BC deoarece I = 0 mA. După atingerea unei temperaturi ridicate, tensiunea în MLT FT crește (în unele cazuri de peste 30 de ori, vezi fig. 7.2 suplimentară), MLK FT este descărcată (V = 0), iar energia electrică este stocată în ele pentru același timp. deoarece acestea sunt taxa inițială. Aceeași corespondență de curent este returnată la sursa contorului. Datorită câștigului de tensiune, energia stocată la temperatură ridicată este mai mare decât cea furnizată la începutul ciclului. În consecință, energia se obține prin transformarea căldurii în electricitate.
Am folosit un Keithley 2410 SourceMeter pentru a monitoriza tensiunea și curentul aplicate la PST MLC. Energia corespunzătoare este calculată prin integrarea produsului dintre tensiune și curent citit de sursa contorului lui Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ stânga(t\ dreapta){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), unde τ este perioada perioadei. Pe curba noastră energetică, valorile pozitive ale energiei înseamnă energia pe care trebuie să o oferim MLC PST, iar valorile negative înseamnă energia pe care o extragem din ele și, prin urmare, energia primită. Puterea relativă pentru un anumit ciclu de colectare 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 îndreptate către sursa datelor AT sau ED furnizate cu acest articol.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC O revizuire a dezvoltării și aplicațiilor microgeneratoarelor termoelectrice pentru recoltarea energiei. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC O revizuire a dezvoltării și aplicațiilor microgeneratoarelor termoelectrice pentru recoltarea energiei.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO și Henao, NC Prezentare generală a dezvoltării și aplicării microgeneratoarelor termoelectrice pentru recoltarea energiei. 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 și Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO și Henao, NC au în vedere dezvoltarea și aplicarea de microgeneratoare termoelectrice pentru colectarea energiei.relua. sprijin. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiale fotovoltaice: eficiențe prezente și provocări viitoare. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & 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. și 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 Materiale solare: 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-piezoelectric conjugat pentru detectarea simultană a temperaturii și presiunii auto-alimentate. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efect piro-piezoelectric conjunctiv pentru detectarea simultană a temperaturii și presiunii auto-alimentate.Song K., Zhao R., Wang ZL și Yan Yu. Efect piropiezoelectric combinat pentru măsurarea autonomă simultană 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 autoalimentare în același timp cu temperatura și presiunea.Song K., Zhao R., Wang ZL și Yan Yu. Efect termopiezoelectric combinat pentru măsurarea autonomă simultană a temperaturii și presiunii.Redirecţiona. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Recoltarea energiei bazată pe ciclurile piroelectrice Ericsson într-o ceramică feroelectrică relaxantă. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Recoltarea energiei bazată pe ciclurile piroelectrice Ericsson într-o ceramică feroelectrică relaxantă.Sebald G., Prouvost S. și Guyomar D. Energy harvesting based on pyroelectric Ericsson cycles in relaxor ferroelectric ceramics.Sebald G., Prouvost S. și Guyomar D. Energy harvesting in relaxor ferroelectric ceramics based on Ericsson pyroelectric cycling. alma mater inteligentă. structura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de ultimă generație pentru interconversia energiei electrotermale în stare solidă. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de ultimă generație pentru interconversia energiei electrotermale în stare solidă. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW го преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de următoarea generație pentru interconversia energiei electrotermale 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攵挭释攙 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW го преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de următoarea generație pentru interconversia energiei electrotermale în stare solidă.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și Yang, Y. Standard și figura de merit pentru cuantificarea performanței nanogeneratoarelor piroelectrice. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și Yang, Y. Standard și figura de merit pentru cuantificarea performanței nanogeneratoarelor piroelectrice.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și Yang, Yu. Un scor standard și de calitate pentru cuantificarea performanței nanogeneratoarelor piroelectrice. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și 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 și Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și Yang, Yu. Criterii și măsuri de performanță pentru cuantificarea performanței unui nanogenerator piroelectric.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Cicluri de răcire electrocalorică în tantalat de plumb scandiu cu regenerare adevărată prin variația câmpului. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Cicluri de răcire electrocalorică în tantalat de plumb scandiu cu regenerare adevărată prin variația câmpului.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Cicluri de răcire electrocalorică în tantalat de plumb-scandiu cu regenerare adevărată prin modificarea câmpului. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și 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. și Mathur, ND Un ciclu de răcire electrotermală al tantalat de plumb de scandiu pentru regenerare adevărată prin inversarea câmpului.fizică Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază feroică. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază feroică.Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază ferroidă. Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale termice în apropierea metalurgiei feroase.Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale termice în apropierea tranzițiilor de fază de fier.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Materiale calorice pentru răcire și încălzire. Moya, X. & Mathur, ND Materiale calorice pentru răcire și încălzire.Moya, X. și Mathur, ND Materiale termice pentru răcire și încălzire. Moya, X. și Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Materiale termice pentru răcire și încălzire.Moya X. și Mathur ND Materiale termice pentru răcire și încălzire.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Răcitoare electrocalorice: o recenzie. Torelló, A. & Defay, E. Răcitoare electrocalorice: o recenzie.Torello, A. și Defay, E. Electrocaloric chillers: a review. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. și Defay, E. Răcitoare electrotermale: o recenzie.Avansat. electronic. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. şi colab. Eficiență energetică enormă a materialului electrocaloric în scandiu-scandiu-plumb foarte ordonat. Comunicare națională. 12, 3298 (2021).
Nair, B. şi colab. Efectul electrotermic al condensatoarelor multistrat cu oxid este mare pe o gamă largă de temperaturi. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. şi colab. Interval mare de temperatură în regeneratoarele electrotermale. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. şi colab. Sistem de răcire electrotermic în stare solidă de înaltă performanță. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. şi colab. Dispozitiv de răcire electrotermal în cascadă pentru creșterea mare a temperaturii. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Conversie directă de înaltă eficiență a căldurii în măsurători piroelectrice legate de energia electrică. Olsen, RB & Brown, DD Conversie directă de înaltă eficiență a căldurii în măsurători piroelectrice legate de energia electrică.Olsen, RB și Brown, DD Conversie directă extrem de eficientă a căldurii în energie electrică asociată cu măsurătorile 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 și Brown, DDOlsen, RB și Brown, DD Conversie directă eficientă a căldurii în electricitate asociată cu măsurătorile piroelectrice.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. şi colab. Energie și densitate de putere în filmele feroelectrice relaxante subțiri. alma mater națională. 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 Conversie piroelectrică în cascadă: tranziție de fază feroelectrică și optimizare a pierderilor electrice. Smith, AN și Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN și Hanrahan, BMSmith, AN și Hanrahan, BM Conversie piroelectrică în cascadă: optimizarea tranzițiilor de fază feroelectrică și a pierderilor electrice.J. Aplicare. fizică. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Utilizarea materialelor feroelectrice pentru a transforma energia termică în energie electrică. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Convertor de energie piroelectrică în cascadă. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Convertor de energie piroelectrică în cascadă.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM și 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 și Dullea, J. Convertizoare de putere piroelectrică în cascadă.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Pe soluții solide de tantalat de plumb-scandiu cu efect electrocaloric ridicat. Shebanov, L. & Borman, K. Pe soluții solide de tantalat de plumb-scandiu cu efect electrocaloric ridicat.Shebanov L. și Borman K. Pe soluții solide de tantalat de plumb-scandiu cu efect electrocaloric ridicat. Shebanov, L. & 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 de scandiu-plumb-scandiu cu efect electrocaloric ridicat.Feroelectrics 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 și ED Mulțumiri Fundației Naționale de Cercetare din Luxemburg (FNR) pentru sprijinirea acestei lucrări prin CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay și BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departamentul de Cercetare și Tehnologie a Materialelor, Institutul de Tehnologie din Luxemburg (LIST), Belvoir, Luxemburg