Die aanbied van volhoubare bronne van elektrisiteit is een van die belangrikste uitdagings van hierdie eeu. Navorsingsgebiede in energie-oesmateriale spruit uit hierdie motivering, insluitend termo-elektries1, fotovoltaïes2 en termofotovoltaïese3. Alhoewel ons nie materiale en toestelle het wat energie in die Joule-reeks kan oes nie, word piro-elektriese materiale wat elektriese energie in periodieke temperatuurveranderinge kan omskakel, as sensors4 en energie-oesters5,6,7 beskou. Hier het ons 'n makroskopiese termiese energie-oester ontwikkel in die vorm van 'n meerlaag-kondensator gemaak van 42 gram loodskandiumtantalaat, wat 11.2 J elektriese energie per termodinamiese siklus produseer. Elke piro-elektriese module kan elektriese energiedigtheid tot 4.43 J cm-3 per siklus genereer. Ons toon ook dat twee sulke modules wat 0.3 g weeg, voldoende is om outonome energie-oesters met ingebedde mikrobeheerders en temperatuursensors voortdurend aan te dryf. Laastens toon ons dat hierdie meerlaag-kondensators vir 'n temperatuurreeks van 10 K 'n Carnot-doeltreffendheid van 40% kan bereik. Hierdie eienskappe is te danke aan (1) ferro-elektriese faseverandering vir hoë doeltreffendheid, (2) lae lekstroom om verliese te voorkom, en (3) hoë deurslagspanning. Hierdie makroskopiese, skaalbare en doeltreffende piro-elektriese kragopwekkers herontwerp termo-elektriese kragopwekking.
In vergelyking met die ruimtelike temperatuurgradiënt wat vir termo-elektriese materiale benodig word, vereis energie-oes van termo-elektriese materiale temperatuursiklusse oor tyd. Dit beteken 'n termodinamiese siklus, wat die beste beskryf word deur die entropie (S)-temperatuur (T) diagram. Figuur 1a toon 'n tipiese ST-grafiek van 'n nie-lineêre piro-elektriese (NLP) materiaal wat 'n veldgedrewe ferro-elektriese-para-elektriese fase-oorgang in skandiumloodtantalaat (PST) demonstreer. Die blou en groen gedeeltes van die siklus op die ST-diagram stem ooreen met die omgeskakelde elektriese energie in die Olson-siklus (twee isotermiese en twee isopoolgedeeltes). Hier beskou ons twee siklusse met dieselfde elektriese veldverandering (veld aan en af) en temperatuurverandering ΔT, alhoewel met verskillende aanvanklike temperature. Die groen siklus is nie in die fase-oorgangsgebied geleë nie en het dus 'n baie kleiner area as die blou siklus wat in die fase-oorgangsgebied geleë is. In die ST-diagram, hoe groter die area, hoe groter die versamelde energie. Daarom moet die fase-oorgang meer energie versamel. Die behoefte aan groot area-siklusse in NLP is baie soortgelyk aan die behoefte aan elektrotermiese toepassings9, 10, 11, 12 waar PST-meerlaagkondensators (MLC's) en PVDF-gebaseerde terpolimere onlangs uitstekende omgekeerde verkoelingsprestasiestatus in siklus 13,14,15,16 getoon het. Daarom het ons PST MLC's van belang vir termiese energie-oes geïdentifiseer. Hierdie monsters is volledig beskryf in die metodes en gekarakteriseer in aanvullende notas 1 (skandeerelektronmikroskopie), 2 (X-straaldiffraksie) en 3 (kalorimetrie).
a, Skets van 'n entropie (S)-temperatuur (T) plot met elektriese veld aan en af ​​toegepas op NLP-materiale wat fase-oorgange toon. Twee energie-insamelingsiklusse word in twee verskillende temperatuursones getoon. Die blou en groen siklusse vind onderskeidelik binne en buite die fase-oorgang plaas en eindig in baie verskillende streke van die oppervlak. b, twee DE PST MLC unipolêre ringe, 1 mm dik, gemeet tussen 0 en 155 kV cm-1 by onderskeidelik 20 °C en 90 °C, en die ooreenstemmende Olsen-siklusse. Die letters ABCD verwys na verskillende toestande in die Olson-siklus. AB: MLC's is gelaai tot 155 kV cm-1 by 20 °C. BC: MLC is gehandhaaf teen 155 kV cm-1 en die temperatuur is verhoog tot 90 °C. CD: MLC ontlaai teen 90 °C. DA: MLC verkoel tot 20 °C in nulveld. Die blou area stem ooreen met die insetkrag wat benodig word om die siklus te begin. Die oranje area is die energie wat in een siklus versamel is. c, boonste paneel, spanning (swart) en stroom (rooi) teenoor tyd, gevolg gedurende dieselfde Olson-siklus as b. Die twee insetsels verteenwoordig die versterking van spanning en stroom op sleutelpunte in die siklus. In die onderste paneel verteenwoordig die geel en groen kurwes die ooreenstemmende temperatuur- en energiekurwes, onderskeidelik, vir 'n 1 mm dik MLC. Energie word bereken vanaf die stroom- en spanningskurwes op die boonste paneel. Negatiewe energie stem ooreen met die versamelde energie. Die stappe wat ooreenstem met die hoofletters in die vier figure is dieselfde as in die Olson-siklus. Die siklus AB'CD stem ooreen met die Stirling-siklus (bykomende noot 7).
waar E en D onderskeidelik die elektriese veld en die elektriese verplasingsveld is. Nd kan indirek verkry word vanaf die DE-stroombaan (Fig. 1b) of direk deur 'n termodinamiese siklus te begin. Die nuttigste metodes is deur Olsen beskryf in sy baanbrekerswerk oor die versameling van piro-elektriese energie in die 1980's17.
Fig. 1b toon twee monopolêre DE-lusse van 1 mm dik PST-MLC-monsters wat by onderskeidelik 20 °C en 90 °C oor 'n reeks van 0 tot 155 kV cm-1 (600 V) saamgestel is. Hierdie twee siklusse kan gebruik word om indirek die energie te bereken wat deur die Olson-siklus in Figuur 1a versamel word. Trouens, die Olsen-siklus bestaan ​​uit twee isoveldtakke (hier, nulveld in die DA-tak en 155 kV cm-1 in die BC-tak) en twee isotermiese takke (hier, 20 °C en 20 °C in die AB-tak). (C in die CD-tak) Die energie wat tydens die siklus versamel word, stem ooreen met die oranje en blou streke (EdD-integraal). Die versamelde energie Nd is die verskil tussen inset- en uitsetenergie, d.w.s. slegs die oranje area in fig. 1b. Hierdie spesifieke Olson-siklus gee 'n Nd-energiedigtheid van 1.78 J cm-3. Die Stirling-siklus is 'n alternatief vir die Olson-siklus (Aanvullende Nota 7). Omdat die konstante ladingstadium (oop stroombaan) makliker bereik word, bereik die energiedigtheid wat uit Fig. 1b (siklus AB'CD) onttrek word, 1.25 J cm-3. Dit is slegs 70% van wat die Olson-siklus kan insamel, maar eenvoudige oestoerusting doen dit.
Daarbenewens het ons die energie wat tydens die Olson-siklus versamel is, direk gemeet deur die PST MLC te aktiveer met behulp van 'n Linkam-temperatuurbeheerstadium en 'n bronmeter (metode). Figuur 1c bo-aan en in die onderskeie insetsels toon die stroom (rooi) en spanning (swart) wat op dieselfde 1 mm dik PST MLC versamel is as vir die DE-lus wat deur dieselfde Olson-siklus gaan. Die stroom en spanning maak dit moontlik om die versamelde energie te bereken, en die krommes word in fig. 1c getoon, onder (groen) en temperatuur (geel) dwarsdeur die siklus. Die letters ABCD verteenwoordig dieselfde Olson-siklus in Fig. 1. MLC-laai vind plaas tydens die AB-been en word teen 'n lae stroom (200 µA) uitgevoer, sodat SourceMeter die laai behoorlik kan beheer. Die gevolg van hierdie konstante aanvanklike stroom is dat die spanningskurwe (swart kurwe) nie lineêr is nie as gevolg van die nie-lineêre potensiaalverplasingsveld D PST (Fig. 1c, boonste insetsel). Aan die einde van die laai word 30 mJ elektriese energie in die MLC gestoor (punt B). Die MLC verhit dan en 'n negatiewe stroom (en dus 'n negatiewe stroom) word geproduseer terwyl die spanning op 600 V bly. Na 40 s, toe die temperatuur 'n plato van 90 °C bereik het, is hierdie stroom gekompenseer, alhoewel die stapmonster 'n elektriese krag van 35 mJ in die stroombaan tydens hierdie isoveld geproduseer het (tweede inset in Fig. 1c, bo). Die spanning op die MLC (tak-CD) word dan verminder, wat 'n bykomende 60 mJ elektriese werk tot gevolg het. Die totale uitsetenergie is 95 mJ. Die versamelde energie is die verskil tussen die inset- en uitsetenergie, wat 95 – 30 = 65 mJ gee. Dit stem ooreen met 'n energiedigtheid van 1.84 J cm-3, wat baie naby is aan die Nd wat uit die DE-ring onttrek word. Die reproduceerbaarheid van hierdie Olson-siklus is breedvoerig getoets (Aanvullende Nota 4). Deur die spanning en temperatuur verder te verhoog, het ons 4.43 J cm-3 bereik met behulp van Olsen-siklusse in 'n 0.5 mm dik PST MLC oor 'n temperatuurreeks van 750 V (195 kV cm-1) en 175 °C (Aanvullende Nota 5). Dit is vier keer groter as die beste prestasie wat in die literatuur vir direkte Olson-siklusse gerapporteer is en is verkry op dun films van Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3)18 (cm-1). Aanvullende Tabel 1 vir meer waardes in die literatuur. Hierdie prestasie is bereik danksy die baie lae lekstroom van hierdie MLC's (<10−7 A teen 750 V en 180 °C, sien besonderhede in Aanvullende Nota 6)—'n belangrike punt wat deur Smith et al.19 genoem word—in teenstelling met die materiale wat in vorige studies17,20 gebruik is. Hierdie prestasie is bereik danksy die baie lae lekstroom van hierdie MLC's (<10−7 A teen 750 V en 180 °C, sien besonderhede in Aanvullende Nota 6)—'n belangrike punt wat deur Smith et al.19 genoem word—in teenstelling met die materiale wat in vorige studies17,20 gebruik is. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 а при 750 В м. в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Hierdie eienskappe is bereik as gevolg van die baie lae lekstroom van hierdie MLC's (<10–7 A teen 750 V en 180 °C, sien Aanvullende Nota 6 vir besonderhede) – 'n kritieke punt wat deur Smith et al. 19 genoem is – in teenstelling met materiale wat in vorige studies gebruik is17,20.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。。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 6 说信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下下且比之下下且比繋相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之且繋比之且相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В en 180 °C, см. подробности в дополнитель) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Aangesien die lekstroom van hierdie MLC's baie laag is (<10–7 A teen 750 V en 180 °C, sien Aanvullende Nota 6 vir besonderhede) – 'n sleutelpunt wat deur Smith et al. 19 genoem word – ter vergelyking, is hierdie prestasies behaal.tot materiaal wat in vorige studies gebruik is 17,20.
Dieselfde toestande (600 V, 20–90 °C) is op die Stirling-siklus toegepas (Aanvullende nota 7). Soos verwag uit die resultate van die DE-siklus, was die opbrengs 41.0 mJ. Een van die opvallendste kenmerke van Stirling-siklusse is hul vermoë om die aanvanklike spanning deur die termo-elektriese effek te versterk. Ons het 'n spanningswins van tot 39 waargeneem (van 'n aanvanklike spanning van 15 V tot 'n eindspanning van tot 590 V, sien Aanvullende Fig. 7.2).
Nog 'n onderskeidende kenmerk van hierdie MLC's is dat hulle makroskopiese voorwerpe is wat groot genoeg is om energie in die joule-reeks te versamel. Daarom het ons 'n prototipe-oesmasjien (HARV1) gebou met behulp van 28 MLC PST 1 mm dik, volgens dieselfde parallelle plaatontwerp wat deur Torello et al.14 beskryf is, in 'n 7×4-matriks soos getoon in Fig. Die hittedraende diëlektriese vloeistof in die verdeelstuk word verplaas deur 'n peristaltiese pomp tussen twee reservoirs waar die vloeistoftemperatuur konstant gehou word (metode). Versamel tot 3.1 J met behulp van die Olson-siklus wat in fig. 2a beskryf word, isotermiese streke by 10°C en 125°C en isoveldstreke by 0 en 750 V (195 kV cm-1). Dit stem ooreen met 'n energiedigtheid van 3.14 J cm-3. Met behulp van hierdie kombinasie is metings onder verskeie toestande geneem (Fig. 2b). Let daarop dat 1.8 J verkry is oor 'n temperatuurreeks van 80 °C en 'n spanning van 600 V (155 kV cm-1). Dit stem goed ooreen met die voorheen genoemde 65 mJ vir 1 mm dik PST MLC onder dieselfde toestande (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimentele opstelling van 'n saamgestelde HARV1-prototipe gebaseer op 28 MLC PST's 1 mm dik (4 rye × 7 kolomme) wat op Olson-siklusse loop. Vir elk van die vier siklusstappe word temperatuur en spanning in die prototipe verskaf. Die rekenaar dryf 'n peristaltiese pomp aan wat 'n diëlektriese vloeistof tussen die koue en warm reservoirs, twee kleppe en 'n kragbron sirkuleer. Die rekenaar gebruik ook termokoppels om data in te samel oor die spanning en stroom wat aan die prototipe voorsien word, en die temperatuur van die kombinasie vanaf die kragbron. b, Energie (kleur) versamel deur ons 4×7 MLC-prototipe teenoor temperatuurreeks (X-as) en spanning (Y-as) in verskillende eksperimente.
'n Groter weergawe van die oesmasjien (HARV2) met 60 PST MLC 1 mm dik en 160 PST MLC 0.5 mm dik (41.7 g aktiewe piro-elektriese materiaal) het 11.2 J gelewer (Aanvullende Nota 8). In 1984 het Olsen 'n energieoesmasjien vervaardig gebaseer op 317 g van 'n tin-gedoteerde Pb(Zr,Ti)O3-verbinding wat 6.23 J elektrisiteit kan opwek teen 'n temperatuur van ongeveer 150 °C (verw. 21). Vir hierdie stroper is dit die enigste ander waarde beskikbaar in die joule-reeks. Dit het net meer as die helfte van die waarde wat ons behaal het, en byna sewe keer die gehalte behaal. Dit beteken dat die energiedigtheid van HARV2 13 keer hoër is.
Die HARV1-siklusperiode is 57 sekondes. Dit het 54 mW krag opgelewer met 4 rye van 7 kolomme van 1 mm dik MLC-stelle. Om dit 'n stap verder te neem, het ons 'n derde kombinasie (HARV3) gebou met 'n 0.5 mm dik PST MLC en 'n soortgelyke opstelling as HARV1 en HARV2 (Aanvullende Nota 9). Ons het 'n termaliseringstyd van 12.5 sekondes gemeet. Dit stem ooreen met 'n siklustyd van 25 s (Aanvullende Fig. 9). Die versamelde energie (47 mJ) gee 'n elektriese krag van 1.95 mW per MLC, wat ons weer toelaat om te verbeel dat HARV2 0.55 W produseer (ongeveer 1.95 mW × 280 PST MLC 0.5 mm dik). Daarbenewens het ons hitte-oordrag gesimuleer met behulp van Eindige Element Simulasie (COMSOL, Aanvullende Nota 10 en Aanvullende Tabelle 2-4) wat ooreenstem met die HARV1-eksperimente. Eindige-elementmodellering het dit moontlik gemaak om kragwaardes te voorspel wat amper 'n orde van grootte hoër (430 mW) was vir dieselfde aantal PST-kolomme deur die MLC tot 0.2 mm te verdun, water as koelmiddel te gebruik en die matriks na 7 rye × 4 kolomme te herstel (benewens , was daar 960 mW toe die tenk langs die stroper was, Aanvullende Fig. 10b).
Om die bruikbaarheid van hierdie versamelaar te demonstreer, is 'n Stirling-siklus toegepas op 'n alleenstaande demonstrator wat bestaan ​​uit slegs twee 0.5 mm dik PST MLC's as hittekollektors, 'n hoëspanningskakelaar, 'n laespanningskakelaar met stoorkondensator, 'n GS/GS-omskakelaar, 'n laekrag-mikrobeheerder, twee termokoppels en 'n hupstootomskakelaar (Aanvullende Nota 11). Die stroombaan vereis dat die stoorkondensator aanvanklik teen 9V gelaai word en dan outonoom loop terwyl die temperatuur van die twee MLC's wissel van -5°C tot 85°C, hier in siklusse van 160 s (verskeie siklusse word in Aanvullende Nota 11 getoon). Merkwaardig genoeg kan twee MLC's wat slegs 0.3g weeg, hierdie groot stelsel outonoom beheer. Nog 'n interessante kenmerk is dat die laespanningsomskakelaar in staat is om 400V na 10-15V om te skakel met 79% doeltreffendheid (Aanvullende Nota 11 en Aanvullende Figuur 11.3).
Laastens het ons die doeltreffendheid van hierdie MLC-modules in die omskakeling van termiese energie na elektriese energie geëvalueer. Die kwaliteitsfaktor η van doeltreffendheid word gedefinieer as die verhouding van die digtheid van die versamelde elektriese energie Nd tot die digtheid van die toegevoerde hitte Qin (Aanvullende nota 12):
Figure 3a,b toon onderskeidelik die doeltreffendheid η en proporsionele doeltreffendheid ηr van die Olsen-siklus as 'n funksie van die temperatuurreeks van 'n 0.5 mm dik PST MLC. Beide datastelle word gegee vir 'n elektriese veld van 195 kV cm-1. Die doeltreffendheid bereik 1.43%, wat gelykstaande is aan 18% van ηr. Vir 'n temperatuurreeks van 10 K van 25 °C tot 35 °C bereik ηr egter waardes tot 40% (blou kurwe in Fig. 3b). Dit is twee keer die bekende waarde vir NLP-materiale wat in PMN-PT-films aangeteken is (ηr = 19%) in die temperatuurreeks van 10 K en 300 kV cm-1 (Verw. 18). Temperatuurreekse onder 10 K is nie in ag geneem nie omdat die termiese histerese van die PST MLC tussen 5 en 8 K is. Erkenning van die positiewe effek van fase-oorgange op doeltreffendheid is krities. Trouens, die optimale waardes van η en ηr word byna almal verkry by die aanvanklike temperatuur Ti = 25°C in Fig. 3a,b. Dit is as gevolg van 'n noue fase-oorgang wanneer geen veld toegepas word nie en die Curie-temperatuur TC ongeveer 20°C in hierdie MLC's is (Aanvullende nota 13).
a,b, die doeltreffendheid η en die proporsionele doeltreffendheid van die Olson-siklus (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} vir die maksimum elektriese spanning deur 'n veld van 195 kV cm-1 en verskillende aanvangstemperature Ti, }}\,\)(b) vir die MPC PST 0.5 mm dik, afhangende van die temperatuurinterval ΔTspan.
Laasgenoemde waarneming het twee belangrike implikasies: (1) enige effektiewe siklus moet by temperature bo TC begin vir 'n veld-geïnduseerde fase-oorgang (van paraelektries na ferroelektries) om plaas te vind; (2) hierdie materiale is meer doeltreffend teen looptye naby aan TC. Alhoewel grootskaalse doeltreffendhede in ons eksperimente getoon word, laat die beperkte temperatuurreeks ons nie toe om groot absolute doeltreffendhede te bereik nie as gevolg van die Carnot-limiet (\(\Delta T/T\)). Die uitstekende doeltreffendheid wat deur hierdie PST MLC's gedemonstreer word, regverdig egter Olsen wanneer hy noem dat "'n ideale klas 20 regeneratiewe termo-elektriese motor wat by temperature tussen 50 °C en 250 °C werk, 'n doeltreffendheid van 30% kan hê"17. Om hierdie waardes te bereik en die konsep te toets, sou dit nuttig wees om gedoteerde PST's met verskillende TC's te gebruik, soos bestudeer deur Shebanov en Borman. Hulle het getoon dat TC in PST kan wissel van 3 °C (Sb-doping) tot 33 °C (Ti-doping)22. Daarom veronderstel ons dat die volgende generasie piro-elektriese regenerators gebaseer op gedoteerde PST MLC's of ander materiale met 'n sterk eerste-orde fase-oorgang met die beste kragopwekkers kan meeding.
In hierdie studie het ons MLC's ondersoek wat van PST gemaak is. Hierdie toestelle bestaan ​​uit 'n reeks Pt- en PST-elektrodes, waardeur verskeie kapasitors parallel gekoppel is. PST is gekies omdat dit 'n uitstekende EC-materiaal en dus 'n potensieel uitstekende NLP-materiaal is. Dit vertoon 'n skerp eerste-orde ferro-elektriese-para-elektriese fase-oorgang rondom 20 °C, wat aandui dat die entropieveranderinge soortgelyk is aan dié wat in Fig. 1 getoon word. Soortgelyke MLC's is volledig beskryf vir EC13,14-toestelle. In hierdie studie het ons 10.4 × 7.2 × 1 mm³ en 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ MLC's gebruik. MLC's met 'n dikte van 1 mm en 0.5 mm is gemaak van 19 en 9 lae PST met 'n dikte van onderskeidelik 38.6 µm. In beide gevalle is die binneste PST-laag tussen 2.05 µm dik platinum-elektrodes geplaas. Die ontwerp van hierdie MLC's neem aan dat 55% van die PST's aktief is, wat ooreenstem met die gedeelte tussen die elektrodes (Aanvullende Nota 1). Die aktiewe elektrode-area was 48.7 mm2 (Aanvullende Tabel 5). MLC PST is voorberei deur middel van vastefasereaksie en gietmetode. Die besonderhede van die voorbereidingsproses is in 'n vorige artikel14 beskryf. Een van die verskille tussen PST MLC en die vorige artikel is die volgorde van B-plekke, wat die werkverrigting van EC in PST grootliks beïnvloed. Die volgorde van B-plekke van PST MLC is 0.75 (Aanvullende Nota 2) verkry deur sintering by 1400°C gevolg deur honderde ure lange uitgloeiing by 1000°C. Vir meer inligting oor PST MLC, sien Aanvullende Notas 1-3 en Aanvullende Tabel 5.
Die hoofkonsep van hierdie studie is gebaseer op die Olson-siklus (Fig. 1). Vir so 'n siklus benodig ons 'n warm en koue reservoir en 'n kragtoevoer wat die spanning en stroom in die verskillende MLC-modules kan monitor en beheer. Hierdie direkte siklusse het twee verskillende konfigurasies gebruik, naamlik (1) Linkam-modules wat een MLC verhit en verkoel, gekoppel aan 'n Keithley 2410-kragbron, en (2) drie prototipes (HARV1, HARV2 en HARV3) parallel met dieselfde bronenergie. In laasgenoemde geval is 'n diëlektriese vloeistof (silikoonolie met 'n viskositeit van 5 cP by 25°C, aangekoop van Sigma Aldrich) gebruik vir hitte-uitruiling tussen die twee reservoirs (warm en koud) en die MLC. Die termiese reservoir bestaan ​​uit 'n glashouer gevul met diëlektriese vloeistof en geplaas bo-op die termiese plaat. Koue berging bestaan ​​uit 'n waterbad met vloeistofbuise wat diëlektriese vloeistof bevat in 'n groot plastiekhouer gevul met water en ys. Twee drieweg-knypkleppe (gekoop van Bio-Chem Fluidics) is aan elke kant van die kombinasie geplaas om vloeistof behoorlik van een reservoir na 'n ander oor te skakel (Figuur 2a). Om termiese ewewig tussen die PST-MLC-pakket en die koelmiddel te verseker, is die siklusperiode verleng totdat die inlaat- en uitlaattermokoppels (so na as moontlik aan die PST-MLC-pakket) dieselfde temperatuur getoon het. Die Python-skrip bestuur en sinchroniseer alle instrumente (bronmeters, pompe, kleppe en termokoppels) om die korrekte Olson-siklus te laat loop, d.w.s. die koelmiddellus begin deur die PST-stapel siklus nadat die bronmeter gelaai is sodat hulle verhit teen die verlangde toegepaste spanning vir die gegewe Olson-siklus.
Alternatiewelik het ons hierdie direkte metings van versamelde energie met indirekte metodes bevestig. Hierdie indirekte metodes is gebaseer op elektriese verplasing (D) – elektriese veld (E) veldlusse wat by verskillende temperature versamel word, en deur die area tussen twee DE-lusse te bereken, kan 'n mens akkuraat skat hoeveel energie versamel kan word, soos getoon in die figuur. in figuur 2. .1b. Hierdie DE-lusse word ook versamel met behulp van Keithley-bronmeters.
Agt-en-twintig 1 mm dik PST MLC's is in 'n 4-ry, 7-kolom parallelle plaatstruktuur saamgestel volgens die ontwerp wat in die verwysing beskryf word. 14. Die vloeistofgaping tussen PST-MLC-rye is 0.75 mm. Dit word bereik deur stroke dubbelsydige kleefband as vloeistofafstandhouers rondom die kante van die PST MLC by te voeg. Die PST MLC is elektries parallel gekoppel met 'n silwer epoksiebrug in kontak met die elektrodeleidings. Daarna is drade met silwer epoksiehars aan elke kant van die elektrodeterminale vasgeplak vir verbinding met die kragtoevoer. Laastens, plaas die hele struktuur in die poliolefienslang. Laasgenoemde word aan die vloeistofbuis vasgeplak om behoorlike verseëling te verseker. Laastens is 0.25 mm dik K-tipe termokoppels in elke punt van die PST-MLC-struktuur ingebou om die inlaat- en uitlaatvloeistoftemperature te monitor. Om dit te doen, moet die slang eers geperforeer word. Na die installering van die termokoppel, wend dieselfde kleefmiddel as voorheen tussen die termokoppelslang en draad aan om die seël te herstel.
Agt afsonderlike prototipes is gebou, waarvan vier 40 0.5 mm dik MLC PST's gehad het, versprei as parallelle plate met 5 kolomme en 8 rye, en die oorblywende vier het elk 15 1 mm dik MLC PST's gehad, in 'n 3-kolom × 5-ry parallelle plaatstruktuur. Die totale aantal PST MLC's wat gebruik is, was 220 (160 0.5 mm dik en 60 PST MLC 1 mm dik). Ons noem hierdie twee subeenhede HARV2_160 en HARV2_60. Die vloeistofgaping in die prototipe HARV2_160 bestaan ​​uit twee dubbelsydige kleefbande van 0.25 mm dik met 'n draad van 0.25 mm dik tussen hulle. Vir die HARV2_60 prototipe het ons dieselfde prosedure herhaal, maar met 'n draad van 0.38 mm dik. Vir simmetrie het HARV2_160 en HARV2_60 hul eie vloeistofkringe, pompe, kleppe en koue kant (Aanvullende Nota 8). Twee HARV2-eenhede deel 'n hittereservoir, 'n 3 liter-houer (30 cm x 20 cm x 5 cm) op twee warmplate met roterende magnete. Al agt individuele prototipes is elektries parallel gekoppel. Die HARV2_160- en HARV2_60-subeenhede werk gelyktydig in die Olson-siklus, wat 'n energie-oes van 11.2 J tot gevolg het.
Plaas 0.5 mm dik PST MLC in poliolefienslang met dubbelzijdige kleefband en draad aan beide kante om ruimte te skep vir vloeistof om te vloei. As gevolg van sy klein grootte, is die prototipe langs 'n warm- of koue reservoirklep geplaas, wat siklustye tot die minimum beperk het.
In PST MLC word 'n konstante elektriese veld toegepas deur 'n konstante spanning op die verhittingstak toe te pas. Gevolglik word 'n negatiewe termiese stroom opgewek en energie gestoor. Na verhitting van die PST MLC word die veld verwyder (V = 0), en die energie wat daarin gestoor is, word teruggevoer na die bronteller, wat ooreenstem met nog 'n bydrae van die versamelde energie. Laastens, met 'n spanning V = 0 toegepas, word die MLC PST's afgekoel tot hul aanvanklike temperatuur sodat die siklus weer kan begin. In hierdie stadium word energie nie versamel nie. Ons het die Olsen-siklus uitgevoer met behulp van 'n Keithley 2410 SourceMeter, die PST MLC vanaf 'n spanningsbron gelaai en die stroomooreenstemming op die toepaslike waarde gestel sodat genoeg punte tydens die laaifase versamel is vir betroubare energieberekeninge.
In Stirling-siklusse is PST MLC's in spanningsbronmodus gelaai teen 'n aanvanklike elektriese veldwaarde (aanvanklike spanning Vi > 0), 'n verlangde voldoeningsstroom sodat die laaistap ongeveer 1 s neem (en genoeg punte word ingesamel vir 'n betroubare berekening van die energie) en koue temperatuur. In Stirling-siklusse is PST MLC's in spanningsbronmodus gelaai teen 'n aanvanklike elektriese veldwaarde (aanvanklike spanning Vi > 0), 'n verlangde voldoeningsstroom sodat die laaistap ongeveer 1 s neem (en genoeg punte word ingesamel vir 'n betroubare berekening van die energie) en koue temperatuur. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электриче ( напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап здки занимает около 1 с (en набирается дичочоч для надежного расчета энергия) en холодная температура. In die Stirling PST MLC-siklusse is hulle in die spanningsbronmodus gelaai teen die aanvanklike waarde van die elektriese veld (aanvanklike spanning Vi > 0), die verlangde opbrengsstroom, sodat die laaifase ongeveer 1 s duur (en 'n voldoende aantal punte word versamel vir 'n betroubare energieberekening) en koue temperatuur.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。 In die meestersiklus word die PST MLC gelaai teen die aanvanklike elektriese veldwaarde (aanvanklike spanning Vi > 0) in die spanningsbronmodus, sodat die vereiste voldoeningsstroom ongeveer 1 sekonde neem vir die laaistap (en ons het genoeg punte ingesamel om (energie) en lae temperatuur betroubaar te bereken). В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электричелскогог ( напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап здки занимает около 1 с (en набирается дочно точек, чтобы надежно рассчитать энергию) en низкие температуры. In die Stirling-siklus word die PST MLC in die spanningsbronmodus gelaai met 'n aanvanklike waarde van die elektriese veld (aanvanklike spanning Vi > 0), die vereiste voldoeningsstroom is sodanig dat die laaifase ongeveer 1 s duur (en 'n voldoende aantal punte word versamel om die energie betroubaar te bereken) en lae temperature.Voordat die PST MLC verhit word, maak die stroombaan oop deur 'n ooreenstemmende stroom van I = 0 mA toe te pas (die minimum ooreenstemmende stroom wat ons meetbron kan hanteer, is 10 nA). Gevolglik bly 'n lading in die PST van die MJK oor, en die spanning neem toe soos die monster verhit word. Geen energie word in arm BC versamel nie, want I = 0 mA. Nadat 'n hoë temperatuur bereik is, neem die spanning in die MLT FT toe (in sommige gevalle meer as 30 keer, sien bykomende fig. 7.2), die MLK FT word ontlaai (V = 0), en elektriese energie word daarin gestoor vir dieselfde tyd as wat die aanvanklike lading is. Dieselfde stroomkorrespondensie word na die meterbron terugbesorg. As gevolg van spanningswins is die gestoorde energie by hoë temperatuur hoër as wat aan die begin van die siklus verskaf is. Gevolglik word energie verkry deur hitte in elektrisiteit om te skakel.
Ons het 'n Keithley 2410 SourceMeter gebruik om die spanning en stroom wat op die PST MLC toegepas word, te monitor. Die ooreenstemmende energie word bereken deur die produk van spanning en stroom wat deur Keithley se bronmeter gelees word, te integreer, \(E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas})}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), waar τ die periode van die periode is. Op ons energiekurwe beteken positiewe energiewaardes die energie wat ons aan die MLC PST moet gee, en negatiewe waardes beteken die energie wat ons daaruit onttrek en dus die energie wat ontvang word. Die relatiewe krag vir 'n gegewe versamelingsiklus word bepaal deur die versamelde energie te deel deur die periode τ van die hele siklus.
Alle data word in die hoofteks of in bykomende inligting aangebied. Briewe en versoeke vir materiaal moet gerig word aan die bron van die AT- of ED-data wat saam met hierdie artikel verskaf word.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 'n Oorsig van die ontwikkeling en toepassings van termo-elektriese mikrogenerators vir energie-oes. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 'n Oorsig van die ontwikkeling en toepassings van termo-elektriese mikrogenerators vir energie-oes.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO en Henao, NC Oorsig van die ontwikkeling en toepassing van termo-elektriese mikrogenerators vir energie-oes. 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, en Henao, NC oorweeg die ontwikkeling en toepassing van termo-elektriese mikrogenerators vir energie-oes.CV. ondersteuning. Energie Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaïese materiale: huidige doeltreffendheid en toekomstige uitdagings. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaïese materiale: huidige doeltreffendheid en toekomstige uitdagings.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. en Sinke, VK Fotovoltaïese materiale: huidige prestasie en toekomstige uitdagings. 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 Sonkragmateriale: huidige doeltreffendheid en toekomstige uitdagings.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. en Sinke, VK Fotovoltaïese materiale: huidige prestasie en toekomstige uitdagings.Wetenskap 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Gekonjunkte piro-piezo-elektriese effek vir self-aangedrewe gelyktydige temperatuur- en drukwaarneming. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkte piro-piezo-elektriese effek vir selfaangedrewe gelyktydige temperatuur- en drukwaarneming.Song K., Zhao R., Wang ZL en Yan Yu. Gekombineerde piropiezo-elektriese effek vir outonome gelyktydige meting van temperatuur en druk. 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. Vir selfaandrywing terselfdertyd as temperatuur en druk.Song K., Zhao R., Wang ZL en Yan Yu. Gekombineerde termopiëzo-elektriese effek vir outonome gelyktydige meting van temperatuur en druk.Aanwaarts. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energie-oesting gebaseer op Ericsson-piroëlektriese siklusse in 'n relaxor ferroëlektriese keramiek. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energie-oesting gebaseer op Ericsson-piroëlektriese siklusse in 'n relaxor ferroëlektriese keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energie-oesting gebaseer op piro-elektriese Ericsson-siklusse in relaxor ferro-elektriese keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energie-oes in relaxor ferro-elektriese keramiek gebaseer op Ericsson piro-elektriese siklusse. Slim alma mater. struktuur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generasie elektrokaloriese en piro-elektriese materiale vir vastetoestand elektrotermiese energie-interomskakeling. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generasie elektrokaloriese en piro-elektriese materiale vir vastetoestand elektrotermiese energie-interomskakeling. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generasie elektrokaloriese en piro-elektriese materiale vir vastetoestand elektrotermiese energie-interomskakeling. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW . Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generasie elektrokaloriese en piro-elektriese materiale vir vastetoestand elektrotermiese energie-interomskakeling.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en merietesyfer vir die kwantifisering van die werkverrigting van piroëlektriese nanogenerators. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en merietesyfer vir die kwantifisering van die werkverrigting van piroëlektriese nanogenerators.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL en Yang, Yu. 'n Standaard- en kwaliteittelling vir die kwantifisering van die werkverrigting van piroëlektriese nanogenerators. 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 en Yang, Yu. Kriteria en prestasiemaatreëls vir die kwantifisering van die prestasie van 'n piroëlektriese nanogenerator.Nano-energie 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriese verkoelingsiklusse in loodskandiumtantalaat met ware regenerasie via veldvariasie. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriese verkoelingsiklusse in loodskandiumtantalaat met ware regenerasie via veldvariasie.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. en Mathur, ND Elektrokaloriese verkoelingsiklusse in lood-skandium-tantalaat met ware regenerasie deur middel van veldmodifikasie. 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. Tantaal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. en Mathur, ND 'n Elektrotermiese verkoelingsiklus van skandium-lood-tantalaat vir ware regenerasie deur veldomkering.fisika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriese materiale naby ferroïese fase-oorgange. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriese materiale naby ferroïese fase-oorgange.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND Kaloriese materiale naby ferroïedfase-oorgange. 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 Termiese materiale naby ystermetallurgie.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND Termiese materiale naby ysterfase-oorgange.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kaloriese materiale vir verkoeling en verhitting. Moya, X. & Mathur, ND Kaloriese materiale vir verkoeling en verhitting.Moya, X. en Mathur, ND Termiese materiale vir verkoeling en verhitting. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料. Moya, X. & Mathur, ND Termiese materiale vir verkoeling en verhitting.Moya X. en Mathur ND Termiese materiale vir verkoeling en verhitting.Wetenskap 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: a review. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: a review.Torello, A. en Defay, E. Elektrokaloriese verkoelers: 'n oorsig. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. en Defay, E. Elektrotermiese verkoelers: 'n oorsig.Gevorderd. elektronies. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme energie-doeltreffendheid van elektrokaloriese materiaal in hoogs geordende skandium-skandium-lood. National Communicate. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Die elektrotermiese effek van oksied-meerlaag-kondensators is groot oor 'n wye temperatuurreeks. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Groot temperatuurreeks in elektrotermiese regenerators. Wetenskap 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Hoëprestasie-vastetoestand-elektrotermiese verkoelingstelsel. Wetenskap 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskade-elektrotermiese verkoelingstoestel vir groot temperatuurstyging. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Hoë doeltreffendheid direkte omskakeling van hitte na elektriese energie-verwante piro-elektriese metings. Olsen, RB & Brown, DD Hoë doeltreffendheid direkte omskakeling van hitte na elektriese energie-verwante piroëlektriese metings.Olsen, RB en Brown, DD Hoogs doeltreffende direkte omskakeling van hitte na elektriese energie wat verband hou met piro-elektriese metings. 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 en Brown, DD Doeltreffende direkte omskakeling van hitte na elektrisiteit geassosieer met piro-elektriese metings.Ferro-elektrika 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energie- en kragdigtheid in dun relaxor ferro-elektriese films. Nasionale alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadeerde piroëlektriese omskakeling: optimalisering van die ferroëlektriese fase-oorgang en elektriese verliese. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadeerde piroëlektriese omskakeling: optimalisering van die ferroëlektriese fase-oorgang en elektriese verliese.Smith, AN en Hanrahan, BM Kaskadeerde piroëlektriese omskakeling: ferroëlektriese fase-oorgang en optimalisering van elektriese verlies. 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 en Hanrahan, BM Kaskadeerde piroëlektriese omskakeling: optimalisering van ferroëlektriese fase-oorgange en elektriese verliese.J. Toepassing. fisika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Die gebruik van ferro-elektriese materiale om termiese energie in elektrisiteit om te skakel. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadeerde piroëlektriese energie-omskakelaar. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadeerde piroëlektriese energie-omskakelaar.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Dullea, J. Cascade Piro-elektriese Kragomskakelaar. 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 en Dullea, J. Kaskadeerde piroëlektriese kragomsetters.Ferro-elektrika 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Oor lood-skandium-tantalaat vaste oplossings met 'n hoë elektrokaloriese effek. Shebanov, L. & Borman, K. Oor lood-skandium-tantalaat vaste oplossings met 'n hoë elektrokaloriese effek.Shebanov L. en Borman K. Oor vaste oplossings van lood-skandium-tantalaat met 'n hoë elektrokaloriese effek. 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. en Borman K. Oor skandium-lood-skandium vaste oplossings met 'n hoë elektrokaloriese effek.Ferro-elektrika 127, 143–148 (1992).
Ons bedank N. Furusawa, Y. Inoue, en K. Honda vir hul hulp met die skep van die MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB en ED. Dankie aan die Luxemburgse Nasionale Navorsingstigting (FNR) vir die ondersteuning van hierdie werk deur CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay en BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departement Materiaalnavorsing en -tegnologie, Luxemburgse Instituut vir Tegnologie (LIST), Belvoir, Luxemburg