Die aanbied van volhoubare bronne van elektrisiteit is een van die belangrikste uitdagings van hierdie eeu. Navorsingsareas in energie -oesmateriaal spruit uit hierdie motivering, insluitend termoelektries1, fotovoltaic2 en thermophotovoltaics3. Alhoewel ons nie materiale en toestelle het wat in die joule -reeks energie kan oes nie, word pyro -elektriese materiale wat elektriese energie in periodieke temperatuurveranderings kan omskakel, as sensors 4 en energie -oes5,6,6. Hier het ons 'n makroskopiese termiese energie -oes ontwikkel in die vorm van 'n meerlaagskondensator wat van 42 gram loodskandium tantalaat vervaardig is, wat 11,2 J elektriese energie per termodinamiese siklus lewer. Elke pyro-elektriese module kan elektriese energiedigtheid tot 4,43 J cm-3 per siklus opwek. Ons toon ook aan dat twee sulke modules wat 0,3 g weeg, genoeg is om voortdurend outonome energie -oesers met ingebedde mikrobeheerders en temperatuursensors aan te gaan. Laastens wys ons dat hierdie meerlaag -kondensators vir 'n temperatuurbereik van 10 K 40% Carnot -doeltreffendheid kan bereik. Hierdie eienskappe is te wyte aan (1) ferro -elektriese fase -verandering vir hoë doeltreffendheid, (2) lae lekkasiestroom om verliese te voorkom, en (3) hoë afbreekspanning. Hierdie makroskopiese, skaalbare en doeltreffende pyro -elektriese krag -oesers herbeplan termoelektriese kragopwekking.
In vergelyking met die ruimtelike temperatuurgradiënt wat benodig word vir termoelektriese materiale, benodig energie -oes van termoelektriese materiale mettertyd temperatuurfietsry. Dit beteken 'n termodinamiese siklus, wat die beste beskryf word deur die entropie (s) -temperatuur (t) diagram. Figuur 1A toon 'n tipiese ST-plot van 'n nie-lineêre pyro-elektriese (NLP) materiaal wat 'n veldgedrewe ferro-elektriese-paraelektriese fase-oorgang in Scandium lood tantalate (PST) toon. 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 word twee siklusse oorweeg met dieselfde elektriese veldverandering (veld aan en uit) en temperatuurverandering ΔT, hoewel met verskillende aanvanklike temperature. Die groen siklus is nie in die fase -oorgangsgebied geleë nie en het dus 'n baie kleiner gebied as die blou siklus in die fase -oorgangsgebied. In die ST -diagram, hoe groter die gebied, hoe groter is die versamelde energie. Daarom moet die fase -oorgang meer energie versamel. Die behoefte aan fietsry in NLP is baie soortgelyk aan die behoefte aan elektrotermiese toepassings9, 10, 11, 12 waar PST-meerlaag-kondensators (MLC's) en PVDF-gebaseerde terpolymere onlangs uitstekende omgekeerde werkverrigting getoon het. Koelprestasiestatus in siklus 13,14,15,16. Daarom het ons PST MLC's van belang vir die oes van termiese energie geïdentifiseer. Hierdie monsters is volledig beskryf in die metodes en word gekenmerk in aanvullende aantekeninge 1 (skande-elektronmikroskopie), 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 energieversamelingsiklusse word in twee verskillende temperatuursones getoon. Die blou en groen siklusse kom onderskeidelik binne en buite die fase -oorgang voor, 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 briewe ABCD verwys na verskillende state in die Olson -siklus. AB: MLC's is by 20 ° C tot 155 kV cm-1 aangekla. BC: MLC is op 155 kV cm-1 gehandhaaf en die temperatuur is tot 90 ° C verhoog. CD: MLC ontlaai by 90 ° C. DA: MLC verkoel tot 20 ° C in nul veld. Die blou gebied stem ooreen met die insetkrag wat benodig word om die siklus te begin. Die oranje gebied is die energie wat in een siklus versamel is. C, boonste paneel, spanning (swart) en stroom (rooi) teenoor tyd, opgespoor gedurende dieselfde Olson -siklus as b. Die twee insetsels stel die versterking van spanning en stroom by sleutelpunte in die siklus voor. In die onderste paneel stel die geel en groen kurwes onderskeidelik die ooreenstemmende temperatuur- en energiekurwes voor, vir 'n 1 mm dik MLC. Energie word bereken op grond van 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 (addisionele noot 7).
waar E en D die elektriese veld en die elektriese verplasingsveld onderskeidelik is. ND kan indirek vanaf die DE -kring (Fig. 1B) of direk verkry word deur 'n termodinamiese siklus te begin. Die nuttigste metodes is deur Olsen beskryf in sy baanbrekerswerk oor die versameling van pyro -elektriese energie in die 1980's17.
Op fig. 1b toon twee monopolêre DE-lusse van 1 mm dik PST-MLC-monsters wat onderskeidelik by 20 ° C en 90 ° C saamgestel is, oor 'n reeks van 0 tot 155 kV cm-1 (600 V). Hierdie twee siklusse kan gebruik word om die energie wat deur die Olson -siklus versamel is, indirek te bereken. In werklikheid bestaan ​​die Olsen-siklus uit twee Isofield-takke (hier, nulveld in die DA-tak en 155 kV cm-1 in die BC-tak) en twee isotermiese takke (hier, 20 ° с en 20 ° с in die AB-tak). C in die CD -tak) Die energie wat tydens die siklus versamel is, stem ooreen met die oranje en blou streke (EDD -integraal). Die versamelde energie ND is die verskil tussen inset- en uitsetenergie, dit wil sê slegs die oranje oppervlakte 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 noot 7). Aangesien die konstante ladingstadium (oop stroombaan) makliker bereik word, bereik die energiedigtheid uit Fig. 1B (Cycle AB'CD) 1,25 J cm-3. Dit is slegs 70% van wat die Olson -siklus kan versamel, maar eenvoudige oesapparaat doen dit.
Daarbenewens het ons die energie wat tydens die Olson -siklus versamel is, direk gemeet deur die PST MLC aan te wakker met behulp van 'n LinkAM -temperatuurbeheerstadium en 'n bronmeter (metode). Figuur 1c aan die bokant 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 kurwes word in Fig. 1C, onder (groen) en temperatuur (geel) gedurende die hele siklus. Die letters ABCD verteenwoordig dieselfde Olson -siklus in Fig. 1. MLC -lading vind plaas tydens die AB -been en word uitgevoer teen 'n lae stroom (200 µA), dus kan die suurstof die laai behoorlik beheer. Die gevolg van hierdie konstante aanvanklike stroom is dat die spanningskromme (swart kromme) nie lineêr is nie as gevolg van die nie-lineêre potensiële verplasingsveld D PST (Fig. 1C, top-inset). Aan die einde van die laai word 30 MJ elektriese energie in die MLC (punt B) gestoor. Die MLC word dan verhit 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 vergoed, hoewel die stapmonster in die stroombaan en elektriese krag van 35 MJ gedurende hierdie isofield geproduseer is (tweede in Fig. 1C, top). Die spanning op die MLC (tak CD) word dan verminder, wat lei tot 'n ekstra 60 MJ elektriese werk. 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 aan die ND uit die DE-ring onttrek is. Die reproduceerbaarheid van hierdie Olson -siklus is breedvoerig getoets (aanvullende noot 4). Deur verdere spanning en temperatuur te verhoog, het ons 4,43 J cm-3 behaal met behulp van OLSEN-siklusse in 'n 0,5 mm dik PST MLC oor 'n temperatuurbereik van 750 V (195 kV cm-1) en 175 ° C (aanvullende noot 5). Dit is vier keer groter as die beste opvoering 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. Voorbeelde van Tabel 1 vir meer waardes in die literatuur). Hierdie prestasie is bereik as gevolg van die baie lae lekstroom van hierdie MLC's (<10−7 A by 750 V en 180 ° C, sien besonderhede in aanvullende aantekening 6) - 'n belangrike punt wat deur Smith et al.19 genoem is - in teenstelling met die materiale wat in vroeëre studies17,20 gebruik is. Hierdie prestasie is bereik as gevolg van die baie lae lekstroom van hierdie MLC's (<10−7 A by 750 V en 180 ° C, sien besonderhede in aanvullende aantekening 6) - 'n belangrike punt wat deur Smith et al.19 genoem is - in teenstelling met die materiale wat in vroeëre studies17,20 gebruik is. Эти характеристики ыыли дотнны благодаря чень низком т то ттч этих mlc (<10–7 а нр 7 н б и и ° C, с. в дополнительном примечаниce 6) - критический моент, уомянутый ситом и др. 19 - в отличие от к материалам, иолззованныы в боле ранних иследованиях17,20. Hierdie eienskappe is bereik vanweë die baie lae lekkasiestroom van hierdie MLC's (<10-7 A by 750 V en 180 ° C, sien aanvullende aantekening 6 vir meer inligting) - 'n kritieke punt wat deur Smith et al. 19 - In teenstelling met materiale wat in vroeëre 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 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。 Поскольк ток ттечки этих mlc чень низкий (<10–7 а при 750 и и и и ° C, с. Подробности в ди 6) — пр ииce 6) - ключевой м мент, уомянутый ситом и др. 19 - дл сравнения, ыыли достигнуы эти характериsing. Aangesien die lekkasie van hierdie MLC's baie laag is (<10–7 A by 750 V en 180 ° C, sien aanvullende aantekening 6 vir meer inligting) - 'n Sleutelpunt wat deur Smith et al. 19 - Ter vergelyking is hierdie vertonings bereik.aan materiale wat in vroeëre studies 17,20 gebruik is.
Dieselfde voorwaardes (600 V, 20–90 ° C) het op die Stirling -siklus toegepas (aanvullende noot 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 termoelektriese 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).
'N Ander kenmerk van hierdie MLC's is dat dit makroskopiese voorwerpe is wat groot genoeg is om energie in die joule -reeks te versamel. Daarom het ons 'n prototipe-oes (HARV1) gebou met 28 mlc PST 1 mm dik, na aanleiding van dieselfde parallelle plaatontwerp wat deur Torello et al.14 beskryf is, in 'n 7 × 4-matriks soos getoon in Fig. Die hitte-dra-diëlektriese vloeistof in die spruitstuk word verplaas deur 'n peristaltpomp tussen twee reservoirs waar die vloeistoftemperatuur gehou word (metodes). Versamel tot 3,1 J met behulp van die Olson -siklus wat in FIG. 2A, isotermiese streke by 10 ° C en 125 ° C en Isofield-streke 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 verskillende toestande gedoen (Fig. 2B). Let daarop dat 1,8 J verkry is oor 'n temperatuurbereik 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 voorsien. Die rekenaar dryf 'n peristaltiese pomp wat 'n diëlektriese vloeistof tussen die koue en warm reservoirs, twee kleppe en 'n kragbron sirkuleer. Die rekenaar gebruik ook termokoppels om data te versamel oor die spanning en stroom wat aan die prototipe en die temperatuur van die kombinasie van die kragbron voorsien word. B, energie (kleur) versamel deur ons 4 × 7 MLC-prototipe teenoor temperatuurbereik (x-as) en spanning (y-as) in verskillende eksperimente.
'N Groter weergawe van die oes (Harv2) met 60 PST MLC 1 mm dik en 160 pst MLC 0,5 mm dik (41,7 g aktiewe pyro -elektriese materiaal) het 11,2 J (aanvullende noot 8) gegee. In 1984 het Olsen 'n energie-oes gemaak op grond van 317 g van 'n blik-gedopte Pb (Zr, Ti) O3-verbinding wat 6,23 J elektrisiteit kan opwek by 'n temperatuur van ongeveer 150 ° C (ref. 21). Vir hierdie kombinasie is dit die enigste ander waarde wat in die Joule -reeks beskikbaar is. Dit het net meer as die helfte van die waarde wat ons behaal het, en byna sewe keer die kwaliteit. 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 soortgelyke opstelling as HARV1 en HARV2 (aanvullende noot 9). Ons het 'n termaliseringstyd van 12,5 sekondes gemeet. Dit stem ooreen met 'n siklusstyd van 25 s (aanvullende fig. 9). Die versamelde energie (47 MJ) gee 'n elektriese drywing van 1,95 MW per MLC, wat ons weer kan voorstel dat HARV2 0,55 W (ongeveer 1,95 MW × 280 PST MLC 0,5 mm dik) lewer. Daarbenewens het ons hitte -oordrag gesimuleer met behulp van eindige elementsimulasie (COMSOL, aanvullende noot 10 en aanvullende tabelle 2-4) wat ooreenstem met die HARV1 -eksperimente. Eindige elementmodellering het dit moontlik gemaak om kragwaardes byna 'n grootte -orde hoër (430 MW) vir dieselfde aantal PST -kolomme te voorspel deur die MLC tot 0,2 mm te verdun, met water as 'n koelmiddel te gebruik en die matriks tot 7 rye te herstel. × 4 kolomme (benewens, was daar 960 MW toe die tenk langs die Combine, aanvullende Fig. 10b was).
Om die bruikbaarheid van hierdie versamelaar te demonstreer, is 'n Stirling-siklus toegepas op 'n selfstandige betoger wat bestaan ​​uit slegs twee 0,5 mm dik PST MLC's as hitteversamelaars, 'n hoë spanningskakelaar, 'n lae spanningskakelaar met opbergkondensator, 'n DC/DC-omskakelaar, 'n lae-krag-mikrokontroler, twee Thermououples en 'n hupstootkonverter (aanvullende noot 11). Die stroombaan vereis dat die opbergingskondensator aanvanklik op 9V gelaai moet 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 noot 11 getoon. Opvallend is dat twee MLC's wat slegs 0,3 g weeg, hierdie groot stelsel outonoom kan beheer. 'N Verdere interessante kenmerk is dat die lae-spanning-omskakelaar in staat is om 400V na 10-15V te omskep met 79% doeltreffendheid (aanvullende noot 11 en aanvullende Figuur 11.3).
Laastens het ons die doeltreffendheid van hierdie MLC -modules geëvalueer in die omskakeling van termiese energie in elektriese energie. Die kwaliteitsfaktor η van doeltreffendheid word gedefinieer as die verhouding van die digtheid van die versamelde elektriese energie ND tot die digtheid van die meegaande hitte Qin (aanvullende noot 12):
Figuur 3a, b toon die doeltreffendheid η en proporsionele doeltreffendheid ηr van die OLSEN -siklus, onderskeidelik as 'n funksie van die temperatuurbereik van 'n 0,5 mm dik PST MLC. Albei datastelle word gegee vir 'n elektriese veld van 195 kV CM-1. Die doeltreffendheid \ (\ hierdie \) bereik 1,43%, wat gelykstaande is aan 18% van ηr. Vir 'n temperatuurbereik 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 (ηr = 19%) aangeteken is in die temperatuurbereik van 10 K en 300 kV cm-1 (ref. 18). Temperatuurreekse onder 10 K is nie oorweeg nie omdat die termiese histerese van die PST MLC tussen 5 en 8 K is. Die erkenning van die positiewe effek van fase -oorgange op doeltreffendheid is van kritieke belang. In werklikheid word die optimale waardes van η en ηr byna almal verkry by die aanvanklike temperatuur TI = 25 ° C in Fig. 3a, geb. Dit is te danke aan 'n noue fase -oorgang wanneer geen veld toegepas word nie en die Curie -temperatuur TC ongeveer 20 ° C in hierdie MLC's is (aanvullende noot 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 deur 'n veld van 195 kv cm-1 en verskillende aanvanklike temperature, Ti, }} \, \) (b) vir die MPC PST 0,5 mm dik, afhangende van die temperatuurinterval ΔtSpan.
Laasgenoemde waarneming het twee belangrike implikasies: (1) enige effektiewe fietsry moet begin by temperature bo TC vir 'n veld-geïnduseerde fase-oorgang (van paraelektries na ferro-elektries); (2) Hierdie materiale is doeltreffender op loop tye naby TC. Alhoewel grootskaalse doeltreffendheid in ons eksperimente getoon word, kan die beperkte temperatuurreeks nie groot absolute doeltreffendheid bereik nie as gevolg van die Carnot-limiet (\ (\ delta t/t \)). Die uitstekende doeltreffendheid wat deur hierdie PST MLC's getoon word, regverdig Olsen egter wanneer hy noem dat ''n ideale klas 20 -regeneratiewe termoelektriese motor wat by temperature tussen 50 ° C en 250 ° C werk, 'n doeltreffendheid van 30%' kan hê. 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 pyro -elektriese regenerators gebaseer op gedopte PST MLC's of ander materiale met 'n sterk eerste -orde -fase -oorgang met die beste krag -oes kan meeding.
In hierdie studie het ons MLC's van PST ondersoek. Hierdie toestelle bestaan ​​uit 'n reeks PT- en PST -elektrodes, waardeur verskeie kondenseerders parallel gekoppel is. PST is gekies omdat dit 'n uitstekende EG -materiaal is en dus 'n potensieel uitstekende NLP -materiaal is. Dit vertoon 'n skerp eerste-orde ferro-elektriese-paraelektriese fase-oorgang rondom 20 ° C, wat daarop dui dat die entropieveranderings soortgelyk is aan dié wat in Fig. 1 getoon is. 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 albei gevalle is die binneste PST -laag tussen 2,05 μm dik platinumelektrodes geplaas. Die ontwerp van hierdie MLC's veronderstel dat 55% van die PST's aktief is, wat ooreenstem met die deel tussen die elektrodes (aanvullende aantekening 1). Die aktiewe elektrode -area was 48,7 mm2 (aanvullende tabel 5). MLC PST is voorberei volgens vaste fase -reaksie en die 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-Sites, wat die prestasie van EC in PST grootliks beïnvloed. Die volgorde van B-terreine van PST MLC is 0,75 (aanvullende aantekening 2) wat verkry is deur sintering by 1400 ° C, gevolg deur honderde ure lange uitgloeiing by 1000 ° C. Vir meer inligting oor PST MLC, sien aanvullende aantekeninge 1-3 en aanvullende tabel 5.
Die belangrikste konsep van hierdie studie is gebaseer op die Olson -siklus (Fig. 1). Vir so 'n siklus benodig ons 'n warm en koue reservoir en 'n kragbron 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 afkoel wat aan 'n Keithley 2410 -kragbron gekoppel is, 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, gekoop by 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 bo -op die termiese plaat geplaas. Koelopberging bestaan ​​uit 'n waterbad met vloeibare buise wat diëlektriese vloeistof bevat in 'n groot plastiekhouer vol water en ys. Twee drie-rigtingknippie-kleppe (gekoop van Bio-chem-vloeistof) is aan elke einde van die kombinasie geplaas om vloeistof van die een reservoir na 'n ander 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 -skrif bestuur en sinchroniseer alle instrumente (bronmeters, pompe, kleppe en termokoppels) om die regte Olson -siklus te laat loop, dit wil sê die koelmiddellus begin deur die PST -stapel fiets nadat die bronmeter gelaai is, sodat dit op die gewenste toegepaste spannings vir die gegewe Olson -siklus is.
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 is, en deur die gebied tussen twee DE -lusse te bereken, kan 'n mens akkuraat skat hoeveel energie versamel kan word, soos in die figuur getoon. In Figuur 2 .1b. Hierdie DE -lusse word ook met Keithley -bronmeters versamel.
Agt-en-twintig 1 mm dik PST MLC's is in 'n 4-ry, 7-kolom parallel plaatstruktuur saamgestel volgens die ontwerp wat in die verwysing beskryf is. 14. Die vloeistofgaping tussen PST-MLC-rye is 0,75 mm. Dit word bewerkstellig deur stroke dubbelzijdige band by te voeg as vloeistofafstande om die rande van die PST MLC. Die PST MLC is elektries gekoppel parallel met 'n silwer epoxy -brug in kontak met die elektrode -lood. Daarna is drade met silwer epoxyhars aan elke kant van die elektrode -terminale vasgeplak vir verbinding met die kragtoevoer. Ten slotte, plaas die hele struktuur in die polyolefin -slang. Laasgenoemde is aan die vloeistofbuis vasgeplak om behoorlike verseëling te verseker. Uiteindelik is 0,25 mm dik K-tipe termokoppels in elke einde van die PST-MLC-struktuur ingebou om die vloeistoftemperature van die inlaat en uitlaat te monitor. Om dit te kan doen, moet die slang eers geperforeer word. Nadat u die termokoppel geïnstalleer het, moet u dieselfde kleefmiddel aanwend as voorheen tussen die termokoppelslang en draad om die seël te herstel.
Agt afsonderlike prototipes is gebou, waarvan vier 40 0,5 mm dik MLC PST's versprei het as parallelle plate met 5 kolomme en 8 rye, en die oorblywende vier het 15 1 mm dik MLC PST's elk gehad. In 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 dubbelzijdige bande van 0,25 mm dik met 'n draad 0,25 mm dik tussen hulle. Vir die HARV2_60 -prototipe het ons dieselfde prosedure herhaal, maar met 0,38 mm dik draad. Vir simmetrie het Harv2_160 en Harv2_60 hul eie vloeistofbane, pompe, kleppe en koue kant (aanvullende aantekening 8). Twee Harv2 -eenhede deel 'n hitte -reservoir, 'n 3 liter -houer (30 cm x 20 cm x 5 cm) op twee warm plate met roterende magnete. Al agt individuele prototipes is elektries parallel verbind. Die Harv2_160- en Harv2_60 -subeenhede werk gelyktydig in die Olson -siklus, wat lei tot 'n energie -oes van 11.2 J.
Plaas 0,5 mm dik PST MLC in polyolefin -slang met dubbelzijdige band en draad aan beide kante om ruimte vir vloeistof te skep. Vanweë die klein grootte, is die prototipe langs 'n warm of koue reservoirklep geplaas, wat die siklusstye verminder.
In PST MLC word 'n konstante elektriese veld toegepas deur 'n konstante spanning op die verwarmingsvertakking aan te wend. As gevolg hiervan word 'n negatiewe termiese stroom opgewek en word energie gestoor. Nadat die PST MLC verhit is, word die veld verwyder (V = 0), en die energie wat daarin gestoor word, word teruggekeer na die bronneller, wat ooreenstem met nog een bydrae van die versamelde energie. Uiteindelik, met 'n spanning V = 0 wat toegepas word, word die MLC PST's tot hul aanvanklike temperatuur afgekoel sodat die siklus weer kan begin. Op hierdie stadium word energie nie versamel nie. Ons het die OLSEN -siklus bestuur met behulp van 'n Keithley 2410 -suurstof, wat die PST MLC van 'n spanningsbron opgelaai het en die huidige pasmaat op die toepaslike waarde gestel het, sodat genoeg punte tydens die laadfase versamel is vir betroubare energieberekeninge.
In Stirling -siklusse is PST MLC's in die spanningsbronmodus gelaai teen 'n aanvanklike elektriese veldwaarde (aanvanklike spanning VI> 0), 'n gewenste nakomingsstroom, sodat die laaistap ongeveer 1 s duur (en genoeg punte word versamel vir 'n betroubare berekening van die energie) en koue temperatuur. In Stirling -siklusse is PST MLC's in die spanningsbronmodus gelaai teen 'n aanvanklike elektriese veldwaarde (aanvanklike spanning VI> 0), 'n gewenste nakomingsstroom, sodat die laaistap ongeveer 1 s duur (en genoeg punte word versamel vir 'n betroubare berekening van die energie) en koue temperatuur. В циклах стирлинга PST MLC заряжались в р жиме истчника напряжения при начальном зззчиce эликчомогочониane эляяиaardig ээляияяииaklik эяяioriteit эяяioriteit (начальное; количество точек для надежного рччета энергия) и холодная темератуа. 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 gewenste opbrengstroom, sodat die laadstadium ongeveer 1 s (en 'n voldoende aantal punte vir 'n betroubare energieberekening) en koue temperatuur neem.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 hoofsiklus word die PST MLC op die aanvanklike elektriese veldwaarde (aanvanklike spanning VI> 0) in die spanningsbronmodus gelaai, sodat die vereiste nakomingsstroom ongeveer 1 sekonde vir die laaistap neem (en ons het genoeg punte versamel om betroubaar te bereken (energie) en lae temperatuur. В цикле стирлинга pst mlc заряжается в р жиме истчника напряжения с с члы з ззчч (ээчннччо (п (п) ; количество точек, чojeы надежно рсчитать энергию) и низкие темературы. 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 nakomingsstroom is sodanig dat die laadstadium ongeveer 1 s neem (en 'n voldoende aantal punte word versamel om die energie betroubaar te bereken) en lae temperature.Voordat die PST MLC opwarm, maak die stroombaan oop deur 'n bypassende stroom van I = 0 mA toe te pas (die minimum ooreenstemmende stroom wat ons meetbron kan hanteer, is 10 NA). As gevolg hiervan bly 'n lading in die PST van die MJK, en die spanning neem toe namate die monster verhit. Geen energie word in arm BC versamel nie, want i = 0 mA. Nadat u 'n hoë temperatuur bereik het, neem die spanning in die MLT FT toe (in sommige gevalle meer as 30 keer, sien addisionele Fig. 7.2), word die MLK FT ontslaan (V = 0), en elektriese energie word daarin gestoor vir dieselfde as die aanvanklike lading. Dieselfde huidige korrespondensie word na die meterbron teruggestuur. As gevolg van spanningswins, is die gestoorde energie by hoë temperatuur hoër as wat aan die begin van die siklus voorsien is. Gevolglik word energie verkry deur hitte in elektrisiteit te omskep.
Ons het 'n Keithley 2410 -suurstof gebruik om die spanning en stroom wat op die PST MLC toegepas is, te monitor. Die ooreenstemmende energie word bereken deur die produk van spanning en stroom te integreer deur die bronmeter van Keithley, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {meas))} \ links (t \ regs) {v} _ {{{{{}}}}} (t) {{{{{}}}}}} \) τ is die periode van die periode. 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 is. Die relatiewe krag vir 'n gegewe versamelingsiklus word bepaal deur die versamelde energie met die periode τ van die hele siklus te deel.
Alle data word in die hoofteks of in addisionele inligting aangebied. Briewe en versoeke vir materiaal moet gerig word aan die bron van die AT- of ED -data wat by hierdie artikel verskaf word.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC 'n Oorsig van die ontwikkeling en toepassings van termoelektriese mikrogenerators vir energie -oes. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC 'n Oorsig van die ontwikkeling en toepassings van termoelektriese mikrogenerators vir energie -oes.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo en Henao, NC -oorsig van die ontwikkeling en toepassing van termoelektriese 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 termoelektriese mikrogenerators vir energie -oes.hervat. ondersteuning. Energy 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 Solar Materials: huidige doeltreffendheid en toekomstige uitdagings.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. en Sinke, VK fotovoltaïese materiale: huidige prestasie en toekomstige uitdagings.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Gekondigde pyro-piëzo-elektriese effek vir selfaangedrewe gelyktydige temperatuur en drukwaarneming. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Conjunct pyro-piëzo-elektriese effek vir selfaangedrewe gelyktydige temperatuur en drukwaarneming.Song K., Zhao R., Wang Zl en Yan Yu. Gekombineerde pyropiezo -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 selfverskaffing op dieselfde tyd as temperatuur en druk.Song K., Zhao R., Wang Zl en Yan Yu. Gekombineerde termopiezo -elektriese effek vir outonome gelyktydige meting van temperatuur en druk.Vorentoe. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energie -oes gebaseer op Ericsson -pyro -elektriese siklusse in 'n ontspanningsferro -elektriese keramiek. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energie -oes gebaseer op Ericsson -pyro -elektriese siklusse in 'n ontspanningsferro -elektriese keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energie -oes gebaseer op pyro -elektriese Ericsson -siklusse in ontspanningsferro -elektriese keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energie -oes in ontspanningsferro -elektriese keramiek gebaseer op Ericsson -pyro -elektriese fietsry. Slim alma mater. struktuur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW volgende generasie elektrokaloriese en pyro-elektriese materiale vir elektrotermiese energie-interkonversie met vaste toestand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW volgende generasie elektrokaloriese en pyro-elektriese materiale vir elektrotermiese energie-interkonversie met vaste toestand. ALPay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinStry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокалорbed взаимного преобразования тердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW volgende generasie elektrokaloriese en pyro-elektriese materiale vir elektrotermiese energie-interconversie van vaste toestand. 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 электрокалорbed взаимного преобразования тердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW volgende generasie elektrokaloriese en pyro-elektriese materiale vir elektrotermiese energie-interconversie van vaste toestand.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standaard en figuur-van-merit vir die kwantifisering van die prestasie van pyro-elektriese nanogenerators. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standaard en figuur-van-merit vir die kwantifisering van die prestasie van pyro-elektriese nanogenerators.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl en Yang, Yu. 'N Standaard- en kwaliteit telling vir die kwantifisering van die prestasie van pyro -elektriese 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 prestasiemaatstawwe vir die kwantifisering van die uitvoering van 'n pyro -elektriese nanogenerator.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND elektrokaloriese verkoelingsiklusse in loodskandium tantalaat met ware regenerasie via veldvariasie. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND elektrokaloriese verkoelingsiklusse in loodskandium tantalaat met ware regenerasie via veldvariasie.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. en Mathur, ND elektrokaloriese verkoelingsiklusse in loodskandium 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 ， 通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & 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. en Mathur, ND 'n Elektrotermiese verkoelingsiklus van Scandium-lood tantalaat vir ware wedergeboorte deur veldomkeer.Fisika -eerw. 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 Ferroid-fase-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 ysterhoudende metallurgie.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND Termiese materiale naby ysterfase-oorgange.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kalorie -materiale vir verkoeling en verwarming. Moya, X. & Mathur, ND Kalorie -materiale vir verkoeling en verwarming.Moya, X. en Mathur, ND -termiese materiale vir verkoeling en verwarming. 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 verwarming.Moya X. en Mathur ND -termiese materiale vir verkoeling en verwarming.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & DeFay, E. Elektrokaloriese koelers: 'n oorsig. Torelló, A. & DeFay, E. Elektrokaloriese koelers: 'n oorsig.Torello, A. en 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. en DeFay, E. Elektrotermiese koelers: '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. Nasionale kommunikasie. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Die elektrotermiese effek van oksied -meerlaag -kondensators is groot oor 'n wye temperatuurbereik. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Groot temperatuurbereik in elektrotermiese regenerators. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Hoë werkverrigting Solidtoestand elektrotermiese verkoelingstelsel. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskade elektrotermiese verkoelingstoestel vir groot temperatuurstygings. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High Efficieincy Direkte omskakeling van hitte na elektriese energie-verwante pyro-elektriese metings. Olsen, RB & Brown, DD Hoë-doeltreffendheid Direkte omskakeling van hitte na elektriese energieverwante pyro-elektriese metings.Olsen, Rb en ​​Brown, DD hoogs doeltreffende direkte omskakeling van hitte in elektriese energie wat verband hou met pyro -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 wat verband hou met pyro -elektriese metings.Ferro -elektrisiteit 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energie- en kragdigtheid in dun ontspanningsferro -elektriese films. Nasionale alma mater. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM het pyro -elektriese omskakeling gekaskadeer: die ferro -elektriese fase -oorgang en elektriese verliese optimaliseer. Smith, An & Hanrahan, BM het pyro -elektriese omskakeling gekaskadeer: die ferro -elektriese fase -oorgang en elektriese verliese optimaliseer.Smith, An en Hanrahan, BM het pyro -elektriese omskakeling gekaskadeer: ferro -elektriese 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 het pyro -elektriese omskakeling gekaskadeer: optimalisering van ferro -elektriese fase -oorgange en elektriese verliese.J. Aansoek. fisika. 128, 24103 (2020).
Hoch, sr Die gebruik van ferro -elektriese materiale om termiese energie in elektrisiteit te omskep. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulsea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulsea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Dulsea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulea, J. 级联热释电能量转换器。 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dulea, J. 级联热释电能量转换器。 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Dulsea, J. Cascaded Pyrolectric Power Converters.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Op lood-scandium tantalaat vaste oplossings met 'n hoë elektrokaloriese effek. Shebanov, L. & Borman, K. Op lood-scandium tantalaat vaste oplossings met 'n hoë elektrokaloriese effek.Shebanov L. en Borman K. Op vaste oplossings van loodskandium 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。 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. op SCANDIUM-LOOD-SCANDIUM SOLID OPLOSSINGS met 'n hoë elektrokaloriese effek.Ferro -elektrisiteit 127, 143–148 (1992).
Ons bedank N. Furusawa, Y. Inoue en K. Honda vir hul hulp om die MLC te skep. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB en ED Danksy die Luxemburg National Research Foundation (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, Luxemburg Institute of Technology (List), Belvoir, Luxemburg