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 termo-elektriese1, fotovoltaïese2 en termofotovoltaïese3. Alhoewel ons nie materiale en toestelle het wat in staat is om energie in die Joule-reeks te oes nie, word piro-elektriese materiale wat elektriese energie in periodieke temperatuurveranderinge kan omskakel, as sensors4 en energiestropers5,6,7 beskou. Hier het ons 'n makroskopiese termiese energie-stroper ontwikkel in die vorm van 'n meerlaag kapasitor 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 wys ook dat twee sulke modules wat 0,3 g weeg genoeg is om deurlopend outonome energie-stropers met ingeboude mikrobeheerders en temperatuursensors aan te dryf. Ten slotte wys ons dat vir 'n temperatuurreeks van 10 K, hierdie meerlaagkapasitors 40% Carnot-doeltreffendheid kan bereik. Hierdie eienskappe is te wyte aan (1) ferro-elektriese faseverandering vir hoë doeltreffendheid, (2) lae lekstroom om verliese te voorkom, en (3) hoë deurbreekspanning. Hierdie makroskopiese, skaalbare en doeltreffende piro-elektriese kragstropers is besig om termo-elektriese kragopwekking te herverbeeld.
In vergelyking met die ruimtelike temperatuurgradiënt wat benodig word vir termo-elektriese materiale, vereis energie-oes van termo-elektriese materiale temperatuursiklus 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 dele van die siklus op die ST-diagram stem ooreen met die omgeskakelde elektriese energie in die Olson-siklus (twee isotermiese en twee isopoolseksies). 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 is die versamelde energie. Daarom moet die fase-oorgang meer energie versamel. Die behoefte aan groot area fietsry in NLP stem baie ooreen met die behoefte vir elektrotermiese toepassings9, 10, 11, 12 waar PST multilaag kapasitors (MLCs) en PVDF-gebaseerde terpolimere onlangs uitstekende omgekeerde werkverrigting getoon het. verkoelingsprestasiestatus in siklus 13,14,15,16. 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 energieversamelingsiklusse 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 20 °C en 90 °C, onderskeidelik, 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 by 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 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 word. c, boonste paneel, spanning (swart) en stroom (rooi) teenoor tyd, nagespoor tydens dieselfde Olson-siklus as b. Die twee insetsels verteenwoordig die versterking van spanning en stroom by sleutelpunte in die siklus. In die onderste paneel verteenwoordig die geel en groen kurwes onderskeidelik die ooreenstemmende temperatuur- en energiekrommes vir 'n 1 mm dik MLC. Energie word bereken uit die stroom- en spanningskrommes 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 nota 7).
waar E en D onderskeidelik die elektriese veld en die elektriese verplasingsveld is. Nd kan indirek verkry word vanaf die DE-kring (Fig. 1b) of direk deur 'n termodinamiese siklus te begin. Die nuttigste metodes is deur Olsen beskryf in sy baanbrekerswerk oor die insameling van piro-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 indirek die energie te bereken wat deur die Olson-siklus getoon word in Figuur 1a. 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°С en 20°С in die AB-tak) . C in die CD-tak) Die energie wat tydens die siklus ingesamel word, stem ooreen met die oranje en blou streke (EdD-integraal). Die versamelde energie Nd is die verskil tussen inset- en uitsetenergie, dws 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 ingesamel is, direk gemeet deur die PST MLC te bekragtig 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) ingesamel op dieselfde 1 mm dik PST MLC as vir die DE-lus wat deur dieselfde Olson-siklus gaan. Die stroom en spanning maak dit moontlik om die ingesamelde energie te bereken, en die kurwes word in fig. 1c, onderkant (groen) en temperatuur (geel) regdeur die siklus. Die letters ABCD verteenwoordig dieselfde Olson-siklus in Fig. 1. MLC-laai vind plaas tydens die AB-been en word uitgevoer teen 'n lae stroom (200 µA), sodat SourceMeter laai behoorlik kan beheer. Die gevolg van hierdie konstante aanvanklike stroom is dat die spanningskromme (swartkromme) nie lineêr is nie as gevolg van die nie-lineêre potensiaalverplasingsveld D PST (Fig. 1c, boonste insetsel). Aan die einde van laai word 30 mJ elektriese energie in die MLC (punt B) gestoor. Die MLC word dan warm 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, alhoewel die stapmonster geproduseer in die stroombaan 'n elektriese drywing van 35 mJ gedurende hierdie isoveld (tweede insetsel in Fig. 1c, bo). Die spanning op die MLC (tak-CD) word dan verminder, wat 'n bykomende 60 mJ se elektriese werk tot gevolg het. Die totale uitsetenergie is 95 mJ. Die ingesamelde 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 is wat uit die DE-ring onttrek word. Die reproduceerbaarheid van hierdie Olson-siklus is omvattend 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 gerapporteer is vir direkte Olson-siklusse en is verkry op dun films van Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Aanvullende) Tabel 1 vir meer waardes in die literatuur). Hierdie werkverrigting 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 Nota 6) - 'n deurslaggewende punt wat deur Smith et al.19 genoem word - daarteenoor aan die materiaal wat in vroeëre studies gebruik is17,20. Hierdie werkverrigting 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 Nota 6) - 'n deurslaggewende punt wat deur Smith et al.19 genoem word - daarteenoor aan die materiaal wat in vroeëre studies gebruik is17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 Апри при 750 В ± 180 В и олнительном 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 by 750 V en 180 °C, sien Aanvullende Nota 6 vir besonderhede) – 'n kritieke punt wat deur Smith et al. 19 – in teenstelling met materiaal 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,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 䡥兎 6 说）））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 且之下下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下觧比之丈缌巺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 дополнитель) — 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 by 750 V en 180 °C, sien aanvullende nota 6 vir besonderhede) – 'n sleutelpunt wat deur Smith et al. 19 – ter vergelyking is hierdie prestasies behaal.tot materiale wat in vroeëre studies gebruik is 17,20.
Dieselfde toestande (600 V, 20–90 °C) het op die Stirling-siklus gegeld (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 beginspanning 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 stroper (HARV1) met 28 MLC PST 1 mm dik gebou, volgens dieselfde parallelle plaatontwerp soos beskryf deur Torello et al.14, in 'n 7×4 matriks soos getoon in Fig. Die hittedraende diëlektriese vloeistof in die spruitstuk word deur 'n peristaltiese pomp tussen twee reservoirs verplaas waar die vloeistoftemperatuur konstant gehou word (metode). Versamel tot 3.1 J deur die Olson-siklus wat in fig. 2a, 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 hierdie stroper is metings onder verskeie toestande geneem (Fig. 2b). Let daarop dat 1.8 J oor 'n temperatuurreeks van 80 °C en 'n spanning van 600 V (155 kV cm-1) verkry is. 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 verskaf word en die temperatuur van die stroper vanaf die kragtoevoer. b, Energie (kleur) ingesamel deur ons 4×7 MLC-prototipe teenoor temperatuurreeks (X-as) en spanning (Y-as) in verskillende eksperimente.
’n Groter weergawe van die stroper (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 (Aanvullende Nota 8) gegee. In 1984 het Olsen 'n energie-stroper gemaak wat gebaseer is op 317 g van 'n tin-gedopte Pb(Zr,Ti)O3-verbinding wat in staat is om 6,23 J elektrisiteit op te wek by 'n temperatuur van ongeveer 150 °C (verw. 21). Vir hierdie stroper 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 gekry. 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 een stap verder te neem, het ons 'n derde stroper (HARV3) gebou met 'n 0,5 mm dik PST MLC en soortgelyke opstelling as HARV1 en HARV2 (Aanvullende Nota 9). Ons het 'n termalisasietyd 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 drywing van 1,95 mW per MLC, wat ons weer toelaat om ons voor te stel dat HARV2 0,55 W (ongeveer 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm dik) produseer. Daarbenewens het ons hitte-oordrag gesimuleer deur gebruik te maak van Eindige Element Simulasie (COMSOL, Aanvullende Nota 10 en Aanvullende Tabelle 2-4) wat ooreenstem met die HARV1 eksperimente. Eindige element-modellering het dit moontlik gemaak om drywingswaardes byna 'n orde van grootte hoër (430 mW) vir dieselfde aantal PST-kolomme te voorspel deur die MLC tot 0,2 mm te verdun, water as koelmiddel te gebruik en die matriks na 7 rye te herstel . × 4 kolomme (bykomend tot , 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 demonstreerder wat bestaan ​​uit slegs twee 0,5 mm dik PST MLC's as hittekollektors, 'n hoëspanningskakelaar, 'n laespanningskakelaar met bergingskapasitor, 'n GS/GS-omsetter , 'n lae krag mikrobeheerder, twee termokoppels en hupstoot-omskakelaar (Aanvullende nota 11). Die stroombaan vereis dat die stoorkapasitor 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 laespanning-omsetter 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 in 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 gelewerde hitte Qin (Aanvullende nota 12):
Figure 3a,b toon die doeltreffendheid η en proporsionele doeltreffendheid ηr van die Olsen-siklus, onderskeidelik, 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 \(\hierdie\) 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 kromme in Fig. 3b). Dit is twee keer die bekende waarde vir NLP-materiaal aangeteken in PMN-PT-films (ηr = 19%) in die temperatuurreeks van 10 K en 300 kV cm-1 (Verw. 18). Temperatuurreekse onder 10 K is nie oorweeg nie omdat die termiese histerese van die PST MLC tussen 5 en 8 K is. Herkenning 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 is in hierdie MLC's (Aanvullende nota 13).
a,b, die doeltreffendheid η en die proporsionele doeltreffendheid van die Olson-siklus (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } vir die maksimum elektriese deur 'n veld van 195 kV cm-1 en verskillende aanvanklike temperature Ti, }}\,\)(b) vir die MPC PST 0.5 mm dik, afhangende van die temperatuur interval ΔTspan.
Laasgenoemde waarneming het twee belangrike implikasies: (1) enige effektiewe siklus moet begin by temperature bo TC vir 'n veld-geïnduseerde fase-oorgang (van para-elektries na ferro-elektries) om plaas te vind; (2) hierdie materiale is meer doeltreffend tydens hardlooptye naby aan TC. Alhoewel grootskaalse doeltreffendheid in ons eksperimente getoon word, laat die beperkte temperatuurreeks ons nie toe om groot absolute doeltreffendheid te bereik nie as gevolg van die Carnot-limiet (\(\Delta T/T\)). Die uitstekende doeltreffendheid wat deur hierdie PST MLC's gedemonstreer word, regverdig Olsen egter 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, sal 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-dotering) tot 33°C (Ti-dotering) 22 . Daarom veronderstel ons dat volgende generasie piro-elektriese heropwekkers gebaseer op gedoteerde PST MLC's of ander materiale met 'n sterk eerste-orde fase-oorgang met die beste kragstropers kan meeding.
In hierdie studie het ons MLC's wat van PST gemaak is, ondersoek. Hierdie toestelle bestaan ​​uit 'n reeks Pt- en PST-elektrodes, waardeur verskeie kapasitors in parallel gekoppel is. PST is gekies omdat dit 'n uitstekende EC-materiaal is en dus 'n potensieel uitstekende NLP-materiaal. Dit vertoon 'n skerp eerste-orde ferro-elektriese-para-elektriese fase-oorgang rondom 20 °C, wat aandui dat sy 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 onderskeidelik 19 en 9 lae PST met 'n dikte van 38.6 µm. In beide gevalle is die binneste PST-laag tussen 2.05 µm dik platinumelektrodes geplaas. Die ontwerp van hierdie MLC's neem aan dat 55% van die PST's aktief is, wat ooreenstem met die deel tussen die elektrodes (Aanvullende Nota 1). Die aktiewe elektrode-area was 48.7 mm2 (Aanvullende Tabel 5). MLC PST is voorberei deur vaste fase reaksie 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-webwerwe, wat die prestasie 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 Aantekeninge 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 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 verkoel 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 van Sigma Aldrich) gebruik vir hitte-uitruiling tussen die twee reservoirs (warm en koud) en die MLC. Die termiese reservoir bestaan ​​uit 'n glashouer wat met diëlektriese vloeistof gevul is en bo-op die termiese plaat geplaas word. Koueberging bestaan ​​uit 'n waterbad met vloeibare buise wat diëlektriese vloeistof bevat in 'n groot plastiekhouer gevul met water en ys. Twee drierigting-knypkleppe (gekoop van Bio-Chem Fluidics) is aan elke kant van die stroper 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, dws die koelmiddellus begin deur die PST-stapel loop nadat die bronmeter gelaai is sodat hulle op die verlangde verhit word. aangewende spanning vir gegewe Olson-siklus.
Alternatiewelik het ons hierdie direkte metings van ingesamelde 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 oppervlakte tussen twee DE-lusse te bereken, kan mens akkuraat skat hoeveel energie versamel kan word, soos in die figuur getoon . in figuur 2. .1b. Hierdie DE-lusse word ook met behulp van Keithley-bronmeters versamel.
Agt-en-twintig 1 mm dik PST MLC's is saamgestel in 'n 4-ry, 7-kolom parallelle plaatstruktuur 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 dubbelzijdige band by te voeg as vloeibare spasies om die kante van die PST MLC. Die PST MLC is elektries in parallel gekoppel met 'n silwer epoksiebrug in kontak met die elektrode leidings. Daarna is drade met silwer epoksiehars aan elke kant van die elektrodeterminale vasgeplak vir aansluiting by 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. Nadat die termokoppel geïnstalleer is, wend dieselfde gom aan 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 PSTs gehad het wat as parallelle plate met 5 kolomme en 8 rye versprei is, en die oorblywende vier het elk 15 1 mm dik MLC PSTs 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 van 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 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 in parallel gekoppel. 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 poliolefienslang met dubbelzijdige kleefband en draad aan beide kante om ruimte te skep vir vloeistof om te vloei. Weens sy klein grootte is die prototipe langs 'n warm of koue reservoirklep geplaas, wat siklustye tot die minimum beperk.
In PST MLC word 'n konstante elektriese veld toegepas deur 'n konstante spanning aan die verwarmingstak toe te pas. As gevolg hiervan word 'n negatiewe termiese stroom opgewek en energie word gestoor. Nadat die PST MLC verhit is, word die veld verwyder (V = 0), en die energie wat daarin gestoor is, word teruggestuur na die bronteller, wat ooreenstem met nog een 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. Op hierdie stadium word energie nie versamel nie. Ons het die Olsen-siklus uitgevoer met behulp van 'n Keithley 2410 SourceMeter, wat die PST MLC vanaf 'n spanningsbron laai en die huidige passing op die toepaslike waarde gestel het 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 gewenste voldoeningsstroom sodat die laaistap ongeveer 1 s neem (en genoeg punte word versamel 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 gewenste voldoeningsstroom sodat die laaistap ongeveer 1 s neem (en genoeg punte word versamel vir 'n betroubare berekening van die energie) en koue temperatuur. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электриче > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (en набирается достаточное колич та 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 laaistadium ongeveer 1 s neem (en 'n voldoende aantal punte ingesamel word 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（初始电压顔锔电压顔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 teen die aanvanklike elektriese veldwaarde (aanvanklike spanning Vi > 0) in die spanningsbronmodus gelaai, 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. ' ение vi> 0), требеый ток податening оы надежно рачитать 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 voldoeningsstroom is sodanig dat die laaistadium ongeveer 1 s neem (en 'n voldoende aantal punte word ingesamel om die energie betroubaar te bereken) en lae temperature .Voordat die PST MLC opwarm, 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). As gevolg hiervan bly 'n lading in die PST van die MJK, 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 addisionele fig. 7.2), die MLK FT word ontlaai (V = 0), en elektriese energie word in hulle gestoor vir dieselfde aangesien dit die aanvanklike aanklag is. Dieselfde huidige korrespondensie word na die meter-bron teruggestuur. 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 gelees deur Keithley se bronmeter te integreer, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ links(t\ regs){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), waar τ die tydperk van die periode is. Op ons energiekromme 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 drywing vir 'n gegewe versamelingsiklus word bepaal deur die ingesamelde energie deur die periode τ van die hele siklus te deel.
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 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.hervat. ondersteun. 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 Sonkragmateriaal: 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. Gekombineerde pyro-piezo-elektriese effek vir selfaangedrewe 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 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 selfversorging op dieselfde tyd 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.Vorentoe. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energie-oes gebaseer op Ericsson piro-elektriese siklusse in 'n relaxor ferro-elektriese keramiek. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energie-oes gebaseer op Ericsson piro-elektriese siklusse in 'n relaxor ferro-elektriese keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energie-oes 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 fietsry. Slim alma mater. struktuur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende-generasie elektrokalorie en piro-elektriese materiale vir soliede-toestand elektrotermiese energie interomskakeling. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende-generasie elektrokalorie en piro-elektriese materiale vir soliede-toestand elektrotermiese energie interomskakeling. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generasie elektrokaloriese en piro-elektriese materiale vir vaste toestand 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 ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generasie elektrokaloriese en piro-elektriese materiale vir vaste toestand elektrotermiese energie interomskakeling.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en syfer van verdienste vir die kwantifisering van die werkverrigting van piro-elektriese nanogenerators. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en syfer van verdienste vir die kwantifisering van die werkverrigting van piro-elektriese nanogenerators.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL en Yang, Yu. 'n Standaard- en kwaliteittelling vir die kwantifisering van die werkverrigting van piro-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 werkverrigting van 'n piro-elektriese nanogenerator.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriese verkoelingsiklusse in loodskandiumtantalaat met ware herlewing via veldvariasie. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriese verkoelingsiklusse in loodskandiumtantalaat met ware herlewing via veldvariasie.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. en Mathur, ND Elektrokaloriese verkoelingsiklusse in lood-skandiumtantalaat 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-loodtantalaat vir ware herlewing deur veldomkering.fisika Ds X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriese materiale naby ferroiese fase-oorgange. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriese materiale naby ferroiese 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 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 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.Science 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 resensie. 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 resensie.Gevorderd. elektronies. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme energie-doeltreffendheid van elektrokaloriese materiaal in hoogs geordende skandium-skandium-lood. Nasionale kommunikeer. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Die elektrotermiese effek van oksied meerlaag kapasitors is groot oor 'n wye temperatuur reeks. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Groot temperatuurreeks in elektrotermiese heropwekkers. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Hoë werkverrigting vaste toestand elektrotermiese verkoelingstelsel. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskade elektrotermiese verkoelingstoestel vir groot temperatuurstyging. Nasionale Energie 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 piro-elektriese metings.Olsen, RB en Brown, DD Hoogs doeltreffende direkte omskakeling van hitte in 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 wat verband hou met piro-elektriese metings.Ferroelectrics 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 Gekaskadede piro-elektriese omskakeling: optimalisering van die ferro-elektriese fase-oorgang en elektriese verliese. Smith, AN & Hanrahan, BM Gekaskadede piro-elektriese omskakeling: optimalisering van die ferro-elektriese fase-oorgang en elektriese verliese.Smith, AN en Hanrahan, BM Gekaskadede piro-elektriese omskakeling: ferro-elektriese fase-oorgang en elektriese verlies-optimalisering. 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 Gekaskadede piro-elektriese omskakeling: 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 om te skakel. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded pyro-elektriese energie-omskakelaar. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded pyro-elektriese energie-omskakelaar.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en 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 en Dullea, J. Cascaded pyro-elektriese kragomsetters.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Op lood-skandium tantalaat vaste oplossings met 'n hoë elektrokalorie effek. Shebanov, L. & Borman, K. Op lood-skandium tantalaat vaste oplossings met 'n hoë elektrokalorie effek.Shebanov L. en Borman K. Oor vaste oplossings van lood-skandiumtantalaat met 'n hoë elektrokalorie-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. Op skandium-lood-skandium vaste oplossings met 'n hoë elektrokalorie effek.Ferroelectrics 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 van Materiaalnavorsing en Tegnologie, Luxemburgse Instituut vir Tegnologie (LYS), Belvoir, Luxemburg