Предлагането на устойчиви източници на електроенергия е едно от най -важните предизвикателства на този век. Изследователските области в материалите за събиране на енергия произтичат от тази мотивация, включително Thermoelectric1, Photovoltaic2 и Thermophotovoltaics3. Въпреки че ни липсват материали и устройства, способни да събират енергия в обхвата на Joule, пироелектрическите материали, които могат да преобразуват електрическата енергия в периодични температурни промени, се считат за сензори4 и енергийни реколта5,6,7. Тук сме разработили макроскопичен комбайн с термична енергия под формата на многослоен кондензатор, изработен от 42 грама оловен скандий танталат, произвеждайки 11,2 J електрическа енергия на термодинамичен цикъл. Всеки пироелектрически модул може да генерира електрическа енергийна плътност до 4,43 J CM-3 на цикъл. Също така показваме, че два такива модула с тегло 0,3 g са достатъчни за непрекъснато захранване на автономни енергийни комбайни с вградени микроконтролери и температурни сензори. И накрая, показваме, че за температурен диапазон от 10 K, тези многослойни кондензатори могат да достигнат 40% ефективност на Carnot. Тези свойства се дължат на (1) промяна на фероелектричната фаза за висока ефективност, (2) ток с нисък изтичане за предотвратяване на загуби и (3) високо напрежение на разрушаване. Тези макроскопични, мащабируеми и ефективни пиероелектрични комбайни за енергия преосмислят генерирането на термоелектрическа енергия.
В сравнение с градиента на пространствената температура, необходим за термоелектрическите материали, събирането на енергия на термоелектрическите материали изисква температурно колоездене във времето. Това означава термодинамичен цикъл, който е най-добре описан от диаграмата на ентропията (S) -температурата (T). Фигура 1А показва типичен ST график на нелинеен пироелектричен (NLP) материал, демонстриращ полеви фероелектрично-параелектричен фазов преход в скандий оловен танталат (PST). Сините и зелените участъци на цикъла на ST диаграмата съответстват на преобразуваната електрическа енергия в цикъла на Olson (две изотермични и две изополни участъка). Тук разглеждаме два цикъла със същата промяна на електрическото поле (полето на полето) и промяна на температурата ΔT, макар и с различни първоначални температури. Зеленият цикъл не е разположен във фазовия преходен регион и по този начин има много по -малка площ от синия цикъл, разположен във фазовия преходен регион. На диаграмата ST, колкото по -голяма е площта, толкова по -голяма е събраната енергия. Следователно фазовият преход трябва да събира повече енергия. Необходимостта от колоездене с големи площи в NLP е много подобна на необходимостта от електротермални приложения9, 10, 11, 12, където PST многослойните кондензатори (MLCs) и терполимерите на базата на PVDF наскоро показаха отлична обратна ефективност. Състояние на производителността на охлаждане в цикъл 13,14,15,16. Следователно, ние идентифицирахме PST MLC от интерес за прибиране на топлинната енергия. Тези проби са описани напълно в методите и се характеризират в допълнителни бележки 1 (сканираща електронна микроскопия), 2 (рентгенова дифракция) и 3 (калориметрия).
A, Скица на ентропия (и)-температура (T) с електрическо поле върху и изключване, приложено към NLP материали, показващи фазови преходи. Два цикъла на събиране на енергия са показани в две различни температурни зони. Сините и зелените цикли се срещат съответно във и извън фазовия преход и завършват в много различни региони на повърхността. B, два DE PST MLC еднополярни пръстени, с дебелина 1 mm, измерени между 0 и 155 kV cm-1 при 20 ° C и 90 ° C, съответно и съответните цикли на OLSEN. Буквите ABCD се отнасят до различни състояния в цикъла на Олсън. AB: MLCs се таксуват до 155 kV cm-1 при 20 ° C. BC: MLC се поддържа при 155 kV cm-1 и температурата се повишава до 90 ° C. CD: MLC изхвърля при 90 ° C. DA: MLC охладен до 20 ° C в нулево поле. Синята зона съответства на входната мощност, необходима за стартиране на цикъла. Оранжевата зона е енергията, събрана в един цикъл. C, горен панел, напрежение (черно) и ток (червено) спрямо времето, проследени по време на същия цикъл на Olson като b. Двете вложки представляват усилването на напрежението и тока в ключови точки в цикъла. В долния панел жълтите и зелените криви представляват съответно съответните температурни и енергийни криви, за MLC с дебелина 1 mm. Енергията се изчислява от кривите на тока и напрежението на горния панел. Отрицателната енергия съответства на събраната енергия. Стъпките, съответстващи на капиталовите букви в четирите фигури, са същите като в цикъла на Олсън. Цикълът AB'CD съответства на цикъла на Стърлинг (допълнителна бележка 7).
където E и D са съответно електрическото поле и полето за електрическо изместване. ND може да се получи косвено от DE веригата (фиг. 1B) или директно чрез стартиране на термодинамичен цикъл. Най -полезните методи бяха описани от Олсен в неговата пионерска работа по събирането на пироелектрическа енергия през 80 -те години17.
На фиг. 1B показва две монополярни цикли на PST-MLC с дебелина 1 mm, събрани съответно при 20 ° C и 90 ° C, в обхват от 0 до 155 kV cm-1 (600 V). Тези два цикъла могат да бъдат използвани за косвено изчисляване на енергията, събрана от цикъла на Olson, показана на фигура 1А. Всъщност цикълът на OLSEN се състои от два клона на изофилката (тук, нулево поле в клон DA и 155 kV cm-1 в клона на BC) и два изотермични клона (тук, 20 ° С и 20 ° С в клона на AB). C В клона на CD) Енергията, събрана по време на цикъла, съответства на оранжевите и сините региони (EDD интеграл). Събраната енергия ND е разликата между входна и изходна енергия, т.е. само оранжевата площ на фиг. 1B. Този конкретен цикъл на OLSON дава ND енергийна плътност от 1,78 J CM-3. Цикълът на Стърлинг е алтернатива на цикъла на Олсън (допълнителна бележка 7). Тъй като етапът на постоянно зареждане (отворена верига) се достига по-лесно, енергийната плътност, извлечена от фиг. 1B (цикъл AB'CD), достига 1,25 J CM-3. Това е само 70% от това, което цикълът на Олсън може да събере, но простото оборудване за прибиране на реколтата го прави.
В допълнение, ние директно измервахме енергията, събрана по време на цикъла на Olson, като заредим на PST MLC, използвайки етап на контрол на температурата на Linkam и измервател на източника (метод). Фигура 1в в горната част и в съответните вложки показва тока (червено) и напрежение (черно), събрани на същия PST MLC с дебелина 1 mm, както за De Loop, преминаващ през същия цикъл на Olson. Токът и напрежението позволяват да се изчисли събраната енергия, а кривите са показани на фиг. 1С, дъно (зелено) и температура (жълта) през целия цикъл. Буквите ABCD представляват един и същ цикъл на OLSON на фиг. 1. Зареждането на MLC се случва по време на крака на AB и се извършва при нисък ток (200 µA), така че източникът може правилно да контролира зареждането. Последицата от този постоянен първоначален ток е, че кривата на напрежението (черна крива) не е линейна поради нелинейното поле за изместване на потенциала D PST (фиг. 1в, горна вмъкване). В края на зареждането 30 MJ електрическа енергия се съхранява в MLC (точка В). След това MLC се загрява и се получава отрицателен ток (и следователно се получава отрицателен ток), докато напрежението остава на 600 V. след 40 s, когато температурата достига плато от 90 ° C, този ток се компенсира, въпреки че стъпковата проба, произведена във веригата, е електрическа мощност от 35 mJ по време на този изофилд (второ поставяне на фиг. 1C, TOP). След това напрежението на MLC (клон CD) се намалява, което води до допълнителни 60 MJ електрическа работа. Общата изходна енергия е 95 MJ. Събраната енергия е разликата между входната и изходната енергия, която дава 95 - 30 = 65 MJ. Това съответства на енергийната плътност от 1,84 j cm-3, която е много близо до ND, извлечена от пръстена De. Възпроизводимостта на този цикъл на OLSON е широко тествана (допълнителна бележка 4). Чрез по-нататъшно увеличаване на напрежението и температурата постигнахме 4.43 J cm-3, използвайки OLSEN цикли в PST MLC с дебелина 0,5 mm в температурен диапазон от 750 V (195 kV cm-1) и 175 ° C (допълнителна бележка 5). Това е четири пъти по-голямо от най-доброто представяне, отчетено в литературата за директни цикли на OLSON и се получава на тънки филми на Pb (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1.06 J CM-3) 18 (cm. Допълнителна таблица 1 за повече стойности в литературата). Това изпълнение е постигнато поради много ниския ток на изтичане на тези MLCs (<10–7 A при 750 V и 180 ° C, вижте подробности в допълнителна бележка 6) - решаваща точка, спомената от Smith et al.19 - за разлика от материалите, използвани в по -ранните проучвания17,20. Това изпълнение е постигнато поради много ниския ток на изтичане на тези MLCs (<10–7 A при 750 V и 180 ° C, вижте подробности в допълнителна бележка 6) - решаваща точка, спомената от Smith et al.19 - за разлика от материалите, използвани в по -ранните проучвания17,20. Ti хraktearikiblili dostignutы blagodarhasnsnjos -konkomu toku -utebnoki mlc (<10–7 р -750 В ДОПОЛНИЛОМОМ ПРИЙМЕАНИ 6) - КРИТИЕЕЕСКИй МОМЕНТ, УПОМАНУТый СМИТОМ И ДР. 19 - Вотлийее От К Материалам, Иппольованн Вчеееера Ренни -Исссслидоянея17,20. Тези характеристики са постигнати поради много ниския ток на изтичане на тези MLCs (<10–7 A при 750 V и 180 ° C, вижте Допълнителна бележка 6 за подробности) - критична точка, спомената от Smith et al. 19 - За разлика от материалите, използвани в по -ранни проучвания17,20.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 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。 ПОСКОЛОКУ ТОК утехик -тих Млк ОчЕнььекхий (<10–7 ас 750 В. ключевох момент, уп 19 - срясниения, bыli -рсстигнут -эti характарики. Тъй като токът на изтичане на тези MLCs е много нисък (<10–7 A при 750 V и 180 ° C, вижте Допълнителна бележка 6 за подробности) - ключова точка, спомената от Smith et al. 19 - За сравнение тези изпълнения бяха постигнати.до материали, използвани в по -ранни проучвания 17,20.
Същите условия (600 V, 20–90 ° C), приложени към цикъла на Стърлинг (Допълнителна бележка 7). Както се очаква от резултатите от DE цикъла, добивът е 41.0 MJ. Една от най -поразителните характеристики на циклите на Стърлинг е способността им да усилват първоначалното напрежение чрез термоелектрическия ефект. Наблюдавахме усилване на напрежението до 39 (от първоначално напрежение от 15 V до крайно напрежение до 590 V, виж Допълнителна фиг. 7.2).
Друга отличителна черта на тези MLC е, че те са макроскопични обекти, достатъчно големи, за да събират енергия в обхвата на Joule. Следователно, ние конструирахме прототип на комбайн (Harv1), използвайки 28 MLC PST 1 mm с дебелина, следвайки същия паралелен дизайн на плочата, описан от Torello et al.14, в матрица 7 × 4, както е показано на фиг. Съберете до 3,1 J, използвайки цикъла на Olson, описан на фиг. 2А, изотермични региони при 10 ° С и 125 ° С и изофилдните области при 0 и 750 V (195 kV cm-1). Това съответства на енергийната плътност от 3,14 j cm-3. Използвайки този комбайн, измерванията са направени при различни условия (фиг. 2б). Обърнете внимание, че 1,8 J е получена в температурен диапазон от 80 ° С и напрежение от 600 V (155 kV cm-1). Това е в добро съгласие с споменатия по -горе 65 MJ за 1 mm дебелина PST MLC при същите условия (28 × 65 = 1820 MJ).
A, Експериментална настройка на сглобен Harv1 прототип на базата на 28 MLC PSTS с дебелина 1 mm (4 реда × 7 колони), работещ на цикли на OLSON. За всеки от четирите стъпки на цикъла температурата и напрежението са предвидени в прототипа. Компютърът задвижва перисталтична помпа, която циркулира диелектрична течност между студените и горещите резервоари, два клапана и източник на захранване. Компютърът също използва термодвойки за събиране на данни за напрежението и тока, доставени към прототипа и температурата на комбинацията от захранването. B, енергия (цвят), събрана от нашия прототип 4 × 7 MLC спрямо температурния диапазон (X-ос) и напрежението (Y-ос) в различни експерименти.
По -голяма версия на комбайна (Harv2) с дебелина 60 pst MLC с дебелина 1 mm и с дебелина 160 PST MLC с дебелина 0,5 mm (41,7 g активен пироелектричен материал) даде 11,2 J (допълнителна бележка 8). През 1984 г. Olsen прави енергиен комбайн на базата на 317 g съединение на PB (Zr, Ti) O3, способен да генерира 6.23 J електричество при температура от около 150 ° C (реф. 21). За този комбайн това е единствената друга стойност, налична в гамата Joule. Той получи малко над половината от стойността, която постигнахме и почти седем пъти по -голямо от качеството. Това означава, че енергийната плътност на Harv2 е 13 пъти по -висока.
Периодът на цикъла на Harv1 е 57 секунди. Това произвежда 54 MW мощност с 4 реда от 7 колони с 1 mm дебелина MLC комплекти. За да го направим с една стъпка по -нататък, ние изградихме трета комбинация (Harv3) с 0,5 мм PST MLC и подобна настройка на Harv1 и Harv2 (Допълнителна бележка 9). Измервахме времето за термизация от 12,5 секунди. Това съответства на време на цикъл от 25 s (Допълнителна фиг. 9). Събраната енергия (47 MJ) дава електрическа мощност от 1,95 MW на MLC, което от своя страна ни позволява да си представим, че Harv2 произвежда 0,55 W (приблизително 1,95 mW × 280 pst MLC с дебелина 0,5 mm). В допълнение, ние симулирахме пренос на топлина, използвайки симулация на крайни елементи (COMSOL, Допълнителна бележка 10 и Допълнителни таблици 2–4), съответстващи на експериментите с Harv1. Моделирането на крайните елементи даде възможност да се прогнозират стойностите на мощността почти с порядък по -висок (430 MW) за същия брой PST колони чрез изтъняване на MLC до 0,2 mm, използвайки вода като охлаждаща течност и възстановяване на матрицата до 7 реда. × 4 колони (в допълнение към, имаше 960 MW, когато резервоарът беше до комбайна, допълнителна фиг. 10б).
За да се демонстрира полезността на този колектор, беше приложен цикъл на Стърлинг към самостоятелен демонстратор, състоящ се от само два PST MLC с дебелина 0,5 mm като топлоелетори, превключвател с високо напрежение, превключвател с ниско напрежение с кондензатор за съхранение, DC/DC конвертор, микроконтрол с нисък захранващ механизъм, два термокопици и BOOST конвертор (допълнителен мощен Microcontroller, два термокопици и BOOST CONVERTER (Допълнителен нотка на нотка 11). Веригата изисква кондензаторът за съхранение да бъде първоначално зареден при 9V и след това работи автономно, докато температурата на двата MLC варира от -5 ° C до 85 ° C, тук в цикли от 160 s (няколко цикъла са показани в допълнителна бележка 11). Забележително е, че два MLC с тегло само 0,3 g могат автономно да контролират тази голяма система. Друга интересна характеристика е, че конверторът с ниско напрежение е в състояние да преобразува 400V в 10-15V със 79% ефективност (допълнителна бележка 11 и допълнителна фигура 11.3).
И накрая, ние оценихме ефективността на тези MLC модули при преобразуване на топлинната енергия в електрическа енергия. Коефициентът на качество η на ефективността се определя като съотношението на плътността на събраната електрическа енергия ND към плътността на доставената топлина Qin (Допълнителна бележка 12):
Фигури 3А, B показват ефективността η и пропорционалната ефективност ηr на цикъла на OLSEN, съответно като функция от температурния диапазон на PST MLC с дебелина 0,5 mm. И двата набора от данни са дадени за електрическо поле от 195 kV CM-1. Ефективността \ (\ това \) достига 1,43%, което е еквивалентно на 18% от ηr. Въпреки това, за температурен диапазон от 10 k от 25 ° C до 35 ° C, ηr достига стойности до 40% (синя крива на фиг. 3B). Това е два пъти известната стойност за NLP материали, записани във филми за PMN-PT (ηr = 19%) в температурния диапазон от 10 K и 300 kV cm-1 (ref. 18). Температурните диапазони под 10 K не се вземат предвид, тъй като топлинната хистерезис на PST MLC е между 5 и 8 K. Разпознаването на положителния ефект на фазовите преходи върху ефективността е от решаващо значение. Всъщност оптималните стойности на η и ηr са почти всички получени при първоначалната температура Ti = 25 ° C на фиг. 3a, b. Това се дължи на преход на фаза, когато не се прилага поле и температурата на Кюри ТС е около 20 ° С в тези MLC (допълнителна бележка 13).
a,b, the efficiency η and the proportional efficiency of the Olson cycle (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for the maximum electric by a field of 195 kV cm-1 and different initial temperatures Ti, }} \, \) (b) за MPC PST с дебелина 0,5 mm, в зависимост от температурния интервал ΔTSpan.
Последното наблюдение има две важни последици: (1) всяко ефективно колоездене трябва да започне при температури над ТС за фазов преход, предизвикан от поле (от параелектрик към фероелектрически); (2) Тези материали са по -ефективни в времена на изпълнение, близки до ТС. Въпреки че в нашите експерименти е показана мащабна ефективност, ограниченият температурен диапазон не ни позволява да постигнем голяма абсолютна ефективност поради границата на Carnot (\ (\ delta t/t \)). Въпреки това, отличната ефективност, демонстрирана от тези PST MLCs, оправдава Olsen, когато той споменава, че „идеалният регенеративен термоелектрически двигател от клас 20, работещ при температури между 50 ° C и 250 ° C, може да има ефективност от 30%“ 17. За да се достигне до тези стойности и да се тества концепцията, би било полезно да се използват легирани PSTs с различни ТС, както е проучено от Шебанов и Борман. Те показаха, че TC в PST може да варира от 3 ° C (SB допинг) до 33 ° C (Ti допинг) 22. Следователно, ние хипотезираме, че следващо поколение пироелектрически регенератори въз основа на легирани PST MLC или други материали със силен преход от първи ред може да се конкурира с най -добрите мощни комбайни.
В това проучване изследвахме MLC, направени от PST. Тези устройства се състоят от серия от PT и PST електроди, при които няколко кондензатори са свързани паралелно. PST е избран, тъй като е отличен материал за ЕО и следователно потенциално отличен NLP материал. Той показва остър преход от фероелектрико-параелектрична фаза от първи ред около 20 ° С, което показва, че промените в ентропията му са подобни на тези, показани на фиг. 1. Подобни MLC са описани напълно за EC13,14 устройства. В това проучване използвахме 10,4 × 7,2 × 1 mm³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ mlcs. MLC с дебелина 1 mm и 0,5 mm бяха направени от 19 и 9 слоя PST с дебелина съответно 38,6 µm. И в двата случая вътрешният PST слой се поставя между 2,05 µm платинени електроди. Дизайнът на тези MLCs предполага, че 55% от PST са активни, съответстващи на частта между електродите (допълнителна бележка 1). Активната площ на електрода е 48,7 mm2 (допълнителна таблица 5). MLC PST се приготвя чрез реакция на твърда фаза и метод на леене. Подробностите за процеса на подготовка са описани в предишен член14. Една от разликите между PST MLC и предишната статия е редът на B-SITES, който значително влияе върху работата на EC в PST. Редът на B-сайтове на PST MLC е 0,75 (допълнителна бележка 2), получена чрез синтероване при 1400 ° C, последвано от стотици часове с продължителност от 1000 ° C. За повече информация относно PST MLC вижте Допълнителни бележки 1-3 и Допълнителна таблица 5.
Основната концепция на това изследване се основава на цикъла на Олсън (фиг. 1). За такъв цикъл се нуждаем от горещ и студен резервоар и захранване, способно да наблюдава и контролира напрежението и тока в различните MLC модули. Тези директни цикли използват две различни конфигурации, а именно (1) модули на Linkam модули и охлаждане на един MLC, свързан към източник на захранване на Keithley 2410, и (2) три прототипа (Harv1, Harv2 и Harv3) паралелно със същата енергия на източника. В последния случай, диелектрична течност (силиконово масло с вискозитет 5 cp при 25 ° C, закупена от Sigma Aldrich), се използва за топлообмен между двата резервоара (горещ и студен) и MLC. Термичният резервоар се състои от стъклен контейнер, пълен с диелектрична течност и поставен отгоре на топлинната плоча. Студеното съхранение се състои от водна баня с течни тръби, съдържащи диелектрична течност в голям пластмасов контейнер, пълен с вода и лед. Два тристранни щипки (закупени от биохиемически флуиди) бяха поставени във всеки край на комбайна, за да се превключи правилно течността от един резервоар в друг (Фигура 2А). За да се осигури термично равновесие между пакета PST-MLC и охлаждащата течност, периодът на цикъла беше удължен, докато входните и изходните термодвойки (възможно най-близо до PST-MLC пакета) не покажат същата температура. Скриптът на Python управлява и синхронизира всички инструменти (изходни измервателни уреди, помпи, клапани и термодвойки), за да стартира правилния цикъл на Olson, т.е. контурът на охлаждащата течност започва да се движи през стека PST след зареждане на изходния измервател.
Като алтернатива, ние потвърдихме тези директни измервания на събраната енергия с индиректни методи. Тези косвени методи се основават на електрическо изместване (D) - Електрическо поле (E) полеви контури, събрани при различни температури, и чрез изчисляване на площта между две DE контури, може да се прецени точно колко енергия може да бъде събрана, както е показано на фигурата. На фигура 2 .1b. Тези De Loops също се събират с помощта на измервателни уреди на Keithley.
Двадесет и осем с дебелина 1 мм PST MLC бяха сглобени в 4-ред, 7-колонен паралелна структура на плоча според дизайна, описан в референцията. 14. Пропастта в течността между PST-MLC редове е 0,75 мм. Това се постига чрез добавяне на ленти от двустранна лента като течни дистанционери около краищата на PST MLC. PST MLC е електрически свързан паралелно със сребърен епоксиден мост в контакт с електрода. След това проводниците бяха залепени със сребърна епоксидна смола от всяка страна на клемите на електрода за свързване към захранването. Накрая поставете цялата структура в маркуча на полиолефина. Последният е залепен за течната тръба, за да се осигури правилно уплътняване. И накрая, във всеки край на структурата PST-MLC са вградени с дебелина K-тип K-тип с дебелина 0,25 mm, за да се наблюдават температурите на входната и изхода на течността. За да направите това, маркучът първо трябва да бъде перфориран. След като инсталирате термодвойката, нанесете същото лепило, както преди между маркуча на термодвойката и жицата, за да възстановите уплътнението.
Изградени са осем отделни прототипа, четири от които имат MLC PST с дебелина 40 0,5 mm, разпределени като паралелни плаки с 5 колони и 8 реда, а останалите четири имат MLC PST с дебелина 15 1 mm всяка. в 3-колона × 5-ред паралелна плоча структура. Общият брой на използваните PST MLC е 220 (с дебелина 160 0,5 mm и с дебелина 60 PST MLC 1 mm). Наричаме тези две субединици Harv2_160 и Harv2_60. Течната пропаст в прототипа Harv2_160 се състои от две двустранни ленти с дебелина 0,25 mm с жица с дебелина 0,25 mm между тях. За прототипа на Harv2_60 повторихме същата процедура, но използвайки жица с дебелина 0,38 mm. За симетрия, Harv2_160 и Harv2_60 имат свои собствени вериги на течности, помпи, клапани и студена страна (Допълнителна бележка 8). Два Harv2 единици споделят топлинен резервоар, 3 -литров контейнер (30 cm x 20 cm x 5 cm) върху две горещи плочи с въртящи се магнити. Всички осем индивидуални прототипа са електрически свързани паралелно. Harv2_160 и Harv2_60 субединици работят едновременно в цикъла на Olson, което води до реколта от енергия 11.2 J.
Поставете с дебелина 0,5 мм PST MLC в полиолефинов маркуч с двустранна лента и тел от двете страни, за да създадете пространство за течност за течност. Поради малкия си размер, прототипът е поставен до горещ или студен резервен клапан, минимизирайки времето на цикъла.
В PST MLC се прилага постоянно електрическо поле чрез прилагане на постоянно напрежение върху отоплителния клон. В резултат на това се генерира отрицателен топлинен ток и се съхранява енергия. След нагряване на PST MLC полето се отстранява (V = 0) и енергията, съхранявана в него, се връща обратно на брояча на източника, което съответства на още един принос на събраната енергия. И накрая, с приложено напрежение v = 0, MLC PST се охлаждат до първоначалната си температура, така че цикълът да може да започне отново. На този етап енергията не се събира. Изпълнихме цикъла на OLSEN, използвайки SourceMeter Keithley 2410, зареждайки PST MLC от източник на напрежение и зададохме текущото съвпадение до съответната стойност, така че да бъдат събрани достатъчно точки по време на фазата на зареждане за надеждни енергийни изчисления.
В циклите на Стърнинг, PST MLC се зареждат в режим на източник на напрежение при първоначална стойност на електрическото поле (първоначално напрежение VI> 0), желаният ток на съответствие, така че етапът на зареждане да отнеме около 1 s (и достатъчно точки се събират за надеждно изчисляване на енергията) и студената температура. В циклите на Стърнинг, PST MLC се зареждат в режим на източник на напрежение при първоначална стойност на електрическото поле (първоначално напрежение VI> 0), желаният ток на съответствие, така че етапът на зареждане да отнеме около 1 s (и достатъчно точки се събират за надеждно изчисляване на енергията) и студената температура. V цiklaх stirlingа pst mlc зraжalysja Vreжyme isstsoчnikan (naчальное napheryaжеnie vi> 0), жelaemom prodatlivom tokе, tak чto -эtap зarnadki зnimaet roklos 1 р (о Достата -ное -колияств тотак на длана В цикъла на Stirling PST MLC те бяха заредени в режим на източник на напрежение при първоначалната стойност на електрическото поле (първоначално напрежение VI> 0), желаният ток на добив, така че етапът на зареждане да отнеме около 1 s (и достатъчен брой точки се събират за надеждно изчисляване на енергията) и студена температура.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。 В главния цикъл PST MLC се зарежда при първоначалната стойност на електрическото поле (първоначално напрежение VI> 0) в режим на източник на напрежение, така че необходимият ток на съответствие отнема около 1 секунда за етапа на зареждане (и ние събрахме достатъчно точки, за да изчислим надеждно (енергия) и ниска температура. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное на аспараение vi> 0), trEbemый tok prodatlivosti tatkakov, чtotp заридкияеает дол -долог 1 с (инабскияеторски 1 С (И и инабскиятсиатсиатсиатсиат КоличеtВо Тохек, чtobы nadeжnos rasssчitatje эnergiю) и nijkieе temperатуры. В цикъла на Стърлинг PST MLC се зарежда в режим на източник на напрежение с начална стойност на електрическото поле (първоначално напрежение VI> 0), необходимия ток на съответствие е такъв, че етапът на зареждане отнема около 1 s (и достатъчен брой точки се събират, за да се изчисли надеждно енергията) и ниски температури.Преди PST MLC да се загрее, отворете веригата, като приложите съвпадащ ток на i = 0 mA (минималният съвпадащ ток, с който може да се справи измервателният ни източник, е 10 Na). В резултат на това остава заряд в PST на MJK и напрежението се увеличава с увеличаване на пробата. Не се събира енергия в ръката BC, защото i = 0 mA. След достигане на висока температура, напрежението в MLT FT се увеличава (в някои случаи повече от 30 пъти, вижте допълнителна фиг. 7.2), MLK FT се изхвърля (V = 0), а електрическата енергия се съхранява в тях за същата, както и първоначалният заряд. Същата текуща кореспонденция се връща на източника на електромера. Поради усилването на напрежението, съхраняваната енергия при висока температура е по -висока от предоставената в началото на цикъла. Следователно енергията се получава чрез преобразуване на топлина в електричество.
Използвахме SourceMeter Keithley 2410, за да наблюдаваме напрежението и тока, приложен към PST MLC. The corresponding energy is calculated by integrating the product of voltage and current read by Keithley's source meter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), where τ е периодът от периода. На нашата енергийна крива положителните енергийни стойности означават енергията, която трябва да дадем на MLC PST, а отрицателните стойности означават енергията, която извличаме от тях и следователно получената енергия. Относителната мощност за даден цикъл на събиране се определя чрез разделяне на събраната енергия на периода τ на целия цикъл.
Всички данни са представени в основния текст или в допълнителна информация. Писмата и заявките за материали трябва да бъдат насочени към източника на данните на AT или ED, предоставени с тази статия.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Преглед на разработването и приложенията на термоелектрически микрогенератори за събиране на енергия. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Преглед на разработването и приложенията на термоелектрически микрогенератори за събиране на енергия.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo и Henao, NC Преглед на разработването и прилагането на термоелектрически микрогенератори за събиране на енергия. 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 и Henao, NC обмислят разработването и прилагането на термоелектрически микрогенератори за събиране на енергия.възобновете. подкрепа. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Photovoltaic Materials: Представяне на ефективност и бъдещи предизвикателства. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Photovoltaic Materials: Представяне на ефективност и бъдещи предизвикателства.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. and Sinke, VK Фотоволтаични материали: Текущо изпълнение и бъдещи предизвикателства. Polman, A., Knight, M., Garnett, Ec, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料 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: Текуща ефективност и бъдещи предизвикателства.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. and Sinke, VK Фотоволтаични материали: Текущо изпълнение и бъдещи предизвикателства.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Съединен пиро-пиезоелектричен ефект за едновременна едновременна температура и сензор на налягането. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Съединен пиро-пиезоелектричен ефект за самостоятелно захранване на едновременна температура и сензор на налягането.Song K., Zhao R., Wang ZL и Yan Yu. Комбиниран пиропиезоелектричен ефект за автономно едновременно измерване на температурата и налягането. 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. За самостоятелно захранване едновременно с температурата и налягането.Song K., Zhao R., Wang ZL и Yan Yu. Комбиниран термопиезоелектричен ефект за автономно едновременно измерване на температурата и налягането.Напред. Алма Матер 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Енергийно събиране на базата на пироелектрически цикли на Ericsson в релаксираща фероелектрична керамика. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Енергийно събиране на базата на пироелектрически цикли на Ericsson в релаксираща фероелектрична керамика.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Събиране на енергия на базата на пироелектрични цикли на Ericsson в релаксира фероелектрична керамика.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Избирането на енергия в релаксира фероелектрична керамика на базата на пироелектричното колоездене на Ericsson. Smart Alma Mater. структура. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрични материали за електротермална енергия от следващо поколение. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрични материали за електротермална енергия от следващо поколение. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного PREOBRAзONYANY TTERDOTELDYNOй эLEKTROTERMIчЕСКОй эnergiie. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric и Pyroelectric Materials за електротермална енергийна взаимовръзка на твърдото състояние. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料。 Alpay, Sp, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного PREOBRAзONYANY TTERDOTELDYNOй эLEKTROTERMIчЕСКОй эnergiie. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric и Pyroelectric Materials за електротермална енергийна взаимовръзка на твърдото състояние.Лейди Бул. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard и фигури на мерки за количествено определяне на работата на пироелектрическите наногенератори. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard и фигури на мерки за количествено определяне на работата на пироелектрическите наногенератори.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL и Yang, Yu. Стандартна и качествена оценка за количествено определяне на работата на пироелектрическите наногенератори. 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 и Yang, Yu. Критерии и мерки за ефективност за количествено определяне на работата на пироелектричен наногенератор.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND електрокалорични цикли на охлаждане в оловен скандий танталат с истинска регенерация чрез изменение на полето. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND електрокалорични цикли на охлаждане в оловен скандий танталат с истинска регенерация чрез изменение на полето.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. и Mathur, ND електрокалорични цикли на охлаждане в оловно-скандий танталат с истинска регенерация чрез модификация на полето. 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。 通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, Nd. Танталум 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. и Mathur, и електротермален цикъл на охлаждане на танталат на скандий-олово за истинска регенерация чрез обръщане на полето.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND калорични материали в близост до фероидни фазови преходи. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND калорични материали в близост до фероидни фазови преходи.Moya, X., Kar-Narayan, S. and Mathur, ND калорични материали в близост до фазови преходи на феридни фазови. 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 термични материали в близост до Ferrous Metallurgy.Moya, X., Kar-Narayan, S. and Mathur, ND термични материали в близост до железни фазови преходи.Нат. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND калорични материали за охлаждане и отопление. Moya, X. & Mathur, ND калорични материали за охлаждане и отопление.Moya, X. и Mathur, ND термични материали за охлаждане и отопление. Moya, X. & Mathur, nd 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND термични материали за охлаждане и отопление.Moya X. и Mathur и топлинни материали за охлаждане и отопление.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорични охладители: Преглед. Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорични охладители: Преглед.Torello, A. и Defay, E. Electrocaloric Chillers: Преглед. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器: 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器: 评论。Torello, A. и Defay, E. Електротермални охладители: преглед.Напреднал. електронен. Алма Матер. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Огромна енергийна ефективност на електрокалоричния материал при високо подредени скандий-скандий-олово. Национална комуникация. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Електротермалният ефект на многослойните кондензатори на оксид е голям в широк температурен диапазон. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Огромен температурен диапазон в електротермалните регенератори. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Високопроизводителна система за електротермално охлаждане на твърдо състояние. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Каскадно електротермално охлаждащо устройство за голямо повишаване на температурата. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High Efficieincy Директно преобразуване на топлина в електрически енергийни измервания, свързани с енергията. OLSEN, RB & BROWN, DD Висока ефективност Директно преобразуване на топлина в електрически енергийни измервания пироелектрически измервания.Olsen, RB и Brown, DD високоефективно директно преобразуване на топлина в електрическа енергия, свързана с пироелектрически измервания. 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 и кафяв, DD ефективно директно преобразуване на топлина в електричество, свързано с пироелектрически измервания.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Енергията и плътността на мощността в тънки релаксиращи фероелектрически филми. Национална Алма Матер. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM каскадирана пироелектрична конверсия: Оптимизиране на фероелектричния фазов преход и електрическите загуби. Smith, An & Hanrahan, BM каскадирана пироелектрична конверсия: Оптимизиране на фероелектричния фазов преход и електрическите загуби.Smith, An и Hanrahan, BM каскадирана пироелектрична конверсия: Фероелектричен фазов преход и оптимизация на електрическите загуби. 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 и Hanrahan, BM каскадирана пироелектрична конверсия: оптимизация на фероелектричните фазови преходи и електрическите загуби.J. Приложение. Физика. 128, 24103 (2020).
HOCH, SR Използването на фероелектрически материали за преобразуване на топлинната енергия в електричество. процес. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM и 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 и Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Power Converters.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Относно твърди разтвори на олово-скандий танталат с висок електрокалоричен ефект. Shebanov, L. & Borman, K. Относно твърди разтвори на олово-скандий танталат с висок електрокалоричен ефект.Шебанов Л. и Борман К. На твърди разтвори на оловен скандий танталат с висок електрокалоричен ефект. Шебанов, Л. и Борман, К. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Шебанов, Л. и Борман, К.Шебанов Л. и Борман К. На твърди разтвори на скандий-лиде-скандий с висок електрокалоричен ефект.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Благодарим на N. Furusawa, Y. Inoue и K. Honda за помощта им в създаването на MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB and ED Thanks to the Luxembourg National Research Foundation (FNR) for supporting this work through CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay and BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY.
Катедра за изследвания и технологии за материали, Институт за технологии в Люксембург (Списък), Белвоар, Люксембург