Предлагането на устойчиви източници на електроенергия е едно от най-важните предизвикателства на този век. Изследователските области в областта на материалите за събиране на енергия произтичат от тази мотивация, включително термоелектрически1, фотоволтаични2 и термофотоволтаични3. Въпреки че ни липсват материали и устройства, способни да събират енергия в джауловия диапазон, пироелектричните материали, които могат да преобразуват електрическата енергия в периодични температурни промени, се считат за сензори4 и енергийни събирачи5,6,7. Тук разработихме макроскопичен топлинен енергиен събирач под формата на многослоен кондензатор, изработен от 42 грама оловен скандиев танталат, произвеждащ 11,2 J електрическа енергия на термодинамичен цикъл. Всеки пироелектричен модул може да генерира плътност на електрическата енергия до 4,43 J cm-3 на цикъл. Показваме също, че два такива модула с тегло 0,3 g са достатъчни за непрекъснато захранване на автономни енергийни събирачи с вградени микроконтролери и температурни сензори. Накрая показваме, че за температурен диапазон от 10 K тези многослойни кондензатори могат да достигнат 40% ефективност на Карно. Тези свойства се дължат на (1) фероелектрична фазова промяна за висока ефективност, (2) нисък ток на утечка за предотвратяване на загуби и (3) високо пробивно напрежение. Тези макроскопични, мащабируеми и ефективни пироелектрични устройства за събиране на енергия преосмислят термоелектрическото генериране на енергия.
В сравнение с пространствения температурен градиент, необходим за термоелектрическите материали, събирането на енергия от термоелектрическите материали изисква температурни цикли във времето. Това означава термодинамичен цикъл, който най-добре се описва от диаграмата ентропия (S)-температура (T). Фигура 1а показва типична ST графика на нелинеен пироелектричен (NLP) материал, демонстриращ фероелектричен-параелектричен фазов преход, задвижван от полето, в скандиево-оловен танталат (PST). Сините и зелените секции на цикъла на ST диаграмата съответстват на преобразуваната електрическа енергия в цикъла на Олсън (две изотермични и две изополни секции). Тук разглеждаме два цикъла с еднаква промяна на електрическото поле (поле включено и изключено) и промяна на температурата ΔT, макар и с различни начални температури. Зеленият цикъл не е разположен в областта на фазовия преход и следователно има много по-малка площ от синия цикъл, разположен в областта на фазовия преход. В ST диаграмата, колкото по-голяма е площта, толкова по-голяма е събраната енергия. Следователно, фазовият преход трябва да събере повече енергия. Необходимостта от циклиране с голяма площ в NLP е много подобна на необходимостта от електротермични приложения9, 10, 11, 12, където PST многослойни кондензатори (MLC) и PVDF-базирани терполимери наскоро показаха отлична обратна производителност. статус на охлаждане в цикъл 13, 14, 15, 16. Следователно, ние идентифицирахме PST MLC, представляващи интерес за събиране на топлинна енергия. Тези проби са напълно описани в методите и характеризирани в допълнителни бележки 1 (сканиращ електронна микроскопия), 2 (рентгенова дифракция) и 3 (калориметрия).
a, Скица на графика на ентропията (S)-температурата (T) с включено и изключено електрическо поле, приложено към NLP материали, показваща фазови преходи. Показани са два цикъла на събиране на енергия в две различни температурни зони. Синият и зеленият цикъл се случват съответно вътре и извън фазовия преход и завършват в много различни области на повърхността. b, два униполярни пръстена DE PST MLC с дебелина 1 mm, измерени между 0 и 155 kV cm-1 при 20 °C и 90 °C съответно, и съответните цикли на Олсен. Буквите ABCD се отнасят до различни състояния в цикъла на Олсен. AB: MLC са заредени до 155 kV cm-1 при 20°C. BC: MLC е поддържан при 155 kV cm-1 и температурата е повишена до 90 °C. CD: MLC се разрежда при 90°C. DA: MLC е охладен до 20°C в нулево поле. Синята област съответства на входната мощност, необходима за стартиране на цикъла. Оранжевата област е енергията, събрана в един цикъл. c, горен панел, напрежение (черно) и ток (червено) спрямо времето, проследени по време на същия цикъл на Олсън като b. Двете вложки представляват усилването на напрежението и тока в ключови точки от цикъла. В долния панел жълтата и зелената крива представляват съответните криви на температурата и енергията, съответно, 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 главните букви в четирите фигури, са същите като в цикъла на Олсън. Цикълът AB'CD съответства на цикъла на Стирлинг (допълнителна забележка 7).
където E и D са съответно електрическото поле и полето на електрическото изместване. Nd може да се получи индиректно от DE веригата (фиг. 1b) или директно чрез стартиране на термодинамичен цикъл. Най-полезните методи са описани от Олсен в неговата пионерска работа по събиране на пироелектрична енергия през 80-те години на миналия век17.
На фиг. 1b са показани две монополярни DE бримки с дебелина 1 mm от PST-MLC образци, сглобени съответно при 20 °C и 90 °C, в диапазон от 0 до 155 kV cm-1 (600 V). Тези два цикъла могат да се използват за индиректно изчисляване на енергията, събрана от цикъла на Олсън, показан на Фигура 1a. Всъщност цикълът на Олсън се състои от два изополеви клона (тук нулево поле в клона DA и 155 kV cm-1 в клона BC) и два изотермични клона (тук 20°С и 20°С в клона AB). C в клона CD) Събраната по време на цикъла енергия съответства на оранжевата и синята област (EdD интеграл). Събраната енергия Nd е разликата между входната и изходната енергия, т.е. само оранжевата област на фиг. 1b. Този конкретен цикъл на Олсън дава енергийна плътност на Nd от 1,78 J cm-3. Цикълът на Стирлинг е алтернатива на цикъла на Олсън (Допълнителна забележка 7). Тъй като етапът на постоянен заряд (отворена верига) е по-лесно достижим, 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 просто оборудване за събиране го прави.
Освен това, ние директно измерихме енергията, събрана по време на цикъла на Олсън, като захранвахме PST MLC, използвайки Linkam температурен контролер и измервателен уред на източника (метод). Фигура 1в в горната част и в съответните вложки показва тока (червено) и напрежението (черно), събрани върху същия 1 mm PST MLC, както за DE контура, преминаващ през същия цикъл на Олсън. Токът и напрежението позволяват да се изчисли събраната енергия, а кривите са показани на фиг. 1в, отдолу (зелено), а температурата (жълто) през целия цикъл. Буквите ABCD представляват същия цикъл на Олсън на фиг. 1. Зареждането на MLC се случва по време на AB етапа и се извършва при нисък ток (200 µA), така че SourceMeter може правилно да контролира зареждането. Последицата от този постоянен начален ток е, че кривата на напрежението (черна крива) не е линейна поради нелинейното поле на потенциално изместване D PST (фиг. 1в, горна вложка). В края на зареждането в MLC (точка B) се съхраняват 30 mJ електрическа енергия. След това MLC се нагрява и се произвежда отрицателен ток (и следователно отрицателен ток), докато напрежението остава 600 V. След 40 s, когато температурата достигна плато от 90 °C, този ток се компенсира, въпреки че стъпаловидната проба произведе във веригата електрическа мощност от 35 mJ по време на това изополе (втора вложка на Фиг. 1c, горе). Напрежението върху MLC (клон CD) след това 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, което дава 95 – 30 = 65 mJ. Това съответства на енергийна плътност от 1,84 J cm-3, която е много близка до Nd, извлечен от DE пръстена. Възпроизводимостта на този цикъл на Олсън е обстойно тествана (Допълнителна забележка 4). Чрез допълнително увеличаване на напрежението и температурата, постигнахме 4,43 J cm-3, използвайки цикли на Олсен в PST MLC с дебелина 0,5 mm в температурен диапазон от 750 V (195 kV cm-1) и 175 °C (Допълнителна забележка 5). Това е четири пъти по-голямо от най-добрите резултати, докладвани в литературата за директни цикли на Олсен, и е получено върху тънки слоеве от Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm-1). Допълнителна таблица 1 за повече стойности в литературата). Тази производителност е постигната благодарение на много ниския ток на утечка на тези MLC (<10−7 A при 750 V и 180 °C, вижте подробности в Допълнителна бележка 6) – ключов момент, споменат от Smith et al.19 – за разлика от материалите, използвани в по-ранни изследвания17,20. Тази производителност е постигната благодарение на много ниския ток на утечка на тези MLC (<10−7 A при 750 V и 180 °C, вижте подробности в Допълнителна бележка 6) – ключов момент, споменат от Smith et al.19 – за разлика от материалите, използвани в по-ранни изследвания17,20. Тези характеристики бяха постигнати благодарение на много ниския ток на утечки на тези MLC (<10–7 A при 750 В и 180 °C, см. подробности в допълнителното отбелязване 6) — критичен момент, споменат Смитом и др. 19 — в отличие от материалите, използвани в по-ранните изследвания17,20. Тези характеристики са постигнати благодарение на много ниския ток на утечка на тези MLC (<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 изследвания 17,20.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）——Смит 等人19提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 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。 Колко ток утечки на тези MLC е много нисък (<10–7 A при 750 В и 180 °C, см. подробности в допълнителното отбелязване 6) — ключов момент, споменат Смитом и др. 19 — за сравнения, бяха постигнати тези характеристики. Тъй като токът на утечка на тези MLC е много нисък (<10–7 A при 750 V и 180 °C, вижте Допълнителна бележка 6 за подробности) – ключов момент, споменат от Smith et al. 19 – за сравнение, тези характеристики бяха постигнати.към материалите, използвани в по-ранни проучвания 17,20.
Същите условия (600 V, 20–90 °C) бяха приложени към цикъла на Стирлинг (Допълнителна бележка 7). Както се очакваше от резултатите от DE цикъла, добивът беше 41,0 mJ. Една от най-забележителните характеристики на циклите на Стирлинг е способността им да усилват началното напрежение чрез термоелектричния ефект. Наблюдавахме усилване на напрежението до 39 (от начално напрежение 15 V до крайно напрежение до 590 V, вижте Допълнителна фигура 7.2).
Друга отличителна черта на тези MLC е, че те са макроскопични обекти, достатъчно големи, за да събират енергия в джауловия диапазон. Следователно, ние конструирахме прототип на събирач (HARV1), използвайки 28 MLC PST с дебелина 1 mm, следвайки същия дизайн с паралелни плочи, описан от Torello et al.14, в матрица 7×4, както е показано на Фиг. Топлопренасящата диелектрична течност в колектора се измества от перисталтична помпа между два резервоара, където температурата на течността се поддържа постоянна (метод). Събират се до 3,1 J, използвайки цикъла на Олсън, описан на Фиг. 2a, изотермични области при 10°C и 125°C и изополенни области при 0 и 750 V (195 kV cm-1). Това съответства на енергийна плътност от 3,14 J cm-3. С помощта на този комбиниран уред бяха направени измервания при различни условия (Фиг. 2b). Обърнете внимание, че 1,8 J са получени в температурен диапазон от 80 °C и напрежение от 600 V (155 kV cm-1). Това е в добро съответствие с гореспоменатите 65 mJ за 1 mm PST MLC при същите условия (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Експериментална настройка на сглобен прототип HARV1, базиран на 28 MLC PST с дебелина 1 mm (4 реда × 7 колони), работещи на цикли на Олсън. За всяка от четирите стъпки на цикъла, в прототипа са предоставени данни за температура и напрежение. Компютърът задвижва перисталтична помпа, която циркулира диелектрична течност между студения и горещия резервоар, два клапана и източник на захранване. Компютърът използва и термодвойки за събиране на данни за напрежението и тока, подавани към прототипа, и температурата на комбайна от захранването. b, Енергия (цвят), събрана от нашия 4×7 MLC прототип спрямо температурния диапазон (ос X) и напрежението (ос Y) в различни експерименти.
По-голяма версия на комбайна (HARV2) с 60 PST MLC с дебелина 1 mm и 160 PST MLC с дебелина 0.5 mm (41.7 g активен пироелектричен материал) даде 11.2 J (Допълнителна бележка 8). През 1984 г. Олсен създаде енергиен комбайн, базиран на 317 g калаено-легирано съединение Pb(Zr,Ti)O3, способно да генерира 6.23 J електричество при температура около 150 °C (ref. 21). За този комбайн това е единствената друга налична стойност в джауловия диапазон. Той получи малко над половината от постигнатата от нас стойност и почти седем пъти по-високо качество. Това означава, че енергийната плътност на HARV2 е 13 пъти по-висока.
Периодът на цикъла на HARV1 е 57 секунди. Това е произвело 54 mW мощност с 4 реда от 7 колони от MLC комплекти с дебелина 1 mm. За да направим още една стъпка, изградихме трети комбайн (HARV3) с PST MLC с дебелина 0,5 mm и подобна настройка на HARV1 и HARV2 (Допълнителна бележка 9). Измерихме време за термализация от 12,5 секунди. Това съответства на време на цикъла от 25 s (Допълнителна фигура 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). Освен това, симулирахме топлопренос, използвайки симулация с крайни елементи (COMSOL, Допълнителна бележка 10 и Допълнителни таблици 2–4), съответстваща на експериментите с HARV1. Моделирането с крайни елементи направи възможно прогнозирането на стойности на мощността с почти порядък по-високи стойности (430 mW) за същия брой PST колони чрез изтъняване на MLC до 0,2 mm, използване на 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 фигура 10b).
За да се демонстрира полезността на този колектор, към самостоятелен демонстратор беше приложен цикъл на Стирлинг, състоящ се само от два PST MLC с дебелина 0,5 мм като топлинни колектори, превключвател за високо напрежение, превключвател за ниско напрежение с кондензатор за съхранение, DC/DC конвертор, микроконтролер с ниска мощност, две термодвойки и boost конвертор (Допълнителна забележка 11). Веригата изисква кондензаторът за съхранение първоначално да се зареди на 9V и след това да 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 забележка 11). Забележително е, че два MLC с тегло само 0,3 g могат автономно да управляват тази голяма система. Друга интересна характеристика е, че конверторът за ниско напрежение е способен да преобразува 400V в 10-15V с 79% ефективност (Допълнителна забележка 11 и Допълнителна фигура 11.3).
Накрая, оценихме ефективността на тези MLC модули при преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия. Коефициентът на качество η на ефективност се определя като съотношението на плътността на събраната електрическа енергия Nd към плътността на подавана топлина Qin (Допълнителна забележка 12):
Фигури 3a,b показват съответно ефективността η и пропорционалната ефективност ηr на цикъла на Олсен 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 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 по-голяма от известната стойност за NLP материали, регистрирана в PMN-PT филми (ηr = 19%) в температурния диапазон от 10 K и 300 kV cm-1 (Ref. 18). Температурните диапазони под 10 K не бяха взети предвид, тъй като термичният 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 начална температура Ti = 25°C на Фиг. 3a,b. Това се дължи на близък фазов преход, когато не се прилага поле, а температурата на Кюри TC е около 20°C в тези MLC (Допълнителна бележка 13).
a,b, ефективността η и пропорционалната ефективност на цикъла на Олсън (a)({\eta}_{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{\rm{Carnot}} за максималното електрическо напрежение, генерирано от поле от 195 kV cm-1 и различни начални температури 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 циклиране трябва да започне при температури над TC, за да се осъществи фазов преход, индуциран от полето (от параелектричен към фероелектричен); (2) тези материали са по-ефективни при времена на работа, близки до TC. Въпреки че в нашите експерименти са показани големи коефициенти на ефективност, ограниченият температурен диапазон не ни позволява да постигнем големи абсолютни коефициенти на ефективност поради границата на Карно (ΔT/T). Отличната ефективност, демонстрирана от тези PST MLC, обаче оправдава Олсен, когато той споменава, че „идеален регенеративен термоелектрически двигател клас 20, работещ при температури между 50 °C и 250 °C, може да има коефициент на ефективност от 30%“17. За да се достигнат тези стойности и да се тества концепцията, би било полезно да се използват легирани PST с различни TC, както е изследвано от Шебанов и Борман. Те показаха, че TC в PST може да варира от 3°C (легиране с Sb) до 33°C (легиране с Ti)22. Следователно, ние предполагаме, че пироелектричните регенератори от следващо поколение, базирани на легирани PST MLC или други материали със силен фазов преход от първи ред, могат да се конкурират с най-добрите енергийни комбайни.
В това проучване изследвахме MLC, направени от PST. Тези устройства се състоят от серия Pt и PST електроди, при които няколко кондензатора са свързани паралелно. PST беше избран, защото е отличен EC материал и следователно потенциално отличен NLP материал. Той показва остър фероелектричен-параелектричен фазов преход от първи ред около 20 °C, което показва, че промените в ентропията му са подобни на показаните на Фиг. 1. Подобни MLC са напълно описани за EC13,14 устройства. В това проучване използвахме MLC с размери 10,4 × 7,2 × 1 mm³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. 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 беше поставен между платинени електроди с дебелина 2,05 µm. Дизайнът на тези MLC предполага, че 55% от PST са активни, съответстващо на частта между електродите (Допълнителна забележка 1). Площта на активния електрод е 48,7 mm2 (Допълнителна таблица 5). MLC PST е приготвен чрез твърдофазна реакция и метод на леене. Подробностите за процеса на приготвяне са описани в предишна статия14. Една от разликите между PST MLC и предишната статия е редът на B-позициите, който силно влияе върху производителността на електрохимичната обработка (EC) в PST. Редът на B-позициите на PST MLC е 0,75 (Допълнителна забележка 2), получени чрез синтероване при 1400°C, последвано от стотици часове отгряване при 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 резервоар за горещ и студен материал и захранване, способно да следи и контролира напрежението и тока в различните MLC модули. Тези директни цикли използваха две различни конфигурации, а именно (1) модули Linkam, нагряващи и охлаждащи един MLC, свързан към източник на захранване Keithley 2410, и (2) три прототипа (HARV1, HARV2 и HARV3) паралелно с един и същ източник на енергия. В последния случай за топлообмен между двата резервоара (горещ и студен) и MLC беше използвана диелектрична течност (силиконово масло с вискозитет 5 cP при 25°C, закупено от Sigma Aldrich). Термичният резервоар се състои от стъклен контейнер, напълнен с диелектрична течност и поставен върху термичната плоча. Студеното съхранение се състои от водна баня с течни тръби, съдържащи диелектрична течност в голям пластмасов контейнер, напълнен с вода и лед. Два трипътни щипкови клапана (закупени от Bio-Chem Fluidics) бяха поставени на всеки край на комбайна, за да превключват правилно течността от един резервоар в друг (Фигура 2а). За да се осигури термично равновесие между PST-MLC пакета и охлаждащата течност, периодът на цикъла беше удължен, докато входните и изходните термодвойки (възможно най-близо до PST-MLC пакета) показаха една и съща температура. Python скриптът управлява и синхронизира всички инструменти (измервателни уреди, помпи, клапани и термодвойки), за да се изпълни правилният цикъл на Олсън, т.е. контурът на охлаждащата течност започва да преминава през PST стека, след като измервателният уред на източника се зареди, така че да се нагрее до желаното приложено напрежение за дадения цикъл на Олсън.
Алтернативно, ние потвърдихме тези директни измервания на събраната енергия с индиректни методи. Тези индиректни методи се основават на контури на електрическо изместване (D) - електрическо поле (E), събрани при различни температури, и чрез изчисляване на площта между два DE контура, може точно да се оцени колко енергия може да бъде събрана, както е показано на фигура 2.1b. Тези DE контури също се събират с помощта на измервателни уреди Keithley.
Двадесет и осем PST MLC с дебелина 1 мм бяха сглобени в 4-редова, 7-колонова паралелна пластинчата структура съгласно дизайна, описан в референцията. 14. Разстоянието между редовете PST-MLC 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 електродните проводници. След това, проводници бяха залепени със сребърна епоксидна смола от всяка страна на електродните клеми за свързване към захранването. Накрая, цялата конструкция се поставете в полиолефиновия маркуч. Последният се залепва към флуидната тръба, за да се осигури правилно уплътнение. Накрая, във всеки край на PST-MLC конструкцията бяха вградени термодвойки тип K с дебелина 0,25 мм, за да се следят температурите на входната и изходната течност. За да се направи това, маркучът първо трябва да бъде перфориран. След монтиране на термодвойката, нанесете същото лепило както преди между маркуча на термодвойката и проводника, за да възстановите уплътнението.
Бяха построени осем отделни прототипа, четири от които имаха 40 MLC PST с дебелина 0,5 мм, разпределени като паралелни плочи с 5 колони и 8 реда, а останалите четири имаха по 15 MLC PST с дебелина 1 мм всеки, в структура с паралелни плочи с 3 колони × 5 реда. Общият брой използвани PST MLC беше 220 (160 с дебелина 0,5 мм и 60 PST MLC с дебелина 1 мм). Наричаме тези две субединици HARV2_160 и HARV2_60. Течната междина в прототипа HARV2_160 се състои от две двустранни ленти с дебелина 0,25 мм с тел с дебелина 0,25 мм между тях. За прототипа HARV2_60 повторихме същата процедура, но използвайки тел с дебелина 0,38 мм. За симетрия HARV2_160 и HARV2_60 имат свои собствени флуидни вериги, помпи, клапани и студена страна (Допълнителна забележка 8). Две HARV2 единици споделят топлинен резервоар, 3-литров контейнер (30 см x 20 см x 5 см) върху две нагревателни плочи с въртящи се магнити. Всичките осем отделни прототипа са електрически свързани паралелно. Субидите HARV2_160 и HARV2_60 работят едновременно в цикъла на Олсън, което води до добив на енергия от 11,2 Дж.
Поставете 0,5 мм дебел PST MLC в полиолефинов маркуч с двустранно залепена лента и тел от двете страни, за да създадете пространство за протичане на течността. Поради малкия си размер, прототипът беше поставен до резервоарен вентил за гореща или студена вода, което минимизира времето за цикъл.
В PST MLC се прилага постоянно електрическо поле чрез прилагане на постоянно напрежение към нагревателния клон. В резултат на това се генерира отрицателен термичен ток и се съхранява енергия. След нагряване на PST MLC, полето се премахва (V = 0) и съхраняваната в него енергия се връща обратно към брояча на източника, което съответства на още един принос от събраната енергия. Накрая, с приложено напрежение V = 0, MLC PST се охлаждат до началната си температура, така че цикълът да може да започне отново. На този етап енергия не се събира. Изпълнихме цикъла на Олсен, използвайки Keithley 2410 SourceMeter, като заредихме PST MLC от източник на напрежение и настроихме съвпадението на тока на подходящата стойност, така че да се съберат достатъчно точки по време на фазата на зареждане за надеждни изчисления на енергията.
В циклите на Стирлинг, PST MLCs бяха заредени в режим на източник на напрежение при начална стойност на електрическото поле (начално напрежение Vi > 0), желан ток на съответствие, така че стъпката на зареждане да отнема около 1 s (и да се съберат достатъчно точки за надеждно изчисление на енергията) и ниска температура. В циклите на Стирлинг, PST MLCs бяха заредени в режим на източник на напрежение при начална стойност на електрическото поле (начално напрежение Vi > 0), желан ток на съответствие, така че стъпката на зареждане да отнема около 1 s (и да се съберат достатъчно точки за надеждно изчисление на енергията) и ниска температура. В циклите на Стирлинга PST MLC се зарязаха в режим на напрежение на източника при първоначално значение на електрическото поле (начално напрежение Vi > 0), желаем в постоянен ток, така че етапът на зареждане отнема около 1 s (и се избира достатъчно количество точки за надеждно изчисление на енергията) и студена температура. В циклите на Stirling PST MLC, те бяха заредени в режим на източник на напрежение при началната стойност на електрическото поле (начално напрежение Vi > 0), желания ток на добив, така че етапът на зареждане отнема около 1 s (и се събират достатъчен брой точки за надеждно изчисление на енергията) и ниска 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 началната стойност на електрическото поле (начално напрежение Vi > 0) в режим на източник на напрежение, така че необходимият ток на съответствие отнема около 1 секунда за стъпката на зареждане (и събрахме достатъчно точки, за да изчислим надеждно (енергия) и ниска температура. В цикъла на Стирлинга PST MLC се зарежда в режим на напрежение на източника с начално значение на електрическото поле (начално напрежение Vi > 0), изискващ ток на необходимата мощност, който етапът на зареждане отнема около 1 s (и се избира достатъчно количество точки, за да се разчита надеждно енергията) и ниска температура. В цикъла на Стирлинг, PST MLC се зарежда в режим на източник на напрежение с начална стойност на електрическото поле (начално напрежение Vi > 0), необходимият ток на съответствие е такъв, че етапът на зареждане отнема около 1 s (и се събират достатъчен брой точки за надеждно изчисляване на енергията) и ниски температури.Преди PST MLC да се нагрее, отворете веригата, като приложите съгласуващ ток I = 0 mA (минималният съгласуващ ток, който нашият измервателен източник може да обработи, е 10 nA). В резултат на това в PST на MJK остава заряд и напрежението се увеличава с нагряването на пробата. В рамото BC не се събира енергия, защото I = 0 mA. След достигане на висока температура, напрежението в MLT FT се увеличава (в някои случаи повече от 30 пъти, вижте допълнителната фиг. 7.2), MLK FT се разрежда (V = 0) и в тях се съхранява електрическа енергия за същия период на първоначалния заряд. Същото съответствие на тока се връща към измервателния източник. Поради усилването на напрежението, съхранената енергия при висока температура е по-висока от тази, която е била осигурена в началото на цикъла. Следователно, енергията се получава чрез преобразуване на топлината в електричество.
Използвахме Keithley 2410 SourceMeter, за да наблюдаваме напрежението и тока, приложени към PST MLC. Съответната енергия се изчислява чрез интегриране на произведението на напрежението и тока, отчетени от източника на Keithley, \ (E = {\int}_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), където τ е периодът на периода. На нашата енергийна крива, положителните стойности на енергията 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. Писма и заявки за материали трябва да бъдат насочени към източника на данните за AT или ED, предоставени с тази статия.
Андо Джуниър, Охайо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Преглед на разработването и приложенията на термоелектрически микрогенератори за добив на енергия. Андо Джуниър, Охайо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Преглед на разработването и приложенията на термоелектрически микрогенератори за добив на енергия.Андо Джуниър, Охайо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Общ преглед на разработването и приложението на термоелектрически микрогенератори за добив 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, NCАндо Джуниър, Охайо, Маран, Алабама и Хенао, Северна Каролина, обмислят разработването и приложението на термоелектрически микрогенератори за добив на енергия.автобиография. подкрепа. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Фотоволтаични материали: настояща ефективност и бъдещи предизвикателства. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Фотоволтаични материали: настояща ефективност и бъдещи предизвикателства.Полман, А., Найт, М., Гарнет, Е.К., Ерлер, Б. и Синке, В.К. Фотоволтаични материали: текущи характеристики и бъдещи предизвикателства. 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 Слънчеви материали: текуща ефективност и бъдещи предизвикателства.Полман, А., Найт, М., Гарнет, Е.К., Ерлер, Б. и Синке, В.К. Фотоволтаични материали: текущи характеристики и бъдещи предизвикателства.Наука 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Свързан пиро-пиезоелектричен ефект за самостоятелно захранване едновременно измерване на температура и налягане. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Конюнктивен пиро-пиезоелектричен ефект за самостоятелно захранване едновременно измерване на температура и налягане.Song K., Zhao R., Wang ZL и Yan Yu. Комбиниран пиропиезоелектричен ефект за автономно едновременно измерване на температура и налягане. 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 температура и налягане.Song K., Zhao R., Wang ZL и Yan Yu. Комбиниран термопиезоелектричен ефект за автономно едновременно измерване на температура и налягане.Напред. алма матер 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Събиране на енергия въз основа на пироелектрични цикли на Ericsson в релаксорна фероелектрична керамика. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Събиране на енергия въз основа на пироелектрични цикли на Ericsson в релаксорна фероелектрична керамика.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Събиране на енергия въз основа на пироелектрични цикли на Ericsson в релаксорна фероелектрична керамика.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Събиране на енергия в релаксорна фероелектрична керамика, базирана на пироелектричен цикъл на Ericsson. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрични материали от следващо поколение за взаимно преобразуване на електротермична енергия в твърдо състояние. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрични материали от следващо поколение за взаимно преобразуване на електротермична енергия в твърдо състояние. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрически материали, последващи поколения за взаимно преобразуване на твърда електротермична енергия. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрични материали от следващо поколение за взаимно преобразуване на електротермична енергия в твърдо 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。 Алпай, СП, Мантезе, Й., Тролие-Маккинстри, С., Джанг, К. и Уотмор, Р.В. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрически материали, последващи поколения за взаимно преобразуване на твърда електротермична енергия. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Електрокалорични и пироелектрични материали от следващо поколение за взаимно преобразуване на електротермична енергия в твърдо състояние.Лейди Бул. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандарт и показател за количествено определяне на производителността на пироелектрични наногенератори. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандарт и показател за количествено определяне на производителността на пироелектрични наногенератори.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL и Yang, Yu. Стандартна и качествена оценка за количествено определяне на производителността на пироелектрични 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。 Джан, К., Уанг, Й., Уанг, ЗЛ и Янг, Й.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL и Yang, Yu. Критерии и показатели за количествено определяне на производителността на пироелектричен наногенератор.Нано енергия 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалорични цикли на охлаждане в оловен скандиев танталат с истинска регенерация чрез вариация на полето. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалорични цикли на охлаждане в оловен скандиев танталат с истинска регенерация чрез вариация на полето.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. и Mathur, ND Електрокалорични цикли на охлаждане в оловно-скандиев 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。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Тантал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, ND Електротермичен цикъл на охлаждане на скандий-оловен танталат за истинска регенерация чрез обръщане на полето.физика Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Калорични материали близо до фероични фазови преходи. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Калорични материали близо до фероични фазови преходи.Moya, X., Kar-Narayan, S. и Mathur, ND Калорични материали близо до фероидни фазови преходи. 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 черната металургия.Moya, X., Kar-Narayan, S. и Mathur, ND Термични материали в близост до фазови преходи на желязо.Нац. 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.Моя Х. и Матур Н. Д. Термични материали за охлаждане и отопление.Наука 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорични охладители: преглед. Torelló, A. & Defay, E. Електрокалорични охладители: преглед.Торело, А. и Дефей, Е. Електрокалорични охладители: преглед. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Торело, А. и Дефей, Е. Електротермични охладители: преглед.Разширена. електроника. Алма матер. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Огромна енергийна ефективност на електрокалоричен материал във високо подредена система скандий-скандий-олово. National communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Електротермичният ефект на оксидните многослойни кондензатори е голям в широк температурен диапазон. Nature 575, 468–472 (2019).
Торело, А. и др. Огромен температурен диапазон в електротермичните регенератори. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. и др. Високоефективна твърдотелна електротермична охладителна система. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Каскадно електротермично охлаждащо устройство за голямо повишаване на температурата. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Високоефективно директно преобразуване на топлината в електрическа енергия, свързани с пироелектрични измервания. Olsen, RB & Brown, DD Високоефективно директно преобразуване на топлина в електрическа енергия, свързани с пироелектрични измервания.Олсен, Р.Б. и Браун, Д.Д. Високоефективно директно преобразуване на топлината в електрическа енергия, свързано с пироелектрични 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。 Олсен, RB и Браун, DDОлсен, Р.Б. и Браун, Д.Д. Ефективно директно преобразуване на топлината в електричество, свързано с пироелектрични измервания.Фероелектрици 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Плътност на енергията и мощността в тънки релаксорни фероелектрични филми. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Каскадно пироелектрично преобразуване: оптимизиране на фероелектричния фазов преход и електрическите загуби. Smith, AN & Hanrahan, BM Каскадно пироелектрично преобразуване: оптимизиране на фероелектричния фазов преход и електрическите загуби.Смит, AN и Ханрахан, BM Каскадно пироелектрично преобразуване: 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。 Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М.Смит, AN и Ханрахан, BM Каскадно пироелектрично преобразуване: оптимизиране на фероелектрични фазови преходи и електрически загуби.J. Приложна физика. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR. Използване на фероелектрични материали за преобразуване на топлинна енергия в електричество. процес. IEEE 51, 838–845 (1963).
Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Брискоу, Дж.М. и Дълеа, Дж. Каскаден пироелектричен енергиен преобразувател. Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Брискоу, Дж.М. и Дълеа, Дж. Каскаден пироелектричен енергиен преобразувател.Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Брискоу, Дж.М. и Дълеа, Дж. Каскейд Пироелектричен преобразувател на енергия. 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。Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Брискоу, Дж.М. и Дълеа, Дж. Каскадни пироелектрични преобразуватели на енергия.Фероелектрици 59, 205–219 (1984).
Шебанов, Л. и Борман, К. Върху твърди разтвори на оловно-скандиев танталат с висок електрокалоричен ефект. Шебанов, Л. и Борман, К. Върху твърди разтвори на оловно-скандиев танталат с висок електрокалоричен ефект.Шебанов Л. и Борман К. Върху твърди разтвори на оловно-скандиев 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. Върху твърди разтвори на скандий-олово-скандий с висок електрокалоричен ефект.Фероелектрици 127, 143–148 (1992).
Благодарим на Н. Фурусава, Й. Иное и К. Хонда за помощта им при създаването на MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB и ED. Благодарим на Националната фондация за изследвания на Люксембург (FNR) за подкрепата на тази работа чрез CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay и BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Катедра „Изследване и технологии на материалите“, Люксембургски технологичен институт (LIST), Белвоар, Люксембург