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 термоелектрически1, фотоволтаични2 и термофотоволтаични3. Въпреки че ни липсват материали и устройства, способни да събират енергия в диапазона на джаул, пироелектричните материали, които могат да преобразуват електрическа енергия в периодични температурни промени, се считат за сензори4 и енергийни събирачи5,6,7. Тук сме разработили макроскопичен събирач на топлинна енергия под формата на многослоен кондензатор, направен от 42 грама оловен скандиев танталат, произвеждащ 11,2 J електрическа енергия на термодинамичен цикъл. Всеки пироелектричен модул може да генерира плътност на електрическа енергия до 4,43 J cm-3 на цикъл. Ние 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) фероелектрична промяна на фазата за висока ефективност, (2) нисък ток на утечка за предотвратяване на загуби и (3) високо напрежение на пробив. Тези макроскопични, мащабируеми и ефективни пироелектрически комбайни преосмислят производството на термоелектрическа енергия.
В сравнение с пространствения температурен градиент, необходим за термоелектрическите материали, събирането на енергия от термоелектрически материали изисква температурен цикъл във времето. Това означава термодинамичен цикъл, който най-добре се описва от диаграмата ентропия (S)-температура (T). Фигура 1а показва типична ST диаграма на нелинеен пироелектричен (NLP) материал, демонстриращ задвижван от полето фероелектричен-параелектричен фазов преход в скандиев 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 със същата промяна на електрическото поле (включено и изключено поле) 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 събира повече енергия. Необходимостта от цикъл на голяма площ в NLP е много подобна на необходимостта от електротермични приложения9, 10, 11, 12, където многослойните кондензатори PST (MLC) и базираните на PVDF терполимери наскоро показаха отлична обратна производителност. статус на производителност на охлаждане в цикъл 13,14,15,16. Ето защо ние идентифицирахме PST MLC, представляващи интерес за събиране на топлинна енергия. Тези проби са напълно описани в методите и са характеризирани в допълнителни бележки 1 (сканираща електронна микроскопия), 2 (рентгенова дифракция) и 3 (калориметрия).
a, Скица на диаграма на ентропия (S)-температура (T) с включено и изключено електрическо поле, приложено към NLP материали, показващи фазови преходи. Показани са два цикъла на събиране на енергия в две различни температурни зони. Сините и зелените цикли се появяват съответно вътре и извън фазовия преход и завършват в много различни области на повърхността. b, два DE PST MLC еднополярни пръстена 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: MLC се зареждат 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 се разрежда при 90°C. DA: MLC, 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, проследено по време на същия цикъл на Olson като b. Двете вложки представляват усилването на напрежението и тока в ключови точки от 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 главните 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 на електрическото изместване. Nd може да бъде получен 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 пироелектрическа енергия през 1980-те години17.
На фиг. 1b показва две монополярни DE вериги от PST-MLC образци с дебелина 1 mm, 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 1а. Всъщност цикълът на Олсен се състои от два изополеви клона (тук нулево поле в DA клона и 155 kV cm-1 в BC клона) и два изотермични клона (тук 20°С и 20°С в AB клона) . 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 входната и изходната енергия, т.е. само оранжевата зона на фиг. 1б. Този конкретен цикъл на Олсън дава енергийна плътност на Nd от 1,78 J cm-3. Цикълът на Стърлинг е алтернатива на цикъла на Олсън (допълнителна бележка 7). Тъй като етапът на постоянен заряд (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 Olson може да събере, но простото оборудване за прибиране на реколтата го прави.
В допълнение, ние директно измерихме енергията, събрана по време на цикъла на Olson, като активирахме PST MLC, използвайки етап за контрол на температурата на Linkam и измервателен уред (метод) на източника. Фигура 1c в горната част и в съответните вмъквания показва тока (червено) и напрежението (черно), събрани върху същия PST MLC с дебелина 1 mm, както за DE контура, преминаващ през същия цикъл на Olson. Токът и напрежението позволяват да се изчисли събраната енергия, а кривите са показани на фиг. 1c, дъно (зелено) и температура (жълто) през целия цикъл. Буквите ABCD представляват същия цикъл на Олсън на фиг. 1. MLC зареждането се случва по време на AB крака и се извършва при нисък ток (200 µA), така че SourceMeter може правилно да контролира зареждането. Последствието от този постоянен начален ток е, че кривата на напрежението (черна крива) не е линейна поради нелинейното поле на потенциално изместване D PST (фиг. 1c, горна вложка). В края на зареждането 30 mJ електрическа енергия се съхранява в MLC (точка B). 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 беше компенсиран, въпреки че стъпаловидата проба произвежда във веригата електрическа мощност от 35 mJ по време на това изополе (втора вмъкване на Фиг. 1c, отгоре). 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 входящата и изходната енергия, което дава 95 – 30 = 65 mJ. Това съответства на енергийна плътност от 1,84 J cm-3, което е много близко до Nd, извлечен от DE пръстена. Възпроизводимостта на този цикъл на Olson е широко тествана (допълнителна бележка 4). Чрез допълнително увеличаване на напрежението и температурата постигнахме 4, 43 J cm-3, използвайки цикли на Olsen 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, докладвано в литературата за директни цикли на Olson и е получено върху тънки слоеве от Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm . Допълнителен 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) - решаващ момент, споменат от Smith et al.19 - за разлика към материалите, използвани в по-ранни проучвания17,20. 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) - решаващ момент, споменат от Smith et al.19 - за разлика към материалите, използвани в по-ранни проучвания17,20. 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 поради 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 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）——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 показатели са постигнати.към 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-забележителните характеристики на циклите на Стърлинг е способността им да усилват първоначалното напрежение чрез термоелектрическия ефект. Наблюдавахме увеличение на напрежението до 39 (от първоначално напрежение от 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 диапазона на джаула. Следователно, ние конструирахме прототип на комбайн (HARV1), използвайки 28 MLC PST с дебелина 1 mm, следвайки същия дизайн на паралелна плоча, описан от Torello et al.14, в матрица 7 × 4, както е показано на фиг. колекторът се измества от перисталтична помпа между два резервоара, където температурата на течността се поддържа постоянна (метод). Съберете до 3,1 J, като използвате цикъла на Olson, описан на фиг. 2а, изотермични области при 10°C и 125°C и изополеви 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 комбайн бяха направени измервания при различни условия (фиг. 2b). Имайте предвид, че 1,8 J бяха получени при температурен диапазон от 80 °C и напрежение от 600 V (155 kV cm-1). Това е в добро съответствие със споменатите по-горе 65 mJ за PST MLC с дебелина 1 mm 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 Olson. За всяка от четирите стъпки на цикъла температурата и напрежението са предоставени в прототипа. Компютърът задвижва перисталтична помпа, която циркулира диелектрична течност между студения и горещия резервоар, два клапана и източник на енергия. Компютърът също така използва термодвойки, за да събира данни за напрежението и тока, подавани към прототипа, и температурата на комбайна от захранването. b, Енергия (цвят), събрана от нашия прототип 4×7 MLC спрямо температурен диапазон (ос X) и напрежение (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) дава 11, 2 J (допълнителна бележка 8). През 1984 г. Олсен направи енергиен комбайн на базата на 317 g калаено добавено Pb(Zr,Ti)O3 съединение, способно да генерира 6,23 J електричество при температура от около 150 °C (реф. 21). За този комбайн това е единствената друга налична стойност в диапазона на джаула. Той получи малко над половината от стойността, която постигнахме, и почти седем пъти по-високо качество. Това означава, че енергийната плътност на HARV2 е 13 пъти по-висока.
Периодът на цикъла HARV1 е 57 секунди. Това произведе 54 mW мощност с 4 реда от 7 колони от MLC комплекти с дебелина 1 mm. За да направим една крачка напред, създадохме 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 цикъл 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). В допълнение, ние симулирахме пренос на топлина, използвайки симулация на крайни елементи (COMSOL, допълнителна бележка 10 и допълнителни таблици 2–4), съответстващи на експериментите HARV1. Моделирането с крайни елементи направи възможно прогнозирането на стойности на мощността почти с порядък по-високи (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, беше приложен цикъл на Стърлинг към самостоятелен демонстратор, състоящ се само от два PST MLC с дебелина 0,5 mm като топлинни колектори, превключвател за високо напрежение, превключвател за ниско напрежение с кондензатор за съхранение, DC/DC преобразувател , микроконтролер с ниска мощност, две термодвойки и усилващ преобразувател (допълнителна бележка 11). Веригата изисква кондензаторът за съхранение да бъде първоначално зареден при 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 бележка 11) . Забележително е, че два MLC с тегло само 0,3 g могат автономно да управляват тази голяма система. Друга интересна характеристика е, че преобразувателят за ниско напрежение е в състояние да преобразува 400V в 10-15V с 79% ефективност (допълнителна бележка 11 и допълнителна фигура 11.3).
И накрая, ние оценихме ефективността на тези MLC модули при преобразуването на топлинна енергия в електрическа. Коефициентът на качество η на ефективност се определя като съотношението на плътността на събраната електрическа енергия Nd към плътността на доставената топлина Qin (допълнителна бележка 12):
Фигури 3a, b показват съответно ефективността η и пропорционалната ефективност ηr на цикъла на Olsen като функция на 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 \(\this\) 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 в PMN-PT филми (ηr = 19%) в температурния диапазон от 10 K и 300 kV cm-1 (Справ. 18). Температурни диапазони под 10 K не са взети предвид, тъй като термичният хистерезис на PST MLC е между 5 и 8 K. Признаването на положителния ефект на фазовите преходи върху ефективността е критично. Всъщност оптималните стойности на η и ηr са почти всички получени при началната температура Ti = 25 ° C на фиг. 3а,б. Това се дължи на близък фазов преход, когато не се прилага поле и 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)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } за максималното електрическо поле от 195 kV cm-1 и различни начални температури Ti, }}\,\)(b) за MPC PST с дебелина 0,5 mm, в зависимост от температурния интервал ΔTspan.
Последното наблюдение има две важни последици: (1) всеки ефективен цикъл трябва да започне при температури над TC, за да настъпи индуциран от полето фазов преход (от параелектрик към фероелектрик); (2) тези материали са по-ефективни при време на работа, близко до TC. Въпреки че в нашите експерименти са показани широкомащабни ефективности, ограниченият температурен диапазон не ни позволява да постигнем големи абсолютни ефективности поради ограничението на Карно (\(\Delta T/T\)). Въпреки това, отличната ефективност, демонстрирана от тези PST MLC, оправдава Олсен, когато споменава, че „идеален 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 достигнат тези стойности и да се тества концепцията, би било полезно да се използват легирани PST с различни TC, 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 предполагаме, че следващото поколение пироелектрически регенератори, базирани на легирани PST MLCs или други материали със силен фазов преход от първи ред, могат да се конкурират с най-добрите комбайни.
В това проучване изследвахме MLC, направени от PST. Тези устройства се състоят от серия Pt и PST електроди, при което няколко кондензатора са свързани паралелно. PST беше избран, защото е отличен EC материал и следователно потенциално отличен NLP материал. Той показва рязък фероелектричен-параелектричен фазов преход от първи ред около 20 °C, което показва, че неговите промени в ентропията са подобни на тези, показани на Фиг. 1. Подобни MLC са напълно описани за устройства EC13,14. В това изследване използвахме 10,4 × 7,2 × 1 mm³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. MLCs 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, съответстващи на частта между електродите (допълнителна бележка 1). Площта на активния електрод е 48,7 mm2 (допълнителна таблица 5). MLC PST се получава чрез твърдофазова реакция и метод на леене. Подробностите за процеса на подготовка са описани в предишна статия14. Една от разликите между PST MLC и предишната статия е редът на B-сайтовете, който значително влияе на производителността на EC в PST. Редът на B-местата на PST MLC е 0,75 (допълнителна бележка 2), получен чрез синтероване при 1400°C, последвано от стотици часове дълго 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 горещ и студен резервоар и захранване, способно да наблюдава 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 със същия източник на енергия. В последния случай се използва диелектрична течност (силиконово масло с вискозитет 5 cP при 25 ° C, закупено от Sigma Aldrich) за топлообмен между двата резервоара (горещ и студен) и MLC. Термичният резервоар се състои от стъклен съд, пълен с диелектрична течност и поставен върху термичната плоча. Хладилното съхранение се състои от водна баня с течни тръби, съдържащи диелектрична течност в голям пластмасов контейнер, пълен с вода и лед. Два трипътни прищипващи клапана (закупени от Bio-Chem Fluidics) бяха поставени на всеки край на комбайна за правилно превключване на течност 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 термодвойките на входа и изхода (възможно най-близо до пакета PST-MLC) покажат същата температура. Скриптът на Python управлява и синхронизира всички инструменти (измервателни уреди, помпи, клапани и термодвойки), за да изпълнява правилния цикъл на Олсън, т.е. контурът на охлаждащата течност започва да циркулира през PST стека, след като измервателният уред на източника се зареди, така че да се нагреят до желаната приложено напрежение за даден цикъл на Олсън.
Като алтернатива ние потвърдихме тези директни измервания на събраната енергия с индиректни методи. Тези косвени методи се основават на електрическо изместване (D) – полеви вериги на електрическо поле (E), събрани при различни температури, и чрез изчисляване на площта между две DE вериги, човек може точно да прецени колко енергия може да бъде събрана, както е показано на фигурата . на фигура 2. .1b. Тези DE вериги също се събират с помощта на измервателни уреди Keithley.
Двадесет и осем PST MLC с дебелина 1 mm бяха сглобени в 4-редова, 7-колонна паралелна плоча в съответствие с дизайна, описан в справката. 14. Междината на течността между редовете PST-MLC е 0,75 mm. Това се постига чрез добавяне на ленти от двустранна лента като течни разделители около краищата на PST MLC. PST MLC е електрически свързан паралелно със сребърен епоксиден мост в контакт с проводниците на електрода. След това проводниците бяха залепени със сребърна епоксидна смола от всяка страна на клемите на електрода за свързване към захранването. Накрая поставете цялата конструкция в полиолефиновия маркуч. Последният е залепен към тръбата за течност, за да се осигури правилно уплътняване. И накрая, термодвойки тип K с дебелина 0,25 mm бяха вградени във всеки край на PST-MLC структурата за наблюдение на температурите на течността на входа и изхода. За да направите това, маркучът трябва първо да бъде перфориран. След като монтирате 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 mm, разпределени като успоредни плочи с 5 колони и 8 реда, а останалите четири имаха по 15 MLC PST с дебелина 1 mm. в 3-колонна × 5-редова паралелна плоча. Общият брой използвани PST MLC е 220 (160 с дебелина 0,5 mm и 60 PST MLC с дебелина 1 mm). Ние наричаме тези две субединици HARV2_160 и HARV2_60. Течният процеп в прототипа HARV2_160 се състои от две двустранни ленти с дебелина 0,25 mm с тел с дебелина 0,25 mm между тях. За прототипа HARV2_60 повторихме същата процедура, но използвайки тел с дебелина 0,38 mm. За симетрия HARV2_160 и HARV2_60 имат свои собствени флуидни вериги, помпи, клапани и студена страна (допълнителна бележка 8). Две устройства HARV2 споделят топлинен резервоар, 3-литров контейнер (30 cm x 20 cm x 5 cm) върху два котлона с въртящи се магнити. Всичките осем отделни прототипа са електрически свързани паралелно. Подединиците HARV2_160 и HARV2_60 работят едновременно в цикъла на Олсън, което води до събиране на енергия от 11,2 J.
Поставете PST MLC с дебелина 0,5 mm в полиолефинов маркуч с двустранна лента и тел от двете страни, за да създадете пространство за протичане на течността. Поради малкия си размер, прототипът беше поставен до клапан за горещ или студен резервоар, минимизирайки времето на цикъла.
В PST MLC се прилага постоянно електрическо поле чрез прилагане на постоянно напрежение към нагревателния клон. В резултат на това се генерира отрицателен топлинен ток и се съхранява енергия. След нагряване на PST MLC, полето се премахва (V = 0) и енергията, съхранена в него, се връща обратно към брояча на източника, което съответства на още един принос на събраната енергия. 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. Проведохме цикъла на Olsen с помощта на Keithley 2410 SourceMeter, като заредихме PST MLC от източник на напрежение и настроихме съвпадението на тока на подходящата стойност, така че да бъдат събрани достатъчно точки по време на фазата на зареждане за надеждни енергийни изчисления.
В циклите на Стърлинг PST MLC се зареждат в режим на източник на напрежение при първоначална стойност на електрическото поле (първоначално напрежение Vi > 0), желан ток на съответствие, така че стъпката на зареждане да отнеме около 1 s (и се събират достатъчно точки за надеждно изчисляване на енергията) и ниска температура. В циклите на Стърлинг PST MLC се зареждат в режим на източник на напрежение при първоначална стойност на електрическото поле (първоначално напрежение Vi > 0), желан ток на съответствие, така че стъпката на зареждане да отнеме около 1 s (и се събират достатъчно точки за надеждно изчисляване 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 първоначалната стойност на електрическото поле (първоначално напрежение Vi > 0), желания ток на добив, така че етапът на зареждане отнема около 1 s (и достатъчен брой точки се събират за надеждно изчисляване 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 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 стъпката на зареждане (и ние събрахме достатъчно точки, за да надеждно изчисляване (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 Стърлинг PST MLC се зарежда в режим на източник на напрежение с начална стойност на електрическото поле (първоначално напрежение Vi > 0), необходимият ток на съответствие е такъв, че етапът на зареждане отнема около 1 s (и достатъчен брой от точки се събират за надеждно изчисляване на енергията) и ниски температури.Преди PST MLC да се нагрее, отворете веригата, като приложите съгласуващ ток от I = 0 mA (минималният съгласуващ ток, който може да поеме нашият измервателен източник, е 10 nA). В резултат остава заряд в PST на MJK и напрежението се увеличава, когато пробата се нагрява. В рамото BC не се събира енергия, защото I = 0 mA. След достигане на висока температура, напрежението в MLT FT нараства (в някои случаи повече от 30 пъти, вижте допълнителна фиг. 7.2), MLK FT се разрежда (V = 0) и в тях се съхранява електрическа енергия за същото време. тъй като те са първоначалната такса. Същата текуща кореспонденция се връща към източника на измервателния уред. Поради повишаване на напрежението, съхранената енергия при висока температура е по-висока от тази, предоставена в началото на цикъла. Следователно енергията се получава чрез преобразуване на топлина в електричество.
Използвахме Keithley 2410 SourceMeter за наблюдение на напрежението и тока, приложени към PST MLC. Съответната енергия се изчислява чрез интегриране на произведението на напрежението и тока, отчетени от измервателния уред на Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ ляво(t\дясно){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), където τ е периодът на 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 исканията за материали трябва да се насочват към източника на данните за AT или ED, предоставени с тази статия.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Преглед на развитието и приложенията на термоелектрически микрогенератори за събиране на енергия. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Преглед на развитието и приложенията на термоелектрически микрогенератори за събиране на енергия.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO и Henao, NC Преглед на разработването и приложението 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.резюме. 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.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. и Sinke, VK Фотоволтаични материали: текущо представяне 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: настояща ефективност и бъдещи предизвикателства.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. и Sinke, VK Фотоволтаични материали: текущо представяне и бъдещи предизвикателства.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Свързан пиро-пиезоелектричен ефект за самостоятелно захранване, едновременно отчитане на температура и налягане. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Съвместен пиро-пиезоелектричен ефект за самостоятелно захранване, едновременно отчитане 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 в същото време като температура и налягане.Song K., Zhao R., Wang ZL и Yan Yu. Комбиниран термопиезоелектричен ефект за автономно едновременно измерване на температура и налягане.Напред. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Събиране на енергия на базата на пироелектрични цикли на Ericsson в релаксираща фероелектрична керамика. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Събиране на енергия на базата на пироелектрични 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 релаксираща фероелектрична керамика.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Събиране на енергия в релаксираща фероелектрична керамика на базата на пироелектрично циклиране на Ericsson. Умна алма матер. структура. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Следващо поколение електрокалорични и пироелектрични материали за взаимно преобразуване на електротермична енергия в твърдо състояние. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Следващо поколение електрокалорични и пироелектрични материали 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 Следващо поколение електрокалорични и пироелектрични материали 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。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 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 Следващо поколение електрокалорични и пироелектрични материали 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 стойност за количествено определяне на производителността на пироелектрични наногенератори. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандарт и стойност за количествено определяне на производителността на пироелектрични наногенератори.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL и Yang, Yu. Стандартен и качествен резултат 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。 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 ефективността на пироелектричен наногенератор.Нано енергия 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалорични охлаждащи цикли в оловен скандиев танталат с истинска регенерация чрез вариация на полето. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Електрокалорични охлаждащи цикли в оловен скандиев танталат с истинска регенерация чрез вариация на полето.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. и Mathur, ND Електрокалорични охлаждащи цикли в оловно-скандиев танталат с истинска регенерация чрез полева модификация. 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 фазови преходи на фероиди. 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 близо до фазовите преходи на желязото.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.Moya X. и Mathur ND Термични 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. 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。Torello, A. и Defay, E. Електротермични охладители: преглед.Разширено. електронен. алма матер. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Огромна енергийна ефективност на електрокалоричен материал във високо подреден скандий-скандий-олово. Национална комуникация. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Електротермичният ефект на оксидните многослойни кондензатори е голям в широк температурен диапазон. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Огромен температурен диапазон в електротермичните регенератори. Наука 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Високопроизводителна електротермична охладителна система в твърдо състояние. Наука 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Каскадно електротермично охлаждащо устройство за голямо повишаване на температурата. Национална енергия 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Високоефективно директно преобразуване на топлина в електрическа енергия, свързани с пироелектрични измервания. Olsen, RB & Brown, DD Високоефективно директно преобразуване на топлина в електрическа енергия, свързани с пироелектрически измервания.Olsen, RB и Brown, DD Високоефективно директно преобразуване на топлина 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, РБ и Браун, ДДOlsen, RB и Brown, DD Ефективно директно преобразуване на топлина 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. Национална алма матер. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Каскадно пироелектрично преобразуване: оптимизиране на фероелектричния фазов преход и електрически загуби. Smith, AN & Hanrahan, BM Каскадно пироелектрично преобразуване: оптимизиране на фероелектричния фазов преход и електрически загуби.Smith, AN и Hanrahan, BM Каскадно пироелектрично преобразуване: фероелектричен фазов преход и оптимизиране на електрически 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 Каскадно пироелектрично преобразуване: оптимизиране на фероелектрични фазови преходи и електрически загуби.J. Приложение. физика. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Използването на фероелектрични материали за преобразуване на топлинна енергия в електричество. процес. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Каскаден пироелектричен преобразувател на енергия. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Каскаден пироелектричен преобразувател на енергия.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. Каскадни пироелектрически преобразуватели на енергия.Фероелектрици 59, 205–219 (1984).
Шебанов, Л. и Борман, К. За твърди разтвори на оловно-скандиев танталат с висок електрокалоричен ефект. Шебанов, Л. и Борман, К. За твърди разтвори на оловно-скандиев танталат с висок електрокалоричен ефект.Шебанов Л. и Борман К. За 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. За скандиево-оловно-скандиеви твърди разтвори с висок електрокалоричен ефект.Фероелектрици 127, 143–148 (1992).
Благодарим на N. Furusawa, Y. Inoue и K. Honda за тяхната помощ при създаването на MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB и ED Благодаря на Люксембургската национална изследователска фондация (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.
Отдел за изследване и технологии на материалите, Люксембургски технологичен институт (LIST), Белвоар, Люксембург