Het aanbieden van duurzame elektriciteitsbronnen is een van de belangrijkste uitdagingen van deze eeuw. Onderzoeksgebieden op het gebied van materialen voor het oogsten van energie komen voort uit deze motivatie, waaronder thermo-elektrische1, fotovoltaïsche2 en thermofotovoltaïsche3. Hoewel we materialen en apparaten missen die energie in het Joule-bereik kunnen oogsten, worden pyro-elektrische materialen die elektrische energie kunnen omzetten in periodieke temperatuurveranderingen beschouwd als sensoren4 en energieoogsters5,6,7. Hier hebben we een macroscopische thermische energie-oogster ontwikkeld in de vorm van een meerlaagse condensator gemaakt van 42 gram loodscandiumtantalaat, die 11,2 J elektrische energie per thermodynamische cyclus produceert. Elke pyro-elektrische module kan een elektrische energiedichtheid genereren tot 4,43 J cm-3 per cyclus. We laten ook zien dat twee van dergelijke modules met een gewicht van 0,3 g voldoende zijn om autonome energieoogsters met ingebouwde microcontrollers en temperatuursensoren continu van stroom te voorzien. Ten slotte laten we zien dat deze meerlaagse condensatoren voor een temperatuurbereik van 10 K een Carnot-efficiëntie van 40% kunnen bereiken. Deze eigenschappen zijn te danken aan (1) ferro-elektrische faseverandering voor een hoog rendement, (2) lage lekstroom om verliezen te voorkomen, en (3) hoge doorslagspanning. Deze macroscopische, schaalbare en efficiënte pyro-elektrische energieoogsters geven een nieuwe kijk op de opwekking van thermo-elektrische energie.
Vergeleken met de ruimtelijke temperatuurgradiënt die nodig is voor thermo-elektrische materialen, vereist het oogsten van energie van thermo-elektrische materialen een temperatuurcyclus in de tijd. Dit betekent een thermodynamische cyclus, die het best wordt beschreven door het entropie (S)-temperatuur (T) diagram. Figuur la toont een typische ST-grafiek van een niet-lineair pyro-elektrisch (NLP) materiaal dat een veldaangedreven ferro-elektrische-para-elektrische faseovergang in scandiumloodtantalaat (PST) demonstreert. De blauwe en groene delen van de cyclus in het ST-diagram komen overeen met de omgezette elektrische energie in de Olson-cyclus (twee isotherme en twee isopoolsecties). Hier beschouwen we twee cycli met dezelfde verandering van het elektrische veld (veld aan en uit) en temperatuurverandering ΔT, zij het met verschillende begintemperaturen. De groene cyclus bevindt zich niet in het faseovergangsgebied en heeft dus een veel kleiner oppervlak dan de blauwe cyclus in het faseovergangsgebied. In het ST-diagram geldt: hoe groter het gebied, hoe groter de verzamelde energie. Daarom moet de faseovergang meer energie verzamelen. De behoefte aan grootschalige cycli in NLP komt sterk overeen met de behoefte aan elektrothermische toepassingen9, 10, 11, 12, waarbij PST meerlaagse condensatoren (MLC's) en op PVDF gebaseerde terpolymeren onlangs uitstekende omgekeerde prestaties hebben laten zien. Status koelprestaties in cyclus 13,14,15,16. Daarom hebben we PST-MLC's geïdentificeerd die van belang zijn voor het oogsten van thermische energie. Deze monsters zijn volledig beschreven in de methoden en gekarakteriseerd in aanvullende opmerkingen 1 (rasterelektronenmicroscopie), 2 (röntgendiffractie) en 3 (calorimetrie).
a, Schets van een entropie (S)-temperatuur (T)-grafiek met aan en uit elektrisch veld toegepast op NLP-materialen die faseovergangen tonen. Er worden twee energieverzamelingscycli weergegeven in twee verschillende temperatuurzones. De blauwe en groene cycli vinden respectievelijk binnen en buiten de faseovergang plaats en eindigen in zeer verschillende delen van het oppervlak. b, twee DE PST MLC unipolaire ringen, 1 mm dik, gemeten tussen 0 en 155 kV cm-1 bij respectievelijk 20 °C en 90 °C, en de overeenkomstige Olsen-cycli. De letters ABCD verwijzen naar verschillende toestanden in de Olson-cyclus. AB: MLC's werden geladen tot 155 kV cm-1 bij 20°C. BC: MLC werd op 155 kV cm-1 gehouden en de temperatuur werd verhoogd tot 90 °C. CD: MLC ontlaadt bij 90°C. DA: MLC gekoeld tot 20°C in nulveld. Het blauwe gebied komt overeen met het ingangsvermogen dat nodig is om de cyclus te starten. Het oranje gebied is de energie die in één cyclus wordt verzameld. c, bovenpaneel, spanning (zwart) en stroom (rood) versus tijd, gevolgd tijdens dezelfde Olson-cyclus als b. De twee inzetstukken vertegenwoordigen de versterking van spanning en stroom op belangrijke punten in de cyclus. In het onderste paneel vertegenwoordigen de gele en groene curven respectievelijk de overeenkomstige temperatuur- en energiecurven voor een MLC met een dikte van 1 mm. Energie wordt berekend op basis van de stroom- en spanningscurven op het bovenpaneel. Negatieve energie komt overeen met de verzamelde energie. De stappen die overeenkomen met de hoofdletters in de vier figuren zijn dezelfde als in de Olson-cyclus. De cyclus AB'CD komt overeen met de Stirling-cyclus (aanvullende opmerking 7).
waarbij E en D respectievelijk het elektrische veld en het elektrische verplaatsingsveld zijn. Nd kan indirect worden verkregen uit het DE-circuit (Fig. 1b) of direct door een thermodynamische cyclus te starten. De nuttigste methoden werden door Olsen beschreven in zijn baanbrekende werk over het verzamelen van pyro-elektrische energie in de jaren tachtig17.
Op afb. Figuur 1b toont twee monopolaire DE-lussen van 1 mm dikke PST-MLC-monsters, samengesteld bij respectievelijk 20 °C en 90 °C, over een bereik van 0 tot 155 kV cm-1 (600 V). Deze twee cycli kunnen worden gebruikt om indirect de energie te berekenen die wordt verzameld door de Olson-cyclus, weergegeven in figuur 1a. In feite bestaat de Olsen-cyclus uit twee isoveldtakken (hier nulveld in de DA-tak en 155 kV cm-1 in de BC-tak) en twee isotherme takken (hier 20°С en 20°С in de AB-tak). . C in de CD-tak) De tijdens de cyclus verzamelde energie komt overeen met de oranje en blauwe gebieden (EdD-integraal). De verzamelde energie Nd is het verschil tussen input- en outputenergie, dat wil zeggen alleen het oranje gebied in figuur 2. 1b. Deze specifieke Olson-cyclus geeft een Nd-energiedichtheid van 1,78 J cm-3. De Stirling-cyclus is een alternatief voor de Olson-cyclus (aanvullende opmerking 7). Omdat het stadium van constante lading (open circuit) gemakkelijker wordt bereikt, bereikt de energiedichtheid uit figuur 1b (cyclus AB'CD) 1,25 J cm-3. Dit is slechts 70% van wat de Olson-cyclus kan verzamelen, maar eenvoudige oogstapparatuur doet het wel.
Daarnaast hebben we de tijdens de Olson-cyclus verzamelde energie direct gemeten door de PST MLC te activeren met behulp van een Linkam-temperatuurcontroletrap en een bronmeter (methode). Figuur 1c bovenaan en in de respectievelijke inzetstukken toont de stroom (rood) en spanning (zwart) verzameld op dezelfde 1 mm dikke PST MLC als voor de DE-lus die door dezelfde Olson-cyclus gaat. De stroom en spanning maken het mogelijk om de verzamelde energie te berekenen, en de curven worden getoond in Fig. 1c, bodem (groen) en temperatuur (geel) gedurende de cyclus. De letters ABCD vertegenwoordigen dezelfde Olson-cyclus in figuur 1. MLC-opladen vindt plaats tijdens het AB-traject en wordt uitgevoerd met een lage stroomsterkte (200 µA), zodat SourceMeter het opladen goed kan controleren. Het gevolg van deze constante initiële stroom is dat de spanningscurve (zwarte curve) niet lineair is vanwege het niet-lineaire potentiële verplaatsingsveld D PST (Fig. 1c, inzet bovenaan). Aan het einde van het opladen wordt 30 mJ elektrische energie opgeslagen in de MLC (punt B). De MLC warmt vervolgens op en er ontstaat een negatieve stroom (en dus een negatieve stroom) terwijl de spanning op 600 V blijft. Na 40 s, toen de temperatuur een plateau van 90 °C bereikte, werd deze stroom gecompenseerd, hoewel het stapmonster produceerde in het circuit een elektrisch vermogen van 35 mJ tijdens dit isoveld (tweede inzet in figuur 1c, bovenaan). De spanning op de MLC (aftakking CD) wordt vervolgens verlaagd, wat resulteert in 60 mJ extra elektrische arbeid. De totale uitgangsenergie bedraagt ​​95 mJ. De verzamelde energie is het verschil tussen de input- en outputenergie, wat 95 – 30 = 65 mJ oplevert. Dit komt overeen met een energiedichtheid van 1,84 J cm-3, wat zeer dicht bij de Nd ligt die uit de DE-ring wordt geëxtraheerd. De reproduceerbaarheid van deze Olson-cyclus is uitgebreid getest (aanvullende opmerking 4). Door de spanning en temperatuur verder te verhogen, bereikten we 4,43 J cm-3 met behulp van Olsen-cycli in een 0,5 mm dikke PST MLC over een temperatuurbereik van 750 V (195 kV cm-1) en 175 °C (aanvullende opmerking 5). Dit is vier keer groter dan de beste prestatie gerapporteerd in de literatuur voor directe Olson-cycli en werd verkregen op dunne films van Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm.Aanvullend Tabel 1 voor meer waarden in de literatuur). Deze prestatie is bereikt dankzij de zeer lage lekstroom van deze MLC's (<10−7 A bij 750 V en 180 °C, zie details in aanvullende opmerking 6) – een cruciaal punt genoemd door Smith et al.19 – in tegenstelling hiermee op de materialen die in eerdere onderzoeken zijn gebruikt17,20. Deze prestatie is bereikt dankzij de zeer lage lekstroom van deze MLC's (<10−7 A bij 750 V en 180 °C, zie details in aanvullende opmerking 6) – een cruciaal punt genoemd door Smith et al.19 – in tegenstelling hiermee op de materialen die in eerdere onderzoeken zijn gebruikt17,20. Er zijn meer risicofactoren voor MLC (<10–7 А при 750 В en 180 °C, подробности in дополнительном примечаниииимечанииии 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — in het geval van een apparaat, dat in een van de volgende gevallen17,20 ligt. Deze kenmerken werden bereikt dankzij de zeer lage lekstroom van deze MLC's (<10–7 A bij 750 V en 180 °C, zie aanvullende opmerking 6 voor details) – een kritisch punt genoemd door Smith et al. 19 – in tegenstelling tot materialen die in eerdere onderzoeken zijn gebruikt17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明6 中的详细信息）——Smith等人19 提到的关键点——相比之下17,20.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。 Gebruik een MLC-temperatuur van (<10–7 °C bij 750 °C en 180 °C, afhankelijk van de temperatuur). van примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом en др. 19 — Controleer de instellingen van het apparaat. Omdat de lekstroom van deze MLC's erg laag is (<10–7 A bij 750 V en 180 °C, zie aanvullende opmerking 6 voor details) – een belangrijk punt genoemd door Smith et al. 19 – ter vergelijking: deze prestaties zijn behaald.op materialen gebruikt in eerdere onderzoeken 17,20.
Dezelfde omstandigheden (600 V, 20–90 °C) waren van toepassing op de Stirling-cyclus (aanvullende opmerking 7). Zoals verwacht op basis van de resultaten van de DE-cyclus was de opbrengst 41,0 mJ. Een van de meest opvallende kenmerken van Stirling-cycli is hun vermogen om de initiële spanning te versterken door middel van het thermo-elektrische effect. We hebben een spanningsversterking van maximaal 39 waargenomen (van een beginspanning van 15 V tot een eindspanning van maximaal 590 V, zie aanvullende figuur 7.2).
Een ander onderscheidend kenmerk van deze MLC's is dat het macroscopische objecten zijn die groot genoeg zijn om energie in het joulebereik te verzamelen. Daarom hebben we een prototype-harvester (HARV1) geconstrueerd met behulp van 28 MLC PST met een dikte van 1 mm, volgens hetzelfde parallelle plaatontwerp beschreven door Torello et al.14, in een 7×4-matrix zoals weergegeven in figuur. het verdeelstuk wordt door een peristaltische pomp verplaatst tussen twee reservoirs waar de vloeistoftemperatuur constant wordt gehouden (methode). Verzamel tot 3,1 J met behulp van de Olson-cyclus beschreven in Fig. 2a, isotherme gebieden bij 10°C en 125°C en isoveldgebieden bij 0 en 750 V (195 kV cm-1). Dit komt overeen met een energiedichtheid van 3,14 J cm-3. Met behulp van deze maaidorser werden metingen uitgevoerd onder verschillende omstandigheden (Fig. 2b). Merk op dat 1,8 J werd verkregen over een temperatuurbereik van 80 °C en een spanning van 600 V (155 kV cm-1). Dit komt goed overeen met de eerder genoemde 65 mJ voor 1 mm dikke PST MLC onder dezelfde omstandigheden (28 x 65 = 1820 mJ).
a, Experimentele opstelling van een geassembleerd HARV1-prototype op basis van 28 MLC PST's van 1 mm dik (4 rijen x 7 kolommen) draaiend op Olson-cycli. Voor elk van de vier cyclusstappen worden in het prototype temperatuur en spanning gegeven. De computer drijft een peristaltische pomp aan die een diëlektrische vloeistof circuleert tussen de koude en warme reservoirs, twee kleppen en een stroombron. De computer gebruikt ook thermokoppels om gegevens te verzamelen over de spanning en stroom die aan het prototype worden geleverd, en de temperatuur van de maaidorser via de voeding. b, Energie (kleur) verzameld door ons 4×7 MLC-prototype versus temperatuurbereik (X-as) en spanning (Y-as) in verschillende experimenten.
Een grotere versie van de oogstmachine (HARV2) met 60 PST MLC van 1 mm dik en 160 PST MLC van 0,5 mm dik (41,7 g actief pyro-elektrisch materiaal) leverde 11,2 J op (aanvullende opmerking 8). In 1984 maakte Olsen een energie-oogster op basis van 317 g tin-gedoteerde Pb(Zr,Ti)O3-verbinding die 6,23 J elektriciteit kon opwekken bij een temperatuur van ongeveer 150 °C (ref. 21). Voor deze maaidorser is dit de enige andere beschikbare waarde in het joulebereik. Het kreeg iets meer dan de helft van de waarde die we bereikten en bijna zeven keer de kwaliteit. Dit betekent dat de energiedichtheid van HARV2 13 keer hoger is.
De HARV1-cyclusperiode bedraagt ​​57 seconden. Dit leverde 54 mW vermogen op met 4 rijen van 7 kolommen van 1 mm dikke MLC-sets. Om nog een stap verder te gaan, hebben we een derde maaidorser gebouwd (HARV3) met een 0,5 mm dikke PST MLC en een vergelijkbare opstelling als HARV1 en HARV2 (aanvullende opmerking 9). We maten een thermalisatietijd van 12,5 seconden. Dit komt overeen met een cyclustijd van 25 s (aanvullende afbeelding 9). De verzamelde energie (47 mJ) levert een elektrisch vermogen op van 1,95 mW per MLC, wat ons op zijn beurt in staat stelt ons voor te stellen dat HARV2 0,55 W produceert (ongeveer 1,95 mW x 280 PST MLC met een dikte van 0,5 mm). Daarnaast hebben we de warmteoverdracht gesimuleerd met behulp van Finite Element Simulation (COMSOL, aanvullende opmerking 10 en aanvullende tabellen 2-4) die overeenkomen met de HARV1-experimenten. Eindige-elementenmodellering maakte het mogelijk om vermogenswaarden te voorspellen die bijna een orde van grootte hoger waren (430 mW) voor hetzelfde aantal PST-kolommen door de MLC te verdunnen tot 0,2 mm, water als koelmiddel te gebruiken en de matrix te herstellen naar 7 rijen . × 4 kolommen (naast , waren er 960 mW toen de tank zich naast de maaidorser bevond, aanvullende afbeelding 10b).
Om het nut van deze collector aan te tonen, werd een Stirling-cyclus toegepast op een stand-alone demonstrator bestaande uit slechts twee 0,5 mm dikke PST MLC's als warmtecollectoren, een hoogspanningsschakelaar, een laagspanningsschakelaar met opslagcondensator, een DC/DC-omzetter , een microcontroller met laag vermogen, twee thermokoppels en boost-converter (aanvullende opmerking 11). Het circuit vereist dat de opslagcondensator aanvankelijk wordt opgeladen op 9 V en vervolgens autonoom werkt, terwijl de temperatuur van de twee MLC's varieert van -5 ° C tot 85 ° C, hier in cycli van 160 s (meerdere cycli worden weergegeven in aanvullende opmerking 11) . Opmerkelijk is dat twee MLC's die slechts 0,3 gram wegen, dit grote systeem autonoom kunnen besturen. Een ander interessant kenmerk is dat de laagspanningsomvormer 400 V naar 10-15 V kan omzetten met een rendement van 79% (aanvullende opmerking 11 en aanvullende figuur 11.3).
Ten slotte evalueerden we de efficiëntie van deze MLC-modules bij het omzetten van thermische energie in elektrische energie. De kwaliteitsfactor η van efficiëntie wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de dichtheid van de verzamelde elektrische energie Nd en de dichtheid van de geleverde warmte Qin (aanvullende opmerking 12):
Figuren 3a,b tonen respectievelijk de efficiëntie η en de proportionele efficiëntie ηr van de Olsen-cyclus als functie van het temperatuurbereik van een 0,5 mm dikke PST MLC. Beide datasets zijn gegeven voor een elektrisch veld van 195 kV cm-1. De efficiëntie \(\this\) bereikt 1,43%, wat overeenkomt met 18% van ηr. Voor een temperatuurbereik van 10 K van 25 °C tot 35 °C bereikt ηr echter waarden tot 40% (blauwe curve in figuur 3b). Dit is tweemaal de bekende waarde voor NLP-materialen opgenomen in PMN-PT-films (ηr = 19%) in het temperatuurbereik van 10 K en 300 kV cm-1 (ref. 18). Temperatuurbereiken onder de 10 K werden niet in aanmerking genomen omdat de thermische hysteresis van de PST MLC tussen 5 en 8 K ligt. Erkenning van het positieve effect van faseovergangen op de efficiëntie is van cruciaal belang. In feite worden de optimale waarden van η en ηr bijna allemaal verkregen bij de begintemperatuur Ti = 25°C in Fig. 3a, b. Dit komt door een nauwe faseovergang wanneer er geen veld wordt aangelegd en de Curietemperatuur TC in deze MLC's ongeveer 20 °C bedraagt ​​(aanvullende opmerking 13).
a,b, de efficiëntie η en de proportionele efficiëntie van de Olson-cyclus (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } voor de maximale elektrische waarde bij een veld van 195 kV cm-1 en verschillende begintemperaturen Ti, }}\,\)(b) voor de MPC PST met een dikte van 0,5 mm, afhankelijk van het temperatuurinterval ΔTspan.
De laatste waarneming heeft twee belangrijke implicaties: (1) elke effectieve cyclus moet beginnen bij temperaturen boven TC voordat er een veldgeïnduceerde faseovergang (van para-elektrisch naar ferro-elektrisch) kan plaatsvinden; (2) deze materialen zijn efficiënter bij looptijden die dicht bij de TC liggen. Hoewel in onze experimenten grootschalige efficiëntieverbeteringen worden aangetoond, staat het beperkte temperatuurbereik ons ​​niet toe om grote absolute efficiëntieverbeteringen te bereiken vanwege de Carnot-limiet (\(\Delta T/T\)). Het uitstekende rendement dat door deze PST MLC’s wordt gedemonstreerd, rechtvaardigt Olsen echter als hij vermeldt dat “een ideale klasse 20 regeneratieve thermo-elektrische motor die werkt bij temperaturen tussen 50 °C en 250 °C een rendement van 30% kan hebben”17. Om deze waarden te bereiken en het concept te testen zou het nuttig zijn om gedoteerde PST’s met verschillende TC’s te gebruiken, zoals onderzocht door Shebanov en Borman. Ze toonden aan dat TC in PST kan variëren van 3°C (Sb-dotering) tot 33°C (Ti-dotering) 22 . Daarom veronderstellen we dat de volgende generatie pyro-elektrische regeneratoren, gebaseerd op gedoteerde PST MLC's of andere materialen met een sterke eerste orde faseovergang, kunnen concurreren met de beste energieoogsters.
In deze studie onderzochten we MLC’s gemaakt van PST. Deze apparaten bestaan ​​uit een reeks Pt- en PST-elektroden, waarbij meerdere condensatoren parallel zijn geschakeld. Er is gekozen voor PST omdat het een uitstekend EC-materiaal is en dus een potentieel uitstekend NLP-materiaal. Het vertoont een scherpe eerste-orde ferro-elektrische-para-elektrische faseovergang rond 20 ° C, wat aangeeft dat de entropieveranderingen vergelijkbaar zijn met die getoond in figuur 1. Soortgelijke MLC's zijn volledig beschreven voor EC13,14-apparaten. In dit onderzoek hebben we MLC's van 10,4 x 7,2 x 1 mm³ en 10,4 x 7,2 x 0,5 mm³ gebruikt. MLC's met een dikte van 1 mm en 0,5 mm werden gemaakt van respectievelijk 19 en 9 lagen PST met een dikte van 38,6 µm. In beide gevallen werd de binnenste PST-laag tussen 2,05 µm dikke platina-elektroden geplaatst. Bij het ontwerp van deze MLC's wordt ervan uitgegaan dat 55% van de PST's actief is, wat overeenkomt met het gedeelte tussen de elektroden (aanvullende opmerking 1). Het actieve elektrodeoppervlak was 48,7 mm2 (aanvullende tabel 5). MLC PST werd bereid door middel van een vaste fase-reactie en gietmethode. De details van het voorbereidingsproces zijn beschreven in een eerder artikel14. Een van de verschillen tussen PST MLC en het vorige artikel is de volgorde van B-sites, wat een grote invloed heeft op de prestaties van EC in PST. De volgorde van de B-plaatsen van PST MLC is 0,75 (aanvullende opmerking 2), verkregen door sinteren bij 1400°C, gevolgd door honderden uren lang uitgloeien bij 1000°C. Zie aanvullende opmerkingen 1-3 en aanvullende tabel 5 voor meer informatie over PST MLC.
Het hoofdconcept van deze studie is gebaseerd op de Olson-cyclus (Fig. 1). Voor een dergelijke cyclus hebben we een warm en koud reservoir nodig en een voeding die de spanning en stroom in de verschillende MLC-modules kan bewaken en regelen. Deze directe cycli maakten gebruik van twee verschillende configuraties, namelijk (1) Linkam-modules die één MLC verwarmden en koelden, aangesloten op een Keithley 2410-stroombron, en (2) drie prototypes (HARV1, HARV2 en HARV3) parallel met dezelfde energiebron. In het laatste geval werd een diëlektrische vloeistof (siliconenolie met een viscositeit van 5 cP bij 25°C, gekocht bij Sigma Aldrich) gebruikt voor warmte-uitwisseling tussen de twee reservoirs (warm en koud) en de MLC. Het thermische reservoir bestaat uit een glazen container gevuld met diëlektrische vloeistof en bovenop de thermische plaat geplaatst. Koude opslag bestaat uit een waterbad met vloeistofbuizen met diëlektrische vloeistof in een grote plastic container gevuld met water en ijs. Aan elk uiteinde van de maaidorser werden twee drieweg-knijpkleppen (gekocht bij Bio-Chem Fluidics) geplaatst om de vloeistof op de juiste manier van het ene reservoir naar het andere te wisselen (Figuur 2a). Om het thermisch evenwicht tussen het PST-MLC-pakket en het koelmiddel te garanderen, werd de cyclusperiode verlengd totdat de inlaat- en uitlaatthermokoppels (zo dicht mogelijk bij het PST-MLC-pakket) dezelfde temperatuur vertoonden. Het Python-script beheert en synchroniseert alle instrumenten (bronmeters, pompen, kleppen en thermokoppels) om de juiste Olson-cyclus uit te voeren, dat wil zeggen dat de koelvloeistoflus door de PST-stack begint te cirkelen nadat de bronmeter is opgeladen, zodat ze opwarmen tot het gewenste niveau. aangelegde spanning voor een gegeven Olson-cyclus.
Als alternatief hebben we deze directe metingen van verzamelde energie bevestigd met indirecte methoden. Deze indirecte methoden zijn gebaseerd op elektrische verplaatsing (D) – elektrisch veld (E) veldlussen verzameld bij verschillende temperaturen, en door het gebied tussen twee DE-lussen te berekenen, kan men nauwkeurig schatten hoeveel energie kan worden verzameld, zoals weergegeven in de figuur . in figuur 2. .1b. Deze DE-lussen worden ook verzameld met behulp van Keithley-bronmeters.
Achtentwintig 1 mm dikke PST MLC's werden geassembleerd in een parallelle plaatstructuur met 4 rijen en 7 kolommen volgens het ontwerp dat in de referentie wordt beschreven. 14. De vloeistofspleet tussen PST-MLC-rijen is 0,75 mm. Dit wordt bereikt door stroken dubbelzijdig plakband toe te voegen als vloeibare afstandhouders rond de randen van de PST MLC. De PST MLC is elektrisch parallel verbonden met een zilveren epoxybrug die in contact staat met de elektrodeleidingen. Daarna werden de draden met zilverepoxyhars aan elke kant van de elektrodeaansluitingen gelijmd voor aansluiting op de voeding. Steek ten slotte de hele structuur in de polyolefineslang. Deze laatste wordt op de vloeistofbuis gelijmd om een ​​goede afdichting te garanderen. Ten slotte werden 0,25 mm dikke thermokoppels van het K-type in elk uiteinde van de PST-MLC-structuur ingebouwd om de inlaat- en uitlaatvloeistoftemperaturen te controleren. Om dit te doen, moet de slang eerst worden geperforeerd. Breng na installatie van het thermokoppel dezelfde lijm als voorheen aan tussen de thermokoppelslang en de draad om de afdichting te herstellen.
Er werden acht afzonderlijke prototypes gebouwd, waarvan er vier 40 MLC PST's van 0,5 mm dik hadden, verdeeld als parallelle platen met 5 kolommen en 8 rijen, en de overige vier elk 15 MLC PST's van 1 mm dik hadden. in een parallelle plaatstructuur met 3 kolommen x 5 rijen. Het totale aantal gebruikte PST MLC's was 220 (160 0,5 mm dik en 60 PST MLC 1 mm dik). We noemen deze twee subeenheden HARV2_160 en HARV2_60. De vloeistofspleet in het prototype HARV2_160 bestaat uit twee dubbelzijdige tapes van 0,25 mm dik met daartussen een draad van 0,25 mm dik. Voor het HARV2_60-prototype herhaalden we dezelfde procedure, maar dan met draad van 0,38 mm dik. Voor symmetrie hebben HARV2_160 en HARV2_60 hun eigen vloeistofcircuits, pompen, kleppen en koude zijde (aanvullende opmerking 8). Twee HARV2-units delen een warmtereservoir, een container van 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) op twee kookplaten met roterende magneten. Alle acht individuele prototypes zijn elektrisch parallel verbonden. De subeenheden HARV2_160 en HARV2_60 werken gelijktijdig in de Olson-cyclus, wat resulteert in een energieoogst van 11,2 J.
Plaats 0,5 mm dikke PST MLC in een polyolefineslang met dubbelzijdige tape en draad aan beide zijden om ruimte te creëren voor de vloeistofstroom. Vanwege zijn kleine formaat werd het prototype naast een warm- of koudreservoirklep geplaatst, waardoor de cyclustijden werden geminimaliseerd.
In PST MLC wordt een constant elektrisch veld aangelegd door een constante spanning op de verwarmingstak aan te leggen. Als gevolg hiervan wordt een negatieve thermische stroom gegenereerd en wordt energie opgeslagen. Na het verwarmen van de PST MLC wordt het veld verwijderd (V = 0) en wordt de daarin opgeslagen energie teruggestuurd naar de bronteller, wat overeenkomt met nog een bijdrage van de verzamelde energie. Ten slotte worden de MLC PST's, met een spanning V = 0 aangelegd, afgekoeld tot hun begintemperatuur, zodat de cyclus opnieuw kan beginnen. In dit stadium wordt er geen energie verzameld. We voerden de Olsen-cyclus uit met behulp van een Keithley 2410 SourceMeter, laadden de PST MLC op vanaf een spanningsbron en stelden de huidige match in op de juiste waarde, zodat er tijdens de oplaadfase voldoende punten werden verzameld voor betrouwbare energieberekeningen.
In Stirling-cycli werden PST-MLC's opgeladen in de spanningsbronmodus bij een initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning Vi > 0), een gewenste compliantiestroom zodat de laadstap ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende punten worden verzameld voor een betrouwbare berekening van de energie) en koude temperatuur. In Stirling-cycli werden PST-MLC's opgeladen in de spanningsbronmodus bij een initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning Vi > 0), een gewenste compliantiestroom zodat de laadstap ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende punten worden verzameld voor een betrouwbare berekening van de energie) en koude temperatuur. В циклах стирлинг par pst mlc заряжались в режиме источника напряжения при начальном значеначеначеначеначreid жение VI> 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает оесествое оclusix 1 с с? надежног chчета энергия) и холодcentr тпература. In de Stirling PST MLC-cycli werden ze opgeladen in de spanningsbronmodus bij de beginwaarde van het elektrische veld (beginspanning Vi > 0), de gewenste vloeistroom, zodat de laadfase ongeveer 1 s duurt (en een voldoende aantal punten worden verzameld voor een betrouwbare energieberekening) en koude temperatuur.PST MLC-software, PST MLC-software使得充电步骤大约需要1 秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 In de mastercyclus wordt de PST MLC opgeladen met de initiële elektrische veldwaarde (beginspanning Vi > 0) in de spanningsbronmodus, zodat de vereiste compliantiestroom ongeveer 1 seconde duurt voor de laadstap (en we hebben voldoende punten verzameld om betrouwbaar berekenen (energie) en lage temperatuur. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие температуры . In de Stirling-cyclus wordt de PST MLC opgeladen in de spanningsbronmodus met een initiële waarde van het elektrische veld (beginspanning Vi > 0), de vereiste compliantiestroom is zodanig dat de laadfase ongeveer 1 s duurt (en een voldoende aantal punten worden verzameld om de energie betrouwbaar te berekenen) en lage temperaturen.Voordat de PST MLC opwarmt, opent u het circuit door een aanpassingsstroom van I = 0 mA toe te passen (de minimale aanpassingsstroom die onze meetbron aankan is 10 nA). Als gevolg hiervan blijft er een lading achter in de PST van de MJK en neemt de spanning toe naarmate het monster warmer wordt. Er wordt geen energie verzameld in arm BC omdat I = 0 mA. Na het bereiken van een hoge temperatuur neemt de spanning in de MLT FT toe (in sommige gevallen meer dan 30 keer, zie aanvullende afbeelding 7.2), wordt de MLK FT ontladen (V = 0) en wordt er gedurende dezelfde tijd elektrische energie in opgeslagen. aangezien dit de initiële kosten zijn. Dezelfde huidige correspondentie wordt teruggestuurd naar de meterbron. Als gevolg van spanningsversterking is de opgeslagen energie bij hoge temperatuur hoger dan wat aan het begin van de cyclus werd geleverd. Energie wordt dus verkregen door warmte om te zetten in elektriciteit.
We gebruikten een Keithley 2410 SourceMeter om de spanning en stroom te controleren die op de PST MLC werd toegepast. De overeenkomstige energie wordt berekend door het product van spanning en stroom te integreren, afgelezen door Keithley's bronmeter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), waarbij τ de periode van de periode is. Op onze energiecurve betekenen positieve energiewaarden de energie die we aan de MLC PST moeten geven, en negatieve waarden betekenen de energie die we eruit halen en dus de ontvangen energie. Het relatieve vermogen voor een bepaalde verzamelcyclus wordt bepaald door de verzamelde energie te delen door de periode τ van de gehele cyclus.
Alle gegevens worden weergegeven in de hoofdtekst of in aanvullende informatie. Brieven en verzoeken om materiaal moeten worden gericht aan de bron van de AT- of ED-gegevens die bij dit artikel zijn verstrekt.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Een overzicht van de ontwikkeling en toepassingen van thermo-elektrische microgeneratoren voor het oogsten van energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Een overzicht van de ontwikkeling en toepassingen van thermo-elektrische microgeneratoren voor het oogsten van energie.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO en Henao, NC Overzicht van de ontwikkeling en toepassing van thermo-elektrische microgeneratoren voor het oogsten van energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO en Henao, NC overwegen de ontwikkeling en toepassing van thermo-elektrische microgeneratoren voor het oogsten van energie.cv. steun. Energie Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaïsche materialen: huidige efficiëntie en toekomstige uitdagingen. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaïsche materialen: huidige efficiëntie en toekomstige uitdagingen.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. en Sinke, VK Fotovoltaïsche materialen: huidige prestaties en toekomstige uitdagingen. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Zonne-energiematerialen: huidige efficiëntie en toekomstige uitdagingen.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. en Sinke, VK Fotovoltaïsche materialen: huidige prestaties en toekomstige uitdagingen.Wetenschap 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Geconjuncteerd pyro-piëzo-elektrisch effect voor zelfaangedreven gelijktijdige temperatuur- en drukmeting. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conjunct pyro-piëzo-elektrisch effect voor zelfaangedreven gelijktijdige temperatuur- en drukmeting.Song K., Zhao R., Wang ZL en Yan Yu. Gecombineerd pyropiëzo-elektrisch effect voor autonome gelijktijdige meting van temperatuur en druk. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Voor zelfvoorziening tegelijk met temperatuur en druk.Song K., Zhao R., Wang ZL en Yan Yu. Gecombineerd thermopiëzo-elektrisch effect voor autonome gelijktijdige meting van temperatuur en druk.Vooruit. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energieoogst op basis van Ericsson pyro-elektrische cycli in een relaxor ferro-elektrisch keramiek. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energieoogst op basis van Ericsson pyro-elektrische cycli in een relaxor ferro-elektrisch keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energieoogst op basis van pyro-elektrische Ericsson-cycli in relaxor ferro-elektrische keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energieoogst in relaxor ferro-elektrische keramiek gebaseerd op pyro-elektrische fietsen van Ericsson. Slimme alma mater. structuur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrocalorische en pyro-elektrische materialen van de volgende generatie voor interconversie van elektrothermische energie in vaste toestand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrocalorische en pyro-elektrische materialen van de volgende generatie voor interconversie van elektrothermische energie in vaste toestand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Rekening houdend met de kredietvoorwaarden Er is geen probleem met de werking van het apparaat. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrocalorische en pyro-elektrische materialen van de volgende generatie voor onderlinge conversie van elektrothermische energie in vaste toestand. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Rekening houdend met de kredietvoorwaarden Er is geen probleem met de werking van het apparaat. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrocalorische en pyro-elektrische materialen van de volgende generatie voor onderlinge conversie van elektrothermische energie in vaste toestand.Dame Bul. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en cijfer van verdienste voor het kwantificeren van de prestaties van pyro-elektrische nanogeneratoren. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en cijfer van verdienste voor het kwantificeren van de prestaties van pyro-elektrische nanogeneratoren.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL en Yang, Yu. Een standaard- en kwaliteitsscore voor het kwantificeren van de prestaties van pyro-elektrische nanogeneratoren. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL en Yang, Yu. Criteria en prestatiemaatstaven voor het kwantificeren van de prestaties van een pyro-elektrische nanogenerator.Nano-energie 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrocalorische koelcycli in loodscandiumtantalaat met echte regeneratie via veldvariatie. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrocalorische koelcycli in loodscandiumtantalaat met echte regeneratie via veldvariatie.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. en Mathur, ND Elektrocalorische koelcycli in lood-scandiumtantalaat met echte regeneratie door middel van veldmodificatie. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantalum-producten voor tantaalgebruikCrossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. en Mathur, ND Een elektrothermische koelcyclus van scandium-loodtantalaat voor echte regeneratie door veldomkering.natuurkunde Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Calorische materialen nabij ferro-faseovergangen. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Calorische materialen nabij ferro-faseovergangen.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND Calorische materialen nabij ferroïde fase-overgangen. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Thermische materialen in de buurt van ferrometallurgie.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND Thermische materialen nabij ijzerfase-overgangen.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Calorische materialen voor koeling en verwarming. Moya, X. & Mathur, ND Calorische materialen voor koeling en verwarming.Moya, X. en Mathur, ND Thermische materialen voor koeling en verwarming. Moya, X. & Mathur, ND Moya, X. & Mathur, ND Thermische materialen voor koeling en verwarming.Moya X. en Mathur ND Thermische materialen voor koeling en verwarming.Wetenschap 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrocalorische koelers: een overzicht. Torelló, A. & Defay, E. Elektrocalorische koelers: een overzicht.Torello, A. en Defay, E. Elektrocalorische koelmachines: een overzicht. Torelló, A. & Defay, E. Torelló, A. & Defay, E.Torello, A. en Defay, E. Elektrothermische koelers: een recensie.Geavanceerd. elektronisch. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme energie-efficiëntie van elektrocalorisch materiaal in hooggeordend scandium-scandium-lood. Nationaal communiceren. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Het elektrothermische effect van meerlaagse oxidecondensatoren is groot over een breed temperatuurbereik. Natuur 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enorm temperatuurbereik in elektrothermische regeneratoren. Wetenschap 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Hoogwaardig elektrothermisch solid-state koelsysteem. Wetenschap 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Cascade elektrothermisch koelapparaat voor grote temperatuurstijging. Nationale Energie 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Hoge efficiëntie, directe omzetting van warmte in elektrische energiegerelateerde pyro-elektrische metingen. Olsen, RB & Brown, DD Hoogefficiënte directe omzetting van warmte in elektrische energiegerelateerde pyro-elektrische metingen.Olsen, RB en Brown, DD Zeer efficiënte directe omzetting van warmte in elektrische energie geassocieerd met pyro-elektrische metingen. Olsen, RB & Brown, DD geven een overzicht van de resultaten van dit onderzoek. Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB en Brown, DD Efficiënte directe omzetting van warmte in elektriciteit geassocieerd met pyro-elektrische metingen.Ferro-elektriciteit 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energie- en vermogensdichtheid in dunne relaxor ferro-elektrische films. Nationale alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Gecascadeerde pyro-elektrische conversie: optimaliseren van de ferro-elektrische faseovergang en elektrische verliezen. Smith, AN & Hanrahan, BM Gecascadeerde pyro-elektrische conversie: optimaliseren van de ferro-elektrische faseovergang en elektrische verliezen.Smith, AN en Hanrahan, BM Gecascadeerde pyro-elektrische conversie: ferro-elektrische faseovergang en optimalisatie van elektrisch verlies. Smith, AN & Hanrahan, BM Smith, AN en Hanrahan, BMSmith, AN en Hanrahan, BM Gecascadeerde pyro-elektrische conversie: optimalisatie van ferro-elektrische faseovergangen en elektrische verliezen.J. Toepassing. natuurkunde. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Het gebruik van ferro-elektrische materialen om thermische energie om te zetten in elektriciteit. proces. IEEE 51, 838-845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Gecascadeerde pyro-elektrische energieomzetter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Gecascadeerde pyro-elektrische energieomzetter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Dullea, J. Cascade Pyro-elektrische stroomomzetter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Dullea, J. Gecascadeerde pyro-elektrische stroomomvormers.Ferro-elektriciteit 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Over vaste oplossingen van lood-scandiumtantalaat met een hoog elektrocalorisch effect. Shebanov, L. & Borman, K. Over vaste oplossingen van lood-scandiumtantalaat met een hoog elektrocalorisch effect.Shebanov L. en Borman K. Over vaste oplossingen van lood-scandiumtantalaat met een hoog elektrocalorisch effect. Shebanov, L. & Borman, K. Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. en Borman K. Over vaste scandium-lood-scandium-oplossingen met een hoog elektrocalorisch effect.Ferro-elektriciteit 127, 143–148 (1992).
Wij danken N. Furusawa, Y. Inoue en K. Honda voor hun hulp bij het creëren van de MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB en ED Met dank aan de Luxembourg National Research Foundation (FNR) voor de ondersteuning van dit werk via CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay en BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Afdeling Materiaalonderzoek en Technologie, Luxemburgs Instituut voor Technologie (LIST), Belvoir, Luxemburg