Het aanbieden van duurzame bronnen van elektriciteit is een van de belangrijkste uitdagingen van deze eeuw. Onderzoeksgebieden op het gebied van energieopwekkende materialen komen voort uit deze motivatie, waaronder thermo-elektrisch1, fotovoltaïsch2 en thermofotovoltaïsch3. Hoewel we geen materialen en apparaten hebben die energie in het Joule-bereik kunnen opwekken, worden pyro-elektrische materialen die elektrische energie kunnen omzetten in periodieke temperatuurveranderingen beschouwd als sensoren4 en energieopwekkers5,6,7. Hier hebben we een macroscopische thermische energieopwekker 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 tot 4,43 J cm-3 per cyclus genereren. We laten ook zien dat twee van dergelijke modules met een gewicht van 0,3 g voldoende zijn om autonome energieopwekkers met ingebouwde microcontrollers en temperatuursensoren continu van stroom te voorzien. Tot slot laten we zien dat voor een temperatuurbereik van 10 K, deze meerlaagse condensatoren een Carnot-rendement van 40% kunnen bereiken. Deze eigenschappen zijn te danken aan (1) ferro-elektrische faseverandering voor een hoge efficiëntie, (2) lage lekstroom om verliezen te voorkomen, en (3) een hoge doorslagspanning. Deze macroscopische, schaalbare en efficiënte pyro-elektrische energieopwekkingssystemen hervormen de thermo-elektrische energieopwekking.
Vergeleken met de ruimtelijke temperatuurgradiënt die nodig is voor thermo-elektrische materialen, vereist het oogsten van energie door thermo-elektrische materialen temperatuurcycli in de tijd. Dit betekent een thermodynamische cyclus, die het best beschreven kan worden door het entropie (S)-temperatuur (T) diagram. Figuur 1a toont een typische ST-grafiek van een niet-lineair pyro-elektrisch (NLP) materiaal dat een veldgestuurde ferro-elektrische-para-elektrische faseovergang in scandium-loodtantalaat (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 isopooldelen). Hier beschouwen we twee cycli met dezelfde verandering in 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 oppervlak, hoe meer energie er wordt verzameld. Daarom moet de faseovergang meer energie verzamelen. De behoefte aan grote oppervlaktecycli in NLP is zeer vergelijkbaar met de behoefte aan elektrothermische toepassingen9, 10, 11, 12, waarbij PST-meerlaagscondensatoren (MLC's) en PVDF-gebaseerde terpolymeren recentelijk uitstekende prestaties in omgekeerde richting hebben laten zien. Koelprestaties in cyclus 13, 14, 15, 16. Daarom hebben we PST-MLC's geïdentificeerd die interessant zijn voor thermische energiewinning. Deze monsters zijn volledig beschreven in de methoden en gekarakteriseerd in aanvullende notities 1 (scanning elektronenmicroscopie), 2 (röntgendiffractie) en 3 (calorimetrie).
a, Schets van een entropie (S)-temperatuur (T) grafiek met elektrisch veld aan en uit toegepast op NLP-materialen die faseovergangen tonen. Twee energieverzamelingscycli worden getoond 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 corresponderende 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 gehandhaafd op 155 kV cm-1 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 geeft de energie weer die in één cyclus wordt verzameld. c, bovenste paneel, spanning (zwart) en stroomsterkte (rood) versus tijd, gemeten tijdens dezelfde Olson-cyclus als b. De twee inzetstukken geven de versterking van spanning en stroomsterkte op belangrijke punten in de cyclus weer. In het onderste paneel geven de gele en groene curven respectievelijk de corresponderende temperatuur- en energiecurven weer voor een MLC van 1 mm dik. De energie wordt berekend op basis van de stroom- en spanningscurven op het bovenste paneel. Negatieve energie komt overeen met de verzamelde energie. De stappen die corresponderen 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 meest bruikbare methoden werden beschreven door Olsen in zijn baanbrekende werk over het verzamelen van pyro-elektrische energie in de jaren 8017.
Figuur 1b toont twee monopolaire DE-lussen van 1 mm dikke PST-MLC-monsters, geassembleerd 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. De Olson-cyclus bestaat in feite uit twee isoveldtakken (hier een nulveld in de DA-tak en 155 kV cm-1 in de BC-tak) en twee isotherme takken (hier 20 °C en 20 °C 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 de ingaande en uitgaande energie, d.w.z. alleen het oranje gebied in figuur 1b. Deze specifieke Olson-cyclus geeft een Nd-energiedichtheid van 1,78 J cm-3. De Stirlingcyclus is een alternatief voor de Olsoncyclus (Aanvullende opmerking 7). Omdat de constante ladingsfase (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 Olsoncyclus kan opvangen, maar eenvoudige apparatuur kan dit wel.
Daarnaast hebben we de energie die tijdens de Olson-cyclus werd verzameld, direct gemeten door de PST MLC van stroom te voorzien met behulp van een Linkam-temperatuurregeltrap en een bronmeter (methode). Afbeelding 1c bovenaan en in de respectievelijke inzetstukken toont de stroomsterkte (rood) en spanning (zwart) die werden verzameld op dezelfde 1 mm dikke PST MLC als voor de DE-lus die dezelfde Olson-cyclus doorloopt. De stroomsterkte en spanning maken het mogelijk om de verzamelde energie te berekenen, en de curven worden weergegeven in afbeelding 1c, onder (groen) en temperatuur (geel) gedurende de cyclus. De letters ABCD vertegenwoordigen dezelfde Olson-cyclus in afbeelding 1. Het opladen van de MLC vindt plaats tijdens het AB-deel en wordt uitgevoerd met een lage stroomsterkte (200 µA), zodat de bronmeter het opladen goed kan regelen. Het gevolg van deze constante initiële stroomsterkte is dat de spanningscurve (zwarte curve) niet lineair is vanwege het niet-lineaire potentiaalverplaatsingsveld D PST (afbeelding 1c, inzetstuk bovenaan). Aan het einde van het opladen wordt 30 mJ aan 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 in het circuit een elektrisch vermogen van 35 mJ produceerde tijdens dit isoveld (tweede inzet in Fig. 1c, boven). De spanning op de MLC (tak CD) wordt vervolgens verlaagd, wat resulteert in een extra elektrische arbeid van 60 mJ. De totale uitgangsenergie is 95 mJ. De verzamelde energie is het verschil tussen de ingangs- en uitgangsenergie, 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 PST MLC met een dikte van 0,5 mm over een temperatuurbereik van 750 V (195 kV cm-1) en 175 °C (Aanvullende opmerking 5). Dit is vier keer hoger dan de beste prestatie die in de literatuur is gerapporteerd voor directe Olson-cycli en werd verkregen op dunne films van Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm³). Aanvullende 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 dat door Smith et al.19 werd genoemd - in tegenstelling tot de materialen die in eerdere onderzoeken werden 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 dat door Smith et al.19 werd genoemd - in tegenstelling tot de materialen die in eerdere onderzoeken werden gebruikt17,20. Er zijn meer mogelijkheden voor het verkrijgen van een MLC-waarde (<10–7 А при 750 В en 180 °C, см. примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом en др. 19 — in het geval van een apparaat, dat in een van de volgende gevallen17,20 ligt. Deze eigenschappen 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 de materialen die in eerdere onderzoeken werden 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,已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料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Dit is het geval Contactgegevens相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 Dit is 17,20. Поскольку ток утечкиэтих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В en 180 °C, см. подробности в дополнительном примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом en др. 19 — Controleer de instellingen van het apparaat. Omdat de lekstroom van deze MLC's zeer laag is (<10–7 A bij 750 V en 180 °C, zie Aanvullende opmerking 6 voor details) – een belangrijk punt dat door Smith et al. 19 wordt genoemd – werden deze prestaties ter vergelijking behaald.naar materialen gebruikt in eerdere studies 17,20.
Dezelfde omstandigheden (600 V, 20-90 °C) waren van toepassing op de Stirlingcyclus (Aanvullende opmerking 7). Zoals verwacht op basis van de resultaten van de DE-cyclus, bedroeg de opbrengst 41,0 mJ. Een van de meest opvallende kenmerken van Stirlingcycli is hun vermogen om de beginspanning te versterken door middel van het thermo-elektrische effect. We observeerden een spanningsversterking tot 39 (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 ze macroscopische objecten zijn die groot genoeg zijn om energie in het joulebereik te verzamelen. Daarom hebben we een prototype-oogster (HARV1) gebouwd met 28 MLC PST-platen van 1 mm dik, volgens hetzelfde parallelle plaatontwerp beschreven door Torello et al.14, in een 7×4-matrix zoals weergegeven in Fig. De warmtedragende diëlektrische vloeistof in 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 deze maaidorser werden metingen verricht 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 × 65 = 1820 mJ).
a. Experimentele opstelling van een geassembleerd HARV1-prototype gebaseerd op 28 MLC PST's van 1 mm dik (4 rijen × 7 kolommen) die draaien op Olson-cycli. Voor elk van de vier cyclusstappen worden temperatuur en spanning in het prototype weergegeven. De computer stuurt een peristaltische pomp aan die een diëlektrische vloeistof laat circuleren 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 die door de stroombron wordt geleverd. b. Energie (kleur) verzameld door ons 4x7 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 (Aanvullende opmerking 8). In 1984 ontwikkelde Olsen een energieoogster op basis van 317 g van een tin-gedoteerde Pb(Zr,Ti)O3-verbinding die 6,23 J elektriciteit kon genereren bij een temperatuur van ongeveer 150 °C (ref. 21). Voor deze maaidorser is dit de enige andere beschikbare waarde in het joulebereik. Deze haalde iets meer dan de helft van de waarde die wij behaalden 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, bouwden we een derde maaidorser (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 seconden (aanvullende figuur 9). De verzamelde energie (47 mJ) levert een elektrisch vermogen op van 1,95 mW per MLC, wat ons in staat stelt om ons voor te stellen dat HARV2 0,55 W produceert (ongeveer 1,95 mW × 280 PST MLC van 0,5 mm dik). Daarnaast simuleerden we de warmteoverdracht met behulp van Finite Element Simulation (COMSOL, aanvullende notitie 10 en aanvullende tabellen 2-4), die correspondeerde met de HARV1-experimenten. Finite Element Modeling maakte het mogelijk om vermogenswaarden te voorspellen die bijna een orde van grootte hoger lagen (430 mW) voor hetzelfde aantal PST-kolommen door de MLC te verdunnen tot 0,2 mm, water als koelmiddel te gebruiken en de matrix terug te brengen tot 7 rijen × 4 kolommen (naast 960 mW wanneer de tank zich naast de maaidorser bevond, aanvullende figuur 10b).
Om het nut van deze collector te demonstreren, werd een Stirlingcyclus 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-omvormer, een microcontroller met laag vermogen, twee thermokoppels en een boostconverter (aanvullende opmerking 11). Het circuit vereist dat de opslagcondensator eerst wordt opgeladen met 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 getoond in aanvullende opmerking 11). Opmerkelijk is dat twee MLC's met een gewicht van slechts 0,3 g dit grote systeem autonoom kunnen besturen. Een andere interessante eigenschap is dat de laagspanningsomvormer in staat is om 400 V om te zetten naar 10-15 V met een efficiëntie van 79% (aanvullende opmerking 11 en aanvullende afbeelding 11.3).
Tot slot hebben we de efficiëntie van deze MLC-modules bij het omzetten van thermische energie in elektrische energie geëvalueerd. De kwaliteitsfactor η van de efficiëntie wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de dichtheid van de verzamelde elektrische energie Nd en de dichtheid van de toegevoerde warmte Qin (Aanvullende opmerking 12).
Figuur 3a en 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 tussen 25 °C en 35 °C bereikt ηr echter waarden tot 40% (blauwe curve in figuur 3b). Dit is tweemaal de bekende waarde voor NLP-materialen die is geregistreerd in PMN-PT-films (ηr = 19%) in het temperatuurbereik van 10 K en 300 kV cm-1 (ref. 18). Temperatuurbereiken onder 10 K werden niet in aanmerking genomen, omdat de thermische hysterese van de PST MLC tussen 5 en 8 K ligt. Het is cruciaal om het positieve effect van faseovergangen op de efficiëntie te erkennen. De optimale waarden van η en ηr worden namelijk vrijwel allemaal bereikt bij de begintemperatuur Ti = 25 °C in figuur 3a en b. Dit komt door een nauwe faseovergang wanneer er geen veld wordt aangelegd en de Curietemperatuur TC in deze MLC's rond de 20 °C ligt (Aanvullende opmerking 13).
a,b, het rendement η en het proportionele rendement van de Olson-cyclus (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} voor de maximale elektrische door een veld van 195 kV cm-1 en verschillende begintemperaturen Ti, }}\,\)(b) voor de MPC PST van 0,5 mm dik, afhankelijk van het temperatuurinterval ΔTspan.
De laatste observatie heeft twee belangrijke implicaties: (1) elke effectieve cyclus moet beginnen bij temperaturen boven TC om een ​​veldgeïnduceerde faseovergang (van para-elektrisch naar ferro-elektrisch) te laten plaatsvinden; (2) deze materialen zijn efficiënter bij looptijden dicht bij TC. Hoewel grootschalige efficiënties worden aangetoond in onze experimenten, staat het beperkte temperatuurbereik ons ​​niet toe om grote absolute efficiënties te bereiken vanwege de Carnot-limiet (\(\Delta T/T\)). De uitstekende efficiëntie die door deze PST MLC's wordt aangetoond, rechtvaardigt echter Olsen wanneer hij vermeldt dat "een ideale regeneratieve thermo-elektrische motor van klasse 20 die werkt bij temperaturen tussen 50 °C en 250 °C een efficiëntie 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 bestudeerd door Shebanov en Borman. Zij toonden aan dat TC in PST kan variëren van 3 °C (Sb-doping) tot 33 °C (Ti-doping) 22 . Daarom veronderstellen wij dat pyro-elektrische regeneratoren van de volgende generatie, gebaseerd op gedoteerde PST MLC's of andere materialen met een sterke eerste-orde faseovergang, kunnen concurreren met de beste energieoogsters.
In deze studie hebben we MLC's van PST onderzocht. Deze componenten bestaan ​​uit een reeks Pt- en PST-elektroden, waarbij meerdere condensatoren parallel zijn geschakeld. PST werd gekozen omdat het een uitstekend EC-materiaal is en daarom 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 weergegeven in Afb. 1. Vergelijkbare MLC's zijn volledig beschreven voor EC13,14-componenten. In deze studie gebruikten we MLC's van 10,4 × 7,2 × 1 mm³ en 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC's met een dikte van 1 mm en 0,5 mm werden gemaakt van 19 en 9 lagen PST met een dikte van respectievelijk 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 is 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 vastefasereactie en een gietmethode. De details van het bereidingsproces zijn beschreven in een eerder artikel14. Een van de verschillen tussen PST-MLC en het vorige artikel is de volgorde van de B-locaties, die de prestaties van EC in PST sterk beïnvloedt. De volgorde van de B-locaties van PST-MLC is 0,75 (aanvullende opmerking 2), verkregen door sinteren bij 1400 °C, gevolgd door honderden uren gloeien 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 koudreservoir en een voeding nodig die de spanning en stroom in de verschillende MLC-modules kan bewaken en regelen. Deze directe cycli gebruikten twee verschillende configuraties, namelijk (1) Linkam-modules die één MLC verwarmden en koelden die was aangesloten op een Keithley 2410-voeding, en (2) drie prototypes (HARV1, HARV2 en HARV3) parallel met dezelfde bronenergie. 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 geplaatst op de thermische plaat. De koude opslag bestaat uit een waterbad met vloeistofbuizen die diëlektrische vloeistof bevatten in een grote plastic container gevuld met water en ijs. Aan beide uiteinden van de maaidorser werden twee drieweg-knijpkleppen (aangeschaft bij Bio-Chem Fluidics) geplaatst om de vloeistof correct van het ene reservoir naar het andere over te schakelen (Figuur 2a). Om het thermisch evenwicht tussen het PST-MLC-pakket en de koelvloeistof te garanderen, werd de cyclusperiode verlengd totdat de inlaat- en uitlaatthermokoppels (zo dicht mogelijk bij het PST-MLC-pakket) dezelfde temperatuur aangaven. Het Python-script beheert en synchroniseert alle instrumenten (bronmeters, pompen, kleppen en thermokoppels) om de juiste Olson-cyclus uit te voeren. Dit betekent dat de koelvloeistofkringloop door de PST-stack begint te lopen nadat de bronmeter is opgeladen, zodat ze opwarmen tot de gewenste aangelegde spanning voor de gegeven Olson-cyclus.
Als alternatief hebben we deze directe metingen van verzamelde energie bevestigd met indirecte methoden. Deze indirecte methoden zijn gebaseerd op veldlussen van elektrische verplaatsing (D) – elektrisch veld (E), verzameld bij verschillende temperaturen. Door het gebied tussen twee DE-lussen te berekenen, kan men nauwkeurig schatten hoeveel energie kan worden verzameld, zoals weergegeven in de afbeelding in figuur 2.1b. Deze DE-lussen worden ook verzameld met behulp van Keithley-bronmeters.
Achtentwintig PST MLC's van 1 mm dik werden geassembleerd in een parallelle plaatstructuur met 4 rijen en 7 kolommen, volgens het ontwerp beschreven in de referentie. 14. De vloeistofspleet tussen de PST-MLC-rijen bedraagt ​​0,75 mm. Dit wordt bereikt door stroken dubbelzijdige tape als vloeistofafstandhouders rond de randen van de PST MLC aan te brengen. De PST MLC is elektrisch parallel verbonden met een zilveren epoxybrug die contact maakt met de elektrodekabels. Vervolgens werden draden met zilveren epoxyhars aan beide zijden van de elektrodeaansluitingen gelijmd voor aansluiting op de voeding. Plaats ten slotte de gehele structuur in de polyolefineslang. Deze wordt aan de vloeistofbuis gelijmd om een ​​goede afdichting te garanderen. Ten slotte werden 0,25 mm dikke K-type thermokoppels in elk uiteinde van de PST-MLC-structuur ingebouwd om de inlaat- en uitlaattemperatuur van de vloeistof te bewaken. Hiervoor moet de slang eerst worden geperforeerd. Breng na het installeren van het thermokoppel dezelfde lijm als hiervoor 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 over parallelle platen met 5 kolommen en 8 rijen, en de overige vier elk 15 MLC PST's van 1 mm dik, in een parallelle plaatstructuur van 3 kolommen × 5 rijen. Het totale aantal gebruikte PST MLC's was 220 (160 van 0,5 mm dik en 60 PST MLC's van 1 mm dik). We noemen deze twee subunits HARV2_160 en HARV2_60. De vloeistofopening 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 prototype HARV2_60 herhaalden we dezelfde procedure, maar dan met draad van 0,38 mm dik. Voor de 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 3-liter container (30 cm x 20 cm x 5 cm) op twee hete platen met roterende magneten. Alle acht individuele prototypes zijn elektrisch parallel geschakeld. De HARV2_160- en HARV2_60-subunits werken gelijktijdig in de Olson-cyclus, wat resulteert in een energieopbrengst van 11,2 J.
Plaats de 0,5 mm dikke PST MLC in een polyolefine slang met dubbelzijdige tape en draad aan beide zijden om ruimte te creëren voor de vloeistofstroom. Vanwege het kleine formaat werd het prototype naast een warm- of koudwaterreservoirklep geplaatst, waardoor de cyclustijden werden geminimaliseerd.
Bij PST MLC wordt een constant elektrisch veld aangelegd door een constante spanning op de verwarmingstak aan te leggen. Hierdoor ontstaat een negatieve thermische stroom en wordt energie opgeslagen. Na verhitting van de PST MLC wordt het veld verwijderd (V = 0) en wordt de daarin opgeslagen energie teruggevoerd naar de bronteller, wat overeenkomt met een extra bijdrage van de verzamelde energie. Ten slotte worden de MLC PST's, met een spanning V = 0, afgekoeld tot hun begintemperatuur, zodat de cyclus opnieuw kan beginnen. In deze fase wordt geen energie verzameld. We hebben de Olsen-cyclus uitgevoerd met een Keithley 2410 SourceMeter, waarbij we de PST MLC oplaadden via een spanningsbron en de stroomaanpassing op de juiste waarde instelden, zodat er tijdens de laadfase voldoende punten werden verzameld voor betrouwbare energieberekeningen.
Tijdens Stirlingcycli werden PST MLC's opgeladen in de spanningsbronmodus met een initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning Vi > 0), een gewenste conformiteitsstroom zodat de oplaadstap ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende punten worden verzameld voor een betrouwbare berekening van de energie) en een koude temperatuur. Tijdens Stirlingcycli werden PST MLC's opgeladen in de spanningsbronmodus met een initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning Vi > 0), een gewenste conformiteitsstroom zodat de oplaadstap ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende punten worden verzameld voor een betrouwbare berekening van de energie) en een koude temperatuur. U kunt een PST MLC-toepassing in een standaardprogramma gebruiken электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), Als u dit wilt, kunt u het beste 1 с (en een deel van de waarde Het is een goed idee om dit te doen энергия) en холодная температура. Tijdens de Stirling PST MLC-cycli werden ze opgeladen in de spanningsbronmodus bij de beginwaarde van het elektrische veld (beginspanning Vi > 0), de gewenste opbrengststroom, zodat de oplaadfase ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende punten worden verzameld voor een betrouwbare energieberekening) en bij een koude temperatuur.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压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。 In de hoofdcyclus wordt de PST MLC opgeladen bij de initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning Vi > 0) in de spanningsbronmodus, zodat de vereiste nalevingsstroom ongeveer 1 seconde duurt voor de laadstap (en we hebben voldoende punten verzameld om betrouwbaar (energie) en lage temperatuur te berekenen. U kunt een PST MLC-bewerking uitvoeren op de juiste manier om dit te doen электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), Als u dit wilt, kunt u het beste 1 с (en een lager bedrag) количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) en низкие температуры. Bij de Stirlingcyclus wordt de PST MLC opgeladen in de spanningsbronmodus met een beginwaarde van het elektrische veld (beginspanning Vi > 0), de vereiste conformiteitsstroom is zodanig dat de laadfase ongeveer 1 seconde duurt (en er worden voldoende punten 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 aan te leggen (de minimale aanpassingsstroom die onze meetbron aankan is 10 nA). Hierdoor blijft er lading achter in de PST van de MJK en neemt de spanning toe naarmate het monster opwarmt. Er wordt geen energie verzameld in arm BC omdat I = 0 mA. Na het bereiken van een hoge temperatuur stijgt de spanning in de MLT FT (in sommige gevallen meer dan 30 keer, zie aanvullende figuur 7.2), ontlaadt de MLK FT (V = 0) en wordt er elektrische energie in opgeslagen voor dezelfde duur als de initiële lading. Dezelfde stroomcorrespondentie wordt teruggevoerd naar de meterbron. Door de spanningsversterking is de opgeslagen energie bij hoge temperatuur hoger dan die 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 stroomsterkte op de PST MLC te bewaken. De bijbehorende energie wordt berekend door het product van de spanning en stroomsterkte, gemeten door Keithley's sourcemeter, te integreren, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), waarbij τ de periode is. Op onze energiecurve geven positieve energiewaarden de energie aan die we aan de MLC PST moeten geven, en negatieve waarden 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 gepresenteerd in de hoofdtekst of in aanvullende informatie. Brieven en verzoeken om materiaal dienen te 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 energieopwekking. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Een overzicht van de ontwikkeling en toepassingen van thermo-elektrische microgeneratoren voor energieopwekking.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO en Henao, NC Overzicht van de ontwikkeling en toepassing van thermo-elektrische microgeneratoren voor energieopwekking. 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 energieopwekking.CV. Ondersteuning. 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 Zonnematerialen: 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. Gecombineerd pyro-piëzo-elektrisch effect voor zelfvoorzienende, gelijktijdige temperatuur- en drukmeting. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conjunct pyro-piëzo-elektrisch effect voor zelfvoorzienende, 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 op hetzelfde moment als 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. Energiewinning op basis van pyro-elektrische cycli van Ericsson in een relaxor-ferro-elektrisch keramiek. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energiewinning op basis van pyro-elektrische cycli van Ericsson in een relaxor-ferro-elektrisch keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energiewinning op basis van pyro-elektrische Ericsson-cycli in relaxorferro-elektrische keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energiewinning in relaxorferro-elektrische keramiek op basis van Ericsson pyro-elektrische cycli. Smart alma mater. structuur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generatie elektrocalorische en pyro-elektrische materialen voor vaste-toestand elektrothermische energie-interconversie. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generatie elektrocalorische en pyro-elektrische materialen voor vaste-toestand elektrothermische energie-interconversie. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW поколения для взаимного преобразования Controleer de werking van het apparaat. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generatie elektrocalorische en pyro-elektrische materialen voor vaste-toestand elektrothermische energie-interconversie. 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 поколения для взаимного преобразования Controleer de werking van het apparaat. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Volgende generatie elektrocalorische en pyro-elektrische materialen voor vaste-toestand elektrothermische energie-interconversie.Vrouwe Stier. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en verdienstecijfer voor het kwantificeren van de prestaties van pyro-elektrische nanogeneratoren. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en verdienstecijfer 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 prestatiemetingen 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 ferroïsche faseovergangen. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Calorische materialen nabij ferroïsche faseovergangen.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND Calorische materialen nabij ferrodiëfaseovergangen. 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 ijzerfaseovergangen.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 overzicht.Geavanceerd. elektronisch. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme energie-efficiëntie van elektrocalorisch materiaal in zeer geordend scandium-scandium-lood. National Communicator 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Het elektrothermische effect van oxide-meerlaagscondensatoren is groot over een breed temperatuurbereik. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enorm temperatuurbereik in elektrothermische regeneratoren. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Hoogwaardig solid state elektrothermisch koelsysteem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Cascade elektrothermisch koelapparaat voor grote temperatuurstijgingen. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Hoge efficiëntie directe omzetting van warmte in pyro-elektrische metingen met betrekking tot elektrische energie. Olsen, RB & Brown, DD Hoge efficiëntie directe omzetting van warmte in pyro-elektrische metingen met betrekking tot elektrische energie.Olsen, RB en Brown, DD Zeer efficiënte directe omzetting van warmte in elektrische energie in verband met pyro-elektrische metingen. Olsen, RB & Brown, DD geven een overzicht van de resultaten van dit onderzoek. Olsen, RB en Brown, DDOlsen, RB en Brown, DD Efficiënte directe omzetting van warmte in elektriciteit in verband met pyro-elektrische metingen.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energie- en vermogensdichtheid in dunne relaxorferro-elektrische films. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Cascade-pyro-elektrische conversie: optimaliseren van de ferro-elektrische faseovergang en elektrische verliezen. Smith, AN & Hanrahan, BM Cascade-pyro-elektrische conversie: optimaliseren van de ferro-elektrische faseovergang en elektrische verliezen.Smith, AN en Hanrahan, BM Cascade-pyro-elektrische conversie: ferro-elektrische faseovergang en optimalisatie van elektrisch verlies. Smith, AN & Hanrahan, BM Smith, AN & Hanrahan, BMSmith, AN en Hanrahan, BM Cascade-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. Cascade-pyro-elektrische energieomvormer. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascade-pyro-elektrische energieomvormer.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. 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. Cascade-pyro-elektrische vermogensomvormers.Ferroelectrics 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 scandium-lood-scandium vaste oplossingen met een hoog elektrocalorisch effect.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
We 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. Dank aan de Luxemburgse Nationale Onderzoeks Stichting (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, Luxembourg Institute of Technology (LIST), Belvoir, Luxemburg