Het aanbieden van duurzame bronnen van elektriciteit is een van de belangrijkste uitdagingen van deze eeuw. Onderzoeksgebieden in energie -oogstmaterialen komen voort uit deze motivatie, waaronder thermo -elektrisch1, fotovoltaic2 en thermophotovoltaics3. Hoewel we geen 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 energiehoogster ontwikkeld in de vorm van een meerlagige condensator gemaakt van 42 gram loodschandiumtantalaat, die 11,2 J elektrische energie per thermodynamische cyclus produceren. 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 energie -oogsters continu te voeden met ingebedde microcontrollers en temperatuursensoren. Ten slotte laten we zien dat deze meerlagige condensatoren voor een temperatuurbereik van 10 K 40% Carnot -efficiëntie kunnen bereiken. Deze eigenschappen zijn te wijten aan (1) ferro -elektrische faseverandering voor hoge efficiëntie, (2) lage lekstroom om verliezen te voorkomen en (3) hoge afbraakspanning. Deze macroscopische, schaalbare en efficiënte pyro -elektrische krachtoogstmachines zijn heromage thermo -elektrische stroomopwekking opnieuw.
Vergeleken met de ruimtelijke temperatuurgradiënt die nodig is voor thermo -elektrische materialen, vereist energieopvang van thermo -elektrische materialen temperatuurcycli in de tijd. Dit betekent een thermodynamische cyclus, die het beste wordt beschreven door het entropie (s) -temperatuur (t) diagram. Figuur 1A toont een typisch ST-plot van een niet-lineair pyro-elektrisch (NLP) materiaal dat een veld aangedreven ferro-elektrisch-para-elektrische fase-overgang in scandium lood tantalaat (PST) vertoont. De blauwe en groene secties van de cyclus op het ST -diagram komen overeen met de geconverteerde elektrische energie in de Olson -cyclus (twee isotherme en twee isopoolsecties). Hier beschouwen we twee cycli met dezelfde elektrische veldverandering (veld aan en uit) en temperatuurverandering AT, zij het met verschillende initiële temperaturen. De groene cyclus bevindt zich niet in het faseovergangsgebied en heeft dus een veel kleiner gebied dan de blauwe cyclus in het faseovergangsgebied. In het ST -diagram, hoe groter het gebied, hoe groter de verzamelde energie. Daarom moet de faseovergang meer energie verzamelen. De behoefte aan groot gebiedsfietsen in NLP is erg vergelijkbaar met de behoefte aan elektrothermische toepassingen9, 10, 11, 12 waar PST meerlagige condensatoren (MLC's) en op PVDF gebaseerde terpolymeren recent uitstekende omgekeerde prestaties hebben getoond. Koelingsprestatiesstatus in cyclus 13,14,15,16. Daarom hebben we PST MLC's van interesse geïdentificeerd voor het oogsten van thermische energie. Deze monsters zijn volledig beschreven in de methoden en gekarakteriseerd in aanvullende noten 1 (scanning elektronenmicroscopie), 2 (röntgendiffractie) en 3 (calorimetrie).
A, schets van een entropie (s) -temperatuur (t) plot met elektrisch veld aan en uit toegepast op NLP-materialen met faseversners. Twee energieverzamelingscycli worden getoond in twee verschillende temperatuurzones. De blauwe en groene cycli komen respectievelijk binnen en buiten de faseovergang voor en eindigen in zeer verschillende gebieden 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 olsencycli. De letters ABCD verwijzen naar verschillende staten in de Olson -cyclus. AB: MLC's werden opgeladen tot 155 kV cm-1 bij 20 ° C. BC: MLC werd gehouden op 155 kV cm-1 en de temperatuur werd verhoogd tot 90 ° C. CD: MLC lozingen bij 90 ° C. DA: MLC gekoeld tot 20 ° C in nulveld. Het blauwe gebied komt overeen met het invoervermogen dat nodig is om de cyclus te starten. Het oranje gebied is de energie die in één cyclus wordt verzameld. C, bovenste paneel, 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 krommen respectievelijk de overeenkomstige temperatuur- en energiecurves voor een 1 mm dikke MLC. Energie wordt berekend uit de stroom- en spanningscurves op het bovenste paneel. Negatieve energie komt overeen met de verzamelde energie. De stappen die overeenkomen met de hoofdletters in de vier cijfers zijn hetzelfde als in de Olson -cyclus. De cyclus AB'CD komt overeen met de Stirling -cyclus (extra noot 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 door Olsen beschreven in zijn baanbrekende werk bij het verzamelen van pyro -elektrische energie in de jaren 198017.
Op Fig. 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 die wordt getoond in figuur 1A. In feite bestaat de Olsen-cyclus uit twee isofield-takken (hier, nulveld in de DA-tak en 155 kV cm-1 in de BC-tak) en twee isotherme takken (hier, 20 ° с с en 20 ° с in de AB-tak). C in de CD -tak) De energie die tijdens de cyclus wordt verzameld, komt overeen met de oranje en blauwe regio's (EDD -integraal). De verzamelde energie ND is het verschil tussen input en uitgangsenergie, dat wil zeggen alleen het oranje gebied in FIG. 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 noot 7). Omdat de constante ladingstadium (open circuit) gemakkelijker wordt bereikt, bereikt de energiedichtheid geëxtraheerd uit Fig. 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.
Bovendien hebben we direct de energie gemeten die tijdens de OLSON -cyclus is verzameld door de PST -MLC te bekrachtigen met behulp van een Linkam -temperatuurregelingsstadium en een bronketer (methode). Figuur 1C aan de bovenkant en in de respectieve 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 krommen worden getoond in Fig. 1C, onder (groen) en temperatuur (geel) gedurende de cyclus. De letters ABCD vertegenwoordigen dezelfde Olson -cyclus in Fig. 1. MLC -lading treedt op tijdens het AB -been en wordt uitgevoerd op een lage stroom (200 µA), zodat Sourcemeter opladen correct kan regelen. 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, bovenste inzet). Aan het einde van het opladen wordt 30 MJ elektrische energie opgeslagen in de MLC (punt B). De MLC wordt vervolgens opgewarmd en een negatieve stroom (en daarom een ​​negatieve stroom) wordt geproduceerd terwijl de spanning blijft op 600 V. Na 40 seconden, wanneer de temperatuur een plateau van 90 ° C bereikte, werd deze stroom gecompenseerd, hoewel het stapmonster dat in het circuit wordt geproduceerd, een elektrisch vermogen van 35 mJ tijdens deze ISOFEVEVIEL (tweede inzet in Fig. 1C, top). De spanning op de MLC (tak CD) wordt vervolgens verminderd, wat resulteert in een extra 60 MJ elektrisch werk. De totale uitgangsenergie is 95 MJ. De verzamelde energie is het verschil tussen de input- en uitgangsenergie, die 95 - 30 = 65 MJ geeft. Dit komt overeen met een energiedichtheid van 1,84 J cm-3, die heel dicht bij de ND uit de de ring is geëxtraheerd. De reproduceerbaarheid van deze Olson -cyclus is uitgebreid getest (aanvullende noot 4). Door de spanning en temperatuur verder te verhogen, hebben we 4,43 J cm-3 bereikt 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 noot 5). Dit is vier keer groter dan de beste prestaties die in de literatuur worden 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 (cm. Supplementaire tabel 1 voor meer waarden in de literatuur). Deze prestaties zijn bereikt vanwege de zeer lage lekstroom van deze MLC's (<10-7 A bij 750 V en 180 ° C, zie details in aanvullende noot 6) - een cruciaal punt genoemd door Smith et al.19 - in tegenstelling tot de materialen die in eerdere studies worden gebruikt17,20. Deze prestaties zijn bereikt vanwege de zeer lage lekstroom van deze MLC's (<10-7 A bij 750 V en 180 ° C, zie details in aanvullende noot 6) - een cruciaal punt genoemd door Smith et al.19 - in tegenstelling tot de materialen die in eerdere studies worden gebruikt17,20. Эти характеристиclus ыли достиAT блаоодаря ччень низком току ттечки этих mlc (<10–7 а а ach 750 ° ° ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C, ° C. В дополнительном примечании 6) - критический момент, упомcheнутый смитом и др. 19 - о отличие от к м материалам, исполззованныы В болеееее ранних исследованиях17,20. Deze kenmerken werden bereikt vanwege de zeer lage lekstroom van deze MLC's (<10–7 A bij 750 V en 180 ° C, zie aanvullende noot 6 voor details) - een kritisch punt genoemd door Smith et al. 19 - In tegenstelling tot materialen die in eerdere studies worden 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 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 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17.20。 Поскольку ток утечки этих mlc ччень низкий (<10–7 а а а а а а а а 750 в и 180 ° C, с. Подроublsd ключевой момент, упомijkнутый ситом и и д дP. 19 - дwoord сравнения, ыыли достиAT эти характеристиclus. Omdat de lekstroom van deze MLC's erg laag is (<10–7 A bij 750 V en 180 ° C, zie aanvullende noot 6 voor details) - een belangrijk punt genoemd door Smith et al. 19 - Ter vergelijking werden deze prestaties bereikt.naar materialen die in eerdere studies worden gebruikt 17,20.
Dezelfde voorwaarden (600 V, 20–90 ° C) toegepast op de Stirling -cyclus (aanvullende noot 7). Zoals verwacht 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 door het thermo -elektrische effect te versterken. We hebben een spanningsversterking tot 39 waargenomen (van een initiële spanning van 15 V tot een eindspanning van maximaal 590 V, zie aanvullende Fig. 7.2).
Een ander onderscheidend kenmerk van deze MLC's is dat ze macroscopische objecten zijn die groot genoeg zijn om energie in het Joule -bereik te verzamelen. Daarom hebben we een prototype-oogster (HARV1) geconstrueerd met behulp van 28 mlc PST 1 mm dik, volgens hetzelfde parallelle plaatontwerp beschreven door Torello et al.14, in een 7 × 4-matrix zoals getoond in Fig. De hittevrij diëlektrische vloeistof in de manifold in de manifold is ontheemd door een peristaltische pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-pomp tussen twee reserve-temperatuur is constant 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 isofield-gebieden 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 onder verschillende omstandigheden genomen (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 is in goede overeenstemming 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 op basis van 28 mlc PST's 1 mm dik (4 rijen x 7 kolommen) die op Olson -cycli draaien. Voor elk van de vier cyclusstappen worden temperatuur en spanning gegeven in het prototype. De computer drijft een peristaltische pomp aan die een diëlektrische vloeistof circuleert tussen de koude en hete reservoirs, twee kleppen en een stroombron. De computer gebruikt ook thermokoppels om gegevens te verzamelen over de spanning en stroom die wordt geleverd aan het prototype en de temperatuur van de maaidorser van 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 oogster (HARV2) met 60 PST MLC 1 mm dik en 160 PST MLC 0,5 mm dik (41,7 g actief pyro -elektrisch materiaal) gaf 11,2 J (aanvullende noot 8). In 1984 maakte Olsen een energiehoogt op basis van 317 g van een in tin gedoteerde PB (ZR, Ti) O3-verbinding die 6,23 J elektriciteit kan genereren bij een temperatuur van ongeveer 150 ° C (Ref. 21). Voor deze maaidorser is dit de enige andere waarde die beschikbaar is in het Joule -bereik. 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 is 57 seconden. Dit produceerde 54 MW vermogen met 4 rijen van 7 kolommen van 1 mm dikke MLC -sets. Om nog een stap verder te gaan, hebben we een derde maaidorser (HARV3) gebouwd met een 0,5 mm dikke PST MLC en vergelijkbare opstelling als HARV1 en HARV2 (aanvullende noot 9). We hebben een thermalisatietijd van 12,5 seconden gemeten. Dit komt overeen met een cyclustijd van 25 s (aanvullende figuur 9). De verzamelde energie (47 MJ) geeft een elektrisch vermogen van 1,95 mW per mlc, waardoor we ons op zijn beurt kunnen voorstellen dat HARV2 0,55 W produceert (ongeveer 1,95 MW x 280 PST MLC 0,5 mm dik). Bovendien hebben we warmteoverdracht gesimuleerd met behulp van eindige elementensimulatie (COMSOL, aanvullende noot 10 en aanvullende tabellen 2–4) die overeenkomen met de HARV1 -experimenten. Modellering van eindige elementen maakte het mogelijk om vermogenswaarden te voorspellen bijna een orde van grootte hoger (430 MW) voor hetzelfde aantal PST -kolommen door de MLC tot 0,2 mm te verdunnen, met water als koelvloeistof te gebruiken en de matrix te herstellen tot 7 rijen. × 4 kolommen (bovendien waren er 960 MW toen de tank naast de maaidorser was, aanvullende Fig. 10b).
Om het nut van deze collector aan te tonen, 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-omzetter, een lage vermogen microcontroller, twee thermocouples en boostconverter (aanvullende opmerking 11). Het circuit vereist dat de opslagcondensator aanvankelijk wordt opgeladen op 9V en vervolgens autonoom wordt uitgevoerd, terwijl de temperatuur van de twee MLC's varieert van -5 ° C tot 85 ° C, hier in cycli van 160 s (verschillende cycli worden weergegeven in aanvullende noot 11). Opmerkelijk is dat twee MLC's met een gewicht van slechts 0,3 g dit grote systeem autonoom kunnen regelen. Een ander interessant kenmerk is dat de laagspanningsconverter in staat is om 400V tot 10-15V te converteren met 79% efficiëntie (aanvullende noot 11 en aanvullend figuur 11.3).
Ten slotte hebben we de efficiëntie van deze MLC -modules geëvalueerd bij het omzetten van thermische energie in elektrische energie. De kwaliteitsfactor η van efficiëntie wordt gedefinieerd als de verhouding van de dichtheid van de verzamelde elektrische energie ND tot de dichtheid van de geleverde warmte Qin (aanvullende noot 12):
Figuren 3A, B tonen de efficiëntie η en proportionele efficiëntie ηr van de olsencyclus, respectievelijk, als een functie van het temperatuurbereik van een 0,5 mm dikke PST MLC. Beide gegevenssets worden gegeven voor een elektrisch veld van 195 kV CM-1. De efficiëntie \ (\ deze \) 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 Fig. 3B). Dit is twee keer de bekende waarde voor NLP-materialen die zijn geregistreerd 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 overweging genomen omdat de thermische hysterese van de PST -MLC tussen 5 en 8 K ligt. De herkenning 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 initiële temperatuur Ti = 25 ° C in Fig. 3a, b. Dit komt door een nauwe fase -overgang wanneer er geen veld wordt toegepast en de Curie -temperatuur TC ongeveer 20 ° C is in deze MLC's (aanvullende noot 13).
a,b, the efficiency η and the proportional efficiency of the Olson cycle (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for the maximum electric by a field of 195 kV cm-1 and different initial temperatures Ti, }} \, \) (b) voor de MPC PST 0,5 mm dik, afhankelijk van het temperatuurinterval Atspan.
De laatste observatie heeft twee belangrijke implicaties: (1) elke effectieve cycli moet beginnen bij temperaturen boven TC voor een veld-geïnduceerde fase-overgang (van paraelectric tot ferro-elektrisch) om op te treden; (2) Deze materialen zijn efficiënter in run -tijden dicht bij TC. Hoewel grootschalige efficiëntie in onze experimenten wordt getoond, stelt het beperkte temperatuurbereik niet in staat om grote absolute efficiëntie te bereiken vanwege de carnotlimiet (\ (\ delta t/t \)). De uitstekende efficiëntie die door deze PST MLC's wordt aangetoond, rechtvaardigt echter Olsen wanneer hij vermeldt dat "een ideale klasse 20 regeneratieve thermo -elektrische motor werken bij temperaturen tussen 50 ° C en 250 ° C kan een efficiëntie hebben van 30%" 17. Om deze waarden te bereiken en het concept te testen, zou het nuttig zijn om gedoteerde PST's te gebruiken met verschillende TC's, zoals bestudeerd door Shanov en Borman. Ze toonden aan dat TC in PST kan variëren van 3 ° C (SB -doping) tot 33 ° C (Ti Doping) 22. Daarom veronderstellen we dat pyro -elektrische regenerators van de volgende generatie op basis van gedoteerde PST -MLC's of andere materialen met een sterke fase -overgang van de eerste orde kunnen concurreren met de beste krachtoogstmachines.
In deze studie hebben we MLC's onderzocht gemaakt van PST. Deze apparaten bestaan ​​uit een reeks PT- en PST -elektroden, waarbij verschillende condensatoren parallel zijn aangesloten. PST werd gekozen omdat het een uitstekend EC -materiaal is en daarom een ​​potentieel uitstekend NLP -materiaal. Het vertoont een scherpe ferro-elektrische para-elektrische fase-overgang van de eerste orde rond 20 ° C, wat aangeeft dat de entropieveranderingen vergelijkbaar zijn met die getoond in Fig. 1. Soortgelijke MLC's zijn volledig beschreven voor EC13,14-apparaten. In deze studie gebruikten we 10,4 × 7,2 × 1 mm³ en 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC's. MLC's met een dikte van 1 mm en 0,5 mm werden gemaakt van 19 en 9 lagen PST met respectievelijk een dikte van 38,6 µm. In beide gevallen werd de binnenste PST -laag geplaatst tussen 2,05 µm dikke platina -elektroden. Het ontwerp van deze MLC's gaat ervan uit dat 55% van de PST's actief zijn, overeenkomend met het deel tussen de elektroden (aanvullende noot 1). Het actieve elektrode -gebied was 48,7 mm2 (aanvullende tabel 5). MLC PST werd bereid door een vaste fasereactie en gietmethode. De details van het voorbereidingsproces zijn beschreven in een vorig artikel14. Een van de verschillen tussen PST MLC en het vorige artikel is de volgorde van B-Sites, die de prestaties van EC in PST sterk beïnvloedt. De volgorde van B-Sites van PST MLC is 0,75 (aanvullende noot 2) verkregen door sinteren bij 1400 ° C gevolgd door honderden urenlang gloeien bij 1000 ° C. Zie aanvullende opmerkingen 1-3 en aanvullende tabel 5 voor meer informatie over PST MLC.
Het belangrijkste concept 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 in staat is om de spanning en stroom in de verschillende MLC -modules te bewaken en te regelen. Deze directe cycli gebruikten twee verschillende configuraties, namelijk (1) Linkam -modules die een MLC verwarmen en koelen verbonden met een Keithley 2410 -stroombron, en (2) drie prototypes (Harv1, Harv2 en Harv3) parallel met dezelfde bronsenergie. 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 op de thermische plaat geplaatst. Koude opslag bestaat uit een waterbad met vloeibare buizen die diëlektrische vloeistof bevatten in een grote plastic container gevuld met water en ijs. Twee driewegknijpkleppen (gekocht bij bio-chem vloeistof) werden aan elk uiteinde van de maaidorser geplaatst om van vloeistof van het ene reservoir naar het andere te schakelen (figuur 2A). Om het thermische evenwicht tussen het PST-MLC-pakket en de koelvloeistof te waarborgen, werd de cyclusperiode verlengd totdat de inlaat- en uitlaatthermocoppels (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 te laten werken, dwz de koelvloeistoflus begint door de PST -stapel te fietsen nadat de bronkermeter is opgeladen zodat ze worden opgeladen bij de gewenste toegepaste spanning voor een gegeven Olson -cyclus.
Als alternatief hebben we deze directe metingen van verzamelde energie met indirecte methoden bevestigd. 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 -loops worden ook verzameld met behulp van Keithley -bronmeters.
Achtentwintig 1 mm dikke PST MLC's werden geassembleerd in een 4-rijen parallelle plaatstructuur met 4 rijen, volgens het ontwerp dat in de referentie wordt beschreven. 14. De vloeistof kloof tussen PST-MLC-rijen is 0,75 mm. Dit wordt bereikt door strips van dubbelzijdige tape toe te voegen als vloeistofafstandsers rond de randen van de PST MLC. De PST MLC is elektrisch parallel aangesloten met een zilveren epoxybrug in contact met de elektrodekabels. Daarna werden draden gelijmd met zilveren epoxyhars aan elke zijde van de elektrode -terminals voor verbinding met de voeding. Plaats ten slotte de gehele structuur in de polyolefinegang. De laatste is aan de vloeistofbuis gelijmd om de juiste afdichting te garanderen. Ten slotte werden 0,25 mm dikke k-type thermokoppels ingebouwd in elk uiteinde van de PST-MLC-structuur om de vloeibare temperaturen van de inlaat en uitlaat te controleren. Om dit te doen, moet de slang eerst worden geperforeerd. Na het installeren van het thermokoppel, brengt u dezelfde lijm aan als eerder tussen de thermokoppelslang en draad om de afdichting te herstellen.
Acht afzonderlijke prototypes werden gebouwd, waarvan er vier 40 0,5 mm dikke MLC PST's hadden verdeeld als parallelle platen met 5 kolommen en 8 rijen, en de resterende vier hadden elk 15 1 mm dikke MLC PST's. in 3-kolom × 5-rij parallelle plaatstructuur. 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 vloeibare opening in het prototype HARV2_160 bestaat uit twee dubbelzijdige banden van 0,25 mm dik met een draad van 0,25 mm dik ertussen. Voor het HARV2_60 -prototype hebben we dezelfde procedure herhaald, maar met behulp van 0,38 mm dikke draad. Voor symmetrie hebben HARV2_160 en HARV2_60 hun eigen vloeistofcircuits, pompen, kleppen en koude zijde (aanvullende noot 8). Twee HARV2 -eenheden 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 verbonden. De subeenheden HARV2_160 en HARV2_60 werken tegelijkertijd in de Olson -cyclus, wat resulteert in een energieoogst van 11.2 J.
Plaats 0,5 mm dikke PST MLC in polyolefinekang met dubbelzijdige tape en draad aan beide zijden om ruimte te creëren voor vloeistof om te stromen. Vanwege het kleine formaat werd het prototype naast een warme of koude reservoirklep geplaatst, waardoor cyclustijden worden geminimaliseerd.
In PST MLC wordt een constant elektrisch veld toegepast door een constante spanning op de verwarmingstak toe te passen. 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 teruggegeven aan de bronteller, wat overeenkomt met nog een bijdrage van de verzamelde energie. Ten slotte worden de MLC PST's met een spanning V = 0 toegepast, gekoeld tot hun begintemperatuur zodat de cyclus opnieuw kan beginnen. In dit stadium wordt energie niet verzameld. We hebben de Olsen -cyclus uitgevoerd met behulp van een Keithley 2410 Sourcemeter, de PST MLC opgeladen van een spanningsbron en de huidige match op de juiste waarde instellen, zodat voldoende punten werden verzameld tijdens de laadfase voor betrouwbare energieberekeningen.
In Stirling -cycli werden PST MLC's opgeladen in spanningsbronmodus bij een initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning VI> 0), een gewenste nalevingsstroom zodat de laadstap ongeveer 1 s duurt (en voldoende punten worden verzameld voor een betrouwbare berekening van de energie) en koude temperatuur. In Stirling -cycli werden PST MLC's opgeladen in spanningsbronmodus bij een initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning VI> 0), een gewenste nalevingsstroom zodat de laadstap ongeveer 1 s duurt (en voldoende punten worden verzameld voor een betrouwbare berekening van de energie) en koude temperatuur. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля ) достаточноclus количество точек длек для надежноeug раета энергиaff) и холодная тпеucht тпoemen. In de Stirling PST MLC -cycli werden ze opgeladen in de spanningsbronmodus op de initiële waarde van het elektrische veld (initiële spanning VI> 0), de gewenste opbrengststroom, zodat de laadfase ongeveer 1 s duurt (en een voldoende aantal punten worden verzameld voor een betrouwbare energieberekening) en 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 充电 所需的顺应电流使得充电步骤大约需要 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。 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 te berekenen (energie) en lage temperatuur. В цикле стирлинг par pst mlc заряжается в режиме источника напрijkжения с налалныз значеначеначеначvol эененене vanaf эекччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччччченаченаченачreid напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно расчитать энергию) и низкие температуры. In de Stirling -cyclus wordt de PST MLC opgeladen in de spanningsbronmodus met een initiële waarde van het elektrische veld (initiële spanning VI> 0), de vereiste nalevingsstroom is zodanig dat de laadfase ongeveer 1 s duurt (en een voldoende aantal punten wordt verzameld om de energie op betrouwbare wijze te berekenen) en lage temperaturen.Voordat de PST MLC opwarmt, opent u het circuit door een bijpassende stroom van I = 0 MA toe te passen (de minimale overeenkomende stroom die onze meetbron kan verwerken is 10 NA). Als gevolg hiervan blijft er een lading 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 neemt de spanning in de MLT FT toe (in sommige gevallen meer dan 30 keer, zie extra Fig. 7.2), de MLK FT wordt ontladen (V = 0) en wordt elektrische energie erin opgeslagen voor dezelfde als de eerste lading. Dezelfde huidige correspondentie wordt teruggestuurd naar de meter-source. Vanwege de spanningsversterking is de opgeslagen energie bij hoge temperatuur hoger dan wat aan het begin van de cyclus werd verstrekt. Bijgevolg wordt energie verkregen door warmte om te zetten in elektriciteit.
We hebben een Keithley 2410 Sourcemeter gebruikt om de spanning en stroom te controleren op de PST MLC. De bijbehorende energie wordt berekend door het product van spanning te integreren en stroom te lezen door de bronmeter van Keithley, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {meet))} \ links (t \ rechter) {v {v. τ is de periode van de periode. Op onze energiecurve betekenen positieve energiewaarden de energie die we moeten geven aan de MLC -PST, en negatieve waarden betekenen de energie die we ervan extraheren en daarom de ontvangen energie. De relatieve kracht 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 materialen moeten worden gericht op 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 microgenerators voor energieopvang. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Een overzicht van de ontwikkeling en toepassingen van thermo -elektrische microgenerators voor energieopvang.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo en Henao, NC -overzicht van de ontwikkeling en toepassing van thermo -elektrische microgenerators voor energieopvang. 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 en Henao, NC overwegen de ontwikkeling en toepassing van thermo -elektrische microgenerators voor energieopvang.cv. steun. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Since, WC fotovoltaïsche materialen: huidige efficiëntie en toekomstige uitdagingen. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Since, WC fotovoltaïsche materialen: huidige efficiëntie en toekomstige uitdagingen.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. en Since, VK fotovoltaïsche materialen: huidige prestaties en toekomstige uitdagingen. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Since, WC 光伏材料 ： 目前的效率和未来的挑战。目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Since, WC Solar Materials: Huidige efficiëntie en toekomstige uitdagingen.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. en Since, VK fotovoltaïsche materialen: huidige prestaties en toekomstige uitdagingen.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Gecombineerd pyro-piezo-elektrisch effect voor zelfaangedreven gelijktijdige temperatuur en drukdetectie. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Conjunct pyro-piezo-elektrisch effect voor zelfaangedreven gelijktijdige temperatuur en drukdetectie.Song K., Zhao R., Wang ZL en Yan Yu. Gecombineerd pyropiezo -elektrisch effect voor autonome gelijktijdige meting van temperatuur en druk. 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. voor zelfvermogen tegelijkertijd als temperatuur en druk.Song K., Zhao R., Wang ZL en Yan Yu. Gecombineerd thermopiezo -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 -elektrisch keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energieoogst in relaxor ferro -elektrisch keramiek op basis van Ericsson pyro -elektrisch fietsen. Slimme alma mater. structuur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW de volgende generatie elektrocalorische en pyro-elektrische materialen voor elektrothermale energie-interconversie voor vaste staten. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW de volgende generatie elektrocalorische en pyro-elektrische materialen voor elektrothermale energie-interconversie voor vaste staten. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckintry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw электрокалорarige сеские пескиеющескиеeuwыееchter сamil пamil взаимноombin преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric en Pyro-Electric Materials for Solid State Electrothermal Energy Interconversion. 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-Mckintry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw электрокалорarige сеские пескиеющескиеeuwыееchter сamil пamil взаимноombin преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric en Pyro-Electric Materials for Solid State Electrothermal Energy Interconversion.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standaard en figuur-van-merit voor het kwantificeren van de prestaties van pyro-elektrische nanogenerators. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standaard en figuur-van-merit voor het kwantificeren van de prestaties van pyro-elektrische nanogenerators.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl en Yang, Yu. Een standaard- en kwaliteitsscore voor het kwantificeren van de prestaties van pyro -elektrische nanogenerators. 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 en Yang, Yu. Criteria en prestatiemaatstaven voor het kwantificeren van de prestaties van een pyro -elektrische nanogenerator.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND elektrocalorische koelcycli in loodschandium tantalaat met echte regeneratie via veldvariatie. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND elektrocalorische koelcycli in loodschandium tantalaat met echte regeneratie via veldvariatie.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. en Mathur, ND elektrocalorische koelcycli in lead-scandium tantalaat met echte regeneratie door middel van veldmodificatie. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, Nd 钽酸钪铅的电热冷却循环 ， 通过场变化实现真正的再生。 通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, Nd. Tantalum 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. en Mathur, nd een elektrothermische koelcyclus van scandium-lead tantalaat voor echte regeneratie door veldomkering.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND calorische materialen in de buurt van ferroïsche fase-overgangen. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND calorische materialen in de buurt van ferroïsche fase-overgangen.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND calorische materialen in de buurt van Ferroid-fase-overgangen. 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 Thermal Materials in de buurt van Ferrous Metallurgy.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND thermische materialen in de buurt van ijzeren fase-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 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND thermische materialen voor koeling en verwarming.Moya X. en Mathur nd thermische materialen voor koeling en verwarming.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrocalorische koelers: een recensie. Torelló, A. & Defay, E. Elektrocalorische koelers: een recensie.Torello, A. en Defay, E. Elektrocalorische koelmachines: een recensie. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。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 sterk geordende scandium-scandium-lead. Nationaal communiceren. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Het elektrothermische effect van meerlagige condensatoren van oxide is groot over een breed temperatuurbereik. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enorm temperatuurbereik in elektrothermische regenerators. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Hoogprestaties Solid State elektrothermisch koelsysteem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Cascade elektrothermische koelapparaat voor een grote temperatuurstijging. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High Efficieincy Directe conversie van warmte naar elektrische energiegerelateerde pyro-elektrische metingen. Olsen, RB & Brown, DD Hoog efficiëntie directe omzetting van warmte naar elektrische energiegerelateerde pyro-elektrische metingen.Olsen, RB en Brown, DD zeer efficiënte directe conversie van warmte in elektrische energie geassocieerd met pyro -elektrische metingen. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB en Brown, DD efficiënte directe conversie van warmte naar elektriciteit geassocieerd met pyro -elektrische metingen.Ferroelectrics 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 Cascadeed pyro -elektrische conversie: het optimaliseren van de ferro -elektrische fase -overgang en elektrische verliezen. Smith, An & Hanrahan, BM Cascadeed pyro -elektrische conversie: het optimaliseren van de ferro -elektrische fase -overgang en elektrische verliezen.Smith, An en Hanrahan, BM Cascadeed pyro -elektrische conversie: ferro -elektrische fase -overgang en optimalisatie van elektrische verlies. 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 en Hanrahan, BM Cascadeed pyro -elektrische conversie: optimalisatie van ferro -elektrische fase -overgangen 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 & Doudea, J. Cascadeed pyro -elektrische energieomvormer. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Doudea, J. Cascadeed pyro -elektrische energieomvormer.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Doudea, J. Cascade Pyro -Elektrische Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Doudea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Doudea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Doudea, J. Cascadeed pyro -elektrische stroomomzetters.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. op lead-scandium tantalaat vaste oplossingen met een hoog elektrocalorisch effect. Shebanov, L. & Borman, K. op lead-scandium tantalaat vaste oplossingen met een hoog elektrocalorisch effect.Shanov L. en Borman K. Over solide oplossingen van lood-scandium tantalaat met een hoog elektrocalorisch effect. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Shanov L. en Borman K. op Scandium-Lead-Scandium Solid Solutions met een hoog elektrocalorisch effect.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
We danken N. Furusawa, Y. Inoue en K. Honda voor hun hulp bij het maken van de MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB en ED Dankzij de Luxembourg National Research Foundation (FNR) voor het ondersteunen van dit werk via Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay- Siebentritt, Thermat C20/MS/14718071807180718071807180718071807180718071807180718071071071071071/MS? BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/BEFACHT.
Afdeling Materialen Onderzoek en Technologie, Luxembourg Institute of Technology (List), Belvoir, Luxemburg