Het aanbieden van duurzame elektriciteitsbronnen is een van de belangrijkste uitdagingen van deze eeuw. Onderzoeksgebieden op het gebied van energieoogstmaterialen komen voort uit deze motivatie, waaronder thermo-elektrische¹, fotovoltaïsche² en thermofotovoltaïsche³. Hoewel we nog geen materialen en apparaten hebben 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 energieoogster 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 van 0,3 g voldoende zijn om autonome energieoogsters met ingebouwde microcontrollers en temperatuursensoren continu van stroom te voorzien. Ten slotte tonen we aan dat deze meerlaagse condensatoren voor een temperatuurbereik van 10 K een Carnot-rendement van 40% kunnen bereiken. Deze eigenschappen zijn te danken aan (1) ferroelektrische faseovergang voor een hoog rendement, (2) lage lekstroom om verliezen te voorkomen en (3) hoge doorslagspanning. Deze macroscopische, schaalbare en efficiënte pyroelektrische energieoogsters geven een nieuwe invulling aan thermoelektrische energieopwekking.
In tegenstelling tot de ruimtelijke temperatuurgradiënt die nodig is voor thermo-elektrische materialen, vereist energieopwekking met thermo-elektrische materialen temperatuurcycli in de tijd. Dit betekent een thermodynamische cyclus, die het best wordt beschreven door het entropie (S)-temperatuur (T)-diagram. Figuur 1a toont een typische ST-grafiek van een niet-lineair pyro-elektrisch (NLP) materiaal dat een veldgedreven ferro-elektrische-para-elektrische faseovergang in scandiumloodtantalaat (PST) demonstreert. De blauwe en groene gedeelten van de cyclus in het ST-diagram komen overeen met de omgezette elektrische energie in de Olson-cyclus (twee isotherme en twee isopolaire gedeelten). 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 die zich wel in het faseovergangsgebied bevindt. In het ST-diagram geldt: hoe groter het oppervlak, hoe groter de opgevangen energie. De faseovergang moet dus meer energie opvangen. De behoefte aan grootschalige cyclische toepassingen in NLP is zeer vergelijkbaar met de behoefte aan elektrothermische toepassingen9, 10, 11, 12, waar PST-multilaagcondensatoren (MLC's) en op PVDF gebaseerde terpolymeren recentelijk uitstekende prestaties hebben laten zien in omgekeerde koelingscycli 13,14,15,16. Daarom hebben we PST-MLC's geïdentificeerd die interessant zijn voor het oogsten van thermische energie. Deze monsters zijn volledig beschreven in de methoden en gekarakteriseerd in de aanvullende notities 1 (scanningelektronenmicroscopie), 2 (röntgendiffractie) en 3 (calorimetrie).
a, Schets van een entropie (S)-temperatuur (T)-grafiek met een elektrisch veld aan en uit toegepast op NLP-materialen, die faseovergangen laat zien. Twee energiecollectiecycli worden weergegeven in twee verschillende temperatuurzones. De blauwe en groene cycli vinden respectievelijk binnen en buiten de faseovergang plaats 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 bijbehorende Olson-cycli. De letters ABCD verwijzen naar verschillende toestanden in de Olson-cyclus. AB: MLC's werden opgeladen 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 afgekoeld tot 20 °C in een 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 is opgevangen. c, bovenste paneel, spanning (zwart) en stroom (rood) versus tijd, gemeten tijdens dezelfde Olson-cyclus als b. De twee inzetstukken tonen de versterking van spanning en stroom op belangrijke punten in de cyclus. In het onderste paneel geven de gele en groene curven respectievelijk de temperatuur- en energiecurven weer voor een 1 mm dikke MLC. De energie wordt berekend aan de hand van de stroom- en spanningscurven in het bovenste paneel. Negatieve energie komt overeen met de opgevangen 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 meest bruikbare methoden werden beschreven door Olsen in zijn baanbrekende werk over het verzamelen van pyroelektrische energie in de jaren tachtig17.
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 opgevangen door de Olson-cyclus in figuur 1a. De Olson-cyclus bestaat namelijk uit twee isoveldtakken (hier 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). De tijdens de cyclus opgevangen energie komt overeen met de oranje en blauwe gebieden (EdD-integraal). De opgevangen energie Nd is het verschil tussen de ingangs- en uitgangsenergie, oftewel alleen het oranje gebied in figuur 1b. Deze specifieke Olson-cyclus levert een energiedichtheid Nd op van 1,78 J cm⁻³. De Stirlingcyclus is een alternatief voor de Olsoncyclus (aanvullende opmerking 7). Omdat de constante ladingsfase (open circuit) gemakkelijker te bereiken is, bereikt de energiedichtheid die uit figuur 1b (cyclus AB'CD) wordt afgeleid 1,25 J cm⁻³. Dit is slechts 70% van wat de Olsoncyclus kan opvangen, maar met eenvoudige apparatuur is dit wel mogelijk.
Daarnaast hebben we de tijdens de Olson-cyclus opgevangen energie rechtstreeks gemeten door de PST MLC te bekrachtigen met behulp van een Linkam-temperatuurregelingsmodule en een SourceMeter (methode). Figuur 1c bovenaan en in de respectievelijke inzetstukken toont de stroom (rood) en spanning (zwart) die zijn opgevangen op dezelfde 1 mm dikke PST MLC als voor de DE-lus die dezelfde Olson-cyclus doorloopt. De stroom en spanning maken het mogelijk om de opgevangen energie te berekenen, en de curven worden weergegeven in figuur 1c, onderaan (groen) en temperatuur (geel) gedurende de cyclus. De letters ABCD vertegenwoordigen dezelfde Olson-cyclus in figuur 1. Het opladen van de MLC vindt plaats tijdens de AB-fase en wordt uitgevoerd met een lage stroom (200 µA), waardoor SourceMeter het opladen goed kan regelen. Het gevolg van deze constante beginstroom is dat de spanningscurve (zwarte curve) niet lineair is vanwege het niet-lineaire potentiaalverplaatsingsveld D PST (figuur 1c, bovenste inzetstuk). Aan het einde van het opladen is 30 mJ elektrische energie opgeslagen in de MLC (punt B). De MLC warmt vervolgens op en er wordt een negatieve stroom (en dus een negatieve stroom) opgewekt terwijl de spanning op 600 V blijft. Na 40 seconden, toen de temperatuur een plateau van 90 °C bereikte, werd deze stroom gecompenseerd, hoewel het stapmonster in het circuit tijdens dit isoveld een elektrisch vermogen van 35 mJ produceerde (tweede inzet in figuur 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 bedraagt ​​95 mJ. De opgevangen 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 in de buurt komt van de Nd die uit de DE-ring is 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 Olson-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 hoger dan de beste prestatie die in de literatuur is gerapporteerd voor directe Olson-cycli en werd behaald op dunne films van Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT) (1,06 J cm⁻³)¹⁸ (cm⁻³. Zie Aanvullende tabel 1 voor meer waarden uit 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 Notitie 6)—een cruciaal punt genoemd door Smith et al.19—in tegenstelling tot de materialen die in eerdere studies 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 Notitie 6)—een cruciaal punt genoemd door Smith et al.19—in tegenstelling tot de materialen die in eerdere studies 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 Notitie 6 voor details) – een cruciaal punt dat door Smith et al. 19 werd genoemd – in tegenstelling tot materialen die in eerdere studies 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 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 – werden deze prestaties ter vergelijking behaald.naar materialen die in eerdere studies zijn gebruikt 17,20.
Dezelfde omstandigheden (600 V, 20–90 °C) werden toegepast 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 wel 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 het macroscopische objecten zijn die groot genoeg zijn om energie in het joulebereik te verzamelen. Daarom hebben we een prototype-energieoogster (HARV1) geconstrueerd met 28 MLC PST's van 1 mm dik, volgens hetzelfde parallelle plaatontwerp als beschreven door Torello et al.¹⁴, in een 7×4 matrix zoals weergegeven in Fig. De warmtegeleidende diëlektrische vloeistof in het verdeelstuk wordt verplaatst door een peristaltische pomp tussen twee reservoirs waar de vloeistoftemperatuur constant wordt gehouden (methode). Er wordt tot 3,1 J verzameld 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 combinatie 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 werken volgens Olson-cycli. Voor elk van de vier cyclusstappen worden temperatuur en spanning in het prototype aangelegd. De computer stuurt 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 combine, afkomstig van de stroombron. 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 energieoogster (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 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 combine is dit de enige andere beschikbare waarde in het joule-bereik. Deze leverde iets meer dan de helft van de waarde die wij bereikten en bijna zeven keer de kwaliteit. Dit betekent dat de energiedichtheid van HARV2 13 keer hoger is.
De cyclusduur van HARV1 is 57 seconden. Dit leverde 54 mW vermogen op met 4 rijen van 7 kolommen van 1 mm dikke MLC-sets. Om een ​​stap verder te gaan, bouwden we een derde combine (HARV3) met een 0,5 mm dikke PST MLC en een vergelijkbare opstelling als HARV1 en HARV2 (aanvullende opmerking 9). We maten een thermische relaxatietijd van 12,5 seconden. Dit komt overeen met een cyclusduur van 25 seconden (aanvullende figuur 9). De opgevangen energie (47 mJ) geeft een elektrisch vermogen van 1,95 mW per MLC, wat ons doet vermoeden 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 eindige-elementensimulatie (COMSOL, aanvullende notitie 10 en aanvullende tabellen 2-4) overeenkomstig de HARV1-experimenten. Eindige-elementenmodellering 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 koelvloeistof te gebruiken en de matrix te herstellen naar 7 rijen × 4 kolommen (bovendien was er 960 mW toen de tank zich naast de combine bevond, aanvullende figuur 10b).
Om het nut van deze collector aan te tonen, werd een Stirling-cyclus toegepast op een stand-alone demonstratieopstelling bestaande uit slechts twee 0,5 mm dikke PST MLC's als warmtecollectoren, een hoogspanningsschakelaar, een laagspanningsschakelaar met opslagcondensator, een DC/DC-omvormer, een energiezuinige microcontroller, twee thermokoppels en een boostconverter (Aanvullende opmerking 11). Het circuit vereist dat de opslagcondensator initieel wordt opgeladen tot 9 V en vervolgens autonoom werkt terwijl de temperatuur van de twee MLC's varieert van -5 °C tot 85 °C, in cycli van 160 seconden (verschillende 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 aansturen. Een ander interessant kenmerk is dat de laagspanningsomvormer 400 V kan omzetten naar 10-15 V met een rendement van 79% (Aanvullende opmerking 11 en Aanvullende figuur 11.3).
Ten slotte hebben we de efficiëntie van deze MLC-modules bij de omzetting van thermische energie in elektrische energie geëvalueerd. De kwaliteitsfactor η van de efficiëntie wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de dichtheid van de opgevangen elektrische energie Nd en de dichtheid van de toegevoerde warmte Qin (aanvullende opmerking 12):
Figuur 3a en 3b 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. Echter, voor een temperatuurbereik van 10 K van 25 °C tot 35 °C bereikt ηr waarden tot 40% (blauwe curve in figuur 3b). Dit is tweemaal de bekende waarde voor NLP-materialen die zijn gemeten 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 hysteresis van de PST MLC tussen de 5 en 8 K ligt. Het herkennen van het positieve effect van faseovergangen op de efficiëntie is cruciaal. De optimale waarden van η en ηr worden namelijk vrijwel allemaal verkregen bij de begintemperatuur Ti = 25 °C in figuren 3a en 3b. Dit komt door een nabije faseovergang wanneer er geen veld wordt aangelegd en de Curie-temperatuur TC rond de 20 °C ligt in deze MLC's (aanvullende opmerking 13).
a,b, de efficiëntie η en de proportionele efficiëntie van de Olson-cyclus (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} voor het maximale elektrische veld van 195 kV cm-1 en verschillende begintemperaturen Ti, }}\,\)(b) voor de MPC PST met een dikte van 0,5 mm, afhankelijk van het temperatuurinterval ΔTspan.
Deze laatste observatie heeft twee belangrijke implicaties: (1) elke effectieve cyclus moet beginnen bij temperaturen boven TC om een ​​veldgeïnduceerde faseovergang (van paraelektrisch naar ferroelektrisch) te laten plaatsvinden; (2) deze materialen zijn efficiënter bij looptijden dicht bij TC. Hoewel in onze experimenten grootschalige rendementen worden aangetoond, staat het beperkte temperatuurbereik ons ​​niet toe om grote absolute rendementen te bereiken vanwege de Carnot-limiet (\(\Delta T/T\)). De uitstekende efficiëntie die deze PST MLC's laten zien, rechtvaardigt echter Olsens opmerking dat "een ideale regeneratieve thermo-elektrische motor van klasse 20 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 bestudeerd door Shebanov en Borman. Zij toonden aan dat de TC in PST kan variëren van 3 °C (Sb-dotering) tot 33 °C (Ti-dotering) 22. Daarom veronderstellen we dat de volgende generatie pyroelektrische regeneratoren, gebaseerd op gedoteerde PST MLC's of andere materialen met een sterke faseovergang van de eerste orde, 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 verschillende condensatoren parallel zijn geschakeld. PST werd gekozen omdat het een uitstekend EC-materiaal is en daarom potentieel een uitstekend NLP-materiaal. Het vertoont een scherpe ferro-elektrische-para-elektrische faseovergang van de eerste orde rond 20 °C, wat aangeeft dat de entropieveranderingen vergelijkbaar zijn met die in Fig. 1. Vergelijkbare MLC's zijn uitgebreid beschreven voor EC13,14-apparaten. 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 respectievelijk 19 en 9 lagen PST met 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 is, wat overeenkomt met het deel tussen de elektroden (Aanvullende opmerking 1). Het actieve elektrodeoppervlak bedroeg 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-sites, die de prestaties van EC in PST sterk beïnvloedt. De volgorde van de B-sites van PST MLC is 0,75 (Aanvullende opmerking 2), verkregen door sinteren bij 1400 °C gevolgd door honderden uren gloeien bij 1000 °C. Voor meer informatie over PST MLC, zie Aanvullende opmerkingen 1-3 en Aanvullende tabel 5.
Het hoofdconcept van deze studie is gebaseerd op de Olson-cyclus (Fig. 1). Voor een dergelijke cyclus hebben we een warm en een koud reservoir nodig, evenals 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 verwarmen en koelen, aangesloten op een Keithley 2410-voeding, en (2) drie prototypen (HARV1, HARV2 en HARV3) parallel geschakeld 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 warmteoverdracht tussen de twee reservoirs (warm en koud) en de MLC. Het thermische reservoir bestaat uit een glazen container gevuld met diëlektrische vloeistof, geplaatst op de thermische plaat. De koude opslag bestaat uit een waterbad met vloeistofbuizen gevuld met diëlektrische vloeistof in een grote plastic container gevuld met water en ijs. Twee drieweg-knijpventielen (aangeschaft bij Bio-Chem Fluidics) werden aan elk uiteinde van de combine geplaatst om de vloeistof correct van het ene reservoir naar het andere te schakelen (Figuur 2a). Om thermisch evenwicht tussen het PST-MLC-pakket en de koelvloeistof te garanderen, werd de cyclusduur 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, d.w.z. dat de koelvloeistofcirculatie door de PST-stack begint nadat de bronmeter is opgeladen, zodat deze opwarmt tot de gewenste aangelegde spanning voor de betreffende Olson-cyclus.
Als alternatief hebben we deze directe metingen van de opgevangen energie bevestigd met indirecte methoden. Deze indirecte methoden zijn gebaseerd op elektrische verplaatsing (D) – elektrisch veld (E) lussen die bij verschillende temperaturen zijn verzameld. Door het oppervlak tussen twee DE-lussen te berekenen, kan men nauwkeurig inschatten hoeveel energie kan worden opgevangen, zoals weergegeven in figuur 2.1b. Deze DE-lussen zijn 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 referentie 14. De vloeistofspleet tussen de PST-MLC-rijen bedraagt ​​0,75 mm. Dit wordt bereikt door stroken dubbelzijdig plakband als vloeistofafstandhouders rond de randen van de PST MLC aan te brengen. De PST MLC is elektrisch parallel verbonden met een zilverepoxybrug die contact maakt met de elektrodedraden. Vervolgens werden draden met zilverepoxyhars aan weerszijden van de elektrodeaansluitingen gelijmd voor verbinding met de voeding. Ten slotte werd de gehele structuur in de polyolefineslang geplaatst. Deze slang werd aan de vloeistofbuis gelijmd om een ​​goede afdichting te garanderen. Tot slot werden K-type thermokoppels van 0,25 mm dik in elk uiteinde van de PST-MLC-structuur ingebouwd om de in- en uitlaattemperatuur van de vloeistof te meten. Hiervoor moest de slang eerst worden geperforeerd. Na het plaatsen van het thermokoppel werd dezelfde lijm als eerder aangebracht tussen de thermokoppelslang en de draad om de afdichting te herstellen.
Er werden acht afzonderlijke prototypen 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 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 subeenheden HARV2_160 en HARV2_60. De vloeistoflaag in prototype HARV2_160 bestaat uit twee dubbelzijdige tapes van 0,25 mm dik met daartussen een draad van 0,25 mm dik. Voor prototype HARV2_60 herhaalden we dezelfde procedure, maar gebruikten we een 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-eenheden delen een warmtereservoir, een container van 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) op twee verwarmingsplaten met roterende magneten. Alle acht afzonderlijke prototypen zijn elektrisch parallel geschakeld. De subeenheden HARV2_160 en HARV2_60 werken gelijktijdig in de Olson-cyclus, wat resulteert in een energieopbrengst van 11,2 J.
Plaats een 0,5 mm dikke PST MLC in een polyolefineslang met dubbelzijdig plakband 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 tot een minimum werden beperkt.
In een 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 het verwarmen van de PST MLC wordt het veld verwijderd (V = 0) en wordt de opgeslagen energie teruggevoerd naar de bronteller, wat overeenkomt met een nieuwe bijdrage aan de verzamelde energie. Ten slotte worden de MLC PST's, met een aangelegde spanning V = 0, afgekoeld tot hun begintemperatuur, zodat de cyclus opnieuw kan beginnen. In deze fase wordt geen energie meer verzameld. We hebben de Olsen-cyclus uitgevoerd met een Keithley 2410 SourceMeter, waarbij de PST MLC werd opgeladen met een spanningsbron en de stroom werd ingesteld op de juiste waarde, zodat er tijdens de laadfase voldoende meetpunten werden verzameld voor betrouwbare energieberekeningen.
In Stirling-cycli werden PST MLC's opgeladen in de spanningsbronmodus met een initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning Vi > 0), een gewenste compliance-stroom zodat de laadstap ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende meetpunten worden verzameld voor een betrouwbare berekening van de energie) en een lage temperatuur. In Stirling-cycli werden PST MLC's opgeladen in de spanningsbronmodus met een initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning Vi > 0), een gewenste compliance-stroom zodat de laadstap ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende meetpunten worden verzameld voor een betrouwbare berekening van de energie) en een lage 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. In de Stirling PST MLC-cycli werden ze opgeladen in de spanningsbronmodus met de initiële waarde van het elektrische veld (initiële spanning Vi > 0), de gewenste opbrengststroom, zodat de oplaadfase ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende meetpunten worden verzameld voor een betrouwbare energieberekening) en bij een lage 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 mastercyclus wordt de PST MLC opgeladen met de initiële elektrische veldwaarde (initiële spanning Vi > 0) in de spanningsbronmodus, zodat de vereiste compliancestroom ongeveer 1 seconde nodig heeft voor de laadstap (en we hebben voldoende meetpunten verzameld om de energie en de lage temperatuur betrouwbaar te kunnen 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. In de Stirlingcyclus wordt de PST MLC opgeladen in de spanningsbronmodus met een initiële waarde van het elektrische veld (initiële spanning Vi > 0), de vereiste compliance-stroom is zodanig dat de oplaadfase ongeveer 1 seconde duurt (en er voldoende meetpunten worden verzameld om de energie betrouwbaar te berekenen) en bij lage temperaturen.Voordat de PST MLC opwarmt, wordt het circuit geopend door een aanpassingsstroom van I = 0 mA toe te passen (de minimale aanpassingsstroom die onze meetbron aankan is 10 nA). Hierdoor blijft er een lading in de PST van de MJK achter en neemt de spanning toe naarmate het monster opwarmt. Er wordt geen energie opgevangen in arm BC omdat I = 0 mA. Nadat een hoge temperatuur is bereikt, neemt de spanning in de MLT FT toe (in sommige gevallen meer dan 30 keer, zie aanvullende figuur 7.2), de MLK FT wordt ontladen (V = 0) en er wordt elektrische energie in opgeslagen, gelijk aan de initiële lading. Dezelfde stroom wordt teruggevoerd naar de meetbron. Door de spanningsversterking is de opgeslagen energie bij hoge temperatuur hoger dan de energie 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 stroom die op de PST MLC werden toegepast te meten. De corresponderende energie wordt berekend door het product van de spanning en stroom, gemeten door de Keithley SourceMeter, te integreren: \ (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 toevoeren, en negatieve waarden de energie die we eruit halen en dus de ontvangen energie. Het relatieve vermogen voor een gegeven 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 de 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 (Alabama) en Henao (North Carolina) onderzoeken 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 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. Gecombineerd pyro-piëzo-elektrisch effect voor zelfvoorzienende gelijktijdige temperatuur- en drukmeting. 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 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 zelfvoorzienende energievoorziening met gelijktijdige temperatuur- en drukregeling.Song K., Zhao R., Wang ZL en Yan Yu. Gecombineerd thermopiëzo-elektrisch effect voor autonome gelijktijdige meting van temperatuur en druk.Voorwoord. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energieopwekking gebaseerd op Ericsson-pyroelektrische cycli in een relaxor-ferroelektrisch keramiek. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energieopwekking gebaseerd op Ericsson-pyroelektrische cycli in een relaxor-ferroelektrisch keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energieopwekking gebaseerd op pyroelektrische Ericsson-cycli in relaxor-ferroelektrische keramiek.Sebald G., Prouvost S. en Guyomar D. Energieopwekking in relaxor-ferroelektrische keramiek gebaseerd op Ericsson-pyroelektrische cycli. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Elektrocalorische en pyroelektrische materialen van de volgende generatie voor elektrothermische energieomzetting in vaste stof. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Elektrocalorische en pyroelektrische materialen van de volgende generatie voor elektrothermische energieomzetting in vaste stof. 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. Elektrocalorische en pyroelektrische materialen van de volgende generatie voor elektrothermische energieomzetting 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 поколения для взаимного преобразования Controleer de werking van het apparaat. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Elektrocalorische en pyroelektrische materialen van de volgende generatie voor elektrothermische energieomzetting in vaste toestand.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en kwaliteitsindicator voor het kwantificeren van de prestaties van pyroelektrische nanogeneratoren. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standaard en kwaliteitsindicator voor het kwantificeren van de prestaties van pyroelektrische nanogeneratoren.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL en Yang, Yu. Een standaard en kwaliteitsscore voor het kwantificeren van de prestaties van pyroelektrische 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 prestatiemaatregelen voor het kwantificeren van de prestaties van een pyroelektrische nanogenerator.Nano Energy 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.physics 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 faseovergangen van ferroïden. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Thermische materialen nabij de ijzer- en staalindustrie.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND Thermische materialen nabij faseovergangen van ijzer.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.Science 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 koelers: 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 sterk geordend scandium-scandium-lood. Nationale mededeling. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Het elektrothermische effect van oxide-meerlaagcondensatoren 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 elektrothermisch koelsysteem met vaste stof. 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 Zeer efficiënte directe omzetting van warmte in elektrische energie - gerelateerde pyroelektrische metingen. Olsen, RB & Brown, DD Zeer efficiënte directe omzetting van warmte in elektrische energie, gerelateerd aan pyroelektrische metingen.Olsen, RB en Brown, DD Zeer efficiënte directe omzetting van warmte in elektrische energie in verband met pyroelektrische 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 in verband met pyroelektrische metingen.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energie- en vermogensdichtheid in dunne relaxor-ferroelektrische films. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Gecascadeerde pyroelektrische conversie: optimalisatie van de ferroelektrische faseovergang en elektrische verliezen. Smith, AN & Hanrahan, BM Gecascadeerde pyroelektrische conversie: optimalisatie van de ferroelektrische faseovergang en elektrische verliezen.Smith, AN en Hanrahan, BM Gefaseerde pyroelektrische conversie: ferroelektrische faseovergang en optimalisatie van elektrisch verlies. Smith, AN & Hanrahan, BM Smith, AN & Hanrahan, BMSmith, AN en Hanrahan, BM Gecascadeerde pyroelektrische conversie: optimalisatie van ferroelektrische faseovergangen en elektrische verliezen.J. Toepassingsfysica. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR. Het gebruik van ferroelektrische materialen om thermische energie om te zetten in elektriciteit. Proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded pyroelectric energy converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded pyroelectric energy converter.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. Cascaded pyroelectric power converters.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Over lood-scandiumtantalaat vaste oplossingen met een hoog elektrocalorisch effect. Shebanov, L. & Borman, K. Over lood-scandiumtantalaat vaste oplossingen 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).
Wij 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. Dank aan de Luxemburgse Nationale Onderzoeksstichting (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