Обеспечение устойчивых источников электроэнергии является одной из наиболее важных задач этого столетия. Из этой мотивации вытекают области исследований в области материалов, аккумулирующих энергию, включая термоэлектрику1, фотоэлектрику2 и термофотоэлектрику3. Хотя у нас нет материалов и устройств, способных собирать энергию в джоулевом диапазоне, пироэлектрические материалы, которые могут преобразовывать электрическую энергию в периодические изменения температуры, считаются датчиками4 и сборщиками энергии5,6,7. Здесь мы разработали макроскопический сборщик тепловой энергии в виде многослойного конденсатора из 42 граммов танталата свинца-скандия, производящего 11,2 Дж электрической энергии за термодинамический цикл. Каждый пироэлектрический модуль может генерировать электрическую энергию плотностью до 4,43 Дж/см-3 за цикл. Мы также показываем, что двух таких модулей массой 0,3 г достаточно для непрерывного питания автономных сборщиков энергии со встроенными микроконтроллерами и датчиками температуры. Наконец, мы показываем, что в диапазоне температур 10 К эти многослойные конденсаторы могут достигать эффективности Карно 40%. Эти свойства обусловлены (1) сегнетоэлектрическим изменением фазы для высокой эффективности, (2) низким током утечки для предотвращения потерь и (3) высоким напряжением пробоя. Эти макроскопические, масштабируемые и эффективные пироэлектрические устройства для сбора энергии переосмысливают производство термоэлектрической энергии.
По сравнению с пространственным градиентом температуры, необходимым для термоэлектрических материалов, сбор энергии термоэлектрических материалов требует циклического изменения температуры во времени. Это означает термодинамический цикл, который лучше всего описывается диаграммой энтропия (S)-температура (Т). На рисунке 1а показан типичный график ST нелинейного пироэлектрического (NLP) материала, демонстрирующий управляемый полем фазовый переход сегнетоэлектрик-параэлектрик в танталате скандия-свинца (PST). Синий и зеленый участки цикла на диаграмме ST соответствуют преобразованной электрической энергии в цикле Олсона (два изотермических и два изопольных участка). Здесь мы рассматриваем два цикла с одинаковым изменением электрического поля (поле включено и выключено) и изменением температуры ΔT, хотя и с разными начальными температурами. Зеленый цикл не расположен в области фазового перехода и, следовательно, имеет гораздо меньшую площадь, чем синий цикл, расположенный в области фазового перехода. На диаграмме ST чем больше площадь, тем больше собранная энергия. Следовательно, фазовый переход должен собрать больше энергии. Потребность в циклическом использовании большой площади в НЛП очень похожа на потребность в электротермических приложениях9, 10, 11, 12, где многослойные конденсаторы PST (MLC) и терполимеры на основе ПВДФ недавно показали отличные обратные характеристики. состояние эффективности охлаждения в циклах 13,14,15,16. Таким образом, мы определили PST MLC, представляющие интерес для сбора тепловой энергии. Эти образцы полностью описаны в методах и охарактеризованы в дополнительных примечаниях 1 (сканирующая электронная микроскопия), 2 (рентгеновская дифракция) и 3 (калориметрия).
а, Эскиз графика энтропии (S)-температуры (T) с включенным и выключенным электрическим полем, примененного к материалам НЛП, показывающим фазовые переходы. Два цикла сбора энергии показаны в двух разных температурных зонах. Синий и зеленый циклы происходят внутри и вне фазового перехода соответственно и заканчиваются в самых разных областях поверхности. б — два униполярных кольца DE PST MLC толщиной 1 мм, измеренные в диапазоне от 0 до 155 кВ см-1 при 20 °C и 90 °C соответственно, и соответствующие циклы Ольсена. Буквы ABCD относятся к различным состояниям цикла Олсона. А.Б.: МЛК заряжались до 155 кВ/см при 20°С. БК: MLC поддерживали при 155 кВ/см-1 и температуру повышали до 90°C. CD: MLC разряжается при 90°C. DA: MLC охлажден до 20°C в нулевом поле. Синяя область соответствует входной мощности, необходимой для запуска цикла. Оранжевая область — это энергия, собранная за один цикл. c, верхняя панель, напряжение (черный) и ток (красный) в зависимости от времени, отслеживаемые в течение того же цикла Олсона, что и b. Две вставки представляют собой усиление напряжения и тока в ключевых точках цикла. На нижней панели желтые и зеленые кривые представляют собой соответствующие кривые температуры и энергии соответственно для МЛК толщиной 1 мм. Энергия рассчитывается по кривым тока и напряжения на верхней панели. Отрицательная энергия соответствует собранной энергии. Шаги, соответствующие заглавным буквам в четырех цифрах, такие же, как и в цикле Олсона. Цикл AB'CD соответствует циклу Стирлинга (дополнительное примечание 7).
где E и D — электрическое поле и поле электрического смещения соответственно. Nd можно получить косвенно из схемы ДЭ (рис. 1б) или напрямую, запустив термодинамический цикл. Наиболее полезные методы были описаны Олсеном в его новаторской работе по сбору пироэлектрической энергии в 1980-х годах17.
На рис. 1b показаны две монополярные петли DE из образцов PST-MLC толщиной 1 мм, собранных при 20 °C и 90 °C соответственно, в диапазоне от 0 до 155 кВ см-1 (600 В). Эти два цикла можно использовать для косвенного расчета энергии, собранной циклом Олсона, показанным на рисунке 1а. Фактически цикл Ольсена состоит из двух изопольных ветвей (здесь нулевое поле в ветви DA и 155 кВ см-1 в ветви BC) и двух изотермических ветвей (здесь 20°С и 20°С в ветви AB) . C в ветви CD) Энергия, собранная во время цикла, соответствует оранжевой и синей областям (интеграл EdD). Собранная энергия Nd представляет собой разницу между входной и выходной энергией, т.е. только оранжевая область на рис. 1б. Этот конкретный цикл Олсона дает плотность энергии Nd 1,78 Дж/см3. Цикл Стирлинга является альтернативой циклу Олсона (дополнительное примечание 7). Поскольку стадия постоянного заряда (разомкнутая цепь) достигается легче, плотность энергии, полученная из рис. 1б (цикл AB'CD), достигает 1,25 Дж/см-3. Это лишь 70% того, что может собрать цикл Олсона, но с этим справляется простое уборочное оборудование.
Кроме того, мы непосредственно измерили энергию, собранную во время цикла Олсона, подав питание на PST MLC, используя ступень контроля температуры Linkam и измеритель источника (метод). На рисунке 1c вверху и на соответствующих вставках показаны ток (красный) и напряжение (черный), собранные на том же PST MLC толщиной 1 мм, что и для петли DE, проходящей тот же цикл Олсона. Ток и напряжение позволяют рассчитать собранную энергию, кривые показаны на рис. 1c, низ (зеленый) и температура (желтый) на протяжении всего цикла. Буквы ABCD обозначают тот же цикл Олсона на рис. 1. Зарядка MLC происходит во время участка AB и осуществляется при малом токе (200 мкА), поэтому SourceMeter может правильно контролировать зарядку. Следствием этого постоянного начального тока является то, что кривая напряжения (черная кривая) не является линейной из-за нелинейного поля смещения потенциала D PST (рис. 1c, верхняя вставка). По окончании зарядки в MLC (точка Б) сохраняется 30 мДж электрической энергии. Затем MLC нагревается и возникает отрицательный ток (и, следовательно, отрицательный ток), в то время как напряжение остается на уровне 600 В. Через 40 с, когда температура достигла плато 90 °C, этот ток компенсировался, хотя ступенчатый образец во время этого изополя в цепи вырабатывалась электрическая мощность 35 мДж (вторая вставка на рис. 1в, вверху). Затем напряжение на MLC (ветвь CD) снижается, что приводит к дополнительным 60 мДж электрической работы. Полная выходная энергия составляет 95 мДж. Собранная энергия представляет собой разницу между входной и выходной энергией, что дает 95 – 30 = 65 мДж. Это соответствует плотности энергии 1,84 Дж см-3, что очень близко к плотности энергии Nd, извлеченной из DE-кольца. Воспроизводимость этого цикла Олсона была тщательно проверена (дополнительное примечание 4). Путем дальнейшего увеличения напряжения и температуры мы достигли 4,43 Дж/см3, используя циклы Ольсена в PST MLC толщиной 0,5 мм в диапазоне температур 750 В (195 кВ/см) и 175 °C (дополнительное примечание 5). Это в четыре раза превышает лучший результат, указанный в литературе для прямых циклов Олсона, и был получен на тонких пленках Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 Дж см-3)18 (см .Дополнительные Таблица 1 для получения дополнительных значений в литературе). Такие характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10-7 А при 750 В и 180 °C, подробности см. в дополнительном примечании 6) — решающий момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Такие характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10-7 А при 750 В и 180 °C, подробности см. в дополнительном примечании 6) — решающий момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкой току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительных примечаниях 6) — выраженный момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от материалов, использованных в более ранних исследованиях17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 °C, подробности см. в дополнительном примечании 6) – критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 – в отличие от материалов, использованных в более ранних исследованиях17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 В 和180 °C 时<10-7 A, 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。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 В 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 说明 6 中 详细 信息） ）））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比下下 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Дата начала: 17.20. поскольку утечка тока у этих MLC очень низкая (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительных примечаниях 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения были достигнуты данные характеристики. Поскольку ток утечки этих MLC очень мал (<10–7 А при 750 В и 180 °C, подробности см. в дополнительном примечании 6) – ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 – для сравнения такие показатели были достигнуты.к материалам, использованным в более ранних исследованиях 17,20.
Те же условия (600 В, 20–90 °С) применялись и к циклу Стирлинга (дополнительное примечание 7). Как и ожидалось по результатам цикла ДЭ, выход составил 41,0 мДж. Одной из наиболее ярких особенностей циклов Стирлинга является их способность усиливать начальное напряжение за счет термоэлектрического эффекта. Мы наблюдали прирост напряжения до 39 (от начального напряжения 15 В до конечного напряжения до 590 В, см. дополнительный рис. 7.2).
Другой отличительной особенностью этих МЛК является то, что они представляют собой макроскопические объекты, достаточно большие, чтобы собирать энергию в джоулевом диапазоне. Поэтому мы сконструировали прототип комбайна (HARV1) с использованием 28 MLC PST толщиной 1 мм, следуя той же конструкции параллельных пластин, описанной Торелло и др.14, в матрице 7×4, как показано на рис. коллектор перемещается с помощью перистальтического насоса между двумя резервуарами, где температура жидкости поддерживается постоянной (способ). Соберите до 3,1 Дж, используя цикл Олсона, описанный на рис. 2а — изотермические области при 10°С и 125°С и области изополя при 0 и 750 В (195 кВ см-1). Это соответствует плотности энергии 3,14 Дж см-3. С помощью этого комбайна проводились измерения в различных условиях (рис. 2б). Обратите внимание, что 1,8 Дж было получено в диапазоне температур 80 °С и напряжении 600 В (155 кВ см-1). Это хорошо согласуется с ранее упомянутыми 65 мДж для PST MLC толщиной 1 мм в тех же условиях (28 × 65 = 1820 мДж).
а. Экспериментальная установка собранного прототипа HARV1 на основе 28 MLC PST толщиной 1 мм (4 ряда × 7 столбцов), работающих по циклам Олсона. Для каждого из четырех этапов цикла в прототипе указаны температура и напряжение. Компьютер управляет перистальтическим насосом, который циркулирует диэлектрическую жидкость между холодным и горячим резервуарами, двумя клапанами и источником питания. Компьютер также использует термопары для сбора данных о напряжении и токе, подаваемых на прототип, и температуре комбайна от источника питания. б. Энергия (цвет), собранная нашим прототипом MLC 4×7, в зависимости от диапазона температур (ось X) и напряжения (ось Y) в различных экспериментах.
Более крупный вариант комбайна (HARV2) с 60 PST MLC толщиной 1 мм и 160 PST MLC толщиной 0,5 мм (41,7 г активного пироэлектрического материала) давал 11,2 Дж (дополнительное примечание 8). В 1984 году Олсен создал сборщик энергии на основе 317 г соединения Pb(Zr,Ti)O3, легированного оловом, способного генерировать 6,23 Дж электричества при температуре около 150 °C (ссылка 21). Для этого комбайна это единственное доступное значение в диапазоне джоулей. Он получил чуть более половины того результата, которого мы достигли, и почти в семь раз лучшего качества. Это означает, что плотность энергии HARV2 в 13 раз выше.
Период цикла HARV1 составляет 57 секунд. Это давало мощность 54 мВт с 4 рядами по 7 столбцов из наборов MLC толщиной 1 мм. Чтобы сделать еще один шаг вперед, мы построили третий комбайн (HARV3) с PST MLC толщиной 0,5 мм и установкой, аналогичной HARV1 и HARV2 (дополнительное примечание 9). Мы измерили время термализации 12,5 секунды. Это соответствует времени цикла 25 с (дополнительный рисунок 9). Собранная энергия (47 мДж) дает электрическую мощность 1,95 мВт на один MLC, что в свою очередь позволяет предположить, что HARV2 выдает 0,55 Вт (приблизительно 1,95 мВт × 280 PST MLC толщиной 0,5 мм). Кроме того, мы смоделировали теплообмен с помощью моделирования методом конечных элементов (COMSOL, дополнительное примечание 10 и дополнительные таблицы 2–4), соответствующее экспериментам HARV1. Конечно-элементное моделирование позволило спрогнозировать значения мощности почти на порядок выше (430 мВт) для того же количества колонн ПСТ за счет утонения МЛК до 0,2 мм, использования воды в качестве теплоносителя и восстановления матрицы до 7 рядов. . × 4 колонки (помимо 960 мВт, когда бак находился рядом с комбайном, дополнительный рис. 10б).
Чтобы продемонстрировать полезность этого коллектора, цикл Стирлинга был применен к автономному демонстратору, состоящему всего из двух PST MLC толщиной 0,5 мм в качестве теплосборников, переключателя высокого напряжения, переключателя низкого напряжения с накопительным конденсатором, преобразователя постоянного тока в постоянный ток. , маломощный микроконтроллер, две термопары и повышающий преобразователь (дополнительное примечание 11). Схема требует, чтобы накопительный конденсатор первоначально заряжался при напряжении 9 В, а затем работал автономно, пока температура двух MLC колеблется от -5 ° C до 85 ° C, здесь с циклами по 160 с (несколько циклов показаны в дополнительном примечании 11). . Примечательно, что два MLC весом всего 0,3 г могут автономно управлять этой большой системой. Еще одна интересная особенность заключается в том, что преобразователь низкого напряжения способен преобразовывать напряжение 400 В в напряжение 10–15 В с эффективностью 79 % (дополнительное примечание 11 и дополнительный рисунок 11.3).
Наконец, мы оценили эффективность этих модулей MLC в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Добротность η эффективности определяется как отношение плотности собранной электрической энергии Nд к плотности подведенной теплоты Qin (дополнительное примечание 12):
На рисунках 3а, б показаны эффективность η и пропорциональная эффективность ηr цикла Олсена соответственно в зависимости от температурного диапазона PST MLC толщиной 0,5 мм. Оба набора данных приведены для электрического поля 195 кВ см-1. КПД \(\this\) достигает 1,43%, что эквивалентно 18% от ηr. Однако для диапазона температур 10 К от 25 °С до 35 °С ηr достигает значений до 40 % (синяя кривая на рис. 3б). Это в два раза превышает известное значение для материалов НЛП, зафиксированное в пленках ПМН-ПТ (ηr = 19%) в интервале температур 10 К и 300 кВ см-1 (ссылка 18). Температурные диапазоны ниже 10 К не рассматривались, поскольку тепловой гистерезис PST MLC составляет от 5 до 8 К. Признание положительного влияния фазовых переходов на эффективность имеет решающее значение. Действительно, почти все оптимальные значения η и ηr получены при начальной температуре Ti = 25°С на рис. 3а,б. Это связано с близким фазовым переходом при отсутствии приложения поля и температуре Кюри TC в этих MLC около 20 °C (дополнительное примечание 13).
a,b, эффективность η и пропорциональная эффективность цикла Олсона (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Карно} } для максимального электрического поля 195 кВ см-1 и различных начальных температур Ti, }}\,\)(б) для МПК ПСТ толщиной 0,5 мм в зависимости от температурного интервала ΔTspan.
Последнее наблюдение имеет два важных следствия: (1) любое эффективное циклирование должно начинаться при температурах выше TC, чтобы произошел индуцированный полем фазовый переход (от параэлектрика к сегнетоэлектрику); (2) эти материалы более эффективны при времени работы, близком к TC. Хотя в наших экспериментах показаны крупномасштабные КПД, ограниченный диапазон температур не позволяет нам достичь больших абсолютных КПД из-за предела Карно (\(\Delta T/T\)). Однако превосходная эффективность, продемонстрированная этими PST MLC, оправдывает Олсена, когда он упоминает, что «идеальный регенеративный термоэлектрический двигатель класса 20, работающий при температурах от 50 °C до 250 °C, может иметь КПД 30%»17. Чтобы достичь этих значений и проверить концепцию, было бы полезно использовать легированные PST с разными TC, как это изучали Шебанов и Борман. Они показали, что ТК в PST может варьироваться от 3°C (легирование Sb) до 33°C (легирование Ti) 22 . Поэтому мы предполагаем, что пироэлектрические регенераторы следующего поколения на основе легированных PST MLC или других материалов с сильным фазовым переходом первого рода могут конкурировать с лучшими сборщиками энергии.
В этом исследовании мы исследовали MLC, изготовленные из PST. Эти устройства состоят из серии электродов Pt и PST, при этом несколько конденсаторов соединены параллельно. PST был выбран потому, что это превосходный материал EC и, следовательно, потенциально превосходный материал для НЛП. Он демонстрирует резкий фазовый переход первого рода сегнетоэлектрик-параэлектрик около 20 ° C, что указывает на то, что изменения его энтропии аналогичны тем, которые показаны на рис. 1. Подобные MLC были полностью описаны для устройств EC13,14. В данной работе мы использовали МЛК размером 10,4 × 7,2 × 1 мм³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 мм³. МЛК толщиной 1 мм и 0,5 мм были изготовлены из 19 и 9 слоев ПСТ толщиной 38,6 мкм соответственно. В обоих случаях внутренний слой PST располагался между платиновыми электродами толщиной 2,05 мкм. Конструкция этих MLC предполагает, что 55% PST активны, что соответствует части между электродами (дополнительное примечание 1). Площадь активного электрода составила 48,7 мм2 (дополнительная таблица 5). MLC PST получали твердофазной реакцией и методом литья. Подробности процесса подготовки описаны в предыдущей статье14. Одним из отличий PST MLC от предыдущей статьи является порядок B-сайтов, который сильно влияет на производительность EC в PST. Порядок B-сайтов PST MLC составляет 0,75 (дополнительное примечание 2), полученных путем спекания при 1400 ° C с последующим отжигом в течение сотен часов при 1000 ° C. Дополнительную информацию о PST MLC см. в дополнительных примечаниях 1–3 и дополнительной таблице 5.
Основная концепция данного исследования основана на цикле Олсона (рис. 1). Для такого цикла нам нужен горячий и холодный резервуар и источник питания, способный контролировать и контролировать напряжение и ток в различных модулях MLC. В этих прямых циклах использовались две разные конфигурации, а именно (1) модули Linkam, нагревающие и охлаждающие один MLC, подключенный к источнику питания Keithley 2410, и (2) три прототипа (HARV1, HARV2 и HARV3) параллельно с одним и тем же источником энергии. В последнем случае для теплообмена между двумя резервуарами (горячим и холодным) и МЛК использовалась диэлектрическая жидкость (силиконовое масло вязкостью 5 сП при 25°С, приобретенное у Sigma Aldrich). Термальный резервуар состоит из стеклянного контейнера, наполненного диэлектрической жидкостью и помещенного поверх тепловой пластины. Холодильное хранилище состоит из водяной бани с жидкостными трубками, содержащими диэлектрическую жидкость, в большом пластиковом контейнере, наполненном водой и льдом. Два трехходовых пережимных клапана (приобретенных у Bio-Chem Fluidics) были размещены на каждом конце комбайна для правильного переключения жидкости из одного резервуара в другой (рис. 2а). Для обеспечения теплового равновесия между корпусом PST-MLC и теплоносителем период цикла продлевался до тех пор, пока входная и выходная термопары (как можно ближе к корпусу PST-MLC) не показывали одинаковую температуру. Сценарий Python управляет и синхронизирует все инструменты (счетчики источника, насосы, клапаны и термопары) для запуска правильного цикла Олсона, т. е. контур охлаждающей жидкости начинает циклически проходить через стек PST после зарядки счетчика источника, чтобы они нагревались до желаемой температуры. приложенное напряжение для данного цикла Олсона.
Альтернативно, мы подтвердили эти прямые измерения собранной энергии косвенными методами. Эти косвенные методы основаны на электрическом смещении (D) – полевых петлях электрического поля (E), собранных при разных температурах, и, рассчитав площадь между двумя петлями DE, можно точно оценить, сколько энергии можно собрать, как показано на рисунке. . на рисунке 2. .1б. Эти петли DE также собираются с помощью измерителей источника Keithley.
Двадцать восемь MLC PST толщиной 1 мм были собраны в 4-рядную и 7-колонную структуру параллельных пластин в соответствии с конструкцией, описанной в ссылке. 14. Зазор для жидкости между рядами PST-MLC составляет 0,75 мм. Это достигается за счет добавления полосок двустороннего скотча в качестве жидких прокладок по краям PST MLC. PST MLC электрически подключен параллельно с помощью серебряной эпоксидной перемычки, контактирующей с выводами электрода. После этого с каждой стороны выводов электродов были приклеены серебряной эпоксидной смолой провода для подключения к источнику питания. Наконец, вставьте всю конструкцию в полиолефиновый шланг. Последний приклеивается к трубке для жидкости для обеспечения надлежащего уплотнения. Наконец, термопары К-типа толщиной 0,25 мм были встроены в каждый конец конструкции PST-MLC для контроля температуры жидкости на входе и выходе. Для этого шланг необходимо предварительно перфорировать. После установки термопары нанесите тот же клей, что и раньше, между шлангом термопары и проводом, чтобы восстановить герметичность.
Было построено восемь отдельных прототипов, четыре из которых имели 40 MLC PST толщиной 0,5 мм, распределенных в виде параллельных пластин с 5 столбцами и 8 рядами, а остальные четыре имели по 15 MLC PST толщиной 1 мм каждый. в структуре параллельных пластин 3 столбца × 5 рядов. Общее количество использованных PST MLC составило 220 (160 PST MLC толщиной 0,5 мм и 60 PST MLC толщиной 1 мм). Мы называем эти две субъединицы HARV2_160 и HARV2_60. Жидкостный зазор в прототипе HARV2_160 состоит из двух двухсторонних лент толщиной 0,25 мм с проволокой толщиной 0,25 мм между ними. Для прототипа HARV2_60 мы повторили ту же процедуру, но с использованием проволоки толщиной 0,38 мм. Для симметрии HARV2_160 и HARV2_60 имеют собственные гидравлические контуры, насосы, клапаны и холодную сторону (дополнительное примечание 8). Два блока HARV2 имеют общий тепловой резервуар — 3-литровый контейнер (30 см х 20 см х 5 см) на двух нагревательных пластинах с вращающимися магнитами. Все восемь отдельных прототипов электрически соединены параллельно. Субъединицы HARV2_160 и HARV2_60 работают одновременно в цикле Олсона, что приводит к сбору энергии в 11,2 Дж.
Поместите PST MLC толщиной 0,5 мм в полиолефиновый шланг, закрепив его двусторонней лентой и проволокой с обеих сторон, чтобы создать пространство для потока жидкости. Из-за небольшого размера прототип размещался рядом с клапаном горячего или холодного резервуара, что минимизировало время цикла.
В PST MLC постоянное электрическое поле создается путем подачи постоянного напряжения на нагревательную ветвь. В результате генерируется отрицательный тепловой ток и сохраняется энергия. После нагрева ПСТ МЖК поле снимается (V = 0), а запасенная в нем энергия возвращается обратно в счетчик источника, что соответствует еще одному вкладу собранной энергии. Наконец, при подаче напряжения V = 0 MLC PST охлаждаются до исходной температуры, чтобы цикл мог начаться снова. На этом этапе энергия не собирается. Мы выполнили цикл Олсена, используя Keithley 2410 SourceMeter, заряжая PST MLC от источника напряжения и устанавливая соответствие тока на соответствующее значение, чтобы во время фазы зарядки было собрано достаточно точек для надежных расчетов энергии.
В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом токе соответствия, так что шаг зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом токе соответствия, так что шаг зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном разрешении поля возникновения (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирает достаточное количество точек для надежного расчета энергии) и холодную температуру. В циклах Стирлинга PST MLC они заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом токе выхода, так что стадия заряда занимает около 1 с (и достаточное количество точек набираются для надежного расчета энергии) и холодной температуры.在斯特林循环中, PST MLC 在电压源模式下以初始电场值(初始电压Vi > 0)充电,所需的顺应电流使得充电步骤大约需要1 秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 В мастер-цикле PST MLC заряжается при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0) в режиме источника напряжения, так что требуемый ток соответствия занимает около 1 секунды для этапа зарядки (и мы набрали достаточно точек, чтобы достоверно рассчитать (энергию) и низкую температуру. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением поля напряжения (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и насчитывает достаточное количество точек, чтобы обеспечить надежную зарядку) и температуру. . В цикле Стирлинга ПСТ МЛК заряжается в режиме источника напряжения с начальной величиной электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), необходимый ток податливости таков, чтобы стадия заряда занимала около 1 с (и достаточное количество точек собираются для надежного расчета энергии) и низких температур.Прежде чем PST MLC нагреется, разомкните цепь, подав согласующий ток I = 0 мА (минимальный ток согласования, который может выдержать наш измерительный источник, составляет 10 нА). В результате в ПСТ МЖК сохраняется заряд, а напряжение увеличивается по мере нагревания образца. В плече BC энергия не собирается, поскольку I = 0 мА. После достижения высокой температуры напряжение в МЛТ ФТ увеличивается (в некоторых случаях более чем в 30 раз, см. дополнительно рис. 7.2), МЛК ФТ разряжается (V = 0), и в них сохраняется электрическая энергия в течение того же времени. поскольку они являются первоначальным платежом. В счетчик-источник возвращается та же самая текущая корреспонденция. За счет усиления напряжения запасенная энергия при высокой температуре выше той, которая была обеспечена в начале цикла. Следовательно, энергия получается путем преобразования тепла в электричество.
Мы использовали источник Keithley 2410 для контроля напряжения и тока, подаваемого на PST MLC. Соответствующая энергия рассчитывается путем интегрирования произведения напряжения и тока, считываемого измерителем источника Кейтли, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), где τ — период периода. На нашей энергетической кривой положительные значения энергии означают энергию, которую мы должны отдать MLC PST, а отрицательные значения означают энергию, которую мы извлекаем из них и, следовательно, полученную энергию. Относительная мощность для данного цикла сбора определяется путем деления собранной энергии на период τ всего цикла.
Все данные представлены в основном тексте или в дополнительной информации. Письма и запросы материалов следует направлять источнику данных AT или ED, представленному в этой статье.
Андо Джуниор, Огайо, Маран, ALO и Энао, Северная Каролина. Обзор разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии. Андо Джуниор, Огайо, Маран, ALO и Энао, Северная Каролина. Обзор разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии.Андо Джуниор, Огайо, Маран, ALO и Энао, Северная Каролина Обзор разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии. Андо Джуниор, Огайо, Маран, ALO и Энао, Северная Каролина. Андо Джуниор, Огайо, Маран, ALO и Энао, Северная КаролинаАндо Джуниор, Огайо, Маран, ALO, и Энао, Северная Каролина рассматривают возможность разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии.резюме. поддерживать. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Полман А., Найт М., Гарнетт Э.К., Эрлер Б. и Синке В.К. Фотоэлектрические материалы: нынешняя эффективность и будущие проблемы. Полман А., Найт М., Гарнетт Э.К., Эрлер Б. и Синке В.К. Фотоэлектрические материалы: нынешняя эффективность и будущие проблемы.Полман А., Найт М., Гарнетт Э.К., Эрлер Б. и Синке В.К. Фотоэлектрические материалы: текущие характеристики и будущие проблемы. Полман А., Найт М., Гарнетт Э.К., Эрлер Б. и Синке У.К. Полман А., Найт М., Гарнетт Э.К., Эрлер Б. и Синке В.К. Солнечные материалы: текущая эффективность и будущие проблемы.Полман А., Найт М., Гарнетт Э.К., Эрлер Б. и Синке В.К. Фотоэлектрические материалы: текущие характеристики и будущие проблемы.Наука 352, aad4424 (2016).
Сонг, К., Чжао, Р., Ван, З.Л. и Ян, Ю. Совмещенный пиро-пьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления. Сун К., Чжао Р., Ван З.Л. и Ян Ю. Совместный пиропьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления.Сун К., Чжао Р., Ван З.Л. и Ян Ю. Комбинированный пиропьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления. Сун, К., Чжао, Р., Ван, З.Л. и Ян, Ю. Сун, К., Чжао, Р., Ван, З.Л. и Ян, Ю. Для автономного питания одновременно с температурой и давлением.Сун К., Чжао Р., Ван З.Л. и Ян Ю. Комбинированный термопьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления.Вперед. альма-матер 31, 1902831 (2019).
Зебальд Г., Прувост С. и Гайомар Д. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике. Зебальд Г., Прувост С. и Гайомар Д. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике.Себальд Г., Пруво С. и Гайомар Д. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике.Себальд Г., Пруво С. и Гайомар Д. Сбор энергии в релаксорной сегнетоэлектрической керамике на основе пироэлектрического циклирования Эрикссона. Умная альма-матер. структура. 17, 15012 (2007).
Алпай С.П., Мантезе Дж., Тролье-Макинстри С., Чжан К. и Ватмор Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Алпай С.П., Мантезе Дж., Тролье-Макинстри С., Чжан К. и Ватмор Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Алпай С.П., Мантезе Дж., Тролье-Макинстри С., Чжан К. и Чтомор Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для вторичного преобразования твердотельной электротермической энергии. Алпай С.П., Мантезе Дж., Тролье-Макинстри С., Чжан К. и Ватмор Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы нового поколения для взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Алпай, С.П., Мантезе, Дж., Тролье-Макинстри, С., Чжан, К. и Ватмор, Р.В. Алпай, С.П., Мантезе, Дж., Тролье-Макинстри, С., Чжан, К. и Whatmore, RW Алпай С.П., Мантезе Дж., Тролье-Макинстри С., Чжан К. и Чтомор Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для вторичного преобразования твердотельной электротермической энергии. Алпай С.П., Мантезе Дж., Тролье-Макинстри С., Чжан К. и Ватмор Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы нового поколения для взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии.Леди Бык. 39, 1099–1109 (2014).
Чжан К., Ван Ю., Ван З.Л. и Ян Ю. Стандарт и добротность для количественной оценки производительности пироэлектрических наногенераторов. Чжан К., Ван Ю., Ван З.Л. и Ян Ю. Стандарт и добротность для количественной оценки производительности пироэлектрических наногенераторов.Чжан К., Ван Ю., Ван З.Л. и Ян Ю. Стандарт и показатель качества для количественной оценки производительности пироэлектрических наногенераторов. Чжан К., Ван Ю., Ван З.Л. и Ян Ю. Чжан К., Ван Ю., Ван З.Л. и Ян Ю.Чжан К., Ван Ю., Ван З.Л. и Ян Ю. Критерии и меры количественной оценки производительности пироэлектрического наногенератора.Нано Энергия 55, 534–540 (2019).
Кроссли С., Наир Б., Уэтмор Р.В., Мойя Х. и Матур Н.Д. Циклы электрокалорического охлаждения в танталате свинца-скандия с истинной регенерацией посредством изменения поля. Кроссли С., Наир Б., Уэтмор Р.В., Мойя Х. и Матур Н.Д. Циклы электрокалорического охлаждения в танталате свинца-скандия с истинной регенерацией посредством изменения поля.Кроссли С., Наир Б., Уотмор Р.В., Мойя К. и Матур Н.Д. Циклы электрокалорического охлаждения в танталате свинца-скандия с истинной регенерацией посредством модификации поля. Кроссли С., Наир Б., Уотмор Р.В., Мойя X. и Матур Н.Д. Кроссли С., Наир Б., Уатмор Р.В., Мойя Х. и Матур Н.Д. Тантал используется в производстве танталовых материалов.Кроссли С., Наир Б., Уотмор Р.В., Мойя Х. и Матур Н.Д. Цикл электротермического охлаждения танталата скандия-свинца для истинной регенерации посредством обращения поля.физика Ред. X 9, 41002 (2019).
Мойя X., Кар-Нараян С. и Матур Н.Д. Калорические материалы вблизи ферроидных фазовых переходов. Мойя X., Кар-Нараян С. и Матур Н.Д. Калорические материалы вблизи ферроидных фазовых переходов.Мойя X., Кар-Нараян С. и Матур Н.Д. Калорические материалы вблизи ферроидных фазовых переходов. Мойя, X., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Мойя X., Кар-Нараян С. и Матур Н.Д. Термические материалы в черной металлургии.Мойя К., Кар-Нараян С. и Матур Н.Д. Термические материалы вблизи фазовых переходов железа.Нат. альма-матер 13, 439–450 (2014).
Мойя, X. и Матур, Н.Д. Калорические материалы для охлаждения и отопления. Мойя, X. и Матур, Н.Д. Калорические материалы для охлаждения и отопления.Мойя X. и Матур Н.Д. Тепловые материалы для охлаждения и отопления. Мойя, X. и Матур, Северная Дакота. Мойя X. и Матур Н.Д. Тепловые материалы для охлаждения и отопления.Мойя X. и Матур Н.Д. Тепловые материалы для охлаждения и отопления.Наука 370, 797–803 (2020).
Торелло А. и Дефай Э. Электрокалорические охладители: обзор. Торелло А. и Дефай Э. Электрокалорические охладители: обзор.Торелло А. и Дефай Э. Электрокалорические охладители: обзор. Торелло А. и Дефе Э. 电热冷却器:评论. Торелло А. и Дефе Э. 电热冷却器:评论.Торелло А. и Дефай Э. Электротермические охладители: обзор.Передовой. электронный. альма-матер. 8. 2101031 (2022 г.).
Нучокгве, Ю. и др. Огромная энергетическая эффективность электрокалорического материала в высокоупорядоченном скандии-скандии-свинце. Национальное общение. 12, 3298 (2021).
Наир, Б. и др. Электротермический эффект оксидных многослойных конденсаторов велик в широком диапазоне температур. Природа 575, 468–472 (2019).
Торелло, А. и др. Огромный температурный диапазон в электротермических регенераторах. Наука 370, 125–129 (2020).
Ван, Ю. и др. Высокопроизводительная твердотельная электротермическая система охлаждения. Наука 370, 129–133 (2020).
Мэн Ю. и др. Каскадное электротермическое охлаждающее устройство для значительного повышения температуры. Национальная энергетика 5, 996–1002 (2020).
Олсен, Р.Б. и Браун, Д.Д. Высокоэффективное прямое преобразование тепла в электрическую энергию, связанные с пироэлектрическими измерениями. Олсен, Р.Б. и Браун, Д.Д. Высокоэффективное прямое преобразование тепла в электрическую энергию, связанные с пироэлектрическими измерениями.Олсен Р.Б. и Браун Д.Д. Высокоэффективное прямое преобразование тепла в электрическую энергию, связанное с пироэлектрическими измерениями. Олсен, Р.Б. и Браун, Д.Д. Олсен, Р.Б. и Браун, Д.Д.Олсен Р.Б. и Браун Д.Д. Эффективное прямое преобразование тепла в электричество, связанное с пироэлектрическими измерениями.Сегнетоэлектрики 40, 17–27 (1982).
Пандия, С. и др. Энергия и плотность мощности в тонких релаксорных сегнетоэлектрических пленках. Национальная альма-матер. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М. Каскадное пироэлектрическое преобразование: оптимизация сегнетоэлектрического фазового перехода и электрических потерь. Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М. Каскадное пироэлектрическое преобразование: оптимизация сегнетоэлектрического фазового перехода и электрических потерь.Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М. Каскадное пироэлектрическое преобразование: сегнетоэлектрический фазовый переход и оптимизация электрических потерь. Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М. Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М.Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М. Каскадное пироэлектрическое преобразование: оптимизация сегнетоэлектрических фазовых переходов и электрических потерь.Дж. Приложение. физика. 128, 24103 (2020).
Хох, С.Р. Использование сегнетоэлектриков для преобразования тепловой энергии в электричество. процесс. IEEE 51, 838–845 (1963).
Олсен Р.Б., Бруно Д.А., Бриско Дж.М. и Даллеа Дж. Каскадный пироэлектрический преобразователь энергии. Олсен Р.Б., Бруно Д.А., Бриско Дж.М. и Даллеа Дж. Каскадный пироэлектрический преобразователь энергии.Олсен Р.Б., Бруно Д.А., Бриско Дж.М. и Даллеа Дж. Каскадный пироэлектрический преобразователь энергии. Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бриско, Дж.М. и Даллеа, Дж. Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бриско, Дж.М. и Даллеа, Дж.Олсен Р.Б., Бруно Д.А., Бриско Дж.М. и Даллеа Дж. Каскадные пироэлектрические преобразователи энергии.Сегнетоэлектрики 59, 205–219 (1984).
Шебанов Л. и Борман К. О твердых растворах танталата свинца-скандия с высоким электрокалорическим эффектом. Шебанов Л. и Борман К. О твердых растворах танталата свинца-скандия с высоким электрокалорическим эффектом.Шебанов Л. и Борман К. О твердых растворах танталата свинца-скандия с высоким электрокалорическим эффектом. Шебанов Л. и Борман К. Шебанов Л. и Борман К.Шебанов Л. и Борман К. О твердых растворах скандия-свинца-скандия с высоким электрокалорическим эффектом.Сегнетоэлектрики 127, 143–148 (1992).
Мы благодарим Н. Фурусаву, Ю. Иноуэ и К. Хонда за помощь в создании MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB и ED Благодарим Люксембургский национальный исследовательский фонд (FNR) за поддержку этой работы через CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Зибентритт, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay и BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Департамент исследований и технологий материалов, Люксембургский технологический институт (LIST), Бельвуар, Люксембург