Предоставление устойчивых источников электроэнергии является одной из важнейших задач этого столетия. Направления исследований в области материалов для сбора энергии вытекают из этой мотивации, включая термоэлектрику1, фотоэлектрику2 и термофотоэлектрику3. Хотя у нас нет материалов и устройств, способных собирать энергию в джоулевом диапазоне, пироэлектрические материалы, способные преобразовывать электрическую энергию в периодические изменения температуры, рассматриваются как датчики4 и устройства для сбора энергии5,6,7. В данной работе мы разработали макроскопический тепловой накопитель энергии в виде многослойного конденсатора из 42 граммов танталата свинца-скандия, производящего 11,2 Дж электроэнергии 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 весом 0,3 г достаточно для непрерывного питания автономных устройств для сбора энергии со встроенными микроконтроллерами и датчиками температуры. Наконец, мы показываем, что в диапазоне температур 10 К эти многослойные конденсаторы могут достигать 40% эффективности Карно. Эти свойства обусловлены (1) изменением фазы сегнетоэлектрика для высокой эффективности, (2) низким током утечки для предотвращения потерь и (3) высоким пробивным напряжением. Эти макроскопические, масштабируемые и эффективные пироэлектрические генераторы энергии меняют представление о термоэлектрической генерации.
По сравнению с пространственным градиентом температуры, необходимым для термоэлектрических материалов, сбор энергии в термоэлектрических материалах требует циклического изменения температуры во времени. Это означает термодинамический цикл, который наилучшим образом описывается диаграммой энтропии (S) – температуры (T). На рисунке 1а показан типичный график ST нелинейного пироэлектрического (NLP) материала, демонстрирующий управляемый полем сегнетоэлектрик-параэлектрический фазовый переход в танталате скандия-свинца (PST). Синяя и зеленая секции цикла на ST-диаграмме соответствуют преобразованной электрической энергии в цикле Олсона (две изотермические и две изополярные секции). 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 находится в области фазового перехода и, следовательно, имеет значительно меньшую площадь, чем синий цикл, расположенный в области фазового перехода. На ST-диаграмме чем больше площадь, тем больше собранной энергии. Следовательно, фазовый переход должен собрать больше энергии. Потребность в циклировании большой площади в NLP очень похожа на потребность в электротермических приложениях9, 10, 11, 12, где многослойные конденсаторы (MLC) PST и терполимеры на основе ПВДФ недавно продемонстрировали превосходные характеристики охлаждения в цикле 13, 14, 15, 16. Таким образом, мы выявили MLC PST, представляющие интерес для сбора тепловой энергии. Эти образцы были полностью описаны в методах и охарактеризованы в дополнительных примечаниях 1 (сканирующая электронная микроскопия), 2 (рентгеновская дифракция) и 3 (калориметрия).
a, Эскиз графика зависимости энтропии (S) от температуры (T) при включенном и выключенном электрическом поле, приложенном к материалам NLP, демонстрирующим фазовые переходы. Показаны два цикла сбора энергии в двух различных температурных зонах. Синие и зеленые циклы происходят внутри и снаружи фазового перехода соответственно и заканчиваются в сильно различающихся областях поверхности. b, 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 Олсена. Буквы ABCD обозначают различные состояния в цикле Олсена. AB: MLC были заряжены до 155 кВ·см⁻¹ при 20 °C. BC: MLC поддерживался при 155 кВ·см⁻¹, а температура была повышена до 90 °C. CD: MLC разряжается при 90 °C. DA: MLC, охлажденный до 20 °C в нулевом поле. Синяя область соответствует входной мощности, необходимой для начала цикла. Оранжевая область – это энергия, собранная за один цикл. c, верхняя панель, напряжение (черный) и ток (красный) в зависимости от времени, отслеженные в течение того же цикла Олсона, что и b. Две вставки представляют усиление напряжения и тока в ключевых точках цикла. На нижней панели желтая и зеленая кривые представляют соответствующие кривые температуры и энергии для MLC толщиной 1 мм. Энергия рассчитывается по кривым тока и напряжения на верхней панели. Отрицательная энергия соответствует собранной энергии. Шаги, соответствующие заглавным буквам на четырех рисунках, такие же, как в цикле Олсона. Цикл AB'CD соответствует циклу Стирлинга (дополнительное примечание 7).
где E и D — электрическое поле и поле электрического смещения соответственно. Неодим (Nd) может быть получен косвенно из схемы DE (рис. 1б) или напрямую, путём запуска термодинамического цикла. Наиболее эффективные методы были описаны Олсеном в его пионерской работе по сбору пироэлектрической энергии в 1980-х годах17.
На рис. 1б показаны две монополярные петли DE 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 Олсона состоит из двух ветвей изополей (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 является разницей между входной и выходной энергией, т. е. только оранжевой областью на рис. 1б. Этот конкретный цикл Олсона дает плотность энергии Nd 1,78 Дж см-3. Цикл Стирлинга является альтернативой циклу Олсона (Дополнительное примечание 7). Поскольку стадия постоянного заряда (разомкнутая цепь) достигается легче, плотность энергии, извлекаемая из рис. 1b (цикл AB'CD), достигает 1,25 Дж/см³. Это составляет лишь 70% от того, что может получить цикл Олсона, но для этого достаточно простого оборудования.
Кроме того, мы напрямую измеряли энергию, собранную в течение цикла Олсона, подавая напряжение на PST MLC с помощью каскада управления температурой Linkam и источника-измерителя (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, а кривые показаны на рис. 1c внизу (зеленый), а температура (желтый) на протяжении всего цикла. Буквы ABCD обозначают тот же цикл Олсона на рис. 1. Зарядка MLC происходит во время ветви AB и осуществляется малым током (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). В конце зарядки в MLC (точка B) накапливается 30 мДж электрической энергии. MLC нагревается, и возникает отрицательный ток (и, следовательно, отрицательный ток), в то время как напряжение остаётся на уровне 600 В. Через 40 с, когда температура достигает плато 90 °C, этот ток компенсируется, хотя ступенчатый образец вырабатывает в цепи электрическую мощность 35 мДж в течение этого изополя (вторая вставка на рис. 1c, вверху). Затем напряжение на MLC (ветвь CD) снижается, что приводит к совершению дополнительной электрической работы 60 мДж. Общая выходная энергия составляет 95 мДж. Собранная энергия представляет собой разницу между входной и выходной энергией, что даёт 95 – 30 = 65 мДж. Это соответствует плотности энергии 1,84 Дж/см³, что очень близко к плотности Nd, извлечённого из кольца DE. Воспроизводимость этого цикла Олсона была тщательно проверена (Дополнительное примечание 4). Дальнейшее повышение напряжения и температуры позволило достичь энергии 4,43 Дж·см⁻³ при использовании циклов Олсена в слое PST MLC толщиной 0,5 мм в диапазоне температур от 750 В (195 кВ·см⁻¹) до 175 °C (см. Дополнительное примечание 5). Это в четыре раза превышает лучшие показатели, описанные в литературе для прямых циклов Олсена, полученные на тонких пленках Pb(Mg,Nb)O⁻¹-PbTiO⁻¹ (PMN-PT) (1,06 Дж·см⁻¹)¹² (см. Дополнительную таблицу 1 для получения дополнительных значений в литературе). Такая эффективность была достигнута благодаря очень низкому току утечки этих МЛК (<10−7 А при 750 В и 180 °C, подробности см. в Дополнительном примечании 6) — важный момент, упомянутый Смитом и др.19 — в отличие от материалов, используемых в более ранних исследованиях17,20. Такая эффективность была достигнута благодаря очень низкому току утечки этих МЛК (<10−7 А при 750 В и 180 °C, подробности см. в Дополнительном примечании 6) — важный момент, упомянутый Смитом и др.19 — в отличие от материалов, используемых 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 МЛК (<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 исследованиях 17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 В 和180 °C 时<10-7 A, 请参见补充说明6中的详细信息）——Смит 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 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, 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料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 низок (<10–7 А при 750 В и 180 °C, подробности см. в Дополнительном примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 для сравнения, были достигнуты эти характеристики.к материалам, использованным в более ранних исследованиях 17,20.
Те же условия (600 В, 20–90 °C) применялись к циклу Стирлинга (Приложение 7). Как и ожидалось по результатам цикла DE, выход энергии составил 41,0 мДж. Одной из наиболее ярких особенностей циклов Стирлинга является их способность усиливать начальное напряжение посредством термоэлектрического эффекта. Мы наблюдали усиление напряжения до 39 раз (с начального напряжения 15 В до конечного напряжения 590 В, см. Дополнительное примечание 7.2).
Еще одной отличительной особенностью этих MLC является то, что они являются макроскопическими объектами, достаточно большими, чтобы собирать энергию в джоулевом диапазоне. Поэтому мы сконструировали прототип харвестера (HARV1), используя 28 MLC PST толщиной 1 мм, следуя той же конструкции параллельных пластин, описанной Торелло и соавторами14, в матрице 7×4, как показано на рис. Теплонесущая диэлектрическая жидкость в коллекторе вытесняется перистальтическим насосом между двумя резервуарами, где температура жидкости поддерживается постоянной (метод). Собирайте до 3,1 Дж, используя цикл Олсона, описанный на рис. 2а, изотермические области при 10 °C и 125 °C 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 были проведены измерения в различных условиях (рис. 2б). Отметим, что энергия 1,8 Дж была получена в диапазоне температур 80 °C и напряжения 600 В (155 кВ·см⁻). Это хорошо согласуется с ранее упомянутым значением 65 мДж для PST MLC толщиной 1 мм при тех же условиях (28 × 65 = 1820 мДж).
a. Экспериментальная установка собранного прототипа HARV1 на основе 28 MLC PST толщиной 1 мм (4 ряда × 7 столбцов), работающих по циклу Олсона. Для каждого из четырёх этапов цикла в прототипе задаются температура и напряжение. Компьютер управляет перистальтическим насосом, который перекачивает 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. b. Энергия (цвет), собранная нашим прототипом 4×7 MLC, в зависимости от диапазона температур (ось X) и напряжения (ось Y) в различных экспериментах.
Увеличенная версия комбайна (HARV2) с 60 PST MLC толщиной 1 мм и 160 PST MLC толщиной 0,5 мм (41,7 г активного пироэлектрического материала) выдавала 11,2 Дж (Примечание 8). В 1984 году Олсен создал комбайн на основе 317 г легированного оловом соединения Pb(Zr,Ti)O3, способный генерировать 6,23 Дж электроэнергии при температуре около 150 °C (см. ссылку 21). Для этого комбайна это единственное другое значение, доступное в джоулевом диапазоне. Он получил чуть более половины значения, достигнутого нами, и почти в семь раз лучшее качество. Это означает, что плотность энергии HARV2 в 13 раз выше.
Период цикла HARV1 составляет 57 секунд. Это обеспечивает мощность 54 мВт с 4 рядами по 7 столбцов из наборов MLC толщиной 1 мм. Чтобы пойти ещё дальше, мы построили третий комбайн (HARV3) с PST MLC толщиной 0,5 мм и аналогичной конфигурацией HARV1 и HARV2 (Дополнительное примечание 9). Измеренное нами время термализации составило 12,5 секунд. Это соответствует времени цикла 25 с (Дополнительный рисунок 9). Собранная энергия (47 мДж) даёт электрическую мощность 1,95 мВт на MLC, что, в свою очередь, позволяет нам предположить, что HARV2 вырабатывает 0,55 Вт (приблизительно 1,95 мВт × 280 PST MLC толщиной 0,5 мм). Кроме того, мы смоделировали теплопередачу с помощью конечноэлементного моделирования (COMSOL, Дополнительное примечание 10 и Дополнительные таблицы 2–4), соответствующего экспериментам HARV1. Конечноэлементное моделирование позволило спрогнозировать значения мощности почти на порядок выше (430 мВт) для того же количества колонн PST за счёт уменьшения толщины MLC до 0,2 мм, использования воды в качестве хладагента и восстановления матрицы до 7 рядов. × 4 колонны (кроме того, было 960 мВт, когда танк находился рядом с комбайном, Дополнительный рис. 10b).
Для демонстрации полезности этого коллектора был применен цикл Стирлинга к автономному демонстрационному образцу, состоящему всего из двух PST MLC толщиной 0,5 мм в качестве теплосъемников, высоковольтного ключа, низковольтного ключа с накопительным конденсатором, DC/DC-преобразователя, маломощного микроконтроллера, двух термопар и повышающего преобразователя (Дополнительное примечание 11). Схема требует первоначальной зарядки накопительного конденсатора напряжением 9 В, после чего он работает автономно, пока температура двух MLC изменяется от -5 °C до 85 °C, в данном случае 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 одной интересной особенностью является то, что низковольтный преобразователь способен преобразовывать 400 В в 10-15 В с КПД 79% (Дополнительное примечание 11 и Дополнительный рисунок 11.3).
Наконец, мы оценили эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую этими модулями MLC. Коэффициент качества η определяется как отношение плотности собранной электрической энергии Nd к плотности отданного тепла Qin (см. Дополнительное примечание 12):
На рисунках 3a, b показаны эффективность η и пропорциональная эффективность ηr цикла Олсена, соответственно, как функции температурного диапазона PST MLC толщиной 0,5 мм. Оба набора данных приведены для электрического поля 195 кВ см⁻¹. Эффективность \(\this\) достигает 1,43%, что эквивалентно 18% от ηr. Однако для температурного диапазона 10 K от 25 °C до 35 °C ηr достигает значений до 40% (синяя кривая на рис. 3b). Это вдвое больше известного значения для материалов NLP, зарегистрированного в пленках PMN-PT (ηr = 19%) в диапазоне температур 10 K и 300 кВ см⁻¹ (ссылка 18). Диапазоны температур ниже 10 К не рассматривались, поскольку тепловой гистерезис МЛК PST составляет от 5 до 8 К. Учёт положительного влияния фазовых переходов на эффективность имеет решающее значение. Фактически, оптимальные значения η и ηr практически все получены при начальной температуре Ti = 25 °C на рис. 3а, б. Это обусловлено близким фазовым переходом в отсутствие поля, а температура Кюри TC в этих МЛК составляет около 20 °C (см. дополнительное примечание 13).
а,б, КПД η и пропорциональный КПД цикла Олсона (а)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Карно}} для максимального электрического поля 195 кВ см-1 и различных начальных температур Ti, }}\,\)(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 для того, чтобы произошел индуцированный полем фазовый переход (из параэлектрика в сегнетоэлектрик); (2) эти материалы более эффективны при временах работы, близких к TC. Хотя в наших экспериментах показаны крупномасштабные КПД, ограниченный температурный диапазон не позволяет нам достичь больших абсолютных КПД из-за предела Карно (\(\Delta T/T\)). Однако превосходная эффективность, продемонстрированная этими PST MLC, оправдывает слова Олсена о том, 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 различными TC, как изучали Шебанов и Борман. Они показали, что TC 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 MLC PST или других материалов с сильным фазовым переходом первого рода смогут конкурировать с лучшими генераторами энергии.
В этом исследовании мы исследовали MLC, изготовленные из PST. Эти устройства состоят из ряда электродов Pt и PST, посредством чего несколько конденсаторов соединены параллельно. PST был выбран, потому что это превосходный материал EC и, следовательно, потенциально превосходный материал NLP. Он демонстрирует резкий сегнетоэлектрик-параэлектрический фазовый переход первого рода около 20 °C, что указывает на то, что его изменения энтропии аналогичны показанным на рис. 1. Подобные MLC были полностью описаны для устройств EC13,14. В этом исследовании мы использовали MLC 10,4 × 7,2 × 1 мм³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 мм³. MLC толщиной 1 мм и 0,5 мм были изготовлены из 19 и 9 слоев PST толщиной 38,6 мкм соответственно. В обоих случаях внутренний слой PST был помещен между платиновыми электродами толщиной 2,05 мкм. Конструкция этих МЛК предполагает, что 55% ПСТ активны, что соответствует области между электродами (Дополнительное примечание 1). Активная площадь электрода составила 48,7 мм² (Дополнительная таблица 5). ПСТ МЛК был изготовлен методом твердофазной реакции и литья. Подробности процесса изготовления описаны в предыдущей статье14. Одним из отличий МЛК ПСТ от предыдущей статьи является порядок B-центров, который существенно влияет на характеристики электропроводности в ПСТ. Порядок B-центров МЛК ПСТ составляет 0,75 (Дополнительное примечание 2) и получен путем спекания при 1400 °C с последующим отжигом в течение сотен часов при 1000 °C. Для получения дополнительной информации о МЛК ПСТ см. Дополнительные примечания 1–3 и Дополнительную таблицу 5.
Основная концепция данного исследования основана на цикле Олсона (рис. 1). Для такого цикла нам необходимы горячий и холодный резервуары, а также источник питания, способный контролировать и управлять напряжением и током в различных модулях MLC. Эти прямые циклы использовали две различные конфигурации, а именно: (1) модули Linkam нагревали и охлаждали 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 MLC использовалась диэлектрическая жидкость (силиконовое масло вязкостью 5 сП при 25 °C, приобретенное у Sigma Aldrich). Тепловой резервуар состоит из стеклянного контейнера, заполненного диэлектрической жидкостью и расположенного поверх термопластины. Холодное хранилище состоит из водяной бани с жидкостными трубками, содержащими диэлектрическую жидкость, в большом пластиковом контейнере, заполненном водой и льдом. На каждом конце комбайна были установлены два трёхходовых пережимных клапана (приобретённых у Bio-Chem Fluidics) для корректного переключения жидкости из одного резервуара в другой (рис. 2a). Для обеспечения теплового равновесия между пакетом PST-MLC и охлаждающей жидкостью период цикла увеличивался до тех пор, пока входная и выходная термопары (находящиеся как можно ближе к пакету PST-MLC) не покажут одинаковую температуру. Скрипт на Python управляет и синхронизирует все приборы (расходомеры, насосы, клапаны и термопары) для корректного выполнения цикла Олсона, то есть контур охлаждающей жидкости начинает циркулировать через пакет PST после зарядки расходомера, чтобы они нагревались до необходимого приложенного напряжения для данного цикла Олсона.
В качестве альтернативы, мы подтвердили эти прямые измерения собранной энергии косвенными методами. Эти косвенные методы основаны на измерениях петли электрического смещения (D) – электрического поля (E), полученных при различных температурах. Рассчитывая площадь между двумя петлями DE, можно точно оценить количество собранной энергии, как показано на рисунке 2.1b. Эти петли DE также собираются с помощью источников-измерителей Keithley.
Двадцать восемь PST MLC толщиной 1 мм были собраны в 4-рядную, 7-колонную параллельную пластинчатую структуру в соответствии с конструкцией, описанной в ссылке. 14. Жидкостный зазор между рядами PST-MLC составляет 0,75 мм. Это достигается путем добавления полос двустороннего скотча в качестве жидкостных прокладок по краям PST MLC. PST MLC электрически соединен параллельно с серебряным эпоксидным мостиком, контактирующим с выводами электродов. После этого к каждой стороне клемм электрода были приклеены провода серебряной эпоксидной смолой для подключения к источнику питания. Наконец, вставьте всю конструкцию в полиолефиновый шланг. Последний приклеен к жидкостной трубке для обеспечения надлежащей герметизации. Наконец, в каждый конец структуры PST-MLC были встроены термопары K-типа толщиной 0,25 мм для контроля температуры жидкости на входе и выходе. Для этого шланг должен быть предварительно перфорирован. 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 15 MLC PST толщиной 1 мм каждый в структуре параллельных пластин 3 столбца × 5 рядов. Общее количество использованных PST MLC составило 220 (160 толщиной 0,5 мм и 60 PST MLC толщиной 1 мм). Мы называем эти два субъединицы HARV2_160 и HARV2_60. Жидкостный зазор в прототипе HARV2_160 состоит из двух двусторонних лент толщиной 0,25 мм с проводом толщиной 0,25 мм между ними. Для прототипа HARV2_60 мы повторили ту же процедуру, но с использованием провода 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 используют общий тепловой резервуар – трёхлитровый контейнер (30 x 20 x 5 см) на двух нагревательных пластинах с вращающимися магнитами. Все восемь отдельных прототипов электрически соединены параллельно. Субблоки HARV2_160 и HARV2_60 работают одновременно в цикле Олсона, что обеспечивает получение энергии 11,2 Дж.
Поместите PST MLC толщиной 0,5 мм в полиолефиновый шланг, используя двусторонний скотч и проволоку с обеих сторон, чтобы создать пространство для потока жидкости. Благодаря небольшому размеру прототип был размещён рядом с клапаном горячего или холодного резервуара, что позволило минимизировать время цикла.
В PST MLC постоянное электрическое поле создаётся путём подачи постоянного напряжения на нагревательную ветвь. В результате генерируется отрицательный тепловой ток и накапливается энергия. После нагрева PST MLC поле снимается (V = 0), и накопленная в нём энергия возвращается обратно в счётчик источника, что соответствует ещё одному вкладу накопленной энергии. Наконец, при подаче напряжения V = 0 PST MLC охлаждаются до начальной температуры, чтобы цикл мог начаться снова. На этом этапе накопление энергии не происходит. Мы провели цикл Олсена с использованием источника-измерителя Keithley 2410, заряжая PST MLC от источника напряжения и устанавливая соответствующее значение тока согласования, чтобы набрать достаточное количество точек во время фазы зарядки для надёжного расчёта энергии.
В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом токе соответствия, чтобы этап зарядки занимал около 1 с (и собиралось достаточно точек для надежного расчета энергии) и холодной температуре. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом токе соответствия, чтобы этап зарядки занимал около 1 с (и собиралось достаточно точек для надежного расчета энергии) и холодной температуре. 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 набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергии) и холодная температура. В циклах Стирлинга PST MLC зарядка производилась в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом токе выхода, так что стадия зарядки занимала около 1 с (и набиралось достаточное количество точек для надежного расчета энергии) и холодной температуре.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 главном 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 шага зарядки (и мы собрали достаточно точек для надежного расчета (энергии) и низкой температуры). 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 настраивается достаточное количество точек, чтобы обеспечить надежную зарядку) и температуру. В цикле Стирлинга зарядка МЛК PST осуществляется в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, чтобы стадия зарядки занимала около 1 с (и набиралось достаточное количество точек для надежного расчета энергии) и низкими температурами.До нагревания PST MLC разомкните цепь, подав ток согласования I = 0 мА (минимальный ток согласования, который может выдержать наш измерительный источник, составляет 10 нА). В результате в PST MJK остаётся заряд, и напряжение увеличивается по мере нагревания образца. Энергия в плече BC не накапливается, поскольку I = 0 мА. После достижения высокой температуры напряжение в MLT FT увеличивается (в некоторых случаях более чем в 30 раз, см. дополнительный рис. 7.2), MLK FT разряжаются (V = 0), и электрическая энергия запасается в них в течение того же количества времени, что и при первоначальном заряде. То же самое соответствие тока возвращается к счётчику-источнику. Благодаря усилению напряжения запасённая энергия при высокой температуре выше той, что была предоставлена ​​в начале цикла. Следовательно, энергия получается путём преобразования тепла в электричество.
Мы использовали Keithley 2410 SourceMeter для контроля напряжения и тока, подаваемых на PST MLC. Соответствующая энергия рассчитывается путем интегрирования произведения напряжения и тока, считываемых источником-измерителем Keithley, \ (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 в MLC PST, а отрицательные значения означают энергию, которую мы извлекаем из них и, следовательно, получаемую 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 на материалы следует направлять в источник данных AT или ED, предоставленных вместе с данной статьей.
Андо Джуниор, Огайо, Маран, ALO и Хенао, Северная Каролина. Обзор разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии. Андо Джуниор, Огайо, Маран, ALO и Хенао, Северная Каролина. Обзор разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии.Андо Джуниор, Огайо, Маран, ALO и Хенао, 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 Хенао, Северная Каролина, рассматривают возможность разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии.резюме. поддержка. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Э.К., Эрлер, Б. и Синке, В.К. Фотоэлектрические материалы: текущая эффективность и будущие проблемы. Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Э.К., Эрлер, Б. и Синке, В.К. Фотоэлектрические 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 задачи. 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 задачи.Наука 352, aad4424 (2016).
Сонг, К., Чжао, Р., Ван, З. Л. и Ян, И. Сопряженный пиро-пьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления. Сонг, К., Чжао, Р., Ван, З. Л. и Ян, И. Совместный пиро-пьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления.Сун К., Чжао Р., Ван ЦЛ и Янь Ю. Комбинированный пиропьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления. Сун, К., Чжао, Р., Ван, З.Л. и Ян, Ю. Сонг, К., Чжао, Р., Ван, З. Л. и Ян, И. Для автономного питания при одновременном контроле температуры и давления.Сун К., Чжао Р., Ван Чжэл и Ян Ю. Комбинированный термопьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления.Вперед. alma mater 31, 1902831 (2019).
Себальд, Г., Прувост, С. и Гийомар, Д. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике. Себальд, Г., Прувост, С. и Гийомар, Д. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике.Себальд Г., Проувос С. и Гийомар Д. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике.Зебальд Г., Проуво С. и Гийомар Д. Сбор энергии в релаксорной сегнетоэлектрической керамике на основе пироэлектрического циклирования Эрикссона. Интеллектуальная структура alma mater. 17, 15012 (2007).
Алпай, С.П., Мантезе, Дж., Тролье-Маккинстри, С., Чжан, К. и Уотмор, Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы нового поколения для твердотельного электротермического взаимопреобразования энергии. Алпай, С.П., Мантезе, Дж., Тролье-Маккинстри, С., Чжан, К. и Уотмор, Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы нового поколения для твердотельного электротермического взаимопреобразования 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-Маккинстри, С., Чжан, К. и Уотмор, Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы нового поколения для твердотельного электротермического взаимопреобразования энергии. Алпай, С.П., Мантезе, Дж., Тролье-Макинстри, С., Чжан, К. и Ватмор, Р.В. Алпай, С.П., Мантезе, Дж., Тролье-Маккинстри, С., Чжан, К. и Уотмор, Р.В. 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-Маккинстри, С., Чжан, К. и Уотмор, Р.В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы нового поколения для твердотельного электротермического взаимопреобразования энергии.Леди Булл. 39, 1099–1109 (2014).
Чжан, К., Ван, И., Ван, З. Л. и Ян, И. Стандарт и показатель качества для количественной оценки производительности пироэлектрических наногенераторов. Чжан, К., Ван, И., Ван, З. Л. и Ян, И. Стандарт и показатель качества для количественной оценки производительности пироэлектрических наногенераторов.Чжан, К., Ван, И., 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, И., Ван, З. Л. и Ян, Ю. Критерии и показатели производительности для количественной оценки производительности пироэлектрического наногенератора.Нано Энергия 55, 534–540 (2019).
Кроссли, С., Наир, Б., Уотмор, Р.В., Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Электрокалорические циклы охлаждения в танталате свинца-скандия с истинной регенерацией посредством изменения поля. Кроссли, С., Наир, Б., Уотмор, Р.В., Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Электрокалорические циклы охлаждения в танталате свинца-скандия с истинной регенерацией посредством изменения поля.Кроссли, С., Наир, Б., Уотмор, Р.В., Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Электрокалорические циклы 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. Электротермический цикл охлаждения танталата скандия-свинца для истинной регенерации посредством реверсирования поля.физика Rev. X 9, 41002 (2019).
Мойя, Х., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Калорические материалы вблизи ферроидных фазовых переходов. Мойя, Х., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Калорические материалы вблизи ферроидных фазовых переходов.Мойя, Х., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Калорические материалы вблизи ферроидных фазовых переходов. Мойя, X., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Мойя, Х., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Тепловые материалы в черной металлургии.Мойя, Х., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Термические материалы вблизи фазовых переходов железа.Нат. альма-матер 13, 439–450 (2014).
Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Теплопроводные материалы для охлаждения и отопления. Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Теплопроводные материалы для охлаждения и отопления.Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Тепловые материалы для охлаждения и отопления. Мойя, X. и Матур, Северная Дакота. Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Тепловые материалы для охлаждения и отопления.Мойя Х. и Матур Н.Д. Термоматериалы 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 Дефей, 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 Дефей, Э. Электротермические охладители: обзор.Продвинутый. Электронный. Альма-матер. 8. 2101031 (2022).
Нучокгве, Й. и др. Огромная энергетическая эффективность электрокалорического материала на основе высокоупорядоченного скандия-скандия-свинца. Национальное сообщение. 12, 3298 (2021).
Наир, Б. и др. Электротермический эффект оксидных многослойных конденсаторов велик в широком диапазоне температур. Nature 575, 468–472 (2019).
Торелло, А. и др. Огромный диапазон температур в электротермических регенераторах. Science 370, 125–129 (2020).
Ван, И. и др. Высокопроизводительная твердотельная электротермическая система охлаждения. Science 370, 129–133 (2020).
Мэн, И. и др. Каскадное электротермическое охлаждающее устройство для значительного повышения температуры. National Energy 5, 996–1002 (2020).
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. Высокоэффективное прямое преобразование тепла в электрическую энергию, связанное 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).
Пандья, 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.Ж. Прикладная физика. 128, 24103 (2020).
Хох, С.Р. Использование сегнетоэлектрических материалов для преобразования тепловой энергии в электрическую. процесс. IEEE 51, 838–845 (1963).
Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бриско, Дж.М. и Дуллеа, Дж. Каскадный пироэлектрический преобразователь энергии. Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бриско, Дж.М. и Дуллеа, Дж. Каскадный пироэлектрический преобразователь энергии.Олсен, Р.Б., Бруно, Д.А., Бриско, Дж.М. и Дуллеа, 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 Дуллеа, 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 скандий-свинец-скандий с высоким электрокалорическим эффектом.Сегнетоэлектрики 127, 143–148 (1992).
Мы благодарим Н. Фурусаву, Й. Иноуэ и К. Хонду 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-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay и BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Кафедра исследования и технологии материалов, Люксембургский технологический институт (LIST), Бельвуар, Люксембург