Предложение устойчивых источников электроэнергии является одной из самых важных проблем этого столетия. Области исследований в материалах сбора энергии связаны с этой мотивацией, включая термоэлектрик1, Photovoltaic2 и Thermophotovoltaics3. Несмотря на то, что нам не хватает материалов и устройств, способных к сбору энергии в диапазоне джоул, пироэлектрические материалы, которые могут преобразовать электрическую энергию в периодические изменения температуры, считаются датчиками4 и энергетическими комбайтерами5,6,7. Здесь мы разработали макроскопический комбайтер тепловой энергии в виде многослойного конденсатора, изготовленного из 42 граммов танталата свинца, производя 11,2 Дж электрической энергии на термодинамический цикл. Каждый пироэлектрический модуль может генерировать плотность электрической энергии до 4,43 J CM-3 за цикл. Мы также показываем, что двух таких модулей весом 0,3 г достаточно для постоянной мощности автономных комбайнов энергии со встроенными микроконтроллерами и датчиками температуры. Наконец, мы показываем, что для температурного диапазона 10 К эти многослойные конденсаторы могут достичь 40% эффективности карно. Эти свойства обусловлены (1) изменением сегнетоэлектрической фазы для высокой эффективности, (2) низкого тока утечки для предотвращения потерь и (3) высокого напряжения разбивки. Эти макроскопические, масштабируемые и эффективные комбайны пироэлектрической мощности переосмысляют термоэлектрическую выработку.
По сравнению с пространственным градиентом температуры, необходимым для термоэлектрических материалов, сбор энергии термоэлектрических материалов требует температурного цикла с течением времени. Это означает термодинамический цикл, который лучше всего описывается на диаграмме энтропии (S)-Temperatature (T). На рисунке 1А показан типичный график ST нелинейного пироэлектрического (NLP) материала, демонстрирующего целевой фазовый переход, управляемый полевым, при танталате свинца скандала (PST). Синие и зеленые участки цикла на диаграмме ST соответствуют преобразованной электрической энергии в цикле Олсона (две изотермические и две секции изополя). Здесь мы рассмотрим два цикла с одним и тем же изменением электрического поля (в поле и выключении поля) и изменением температуры ΔT, хотя и с различными 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 собирать больше энергии. Необходимость в велосипеде большой площади в НЛП очень похожа на потребность в электротермических приложениях9, 10, 11, 12, где многослойные конденсаторы PST (MLC) и терполимеры на основе PVDF недавно показали отличную обратную производительность. Состояние производительности охлаждения в цикле 13,14,15,16. Поэтому мы определили PST MLC, 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 энтропии (S)-Temperatature (T) с электрическим полем включенным и выключенным к материалам NLP, показывающим фазовые переходы. Два цикла сбора энергии показаны в двух разных температурных зонах. Синие и зеленые циклы происходят внутри и снаружи фазового перехода соответственно и заканчиваются в очень разных областях поверхности. B, два однополярных кольца MLC DE PST, толщиной 1 мм, измерены от 0 до 155 кВ см-1 при 20 ° C и 90 ° C, соответственно, и соответствующих циклов Olsen. Письма ABCD относятся к различным состояниям в цикле Олсона. AB: MLC были обвинены в 155 кВ CM-1 при 20 ° C. BC: MLC поддерживали при 155 кВ CM-1, и температуру повышали 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 запуска цикла. Оранжевая область - это энергия, собранная за один цикл. C, верхняя панель, напряжение (черное) и тока (красный) по сравнению с временем, отслеживаемые во время того же цикла Олсона, что и b. Две вставки представляют усиление напряжения и тока в ключевых точках в цикле. На нижней панели желтые и зеленые кривые представляют соответствующие кривые температуры и энергии, соответственно, для MLC толщиной 1 мм. Энергия рассчитывается по кривым тока и напряжения на верхней панели. Отрицательная энергия соответствует собранной энергии. Шаги, соответствующие заглавным буквам в четырех фигурах, такие же, как в цикле Олсона. Цикл AB'CD соответствует циклу Стерлинга (дополнительная примечание 7).
где E и D - электрическое поле и поле электрического смещения, соответственно. ND может быть получен косвенно из цепи DE (рис. 1B) или непосредственно путем запуска термодинамического цикла. Наиболее полезные методы были описаны Олсеном в его новаторской работе по сбору пироэлектрической энергии в 1980 -х годах.
На рис. 1B показывает две монополярные петли DE толщиной 1 мм образцов PST-MLC, собранных при 20 ° C и 90 ° C, соответственно, в диапазоне от 0 до 155 кВ см-1 (600 В). Эти два цикла могут быть использованы для косвенного расчета энергии, собранной циклом Олсона, показанного на рисунке 1А. Фактически, цикл Олсена состоит из двух ветвей изоффилда (здесь, нулевое поле в ветви DA и 155 кВ CM-1 в ветвях BC) и двух изотермических ветвей (здесь 20 ° С и 20 ° С в ветви AB). C в ветви CD) Энергия, собранная во время цикла, соответствует оранжевым и синим областям (EDD Integral). Собранная энергия ND - это разница между входной и выходной энергией, то есть только оранжевая область на рис. 1B. Этот конкретный цикл Олсона дает плотность энергии ND 1,78 J CM-3. Цикл Стерлинга является альтернативой циклу Олсона (дополнительная примечание 7). Поскольку стадия постоянного заряда (открытая цепь) легче добраться, плотность энергии, извлеченная из рис. 1B (цикл AB'CD), достигает 1,25 J CM-3. Это всего лишь 70% от того, что может собирать цикл Олсона, но простое оборудование для сбора урожая делает это.
Кроме того, мы непосредственно измерили энергию, собранную во время цикла Олсона, заряжая PST MLC с использованием стадии контроля температуры Linkam и измерителя источника (метод). На рисунке 1C вверху и в соответствующих вставках показаны ток (красный) и напряжение (черный), собранные на том же MLC толщиной 1 мм, что и для цикла DE, проходящего через тот же цикл Олсона. Ток и напряжение позволяют рассчитать собранную энергию, а кривые показаны на рис. 1c, нижний (зеленый) и температура (желтый) на протяжении всего цикла. Буквы ABCD представляют собой тот же цикл Олсона на рис. 1. Зарядка MLC происходит во время ноги AB и выполняется при низком токе (200 мкА), поэтому Sourcemeter может должным образом контролировать зарядку. Следствием этого постоянного начального тока является то, что кривая напряжения (черная кривая) не является линейной из-за нелинейного потенциального поля смещения D PST (рис. 1C, верхняя вставка). В конце зарядки в MLC хранится 30 МДж электрической энергии (точка B). Затем MLC нагревается, и отрицательный ток (и, следовательно, отрицательный ток) создается, в то время как напряжение остается на уровне 600 В. Через 40 с, когда температура достигла плато 90 ° C, этот ток был компенсирован, хотя этап образец производил в цепи, электрическая мощность 35 МДж во время этого изофола (вторая на фиг. 1C, топ). Затем напряжение на MLC (Branch CD) уменьшается, что приводит к дополнительным 60 МДж электрической работы. Общая выходная энергия составляет 95 МДж. Собранная энергия - это разница между входной и выходной энергией, которая дает 95-30 = 65 МДж. Это соответствует плотности энергии 1,84 J CM-3, которая очень близка к ND, извлеченному из DE Ring. Воспроизводимость этого цикла Олсона была тщательно протестирована (дополнительная примечание 4). Благодаря дальнейшему увеличению напряжения и температуры мы достигли 4,43 J CM-3, используя Olsen Cycles в MLC толщиной 0,5 мм в диапазоне температур 750 В (195 кВ см-1) и 175 ° C (дополнительная примечание 5). Это в четыре раза больше, чем лучшее представление, сообщаемое в литературе для прямых циклов Олсона, и было получено на тонких пленках Pb (Mg, Nb) O3-Pbtio3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (см. Таблица 1 для больших значений в литературе). Эта производительность была достигнута из -за очень низкого тока утечки этих MLC (<10–7 A при 750 В и 180 ° C, см. Подробности в дополнительной примечании 6) - важнейший момент, упомянутый Smith et al.19 - в отличие от материалов, используемых в более ранних исследованиях17,20. Эта производительность была достигнута из -за очень низкого тока утечки этих MLC (<10–7 A при 750 В и 180 ° C, см. Подробности в дополнительной примечании 6) - важнейший момент, упомянутый Smith et al.19 - в отличие от материалов, используемых в более ранних исследованиях17,20. Эtirakteripykicki -obsholy -ostignuetыblagodarynanhenwonnh neзcomutaku -uetчki -эtiх mlc (<10–7 apri -n -° C, в.д. п. п. п. 70 °. ДОПОЛНИТЕЛЕЙНОМ ПРИМЕГАНЕЙСКОЙ 6) - Критискин -Момент, ИПОМ ДЖАНУТ 19 - В. Эти характеристики были достигнуты из -за очень низкого тока утечки этих MLC (<10–7 A при 750 В и 180 ° C, подробнее см. В дополнительной примечании 6) - критическая точка, упомянутая Smith et al. 19 - В отличие от материалов, используемых 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 ， 6 中的详细信息)由于 这些 mlc 的 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 等 人 人 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。 Пёсколку Тёкиджиаки (<10–7 А.При 750 - 180 ° С, См. klючewoй momenent, upom -janainiotый smiototom и др. 19 - ДЛЯ СРЕВЕЙНА, БЕЛИОДЕГИЯ Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 A при 750 В и 180 ° C, подробности см. В дополнительной номе. 19 - Для сравнения, эти выступления были достигнуты.к материалам, используемым в более ранних исследованиях 17,20.
Те же условия (600 В, 20–90 ° C), применяемые к циклу Стирлинга (дополнительная примечание 7). Как и ожидалось из результатов цикла DE, выход составлял 41,0 мДж. Одной из самых ярких особенностей циклов Стерлинга является их способность усилить начальное напряжение с помощью термоэлектрического эффекта. Мы наблюдали усиление напряжения до 39 (от начального напряжения 15 В до конечного напряжения до 590 В, см. Дополнительный рис. 7.2).
Другая отличительная особенность этих MLC заключается в том, что они представляют собой макроскопические объекты, достаточно большие, чтобы собирать энергию в диапазоне Joule. Следовательно, мы построили прототип комбайна (HARS1) с использованием 28 MLC PST 1 мм, после того же дизайна параллельной пластины, описанной Torello et al.14, в матрице 7 × 4, как показано на рис. Тепловой диэлектрической жидкости в Marifold вытесняется перистантическим насосом между двумя резервирующими, где флюд-температура сохраняется (метод). Соберите до 3,1 Дж, используя цикл Олсона, описанный на рис. 2a, изотермические области при 10 ° C и 125 ° C и областях изоффилда при 0 и 750 В (195 кВ CM-1). Это соответствует плотности энергии 3,14 J CM-3. Используя этот комбинат, измерения проводились в различных условиях (рис. 2B). Обратите внимание, что 1,8 J был получен в диапазоне температуры 80 ° C и напряжение 600 В (155 кВ см-1). Это хорошо согласуется с ранее упомянутым 65 МДж для MLC толщиной 1 мм в тех же условиях (28 × 65 = 1820 МДж).
A, Экспериментальная установка собранного прототипа HARS1 на основе 28 MLC PSTS 1 мм толщиной (4 ряда × 7 колонн), работающих на циклах Олсона. Для каждого из четырех этапов цикла температура и напряжение приведены в прототипе. Компьютер управляет перистальтическим насосом, который циркулирует диэлектрическую жидкость между холодными и горячими резервуарами, двумя клапанами и источником питания. Компьютер также использует термопары для сбора данных о напряжении и токе, поставляемом для прототипа, и температуру комбинации из 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.
Большая версия комбайна (HARS2) с 60 PST MLC толщиной 1 мм и 160 PST MLC толщиной 0,5 мм (41,7 г активного пироэлектрического материала) дала 11,2 Дж (дополнительная примечание 8). В 1984 году Олсен сделал энергетический комбайл на основе 317 г соединения PB (Zr, Ti) O3, способного генерировать 6,23 J электричества при температуре около 150 ° C (ссылка 21). Для этого комбината это единственное другое значение, доступное в диапазоне Joule. Он получил чуть более половины достижения, которую мы достигли, и почти в семь раз превышает качество. Это означает, что плотность энергии HARV2 в 13 раз выше.
Период цикла HARV1 составляет 57 секунд. Это произвело 54 МВт мощности с 4 рядами из 7 колонн толщиной 1 мм наборов MLC. Чтобы сделать еще один шаг вперед, мы построили третью комбинацию (HARV3) с PST MLC толщиной 0,5 мм и аналогичной установкой для HARV1 и HARV2 (дополнительная примечание 9). Мы измерили время термализации 12,5 секунды. Это соответствует времени цикла 25 с (дополнительная рис. 9). Собранная энергия (47 МДж) дает электрическую мощность 1,95 мВт на MLC, что, в свою очередь, позволяет нам представить, что HRAV2 производит 0,55 Вт (приблизительно 1,95 МВт × 280 PST MLC 0,5 мм). Кроме того, мы смоделировали теплопередачу, используя моделирование конечных элементов (COMSOL, дополнительная примечание 10 и дополнительные таблицы 2–4), соответствующие экспериментам HARV1. Моделирование конечных элементов позволило предсказать значения мощности почти на порядок выше (430 МВт) для того же количества колонн PST, истончая MLC до 0,2 мм, используя воду в качестве охлаждающей жидкости и восстанавливая матрицу до 7 рядов. × 4 колонны (в дополнение к, было 960 МВт, когда резервуар был рядом с комбинатом, дополнительной фиг. 10B).
Чтобы продемонстрировать полезность этого коллекционера, цикл Стерлинга был применен к автономному демонстранту, состоящему из MLC толщиной 0,5 мм в качестве коллекционеров тепла, выключателя высокого напряжения, переключателя низкого напряжения с конденсатором для хранения, преобразователем DC/DC, низкоэтажной микроконтроллером, двумя термокуплением и конвертером DC (добавление 11). Схема требует, чтобы конденсатор для хранения первоначально заряжался при 9 В, а затем работал автономно, в то время как температура двух MLC варьируется от -5 ° C до 85 ° C, здесь в циклах 160 с (несколько циклов показаны в дополнительной примечании 11). Примечательно, что два MLC весом всего 0,3 г могут автономно контролировать эту большую систему. Другая интересная особенность заключается в том, что преобразователь низкого напряжения способен преобразовать 400 В в 10-15 В с эффективностью 79% (дополнительная нота 11 и дополнительная рисунок 11.3).
Наконец, мы оценили эффективность этих модулей MLC при преобразовании тепловой энергии в электрическую энергию. Коэффициент качества η эффективности определяется как отношение плотности собранной электрической энергии и к плотности прилагаемого теплового QIN (дополнительная примечание 12):
Рисунки 3A, B показывают эффективность η и пропорциональную 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 CM-1. Эффективность \ (\ this \) достигает 1,43%, что эквивалентно 18% от ηr. Однако для температурного диапазона 10 К от 25 ° C до 35 ° C ηr достигает значений до 40% (синяя кривая на рис. 3B). Это вдвое больше известного значения для материалов NLP, зарегистрированных в пленках PMN-PT (ηr = 19%) в диапазоне температур 10 К и 300 кВ CM-1 (ссылка 18). Температура в диапазоне ниже 10 К не рассматривалась, потому что тепловой гистерезис PST MLC составляет от 5 до 8 К. Распознавание 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 связано с тесным фазовым переходом, когда не применяется поле, и в этих MLC температура Curie составляет около 20 ° C (дополнительная примечание 13).
a, b, эффективность η и пропорциональная эффективность цикла Олсона (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot}} для максимального электрического MPC PST толщиной 0,5 мм, в зависимости от температурного интервала ΔTSPAN.
Последнее наблюдение имеет два важных последствий: (1) Любой эффективный цикл должен начинаться при температурах выше ТС для возникновения фазового перехода, вызванного полевой, от параэлектрического к сегнетоэлектрическому); (2) Эти материалы более эффективны при сроках выполнения близко к ТС. Хотя крупномасштабная эффективность показана в наших экспериментах, ограниченный диапазон температур не позволяет нам достичь большой абсолютной эффективности из-за предела карно (\ (\ delta t/t \)). Тем не менее, превосходная эффективность, демонстрируемая этими PST MLC, оправдывает Olsen, когда он упоминает, что «идеальный регенеративный термоэлектрический двигатель класса 20, работающий при температуре между 50 ° C и 250 ° C, может иметь эффективность 30%» 17. Чтобы достичь этих значений и проверить концепцию, было бы полезно использовать легированные PST с различными TCS, как это было изучено Shebanov и Borman. Они показали, что TC в PST может варьироваться от 3 ° C (допинг SB) до 33 ° C (допинг TI) 22. Таким образом, мы предполагаем, что регенераторы пироэлектрических регенераторов следующего поколения на основе легированных PST MLC или других материалов с сильным фазовым переходом первого порядка могут конкурировать с лучшими комбайнами мощности.
В этом исследовании мы исследовали MLC, сделанные из PST. Эти устройства состоят из серии электродов PT и PST, в результате чего несколько конденсаторов соединены параллельно. PST был выбран, потому что это отличный материал EC и, следовательно, потенциально превосходный материал NLP. Он демонстрирует резкий переход сегнетоэлектрической фазы первого порядка около 20 ° C, что указывает на то, что его изменения энтропии аналогичны тем, которые показаны на рис. 1. Аналогичные MLC были полностью описаны для устройств EC13,14. В этом исследовании мы использовали 10,4 × 7,2 × 1 ммтр и 10,4 × 7,2 × 0,5 млк. MLC с толщиной 1 мм и 0,5 мм были сделаны из 19 и 9 слоев PST толщиной 38,6 мкм соответственно. В обоих случаях внутренний PST -слой помещали между платиновыми электродами толщиной 2,05 мкм. Конструкция этих MLC предполагает, что 55% PST активны, что соответствует детали между электродами (дополнительная примечание 1). Область активного электрода составляла 48,7 мм2 (дополнительная таблица 5). MLC PST готовили методом твердой фазы реакции и литья. Детали процесса подготовки были описаны в предыдущей статье 14. Одним из различий между PST MLC и предыдущей статьей является порядок B-сайтов, который сильно влияет на производительность EC в PST. Порядок B-сайтов PST MLC составляет 0,75 (дополнительная примечание 2), полученное путем спекания при 1400 ° C с последующим отжигом длиной сотни часов при 1000 ° C. Для получения дополнительной информации о PST MLC см. Дополнительные примечания 1-3 и дополнительную таблицу 5.
Основная концепция этого 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, нагревание и охлаждение. Один MLC, подключенный к источнику питания Keithley 2410, и (2) три прототипа (HARV1, HARS2 и HARS3) параллельно с тем же источником энергии. В последнем случае диэлектрическая жидкость (силиконовое масло с вязкостью 5 СР при 25 ° C, приобретенное у Sigma Aldrich) для теплообмена между двумя резервуарами (горячим и холодным) и MLC. Тепловой резервуар состоит из стеклянного контейнера, заполненного диэлектрической жидкостью и расположенного поверх тепловой пластины. Холодное хранение состоит из водяной бани с жидкими трубками, содержащими диэлектрическую жидкость в большом пластиковом контейнере, заполненном водой и льдом. Два трехсторонних клапана (приобретенные у био-хэм-жидкости) были размещены на каждом конце комбината для правильного переключения жидкости с одного резервуара на другое (рис. 2а). Чтобы обеспечить тепловое равновесие между пакетом PST-MLC и охлаждающей жидкостью, период цикла был расширен до тех пор, пока входные и выходные термопары (как можно ближе к пакете PST-MLC) не показали такую ​​же температуру. Сценарий Python управляет и синхронизирует все инструменты (источники, насосы, клапаны и термопары) для запуска правильного цикла Олсона, то есть петля охлаждающей жидкости начинает циклироваться через стек PST после зарядки источника, так что они нагреваются при желаемом прикладном напряжении для данного цикла Олсона.
В качестве альтернативы мы подтвердили эти прямые измерения собранной энергии с косвенными методами. Эти косвенные методы основаны на электрическом смещении (D) - электрическом поле (E) Полевые петли, собранные при разных температурах, и, расчета площадь между двумя петлями DE, можно точно оценить, сколько энергии может быть собрано, как показано на рисунке. На рисунке 2. .1b. Эти петли также собираются с использованием источников Keithley.
PST MLC толщиной в двадцать восемь 1 мм собирали в 4-й 7-концертной структуре параллельной пластины в соответствии с конструкцией, описанной в эталонном. 14. Жидкий зазор между рядами PST-MLC составляет 0,75 мм. Это достигается путем добавления полос двусторонней ленты в качестве жидких проставок по краям PST MLC. PST MLC электрически подключен параллельно с серебряным эпоксидным мостом в контакте с электродными проводами. После этого провода были приклеены с серебряной эпоксидной смолой к каждой стороне клемм электрода для подключения к источнику питания. Наконец, вставьте всю структуру в полиолефиновый шланг. Последний приклеен к жидкой трубе, чтобы обеспечить правильное герметизацию. Наконец, в каждом конце конструкции PST-MLC были встроены термопары типа 0,25 мм, чтобы контролировать температуру входа и выпускной жидкости. Для этого шланг должен сначала быть перфорирован. После установки термопары, нанесите тот же клей, что и раньше, между шлангом термопары и проводом для восстановления уплотнения.
Были построены восемь отдельных прототипов, четыре из которых имели 40 -мм MLC толщиной 0,5 мм PST, распределенные в виде параллельных пластин с 5 колоннами и 8 рядами, а оставшиеся четыре имели PST толщиной 15 1 мм каждый. в 3-колонах × 5-рядовая параллельная структура пластин. Общее количество используемых PST MLC составляло 220 (толщиной 160 0,5 мм и толщиной 60 млн. Млк 1 мм). Мы называем эти две субъединицы HARV2_160 и HARV2_60. Жидкий 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 используя проволоку толщиной 0,38 мм. Для симметрии HRARS2_160 и HARV2_60 имеют свои собственные текущие цепи, насосы, клапаны и холодную сторону (дополнительная примечание 8). Два блока Harv2 имеют тепловой резервуар, 3 -литровый контейнер (30 см х 20 см х 5 см) на двух горячих пластинах с вращающимися магнитами. Все восемь отдельных прототипов электрически соединены параллельно. Субъединицы HRAV2_160 и HARV2_60 работают одновременно в цикле Олсона, что приводит к сбору энергии 11,2 J.
Поместите PST MLC толщиной 0,5 мм в полиолефиновый шланг с двусторонней лентой и проводом с обеих сторон, чтобы создать пространство для течения жидкости. Из -за его небольшого размера прототип был размещен рядом с горячим или холодным резервуаром, минимизируя время цикла.
В PST MLC постоянное электрическое поле применяется путем применения постоянного напряжения на нагревательную ветвь. В результате генерируется отрицательный тепловой ток и сохраняется энергия. После нагрева PST MLC поле удаляется (v = 0), а энергия, хранящаяся в нем, возвращается обратно в счетчик источника, что соответствует еще одному вкладу собранной энергии. Наконец, с применением напряжения v = 0, PST MLC охлаждаются до начальной температуры, чтобы цикл мог запуститься снова. На этом этапе энергия не собирается. Мы запустили цикл Olsen, используя Sourcemeter Keithley 2410, заряжая PST MLC из источника напряжения и установив ток соответствия соответствующему значению, чтобы на фазе зарядки было собрано достаточное количество точек для надежных расчетов энергии.
В циклах Стирлинга PST MLC были заряжены в режиме источника напряжения в начальном значении электрического поля (начальное напряжение VI> 0), желаемый ток соответствия, так что этап зарядки занимает около 1 с (и достаточно точек, для надежного расчета энергии) и холодной температуры. В циклах Стирлинга PST MLC были заряжены в режиме источника напряжения в начальном значении электрического поля (начальное напряжение VI> 0), желаемый ток соответствия, так что этап зарядки занимает около 1 с (и достаточно точек, для надежного расчета энергии) и холодной температуры. Nhiklaх stirlinga pst mlc harhalishah -rershy -yastoчnka napraynipynipynien (в конце ДОСТАТИНКОН КОЛИГЕВОТО ТОПОНА В циклах MLC Stirling PST они были заряжены в режиме источника напряжения в начальном значении электрического поля (начальное напряжение VI> 0), желаемый ток урожая, так что стадия зарядки занимает около 1 с (и достаточное количество точек собирается 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 （vi> 0) 充电 ， 1 秒 (并且收集了足够的点以可靠地计算能量）） 和低温。 В основном цикле PST MLC заряжается при начальном значении электрического поля (начальное напряжение VI> 0) в режиме источника напряжения, поэтому необходимый ток соответствия занимает около 1 секунды для стадии зарядки (и мы собрали достаточно точек, чтобы надежно рассчитать (энергию) и низкую температуру. Vshykle stirlinga pst mlc з з зastha -reжyme -yasstoчonka napryanepniepniepniepniepry -n. n.proghro -n.ponhleme -n.proghro -n.proghro -n.proghro -n. naprayeseeee vi> 0), trebuemыйtokpodatlyvoypytiTakowOw, чTOTAPAPOPOOSTI -ANACOUTOW. КОЛИГЕВО ТОПО, ВСЕГА В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение VI> 0), необходимый ток соответствия таково, что стадия зарядки занимает около 1 с (и достаточное количество точек собирается для надежного расчета энергии) и низких температур.Прежде чем PST MLC нагревается, откройте схему, применив соответствующий ток I = 0 мА (минимальный соответствующий ток, который может обрабатывать наш измеренный источник, составляет 10 NA). В результате в PST MJK остается заряд, и напряжение увеличивается по мере нагревания образца. Энергия не собирается в ARM BC, потому что I = 0 мА. После достижения высокой температуры напряжение в MLT FT увеличивается (в некоторых случаях более 30 раз, см. Дополнительный рис. 7.2), MLK FT разряжается (V = 0), а в них хранится электрическая энергия для того же, как и начальный заряд. Та же самая текущая переписка возвращается в источник счетчика. Из -за усиления напряжения хранящаяся энергия при высокой температуре выше, чем была предоставлена ​​в начале цикла. Следовательно, энергия получается путем преобразования тепла в электричество.
Мы использовали Sourcemeter Keithley 2410 для мониторинга напряжения и тока, приложенного к PST MLC. Соответствующая энергия рассчитывается путем интегрирования продукта напряжения и тока, считываемого с помощью источника Кейтли, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {meast))} \ left (t \ right) {v {{{\ rm {eafe}}} (\) {{\ rm {tea}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} ном (tном) ему период. На нашей кривой энергии положительные значения энергии означают энергию, которую мы должны дать для MLC PST, а отрицательные значения означают энергию, которую мы извлекаем из них, и, следовательно, полученную энергию. Относительная сила 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 должны быть направлены на источник данных AT или ED, предоставленных в этой статье.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Обзор разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Обзор разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo и Henao, NC Обзор разработки и применения термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, Alo и Henao, NC рассматривают разработку и применение термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии.резюме. поддерживать. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Полман, А., Найт М., Гарнетт, Е.К., Эрлер, Б. и Синке, Фотоэлектрические материалы штата Вашингтон: нынешняя эффективность и будущие проблемы. Полман, А., Найт М., Гарнетт, Е.К., Эрлер, Б. и Синке, Фотоэлектрические материалы штата Вашингтон: нынешняя эффективность и будущие проблемы.Полман, А., Найт М., Гарнетт, Эк, Эрлер, Б. и Синке, ВК фотоэлектрические материалы: текущая производительность и будущие проблемы. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC ： ： 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Солнечные материалы: текущая эффективность и будущие проблемы.Полман, А., Найт М., Гарнетт, Эк, Эрлер, Б. и Синке, ВК фотоэлектрические материалы: текущая производительность и будущие проблемы.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Соединенный пиро-пизоэлектрический эффект для самостоятельного одновременного температуры и зондирования давления. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Совместный пиро-пизоэлектрический эффект для одновременной температуры и зондирования давления.Сонг К., Чжао Р., Ван Зл и Ян Ю. Комбинированный пиропизоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Для самообучения одновременно с температурой и давлением.Сонг К., Чжао Р., Ван Зл и Ян Ю. Комбинированный термопиоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления.Вперед. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Ericsson в сегнеталетрической керамике релаксера. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Ericsson в сегнеталетрической керамике релаксера.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Сбор энергии на основе циклов пироэлектрического Эрикссона в релаксере сегнетоэлектрической керамики.Sebald G., Prouvost S. и Guyomar D. Сбор энергии в релаксаторной сегнетоэлектрической керамике на основе пироэлектрического цикла Ericsson. Умная альма -матер. структура 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы для взаимодействия электротермической энергии следующего поколения. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы для взаимодействия электротермической энергии следующего поколения. Alpay, Sp, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эlektrokaloriчeskie ypuroэlektriчeskoematre Весао -ведуания. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы для взаимодействия электротермической энергии следующего поколения. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, Sp, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эlektrokaloriчeskie ypuroэlektriчeskoematre Весао -ведуания. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы для взаимодействия электротермической энергии следующего поколения.Леди Булл. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Стандарт и фигура для количественной оценки характеристик пироэлектрических наногенераторов. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Стандарт и фигура для количественной оценки характеристик пироэлектрических наногенераторов.Zhang, K., Wang Y., Wang, Zl и Yang, Yu. Стандартный и качественный балл для количественной оценки производительности пироэлектрических наногенераторов. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y.Zhang, K., Wang Y., Wang, Zl и Yang, Yu. Критерии и показатели эффективности для количественной оценки производительности пироэлектрического наногенератора.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whotmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Электрокалорические циклы охлаждения в скандальном скандале с истинной регенерацией с помощью изменения поля. Crossley, S., Nair, B., Whotmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Электрокалорические циклы охлаждения в скандальном скандале с истинной регенерацией с помощью изменения поля.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. и Mathur, ND Электрокалорические циклы охлаждения в танталате свинца с истинной регенерацией посредством модификации поля. Crossley S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环 ， 通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whotmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Тантал 酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. и Mathur, ND Цикл электротермического охлаждения скандального танталата для истинной регенерации посредством изменения поля.Физика Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Калорийные материалы вблизи ферроических фазовых переходов. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Калорийные материалы вблизи ферроических фазовых переходов.Moya, X., Kar-Narayan, S. and Mathur, ND Калорийные материалы, близкие к фазовым переходам. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Тепловые материалы вблизи металлургии железа.Moya, X., Kar-Narayan, S. and Mathur, ND Тепловые материалы вблизи железных фазовых переходов.НАТ Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Калорийные материалы для охлаждения и отопления. Moya, X. & Mathur, ND Калорийные материалы для охлаждения и отопления.Мойя, Х. и Матур, ND Тепловые материалы для охлаждения и нагрева. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Тепловые материалы для охлаждения и отопления.Мойя X. и Матур и тепловые материалы для охлаждения и нагрева.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Электрокалорические кулеры: обзор. Torelló, A. & Defay, E. Электрокалорические кулеры: обзор.Torello, A. и Defay, E. Электрокалорические чиллеры: обзор. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。Torello, A. и Defay, E. Электротермические кулеры: обзор.Передовой. электронный. альма -матер. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Огромная энергоэффективность электрокалорического материала в высокопостановленном скандиевом скандальном лиде. Национальное общение. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Электротермический эффект оксидных многослойных конденсаторов большой в широком диапазоне температуры. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Огромный диапазон температур у электротермических регенераторов. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Высокопроизводительная система электротермического охлаждения твердого состояния. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Каскадное электротермическое устройство охлаждения для большого повышения температуры. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High EfficieCy прямое преобразование тепла в пироэлектрические измерения, связанные с электрической энергией. Olsen, RB & Brown, DD Высокая эффективность Прямое преобразование тепла в пироэлектрические измерения, связанные с электрической энергией.Olsen, RB и Brown, DD Высокоэффективное прямое преобразование тепла в электрическую энергию, связанную с пироэлектрическими измерениями. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB и Brown, DD Эффективное прямое преобразование тепла в электричество, связанное с пироэлектрическими измерениями.Ферроэлектрики 40, 17–27 (1982).
Пандья, С. и соавт. Энергия и плотность мощности в тонких релаксере сегнетоэлектрические пленки. Национальная альма -матер. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: оптимизация сегнетоэлектрической фазы перехода и электрических потерь. Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: оптимизация сегнетоэлектрической фазы перехода и электрических потерь.Smith, AN и Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: сегнетоэлектрический фазовый переход и оптимизация потерь электричества. Smith, An & Hanrahan, BM 级联热释电转换 ： 优化铁电相变和电损耗。 Смит, Ан и Ханрахан, Б.М.Smith, AN и Hanrahan, BM каскадный пироэлектрический преобразование: оптимизация сегнетоэлектрических фазовых переходов и электрических потерь.J. Приложение. физика. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Использование сегнетоэлектрических материалов для преобразования тепловой энергии в электроэнергию. процесс. 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 и Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM и Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Power Converters.Ферроэлектрики 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. на твердых растворах танталата свинца с высоким электрическим эффектом. Shebanov, L. & Borman, K. на твердых растворах танталата свинца с высоким электрическим эффектом.Шенов Л. и Борман К. О твердых растворах танталата свинца с высоким электрокалорическим эффектом. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Шенови Л. и Борман К. на твердых растворах скандального скандального скандала с высоким электрокалорическим эффектом.Ферроэлектрики 127, 143–148 (1992).
Мы благодарим Н. Фурусава, Ю. Иноуэ и К. Хонда за помощь в создании MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB and ED Thanks to the Luxembourg National Research Foundation (FNR) for supporting this work through CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay and Bridges2021/MS/16282302/cecoha/defay.
Исследование и технологии Департамента материалов, Технологический институт Люксембурга (список), Belvoir, Luxembourg