Обеспечение устойчивых источников электроэнергии — одна из важнейших задач этого столетия. Именно из этой мотивации вытекают исследования в области материалов для сбора энергии, включая термоэлектрические1, фотоэлектрические2 и термофотоэлектрические3. Хотя нам не хватает материалов и устройств, способных собирать энергию в джоульном 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 преобразователь энергии в виде многослойного конденсатора, изготовленного из 42 граммов танталата свинца-скандия, производящего 11,2 Дж электрической энергии за термодинамический цикл. Каждый пироэлектрический модуль может генерировать плотность электрической энергии до 4,43 Дж·см⁻³ за цикл. Мы также показали, что двух таких модулей весом 0,3 г достаточно для непрерывного питания автономных устройств сбора энергии со встроенными микроконтроллерами и датчиками температуры. Наконец, мы показали, что в диапазоне температур 10 К эти многослойные конденсаторы могут достигать КПД цикла Карно в 40%. Эти свойства обусловлены (1) ферроэлектрическим фазовым переходом для высокой эффективности, (2) низким током утечки для предотвращения потерь и (3) высоким напряжением пробоя. Эти макроскопические, масштабируемые и эффективные пироэлектрические преобразователи энергии переосмысливают термоэлектрическую генерацию энергии.
В отличие от пространственного температурного градиента, необходимого для термоэлектрических материалов, сбор энергии термоэлектрическими материалами требует температурных циклов во времени. Это означает термодинамический цикл, который лучше всего описывается диаграммой энтропия (S) — температура (T). На рисунке 1a показана типичная диаграмма ST нелинейного пироэлектрического (NLP) материала, демонстрирующая управляемый полем ферроэлектрический-параэлектрический фазовый переход в танталате скандия-свинца (PST). Синие и зеленые участки цикла на диаграмме ST соответствуют преобразованной электрической энергии в цикле Олсона (два изотермических и два изополевых 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 собирать больше энергии. Необходимость циклической работы на больших площадях в НЛП очень похожа на необходимость в электротермических приложениях9, 10, 11, 12, где многослойные конденсаторы PST (MLC) и терполимеры на основе PVDF недавно продемонстрировали превосходные характеристики обратного охлаждения в цикле 13,14,15,16. Поэтому мы выявили интересующие нас MLC на основе PST для сбора тепловой энергии. Эти образцы подробно описаны в разделе «Методы» и охарактеризованы в дополнительных примечаниях 1 (сканирующая электронная микроскопия), 2 (рентгеновская дифракция) и 3 (калориметрия).
а) Схема зависимости энтропии (S) от температуры (T) при включенном и выключенном электрическом поле, приложенном к материалам NLP, демонстрирующая фазовые переходы. Показаны два цикла сбора энергии в двух разных температурных зонах. Синий и зеленый циклы происходят внутри и вне зоны фазового перехода соответственно и заканчиваются в совершенно разных областях поверхности. б) Два однополярных кольца DE PST MLC толщиной 1 мм, измеренные в диапазоне напряжений от 0 до 155 кВ·см⁻¹ при 20 °C и 90 °C соответственно, и соответствующие циклы Ольсена. Буквы ABCD обозначают различные состояния в цикле Ольсена. AB: MLC были заряжены до 155 кВ·см⁻¹ при 20 °C. BC: MLC поддерживалось при напряжении 155 кВ·см⁻¹, а температура была повышена до 90 °C. CD: разряд MLC при 90 °C. DA: MLC охлаждено до 20 °C в нулевом поле. Синяя область соответствует входной мощности, необходимой для начала цикла. Оранжевая область — это энергия, накопленная 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 желтая и зеленая кривые представляют собой соответствующие кривые температуры и энергии для МЛК толщиной 1 мм. Энергия рассчитывается по кривым тока и напряжения на верхней панели. Отрицательная энергия соответствует накопленной энергии. Шаги, соответствующие заглавным буквам на четырех рисунках, такие же, как в цикле Олсона. Цикл AB'CD соответствует циклу Стирлинга (дополнительная заметка 7).
где E и D — соответственно электрическое поле и поле электрического смещения. Nd можно получить косвенно из схемы DE (рис. 1b) или непосредственно, 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 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 рис. 1a. Фактически, цикл Олсона состоит из двух изополевых 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 — это разница между входной и выходной энергией, т.е. только оранжевая область на рис. 1b. Этот конкретный цикл Олсона дает плотность энергии Nd 1,78 Дж см⁻³. Цикл Стирлинга является альтернативой циклу Олсона (дополнительная заметка 7). Поскольку стадия постоянного заряда (разомкнутая цепь) достигается легче, плотность энергии, полученная из рис. 1b (цикл AB'CD), достигает 1,25 Дж·см⁻³. Это составляет лишь 70% от того, что может собрать цикл Олсона, но для этого достаточно простого оборудования для сбора энергии.
Кроме того, мы непосредственно измерили энергию, собранную во время цикла Олсона, путем подачи питания на PST MLC с помощью термостата Linkam и источника-измерителя (метод). На рисунке 1c вверху и на соответствующих вставках показаны ток (красная линия) и напряжение (черная линия), собранные на том же 1-мм толстом слое PST MLC, что и для петли DE, проходящей через тот же цикл Олсона. Ток и напряжение позволяют рассчитать собранную энергию, и кривые показаны на рис. 1c внизу (зеленая линия), а температура (желтая линия) — на протяжении всего цикла. Буквы ABCD обозначают тот же цикл Олсона, что и на рис. 1. Зарядка MLC происходит во время AB-ветви и осуществляется при низком токе (200 мкА), поэтому источник-измеритель может должным образом контролировать зарядку. Следствием этого постоянного начального тока является то, что кривая напряжения (черная линия) нелинейна из-за нелинейного поля смещения потенциала D PST (рис. 1c, верхняя вставка). В конце зарядки в МЛК (точка B) запасается 30 мДж электрической энергии. Затем МЛК нагревается, и при сохранении напряжения на уровне 600 В генерируется отрицательный ток (и, следовательно, отрицательный ток). Через 40 с, когда температура достигла плато в 90 °C, этот ток компенсируется, хотя ступенчатый образец генерирует в цепи электрическую мощность 35 мДж в течение этого изополя (вторая вставка на рис. 1c, сверху). Затем напряжение на МЛК (ветвь CD) уменьшается, что приводит к дополнительной электрической работе в 60 мДж. Общая 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 энергии Nd, извлеченной из кольца DE. Воспроизводимость этого цикла Олсона была тщательно проверена (дополнительная заметка 4). Дальнейшее увеличение напряжения и температуры позволило нам достичь 4,43 Дж·см⁻³ с использованием циклов Ольсена в многослойном жидкокристаллическом материале PST толщиной 0,5 мм в диапазоне температур 750 В (195 кВ·см⁻¹) и 175 °C (дополнительная заметка 5). Это в четыре раза больше, чем лучшие показатели, описанные в литературе для прямых циклов Ольсена, и было получено на тонких пленках Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT) (1,06 Дж·см⁻³)¹⁸ (см². Дополнительные значения приведены в дополнительной таблице 1). Такие характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10−7 А при 750 В и 180 °C, подробности см. в Дополнительной заметке 6) — важный момент, отмеченный Смитом и др.19, — в отличие от материалов, использованных 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 Дополнительной заметке 6) — важный момент, отмеченный Смитом и др.19, — в отличие от материалов, использованных 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, см. дополнительную заметку 6 для получения подробной информации) – критический момент, отмеченный 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, 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, см. дополнительную заметку 6 для получения подробной информации) – ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 – для сравнения, были достигнуты такие характеристики.к материалам, использованным в более ранних исследованиях 17,20.
Те же условия (600 В, 20–90 °C) применялись и к циклу Стирлинга (дополнительная заметка 7). Как и ожидалось, исходя из результатов цикла DE, выход составил 41,0 мДж. Одна из наиболее примечательных особенностей циклов Стирлинга — их способность усиливать начальное напряжение за счет термоэлектрического эффекта. Мы наблюдали увеличение напряжения до 39 (от начального напряжения 15 В до конечного напряжения до 590 В, см. дополнительный рис. 7.2).
Еще одной отличительной особенностью этих многослойных люминесцентных кристаллов (МЛК) является то, что они представляют собой макроскопические объекты, достаточно большие для сбора энергии в джоульном диапазоне. Поэтому мы сконструировали прототип преобразователя энергии (HARV1), используя 28 МЛК PST толщиной 1 мм, следуя той же конструкции параллельных пластин, описанной Торелло и др.¹⁴, в матрице 7×4, как показано на рис. Теплоноситель — диэлектрическая жидкость в коллекторе — перемещается перистальтическим насосом между двумя резервуарами, где температура жидкости поддерживается постоянной (метод). Собиралось до 3,1 Дж энергии с использованием цикла Олсона, описанного на рис. 2а, в изотермических областях при 10°C и 125°C и изополевых областях при 0 и 750 В (195 кВ см-1). Это соответствует плотности энергии 3,14 Дж см-3. Используя эту комбинацию, были проведены измерения в различных условиях (рис. 2б). Следует отметить, что значение 1,8 Дж было получено в диапазоне температур 80 °C и напряжения 600 В (155 кВ·см⁻¹). Это хорошо согласуется с ранее упомянутым значением 65 мДж для многослойного криогенного покрытия PST 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 подаются 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 блока 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 крупная версия преобразователя энергии (HARV2) с 60 слоями PST MLC толщиной 1 мм и 160 слоями PST MLC толщиной 0,5 мм (41,7 г активного пироэлектрического материала) дала 11,2 Дж (дополнительная заметка 8). В 1984 году Олсен создал преобразователь энергии на основе 317 г легированного оловом соединения Pb(Zr,Ti)O3, способный генерировать 6,23 Дж электроэнергии при температуре около 150 °C (ссылка 21). Для этого комбината это единственное другое значение, доступное в диапазоне джоулей. Оно составило чуть более половины от достигнутого нами значения и почти в семь раз превосходило его по качеству. Это означает, что плотность энергии HARV2 в 13 раз выше.
Цикл работы HARV1 составляет 57 секунд. Это позволило получить 54 мВт мощности при использовании 4 рядов по 7 столбцов из MLC толщиной 1 мм. Для дальнейшего совершенствования мы создали третий комбинированный образец (HARV3) с MLC PST толщиной 0,5 мм и аналогичной конфигурацией, как у HARV1 и HARV2 (дополнительная заметка 9). Мы измерили время термализации, равное 12,5 секундам. Это соответствует времени цикла 25 секунд (дополнительный рисунок 9). Собранная энергия (47 мДж) дает электрическую мощность 1,95 мВт на один MLC, что, в свою очередь, позволяет предположить, что HARV2 производит 0,55 Вт (приблизительно 1,95 мВт × 280 MLC PST толщиной 0,5 мм). Кроме того, мы смоделировали теплопередачу с помощью метода конечных элементов (COMSOL, дополнительная заметка 10 и дополнительные таблицы 2–4), соответствующего экспериментам HARV1. Моделирование методом конечных элементов позволило предсказать значения мощности почти на порядок выше (430 мВт) для того же количества колонок PST за счет истончения MLC до 0,2 мм, использования воды в качестве охлаждающей жидкости и восстановления матрицы до 7 рядов × 4 колонок (кроме того, мощность составляла 960 мВт, когда резервуар находился рядом с комбайном, дополнительный рис. 10b).
Для демонстрации полезности этого коллектора был применен цикл Стирлинга к автономному демонстрационному образцу, состоящему всего из двух многослойных керамических конденсаторов PST толщиной 0,5 мм в качестве теплоотводов, высоковольтного ключа, низковольтного ключа с накопительным конденсатором, преобразователя постоянного тока, маломощного микроконтроллера, двух термопар и повышающего преобразователя (дополнительная заметка 11). Схема требует, чтобы накопительный конденсатор был первоначально заряжен до 9 В, а затем работает автономно, пока температура двух многослойных керамических конденсаторов изменяется от -5°C до 85°C, в данном случае циклами по 160 с (несколько циклов показаны в дополнительной заметке 11). Примечательно, что два многослойных керамических конденсатора весом всего 0,3 г могут автономно управлять этой большой системой. Еще одна интересная особенность заключается в том, что низковольтный преобразователь способен преобразовывать 400 В в 10-15 В с КПД 79% (дополнительная заметка 11 и дополнительный рисунок 11.3).
Наконец, мы оценили эффективность этих MLC-модулей в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Коэффициент качества η определяется как отношение плотности собранной электрической энергии Nd к плотности подводимого тепла Qin (дополнительная заметка 12):
На рисунках 3a и 3b показаны КПД η и пропорциональный КПД ηr цикла Ольсена в зависимости от температурного диапазона многослойного жидкокристаллического материала PST 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 в температурном диапазоне 10 К от 25 °C до 35 °C ηr достигает значений до 40% (синяя кривая на рис. 3b). Это вдвое превышает известное значение для материалов NLP, зарегистрированное в пленках PMN-PT (ηr = 19%) в температурном диапазоне 10 К и 300 кВ·см⁻¹ (ссылка 18). Температурные диапазоны ниже 10 К не рассматривались, поскольку термический гистерезис PST MLC находится в пределах от 5 до 8 К. Критически важно учитывать положительное влияние фазовых переходов на эффективность. Фактически, оптимальные значения η и ηr почти все достигаются при начальной температуре Ti = 25 °C на рис. 3a,b. Это связано с близким фазовым переходом при отсутствии поля, а температура Кюри TC в этих MLC составляет около 20 °C (дополнительная заметка 13).
a,b, эффективность η и пропорциональная эффективность цикла Олсона (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Карно}} для максимального электрического поля 195 кВ см-1 и различных начальных температур Ti, }}\,\)(b) для MPC PST толщиной 0,5 мм в зависимости от температурного интервала ΔTspan.
Последнее наблюдение имеет два важных следствия: (1) любой эффективный цикл должен начинаться при температурах выше TC для того, чтобы произошел фазовый переход, индуцированный полем (из параэлектрического в ферроэлектрический); (2) эти материалы более эффективны при времени работы, близком к TC. Хотя в наших экспериментах показана высокая эффективность в больших масштабах, ограниченный температурный диапазон не позволяет нам достичь больших абсолютных значений эффективности 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 эффективность 30%»17. Для достижения этих значений и проверки концепции было бы полезно использовать легированные PST с различными TC, как это изучали Шебанов и Борман. Они показали, что температура плавления 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 порядка могут конкурировать с лучшими преобразователями энергии.
В данном исследовании мы изучали многослойные жидкие конденсаторы (МЖК), изготовленные из PST. Эти устройства состоят из ряда платиновых и PST-электродов, при этом несколько конденсаторов соединены параллельно. PST был выбран потому, что это превосходный электрохимический материал и, следовательно, потенциально превосходный материал для нелинейной поляризации. Он демонстрирует резкий фазовый переход первого порядка из ферроэлектрического в параэлектрический около 20 °C, что указывает на то, что изменения его энтропии аналогичны тем, которые показаны на рис. 1. Аналогичные МЖК были подробно описаны для электрохимических устройств13,14. В этом исследовании мы использовали МЖК размером 10,4 × 7,2 × 1 мм³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 мм³. МЖК 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 располагался между платиновыми электродами толщиной 2,05 мкм. Конструкция этих многослойных жидких кристаллов (МЖК) предполагает, что 55% ПСТ являются активными, что соответствует части между электродами (дополнительная заметка 1). Активная площадь электрода составляла 48,7 мм² (дополнительная таблица 5). МЖК ПСТ были получены методом твердофазной реакции и литья. Подробности процесса получения описаны в предыдущей статье¹⁴. Одно из отличий МЖК ПСТ от описанного в предыдущей статье заключается в порядке расположения B-сайтов, который существенно влияет на эффективность электрохимического преобразования в ПСТ. Порядок расположения B-сайтов МЖК ПСТ составляет 0,75 (дополнительная заметка 2), полученный путем спекания при 1400°C с последующим многочасовым отжигом при 1000°C. Более подробную информацию о МЖК ПСТ см. в дополнительных заметках 1-3 и дополнительной таблице 5.
Основная концепция данного исследования основана на цикле Олсона (рис. 1). Для такого цикла необходимы горячий и холодный резервуары, а также источник питания, способный контролировать и регулировать напряжение и ток в различных модулях MLC. В этих прямых циклах использовались две различные конфигурации, а именно: (1) модули Linkam, нагревающие и охлаждающие один модуль MLC, подключенный к источнику питания Keithley 2410, и (2) три прототипа (HARV1, HARV2 и HARV3), работающие параллельно с одним и тем же источником энергии. В последнем случае для теплообмена между двумя резервуарами (горячим и холодным) и модулем MLC использовалась диэлектрическая жидкость (силиконовое масло с вязкостью 5 сП при 25°C, приобретенное у Sigma Aldrich). Тепловой резервуар представляет собой стеклянный контейнер, заполненный диэлектрической жидкостью и расположенный на тепловой пластине. Холодильный аккумулятор представляет собой водяную баню с жидкостными трубками, содержащими диэлектрическую жидкость, в большом пластиковом контейнере, заполненном водой и льдом. На каждом конце комбинированного устройства были установлены два трехходовых зажимных клапана (приобретенные у компании Bio-Chem Fluidics) для правильного переключения жидкости из одного резервуара в другой (рис. 2а). Для обеспечения теплового равновесия между блоком PST-MLC и охлаждающей жидкостью период цикла был увеличен до тех пор, пока входные и выходные термопары (как можно ближе к блоку PST-MLC) не показали одинаковую температуру. Скрипт на языке Python управляет и синхронизирует все приборы (источники расхода, насосы, клапаны и термопары) для выполнения правильного цикла Олсона, то есть контур охлаждающей жидкости начинает циклически проходить через блок PST после зарядки источника расхода, чтобы они нагревались до желаемого приложенного напряжения для данного цикла Олсона.
В качестве альтернативы мы подтвердили эти прямые измерения собранной энергии косвенными методами. Эти косвенные методы основаны на петлях электрического смещения (D) – электрического поля (E), собранных при различных температурах, и, вычисляя площадь между двумя петлями DE, можно точно оценить, сколько энергии может быть собрано, как показано на рисунке 2.1b. Эти петли DE также были собраны с помощью источников-измерителей Keithley.
Двадцать восемь многослойных жидких кристаллов PST толщиной 1 мм были собраны в 4-рядную, 7-колонную структуру с параллельными пластинами в соответствии с конструкцией, описанной в ссылке 14. Зазор между рядами многослойных жидких кристаллов PST составляет 0,75 мм. Это достигается путем добавления полосок двусторонней ленты в качестве жидкостных прокладок по краям многослойных жидких кристаллов PST. Многослойный жидкий кристалл PST электрически соединен параллельно с серебряным эпоксидным мостиком, контактирующим с выводами электродов. После этого к каждой стороне выводов электродов были приклеены провода с помощью серебряной эпоксидной смолы для подключения к источнику питания. Наконец, вся структура была вставлена ​​в полиолефиновый шланг. Последний был приклеен к жидкостной трубке для обеспечения надлежащей герметизации. Наконец, в каждый конец структуры многослойных жидких кристаллов PST были встроены термопары К-типа толщиной 0,25 мм 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 создано восемь отдельных прототипов, четыре из которых имели по 40 многолепестковых коллиматоров толщиной 0,5 мм, расположенных в виде параллельных пластин с 5 столбцами и 8 рядами, а оставшиеся четыре имели по 15 многолепестковых коллиматоров толщиной 1 мм каждый в структуре параллельных пластин 3-столбцов × 5 рядов. Общее количество использованных многолепестковых коллиматоров составило 220 (160 толщиной 0,5 мм и 60 многолепестковых коллиматоров толщиной 1 мм). Мы называем эти два субблока HARV2_160 и HARV2_60. Жидкостный зазор в прототипе HARV2_160 состоит из двух двусторонних 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 обеспечения симметрии, HARV2_160 и HARV2_60 имеют собственные гидравлические контуры, насосы, клапаны и холодную сторону (дополнительная заметка 8). Два блока HARV2 используют общий тепловой резервуар — контейнер объемом 3 литра (30 см x 20 см x 5 см), расположенный на двух нагревательных плитах с вращающимися магнитами. Все восемь отдельных прототипов электрически соединены параллельно. Субблоки HARV2_160 и HARV2_60 работают одновременно в цикле Олсона, что приводит к получению энергии в объеме 11,2 Дж.
Вставьте 0,5-мм PST MLC в полиолефиновый шланг, используя двустороннюю клейкую ленту и проволоку с обеих сторон, чтобы создать пространство для потока жидкости. Благодаря своим небольшим размерам прототип был размещен рядом с клапаном резервуара горячей или холодной воды, 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 энергия накапливается. После нагрева PST MLC поле снимается (V = 0), и накопленная энергия возвращается обратно в счетчик источников, 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 сбор энергии не производится. Мы запускали цикл Ольсена с помощью источника-измерителя Keithley 2410, заряжая PST MLC от источника напряжения и устанавливая согласование тока на соответствующее значение, чтобы собрать достаточно точек во время фазы зарядки для надежных расчетов энергии.
В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом предельном токе, так чтобы этап зарядки занимал около 1 с (и было собрано достаточно точек для надежного расчета энергии), и низкой температуре. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом предельном токе, так чтобы этап зарядки занимал около 1 с (и было собрано достаточно точек для надежного расчета энергии), и низкой 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 выходном токе, так что стадия зарядки занимала около 1 с (и было собрано достаточное количество точек для надежного расчета энергии) и низкой 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 основном цикле PST MLC заряжается при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0) в режиме источника напряжения, так что требуемый ток затрачивается примерно на 1 секунду на этап 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 PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ограничивающий ток таков, что стадия зарядки занимает около 1 с (и собирается достаточное количество точек для надежного расчета энергии) и при низких температурах.Перед нагревом PST MLC разомкните цепь, подав согласующий ток I = 0 мА (минимальный согласующий ток, который может выдержать наш измерительный источник, составляет 10 нА). В результате в PST MJK остается заряд, и напряжение увеличивается по мере нагрева образца. В плече BC энергия 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 разряжается (V = 0), и в них накапливается электрическая энергия на то же время, что и при первоначальном заряде. То же соответствие тока возвращается к измерительному источнику. Благодаря усилению напряжения, накопленная энергия при высокой температуре выше, чем та, которая была подана в начале цикла. Следовательно, энергия получается путем преобразования тепла в электричество.
Для контроля напряжения и тока, подаваемых на PST MLC, мы использовали источник-измеритель Keithley 2410. Соответствующая энергия рассчитывается путем интегрирования произведения напряжения и тока, измеренных источником-измерителем Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), где τ — период. На нашей кривой энергии положительные значения энергии означают энергию, которую мы должны передать MLC PST, а отрицательные значения — энергию, которую мы извлекаем из них, и, следовательно, полученную энергию. Относительная мощность для данного цикла сбора определяется делением собранной энергии на период τ всего цикла.
Все данные представлены в основном тексте или в дополнительных материалах. Письма и запросы на предоставление материалов следует направлять непосредственно в источник данных по АТ или ЭД, представленных в данной статье.
Андо Джуниор, Огайо, Маран, Ало и Хенао, Северная Каролина. Обзор разработок и применений термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии. Андо Джуниор, Огайо, Маран, Ало и Хенао, Северная Каролина. Обзор разработок и применений термоэлектрических микрогенераторов для сбора энергии.Андо Джуниор (Огайо), Маран (АЛО) 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 (АЛО) 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 задачи. Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Э. К., Эрлер, Б. и Синке, В. К. Фотоэлектрические материалы: текущая эффективность и будущие задачи.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 вызовы.Полман, А., Найт, М., Гарнетт, Э. К., Эрлер, Б. и Синке, В. К. Фотоэлектрические материалы: текущие характеристики и будущие задачи.Science 352, aad4424 (2016).
Сонг, К., Чжао, Р., Ван, ЗЛ и Ян, Ю. Совместный пиро-пьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления. Сонг, К., Чжао, Р., Ван, ЗЛ и Ян, Ю. Совместный пиро-пьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления.Сонг К., Чжао Р., Ван ЗЛ 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, ЗЛ и Ян, Ю. Для автономного энергоснабжения одновременно с регулированием температуры и давления.Сонг К., Чжао Р., Ван ЗЛ и Янь Ю. Комбинированный термопьезоэлектрический эффект для автономного одновременного измерения температуры и давления.Forward. alma mater 31, 1902831 (2019).
Себальд, Г., Прувост, С. и Гуйомар, Д. Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике. Себальд, Г., Прувост, С. и Гуйомар, 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., Прувост С. и Гийомар Д. Сбор энергии в релаксорной сегнетоэлектрической керамике на основе пироэлектрического циклирования Ericsson. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Алпай, С. П., Мантезе, Дж., Тролье-Маккинстри, С., Чжан, К. и Уотмор, Р. В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для твердотельной электротермической трансформации энергии. Алпай, С. П., Мантезе, Дж., Тролье-Маккинстри, С., Чжан, К. и Уотмор, Р. В. Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для твердотельной электротермической трансформации энергии. Алпай С.П., Мантезе Дж., Тролье-Макинстри С., Чжан К. и Whatmore 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 следующего поколения для преобразования твердотельной электротермической 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 Whatmore 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 следующего поколения для преобразования твердотельной электротермической энергии.Леди Булл. 39, 1099–1109 (2014).
Чжан, К., Ван, Ю., Ван, ЗЛ и Ян, Ю. Стандарт и показатель качества для количественной оценки производительности пироэлектрических наногенераторов. Чжан, К., Ван, Ю., Ван, ЗЛ и Ян, Ю. Стандарт и показатель качества для количественной оценки производительности пироэлектрических наногенераторов.Чжан К., Ван Ю., Ван З.Л. и Ян Ю. Стандарт и оценка 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 показатели эффективности для количественной оценки производительности пироэлектрического наногенератора.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Кросслэй, С., Нейр, Б., Уотмор, Р.В., Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Электрокалорические циклы охлаждения в танталате свинца-скандия с истинной регенерацией путем изменения поля. Кросслэй, С., Нейр, Б., Уотмор, Р.В., Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Электрокалорические циклы охлаждения в танталате свинца-скандия с истинной регенерацией путем изменения поля.Кросслэй, С., Нейр, 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.Кросслэй, С., Нейр, Б., Уотмор, Р.В., Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Электротермический цикл охлаждения танталата скандия-свинца для истинной регенерации путем изменения направления поля.physics 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 фазовых переходов ферроидов. Мойя, X., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Мойя, Х., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Тепловые материалы вблизи черной металлургии.Мойя, Х., Кар-Нараян, С. и Матур, Н.Д. Тепловые материалы вблизи фазовых переходов железа.Нат. альма-матер 13, 439–450 (2014).
Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Калорийные материалы для охлаждения и нагревания. Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Калорийные материалы для охлаждения и нагревания.Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Тепловые материалы для охлаждения и обогрева. Мойя, X. и Матур, Северная Дакота. Мойя, Х. и Матур, Н.Д. Тепловые материалы для охлаждения и обогрева.Мойя Х. и Матур Н.Д. Тепловые материалы для охлаждения и обогрева.Science 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 чиллеры: 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.Advanced. electronic. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Нучокве, Й. и др. Огромная энергетическая эффективность электрокалорического материала в высокоупорядоченной скандий-скандий-свинцовой структуре. National communicate. 12, 3298 (2021).
Наир, Б. и др. Электротермический эффект многослойных оксидных конденсаторов велик в широком диапазоне температур. Nature 575, 468–472 (2019).
Торелло, А. и др. Широкий температурный диапазон в электротермических регенераторах. Science 370, 125–129 (2020).
Ван, Ю. и др. Высокоэффективная твердотельная электротермическая система охлаждения. Science 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 тепловой энергии в электрическую, связанное с пироэлектрическими измерениями. Олсен, Р.Б. и Браун, Д.Д. Высокоэффективное прямое преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью пироэлектрических измерений.Олсен, Р.Б. и Браун, Д.Д. Высокоэффективное прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, 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.Ферроэлектрики 40, 17–27 (1982).
Пандья, С. и др. Плотность энергии и мощности в тонких релаксорных сегнетоэлектрических пленках. National Alma Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М. Каскадное пироэлектрическое преобразование: оптимизация ферроэлектрического фазового перехода и электрических потерь. Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М. Каскадное пироэлектрическое преобразование: оптимизация ферроэлектрического фазового перехода и электрических потерь.Смит, А.Н. и Ханрахан, Б.М. Каскадное пироэлектрическое преобразование: ферроэлектрический 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 ферроэлектрических фазовых переходов и электрических потерь.Журнал прикладной физики. 128, 24103 (2020).
Хох, С.Р. Использование сегнетоэлектрических материалов для преобразования тепловой энергии в электричество. 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 Даллеа, Дж. Каскадные пироэлектрические преобразователи энергии.Ферроэлектрики 59, 205–219 (1984).
Шебанов, Л. и Борман, К. О твердых растворах танталата свинца и скандия с высоким электрокалорическим эффектом. Шебанов, Л. и Борман, К. О твердых растворах танталата свинца и 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.Ферроэлектрики 127, 143–148 (1992).
Мы благодарим Н. Фурусаву, Ю. Иноуэ и К. Хонду за помощь в создании MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB и ED выражают благодарность Национальному исследовательскому фонду Люксембурга (FNR) за поддержку этой работы в рамках грантов CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay и BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Кафедра исследований материалов и технологий, Люксембургский технологический институт (LIST), Бельвуар, Люксембург