Нуђење одрживих извора електричне енергије један је од најважнијих изазова овог века. Истраживачке области у области материјала за сакупљање енергије проистичу из ове мотивације, укључујући термоелектричне1, фотонапонске2 и термофотоволтаичне3. Иако нам недостају материјали и уређаји способни за сакупљање енергије у Џуловом опсегу, пироелектрични материјали који могу да претворе електричну енергију у периодичне температурне промене сматрају се сензорима4 и сакупљачима енергије5,6,7. Овде смо развили макроскопски сакупљач топлотне енергије у облику вишеслојног кондензатора направљеног од 42 грама олово-скандијум танталата, који производи 11,2 Ј електричне енергије по термодинамичком циклусу. Сваки пироелектрични модул може да генерише густину електричне енергије до 4,43 Ј цм-3 по циклусу. Такође показујемо да су два таква модула тежине 0,3 г довољна за континуирано напајање аутономних сакупљача енергије са уграђеним микроконтролерима и температурним сензорима. Коначно, показујемо да за температурни опсег од 10 K, ови вишеслојни кондензатори могу достићи 40% Карноове ефикасности. Ова својства су последица (1) фероелектричне фазе за високу ефикасност, (2) мале струје цурења ради спречавања губитака и (3) високог напона пробоја. Ови макроскопски, скалабилни и ефикасни пироелектрични сакупљачи енергије реинтерпретирају термоелектричну генерацију енергије.
У поређењу са просторним температурним градијентом потребним за термоелектричне материјале, прикупљање енергије за термоелектричне материјале захтева циклирање температуре током времена. То значи термодинамички циклус, који се најбоље описује дијаграмом ентропије (S)-температурне (T). Слика 1а приказује типичан ST график нелинеарног пироелектричног (NLP) материјала који демонстрира фероелектрично-параелектрични фазни прелаз вођен пољем у скандијум-олово танталату (PST). Плави и зелени делови циклуса на ST дијаграму одговарају конвертованој електричној енергији у Олсоновом циклусу (два изотермна и два изополска дела). Овде разматрамо два циклуса са истом променом електричног поља (поље укључено и искључено) и променом температуре ΔT, иако са различитим почетним температурама. Зелени циклус се не налази у области фазног прелаза и стога има много мању површину од плавог циклуса који се налази у области фазног прелаза. На ST дијаграму, што је већа површина, већа је сакупљена енергија. Стога, фазни прелаз мора да сакупи више енергије. Потреба за циклирањем велике површине у НЛП-у је веома слична потреби за електротермалним применама9, 10, 11, 12 где су ПСТ вишеслојни кондензатори (МЛК) и терполимери на бази ПВДФ-а недавно показали одличне перформансе обрнутог хлађења. статус перформанси хлађења у циклусу 13, 14, 15, 16. Стога смо идентификовали ПСТ МЛК-ове од интереса за прикупљање топлотне енергије. Ови узорци су у потпуности описани у методама и окарактерисани у додатним напоменама 1 (скенирајућа електронска микроскопија), 2 (рендгенска дифракција) и 3 (калориметрија).
а, Скица графика ентропије (S)-температурe (T) са електричним пољем укљученим и искљученим примењеним на NLP материјале, приказујући фазне прелазе. Приказана су два циклуса сакупљања енергије у две различите температурне зоне. Плави и зелени циклус се јављају унутар и изван фазног прелаза, респективно, и завршавају се у веома различитим областима површине. б, два DE PST MLC униполарна прстена, дебљине 1 mm, измерена између 0 и 155 kV cm-1 на 20 °C и 90 °C, респективно, и одговарајући Олсенови циклуси. Слова ABCD се односе на различита стања у Олсоновом циклусу. AB: MLC су напуњени до 155 kV cm-1 на 20°C. BC: MLC је одржаван на 155 kV cm-1 и температура је повишена на 90 °C. CD: MLC се празни на 90°C. DA: MLC охлађен на 20°C у нултом пољу. Плава област одговара улазној снази потребној за покретање циклуса. Наранџаста област је енергија сакупљена у једном циклусу. ц, горњи панел, напон (црна) и струја (црвена) у односу на време, праћени током истог Олсоновог циклуса као и б. Два уметка представљају појачавање напона и струје у кључним тачкама циклуса. У доњем панелу, жута и зелена крива представљају одговарајуће криве температуре и енергије, респективно, за MLC дебљине 1 мм. Енергија се израчунава из кривих струје и напона на горњем панелу. Негативна енергија одговара сакупљеној енергији. Кораци који одговарају великим словима на четири слике су исти као у Олсоновом циклусу. Циклус AB'CD одговара Стирлинговом циклусу (додатна напомена 7).
где су E и D електрично поље и поље електричног померања, респективно. Nd се може добити индиректно из DE кола (Сл. 1б) или директно покретањем термодинамичког циклуса. Најкорисније методе је описао Олсен у свом пионирском раду о сакупљању пироелектричне енергије 1980-их17.
На слици 1б приказане су две монополарне DE петље узорака PST-MLC дебљине 1 mm састављених на 20 °C и 90 °C, респективно, у опсегу од 0 до 155 kV cm-1 (600 V). Ова два циклуса могу се користити за индиректно израчунавање енергије коју је сакупио Олсонов циклус приказан на слици 1а. У ствари, Олсенов циклус се састоји од две изопољне гране (овде, нулто поље у DA грани и 155 kV cm-1 у BC грани) и две изотермне гране (овде, 20°C и 20°C у AB грани). C у CD грани) Енергија сакупљена током циклуса одговара наранџастој и плавој области (EdD интеграл). Сакупљена енергија Nd је разлика између улазне и излазне енергије, тј. само наранџасто подручје на слици 1б. Овај посебан Олсонов циклус даје густину енергије Nd од 1,78 J cm-3. Стирлингов циклус је алтернатива Олсоновом циклусу (Додатна напомена 7). Пошто се фаза константног наелектрисања (отворено коло) лакше достиже, густина енергије извучена са слике 1б (циклус AB'CD) достиже 1,25 J cm-3. Ово је само 70% онога што Олсонов циклус може да сакупи, али једноставна опрема за сакупљање то постиже.
Поред тога, директно смо мерили енергију сакупљену током Олсоновог циклуса напајањем PST MLC-а коришћењем Линкамове контролне фазе температуре и мерача извора (метод). Слика 1ц на врху и у одговарајућим уметцима приказује струју (црвена) и напон (црна) сакупљене на истом PST MLC-у дебљине 1 мм као и за DE петљу која пролази кроз исти Олсонов циклус. Струја и напон омогућавају израчунавање сакупљене енергије, а криве су приказане на слици 1ц, доле (зелена) и температура (жута) током целог циклуса. Слова ABCD представљају исти Олсонов циклус на слици 1. Пуњење MLC-а се дешава током AB фазе и врши се малом струјом (200 µA), тако да SourceMeter може правилно да контролише пуњење. Последица ове константне почетне струје је да крива напона (црна крива) није линеарна због нелинеарног поља померања потенцијала D PST (слика 1ц, горњи уметак). На крају пуњења, 30 mJ електричне енергије се складишти у MLC-у (тачка B). МЛЦ се затим загрева и производи се негативна струја (а самим тим и негативна струја) док напон остаје на 600 V. Након 40 s, када је температура достигла плато од 90 °C, ова струја је компензована, иако је степ узорак произвео у колу електричну снагу од 35 mJ током овог изопоља (други уметак на слици 1c, горе). Напон на МЛЦ-у (грана CD) се затим смањује, што резултира са додатних 60 mJ електричног рада. Укупна излазна енергија је 95 mJ. Прикупљена енергија је разлика између улазне и излазне енергије, што даје 95 – 30 = 65 mJ. Ово одговара густини енергије од 1,84 J cm-3, што је веома близу Nd екстрахованом из DE прстена. Репродуктивност овог Олсоновог циклуса је опсежно тестирана (Додатна напомена 4). Даљим повећањем напона и температуре, постигли смо 4,43 Ј цм⁻³ користећи Олсенове циклусе у PST MLC дебљине 0,5 мм у температурном опсегу од 750 V (195 kV цм⁻¹) и 175 °C (Додатна напомена 5). Ово је четири пута веће од најбољих перформанси пријављених у литератури за директне Олсонове циклусе и добијено је на танким филмовима Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT) (1,06 Ј цм⁻¹⁴ (цм⁻¹). Додатна табела 1 за више вредности у литератури). Ове перформансе су постигнуте захваљујући веома ниској струји цурења ових MLC-ова (<10−7 A на 750 V и 180 °C, видети детаље у Додатној напомени 6) – кључној тачки коју су поменули Смит и др.19 – за разлику од материјала коришћених у ранијим студијама17,20. Ове перформансе су постигнуте захваљујући веома ниској струји цурења ових MLC-ова (<10−7 A на 750 V и 180 °C, видети детаље у Додатној напомени 6) – кључној тачки коју су поменули Смит и др.19 – за разлику од материјала коришћених у ранијим студијама17,20. Ети характеристики били достигнути захваљујући очень низкој току утечки ових МЛЦ (<10–7 А при 750 В и 180 °Ц, см. подробности в додатном примечании 6) — критички момент, упоманутиј Смитом и др. 19 — в отличеность к материалам, использованим в раних исследованиах17,20. Ове карактеристике су постигнуте захваљујући веома ниској струји цурења ових MLC-ова (<10–7 A на 750 V и 180 °C, видети Додатну напомену 6 за детаље) – критична тачка коју су поменули Смит и др. 19 – за разлику од материјала коришћених у ранијим студијама 17,20.由于这些МЛЦ 的泄漏电流非常低 (在750 В 和180 °Ц 时<10-7 А,请参见补充说明6中的详细信息）——Смитх 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17, 20.07.由于 这些 млц 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 В 和 180 ° Ц 时 <10-7 А ， 参见 补充 说信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之 相比之 相比之相比之下 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. С обзиром да ток утечки ових МЛЦ очень низкиј (<10–7 А при 750 В и 180 °Ц, см. подробности в додатном примечании 6) — клучевој момент, упоманутиј Смитом и др. 19 — дла сравнениа, били достигнути ети характеристики. Пошто је струја цурења ових MLC-ова веома ниска (<10–7 A на 750 V и 180 °C, видети Додатну напомену 6 за детаље) – кључна тачка коју су поменули Смит и др. 19 – ради поређења, ове перформансе су постигнуте.на материјале коришћене у ранијим студијама 17,20.
Исти услови (600 V, 20–90 °C) примењени су на Стирлингов циклус (Додатна напомена 7). Као што се и очекивало на основу резултата DE циклуса, принос је био 41,0 mJ. Једна од најупечатљивијих карактеристика Стирлингових циклуса је њихова способност да појачају почетни напон путем термоелектричног ефекта. Уочили смо појачање напона до 39 (од почетног напона од 15 V до крајњег напона до 590 V, видети Додатну слику 7.2).
Још једна карактеристика ових MLC-ова је да су макроскопски објекти довољно велики да сакупљају енергију у џулном опсегу. Стога смо конструисали прототип сакупљача (HARV1) користећи 28 MLC PST дебљине 1 mm, пратећи исти дизајн паралелне плоче који су описали Торело и др.14, у матрици 7×4 као што је приказано на слици. Диелектрична течност која носи топлоту у разводнику се помера перисталтичком пумпом између два резервоара где се температура течности одржава константном (метод). Сакупити до 3,1 J користећи Олсонов циклус описан на слици 2а, изотермне области на 10°C и 125°C и изопољне области на 0 и 750 V (195 kV cm-1). Ово одговара густини енергије од 3,14 J cm-3. Користећи овај комбајн, мерења су обављена под различитим условима (слика 2б). Треба напоменути да је 1,8 J добијено у температурном опсегу од 80 °C и напону од 600 V (155 kV cm-1). Ово је у доброј сагласности са претходно поменутих 65 mJ за PST MLC дебљине 1 mm под истим условима (28 × 65 = 1820 mJ).
а, Експериментална поставка склопљеног HARV1 прототипа заснованог на 28 MLC PST-ова дебљине 1 mm (4 реда × 7 колона) који раде на Олсоновим циклусима. За сваки од четири корака циклуса, температура и напон су обезбеђени у прототипу. Рачунар покреће перисталтичку пумпу која циркулише диелектричну течност између хладног и топлог резервоара, два вентила и извора напајања. Рачунар такође користи термопарове за прикупљање података о напону и струји која се доводи до прототипа и температури комбајна из напајања. б, Енергија (боја) коју је прикупио наш 4×7 MLC прототип у односу на температурни опсег (X-оса) и напон (Y-оса) у различитим експериментима.
Већа верзија комбајна (HARV2) са 60 PST MLC дебљине 1 mm и 160 PST MLC дебљине 0,5 mm (41,7 g активног пироелектричног материјала) дала је 11,2 J (Додатна напомена 8). Године 1984, Олсен је направио енергетски комбајнер на бази 317 g једињења Pb(Zr,Ti)O3 допираног калајем, способног да генерише 6,23 J електричне енергије на температури од око 150 °C (реф. 21). За овај комбајн, ово је једина друга доступна вредност у џулном опсегу. Добио је нешто више од половине вредности коју смо ми постигли и скоро седам пута бољи квалитет. То значи да је густина енергије HARV2 13 пута већа.
Период циклуса HARV1 је 57 секунди. Ово је произвело 54 mW снаге са 4 реда од 7 колона MLC сетова дебљине 1 mm. Да бисмо отишли ​​корак даље, направили смо трећи комбајн (HARV3) са PST MLC дебљине 0,5 mm и сличним подешавањем као код HARV1 и HARV2 (Додатна напомена 9). Измерили смо време термализације од 12,5 секунди. Ово одговара времену циклуса од 25 s (Додатна слика 9). Прикупљена енергија (47 mJ) даје електричну снагу од 1,95 mW по MLC-у, што нам заузврат омогућава да замислимо да HARV2 производи 0,55 W (приближно 1,95 mW × 280 PST MLC дебљине 0,5 mm). Поред тога, симулирали смо пренос топлоте користећи симулацију коначних елемената (COMSOL, Додатна напомена 10 и Додатне табеле 2–4) што одговара HARV1 експериментима. Моделирање коначних елемената омогућило је предвиђање вредности снаге скоро за ред величине веће (430 mW) за исти број PST колона проређивањем MLC-а на 0,2 mm, коришћењем воде као расхладне течности и враћањем матрице на 7 редова. × 4 колоне (поред , било је 960 mW када је резервоар био поред комбајна, Додатна слика 10б).
Да би се демонстрирала корисност овог колектора, Стирлингов циклус је примењен на самостални демонстратор који се састоји од само два PST MLC-а дебљине 0,5 мм као колектора топлоте, високонапонског прекидача, нисконапонског прекидача са кондензатором за складиштење, DC/DC конвертора, микроконтролера мале снаге, два термопара и буст конвертора (Додатна напомена 11). Коло захтева да се кондензатор за складиштење иницијално напуни на 9 V, а затим ради аутономно док се температура два MLC-а креће од -5°C до 85°C, овде у циклусима од 160 s (неколико циклуса је приказано у Додатној напомени 11). Занимљиво је да два MLC-а тежине само 0,3 g могу аутономно да контролишу овај велики систем. Још једна занимљива карактеристика је да је нисконапонски конвертор способан да конвертује 400 V у 10-15 V са ефикасношћу од 79% (Додатна напомена 11 и Додатна слика 11.3).
Коначно, проценили смо ефикасност ових MLC модула у претварању топлотне енергије у електричну енергију. Фактор квалитета η ефикасности је дефинисан као однос густине сакупљене електричне енергије Nd и густине испоручене топлоте Qin (Додатна напомена 12):
Слике 3а, б приказују ефикасност η и пропорционалну ефикасност ηr Олсеновог циклуса, респективно, као функцију температурног опсега PST MLC дебљине 0,5 мм. Оба скупа података дата су за електрично поље од 195 kV cm-1. Ефикасност достиже 1,43%, што је еквивалентно 18% од ηr. Међутим, за температурни опсег од 10 K од 25 °C до 35 °C, ηr достиже вредности до 40% (плава крива на слици 3б). Ово је двоструко већа вредност од познате вредности за NLP материјале забележене у PMN-PT филмовима (ηr = 19%) у температурном опсегу од 10 K и 300 kV cm-1 (Реф. 18). Температурни опсези испод 10 K нису разматрани јер је термичка хистерезис PST MLC између 5 и 8 K. Препознавање позитивног ефекта фазних прелаза на ефикасност је кључно. У ствари, оптималне вредности η и ηr су скоро све добијене на почетној температури Ti = 25°C на сликама 3a,b. То је због блиског фазног прелаза када се не примењује поље, а Киријева температура TC је око 20°C у овим MLC-овима (Додатна напомена 13).
а, б, ефикасност η и пропорционална ефикасност Олсоновог циклуса (а)({\eta}_{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{\rm{Карно}} за максималну електричну снагу пољем од 195 kV cm-1 и различитим почетним температурама Ti, }}(б) за MPC PST дебљине 0,5 mm, у зависности од температурног интервала ΔTspan.
Последње запажање има две важне импликације: (1) свако ефективно циклирање мора почети на температурама изнад TC да би се догодио фазни прелаз индукован пољем (из параелектричног у фероелектрични); (2) ови материјали су ефикаснији при временима рада блиским TC. Иако су у нашим експериментима показане велике ефикасности, ограничени температурни опсег нам не дозвољава да постигнемо велике апсолутне ефикасности због Карноовог ограничења (ΔT/T). Међутим, одлична ефикасност коју су показали ови PST MLC оправдава Олсена када помиње да „идеалан регенеративни термоелектрични мотор класе 20 који ради на температурама између 50 °C и 250 °C може имати ефикасност од 30%“17. Да би се достигле ове вредности и тестирао концепт, било би корисно користити допиране PST са различитим TC, као што су проучавали Шебанов и Борман. Показали су да TC у PST може да варира од 3°C (допирање Sb) до 33°C (допирање Ti)22. Стога претпостављамо да пироелектрични регенератори следеће генерације засновани на допираним PST MLC-овима или другим материјалима са јаким фазним прелазом првог реда могу да се такмиче са најбољим сакупљачима снаге.
У овој студији, истраживали смо MLC направљене од PST-а. Ови уређаји се састоје од низа Pt и PST електрода, при чему је неколико кондензатора повезано паралелно. PST је изабран јер је одличан EC материјал и стога потенцијално одличан NLP материјал. Показује оштар фероелектрично-параелектрични фазни прелаз првог реда око 20 °C, што указује да су његове промене ентропије сличне онима приказаним на слици 1. Слични MLC-ови су у потпуности описани за EC13,14 уређаје. У овој студији, користили смо MLC-ове димензија 10,4 × 7,2 × 1 mm³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC-ови дебљине 1 mm и 0,5 mm направљени су од 19 и 9 слојева PST-а дебљине 38,6 µm, респективно. У оба случаја, унутрашњи PST слој је постављен између платинских електрода дебљине 2,05 µm. Дизајн ових MLC претпоставља да је 55% PST-ова активно, што одговара делу између електрода (Додатна напомена 1). Површина активне електроде била је 48,7 mm2 (Додатна табела 5). MLC PST је припремљен реакцијом чврсте фазе и методом ливења. Детаљи процеса припреме описани су у претходном чланку14. Једна од разлика између PST MLC-а и претходног чланка је редослед Б-места, што значајно утиче на перформансе електрохемијске реакције у PST-у. Редослед Б-места PST MLC-а је 0,75 (Додатна напомена 2) добијен синтеровањем на 1400°C праћено стотинама сати жарења на 1000°C. За више информација о PST MLC-у, погледајте Допунске напомене 1-3 и Допунску табелу 5.
Главни концепт ове студије заснива се на Олсоновом циклусу (Сл. 1). За такав циклус, потребан нам је резервоар за топлу и хладну воду и напајање способно за праћење и контролу напона и струје у различитим MLC модулима. Ови директни циклуси користили су две различите конфигурације, наиме (1) Линкам модули који греју и хладе један MLC повезан на извор напајања Keithley 2410, и (2) три прототипа (HARV1, HARV2 и HARV3) паралелно са истим извором енергије. У овом другом случају, диелектрична течност (силиконско уље са вискозитетом од 5 cP на 25°C, купљено од Sigma Aldrich) коришћена је за размену топлоте између два резервоара (топлог и хладног) и MLC-а. Термални резервоар се састоји од стаклене посуде напуњене диелектричном течношћу и постављене на врх термалне плоче. Хладно складиштење се састоји од воденог купатила са цевима за течност које садрже диелектричну течност у великој пластичној посуди напуњеној водом и ледом. Два тросмерна штипна вентила (купљена од Bio-Chem Fluidics) постављена су на сваком крају комбајна како би се правилно пребацивала течност из једног резервоара у други (слика 2а). Да би се осигурала термичка равнотежа између PST-MLC пакета и расхладне течности, период циклуса је продужен док улазни и излазни термопарови (што је могуће ближе PST-MLC пакету) нису показали исту температуру. Пајтон скрипта управља и синхронизује све инструменте (мерила извора, пумпе, вентиле и термопарове) како би покренула исправан Олсонов циклус, тј. петља расхладне течности почиње да циклира кроз PST стек након што се мерач извора напуни тако да се загревају на жељеном примењеном напону за дати Олсонов циклус.
Алтернативно, потврдили смо ова директна мерења сакупљене енергије индиректним методама. Ове индиректне методе се заснивају на петљама поља електричног померања (D) - електричног поља (E) сакупљеним на различитим температурама, а израчунавањем површине између две DE петље, може се тачно проценити колико енергије може бити сакупљено, као што је приказано на слици 2.1б. Ове DE петље се такође сакупљају помоћу Keithley мерача извора.
Двадесет осам PST MLC-ова дебљине 1 мм је састављено у паралелну плочасту структуру са 4 реда и 7 колона, према дизајну описаном у референци. 14. Размак између PST-MLC редова је 0,75 мм. Ово се постиже додавањем трака двостране траке као одстојника за течност око ивица PST MLC-а. PST MLC је електрично повезан паралелно сребрним епоксидним мостом у контакту са водовима електрода. Након тога, жице су залепљене сребрном епоксидном смолом са сваке стране терминала електрода за повезивање са напајањем. На крају, цела структура се уметне у полиолефинско црево. Потоње се лепи за цев за флуид како би се осигурало правилно заптивање. Коначно, термопарови типа К дебљине 0,25 мм су уграђени у сваки крај PST-MLC структуре како би се пратиле температуре улазне и излазне течности. Да би се то урадило, црево прво мора бити перфорирано. Након постављања термопара, нанесите исти лепак као и раније између црева термопара и жице да бисте обновили заптивање.
Направљено је осам одвојених прототипова, од којих су четири имала 40 MLC PST-ова дебљине 0,5 мм распоређених као паралелне плоче са 5 колона и 8 редова, а преостала четири су имала по 15 MLC PST-ова дебљине 1 мм, у структури паралелних плоча са 3 колоне × 5 редова. Укупан број коришћених PST MLC-ова био је 220 (160 дебљине 0,5 мм и 60 PST MLC дебљине 1 мм). Ове две подјединице називамо HARV2_160 и HARV2_60. Течни размак у прототипу HARV2_160 састоји се од две двостране траке дебљине 0,25 мм са жицом дебљине 0,25 мм између њих. За прототип HARV2_60, поновили смо исти поступак, али користећи жицу дебљине 0,38 мм. Ради симетрије, HARV2_160 и HARV2_60 имају сопствене флуидне кругове, пумпе, вентиле и хладну страну (Додатна напомена 8). Две HARV2 јединице деле резервоар топлоте, посуду од 3 литра (30 цм x 20 цм x 5 цм) на две грејне плоче са ротирајућим магнетима. Свих осам појединачних прототипова је електрично повезано паралелно. Подјединице HARV2_160 и HARV2_60 раде истовремено у Олсоновом циклусу, што резултира прикупљањем енергије од 11,2 Џула.
Поставите PST MLC дебљине 0,5 мм у полиолефинско црево помоћу двостране траке и жице са обе стране како бисте створили простор за проток течности. Због своје мале величине, прототип је постављен поред вентила топлог или хладног резервоара, минимизирајући време циклуса.
У PST MLC-у, константно електрично поље се примењује применом константног напона на грану за грејање. Као резултат тога, генерише се негативна термална струја и енергија се складишти. Након загревања PST MLC-а, поље се уклања (V = 0), а енергија ускладиштена у њему се враћа назад у бројач извора, што одговара још једном доприносу сакупљене енергије. Коначно, са примењеним напоном V = 0, MLC PST-ови се хладе на почетну температуру тако да циклус може поново да почне. У овој фази, енергија се не сакупља. Покренули смо Олсенов циклус користећи Keithley 2410 SourceMeter, пунећи PST MLC из извора напона и подешавајући подударање струје на одговарајућу вредност тако да је током фазе пуњења сакупљено довољно тачака за поуздане прорачуне енергије.
У Стирлинговим циклусима, PST MLC-ови су пуњени у режиму извора напона при почетној вредности електричног поља (почетни напон Vi > 0), жељеној струји услуге тако да корак пуњења траје око 1 s (и да је прикупљено довољно тачака за поуздан прорачун енергије) и ниској температури. У Стирлинговим циклусима, PST MLC-ови су пуњени у режиму извора напона при почетној вредности електричног поља (почетни напон Vi > 0), жељеној струји услуге тако да корак пуњења траје око 1 s (и да је прикупљено довољно тачака за поуздан прорачун енергије) и ниској температури. У циклусу Стирлинга ПСТ МЛЦ заражались в режиме напражениа при началном значении електрического пола (началном напражение Ви > 0), желаемоем податливом токе, так что етап зарадки занимает около 1 с (и набираетса достатное количество точек дла надежного расчета енергије) и хладна температура. У Стирлинговим PST MLC циклусима, они су пуњени у режиму извора напона при почетној вредности електричног поља (почетни напон Vi > 0), жељеној струји приноса, тако да фаза пуњења траје око 1 s (и сакупљен је довољан број тачака за поуздан прорачун енергије) и ниској температури.在斯特林循环中, ПСТ МЛЦ 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Ви > 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。 У главном циклусу, PST MLC се пуни на почетној вредности електричног поља (почетни напон Vi > 0) у режиму извора напона, тако да потребна струја усклађености траје око 1 секунду за корак пуњења (и прикупили смо довољно поена да поуздано израчунамо (енергију) и ниску температуру. У циклусу Стирлинга ПСТ МЛЦ заражаетса в режиме источника напражениа с начальним значением електрического пола (начетное напражение Ви > 0), требуемиј ток подаливости тако, что етап зарадки занимает около 1 с (и набираетса достатное количество точек, чтоби надежно рассчитать енергиу) и низкие температури. У Стирлинговом циклусу, PST MLC се пуни у режиму извора напона са почетном вредношћу електричног поља (почетни напон Vi > 0), потребна струја услуге је таква да фаза пуњења траје око 1 s (и да се сакупи довољан број тачака за поуздано израчунавање енергије) и ниским температурама.Пре него што се PST MLC загреје, отворите коло применом струје подударања од I = 0 mA (минимална струја подударања коју наш мерни извор може да поднесе је 10 nA). Као резултат тога, наелектрисање остаје у PST-у MJK-а, а напон расте како се узорак загрева. У краку BC се не сакупља енергија јер је I = 0 mA. Након достизања високе температуре, напон у MLT FT се повећава (у неким случајевима више од 30 пута, видети додатну сл. 7.2), MLK FT се празни (V = 0), а електрична енергија се складишти у њима исто колико и почетно наелектрисање. Иста струјна подударност се враћа у мерач-извор. Због појачања напона, ускладиштена енергија на високој температури је већа од оне која је обезбеђена на почетку циклуса. Сходно томе, енергија се добија претварањем топлоте у електричну енергију.
Користили смо Keithley 2410 SourceMeter за праћење напона и струје примењене на PST MLC. Одговарајућа енергија се израчунава интегрисањем производа напона и струје очитаних Keithley-јевим мерачем извора, \ (E = {\int}_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), где је τ период периода. На нашој енергетској кривој, позитивне вредности енергије означавају енергију коју морамо дати MLC PST-у, а негативне вредности означавају енергију коју извлачимо из њих и самим тим енергију коју примамо. Релативна снага за дати циклус сакупљања одређује се дељењем сакупљене енергије са периодом τ целог циклуса.
Сви подаци су представљени у главном тексту или у додатним информацијама. Писма и захтеви за материјалима треба да буду усмерени на извор АТ или ЕД података који су дати уз овај чланак.
Андо Јуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Преглед развоја и примене термоелектричних микрогенератора за прикупљање енергије. Андо Јуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Преглед развоја и примене термоелектричних микрогенератора за прикупљање енергије.Андо Јуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, Северна Каролина. Преглед развоја и примене термоелектричних микрогенератора за прикупљање енергије. Андо Јуниор, ОХ, Маран, АЛО & Хенао, НЦ 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Андо Јуниор, ОХ, Маран, АЛО & Хенао, НЦАндо Јуниор, Охајо, Маран, Ало Луис и Хенао, Северна Каролина, разматрају развој и примену термоелектричних микрогенератора за прикупљање енергије.наставити. подршка. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕЦ, Ерлер, Б. и Синке, ВЦ Фотонапонски материјали: садашња ефикасност и будући изазови. Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕЦ, Ерлер, Б. и Синке, ВЦ Фотонапонски материјали: садашња ефикасност и будући изазови.Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕК, Ерлер, Б. и Синке, ВК Фотонапонски материјали: тренутне перформансе и будући изазови. Полман, А., Книгхт, М., Гарнетт, ЕЦ, Ехрлер, Б. & Синке, ВЦ 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕЦ, Ерлер, Б. и Синке, ВЦ Соларни материјали: тренутна ефикасност и будући изазови.Полман, А., Најт, М., Гарнет, ЕК, Ерлер, Б. и Синке, ВК Фотонапонски материјали: тренутне перформансе и будући изазови.Наука 352, aad4424 (2016).
Сонг, К., Жао, Р., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј. Коњунктовани пиро-пиезоелектрични ефекат за сопствено напајање истовременог мерења температуре и притиска. Сонг, К., Жао, Р., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј. Коњунктни пиро-пиезоелектрични ефекат за сопствено напајање истовременог мерења температуре и притиска.Сонг К., Жао Р., Ванг ЗЛ и Јан Ју. Комбиновани пиропиезоелектрични ефекат за аутономно истовремено мерење температуре и притиска. Сонг, К., Зхао, Р., Ванг, ЗЛ & Ианг, И. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Сонг, К., Жао, Р., Ванг, ЗЛ и Јанг, Ј. За самонапајање истовремено са температуром и притиском.Сонг К., Жао Р., Ванг ЗЛ и Јан Ју. Комбиновани термопиезоелектрични ефекат за аутономно истовремено мерење температуре и притиска.Напред. алма матер 31, 1902831 (2019).
Себалд, Г., Прувост, С. и Гајомар, Д. Прикупљање енергије засновано на Ериксоновим пироелектричним циклусима у релаксорској фероелектричној керамици. Себалд, Г., Прувост, С. и Гајомар, Д. Прикупљање енергије засновано на Ериксоновим пироелектричним циклусима у релаксорској фероелектричној керамици.Себалд Г., Прувост С. и Гајомар Д. Прикупљање енергије засновано на пироелектричним Ериксоновим циклусима у релаксорској фероелектричној керамици.Себалд Г., Прувост С. и Гајомар Д. Прикупљање енергије у релаксорској фероелектричној керамици на основу Ериксоновог пироелектричног циклуса. Паметна алма матер структура. 17, 15012 (2007).
Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролије-Мекинстри, С., Жанг, К. и Вотмор, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали следеће генерације за електротермалну конверзију енергије у чврстом стању. Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролије-Мекинстри, С., Жанг, К. и Вотмор, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали следеће генерације за електротермалну конверзију енергије у чврстом стању. Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ. Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролије-Мекинстри, С., Жанг, К. и Вотмор, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали следеће генерације за електротермалну конверзију енергије у чврстом стању. Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролије-Мекинстри, С., Жанг, К. и Вотмор, РВ Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ. Алпај, СП, Мантезе, Ј., Тролије-Мекинстри, С., Жанг, К. и Вотмор, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали следеће генерације за електротермалну конверзију енергије у чврстом стању.Лејди Бул, 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандард и показатељ вредности за квантификацију перформанси пироелектричних наногенератора. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Стандард и показатељ вредности за квантификацију перформанси пироелектричних наногенератора.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL и Yang, Yu. Стандардна и квалитетна оцена за квантификацију перформанси пироелектричних наногенератора. Зханг, К., Ванг, И., Ванг, ЗЛ и Ианг, И. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Зханг, К., Ванг, И., Ванг, ЗЛ & Ианг, И.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL и Yang, Yu. Критеријуми и мере учинка за квантификацију учинка пироелектричног наногенератора.Нано енергија 55, 534–540 (2019).
Кросли, С., Наир, Б., Вотмор, РВ, Моја, Кс. и Матур, НД Електрокалорични циклуси хлађења у олово-скандијум танталату са правом регенерацијом путем варијације поља. Кросли, С., Наир, Б., Вотмор, РВ, Моја, Кс. и Матур, НД Електрокалорични циклуси хлађења у олово-скандијум танталату са правом регенерацијом путем варијације поља.Кросли, С., Наир, Б., Вотмор, РВ, Моја, Кс. и Матур, НД Електрокалорични циклуси хлађења у олово-скандијум танталату са правом регенерацијом помоћу модификације поља. Цросслеи, С., Наир, Б., Вхатморе, РВ, Моиа, Кс. & Матхур, НД 钽酸钪铅的电热冷却循环，通过场变化实现真正的 Цросслеи, С., Наир, Б., Вхатморе, РВ, Моиа, Кс. и Матхур, НД. Танталум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。Кросли, С., Наир, Б., Вотмор, РВ, Моја, Кс. и Матур, НД Електротермички циклус хлађења скандијум-олово танталата за истинску регенерацију путем обртања поља.физика Рев. X 9, 41002 (2019).
Моја, X., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Калоријски материјали у близини фероичних фазних прелаза. Моја, X., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Калоријски материјали у близини фероичних фазних прелаза.Моја, X., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Калоријски материјали у близини фероидних фазних прелаза. Моиа, Кс., Кар-Нараиан, С. & Матхур, НД 铁质相变附近的热量材料。 Моја, X., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Термички материјали у близини црне металургије.Моја, X., Кар-Нарајан, С. и Матур, НД Термички материјали у близини фазних прелаза гвожђа.Нат. алма матер 13, 439–450 (2014).
Моја, X. и Матур, НД Калоријски материјали за хлађење и грејање. Моја, X. и Матур, НД Калоријски материјали за хлађење и грејање.Моја, X. и Матур, НД Термални материјали за хлађење и грејање. Моиа, Кс. и Матхур, НД 用于冷却和加热的热量材料。 Моја, X. и Матур, НД Термални материјали за хлађење и грејање.Моја X. и Матур НД Термални материјали за хлађење и грејање.Наука 370, 797–803 (2020).
Торелло, А. & Дефаи, Е. Елецтроцалориц цоолерс: а ревиев. Торелло, А. & Дефаи, Е. Елецтроцалориц цоолерс: а ревиев.Торело, А. и Дефеј, Е. Електрокалорични чилери: преглед. Торелло, А. & Дефаи, Е. 电热冷却器：评论。 Торелло, А. & Дефаи, Е. 电热冷却器：评论。Торело, А. и Дефеј, Е. Електротермални хладњаци: преглед.Напредна електроника. Алма матер. 8. 2101031 (2022).
Нучокгве, Ј. и др. Огромна енергетска ефикасност електрокалоричног материјала у високо уређеном скандијум-скандијум-олово систему. National communication. 12, 3298 (2021).
Наир, Б. и др. Електротермички ефекат оксидних вишеслојних кондензатора је велики у широком температурном опсегу. Nature 575, 468–472 (2019).
Торело, А. и др. Огроман температурни опсег у електротермалним регенераторима. Science 370, 125–129 (2020).
Ванг, Ј. и др. Високо ефикасни чврсти електротермални систем за хлађење. Science 370, 129–133 (2020).
Менг, Ј. и др. Каскадни електротермички уређај за хлађење за велики пораст температуре. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Олсен, РБ и Браун, ДД Високоефикасна директна конверзија топлоте у електричну енергију, пироелектрична мерења. Олсен, РБ и Браун, ДД Високоефикасна директна конверзија топлоте у електричну енергију, пироелектрична мерења.Олсен, РБ и Браун, ДД Високо ефикасна директна конверзија топлоте у електричну енергију повезана са пироелектричним мерењима. Олсен, РБ & Бровн, ДД 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Олсен, играч на позицији ранинг бека и Браун, играч на позицији дефанзивцаОлсен, РБ и Браун, ДД Ефикасна директна конверзија топлоте у електричну енергију повезана са пироелектричним мерењима.Фероелектрици 40, 17–27 (1982).
Панђа, С. и др. Густина енергије и снаге у танким релаксорским фероелектричним филмовима. Национална алма матер. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Смит, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизација фероелектричног фазног прелаза и електричних губитака. Смит, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизација фероелектричног фазног прелаза и електричних губитака.Смит, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: фероелектрични фазни прелаз и оптимизација електричних губитака. Смитх, АН & Ханрахан, БМ 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Смит, АН и Ханрахан, БМСмит, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизација фероелектричних фазних прелаза и електричних губитака.J. Application. physics. 128, 24103 (2020).
Хоч, СР Употреба фероелектричних материјала за претварање топлотне енергије у електричну енергију. процес. IEEE 51, 838–845 (1963).
Олсен, РБ, Бруно, ДА, Бриско, ЈМ и Дулеа, Ј. Каскадни пироелектрични конвертор енергије. Олсен, РБ, Бруно, ДА, Бриско, ЈМ и Дулеа, Ј. Каскадни пироелектрични конвертор енергије.Олсен, РБ, Бруно, ДА, Бриско, ЈМ и Дулеа, Ј. Каскадни пироелектрични претварач снаге. Олсен, РБ, Бруно, ДА, Брисцое, ЈМ & Дуллеа, Ј. 级联热释电能量转换器。 Олсен, РБ, Бруно, ДА, Брисцое, ЈМ & Дуллеа, Ј. 级联热释电能量转换器。Олсен, РБ, Бруно, ДА, Бриско, ЈМ и Дулеа, Ј. Каскадни пироелектрични конвертори снаге.Фероелектрици 59, 205–219 (1984).
Шебанов, Л. и Борман, К. О чврстим растворима олово-скандијум танталата са високим електрокалоричним ефектом. Шебанов, Л. и Борман, К. О чврстим растворима олово-скандијум танталата са високим електрокалоричним ефектом.Шебанов Л. и Борман К. О чврстим растворима олово-скандијум танталата са високим електрокалоричним ефектом. Шебанов, Л. и Борман, К. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Шебанов, Л. и Борман, К.Шебанов Л. и Борман К. О чврстим растворима скандијум-олово-скандијум са високим електрокалоричним ефектом.Фероелектрици 127, 143–148 (1992).
Захваљујемо се Н. Фурусави, Ј. Иноеу и К. Хонди на њиховој помоћи у креирању MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB и ED. Захваљујемо се Луксембуршкој националној истраживачкој фондацији (FNR) на подршци овом раду путем CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay и BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Одељење за истраживање и технологију материјала, Луксембуршки технолошки институт (LIST), Белвоар, Луксембург