Понуда одрживих извора електричне енергије један је од најважнијих изазова овог века. Области истраживања у материјалима за прикупљање енергије потичу из ове мотивације, укључујући термоелектричне1, фотонапонске2 и термофотоволтаике3. Иако нам недостају материјали и уређаји способни за прикупљање енергије у Јоуле опсегу, пироелектрични материјали који могу да претварају електричну енергију у периодичне промене температуре 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 К ови вишеслојни кондензатори могу достићи 40% Карноове ефикасности. Ова својства су последица (1) фероелектричне промене фазе за високу ефикасност, (2) ниске струје цурења ради спречавања губитака и (3) високог напона пробоја. Ови макроскопски, скалабилни и ефикасни пироелектрични сакупљачи енергије поново замишљају производњу термоелектричне енергије.
У поређењу са просторним температурним градијентом потребним за термоелектричне материјале, прикупљање енергије термоелектричних материјала захтева циклично кретање температуре током времена. То значи термодинамички циклус, који се најбоље описује дијаграмом ентропије (С)-температуре (Т). Слика 1а приказује типичан СТ дијаграм нелинеарног пироелектричног (НЛП) материјала који демонстрира фероелектрично-параелектрични фазни прелаз вођен пољем у скандијум олово танталату (ПСТ). Плава и зелена секција циклуса на СТ дијаграму одговарају конвертованој електричној енергији у Олсоновом циклусу (две изотермне и две изополне секције). Овде разматрамо два циклуса са истом променом електричног поља (укључивање и искључивање поља) и променом температуре ΔТ, иако са различитим почетним температурама. Зелени циклус се не налази у региону фазне транзиције и стога има много мању површину од плавог циклуса који се налази у региону фазне транзиције. У СТ дијаграму, што је већа површина, то је већа прикупљена енергија. Према томе, фазни прелаз мора прикупити 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 (МЛЦ) и терполимери на бази ПВДФ недавно показали одличне реверзне перформансе. статус перформанси хлађења у циклусу 13,14,15,16. Стога смо идентификовали ПСТ МЛЦ од интереса за прикупљање топлотне енергије. Ови узорци су у потпуности описани у методама и окарактерисани у додатним напоменама 1 (скенирајућа електронска микроскопија), 2 (дифракција рендгенских зрака) и 3 (калориметрија).
а, Скица дијаграма ентропијске (С)-температуре (Т) са укљученим и искљученим електричним пољем примењеним на НЛП материјале који приказује фазне прелазе. Два циклуса прикупљања енергије приказана су у две различите температурне зоне. Плави и зелени циклуси се јављају унутар и изван фазног прелаза, респективно, и завршавају се у веома различитим деловима површине. б, два ДЕ ПСТ МЛЦ униполарна прстена, дебљине 1 мм, измерена између 0 и 155 кВ цм-1 на 20 °Ц и 90 °Ц, респективно, и одговарајући Олсенови циклуси. Слова АБЦД се односе на различита стања у Олсоновом циклусу. АБ: МЛЦ су напуњени до 155 кВ цм-1 на 20°Ц. БЦ: МЛЦ је одржаван на 155 кВ цм-1 и температура је подигнута на 90 °Ц. ЦД: МЛЦ се празни на 90°Ц. ДА: МЛЦ охлађен на 20°Ц у нултом пољу. Плаво подручје одговара улазној снази потребној за покретање циклуса. Наранџаста област је енергија прикупљена у једном циклусу. ц, горњи панел, напон (црно) и струја (црвено) у односу на време, праћено током истог Олсоновог циклуса као и б. Два уметка представљају појачање напона и струје у кључним тачкама циклуса. У доњем панелу, жута и зелена крива представљају одговарајуће криве температуре и енергије за МЛЦ дебљине 1 мм. Енергија се израчунава из криве струје и напона на горњој плочи. Негативна енергија одговара прикупљеној енергији. Кораци који одговарају великим словима на четири фигуре су исти као у Олсоновом циклусу. Циклус АБ'ЦД одговара Стирлинговом циклусу (додатна напомена 7).
где су Е и Д електрично поље и поље електричног померања, респективно. Нд се може добити индиректно из ДЕ кола (слика 1б) или директно покретањем термодинамичког циклуса. Најкорисније методе описао је Олсен у свом пионирском раду на прикупљању пироелектричне енергије 1980-их17.
На сл. 1б приказује две монополарне ДЕ петље од 1 мм дебелих ПСТ-МЛЦ узорака састављених на 20 °Ц и 90 °Ц, респективно, у опсегу од 0 до 155 кВ цм-1 (600 В). Ова два циклуса се могу користити за индиректно израчунавање енергије прикупљене Олсоновим циклусом приказаним на слици 1а. У ствари, Олсенов циклус се састоји од две гране изопоља (овде, нулто поље у ДА грани и 155 кВ цм-1 у БЦ грани) и две изотермне гране (овде, 20°С и 20°С у АБ грани) . Ц у ЦД грани) Енергија прикупљена током циклуса одговара наранџастом и плавом региону (ЕдД интеграл). Прикупљена енергија Нд је разлика између улазне и излазне енергије, односно само наранџаста површина на сл. 1б. Овај посебан Олсонов циклус даје густину Нд енергије од 1,78 Ј цм-3. Стирлингов циклус је алтернатива Олсоновом циклусу (додатна напомена 7). Пошто се степен константног пуњења (отворено коло) лакше постиже, густина енергије екстрахована са слике 1б (циклус АБ'ЦД) достиже 1,25 Ј цм-3. Ово је само 70% онога што Олсонов циклус може да прикупи, али једноставна опрема за жетву то чини.
Поред тога, директно смо измерили енергију прикупљену током Олсоновог циклуса тако што смо укључили ПСТ МЛЦ користећи Линкам степен контроле температуре и мерач извора (метод). Слика 1ц на врху и на одговарајућим уметцима приказује струју (црвено) и напон (црно) прикупљене на истом ПСТ МЛЦ дебљине 1 мм као и за ДЕ петљу која пролази кроз исти Олсонов циклус. Струја и напон омогућавају израчунавање прикупљене енергије, а криве су приказане на сл. 1ц, дно (зелено) и температура (жуто) током циклуса. Слова АБЦД представљају исти Олсонов циклус на слици 1. МЛЦ пуњење се дешава током АБ крака и изводи се при малој струји (200 µА), тако да СоурцеМетер може правилно да контролише пуњење. Последица ове константне почетне струје је да крива напона (црна крива) није линеарна због нелинеарног потенцијалног поља померања Д ПСТ (слика 1ц, горњи уметак). На крају пуњења, 30 мЈ електричне енергије се складишти у МЛЦ (тачка Б). МЛЦ се затим загрева и ствара се негативна струја (а самим тим и негативна струја) док напон остаје на 600 В. Након 40 с, када је температура достигла плато од 90 °Ц, ова струја је компензована, иако је степенасти узорак произвео је у колу електричну снагу од 35 мЈ током овог изопоља (други уметак на слици 1ц, горе). Напон на МЛЦ-у (грана ЦД) се тада смањује, што доводи до додатних 60 мЈ електричног рада. Укупна излазна енергија је 95 мЈ. Прикупљена енергија је разлика између улазне и излазне енергије, што даје 95 – 30 = 65 мЈ. Ово одговара густини енергије од 1,84 Ј цм-3, што је веома близу Нд екстрахованом из ДЕ прстена. Репродуцибилност овог Олсоновог циклуса је опсежно тестирана (додатна напомена 4). Даљњим повећањем напона и температуре, постигли смо 4,43 Ј цм-3 коришћењем Олсенових циклуса у ПСТ МЛЦ дебљине 0,5 мм у температурном опсегу од 750 В (195 кВ цм-1) и 175 °Ц (додатна напомена 5). Ово је четири пута веће од најбољих перформанси пријављених у литератури за директне Олсонове циклусе и добијено је на танким филмовима Пб(Мг,Нб)О3-ПбТиО3 (ПМН-ПТ) (1,06 Ј цм-3)18 (цм .Допунски Табела 1 за више вредности у литератури). Овај учинак је постигнут захваљујући веома ниској струји цурења ових МЛЦ-ова (<10–7 А на 750 В и 180 °Ц, погледајте детаље у Додатној напомени 6) – кључну тачку коју су споменули Смитх ет ал.19 – насупрот томе на материјале коришћене у ранијим студијама17,20. Овај учинак је постигнут захваљујући веома ниској струји цурења ових МЛЦ-ова (<10–7 А на 750 В и 180 °Ц, погледајте детаље у Додатној напомени 6) – кључну тачку коју су споменули Смитх ет ал.19 – насупрот томе на материјале коришћене 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 МЛЦ-ова (<10–7 А на 750 В и 180 °Ц, погледајте допунску напомену 6 за детаље) – критичну тачку коју су споменули Смитх ет ал. 19 – за разлику од материјала коришћених у ранијим студијама17,20.由于这些МЛЦ 的泄漏电流非常低 (在750 В 和180 °Ц 时<10-7 А,请参见补充见补充读明 佅读明 6 мин.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 млц 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 В 和 180 ° Ц 时 <10-7 А ， 参见 补 昅 诉）））） — 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 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 МЛЦ-ова веома ниска (<10–7 А на 750 В и 180 °Ц, погледајте додатну напомену 6 за детаље) – кључну тачку коју су споменули Смитх ет ал. 19 – поређења ради, ове перформансе су постигнуте.на материјале коришћене у ранијим студијама 17,20.
Исти услови (600 В, 20–90 °Ц) примењени на Стирлингов циклус (додатна напомена 7). Као што се очекивало из резултата ДЕ циклуса, принос је био 41,0 мЈ. Једна од најупечатљивијих карактеристика Стирлингових циклуса је њихова способност да појачају почетни напон кроз термоелектрични ефекат. Приметили смо повећање напона до 39 (од почетног напона од 15 В до крајњег напона до 590 В, видети додатну слику 7.2).
Још једна карактеристична карактеристика ових МЛЦ-а је да су макроскопски објекти довољно велики да сакупљају енергију у опсегу џула. Стога смо конструисали прототип комбајна (ХАРВ1) користећи 28 МЛЦ ПСТ дебљине 1 мм, пратећи исти дизајн паралелне плоче који су описали Торелло ет ал.14, у матрици 7×4 као што је приказано на слици. Диелектрични флуид који носи топлоту у колектор се помера перисталтичком пумпом између два резервоара где се температура флуида одржава константном (метода). Сакупите до 3,1 Ј користећи Олсонов циклус описан на сл. 2а, изотермне области на 10°Ц и 125°Ц и области изопоља на 0 и 750 В (195 кВ цм-1). Ово одговара густини енергије од 3,14 Ј цм-3. Користећи овај комбајн, мерења су вршена под различитим условима (слика 2б). Имајте на уму да је 1,8 Ј добијено у температурном опсегу од 80 °Ц и напону од 600 В (155 кВ цм-1). Ово се добро слаже са претходно поменутим 65 мЈ за ПСТ МЛЦ дебљине 1 мм под истим условима (28 × 65 = 1820 мЈ).
а, Експериментално подешавање састављеног ХАРВ1 прототипа заснованог на 28 МЛЦ ПСТ-ова дебљине 1 мм (4 реда × 7 колона) који раде на Олсоновим циклусима. За сваки од четири корака циклуса, температура и напон су дати у прототипу. Рачунар покреће перисталтичку пумпу која циркулише диелектрични флуид између хладног и топлог резервоара, два вентила и извора напајања. Компјутер такође користи термоелементе за прикупљање података о напону и струји који се напајају прототипу и температури комбајна из извора напајања. б, Енергија (боја) коју је прикупио наш 4×7 МЛЦ прототип у односу на температурни опсег (Кс-оса) и напон (И-оса) у различитим експериментима.
Већа верзија харвестера (ХАРВ2) са 60 ПСТ МЛЦ дебљине 1 мм и 160 ПСТ МЛЦ дебљине 0,5 мм (41,7 г активног пироелектричног материјала) дала је 11,2 Ј (додатна напомена 8). Године 1984. Олсен је направио енергетски комбајн заснован на 317 г једињења Пб(Зр,Ти)О3 допираног калајем способног да генерише 6,23 Ј електричне енергије на температури од око 150 °Ц (реф. 21). За овај комбајн, ово је једина друга доступна вредност у опсегу џула. Добио је нешто више од половине вредности коју смо постигли и скоро седам пута већи квалитет. То значи да је густина енергије ХАРВ2 13 пута већа.
Период циклуса ХАРВ1 је 57 секунди. Ово је произвело 54 мВ снаге са 4 реда по 7 колона МЛЦ комплета дебљине 1 мм. Да бисмо направили корак даље, направили смо трећи комбајн (ХАРВ3) са ПСТ МЛЦ-ом дебљине 0,5 мм и сличним подешавањем као ХАРВ1 и ХАРВ2 (додатна напомена 9). Измерили смо време термализације од 12,5 секунди. Ово одговара времену циклуса од 25 с (додатна слика 9). Прикупљена енергија (47 мЈ) даје електричну снагу од 1,95 мВ по МЛЦ-у, што нам заузврат омогућава да замислимо да ХАРВ2 производи 0,55 В (приближно 1,95 мВ × 280 ПСТ МЛЦ дебљине 0,5 мм). Поред тога, симулирали смо пренос топлоте користећи симулацију коначних елемената (ЦОМСОЛ, додатна напомена 10 и додатне табеле 2–4) у складу са експериментима ХАРВ1. Моделирање коначних елемената омогућило је предвиђање вредности снаге скоро за ред величине веће (430 мВ) за исти број ПСТ колона тако што је МЛЦ стањио на 0,2 мм, користећи воду као расхладну течност и враћајући матрицу на 7 редова . × 4 колоне (поред 960 мВ када је резервоар био поред комбајна, допунска слика 10б).
Да би се демонстрирала корисност овог колектора, Стирлингов циклус је примењен на самостални демонстратор који се састоји од само два ПСТ МЛЦ-а дебљине 0,5 мм као колектора топлоте, прекидача високог напона, прекидача ниског напона са кондензатором за складиштење, ДЦ/ДЦ претварача , микроконтролер мале снаге, два термопара и појачивач (допунска напомена 11). Коло захтева да се кондензатор за складиштење у почетку напуни на 9В, а затим ради аутономно док се температура два МЛЦ-а креће од -5°Ц до 85°Ц, овде у циклусима од 160 с (неколико циклуса је приказано у Додатној напомени 11) . Занимљиво је да два МЛЦ-а тежине само 0,3 г могу аутономно да контролишу овај велики систем. Још једна занимљива карактеристика је да нисконапонски претварач може да конвертује 400В у 10-15В са ефикасношћу од 79% (додатна напомена 11 и додатна слика 11.3).
На крају, проценили смо ефикасност ових МЛЦ модула у претварању топлотне енергије у електричну енергију. Фактор квалитета η ефикасности је дефинисан као однос густине прикупљене електричне енергије Нд и густине испоручене топлоте Кин (додатна напомена 12):
Слике 3а,б приказују ефикасност η и пропорционалну ефикасност ηр Олсеновог циклуса, респективно, као функцију температурног опсега ПСТ МЛЦ дебљине 0,5 мм. Оба скупа података дата су за електрично поље од 195 кВ цм-1. Ефикасност \(\ово\) достиже 1,43%, што је еквивалентно 18% ηр. Међутим, за температурни опсег од 10 К од 25 °Ц до 35 °Ц, ηр достиже вредности до 40% (плава крива на сл. 3б). Ово је двоструко већа од познате вредности за НЛП материјале снимљене у ПМН-ПТ филмовима (ηр = 19%) у температурном опсегу од 10 К и 300 кВ цм-1 (Реф. 18). Опсези температуре испод 10 К нису узети у обзир јер је термичка хистереза ​​ПСТ МЛЦ између 5 и 8 К. Препознавање позитивног ефекта фазних прелаза на ефикасност је критично. У ствари, оптималне вредности η и ηр су скоро све добијене на почетној температури Ти = 25°Ц на сл. 3а,б. Ово је због блиског фазног прелаза када се не примењује поље и да је Киријева температура ТЦ око 20 °Ц у овим МЛЦ (додатна напомена 13).
а,б, ефикасност η и пропорционална ефикасност Олсоновог циклуса (а)\({\ета }_{{\рм{р}}}=\ета /{\ета}_{{\рм{Царнот} } за максимално електрично поље од 195 кВ цм-1 и различите почетне температуре Ти, }}\,\)(б) за МПЦ ПСТ дебљине 0,5 мм, у зависности од температурног интервала ΔТспан.
Последње запажање има две важне импликације: (1) сваки ефикасан циклус мора да почне на температурама изнад ТЦ да би се догодио фазни прелаз изазван пољем (од параелектричног у фероелектрични); (2) ови материјали су ефикаснији у временима рада близу ТЦ. Иако су у нашим експериментима приказане велике ефикасности, ограничен температурни опсег нам не дозвољава да постигнемо велику апсолутну ефикасност због Карноове границе (\(\Делта Т/Т\)). Међутим, одлична ефикасност коју су показали ови ПСТ МЛЦ-и оправдава Олсена када помиње да „идеалан регенеративни термоелектрични мотор класе 20 који ради на температурама између 50 °Ц и 250 °Ц може имати ефикасност од 30%“17. Да би се достигле ове вредности и тестирао концепт, било би корисно користити допиране ПСТ са различитим ТЦ, како су проучавали Схебанов и Борман. Они су показали да ТЦ у ПСТ може да варира од 3°Ц (допирање Сб) до 33°Ц (допирање Ти) 22 . Стога претпостављамо да пироелектрични регенератори следеће генерације засновани на допираним ПСТ МЛЦ-овима или другим материјалима са јаком фазном транзицијом првог реда могу да се такмиче са најбољим сакупљачима енергије.
У овој студији смо истраживали МЛЦ направљене од ПСТ-а. Ови уређаји се састоје од низа Пт и ПСТ електрода, при чему је неколико кондензатора спојено паралелно. ПСТ је изабран јер је одличан ЕЦ материјал и стога потенцијално одличан НЛП материјал. Показује оштар фероелектрично-параелектрични фазни прелаз првог реда на око 20 °Ц, што указује да су његове промене ентропије сличне онима приказаним на слици 1. Слични МЛЦ су у потпуности описани за ЕЦ13,14 уређаје. У овој студији користили смо МЛЦ од 10,4 × 7,2 × 1 мм³ и 10,4 × 7,2 × 0,5 мм³. МЛЦ дебљине 1 мм и 0,5 мм направљене су од 19 и 9 слојева ПСТ-а дебљине 38,6 µм, респективно. У оба случаја, унутрашњи ПСТ слој је постављен између платинских електрода дебљине 2,05 µм. Дизајн ових МЛЦ-ова претпоставља да је 55% ПСТ-ова активно, што одговара делу између електрода (Допунска напомена 1). Површина активне електроде била је 48,7 мм2 (додатна табела 5). МЛЦ ПСТ је припремљен реакцијом чврсте фазе и методом ливења. Детаљи процеса припреме су описани у претходном чланку14. Једна од разлика између ПСТ МЛЦ-а и претходног чланка је редослед Б-сајтова, што у великој мери утиче на перформансе ЕЦ-а у ПСТ-у. Редослед Б-места ПСТ МЛЦ-а је 0,75 (додатна напомена 2) добијено синтеровањем на 1400 ° Ц након чега следи стотине сати дугог жарења на 1000 ° Ц. За више информација о ПСТ МЛЦ-у, погледајте додатне напомене 1-3 и додатну табелу 5.
Главни концепт ове студије заснован је на Олсоновом циклусу (слика 1). За такав циклус, потребан нам је топао и хладан резервоар и напајање способно да надгледа и контролише напон и струју у различитим МЛЦ модулима. Ови директни циклуси су користили две различите конфигурације, односно (1) Линкам модули за грејање и хлађење једног МЛЦ-а који је повезан са Кеитхлеи 2410 извором напајања и (2) три прототипа (ХАРВ1, ХАРВ2 и ХАРВ3) паралелно са истим извором енергије. У последњем случају, диелектрични флуид (силиконско уље са вискозитетом од 5 цП на 25°Ц, купљено од Сигма Алдрицх) је коришћен за размену топлоте између два резервоара (топлог и хладног) и МЛЦ. Термални резервоар се састоји од стаклене посуде испуњене диелектричним флуидом и постављеног на врх термалне плоче. Хладњак се састоји од воденог купатила са цевима за течност које садрже диелектрични флуид у великој пластичној посуди напуњеној водом и ледом. Два тросмерна вентила (купљена од Био-Цхем Флуидицс) су постављена на сваком крају комбајна да би се течност правилно пребацила из једног резервоара у други (Слика 2а). Да би се обезбедила термичка равнотежа између ПСТ-МЛЦ пакета и расхладне течности, период циклуса је продужен све док улазни и излазни термопарови (што је могуће ближе ПСТ-МЛЦ пакету) нису показали исту температуру. Питхон скрипта управља и синхронизује све инструменте (изворне мераче, пумпе, вентиле и термопарове) да би покренули исправан Олсонов циклус, тј. петља расхладне течности почиње да кружи кроз ПСТ стек након што се мерач извора напуни тако да се загреју на жељену вредност. примењени напон за дати Олсонов циклус.
Алтернативно, ова директна мерења прикупљене енергије потврдили смо индиректним методама. Ове индиректне методе се заснивају на електричним померањима (Д) – електричним пољима (Е) сакупљеним на различитим температурама, а израчунавањем површине између две ДЕ петље може се тачно проценити колико енергије може да се прикупи, као што је приказано на слици. . на слици 2. .1б. Ове ДЕ петље се такође прикупљају помоћу Кеитхлеи изворних мерача.
Двадесет осам ПСТ МЛЦ-ова дебљине 1 мм састављено је у структуру паралелних плоча од 4 реда и 7 колона према дизајну описаном у референци. 14. Размак између ПСТ-МЛЦ редова је 0,75 мм. Ово се постиже додавањем трака двостране траке као течних одстојника око ивица ПСТ МЛЦ-а. ПСТ МЛЦ је електрично повезан паралелно са сребрним епоксидним мостом у контакту са водовима електроде. Након тога, жице су залепљене сребрном епоксидном смолом са сваке стране терминала електроде за повезивање са напајањем. На крају, убаците целу структуру у полиолефинско црево. Потоњи је залепљен на цев за течност како би се обезбедило правилно заптивање. Коначно, термоелементи К-типа дебљине 0,25 мм уграђени су у сваки крај ПСТ-МЛЦ структуре за праћење улазне и излазне температуре течности. Да бисте то урадили, црево прво мора бити перфорирано. Након постављања термоелемента, нанесите исти лепак као раније између црева термоелемента и жице да бисте вратили заптивку.
Изграђено је осам одвојених прототипова, од којих су четири имала 40 МЛЦ ПСТ-ова дебљине 0,5 мм распоређених као паралелне плоче са 5 колона и 8 редова, а преостала четири су имала по 15 МЛЦ ПСТ-ова дебљине 1 мм. у структури паралелних плоча од 3 колоне × 5 редова. Укупан број коришћених ПСТ МЛЦ-а био је 220 (160 дебљине 0,5 мм и 60 ПСТ МЛЦ-а дебљине 1 мм). Ове две подјединице називамо ХАРВ2_160 и ХАРВ2_60. Течни јаз у прототипу ХАРВ2_160 састоји се од две двостране траке дебљине 0,25 мм са жицом дебљине 0,25 мм између њих. За прототип ХАРВ2_60 поновили смо исти поступак, али користећи жицу дебљине 0,38 мм. Ради симетрије, ХАРВ2_160 и ХАРВ2_60 имају сопствена кола за течност, пумпе, вентиле и хладну страну (додатна напомена 8). Две ХАРВ2 јединице деле резервоар за топлоту, посуду од 3 литра (30 цм к 20 цм к 5 цм) на две грејне плоче са ротирајућим магнетима. Свих осам појединачних прототипова електрично је повезано паралелно. Подјединице ХАРВ2_160 и ХАРВ2_60 раде истовремено у Олсоновом циклусу што резултира жетвом енергије од 11,2 Ј.
Поставите ПСТ МЛЦ дебљине 0,5 мм у полиолефинско црево са двостраном траком и жицом са обе стране како бисте створили простор за проток течности. Због своје мале величине, прототип је постављен поред вентила резервоара за топлу или хладну воду, минимизирајући време циклуса.
У ПСТ МЛЦ, константно електрично поље се примењује применом константног напона на грејну грану. Као резултат, ствара се негативна топлотна струја и енергија се складишти. Након загревања ПСТ МЛЦ, поље се уклања (В = 0), а енергија ускладиштена у њему се враћа назад на бројач извора, што одговара још једном доприносу прикупљене енергије. Коначно, са примењеним напоном В = 0, МЛЦ ПСТ се хладе на своју почетну температуру тако да циклус може поново да почне. У овој фази енергија се не сакупља. Покренули смо Олсенов циклус користећи Кеитхлеи 2410 СоурцеМетер, пунили ПСТ МЛЦ из извора напона и поставили тренутно подударање на одговарајућу вредност тако да је током фазе пуњења прикупљено довољно поена за поуздане прорачуне енергије.
У Стирлинговим циклусима, ПСТ МЛЦ су напуњени у режиму извора напона при почетној вредности електричног поља (почетни напон Ви > 0), жељеној струји усклађености, тако да корак пуњења траје око 1 с (и прикупљено је довољно поена за поуздан прорачун енергија) и хладна температура. У Стирлинговим циклусима, ПСТ МЛЦ су напуњени у режиму извора напона при почетној вредности електричног поља (почетни напон Ви > 0), жељеној струји усклађености, тако да корак пуњења траје око 1 с (и прикупљено је довољно поена за поуздан прорачун енергија) и хладна температура. 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 Стирлинг ПСТ МЛЦ циклусима, напуњени су у режиму извора напона при почетној вредности електричног поља (почетни напон Ви > 0), жељеној струји приноса, тако да фаза пуњења траје око 1 с (и довољан број бодова се прикупљају за поуздан прорачун енергије) и хладне температуре.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)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, ПСТ МЛЦ се пуни на почетној вредности електричног поља (почетни напон Ви > 0) у режиму извора напона, тако да је потребна струја усклађености траје око 1 секунду за корак пуњења (и прикупили смо довољно поена да поуздано израчунати (енергију) и ниске температуре. У циклусу Стирлинга ПСТ МЛЦ заражаетса в режиме источника напражениа с начальним значением електрического пола (почетное напражение Ви > 0), требуемиј ток подаливости тако, что етапа зарадки занимает около 1 с (и набираетса достаточное количество точек, чтоби надежно рассчитать енергиу) и низкие температури . У Стирлинговом циклусу, ПСТ МЛЦ се пуни у режиму извора напона са почетном вредношћу електричног поља (почетни напон Ви > 0), потребна струја усклађености је таква да фаза пуњења траје око 1 с (и довољан број тачака се прикупљају да би се поуздано израчунала енергија) и ниске температуре .Пре него што се ПСТ МЛЦ загреје, отворите коло применом одговарајуће струје од И = 0 мА (минимална усклађена струја коју наш мерни извор може да поднесе је 10 нА). Као резултат тога, наелектрисање остаје у ПСТ-у МЈК-а, а напон се повећава како се узорак загрева. У краку БЦ се не сакупља енергија јер је И = 0 мА. Након достизања високе температуре, напон у МЛТ ФТ расте (у неким случајевима и више од 30 пута, види додатну слику 7.2), МЛК ФТ се празни (В = 0), а електрична енергија се у њима складишти за исто толико пошто су почетно наелектрисање. Иста тренутна кореспонденција се враћа мерачу-извору. Због повећања 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 Кеитхлеи 2410 СоурцеМетер за праћење напона и струје примењене на ПСТ МЛЦ. Одговарајућа енергија се израчунава интегрисањем производа напона и струје очитаних на Кеитхлијевом изворном мерачу, \ (Е = {\инт }_{0}^{\тау }{И}_({\рм {меас))}\ лево(т\ десно){В}_{{\рм{меас}}}(т)\), где је τ период периода. На нашој енергетској кривој, позитивне енергетске вредности значе енергију коју морамо да дамо МЛЦ ПСТ, а негативне вредности значе енергију коју извлачимо из њих и самим тим примљену енергију. Релативна снага за дати циклус сакупљања се одређује дељењем прикупљене енергије са периодом τ целог циклуса.
Сви подаци су приказани у главном тексту или у додатним информацијама. Писма и захтеви за материјале треба да буду усмерени ка извору АТ или ЕД података који се налазе у овом чланку.
Андо Јуниор, ОХ, Маран, АЛО & Хенао, НЦ Преглед развоја и примене термоелектричних микрогенератора за прикупљање енергије. Андо Јуниор, ОХ, Маран, АЛО & Хенао, НЦ Преглед развоја и примене термоелектричних микрогенератора за прикупљање енергије.Андо Јуниор, Охајо, Маран, АЛО и Хенао, НЦ 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, и Хенао, НЦ разматрају развој и примену термоелектричних микрогенератора за прикупљање енергије.резиме. подршка. Енерги Рев. 91, 376–393 (2018).
Полман, А., Книгхт, М., Гарнетт, ЕЦ, Ехрлер, Б. & Синке, ВЦ Фотонапонски материјали: садашња ефикасност и будући изазови. Полман, А., Книгхт, М., Гарнетт, ЕЦ, Ехрлер, Б. & Синке, ВЦ Фотонапонски материјали: садашња ефикасност и будући изазови.Полман, А., Книгхт, М., Гарнетт, ЕК, Ехрлер, 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., Книгхт, М., Гарнетт, ЕЦ, Ехрлер, Б. & Синке, ВЦ Соларни материјали: тренутна ефикасност и будући изазови.Полман, А., Книгхт, М., Гарнетт, ЕК, Ехрлер, Б. и Синке, ВК Фотонапонски материјали: тренутне перформансе и будући изазови.Наука 352, аад4424 (2016).
Сонг, К., Зхао, Р., Ванг, ЗЛ & Ианг, И. Повезани пиро-пиезоелектрични ефекат за истовремени сензор температуре и притиска са сопственим напајањем. Сонг, К., Зхао, Р., Ванг, ЗЛ & Ианг, И. Коњунктивни пиро-пиезоелектрични ефекат за истовремени сензор температуре и притиска са сопственим напајањем.Сонг К., Зхао Р., Ванг ЗЛ и Иан Иу. Комбиновани пиропијезоелектрични 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., Зхао, Р., Ванг, ЗЛ & Ианг, И. За самонапајање истовремено са температуром и притиском.Сонг К., Зхао Р., Ванг ЗЛ и Иан Иу. Комбиновани термопиезоелектрични ефекат за аутономно истовремено мерење температуре и притиска.Напред. алма матер 31, 1902831 (2019).
Себалд, Г., Прувост, С. & Гуиомар, Д. Сакупљање енергије засновано на Ерицссоновим пироелектричним циклусима у релаксорској фероелектричној керамици. Себалд, Г., Прувост, С. & Гуиомар, Д. Сакупљање енергије засновано на Ерицссоновим пироелектричним циклусима у релаксорској фероелектричној керамици.Себалд Г., Проувост С. и Гуиомар Д. Сакупљање енергије на основу пироелектричних Ериксонових циклуса у релаксорској фероелектричној керамици.Себалд Г., Проувост С. и Гуиомар Д. Сакупљање енергије у релаксорској фероелектричној керамици на бази Ерицссоновог пироелектричног циклуса. Паметна алма матер. структура. 17, 15012 (2007).
Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали нове генерације за међуконверзију електротермалне енергије у чврстом стању. Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали нове генерације за међуконверзију електротермалне енергије у чврстом стању. Алпаи СП, Мантесе Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ. Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали следеће генерације за међуконверзију електротермалне енергије у чврстом стању. Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ Алпаи СП, Мантесе Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ. Алпаи, СП, Мантесе, Ј., Тролиер-Мцкинстри, С., Зханг, К. & Вхатморе, РВ Електрокалорични и пироелектрични материјали следеће генерације за међуконверзију електротермалне енергије у чврстом стању.Лади Булл. 39, 1099–1109 (2014).
Зханг, К., Ванг, И., Ванг, ЗЛ & Ианг, И. Стандард и број заслуга за квантификацију перформанси пироелектричних наногенератора. Зханг, К., Ванг, И., Ванг, ЗЛ & Ианг, И. Стандард и број заслуга за квантификацију перформанси пироелектричних наногенератора.Зханг, К., Ванг, И., Ванг, ЗЛ и Ианг, Иу. Стандардни и квалитетни резултат 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.Зханг, К., Ванг, И., Ванг, ЗЛ и Ианг, Иу. Критеријуми и мере перформанси за квантификацију перформанси пироелектричног наногенератора.Нано Енерги 55, 534–540 (2019).
Цросслеи, С., Наир, Б., Вхатморе, РВ, Моиа, Кс. & Матхур, НД Циклуси електрокалоријског хлађења у олово-скандијум танталату са истинском регенерацијом путем варијације поља. Цросслеи, С., Наир, Б., Вхатморе, РВ, Моиа, Кс. & Матхур, НД Циклуси електрокалоријског хлађења у олово-скандијум танталату са истинском регенерацијом путем варијације поља.Цросслеи, С., Наир, Б., Ватморе, РВ, Моиа, Кс. и Матхур, НД Циклуси електрокалоријског хлађења у олово-скандијум танталату са истинском 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。Цросслеи, С., Наир, Б., Ватморе, РВ, Моиа, Кс. и Матхур, НД.физике Рев. Кс 9, 41002 (2019).
Моиа, Кс., Кар-Нараиан, С. & Матхур, НД Калорични материјали у близини ферозних фазних прелаза. Моиа, Кс., Кар-Нараиан, С. & Матхур, НД Калорични материјали у близини ферозних фазних прелаза.Моиа, Кс., Кар-Нараиан, С. и Матхур, НД Калорични материјали у близини фазних прелаза фероида. Моиа, Кс., Кар-Нараиан, С. & Матхур, НД 铁质相变附近的热量材料。 Моиа, Кс., Кар-Нараиан, С. & Матхур, НД Термални материјали у близини црне металургије.Моиа, Кс., Кар-Нараиан, С. и Матхур, НД Термални материјали у близини фазних прелаза гвожђа.Нат. алма матер 13, 439–450 (2014).
Моиа, Кс. & Матхур, НД Калорични материјали за хлађење и грејање. Моиа, Кс. & Матхур, НД Калорични материјали за хлађење и грејање.Моиа, Кс. и Матхур, НД Термални материјали за хлађење и грејање. Моиа, Кс. и Матхур, НД 用于冷却和加热的热量材料。 Моиа, Кс. & Матхур, НД Термални материјали за хлађење и грејање.Моиа Кс. и Матхур 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.Торелло, А. и Дефаи, Е. Елецтроцалориц цхиллерс: а ревиев. Торелло, А. & Дефаи, Е. 电热冷却器：评论。 Торелло, А. & Дефаи, Е. 电热冷却器：评论。Торелло, А. и Дефаи, Е. Елецтротхермал цоолерс: а ревиев.Напредно. електронски. алма матер. 8. 2101031 (2022).
Нуцхокгве, И. ет ал. Огромна енергетска ефикасност електрокалоричних материјала у високо уређеном скандијум-скандијум-олову. Национална комуникација. 12, 3298 (2021).
Наир, Б. ет ал. Електротермички ефекат оксидних вишеслојних кондензатора је велик у широком температурном опсегу. Природа 575, 468–472 (2019).
Торелло, А. ет ал. Огроман температурни опсег у електротермалним регенераторима. Наука 370, 125–129 (2020).
Ванг, И. ет ал. Електротермални систем за хлађење у чврстом стању високих перформанси. Наука 370, 129–133 (2020).
Менг, И. ет ал. Каскадни електротермички расхладни уређај за велики пораст температуре. Натионал Енерги 5, 996–1002 (2020).
Олсен, РБ & Бровн, ДД Висока ефикасност директне конверзије топлоте у пироелектрична мерења везана за електричну енергију. Олсен, РБ & Бровн, ДД Висока ефикасна директна конверзија топлоте у пироелектрична мерења везана за електричну енергију.Олсен, РБ и Бровн, 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, РБ и Браун, ДДОлсен, РБ и Бровн, ДД Ефикасна директна конверзија топлоте у електричну енергију повезана са пироелектричним мерењима.Фероелектрика 40, 17–27 (1982).
Пандиа, С. ет ал. Густина енергије и снаге у танким релаксорским фероелектричним филмовима. Национална алма матер. хттпс://дои.орг/10.1038/с41563-018-0059-8 (2018).
Смитх, АН & Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизација фероелектричног фазног прелаза и електричних губитака. Смитх, АН & Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизација фероелектричног фазног прелаза и електричних губитака.Смитх, 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。 Смитх, АН & Ханрахан, БМСмитх, АН и Ханрахан, БМ Каскадна пироелектрична конверзија: оптимизација фероелектричних фазних прелаза и електричних губитака.Ј. Апплицатион. физике. 128, 24103 (2020).
Хоцх, СР Употреба фероелектричних материјала за претварање топлотне енергије у електричну. процес. ИЕЕЕ 51, 838–845 (1963).
Олсен, РБ, Бруно, ДА, Брисцое, ЈМ & Дуллеа, Ј. Каскадни пироелектрични претварач енергије. Олсен, РБ, Бруно, ДА, Брисцое, ЈМ & Дуллеа, Ј. Каскадни пироелектрични претварач енергије.Олсен, РБ, Бруно, ДА, Брисцое, ЈМ и Дуллеа, Ј. Цасцаде Пироелецтриц Повер Цонвертер. 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, Брисцое, ЈМ и Дуллеа, Ј. Каскадни пироелектрични претварачи енергије.Фероелектрика 59, 205–219 (1984).
Схебанов, Л. & Борман, К. О чврстим растворима олово-скандијум танталата са високим електрокалоричним ефектом. Схебанов, Л. & 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 електрокалоријским дејством. 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.Фероелектрика 127, 143–148 (1992).
Захваљујемо Н. Фурусава, И. Иноуе и К. Хонда на њиховој помоћи у креирању МЛЦ-а. ПЛ, АТ, ИН, АА, ЈЛ, УП, ВК, ОБ и ЕД Хвала Луксембуршкој националној истраживачкој фондацији (ФНР) за подршку овом раду преко ЦАМЕЛХЕАТ Ц17/МС/11703691/Дефаи, МАССЕНА ПРИДЕ/15/10935404/Дефаи- Сиебентритт, ТХЕРМОДИМАТ Ц20/МС/14718071/Дефаи и БРИДГЕС2021/МС/16282302/ЦЕЦОХА/Дефаи.
Одељење за истраживање и технологију материјала, Луксембуршки технолошки институт (ЛИСТ), Белвоар, Луксембург