It oanbieden fan duorsume boarnen fan elektrisiteit is ien fan de wichtichste útdagings fan dizze ieu. Undersyksgebieten yn materialen foar it rispjen fan enerzjy komme út dizze motivaasje, ynklusyf thermoelectric1, photovoltaic2 en thermophotovoltaics3. Hoewol wy materialen en apparaten misse dy't enerzjy yn 'e Joule-berik kinne sammelje, wurde pyroelektryske materialen dy't elektryske enerzjy kinne omsette yn periodike temperatuerferoarings as sensors4 en enerzjyharvesters5,6,7. Hjir hawwe wy ûntwikkele in makroskopyske termyske enerzjy harvester yn 'e foarm fan in multilayer capacitor makke fan 42 gram lead scandium tantalate, produsearje 11,2 J fan elektryske enerzjy per thermodynamyske syklus. Elke pyroelektryske module kin elektryske enerzjytichtens generearje oant 4,43 J cm-3 per syklus. Wy litte ek sjen dat twa soksoarte modules dy't 0,3 g weagje, genôch binne om kontinuze autonome enerzjy-harvesters mei ynbêde mikrocontrollers en temperatuersensors te betsjinjen. Uteinlik litte wy sjen dat foar in temperatuerberik fan 10 K dizze multilayer-kondensatoren 40% Carnot-effisjinsje kinne berikke. Dizze eigenskippen binne te tankjen oan (1) ferroelektryske fazeferoaring foar hege effisjinsje, (2) lege lekstroom om ferliezen te foarkommen, en (3) hege trochbraakspanning. Dizze makroskopyske, skaalbere en effisjinte pyroelektryske krêftharvesters ferbyldzje thermo-elektryske enerzjyopwekking.
Yn ferliking mei de romtlike temperatuergradient dy't nedich is foar thermo-elektryske materialen, fereasket enerzjywinning fan thermo-elektryske materialen temperatuerfytsen oer de tiid. Dit betsjut in termodynamyske syklus, dy't it bêste beskreaun wurdt troch it entropy (S)-temperatuer (T) diagram. Figure 1a toant in typysk ST-plot fan in net-lineêr pyroelektrysk (NLP) materiaal dat in fjildoandreaune ferroelektryske-paraelektryske faze-oergong yn skandium lead tantalaat (PST) oantoand. De blauwe en griene seksjes fan 'e syklus op it ST-diagram oerienkomme mei de omboude elektryske enerzjy yn' e Olson-syklus (twa isotermyske en twa isopole-seksjes). Hjir beskôgje wy twa syklusen mei deselde elektryske fjildferoaring (fjild oan en út) en temperatuerferoaring ΔT, hoewol mei ferskillende begjintemperatueren. De griene syklus leit net yn 'e faze-oergongsregio en hat dêrmei in folle lytser gebiet as de blauwe syklus dy't yn 'e faze-oergongsregio leit. Yn it ST-diagram, hoe grutter it gebiet, hoe grutter de sammele enerzjy. Dêrom moat de faze-oergong mear enerzjy sammelje. De needsaak foar fytsen mei grut gebiet yn NLP is heul ferlykber mei de needsaak foar elektrotermyske tapassingen9, 10, 11, 12 wêr't PST-multylayer-kondensatoren (MLC's) en PVDF-basearre terpolymeren koartlyn poerbêste omkearde prestaasjes sjen litte. cooling prestaasje status yn syklus 13,14,15,16. Dêrom hawwe wy PST MLC's identifisearre fan belang foar it rispjen fan termyske enerzjy. Dizze samples binne folslein beskreaun yn 'e metoaden en karakterisearre yn oanfoljende notysjes 1 (skennen elektroanenmikroskopy), 2 (röntgendiffraksje) en 3 (kalorimetry).
a, Skets fan in entropy (S) -temperatuer (T) plot mei elektryske fjild oan en út tapast op NLP materialen showing faze transysjes. Twa enerzjysammelingssyklusen wurde werjûn yn twa ferskillende temperatuersônes. De blauwe en griene syklusen komme respektivelik binnen en bûten de faze-oergong foar en einigje yn hiel ferskillende gebieten fan it oerflak. b, twa DE PST MLC unipolêre ringen, 1 mm dik, mjitten tusken 0 en 155 kV cm-1 by respektivelik 20 °C en 90 °C, en de oerienkommende Olsen-syklusen. De letters ABCD ferwize nei ferskate steaten yn 'e Olson-syklus. AB: MLC's waarden opladen oant 155 kV cm-1 by 20 ° C. BC: MLC waard hâlden op 155 kV cm-1 en de temperatuer waard ferhege nei 90 ° C. CD: MLC ûntlient by 90 ° C. DA: MLC gekoeld oant 20 ° C yn nul fjild. It blauwe gebiet komt oerien mei de ynfierkrêft dy't nedich is om de syklus te begjinnen. It oranje gebiet is de enerzjy sammele yn ien syklus. c, top paniel, voltage (swart) en hjoeddeistige (read) fersus tiid, tracked tidens deselde Olson syklus as b. De twa ynserts fertsjintwurdigje de fersterking fan spanning en stroom op wichtige punten yn 'e syklus. Yn it legere paniel fertsjintwurdigje de giele en griene bochten respektivelik de oerienkommende temperatuer- en enerzjykurven foar in 1 mm dikke MLC. Enerzjy wurdt berekkene út de hjoeddeiske en spanning curves op it boppeste paniel. Negative enerzjy komt oerien mei de sammele enerzjy. De stappen dy't oerienkomme mei de haadletters yn 'e fjouwer sifers binne itselde as yn' e Olson-syklus. De syklus AB'CD komt oerien mei de Stirling-syklus (oanfoljende noat 7).
wêrby't E en D respektivelik it elektryske fjild en it elektryske ferpleatsingsfjild binne. Nd kin wurde krigen yndirekt út de DE circuit (fig. 1b) of direkt troch it begjinnen fan in termodynamyske syklus. De meast brûkbere metoaden waarden beskreaun troch Olsen yn syn pionierswurk oer it sammeljen fan pyroelektryske enerzjy yn 'e jierren '8017.
Op fig. 1b toant twa monopolêre DE-lussen fan 1 mm dikke PST-MLC-eksimplaren gearstald op respektivelik 20 °C en 90 °C, oer in berik fan 0 oant 155 kV cm-1 (600 V). Dizze twa syklusen kinne brûkt wurde om yndirekt te berekkenjen de enerzjy sammele troch de Olson syklus werjûn yn figuer 1a. Yn feite bestiet de Olsen-syklus út twa isofield-tûken (hjir nul fjild yn 'e DA-tûke en 155 kV cm-1 yn' e BC-tûke) en twa isotermyske tûken (hjir, 20 ° С en 20 ° С yn 'e AB-tûke) . C yn 'e CD-tûke) De enerzjy sammele yn' e syklus komt oerien mei de oranje en blauwe regio's (EdD-yntegraal). De sammele enerzjy Nd is it ferskil tusken ynput- en útfierenerzjy, dus allinnich it oranje gebiet yn fig. 1b. Dizze bysûndere Olson syklus jout in Nd enerzjy tichtens fan 1,78 J cm-3. De Stirling-syklus is in alternatyf foar de Olson-syklus (oanfoljende notysje 7). Omdat de konstante lading stadium (iepen circuit) wurdt makliker berikt, berikt de enerzjy tichtens helle út figuer 1b (syklus AB'CD) 1,25 J cm-3. Dit is mar 70% fan wat de Olson-syklus kin sammelje, mar ienfâldige rispinge-apparatuer docht it.
Derneist mjitten wy direkt de enerzjy sammele yn 'e Olson-syklus troch de PST MLC te stimulearjen mei in Linkam-temperatuerkontrôlepoadium en in boarnemeter (metoade). Figure 1c oan 'e boppekant en yn' e oanbelangjende ynsetten toant de hjoeddeiske (read) en spanning (swart) sammele op deselde 1 mm dikke PST MLC as foar de DE-loop dy't troch deselde Olson-syklus giet. De stroom en spanning meitsje it mooglik om de sammele enerzjy te berekkenjen, en de bochten wurde werjûn yn fig. 1c, ûnder (grien) en temperatuer (giel) troch de hiele syklus. De letters ABCD fertsjintwurdigje deselde Olson syklus yn Fig.. 1. MLC opladen komt foar tidens de AB skonk en wurdt útfierd op in lege stroom (200 µA), sadat SourceMeter kin goed kontrolearje opladen. De konsekwinsje fan dizze konstante begjinstrom is dat de spanning kromme (swarte kromme) is net lineêr troch de net-lineêre potinsjele ferpleatsing fjild D PST (figuer 1c, top ynset). Oan 'e ein fan it opladen wurdt 30 mJ elektryske enerzjy opslein yn' e MLC (punt B). De MLC wurdt dan ferwaarme en in negative stroom (en dus in negative stroom) wurdt produsearre wylst de spanning bliuwt op 600 V. Nei 40 s, doe't de temperatuer berikte in plato fan 90 ° C, dizze stroom waard kompensearre, hoewol't de stap sample produsearre yn it circuit in elektryske krêft fan 35 mJ tidens dit isofield (twadde ynset yn Fig. 1c, top). De spanning op 'e MLC (branch CD) wurdt dan fermindere, wat resulteart yn in ekstra 60 mJ elektryske wurk. De totale útfier enerzjy is 95 mJ. De sammele enerzjy is it ferskil tusken de ynfier- en útfierenerzjy, dy't 95 - 30 = 65 mJ jout. Dit komt oerien mei in enerzjytichtens fan 1,84 J cm-3, dy't tige ticht is by de Nd út 'e DE-ring. De reprodusearberens fan dizze Olson-syklus is wiidweidich hifke (oanfoljende notysje 4). Troch fierdere tanimming fan spanning en temperatuer berikke wy 4.43 J cm-3 mei Olsen-syklusen yn in 0.5 mm dikke PST MLC oer in temperatuerberik fan 750 V (195 kV cm-1) en 175 ° C (oanfoljende opmerking 5). Dit is fjouwer kear grutter as de bêste prestaasje rapporteare yn 'e literatuer foar direkte Olson-syklusen en waard krigen op tinne films fan Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3)18 (cm .Supplementary Tabel 1 foar mear wearden yn 'e literatuer). Dizze prestaasje is berikt troch de heul lege lekstroom fan dizze MLC's (<10-7 A by 750 V en 180 °C, sjoch details yn oanfoljende notysje 6) - in krúsjaal punt neamd troch Smith et al.19 - yn tsjinstelling oan 'e materialen brûkt yn eardere stúdzjes17,20. Dizze prestaasje is berikt troch de heul lege lekstroom fan dizze MLC's (<10-7 A by 750 V en 180 °C, sjoch details yn oanfoljende notysje 6) - in krúsjaal punt neamd troch Smith et al.19 - yn tsjinstelling oan 'e materialen brûkt yn eardere stúdzjes17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В В ± 150 В п олнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом en др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Dizze skaaimerken waarden berikt troch de heul lege lekstroom fan dizze MLC's (<10–7 A by 750 V en 180 °C, sjoch Oanfoljende opmerking 6 foar details) - in kritysk punt neamd troch Smith et al. 19 - yn tsjinstelling ta materialen brûkt yn eardere stúdzjes17,20.MLC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 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参槁 䡥兎 6 说）））） — 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 相比之下且之下下 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 相比之下觍见到早期研究中使用的材料17.20. Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В en 180 °C, см. подробности в дополнитель 6 момент, упомянутый Смитом и др. 19 - для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Sûnt de lekstroom fan dizze MLC's heul leech is (<10–7 A by 750 V en 180 °C, sjoch Oanfoljende opmerking 6 foar details) - in kaaipunt neamd troch Smith et al. 19 - foar ferliking, dizze prestaasjes waarden berikt.oan materialen brûkt yn eardere stúdzjes 17,20.
Deselde betingsten (600 V, 20–90 °C) jilde foar de Stirling-syklus (oanfoljende noat 7). As ferwachte fan 'e resultaten fan' e DE-syklus wie de opbringst 41,0 mJ. Ien fan 'e meast opfallende skaaimerken fan Stirling-syklusen is har fermogen om de begjinspanning te fersterkjen troch it thermoelektryske effekt. Wy observearre in spanning winst fan maksimaal 39 (fan in earste spanning fan 15 V nei in ein spanning fan maksimaal 590 V, sjoch Oanfoljende Fig. 7.2).
In oar ûnderskiedend skaaimerk fan dizze MLC's is dat se makroskopyske objekten binne dy't grut genôch binne om enerzjy te sammeljen yn it joule-berik. Dêrom, wy konstruearre in prototype harvester (HARV1) mei help fan 28 MLC PST 1 mm dik, folgjende deselde parallel plaat design beskreaun troch Torello et al.14, yn in 7 × 4 matrix lykas werjûn yn Fig. de mannichfâldige wurdt ferpleatst troch in peristaltic pomp tusken twa reservoirs dêr't de floeistof temperatuer wurdt hâlden konstant (metoade). Sammelje oant 3,1 J mei de Olson-syklus beskreaun yn fig. 2a, isotermyske regio's by 10 °C en 125 °C en isofjildregio's op 0 en 750 V (195 kV cm-1). Dit komt oerien mei in enerzjytichtens fan 3,14 J cm-3. Mei dizze kombinearje waarden mjittingen ûnder ferskate omstannichheden nommen (fig. 2b). Tink derom dat 1,8 J waard krigen oer in temperatuerberik fan 80 °C en in spanning fan 600 V (155 kV cm-1). Dit is yn goede oerienstimming mei de earder neamde 65 mJ foar 1 mm dikke PST MLC ûnder deselde betingsten (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Eksperimintele opset fan in gearstalde HARV1 prototype basearre op 28 MLC PSTs 1 mm dik (4 rigen × 7 kolommen) rint op Olson cycles. Foar elk fan 'e fjouwer syklusstappen wurde temperatuer en spanning yn it prototype levere. De kompjûter driuwt in peristaltyske pomp dy't in dielektrike floeistof sirkulearret tusken de kâlde en hjitte reservoirs, twa kleppen en in krêftboarne. De kompjûter brûkt ek thermocouples om gegevens te sammeljen oer de spanning en stroom dy't oan it prototype levere wurde en de temperatuer fan 'e kombinearjen fan' e stroomfoarsjenning. b, Enerzjy (kleur) sammele troch ús 4 × 7 MLC-prototype tsjin temperatuerberik (X-as) en spanning (Y-as) yn ferskate eksperiminten.
In gruttere ferzje fan de harvester (HARV2) mei 60 PST MLC 1 mm dik en 160 PST MLC 0,5 mm dik (41,7 g aktyf pyroelektrysk materiaal) joech 11,2 J (oanfoljende opmerking 8). Yn 1984 makke Olsen in enerzjyharvester basearre op 317 g fan in tin-dopede Pb(Zr,Ti)O3-ferbining dy't by in temperatuer fan sa'n 150 °C 6,23 J oan elektrisiteit opwekke kin (ref. 21). Foar dizze kombinearje is dit de ienige oare wearde beskikber yn it joule-berik. It krige krekt mear as de helte fan 'e wearde dy't wy berikten en hast sân kear de kwaliteit. Dit betsjut dat de enerzjytichtens fan HARV2 13 kear heger is.
De HARV1-syklusperioade is 57 sekonden. Dit produsearre 54 mW macht mei 4 rigen fan 7 kolommen fan 1 mm dikke MLC-sets. Om it ien stap fierder te nimmen, bouden wy in tredde kombinearje (HARV3) mei in 0.5mm dikke PST MLC en ferlykbere opset as HARV1 en HARV2 (oanfoljende opmerking 9). Wy mjitten in termalisaasjetiid fan 12,5 sekonden. Dit komt oerien mei in syklus tiid fan 25 s (oanfoljende Fig. 9). De sammele enerzjy (47 mJ) jout in elektryske krêft fan 1,95 mW per MLC, dy't ús op syn beurt kinne foarstelle dat HARV2 0,55 W produseart (sawat 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm dik). Derneist simulearren wy waarmteferfier mei Finite Element Simulation (COMSOL, Oanfoljende opmerking 10 en oanfoljende tabellen 2-4) oerienkommende mei de HARV1-eksperiminten. Einige elemint modeling makke it mooglik om macht wearden te foarsizzen hast in folchoarder fan grutte heger (430 mW) foar itselde oantal PST kolommen troch thinner de MLC nei 0,2 mm, mei help fan wetter as in koelmiddel, en weromsette de matrix nei 7 rigen . × 4 kolommen (neist , der wiene 960 mW doe't de tank wie neist de combine, Oanfoljende Fig. 10b).
Om it nut fan dizze samler te demonstrearjen, waard in Stirling-syklus tapast op in standalone demonstrator besteande út mar twa 0,5 mm dikke PST MLC's as waarmtekollektors, in heechspanningsskeakel, in leechspanningsskeakel mei opslachkondensator, in DC/DC-konverter , in mikrokontroller mei leech krêft, twa thermocouples en boost-omrekkener (oanfoljende opmerking 11). It circuit fereasket dat de opslachkondensator yn earste ynstânsje opladen wurdt op 9V en rint dan autonoom, wylst de temperatuer fan 'e twa MLC's farieart fan -5 ° C oant 85 ° C, hjir yn syklusen fan 160 s (ferskate syklusen wurde werjûn yn oanfoljende opmerking 11) . Opfallend kinne twa MLC's dy't mar 0.3g weagje dit grutte systeem autonoom kontrolearje. In oar nijsgjirrich skaaimerk is dat de leechspanningskonverter by steat is om 400V nei 10-15V te konvertearjen mei 79% effisjinsje (oanfoljende opmerking 11 en oanfoljende figuer 11.3).
Uteinlik evaluearren wy de effisjinsje fan dizze MLC-modules by it konvertearjen fan termyske enerzjy yn elektryske enerzjy. De kwaliteitsfaktor η fan effisjinsje wurdt definiearre as de ferhâlding fan 'e tichtens fan' e sammele elektryske enerzjy Nd oant de tichtens fan 'e levere waarmte Qin (oanfoljende noat 12):
Figuren 3a, b litte respektivelik de effisjinsje η en proporsjonele effisjinsje ηr fan 'e Olsen-syklus sjen as funksje fan it temperatuerberik fan in 0,5 mm dikke PST MLC. Beide gegevenssets wurde jûn foar in elektrysk fjild fan 195 kV cm-1. De effisjinsje \(\dit\) berikt 1,43%, wat lykweardich is oan 18% fan ηr. Foar in temperatuerberik fan 10 K fan 25 °C oant 35 °C berikt ηr lykwols wearden oant 40% (blauwe kromme yn Fig. 3b). Dit is twa kear de bekende wearde foar NLP materialen opnommen yn PMN-PT films (ηr = 19%) yn it temperatuer berik fan 10 K en 300 kV cm-1 (Ref. 18). Temperatuergebieten ûnder 10 K waarden net beskôge, om't de thermyske hysteresis fan 'e PST MLC tusken 5 en 8 K is. Erkenning fan it positive effekt fan fazetransysjes op effisjinsje is kritysk. Yn feite wurde de optimale wearden fan η en ηr hast allegear krigen by de begjintemperatuer Ti = 25 ° C yn Fig. 3a,b. Dit komt troch in nauwe faze-oergong as gjin fjild wurdt tapast en de Curie-temperatuer TC is om 20 ° C yn dizze MLC's (oanfoljende notysje 13).
a,b, de effisjinsje η en de proporsjonele effisjinsje fan 'e Olson-syklus (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } foar de maksimale elektryske troch in fjild fan 195 kV cm-1 en ferskillende begjintemperatueren Ti, }}\,\)(b) foar de MPC PST 0,5 mm dik, ôfhinklik fan de temperatuer ynterval ΔTspan.
De lêste observaasje hat twa wichtige gefolgen: (1) eltse effektive cycling moat begjinne by temperatueren boppe TC foar in fjild-induced faze oergong (fan paraelectric to ferroelektrysk) foar te kommen; (2) dizze materialen binne effisjinter by run tiden tichtby TC. Hoewol grutskalige effisjinsjes wurde werjûn yn ús eksperiminten, lit it beheinde temperatuerberik ús gjin grutte absolute effisjinsjes berikke troch de Carnot-limyt (\(\Delta T/T\)). De treflike effisjinsje demonstrearre troch dizze PST MLC's lykwols rjochtfeardiget Olsen as hy neamt dat "in ideale klasse 20 regenerative thermoelektryske motor dy't wurket by temperatueren tusken 50 °C en 250 °C in effisjinsje fan 30% kin hawwe"17. Om dizze wearden te berikken en it konsept te testen, soe it nuttich wêze om doped PST's te brûken mei ferskate TC's, lykas studearre troch Shebanov en Borman. Se lieten sjen dat TC yn PST kin fariearje fan 3 ° C (Sb-doping) oant 33 ° C (Ti-doping) 22 . Dêrom, wy hypoteze dat folgjende generaasje pyroelektryske regenerators basearre op doped PST MLCs of oare materialen mei in sterke earste oarder faze oergong kin konkurrearje mei de bêste macht harvesters.
Yn dizze stúdzje ûndersochten wy MLC's makke fan PST. Dizze apparaten besteane út in rige fan Pt- en PST-elektroden, wêrby't ferskate kondensatoren parallel ferbûn binne. PST waard keazen om't it in poerbêst EC-materiaal is en dêrom in potinsjeel treflik NLP-materiaal. It eksposearret in skerpe earste-oarder ferroelektryske-paraelektryske faze-oergong om 20 ° C, wat oanjout dat syn entropy-feroarings fergelykber binne mei dy werjûn yn figuer 1. Similar MLCs binne folslein beskreaun foar EC13,14-apparaten. Yn dizze stúdzje brûkten wy 10.4 × 7.2 × 1 mm³ en 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ MLC's. MLC's mei in dikte fan 1 mm en 0.5 mm waarden makke fan respektivelik 19 en 9 lagen PST mei in dikte fan 38.6 µm. Yn beide gefallen waard de binnenste PST-laach pleatst tusken 2.05 µm dikke platinaelektroden. It ûntwerp fan dizze MLC's giet derfan út dat 55% fan 'e PST's aktyf binne, oerienkommende mei it diel tusken de elektroden (oanfoljende opmerking 1). It aktive elektrodesgebiet wie 48,7 mm2 (oanfoljende tabel 5). MLC PST waard taret troch fêste faze reaksje en casting metoade. De details fan it tariedingsproses binne beskreaun yn in earder artikel14. Ien fan 'e ferskillen tusken PST MLC en it foarige artikel is de folchoarder fan B-siden, dy't de prestaasjes fan EC yn PST sterk beynfloedet. De folchoarder fan B-sites fan PST MLC is 0,75 (oanfoljende opmerking 2) krigen troch sintering by 1400 ° C folge troch hûnderten oeren lang annealing by 1000 ° C. Foar mear ynformaasje oer PST MLC, sjoch Oanfoljende notysjes 1-3 en oanfoljende tabel 5.
It haadkonsept fan dizze stúdzje is basearre op 'e Olson-syklus (fig. 1). Foar sa'n syklus hawwe wy in waarm en kâld reservoir nedich en in stroomfoarsjenning dy't by steat is om de spanning en stroom yn 'e ferskate MLC-modules te kontrolearjen en te kontrolearjen. Dizze direkte syklusen brûkt twa ferskillende konfiguraasjes, nammentlik (1) Linkam modules ferwaarming en koeling ien MLC ferbûn oan in Keithley 2410 macht boarne, en (2) trije prototypes (HARV1, HARV2 en HARV3) parallel mei deselde boarne enerzjy. Yn it lêste gefal waard in dielektrike floeistof (siliconoalje mei in viskositeit fan 5 cP by 25 ° C, kocht fan Sigma Aldrich) brûkt foar waarmtewikseling tusken de twa reservoirs (waar en kâld) en de MLC. De termyske reservoir bestiet út in glêzen kontener fol mei dielektrike floeistof en pleatst boppe op 'e termyske plaat. Kâlde opslach bestiet út in wetterbad mei floeibere buizen dy't dielektryske floeistof befetsje yn in grutte plestik kontener fol mei wetter en iis. Twa trije-wei pinch kleppen (kocht fan Bio-Chem Fluidics) waarden pleatst oan elk ein fan 'e kombinearje om goed te wikseljen floeistof fan it iene reservoir nei it oare (figuer 2a). Om thermyske lykwicht te garandearjen tusken it PST-MLC-pakket en it koelmiddel, waard de syklusperioade ferlingd oant de ynlaat- en útlaat-termokoppels (sa ticht mooglik by it PST-MLC-pakket) deselde temperatuer sjen litte. It Python-skript beheart en syngronisearret alle ynstruminten (boarnemeters, pompen, kleppen en thermocouples) om de juste Olson-syklus út te fieren, dws de koelmiddellus begjint te fytsen troch de PST-stapel nei't de boarne meter is opladen sadat se opwarmje op de winske tapaste spanning foar jûn Olson syklus.
As alternatyf hawwe wy dizze direkte mjittingen fan sammele enerzjy befêstige mei yndirekte metoaden. Dizze yndirekte metoaden binne basearre op elektryske ferpleatsing (D) - elektryske fjild (E) fjildlussen sammele by ferskate temperatueren, en troch it berekkenjen fan it gebiet tusken twa DE-lussen, kin men sekuer skatte hoefolle enerzjy kin wurde sammele, lykas yn 'e figuer sjen litten . yn figuer 2. .1b. Dizze DE-loops wurde ek sammele mei Keithley-boarnemeters.
Achtentweintich 1 mm dikke PST MLC's waarden gearstald yn in 4-rige, 7-kolom parallelle plaatstruktuer neffens it ûntwerp beskreaun yn 'e referinsje. 14. De floeistof gap tusken PST-MLC rigen is 0,75 mm. Dit wurdt berikt troch it tafoegjen fan strips fan dûbelsidige tape as floeibere spacers om 'e rânen fan' e PST MLC. De PST MLC is elektrysk parallel ferbûn mei in sulveren epoksybrêge yn kontakt mei de elektrodes. Dêrnei waarden triedden mei sulveren epoksyhars oan elke kant fan 'e elektrodes oansluten foar ferbining mei de stroomfoarsjenning. As lêste, ynfoegje de hiele struktuer yn de polyolefin slang. De lêste wurdt oan 'e floeistofbuis gelijmd om in goede sealing te garandearjen. Uteinlik waarden 0.25 mm dikke K-type thermocouples yn elk ein fan 'e PST-MLC-struktuer boud om de ynlaat- en útlaatfliertemperatueren te kontrolearjen. Om dit te dwaan, moat de slang earst perforearre wurde. Nei it ynstallearjen fan it thermocouple, tapasse deselde adhesive as earder tusken de thermocouple slang en tried te werstellen de seal.
Acht aparte prototypes waarden boud, fjouwer dêrfan hie 40 0,5 mm dikke MLC PSTs ferdield as parallelle platen mei 5 kolommen en 8 rigen, en de oerbleaune fjouwer hie 15 1 mm dikke MLC PSTs elk. yn 3-kolom × 5-rige parallelle plaat struktuer. It totale oantal brûkte PST MLC's wie 220 (160 0,5 mm dik en 60 PST MLC 1 mm dik). Wy neame dizze twa subunits HARV2_160 en HARV2_60. De floeistof gap yn it prototype HARV2_160 bestiet út twa dûbele-sided tapes 0,25 mm dik mei in tried 0,25 mm dik tusken harren. Foar it prototype HARV2_60 hawwe wy deselde proseduere werhelle, mar mei 0.38 mm dikke draad. Foar symmetry, HARV2_160 en HARV2_60 hawwe harren eigen fluid circuits, pompen, kleppen en kâlde kant (oanfoljende opmerking 8). Twa HARV2-ienheden diele in waarmtereservoir, in kontener fan 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) op twa heule platen mei rotearjende magneten. Alle acht yndividuele prototypen binne elektrysk parallel ferbûn. De subunits HARV2_160 en HARV2_60 wurkje tagelyk yn 'e Olson-syklus, wat resulteart yn in enerzjyrissing fan 11,2 J.
Plak 0,5 mm dikke PST MLC yn polyolefinslang mei dûbelsidige tape en draad oan beide kanten om romte te meitsjen foar floeistof om te streamen. Fanwegen syn lytse grutte waard it prototype pleatst neist in hjitte as kâlde reservoirklep, wêrtroch syklustiden minimearje.
Yn PST MLC wurdt in konstant elektrysk fjild tapast troch it oanbringen fan in konstante spanning oan 'e ferwaarmingstak. As gefolch, in negative termyske stroom wurdt generearre en enerzjy wurdt opslein. Nei it ferwaarmjen fan de PST MLC wurdt it fjild fuortsmiten (V = 0), en de enerzjy dy't dêryn opslein is, wurdt weromjûn nei de boarneteller, wat oerienkomt mei noch ien bydrage fan 'e sammele enerzjy. Uteinlik, mei in spanning V = 0 tapast, wurde de MLC PST's ôfkuolle oant har earste temperatuer sadat de syklus opnij kin begjinne. Op dit stadium wurdt enerzjy net sammele. Wy rûnen de Olsen-syklus mei in Keithley 2410 SourceMeter, it opladen fan de PST MLC fan in spanningsboarne en sette de hjoeddeistige wedstriid op 'e passende wearde sadat genôch punten waarden sammele tidens de oplaadfaze foar betroubere enerzjyberekkeningen.
Yn Stirling-syklusen waarden PST MLC's yn spanningsboarnemodus opladen op in earste elektryske fjildwearde (begjinspanning Vi> 0), in winske konformiteitsstroom, sadat de oplaadstap sawat 1 s nimt (en genôch punten wurde sammele foar in betroubere berekkening fan de enerzjy) en kâlde temperatuer. Yn Stirling-syklusen waarden PST MLC's yn spanningsboarnemodus opladen op in earste elektryske fjildwearde (begjinspanning Vi> 0), in winske konformiteitsstroom, sadat de oplaadstap sawat 1 s nimt (en genôch punten wurde sammele foar in betroubere berekkening fan de enerzjy) en kâlde temperatuer. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электриче > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (en набирается достаточное колич та энергия) en холодная температура. Yn 'e Stirling PST MLC-syklusen waarden se yn' e spanningsboarnemodus opladen op 'e begjinwearde fan it elektryske fjild (begjinspanning Vi> 0), de winske opbringststream, sadat it oplaadstadium sawat 1 s nimt (en in genôch oantal fan punten wurde sammele foar in betroubere enerzjyberekkening) en kâlde temperatuer.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压顔顔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. Yn 'e mastersyklus wurdt de PST MLC opladen op' e earste elektryske fjildwearde (begjinspanning Vi> 0) yn 'e spanningsboarnemodus, sadat de fereaske konformiteitstrom sawat 1 sekonde nimt foar de oplaadstap (en wy sammele genôch punten om betrouber berekkenje (enerzjy) en lege temperatuer. В цикле стирлинга PST MLC заряется вепряриче с напрятния с начальныт эля (напряес поля (напряное напряжение VI> 0), Требуемый Ток Податливости Таков, что этап зранимаки занимаре станичное толибочно толичесное толичеся толичесно толичество толичество толичество толичесто толичество толичество толичество толичество толичество толичесное толичество толичество толичество толичество толичество толичество толибок низкие температуры . Yn 'e Stirling-syklus wurdt de PST MLC yn' e spanningsboarnemodus opladen mei in begjinwearde fan it elektryske fjild (begjinspanning Vi> 0), de fereaske konformiteitsstroom is sa dat it oplaadstadium sawat 1 s nimt (en in genôch oantal fan punten wurde sammele om de enerzjy betrouber te berekkenjen) en lege temperatueren.Foardat de PST MLC opwarmt, iepenje it circuit troch in oerienkommende stroom fan I = 0 mA oan te passen (de minimale oerienkommende stroom dy't ús mjitboarne kin omgean is 10 nA). As gefolch bliuwt in lading yn 'e PST fan' e MJK, en de spanning nimt ta as it stekproef opwaarmt. Gjin enerzjy wurdt sammele yn earm BC omdat I = 0 mA. Nei it berikken fan in hege temperatuer nimt de spanning yn 'e MLT FT ta (yn guon gefallen mear as 30 kear, sjoch ekstra fig. 7.2), de MLK FT wurdt ûntslein (V = 0), en elektryske enerzjy wurdt yn har opslein foar deselde sa't se de earste lading wêze. Deselde aktuele korrespondinsje wurdt weromjûn nei de meter-boarne. Troch spanningswinst is de opsleine enerzjy by hege temperatuer heger dan wat oan it begjin fan 'e syklus levere waard. As gefolch, enerzjy wurdt krigen troch it omsette fan waarmte yn elektrisiteit.
Wy brûkten in Keithley 2410 SourceMeter om de spanning en stroom te kontrolearjen oan 'e PST MLC. De oerienkommende enerzjy wurdt berekkene troch it yntegrearjen fan it produkt fan spanning en stroom lêzen troch Keithley's boarne meter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas)}\ lofts(t\ rjochts){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), wêrby't τ de perioade fan 'e perioade is. Op ús enerzjykurve betsjutte positive enerzjywearden de enerzjy dy't wy moatte jaan oan 'e MLC PST, en negative wearden betsjutte de enerzjy dy't wy derút ekstrahearje en dêrom de enerzjy ûntfongen. De relative krêft foar in opjûne sammelingssyklus wurdt bepaald troch de sammele enerzjy te dielen troch de perioade τ fan 'e hiele syklus.
Alle gegevens wurde presintearre yn 'e haadtekst of yn oanfoljende ynformaasje. Brieven en oanfragen foar materialen moatte wurde rjochte oan 'e boarne fan' e AT- as ED-gegevens levere mei dit artikel.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC In resinsje fan 'e ûntwikkeling en tapassingen fan thermoelektryske mikrogenerators foar enerzjywinning. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC In resinsje fan 'e ûntwikkeling en tapassingen fan thermoelektryske mikrogenerators foar enerzjywinning.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO en Henao, NC Oersjoch fan 'e ûntwikkeling en tapassing fan thermoelektryske mikrogenerators foar enerzjywinning. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO, en Henao, NC beskôgje de ûntwikkeling en tapassing fan thermoelektryske mikrogenerators foar enerzjywinning.ferfetsje. stypje. Enerzjy Rev.. 91, 376-393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Photovoltaic materials: present efficiencies and future challenges. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Photovoltaic materials: present efficiencies and future challenges.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. and Sinke, VK. Photovoltaic materials: current performance and future challenges. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. Solar materials: current efficiency and future challenges.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. and Sinke, VK. Photovoltaic materials: current performance and future challenges.Wittenskip 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conjuncted pyro-piezoelectric effekt foar self-powered simultane temperatuer en druk sensing. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conjunct pyro-piezoelectric effekt foar sels-oandreaune simultane temperatuer en druk sensing.Song K., Zhao R., Wang ZL, Yan Yu. Kombinearre pyropiezoelektryske effekt foar autonome simultane mjitting fan temperatuer en druk. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Foar sels-powering tagelyk mei temperatuer en druk.Song K., Zhao R., Wang ZL, Yan Yu. Kombinearre thermopiezoelektryske effekt foar autonome simultane mjitting fan temperatuer en druk.Foarút. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Enerzjy rispjen basearre op Ericsson pyroelektryske syklusen yn in relaxor ferroelektryske keramyk. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Enerzjy rispjen basearre op Ericsson pyroelektryske syklusen yn in relaxor ferroelektryske keramyk.Sebald G., Prouvost S. and Guyomar D. Enerzjy rispjen basearre op pyroelektryske Ericsson-syklusen yn relaxor ferroelektryske keramyk.Sebald G., Prouvost S. and Guyomar D. Enerzjy rispjen yn relaxor ferroelektryske keramyk basearre op Ericsson pyroelektrysk fytsen. Smart alma mater. struktuer. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Folgjende-generaasje electrocaloric en pyroelectric materialen foar solid-state electrothermal enerzjy interconversion. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Folgjende-generaasje electrocaloric en pyroelectric materialen foar solid-state electrothermal enerzjy interconversion. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Folgjende generaasje electrocaloric en pyroelectric materialen foar bêst steat electrothermal enerzjy interconversion. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW . Alpay SP, Mantese J, Trolier-Mckinstry S, Zhang Q, Whatmore RW. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Folgjende generaasje electrocaloric en pyroelectric materialen foar bêst steat electrothermal enerzjy interconversion.Frou Bolle. 39, 1099-1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standert en figuer-fan-fertsjinste foar it kwantifisearjen fan de prestaasjes fan pyroelektryske nanogenerators. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standert en figuer-fan-fertsjinste foar it kwantifisearjen fan de prestaasjes fan pyroelektryske nanogenerators.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL, Yang, Yu. In standert en kwaliteitsscore foar it kwantifisearjen fan de prestaasjes fan pyroelektryske nanogenerators. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL en Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL, Yang, Yu. Kritearia en prestaasjesmaatregels foar it kwantifisearjen fan de prestaasjes fan in pyroelektryske nanogenerator.Nano Energy 55, 534-540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Electrocaloric cooling syklusen yn lead scandium tantalate mei wiere regeneraasje fia fjild fariaasje. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Electrocaloric cooling syklusen yn lead scandium tantalate mei wiere regeneraasje fia fjild fariaasje.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. en Mathur, ND Electrocaloric cooling cycles yn lead-skandium tantalaat mei wiere regeneraasje troch middel fan fjild modifikaasje. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X., & Mathur, ND. Tantalum酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. and Mathur, ND.natuerkunde Rev.. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloryske materialen tichtby ferroyske fazetransysjes. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloryske materialen tichtby ferroyske fazetransysjes.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND. Kaloryske materialen tichtby ferroid faze transysjes. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Thermyske materialen tichtby ferro metallurgy.Moya, X., Kar-Narayan, S. en Mathur, ND Thermal materialen tichtby izeren faze transysjes.Nat. alma mater 13, 439-450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Caloric materialen foar koeling en ferwaarming. Moya, X. & Mathur, ND Caloric materialen foar koeling en ferwaarming.Moya, X. en Mathur, ND Thermal materialen foar koeling en ferwaarming. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料. Moya, X. & Mathur, ND Thermal materialen foar koeling en ferwaarming.Moya X. en Mathur ND Thermal materialen foar koeling en ferwaarming.Wittenskip 370, 797-803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: in resinsje. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: in resinsje.Torello, A. en Defay, E. Electrocaloric chillers: in resinsje. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论.Torello, A. en Defay, E. Electrothermal coolers: in resinsje.Avansearre. elektroanysk. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enoarme enerzjy-effisjinsje fan electrocaloric materiaal yn tige bestelde scandium-scandium-lead. Nasjonale kommunikaasje. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. It electrothermal effekt fan okside multilayer capacitors is grut oer in breed temperatuer berik. Nature 575, 468-472 (2019).
Torello, A. et al. Enorme temperatuerberik yn elektrothermyske regenerators. Wittenskip 370, 125-129 (2020).
Wang, Y. et al. Hege prestaasje solid state elektrotermysk koelsysteem. Wittenskip 370, 129-133 (2020).
Meng, Y. et al. Cascade electrothermal cooling apparaat foar grutte temperatuer stiging. National Energy 5, 996-1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Hege effisjinsje direkte konverzje fan waarmte nei elektryske enerzjy-relatearre pyroelektryske mjittingen. Olsen, RB & Brown, DD Hege effisjinsje direkte konverzje fan waarmte nei elektryske enerzjy-relatearre pyroelektryske mjittingen.Olsen, RB en Brown, DD Heech effisjinte direkte konverzje fan waarmte yn elektryske enerzjy ferbûn mei pyroelektryske mjittingen. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量. Olsen, RB, Brown, DDOlsen, RB en Brown, DD Effisjinte direkte konverzje fan waarmte nei elektrisiteit ferbûn mei pyroelektryske mjittingen.Ferroelectrics 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. et al. Enerzjy- en machtstichtens yn tinne relaxor ferroelektryske films. Nasjonale alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Cascaded pyroelektryske konverzje: optimalisearjen fan de ferroelektryske faze-oergong en elektryske ferlies. Smith, AN & Hanrahan, BM Cascaded pyroelektryske konverzje: optimalisearjen fan de ferroelektryske faze-oergong en elektryske ferlies.Smith, AN, Hanrahan, BM. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗. Smith, AN & Hanrahan, BMSmith AN, Hanrahan BM Cascaded pyroelektryske konverzje: optimisaasje fan ferroelektryske fazetransysjes en elektryske ferlies.J. Applikaasje. natuerkunde. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR It gebrûk fan ferroelektryske materialen om termyske enerzjy yn elektrisiteit te konvertearjen. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM, & Dullea, J. Cascaded pyroelectric energy converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM, & Dullea, J. Cascaded pyroelectric energy converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM, and Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM, & Dullea, J. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM, & Dullea, J.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM en Dullea, J. Cascaded pyroelektryske macht converters.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Op lead-skandium tantalaat fêste oplossings mei hege electrocaloric effekt. Shebanov, L. & Borman, K. Op lead-skandium tantalaat fêste oplossings mei hege electrocaloric effekt.Shebanov L. en Borman K. Op fêste oplossingen fan lead-scandium tantalaat mei in hege elektrokaloryske effekt. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体. Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. en Borman K. Op scandium-lead-scandium fêste oplossingen mei in hege elektrokaloryske effekt.Ferroelectrics 127, 143-148 (1992).
Wy tankje N. Furusawa, Y. Inoue en K. Honda foar harren help by it meitsjen fan de MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB en ED Mei tank oan de Luxembourg National Research Foundation (FNR) foar it stypjen fan dit wurk fia CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay en BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Department of Materials Research and Technology, Luxembourg Institute of Technology (LIST), Belvoir, Lúksemboarch