Nawiskeun sumber listrik anu lestari mangrupikeun salah sahiji tantangan anu paling penting dina abad ieu. Wewengkon panalungtikan dina bahan panén énergi asalna tina motivasi ieu, kalebet thermoelectric1, photovoltaic2 sareng thermophotovoltaics3. Sanaos urang kakurangan bahan sareng alat anu tiasa nyandak énérgi dina kisaran Joule, bahan pyroelectric anu tiasa ngarobih énérgi listrik kana parobahan suhu périodik dianggap sensor4 sareng pemanen énergi5,6,7. Di dieu kami geus ngembangkeun hiji harvester énergi termal makroskopis dina bentuk kapasitor multilayer dijieunna tina 42 gram lead scandium tantalate, ngahasilkeun 11,2 J énergi listrik per siklus termodinamika. Unggal modul pyroelectric bisa ngahasilkeun dénsitas énergi listrik nepi ka 4,43 J cm-3 per siklus. Kami ogé nunjukkeun yén dua modul sapertos anu beuratna 0,3 g cekap pikeun terus-terusan kakuatan pemanen énergi otonom kalayan mikrokontroler anu dipasang sareng sensor suhu. Tungtungna, kami nunjukkeun yén pikeun rentang suhu 10 K, kapasitor multilayer ieu tiasa ngahontal efisiensi Carnot 40%. Sipat ieu disababkeun ku (1) parobahan fase ferroelectric pikeun efisiensi anu luhur, (2) arus bocor anu rendah pikeun nyegah karugian, sareng (3) tegangan ngarecahna luhur. Panén kakuatan pyroelectric makroskopis, skalabel sareng éfisién ieu ngabayangkeun deui generasi listrik térmoéléktrik.
Dibandingkeun jeung gradién suhu spasial diperlukeun pikeun bahan thermoelectric, Panén énergi bahan thermoelectric merlukeun Ngabuburit suhu kana waktu. Ieu hartina daur térmodinamik, nu pangalusna digambarkeun ku éntropi (S) -suhu (T) diagram. Gambar 1a nunjukkeun plot ST khas tina bahan pyroelectric non-linier (NLP) anu nunjukkeun transisi fase ferroelectric-paraelectric anu didorong lapangan dina scandium lead tantalate (PST). Bagian biru jeung héjo tina siklus dina diagram ST pakait jeung énérgi listrik dirobah dina siklus Olson (dua isothermal na dua bagian isopole). Di dieu urang nganggap dua siklus kalayan parobahan médan listrik anu sami (sawah sareng pareum) sareng parobahan suhu ΔT, sanaos suhu awal anu béda. Siklus héjo henteu aya di daérah transisi fase sahingga ngagaduhan daérah anu langkung alit tibatan siklus biru anu aya di daérah transisi fase. Dina diagram ST, nu leuwih badag wewengkon, nu leuwih gede énergi dikumpulkeun. Ku alatan éta, transisi fase kudu ngumpulkeun leuwih énergi. Kabutuhan pikeun siklus aréa badag di NLP sarupa pisan jeung kabutuhan aplikasi electrothermal9, 10, 11, 12 dimana PST multilayer kapasitor (MLCs) jeung terpolymers basis PVDF anyar geus ditémbongkeun kinerja sabalikna alus teuing. status kinerja cooling dina siklus 13,14,15,16. Ku alatan éta, kami geus ngaidentifikasi PST MLCs dipikaresep pikeun panén énergi termal. Sampel ieu parantos dijelaskeun sacara lengkep dina metode sareng dicirikeun dina catetan tambahan 1 (scanning mikroskop éléktron), 2 (difraksi sinar-X) sareng 3 (kalorimétri).
a, Sketsa tina plot éntropi (S) -suhu (T) kalayan médan listrik sareng mareuman dilarapkeun ka bahan NLP némbongkeun transisi fase. Dua siklus ngumpulkeun énérgi ditémbongkeun dina dua zona suhu béda. Siklus biru sareng héjo lumangsung di jero sareng di luar transisi fase, masing-masing, sareng ditungtungan di daérah permukaan anu béda pisan. b, dua cingcin unipolar DE PST MLC, kandel 1 mm, diukur antara 0 jeung 155 kV cm-1 dina 20 °C jeung 90 °C, masing-masing, sarta siklus Olsen pakait. Hurup ABCD nujul kana kaayaan béda dina siklus Olson. AB: MLCs dieusi ka 155 kV cm-1 dina 20°C. SM: MLC dipertahankeun dina 155 kV cm-1 sareng suhu naék kana 90 °C. CD: MLC discharges dina 90°C. DA: MLC tiis nepi ka 20 ° C dina widang enol. Wewengkon biru pakait jeung daya input diperlukeun pikeun ngamimitian siklus nu. Wewengkon jeruk nyaéta énergi anu dikumpulkeun dina hiji siklus. c, panel luhur, tegangan (hideung) jeung ayeuna (beureum) versus waktos, dilacak salila siklus Olson sarua b. Dua sisipan ngagambarkeun amplifikasi tegangan sareng arus dina titik konci dina siklus. Dina panel handap, kurva konéng sareng héjo ngagambarkeun kurva suhu sareng énergi anu cocog, masing-masing, pikeun MLC kandel 1 mm. Énergi diitung tina kurva arus sareng tegangan dina panel luhur. Énergi négatip pakait sareng énergi anu dikumpulkeun. Léngkah-léngkah anu pakait sareng hurup kapital dina opat inohong sami sareng dina siklus Olson. Siklus AB'CD pakait jeung siklus Stirling (catetan tambahan 7).
dimana E sareng D nyaéta médan listrik sareng médan pamindahan listrik, masing-masing. Nd tiasa didapet teu langsung tina sirkuit DE (Gbr. 1b) atanapi langsung ku ngamimitian siklus termodinamika. Métode anu paling mangpaat dijelaskeun ku Olsen dina karya pioneering na dina ngumpulkeun énergi piroéléktrik dina 1980s17.
Dina Gbr. 1b nembongkeun dua puteran DE monopolar tina 1 mm spésimén PST-MLC kandel dirakit dina 20 °C jeung 90 °C, masing-masing dina rentang 0 nepi ka 155 kV cm-1 (600 V). Ieu dua siklus bisa dipaké pikeun teu langsung ngitung énergi dikumpulkeun ku siklus Olson ditémbongkeun dina Gambar 1a. Kanyataanna, siklus Olsen diwangun ku dua cabang isofield (di dieu, nol widang dina cabang DA jeung 155 kV cm-1 dina cabang SM) jeung dua cabang isothermal (di dieu, 20 ° C jeung 20 ° C dina cabang AB). . C dina cabang CD) Énergi dikumpulkeun salila siklus pakait jeung wewengkon oranyeu jeung biru (EdD integral). Énergi anu dikumpulkeun Nd nyaéta bédana antara énergi asupan sareng kaluaran, nyaéta ngan ukur daérah jeruk dina Gbr. 1b. Daur Olson tinangtu ieu méré kapadetan énergi Nd 1,78 J cm-3. Siklus Stirling mangrupa alternatif pikeun siklus Olson (Catetan Tambahan 7). Kusabab tahap muatan konstan (sirkuit terbuka) leuwih gampang ngahontal, dénsitas énergi sasari ti Gbr. 1b (siklus AB'CD) ngahontal 1,25 J cm-3. Ieu ngan 70% tina naon siklus Olson bisa ngumpulkeun, tapi parabot Panén basajan ngalakukeun eta.
Sajaba ti éta, urang langsung ngukur énergi dikumpulkeun salila siklus Olson ku énergi PST MLC ngagunakeun tahap kontrol suhu Linkam sarta méteran sumber (metode). angka 1c di luhur sarta dina insets masing-masing nembongkeun ayeuna (beureum) jeung tegangan (hideung) dikumpulkeun dina sarua 1 mm kandel PST MLC sakumaha keur loop DE ngaliwatan siklus Olson sarua. Arus jeung tegangan ngamungkinkeun keur ngitung énergi dikumpulkeun, sarta kurva ditémbongkeun dina Gbr. 1c, handap (héjo) jeung suhu (konéng) sapanjang siklus. Hurup ABCD ngagambarkeun siklus Olson sarua dina Gbr. 1. Ngecas MLC lumangsung salila leg AB sarta dilaksanakeun dina arus low (200 µA), jadi SourceMeter bener bisa ngadalikeun ngecas. Konsékuansi tina arus awal konstan ieu yén kurva tegangan (kurva hideung) teu linier alatan non-linier poténsi médan kapindahan D PST (Gbr. 1c, inset luhur). Dina ahir ngecas, 30 mJ énergi listrik disimpen dina MLC (titik B). MLC teras dipanaskeun sareng arus négatip (sareng ku kituna arus négatip) dihasilkeun nalika teganganna tetep dina 600 V. Saatos 40 detik, nalika suhu ngahontal dataran luhur 90 °C, arus ieu dikompensasi, sanaos sampel léngkah. dihasilkeun dina sirkuit kakuatan listrik 35 mJ salila isofield ieu (inset kadua di Gbr. 1c, luhur). Tegangan dina MLC (cabang CD) lajeng ngurangan, hasilna tambahan 60 mJ karya listrik. Total énergi kaluaran nyaéta 95 mJ. Énergi anu dikumpulkeun nyaéta bédana antara énergi asupan sareng kaluaran, anu masihan 95 - 30 = 65 mJ. Ieu pakait jeung dénsitas énergi 1,84 J cm-3, nu deukeut pisan jeung Nd sasari tina cingcin DE. Reproducibility tina siklus Olson ieu parantos diuji sacara éksténsif (Catetan Tambahan 4). Ku ningkatkeun tegangan sareng suhu, kami ngahontal 4.43 J cm-3 nganggo siklus Olsen dina kandel PST MLC 0.5 mm dina kisaran suhu 750 V (195 kV cm-1) sareng 175 ° C (Catetan Tambahan 5). Ieu opat kali leuwih gede dibandingkeun kinerja pangalusna dilaporkeun dina literatur pikeun siklus Olson langsung tur dicandak dina film ipis Pb (Mg, Nb) O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3) 18 (cm .Supplementary). Tabél 1 pikeun langkung seueur nilai dina literatur). Kinerja ieu parantos dihontal kusabab arus bocor anu handap pisan tina MLC ieu (<10−7 A dina 750 V sareng 180 °C, tingali detil dina Catetan Tambahan 6) -titik penting anu disebatkeun ku Smith et al.19-kontras. kana bahan anu digunakeun dina pangajaran saméméhna17,20. Kinerja ieu parantos dihontal kusabab arus bocor anu handap pisan tina MLC ieu (<10−7 A dina 750 V sareng 180 °C, tingali detil dina Catetan Tambahan 6) -titik penting anu disebatkeun ku Smith et al.19-kontras. kana bahan anu digunakeun dina pangajaran saméméhna17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 °C, suhu 180 °C римечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Ciri ieu kahontal alatan arus bocor pisan low of MLCs ieu (<10-7 A dina 750 V jeung 180 °C, tingali Suplemén Catetan 6 pikeun detil) - titik kritis disebutkeun ku Smith et al. 19 - kontras jeung bahan dipaké dina studi saméméhna17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明6 中的说明6—细的说提到的关键点——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 ， 参见 补充 说明 6 ））） — 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 相比下下下 相比下下下下 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 相比之下下，徲爱爱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 и 180 °C, см. подробности в дополнительном пимич6) упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Kusabab arus bocor MLC ieu rendah pisan (<10-7 A dina 750 V sareng 180 °C, tingali Catetan Tambahan 6 pikeun detil) - titik konci anu disebatkeun ku Smith dkk. 19 - pikeun babandingan, pagelaran ieu kahontal.kana bahan anu digunakeun dina pangajaran saméméhna 17,20.
Kaayaan anu sami (600 V, 20–90 °C) dilarapkeun kana siklus Stirling (Catetan tambahan 7). Saperti nu diharapkeun tina hasil siklus DE, ngahasilkeun éta 41,0 mJ. Salah sahiji fitur anu paling keuna dina siklus Stirling nyaéta kamampuan pikeun ngagedékeun tegangan awal ngaliwatan pangaruh thermoelectric. Urang observasi gain tegangan nepi ka 39 (ti hiji tegangan awal 15 V nepi ka tegangan tungtung nepi ka 590 V, tingali Suplemén Gbr. 7.2).
Fitur séjén anu ngabédakeun MLC ieu nyaéta objék makroskopis anu cukup ageung pikeun ngumpulkeun énergi dina kisaran joule. Kituna, urang diwangun hiji harvester prototipe (HARV1) ngagunakeun 28 MLC PST 1 mm kandel, nuturkeun desain plat paralel sarua digambarkeun ku Torello et al.14, dina 7 × 4 matrix ditémbongkeun saperti dina Gbr. The panas-mawa cairan diéléktrik dina manifold ieu lunta ku pompa peristaltic antara dua waduk dimana hawa cairan dijaga konstan (metode). Kumpulkeun nepi ka 3,1 J ngagunakeun siklus Olson digambarkeun dina Gbr. 2a, wewengkon isothermal dina 10°C jeung 125°C jeung wewengkon isofield dina 0 jeung 750 V (195 kV cm-1). Ieu pakait jeung dénsitas énergi 3,14 J cm-3. Ngagunakeun kombinasi ieu, pangukuran dicandak dina sagala rupa kaayaan (Gbr. 2b). Catet yén 1,8 J dicandak dina rentang suhu 80 °C sareng tegangan 600 V (155 kV cm-1). Ieu dina perjangjian alus jeung 65 mJ disebutkeun saméméhna pikeun 1 mm kandel PST MLC dina kaayaan anu sarua (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Setélan ékspérimén tina prototipe HARV1 dirakit dumasar kana 28 MLC PSTs 1 mm kandel (4 jajar × 7 kolom) ngajalankeun on siklus Olson. Pikeun unggal opat léngkah siklus, suhu sareng tegangan disayogikeun dina prototipe. Komputer ngajalankeun pompa peristaltik anu ngiderkeun cairan diéléktrik antara waduk tiis sareng panas, dua klep, sareng sumber listrik. Komputer ogé ngagunakeun thermocouples pikeun ngumpulkeun data dina tegangan jeung arus disadiakeun pikeun prototipe jeung suhu gabungan ti catu daya. b, Énergi (warna) dikumpulkeun ku 4 × 7 MLC prototipe kami versus rentang suhu (X-sumbu) jeung tegangan (Y-sumbu) dina percobaan béda.
A versi badag tina harvester (HARV2) kalawan 60 PST MLC 1 mm kandel jeung 160 PST MLC 0,5 mm kandel (41,7 g bahan pyroelectric aktip) masihan 11,2 J (Supplementary Catetan 8). Taun 1984, Olsen ngadamel pemanen énérgi dumasar kana 317 g sanyawa Pb(Zr,Ti)O3 doped timah anu sanggup ngahasilkeun 6,23 J listrik dina suhu kira-kira 150 °C (ref. 21). Pikeun gabungan ieu, ieu hiji-hijina nilai sejenna sadia dina rentang joule. Éta ngagaduhan langkung ti satengah nilai anu kami capai sareng ampir tujuh kali kualitas. Ieu ngandung harti yén dénsitas énergi HARV2 nyaéta 13 kali leuwih luhur.
Periode siklus HARV1 nyaéta 57 detik. Ieu ngahasilkeun kakuatan 54 mW sareng 4 jajar 7 kolom set MLC kandel 1 mm. Pikeun nyandak hiji léngkah salajengna, kami ngawangun gabungan katilu (HARV3) sareng PST MLC kandel 0.5mm sareng setelan anu sami sareng HARV1 sareng HARV2 (Catetan Tambahan 9). Kami ngukur waktos termalisasi 12,5 detik. Ieu pakait jeung waktu siklus 25 s (Suplemén Gbr. 9). Énergi anu dikumpulkeun (47 mJ) masihan kakuatan listrik 1,95 mW per MLC, anu ngamungkinkeun urang ngabayangkeun yén HARV2 ngahasilkeun 0,55 W (kira-kira 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm kandel). Salaku tambahan, kami simulasi transfer panas nganggo Simulasi Unsur Terhingga (COMSOL, Suplemén Catetan 10 sareng Suplemén Tabel 2-4) pakait sareng percobaan HARV1. Modeling unsur terhingga ngamungkinkeun pikeun ngaduga nilai kakuatan ampir hiji urutan gedena leuwih luhur (430 mW) pikeun jumlah sarua kolom PST ku thinning MLC ka 0,2 mm, ngagunakeun cai salaku coolant, sarta mulangkeun matrix ka 7 jajar. . × 4 kolom (sajaba , aya 960 mW nalika tank éta gigireun ngagabungkeun, Suplemén Gbr. 10b).
Pikeun nunjukkeun mangpaat kolektor ieu, siklus Stirling diterapkeun ka démo anu mandiri anu diwangun ku ukur dua MLC PST kandel 0,5 mm salaku kolektor panas, saklar tegangan tinggi, saklar tegangan rendah sareng kapasitor panyimpen, konverter DC / DC. , mikrokontroler kakuatan rendah, dua thermocouple sareng konverter dorongan (Catetan Tambahan 11). Sirkuitna butuh kapasitor panyimpen mimitina dicas dina 9V teras dijalankeun sacara mandiri bari suhu dua MLC kisaran ti -5 ° C dugi ka 85 ° C, di dieu dina siklus 160 detik (sababaraha siklus dipidangkeun dina Catetan Tambahan 11) . Hebatna, dua MLC anu beuratna ngan 0.3g tiasa sacara mandiri ngontrol sistem ageung ieu. Fitur séjén anu pikaresepeun nyaéta konvérsi tegangan rendah sanggup ngarobih 400V ka 10-15V kalayan efisiensi 79% (Catetan Tambahan 11 sareng Gambar Tambahan 11.3).
Tungtungna, urang dievaluasi efisiensi modul MLC ieu dina ngarobah énérgi termal kana énergi listrik. Faktor kualitas η efisiensi dihartikeun salaku babandingan dénsitas énergi listrik dikumpulkeun Nd jeung dénsitas panas disadiakeun Qin (Catetan tambahan 12):
Angka 3a,b nunjukkeun efisiensi η sareng efisiensi proporsional ηr tina siklus Olsen, masing-masing salaku fungsi tina rentang suhu 0,5 mm kandel PST MLC. Kadua set data dipasihkeun pikeun médan listrik 195 kV cm-1. Efisiensi \(\ieu\) ngahontal 1,43%, nu sarua jeung 18% ηr. Tapi, pikeun rentang suhu 10 K ti 25 °C nepi ka 35 °C, ηr ngahontal nilai nepi ka 40% (kurva biru dina Gbr. 3b). Ieu dua kali nilai dipikawanoh pikeun bahan NLP kacatet dina film PMN-PT (ηr = 19%) dina rentang suhu 10 K jeung 300 kV cm-1 (Ref. 18). Kisaran suhu handap 10 K teu dianggap sabab hysteresis termal tina PST MLC antara 5 jeung 8 K. Pangakuan pangaruh positif transisi fase on efisiensi mangrupa kritik. Nyatana, nilai optimal η sareng ηr ampir sadayana dicandak dina suhu awal Ti = 25 ° C dina Gbr. 3a,b. Ieu disababkeun ku transisi fase anu caket nalika teu aya lapangan anu diterapkeun sareng suhu Curie TC sakitar 20 ° C dina MLC ieu (Catetan tambahan 13).
a,b, efisiensi η jeung efisiensi proporsional daur Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } pikeun listrik maksimum ku médan 195 kV cm-1 jeung suhu awal béda Ti, }}\,\)(b) pikeun MPC PST 0,5 mm kandel, gumantung kana interval suhu ΔTspan.
Observasi dimungkinkeun boga dua implikasi penting: (1) sagala Ngabuburit éféktif kudu dimimitian dina suhu luhur TC pikeun transisi fase-ngainduksi widang (tina paraelectric ka ferroelectric) lumangsung; (2) bahan ieu leuwih efisien dina ngajalankeun kali deukeut TC. Sanajan efficiencies badag skala ditémbongkeun dina percobaan urang, rentang hawa kawates teu ngidinan urang pikeun ngahontal efficiencies mutlak badag alatan wates Carnot (\(\Delta T/T\)). Sanajan kitu, efisiensi unggulan ditémbongkeun ku PST MLCs ieu justifies Olsen nalika anjeunna nyebutkeun yén "kelas idéal 20 motor thermoelectric regenerative beroperasi dina suhu antara 50 °C jeung 250 °C bisa boga efisiensi 30%"17. Pikeun ngahontal nilai-nilai ieu sareng nguji konsép, éta bakal mangpaat ngagunakeun PST doped sareng TC anu béda, sakumaha anu ditalungtik ku Shebanov sareng Borman. Éta némbongkeun yén TC dina PST bisa rupa-rupa ti 3 ° C (Sb doping) nepi ka 33 ° C (Ti doping) 22 . Ku alatan éta, urang hypothesize yén regenerators pyroelectric generasi saterusna dumasar kana doped MLCs PST atawa bahan séjén kalawan transisi fase urutan kahiji kuat bisa bersaing jeung harvesters kakuatan pangalusna.
Dina ulikan ieu, urang nalungtik MLCs dijieun tina PST. Alat-alat ieu diwangun ku séri éléktroda Pt sareng PST, dimana sababaraha kapasitor disambungkeun paralel. PST dipilih sabab mangrupa bahan EC alus teuing sahingga bahan NLP berpotensi alus teuing. Ieu némbongkeun transisi fase ferroelectric-paraelectric urutan kahiji seukeut sabudeureun 20 °C, nunjukkeun yén parobahan éntropi na téh sarupa jeung nu ditémbongkeun dina Gbr. 1. MLCs sarupa geus pinuh digambarkeun pikeun alat EC13,14. Dina ulikan ieu, kami nganggo 10.4 × 7.2 × 1 mm³ sareng 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ MLC. MLC kalayan kandel 1 mm sareng 0,5 mm didamel tina 19 sareng 9 lapisan PST kalayan ketebalan 38,6 µm masing-masing. Dina duanana kasus, lapisan PST jero disimpen antara 2,05 µm éléktroda platinum kandel. Desain MLC ieu nganggap yén 55% tina PST aktip, pakait sareng bagian antara éléktroda (Catetan Tambahan 1). Wewengkon éléktroda aktip nyaéta 48,7 mm2 (Tabel Tambahan 5). MLC PST disiapkeun ku réaksi fase padet sareng metode tuang. Rincian prosés persiapan parantos dijelaskeun dina artikel saméméhna14. Salah sahiji bédana antara PST MLC jeung artikel saméméhna nyaéta urutan B-situs, nu greatly mangaruhan kinerja EC di PST. Urutan B-situs PST MLC nyaéta 0,75 (Catetan Tambahan 2) diala ku sintering dina 1400 ° C dituturkeun ku ratusan jam annealing lila dina 1000 ° C. Kanggo inpo nu langkung lengkep ihwal PST MLC, tingali Catetan Tambahan 1-3 sareng Tabél Tambahan 5.
Konsep utama ulikan ieu dumasar kana siklus Olson (Gbr. 1). Pikeun siklus sapertos kitu, urang peryogi waduk panas sareng tiis sareng catu daya anu tiasa ngawas sareng ngontrol tegangan sareng arus dina sababaraha modul MLC. Ieu siklus langsung dipaké dua konfigurasi béda, nyaéta (1) modul Linkam pemanasan sarta cooling hiji MLC disambungkeun ka sumber kakuatan Keithley 2410, sarta (2) tilu prototipe (HARV1, HARV2 na HARV3) dina paralel jeung énergi sumber nu sami. Dina kasus dimungkinkeun, cairan diéléktrik (minyak silikon kalayan viskositas 5 cP dina 25 ° C, dibeuli ti Sigma Aldrich) dipaké pikeun bursa panas antara dua waduk (panas jeung tiis) jeung MLC. The reservoir termal diwangun ku wadah kaca ngeusi cairan diéléktrik sarta disimpen dina luhureun piring termal. Panyimpen tiis diwangun ku mandi cai kalayan tabung cair anu ngandung cairan diéléktrik dina wadah plastik ageung anu dieusi cai sareng és. Dua klep ciwit tilu arah (dibeuli ti Bio-Chem Fluidics) disimpen dina unggal tungtung gabungan pikeun ngalihkeun cairan tina hiji waduk ka anu sanés (Gambar 2a). Pikeun mastikeun kasatimbangan termal antara pakét PST-MLC jeung coolant nu, periode siklus ieu diperpanjang nepi ka inlet na outlet thermocouples (sacaket mungkin ka pakét PST-MLC) némbongkeun suhu anu sarua. Skrip Python ngatur sareng nyingkronkeun sadaya instrumen (méter sumber, pompa, klep, sareng thermocouple) pikeun ngajalankeun siklus Olson anu leres, nyaéta loop coolant mimiti ngaluncurkeun tumpukan PST saatos méteran sumber dieusi ambéh panas dina waktos anu dipikahoyong. tegangan dilarapkeun pikeun siklus Olson dibikeun.
Alternatipna, kami parantos ngonfirmasi pangukuran langsung énergi anu dikumpulkeun ku metode teu langsung. Métode teu langsung ieu dumasar kana kapindahan listrik (D) - médan listrik (E) puteran médan dikumpulkeun dina suhu béda, sarta ku ngitung aréa antara dua puteran DE, hiji akurat bisa estimasi sabaraha énergi bisa dikumpulkeun, ditémbongkeun saperti dina gambar. . dina gambar 2. .1b. Gelung DE ieu ogé dikumpulkeun nganggo méter sumber Keithley.
Dua puluh dalapan MLCs PST kandel 1 mm dirakit dina 4-baris, 7-kolom struktur plat paralel nurutkeun rarancang digambarkeun dina rujukan. 14. Celah cairan antara barisan PST-MLC nyaeta 0.75mm. Hal ieu dihontal ku nambahkeun strips pita dua sisi salaku spacers cair sabudeureun edges of PST MLC. PST MLC disambungkeun sacara éléktrik paralel sareng sasak époksi pérak dina kontak sareng éléktroda ngawujud. Sanggeus éta, kawat anu glued kalawan résin epoxy pérak ka unggal sisi terminal éléktroda pikeun sambungan kana catu daya. Tungtungna, selapkeun sakabéh struktur kana selang polyolefin. Panungtungan ieu glued kana tabung cairan pikeun mastikeun sealing ditangtoskeun. Tungtungna, 0,25 mm kandel K-jenis thermocouple diwangun kana unggal tungtung struktur PST-MLC pikeun ngawas inlet na outlet hawa cair. Jang ngalampahkeun ieu, selang kudu perforated munggaran. Saatos masang thermocouple, nerapkeun napel sarua jeung saméméhna antara selang thermocouple jeung kawat pikeun mulangkeun segel.
Dalapan purwa misah diwangun, opat di antarana miboga 40 0,5 mm kandel MLC PSTs disebarkeun salaku pelat paralel kalawan 5 kolom jeung 8 jajar, jeung opat sésana miboga 15 1 mm kandel MLC PSTs unggal. dina 3-kolom × 5-baris struktur plat paralel. Jumlah total PST MLCs dipaké éta 220 (160 0,5 mm kandel jeung 60 PST MLC 1 mm kandel). Kami nelepon dua subunit ieu HARV2_160 sareng HARV2_60. Celah cair dina prototipe HARV2_160 diwangun ku dua pita dua sisi 0,25 mm kandel kalayan kawat 0,25 mm kandel diantara aranjeunna. Pikeun prototipe HARV2_60, kami ngulang prosedur anu sami, tapi nganggo kawat kandel 0,38 mm. Pikeun simétri, HARV2_160 sareng HARV2_60 gaduh sirkuit cairan sorangan, pompa, klep sareng sisi tiis (Catetan Tambahan 8). Dua unit HARV2 ngabagi reservoir panas, wadahna 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) dina dua pelat panas kalayan magnet puteran. Sadaya dalapan prototipe individu disambungkeun sacara listrik paralel. Subunit HARV2_160 sareng HARV2_60 tiasa dianggo sakaligus dina siklus Olson ngahasilkeun panén énergi 11,2 J.
Teundeun 0.5mm kandel PST MLC kana selang polyolefin jeung pita dua kali sided jeung kawat dina dua sisi pikeun nyieun rohangan pikeun cairan ngalir. Kusabab ukuranana leutik, prototipe ieu disimpen di gigireun klep embung panas atawa tiis, ngaminimalkeun waktu siklus.
Dina PST MLC, médan listrik konstan diterapkeun ku cara nerapkeun tegangan konstan kana cabang pemanasan. Hasilna, arus termal négatip dibangkitkeun sareng énergi disimpen. Saatos pemanasan PST MLC, sawah dileungitkeun (V = 0), sareng énergi anu disimpen di dinya dipulangkeun deui ka counter sumber, anu pakait sareng hiji deui kontribusi énergi anu dikumpulkeun. Tungtungna, kalayan tegangan V = 0 diterapkeun, MLC PSTs anu leuwih tiis kana suhu awal maranéhanana ku kituna siklus bisa ngamimitian deui. Dina tahap ieu, énergi teu dikumpulkeun. Urang ngajalankeun siklus Olsen maké Keithley 2410 SourceMeter, ngecas PST MLC ti sumber tegangan tur nyetel pertandingan ayeuna kana nilai luyu ambéh cukup titik dikumpulkeun salila fase ngecas pikeun itungan énergi dipercaya.
Dina siklus Stirling, PST MLC dieusi dina mode sumber tegangan dina nilai médan listrik awal (voltase awal Vi > 0), arus patuh anu dipikahoyong supados léngkah ngecas nyandak sakitar 1 s (sareng cukup titik dikumpulkeun pikeun itungan anu dipercaya. énergi) jeung suhu tiis. Dina siklus Stirling, PST MLC dieusi dina mode sumber tegangan dina nilai médan listrik awal (voltase awal Vi > 0), arus patuh anu dipikahoyong supados léngkah ngecas nyandak sakitar 1 s (sareng cukup titik dikumpulkeun pikeun itungan anu dipercaya. énergi) jeung suhu tiis. В царлидитилина PST mlc женниие vi> 0), желамомамомамоте товомутемтее, тттeis ажжогоророе. Dina siklus Stirling PST MLC, aranjeunna dieusi dina mode sumber tegangan dina nilai awal médan listrik (tegangan awal Vi > 0), arus ngahasilkeun nu dipikahoyong, sahingga tahap ngecas nyokot ngeunaan 1 s (jeung jumlah cukup). titik dikumpulkeun pikeun itungan énergi dipercaya) jeung hawa tiis.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）兀电家充电步骤大约需要1 秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温. Dina siklus master, PST MLC dieusi dina nilai médan listrik awal (voltase awal Vi> 0) dina modeu sumber tegangan, ku kituna arus minuhan diperlukeun ngeunaan 1 detik pikeun hambalan ngecas (jeung kami dikumpulkeun cukup titik pikeun reliably ngitung (énergi) jeung suhu low. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (напряжения с начальным значением электрического поля (на.ячальнь) ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежнек) температуры . Dina siklus Stirling, PST MLC dieusi dina modeu sumber tegangan kalayan nilai awal médan listrik (tegangan awal Vi> 0), arus anu dibutuhkeun pikeun ngecas nyaéta 1 detik (sareng jumlah anu cekap). titik dikumpulkeun pikeun reliably ngitung énergi) jeung suhu low.Saméméh PST MLC panas, buka sirkuit ku cara nerapkeun arus cocog I = 0 mA (arus cocog minimum nu sumber ukur urang tiasa ngadamel nyaeta 10 nA). Hasilna, muatan tetep dina PST of MJK, sarta tegangan naek salaku sampel heats up. Taya énergi dikumpulkeun dina panangan SM sabab I = 0 mA. Saatos ngahontal suhu luhur, tegangan dina MLT FT naek (dina sababaraha kasus leuwih ti 30 kali, tingali Gbr tambahan. 7.2), MLK FT discharged (V = 0), sarta énérgi listrik disimpen di aranjeunna keur sarua. sabab jadi muatan awal. Susuratan ayeuna anu sami dipulangkeun ka sumber méteran. Kusabab gain tegangan, énergi nu disimpen dina suhu luhur leuwih luhur ti naon ieu disadiakeun dina awal siklus nu. Akibatna, énergi dimeunangkeun ku cara ngarobah panas jadi listrik.
Kami nganggo Keithley 2410 SourceMeter pikeun ngawas tegangan sareng arus anu dilarapkeun kana PST MLC. Énergi anu saluyu diitung ku cara ngahijikeun produk tegangan sareng arus anu dibaca ku méter sumber Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ kénca(t\ katuhu){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), dimana τ nyaéta periode perioda. Dina kurva énergi urang, nilai énergi positip hartosna énergi anu urang kedah masihan ka MLC PST, sareng nilai négatip hartosna énergi anu urang nimba ti aranjeunna sareng ku kituna énergi anu ditampi. Daya rélatif pikeun siklus kempelan ditangtukeun ku ngabagi énergi anu dikumpulkeun ku période τ tina sakabéh siklus.
Sadaya data dibere dina téks utama atanapi inpormasi tambahan. Surat sareng pamundut kanggo bahan kedah diarahkeun ka sumber data AT atanapi ED anu disayogikeun ku tulisan ieu.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC A review ngeunaan ngembangkeun sarta aplikasi tina microgenerators thermoelectric pikeun Panén énergi. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC A review ngeunaan ngembangkeun sarta aplikasi tina microgenerators thermoelectric pikeun Panén énergi.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO na Henao, NC Ihtisar ngembangkeun sarta aplikasi tina microgenerators thermoelectric pikeun Panén énergi. 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, sarta Henao, NC keur tempo ngembangkeun sarta aplikasi tina microgenerators thermoelectric pikeun Panén énergi.CV. rojongan. Énergi Wahyu 91, 376-393 (2018).
Polman, A., Ksatria, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Tilelep, bahan WC Photovoltaic: efficiencies hadir jeung tantangan hareup. Polman, A., Ksatria, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Tilelep, bahan WC Photovoltaic: efficiencies hadir jeung tantangan hareup.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. sarta Sinke, bahan VK Photovoltaic: kinerja ayeuna jeung tantangan hareup. 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 bahan surya: efisiensi ayeuna jeung tantangan hareup.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. sarta Sinke, bahan VK Photovoltaic: kinerja ayeuna jeung tantangan hareup.Élmu 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conjuncted pangaruh pyro-piezoelektrik pikeun timer Powered suhu simultaneous sarta tekanan sensing. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conjunct pangaruh pyro-piezoelektrik pikeun timer Powered hawa simultaneous sarta tekanan sensing.Song K., Zhao R., Wang ZL jeung Yan Yu. Pangaruh pyropiezoelectric gabungan pikeun pangukuran simultan otonom suhu sareng tekanan. 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. Pikeun timer powering dina waktos anu sareng suhu sarta tekanan.Song K., Zhao R., Wang ZL jeung Yan Yu. Pangaruh thermopiezoelektrik gabungan pikeun pangukuran sakaligus otonom suhu sareng tekanan.Maju. almamater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Panén énergi dumasar kana siklus pyroelectric Ericsson dina keramik ferroelectric relaxor. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Panén énergi dumasar kana siklus pyroelectric Ericsson dina keramik ferroelectric relaxor.Sebald G., Prouvost S. jeung Guyomar D. Panén énergi dumasar kana siklus pyroelectric Ericsson dina keramik ferroelectric relaxor.Sebald G., Prouvost S. jeung Guyomar D. Panén énergi dina keramik ferroelectric relaxor dumasar kana Ericsson pyroelectric Ngabuburit. Almamater pinter. struktur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW salajengna generasi bahan electrocaloric na pyroelectric pikeun interconversion énergi electrothermal solid-nagara golongan. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW salajengna generasi bahan electrocaloric na pyroelectric pikeun interconversion énergi electrothermal solid-nagara golongan. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего следующего поколого покиля твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW salajengna generasi bahan electrocaloric na pyroelectric pikeun interconversion énergi electrothermal kaayaan padet. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего следующего поколого покиля твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW salajengna generasi bahan electrocaloric na pyroelectric pikeun interconversion énergi electrothermal kaayaan padet.Nyonya Banteng. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standar na inohong-of-merit pikeun quantifying kinerja nanogenerators pyroelectric. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standar na inohong-of-merit pikeun quantifying kinerja nanogenerators pyroelectric.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL jeung Yang, Yu. Skor standar sareng kualitas pikeun ngitung kinerja nanogenerator pyroelectric. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL jeung Yang, Yu. Kriteria sareng ukuran kinerja pikeun ngitung kinerja nanogenerator pyroelectric.Nano Énergi 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND siklus cooling Electrocaloric dina kalungguhan scandium tantalate kalawan regenerasi leres via variasi widang. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND siklus cooling Electrocaloric dina kalungguhan scandium tantalate kalawan regenerasi leres via variasi widang.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. sarta Mathur, ND siklus cooling Electrocaloric di lead-scandium tantalate kalawan regenerasi leres ku cara maké modifikasi widang. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环，通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Naon deui, 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. sarta Mathur, nd Hiji siklus cooling electrothermal of scandium-lead tantalate pikeun regenerasi leres ngaliwatan ngabalikeun widang.fisika Wahyu X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Caloric bahan deukeut transisi fase ferroic. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Caloric bahan deukeut transisi fase ferroic.Moya, X., Kar-Narayan, S. jeung Mathur, ND Caloric bahan deukeut transisi fase ferroid. 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 Bahan termal deukeut metallurgy ferrous.Moya, X., Kar-Narayan, S. jeung Mathur, ND Bahan termal deukeut transisi fase beusi.Nat. almamater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND bahan Kalori pikeun cooling sarta pemanasan. Moya, X. & Mathur, ND bahan Kalori pikeun cooling sarta pemanasan.Moya, X. sarta Mathur, ND bahan termal pikeun cooling sarta pemanasan. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Bahan termal pikeun cooling sarta pemanasan.Moya X. sarta Mathur ND bahan termal pikeun cooling sarta pemanasan.Élmu 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. coolers Electrocaloric: review hiji. Torelló, A. & Defay, E. coolers Electrocaloric: review hiji.Torello, A. jeung Defay, E. Electrocaloric chillers: review hiji. Toreló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Toreló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. sarta Defay, E. coolers éléktrotermal: review hiji.Maju. éléktronik. almamater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Efisiensi énergi anu ageung tina bahan éléktrokarorik dina skandium-scandium-lead anu maréntahkeun pisan. Komunikasi nasional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Pangaruh electrothermal tina kapasitor multilayer oksida badag dina rentang hawa lega. Alam 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. rentang suhu badag dina regenerators electrothermal. Élmu 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Kinerja luhur sistem cooling electrothermal kaayaan padet. Élmu 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Cascade alat cooling electrothermal pikeun naékna suhu badag. Énergi Nasional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Efficieincy High konversi langsung panas kana ukuran pyroelectric patali énergi listrik. Olsen, RB & Brown, DD efisiensi High konversi langsung panas kana ukuran pyroelectric patali énergi listrik.Olsen, RB jeung Brown, DD Konversi langsung panas pisan efisien kana énergi listrik pakait sareng ukuran pyroelectric. 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 & coklat, DDOlsen, rb jeung Brown, DD Konversi langsung efisien panas kana listrik pakait sareng ukuran pyroelectric.Ferroelectrics 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. et al. Énergi sareng kapadetan kakuatan dina film ferroéléktrik relaxor ipis. Almamater nasional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Cascaded pyroelectric konversi: optimizing transisi fase ferroelectric jeung karugian listrik. Smith, AN & Hanrahan, BM Cascaded pyroelectric konversi: optimizing transisi fase ferroelectric jeung karugian listrik.Smith, AN jeung Hanrahan, BM Cascaded pyroelectric konversi: transisi fase ferroelectric sarta optimasi leungitna listrik. 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 jeung Hanrahan, BM Cascaded konvérsi pyroelectric: optimasi transisi fase ferroelectric jeung karugian listrik.J. Aplikasi. fisika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Pamakéan bahan ferroelectric pikeun ngarobah énérgi termal kana listrik. prosés. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, rb, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. converter énergi pyroelectric Cascaded. Olsen, rb, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. converter énergi pyroelectric Cascaded.Olsen, rb, Bruno, DA, Briscoe, JM jeung Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Parabot Parobah. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, rb, Bruno, DA, Briscoe, JM jeung Dullea, J. converters kakuatan pyroelectric Cascaded.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Dina lead-scandium tantalate solusi padet jeung éfék electrocaloric tinggi. Shebanov, L. & Borman, K. Dina lead-scandium tantalate solusi padet jeung éfék electrocaloric tinggi.Shebanov L. jeung Borman K. Dina leyuran padet kalungguhan-scandium tantalate kalawan éfék electrocaloric tinggi. 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. sarta Borman K. Dina scandium-lead-scandium solusi padet kalawan éfék electrocaloric tinggi.Ferroelectrics 127, 143-148 (1992).
Kami hatur nuhun ka N. Furusawa, Y. Inoue, sareng K. Honda pikeun bantosanana dina nyiptakeun MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB jeung ED Hatur nuhun ka Luxembourg National Research Foundation (FNR) pikeun ngarojong karya ieu ngaliwatan CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20 / MS / 14718071 / Defay na BRIDGES2021 / MS / 16282302 / CECOHA / Defay.
Departemen Panalungtikan sarta Téknologi Bahan, Institut Téknologi Luxembourg (LIST), Belvoir, Luksemburg