Nawakake sumber listrik sing lestari minangka salah sawijining tantangan paling penting ing abad iki. Wilayah riset ing bahan panen energi asale saka motivasi iki, kalebu thermoelectric1, photovoltaic2 lan thermophotovoltaics3. Sanajan kekurangan bahan lan piranti sing bisa ngasilake energi ing kisaran Joule, bahan pyroelectric sing bisa ngowahi energi listrik dadi owah-owahan suhu periodik dianggep sensor4 lan pemanen energi5,6,7. Ing kene kita wis ngembangake pemanen energi termal makroskopik ing wangun kapasitor multilayer digawe saka 42 gram timbal scandium tantalate, ngasilake 11,2 J energi listrik saben siklus termodinamika. Saben modul pyroelectric bisa ngasilake Kapadhetan energi listrik nganti 4,43 J cm-3 saben siklus. Kita uga nuduhake yen loro modul kasebut bobote 0,3 g cukup kanggo terus-terusan nguwasani pemanen energi otonom kanthi mikrokontroler lan sensor suhu sing dipasang. Pungkasan, kita nuduhake manawa kanggo sawetara suhu 10 K, kapasitor multilayer iki bisa tekan efisiensi Carnot 40%. Sifat-sifat kasebut amarga (1) owah-owahan fase feroelektrik kanggo efisiensi dhuwur, (2) arus bocor sing sithik kanggo nyegah kerugian, lan (3) voltase rusak sing dhuwur. Pemanen tenaga piroelektrik makroskopik, skalabel lan efisien iki nggambarake pembangkit listrik termoelektrik.
Dibandhingake karo gradien suhu spasial sing dibutuhake kanggo bahan thermoelectric, panen energi bahan thermoelectric mbutuhake siklus suhu liwat wektu. Iki tegese siklus termodinamika, sing paling apik diterangake kanthi diagram entropi (S) -suhu (T). Gambar 1a nuduhake plot ST khas saka materi piroelektrik non-linear (NLP) sing nuduhake transisi fase feroelektrik-paraelektrik sing didorong lapangan ing scandium lead tantalate (PST). Bagean biru lan ijo saka siklus ing diagram ST cocog karo energi listrik sing diowahi ing siklus Olson (loro isotermal lan rong bagean isopole). Ing kene kita nimbang rong siklus kanthi owah-owahan medan listrik sing padha (bidang aktif lan mati) lan owah-owahan suhu ΔT, sanajan kanthi suhu awal sing beda. Siklus ijo ora ana ing wilayah transisi fase lan kanthi mangkono nduweni area sing luwih cilik tinimbang siklus biru sing ana ing wilayah transisi fase. Ing diagram ST, luwih gedhe area, luwih gedhe energi sing dikumpulake. Mulane, transisi fase kudu ngumpulake energi luwih akeh. Kebutuhan kanggo muter area gedhe ing NLP meh padha karo kabutuhan aplikasi electrothermal9, 10, 11, 12 ing ngendi kapasitor multilayer PST (MLCs) lan terpolimer basis PVDF bubar nuduhake kinerja mbalikke banget. status kinerja cooling ing siklus 13,14,15,16. Mula, kita wis nemtokake MLC PST sing disenengi kanggo panen energi termal. Sampel iki wis diterangake kanthi lengkap ing metode lan ditondoi ing cathetan tambahan 1 (scanning electron microscopy), 2 (X-ray difraction) lan 3 (calorimetry).
a, Sketsa plot entropi (S) -suhu (T) kanthi medan listrik lan mateni ditrapake kanggo bahan NLP sing nuduhake transisi fase. Rong siklus koleksi energi ditampilake ing rong zona suhu sing beda. Siklus biru lan ijo dumadi ing njero lan njaba transisi fase, lan pungkasan ing wilayah permukaan sing beda banget. b, loro dering unipolar DE PST MLC, 1 mm nglukis, diukur antarane 0 lan 155 kV cm-1 mungguh 20 °C lan 90 °C, lan siklus Olsen cocog. Huruf ABCD nuduhake negara beda ing siklus Olson. AB: MLC diisi nganti 155 kV cm-1 ing 20°C. SM: MLC dijaga ing 155 kV cm-1 lan suhu diunggahake dadi 90 °C. CD: MLC ngeculake ing 90°C. DA: MLC digawe adhem nganti 20 ° C ing lapangan nol. Wilayah biru cocog karo daya input sing dibutuhake kanggo miwiti siklus. Wilayah oranye yaiku energi sing dikumpulake ing siji siklus. c, panel ndhuwur, voltase (ireng) lan saiki (abang) mungsuh wektu, dilacak sak siklus Olson padha b. Loro sisipan kasebut nggambarake amplifikasi voltase lan arus ing titik-titik kunci ing siklus kasebut. Ing panel ngisor, kurva kuning lan ijo makili kurva suhu lan energi sing cocog, kanggo MLC kandel 1 mm. Energi diitung saka kurva saiki lan voltase ing panel ndhuwur. Energi negatif cocog karo energi sing dikumpulake. Langkah-langkah sing cocog karo huruf kapital ing papat tokoh padha karo siklus Olson. Siklus AB'CD cocog karo siklus Stirling (cathetan tambahan 7).
ing ngendi E lan D minangka medan listrik lan medan pamindahan listrik. Nd bisa dipikolehi kanthi ora langsung saka sirkuit DE (Fig. 1b) utawa langsung kanthi miwiti siklus termodinamika. Cara sing paling migunani diterangake dening Olsen ing karya perintis babagan ngumpulake energi piroelektrik ing taun 1980-an17.
Ing anjir. 1b nuduhake loro puteran DE monopolar saka 1 mm kandel spesimen PST-MLC dipasang ing 20 °C lan 90 °C, mungguh, liwat sawetara saka 0 kanggo 155 kV cm-1 (600 V). Rong siklus iki bisa digunakake kanggo ngetung energi sing dikumpulake kanthi ora langsung dening siklus Olson sing ditampilake ing Gambar 1a. Ing kasunyatan, siklus Olsen kasusun saka rong cabang isofield (ing kene, kolom nol ing cabang DA lan 155 kV cm-1 ing cabang SM) lan rong cabang isothermal (ing kene, 20 ° С lan 20 ° С ing cabang AB) . C ing cabang CD) Energi sing dikumpulake sajrone siklus cocog karo wilayah oranye lan biru (integral EdD). Energi sing dikumpulake Nd yaiku beda antarane energi input lan output, yaiku mung area oranye ing anjir. 1b. Siklus Olson tartamtu iki menehi Kapadhetan energi Nd 1,78 J cm-3. Siklus Stirling minangka alternatif kanggo siklus Olson (Cathetan Tambahan 7). Amarga tataran muatan konstan (sirkuit terbuka) luwih gampang digayuh, kapadhetan energi sing diekstrak saka Gambar 1b (siklus AB'CD) tekan 1,25 J cm-3. Iki mung 70% sing bisa diklumpukake siklus Olson, nanging peralatan panen sing gampang ditindakake.
Kajaba iku, kita langsung ngukur energi sing diklumpukake sajrone siklus Olson kanthi menehi energi PST MLC nggunakake tahap kontrol suhu Linkam lan meter sumber (metode). Figure 1c ing ndhuwur lan ing insets pamilike nuduhake saiki (abang) lan voltase (ireng) diklumpukake ing padha 1 mm nglukis PST MLC minangka kanggo daur ulang DE liwat siklus Olson padha. Saiki lan voltase ndadekake iku bisa kanggo ngetung energi diklumpukake, lan kurva ditampilake ing anjir. 1c, ngisor (ijo) lan suhu (kuning) ing saindhenging siklus. Huruf ABCD makili siklus Olson sing padha ing Fig. 1. Pangisian daya MLC dumadi sajrone sikil AB lan ditindakake kanthi arus sing sithik (200 µA), saengga SourceMeter bisa ngontrol pangisian daya kanthi bener. Konsekuensi saka saiki wiwitan pancet iki kurva voltase (kurva ireng) ora linear amarga non-linear potensial pamindahan lapangan D PST (Fig. 1c, inset ndhuwur). Ing pungkasan ngisi daya, 30 mJ energi listrik disimpen ing MLC (titik B). MLC banjur dadi panas lan arus negatif (lan mulane arus negatif) diprodhuksi nalika voltase tetep ing 600 V. Sawise 40 detik, nalika suhu tekan dataran tinggi 90 °C, arus iki dikompensasi, sanajan sampel langkah diprodhuksi ing sirkuit daya listrik 35 mJ sak isofield iki (inset kapindho ing Fig. 1c, ndhuwur). Tegangan ing MLC (cabang CD) banjur suda, nyebabake tambahan 60 mJ karya listrik. Total energi output yaiku 95 mJ. Energi sing dikumpulake yaiku beda antarane energi input lan output, sing menehi 95 - 30 = 65 mJ. Iki cocog karo kapadhetan energi 1,84 J cm-3, sing cedhak banget karo Nd sing diekstrak saka dering DE. Reproduksibilitas siklus Olson iki wis diuji kanthi ekstensif (Cathetan Tambahan 4). Kanthi nambah voltase lan suhu luwih, kita entuk 4,43 J cm-3 nggunakake siklus Olsen ing 0,5 mm PST MLC nglukis ing sawetara suhu 750 V (195 kV cm-1) lan 175 ° C (Cathetan Tambahan 5). Iki kaping papat luwih gedhe tinimbang kinerja paling apik sing dilapurake ing literatur kanggo siklus Olson langsung lan dipikolehi ing film tipis Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3)18 (cm .Tambahan Tabel 1 kanggo nilai liyane ing literatur). Kinerja iki wis digayuh amarga arus bocor sing sithik banget saka MLC kasebut (<10−7 A ing 750 V lan 180 °C, deleng rincian ing Cathetan Tambahan 6) -titik penting sing kasebut dening Smith et al.19 - kontras. kanggo materi sing digunakake ing pasinaon sadurunge17,20. Kinerja iki wis digayuh amarga arus bocor sing sithik banget saka MLC kasebut (<10−7 A ing 750 V lan 180 °C, deleng rincian ing Cathetan Tambahan 6) -titik penting sing kasebut dening Smith et al.19 - kontras. kanggo materi sing digunakake ing pasinaon sadurunge17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 °C, тельносм римечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Ciri-ciri kasebut digayuh amarga arus bocor MLC sing sithik banget (<10-7 A ing 750 V lan 180 °C, deleng Cathetan Tambahan 6 kanggo rincian) - titik kritis sing kasebut dening Smith et al. 19 - ing kontras kanggo bahan digunakake ing pasinaon sadurungé17,20.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 丆的说明6 中的详提到的关键点——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，徲爴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, utawa достигнуты эти характеристики. Wiwit arus bocor MLC iki sithik banget (<10-7 A ing 750 V lan 180 °C, deleng Cathetan Tambahan 6 kanggo rincian) - titik kunci sing disebutake dening Smith et al. 19 - kanggo mbandhingake, pagelaran kasebut diraih.kanggo bahan sing digunakake ing pasinaon sadurungé 17,20.
Kahanan sing padha (600 V, 20–90 °C) ditrapake ing siklus Stirling (Cathetan tambahan 7). Kaya sing dikarepake saka asil siklus DE, ngasilake 41,0 mJ. Salah sawijining fitur sing paling nggumunake saka siklus Stirling yaiku kemampuan kanggo nggedhekake voltase awal liwat efek thermoelectric. Kita mirsani gain voltase nganti 39 (saka voltase wiwitan 15 V nganti voltase pungkasan nganti 590 V, ndeleng Gambar Tambahan 7.2).
Fitur liyane sing mbedakake MLC iki yaiku obyek makroskopik sing cukup gedhe kanggo ngumpulake energi ing kisaran joule. Mulane, kita mbangun prototipe harvester (HARV1) nggunakake 28 MLC PST 1 mm nglukis, miturut desain piring paralel padha diterangake dening Torello et al.14, ing 7 × 4 matriks minangka ditampilake ing Fig. Cairan dielektrik mawa panas ing manifold iki terlantar dening pump peristaltic antarane loro reservoir ngendi suhu adi katahan pancet (cara). Nglumpukake nganti 3,1 J nggunakake siklus Olson diterangake ing anjir. 2a, wilayah isotermal ing 10°C lan 125°C lan wilayah isofield ing 0 lan 750 V (195 kV cm-1). Iki cocog karo kapadhetan energi 3,14 J cm-3. Nggunakake gabungan iki, pangukuran ditindakake ing macem-macem kahanan (Gambar 2b). Elinga yen 1,8 J dipikolehi liwat sawetara suhu 80 °C lan voltase 600 V (155 kV cm-1). Iki cocog karo 65 mJ sing wis kasebut sadurunge kanggo 1 mm PST MLC ing kahanan sing padha (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Persiyapan eksperimen saka prototipe HARV1 nglumpuk adhedhasar 28 MLC PSTs 1 mm nglukis (4 larik × 7 kolom) mlaku ing siklus Olson. Kanggo saben patang langkah siklus, suhu lan voltase diwenehake ing prototipe. Komputer nyopir pompa peristaltik sing nyebarake cairan dielektrik ing antarane reservoir kadhemen lan panas, rong katup, lan sumber daya. Komputer uga nggunakake termokopel kanggo ngumpulake data babagan voltase lan saiki sing diwenehake menyang prototipe lan suhu gabungan saka sumber daya. b, Energi (werna) sing diklumpukake dening prototipe MLC 4 × 7 lawan kisaran suhu (sumbu X) lan voltase (sumbu Y) ing eksperimen sing beda.
A versi luwih gedhe saka harvester (HARV2) karo 60 PST MLC 1 mm nglukis lan 160 PST MLC 0,5 mm nglukis (41,7 g bahan pyroelectric aktif) menehi 11,2 J (Tambahan Wigati 8). Ing taun 1984, Olsen nggawe pemanen energi adhedhasar 317 g senyawa Pb(Zr,Ti)O3 sing didoping timah sing bisa ngasilake listrik 6,23 J kanthi suhu sekitar 150 °C (ref. 21). Kanggo gabungan iki, iki mung siji-sijine nilai liyane sing kasedhiya ing kisaran joule. Iku entuk luwih saka setengah saka nilai sing digayuh lan meh kaping pitu kualitas. Iki tegese kapadhetan energi HARV2 13 kaping luwih dhuwur.
Periode siklus HARV1 yaiku 57 detik. Iki ngasilake daya 54 mW kanthi 4 baris 7 kolom set MLC kandel 1 mm. Kanggo njupuk selangkah luwih maju, kita mbangun gabungan katelu (HARV3) kanthi PST MLC kandel 0.5mm lan persiyapan sing padha karo HARV1 lan HARV2 (Cathetan Tambahan 9). Kita ngukur wektu termalisasi 12,5 detik. Iki cocog karo wektu siklus 25 s (Tambahan Gambar 9). Energi sing diklumpukake (47 mJ) menehi daya listrik 1,95 mW saben MLC, sing ngidini kita mbayangake manawa HARV2 ngasilake 0,55 W (kira-kira 1,95 mW × 280 PST MLC kanthi ketebalan 0,5 mm). Kajaba iku, kita simulasi transfer panas nggunakake Finite Element Simulation (COMSOL, Cathetan Tambahan 10 lan Tabel Tambahan 2-4) sing cocog karo eksperimen HARV1. Pemodelan unsur winates ngidini kanggo prédhiksi nilai daya meh urutan gedhene sing luwih dhuwur (430 mW) kanggo jumlah kolom PST sing padha kanthi ngencerake MLC dadi 0,2 mm, nggunakake banyu minangka coolant, lan mulihake matriks dadi 7 baris. . × 4 kolom (saliyane, ana 960 mW nalika tank ing jejere gabungan, Fig Tambahan 10b).
Kanggo nduduhake kegunaan kolektor iki, siklus Stirling ditrapake kanggo demonstrator mandiri sing mung dumadi saka rong MLC PST 0,5 mm minangka kolektor panas, saklar tegangan dhuwur, saklar tegangan rendah karo kapasitor panyimpenan, konverter DC / DC. , mikrokontroler daya kurang, loro termokopel lan konverter boost (Cathetan Tambahan 11). Sirkuit kasebut mbutuhake kapasitor panyimpenan pisanan diisi daya ing 9V lan banjur mlaku kanthi otomatis nalika suhu loro MLC kisaran saka -5 ° C nganti 85 ° C, ing kene ing siklus 160 s (sawetara siklus ditampilake ing Cathetan Tambahan 11) . Apik banget, loro MLC sing bobote mung 0,3g bisa ngontrol sistem gedhe iki kanthi otonom. Fitur liyane sing menarik yaiku konverter voltase sithik bisa ngowahi 400V dadi 10-15V kanthi efisiensi 79% (Cathetan Tambahan 11 lan Gambar Tambahan 11.3).
Pungkasan, kita ngevaluasi efisiensi modul MLC iki kanggo ngowahi energi termal dadi energi listrik. Faktor kualitas η efisiensi ditetepake minangka rasio saka Kapadhetan energi listrik sing dikumpulake Nd kanggo Kapadhetan panas sing diwenehake Qin (Cathetan Tambahan 12):
Angka 3a,b nuduhake efisiensi η lan efisiensi proporsional ηr siklus Olsen, minangka fungsi saka sawetara suhu saka 0,5 mm kandel PST MLC. Kaloro set data kasebut diwenehake kanggo medan listrik 195 kV cm-1. Efisiensi \(\iki\) tekan 1,43%, sing padha karo 18% saka ηr. Nanging, kanggo kisaran suhu 10 K saka 25 °C nganti 35 °C, ηr tekan angka nganti 40% (kurva biru ing Fig. 3b). Iki kaping pindho nilai dikenal kanggo bahan NLP direkam ing film PMN-PT (ηr = 19%) ing sawetara suhu 10 K lan 300 kV cm-1 (Ref. 18). Kisaran suhu ing ngisor 10 K ora dianggep amarga hysteresis termal saka PST MLC antarane 5 lan 8 K. Pangenalan efek positif transisi fase ing efisiensi kritis. Nyatane, nilai optimal saka η lan ηr meh kabeh dipikolehi ing suhu awal Ti = 25 ° C ing Fig. 3a,b. Iki amarga transisi fase cedhak nalika ora ana lapangan sing ditrapake lan suhu Curie TC sekitar 20 ° C ing MLC kasebut (Cathetan tambahan 13).
a,b, efisiensi η lan efisiensi proporsional siklus Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } kanggo listrik maksimum kanthi medan 195 kV cm-1 lan beda suhu awal Ti, }}\,\)(b) kanggo MPC PST 0,5 mm nglukis, gumantung ing interval suhu ΔTspan.
Observasi terakhir nduweni rong implikasi penting: (1) siklus efektif apa wae kudu diwiwiti ing suhu ndhuwur TC supaya transisi fase sing diakibatake lapangan (saka paraelectric menyang ferroelectric) bisa kedadeyan; (2) bahan iki luwih efisien ing wektu mbukak cedhak TC. Sanajan efisiensi skala gedhe ditampilake ing eksperimen kita, sawetara suhu sing winates ora ngidini kita entuk efisiensi absolut sing gedhe amarga watesan Carnot (\(\Delta T/T\)). Nanging, efisiensi banget sing dituduhake dening MLC PST iki mbenerake Olsen nalika nyebutake yen "motor termoelektrik regeneratif kelas becik 20 sing beroperasi ing suhu antarane 50 °C lan 250 °C bisa duwe efisiensi 30%"17. Kanggo nggayuh nilai kasebut lan nguji konsep kasebut, migunani kanggo nggunakake PST doped karo TC sing beda, kaya sing ditliti dening Shebanov lan Borman. Padha nuduhake yen TC ing PST bisa beda-beda saka 3 ° C (Sb doping) kanggo 33 ° C (Ti doping) 22 . Mula, kita hipotesis manawa regenerator pyroelectric generasi sabanjure adhedhasar MLC PST doped utawa bahan liyane kanthi transisi fase urutan pertama sing kuwat bisa saingan karo pemanen daya sing paling apik.
Ing panliten iki, kita nyelidiki MLC sing digawe saka PST. Piranti kasebut kalebu seri elektroda Pt lan PST, ing ngendi sawetara kapasitor disambungake kanthi podo karo. PST dipilih amarga minangka bahan EC sing apik banget lan mulane minangka bahan NLP sing potensial banget. Iki nuduhake transisi fase feroelektrik-paraelektrik urutan pertama sing cetha watara 20 °C, nuduhake yen owah-owahan entropi padha karo sing ditampilake ing Fig. 1. MLC sing padha wis diterangake kanthi lengkap kanggo piranti EC13,14. Ing panliten iki, kita nggunakake MLC 10,4 × 7,2 × 1 mm³ lan 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC kanthi kekandelan 1 mm lan 0,5 mm digawe saka 19 lan 9 lapisan PST kanthi kekandelan 38,6 µm. Ing kasus loro, lapisan PST njero diselehake ing antarane 2,05 µm elektroda platinum nglukis. Desain MLC iki nganggep yen 55% saka PSTs aktif, cocog karo bagean antarane elektroda (Tambahan Cathetan 1). Area elektroda aktif yaiku 48,7 mm2 (Tabel Tambahan 5). MLC PST disiapake kanthi reaksi fase padat lan metode casting. Rincian proses persiapan wis diterangake ing artikel sadurunge14. Salah siji beda antarane PST MLC lan artikel sadurunge iku urutan B-situs, kang banget mengaruhi kinerja EC ing PST. Urutan situs-B saka PST MLC yaiku 0,75 (Cathetan Tambahan 2) sing dipikolehi kanthi sintering ing 1400 ° C banjur atusan jam anil ing 1000 ° C. Kanggo informasi luwih lengkap babagan PST MLC, deleng Cathetan Tambahan 1-3 lan Tabel Tambahan 5.
Konsep utama panliten iki adhedhasar siklus Olson (Gambar 1). Kanggo siklus kasebut, kita butuh reservoir panas lan adhem lan sumber daya sing bisa ngawasi lan ngontrol voltase lan arus ing macem-macem modul MLC. Siklus langsung iki nggunakake rong konfigurasi beda, yaiku (1) modul Linkam dadi panas lan cooling siji MLC disambungake menyang sumber daya Keithley 2410, lan (2) telung prototype (HARV1, HARV2 lan HARV3) ing podo karo karo sumber energi padha. Ing kasus terakhir, cairan dielektrik (lenga silikon kanthi viskositas 5 cP ing 25 ° C, dituku saka Sigma Aldrich) digunakake kanggo ijol-ijolan panas antarane rong wadhuk (panas lan kadhemen) lan MLC. Reservoir termal kasusun saka wadhah kaca sing diisi cairan dielektrik lan diselehake ing ndhuwur piring termal. Panyimpenan kadhemen kalebu adus banyu kanthi tabung cair sing ngemot cairan dielektrik ing wadhah plastik gedhe sing diisi banyu lan es. Loro klep jiwit telung arah (dituku saka Bio-Chem Fluidics) diselehake ing saben mburi gabungan kanggo ngalih cairan kanthi bener saka siji reservoir menyang liyane (Gambar 2a). Kanggo mesthekake keseimbangn termal antarane paket PST-MLC lan coolant, periode siklus wis lengkap nganti inlet lan stopkontak thermocouple (cedhak bisa kanggo paket PST-MLC) nuduhake suhu padha. Skrip Python ngatur lan nyinkronake kabeh instrumen (meter sumber, pompa, klep, lan termokopel) kanggo nglakokake siklus Olson sing bener, yaiku daur ulang coolant wiwit muter liwat tumpukan PST sawise meter sumber diisi daya supaya dadi panas ing suhu sing dikarepake. voltase Applied kanggo diwenehi siklus Olson.
Utawa, kita wis ngonfirmasi pangukuran langsung energi sing dikumpulake kanthi cara ora langsung. Cara ora langsung iki adhedhasar pamindahan listrik (D) - puteran medan listrik (E) sing diklumpukake ing suhu sing beda-beda, lan kanthi ngitung area ing antarane rong puteran DE, siji bisa kanthi akurat ngira jumlah energi sing bisa dikumpulake, kaya sing dituduhake ing gambar. . ing gambar 2. .1b. Iki puteran DE uga diklumpukake nggunakake meter sumber Keithley.
Wollikur 1 MLCs PST nglukis mm padha nglumpuk ing 4-baris, 7-kolom struktur piring podo miturut desain diterangake ing referensi. 14. Longkangan adi antarane larik PST-MLC punika 0,75mm. Iki digayuh kanthi nambahake pita sisi ganda minangka spacer cair ing pinggir PST MLC. PST MLC disambungake kanthi listrik ing podo karo karo jembatan epoksi perak ing kontak karo timbal elektroda. Sawisé iku, kabel padha glued karo resin epoxy salaka kanggo saben sisih terminal elektroda kanggo sambungan menyang sumber daya. Pungkasan, lebokake kabeh struktur menyang selang poliolefin. Sing terakhir ditempelake menyang tabung cairan kanggo mesthekake sealing sing tepat. Akhire, 0,25 mm nglukis K-jinis thermocouple dibangun ing saben mburi struktur PST-MLC kanggo ngawasi inlet lan outlet suhu Cairan. Kanggo nindakake iki, selang kudu perforated dhisik. Sawise nginstal thermocouple, aplikasi adesif padha sadurunge antarane selang thermocouple lan kabel kanggo mulihake segel.
Wolung prototipe kapisah dibangun, papat kang wis 40 0,5 mm nglukis MLC PST mbagekke minangka piring podo karo 5 kolom lan 8 larik, lan papat isih ana 15 1 mm MLC PST nglukis saben. ing 3-kolom × 5-baris struktur piring paralel. Jumlah total PST MLC digunakake ana 220 (160 0,5 mm nglukis lan 60 PST MLC 1 mm nglukis). Kita nyebut loro subunit iki HARV2_160 lan HARV2_60. Celah Cairan ing prototipe HARV2_160 kasusun saka loro tape pindho sisi 0,25 mm nglukis karo kabel 0,25 mm nglukis antarane wong-wong mau. Kanggo prototipe HARV2_60, kita mbaleni prosedur sing padha, nanging nggunakake kabel 0,38 mm. Kanggo simetri, HARV2_160 lan HARV2_60 duwe sirkuit cairan, pompa, katup lan sisih kadhemen dhewe (Cathetan Tambahan 8). Rong unit HARV2 nuduhake reservoir panas, wadhah liter 3 (30 cm x 20 cm x 5 cm) ing rong piring panas kanthi magnet puteran. Kabeh wolung prototipe individu disambungake kanthi listrik kanthi paralel. Subunit HARV2_160 lan HARV2_60 bisa digunakake bebarengan ing siklus Olson sing ngasilake panen energi 11,2 J.
Selehake 0,5mm PST MLC nglukis menyang selang polyolefin karo tape pindho sisi lan kabel ing loro-lorone kanggo nggawe papan kanggo cairan mili. Amarga ukuran cilik, prototipe diselehake ing jejere tutup reservoir panas utawa kadhemen, nyilikake wektu siklus.
Ing PST MLC, medan listrik konstan ditrapake kanthi ngetrapake voltase konstan ing cabang pemanasan. Akibaté, arus termal negatif diasilake lan energi disimpen. Sawise dadi panas MLC PST, lapangan dibusak (V = 0), lan energi sing disimpen ing bali menyang counter sumber, kang cocog karo siji liyane kontribusi saka energi diklumpukake. Pungkasan, kanthi voltase V = 0 ditrapake, PST MLC didinginake nganti suhu awal supaya siklus bisa diwiwiti maneh. Ing tahap iki, energi ora dikumpulake. Kita mlayu ing siklus Olsen nggunakake Keithley 2410 SourceMeter, ngisi PST MLC saka sumber voltase lan nyetel match saiki kanggo Nilai cocok supaya TCTerms cukup diklumpukake sak phase daya kanggo petungan energi dipercaya.
Ing siklus Stirling, PST MLCs diisi ing mode sumber voltase kanthi nilai medan listrik awal (voltase wiwitan Vi > 0), arus kepatuhan sing dikarepake supaya langkah pangisian daya njupuk udakara 1 detik (lan titik sing cukup dikumpulake kanggo pitungan sing dipercaya. energi) lan suhu kadhemen. Ing siklus Stirling, PST MLCs diisi ing mode sumber voltase kanthi nilai medan listrik awal (voltase wiwitan Vi > 0), arus kepatuhan sing dikarepake supaya langkah pangisian daya njupuk udakara 1 detik (lan titik sing cukup dikumpulake kanggo pitungan sing dipercaya. energi) lan suhu kadhemen. Ваклах Стирлинга PST MLC заряжались В ежиме Напачника Началльнииесиесколя (Начальное напение VI> 0), желаемом податливом токе, танимает около 1 с (и и Количество точиежногя точие Ета энергия)) холоднатура. Ing siklus Stirling PST MLC, padha diisi ing mode sumber voltase ing nilai awal saka medan listrik (voltase wiwitan Vi> 0), saiki ngasilaken dikarepake, supaya tataran daya njupuk bab 1 s (lan nomer cekap). titik diklumpukake kanggo pitungan energi dipercaya) lan suhu kadhemen.PST MLC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. Ing siklus master, PST MLC diisi ing nilai medan listrik awal (voltase wiwitan Vi> 0) ing mode sumber voltase, supaya arus kepatuhan sing dibutuhake butuh udakara 1 detik kanggo langkah ngisi (lan kita nglumpukake poin sing cukup kanggo andal ngitung (energi) lan suhu kurang. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического полны (начальным значением электрического), полны (на ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежнок) температуры . Ing siklus Stirling, PST MLC diisi ing mode sumber voltase kanthi nilai wiwitan medan listrik (voltase wiwitan Vi> 0), arus kepatuhan sing dibutuhake yaiku tahap pangisian daya butuh udakara 1 detik (lan jumlah sing cukup). TCTerms diklumpukake kanggo andal ngetung energi) lan suhu kurang.Sadurunge MLC PST dadi panas, bukak sirkuit kanthi nggunakake arus sing cocog karo I = 0 mA (arus sing cocog minimal sing bisa ditangani sumber ukur yaiku 10 nA). Akibaté, daya tetep ing PST saka MJK, lan voltase mundhak nalika sampel dadi panas. Ora ana energi sing dikumpulake ing lengen BC amarga I = 0 mA. Sawise tekan suhu dhuwur, voltase ing MLT FT mundhak (ing sawetara kasus luwih saka 30 kaping, ndeleng tambahan anjir. 7.2), MLK FT kosong (V = 0), lan energi listrik disimpen ing padha kanggo padha. minangka biaya wiwitan. Correspondence saiki padha bali menyang meter-sumber. Amarga gain voltase, energi sing disimpen ing suhu dhuwur luwih dhuwur tinimbang sing diwenehake ing wiwitan siklus. Akibaté, energi dipikolehi kanthi ngowahi panas dadi listrik.
Kita nggunakake Keithley 2410 SourceMeter kanggo monitor voltase lan saiki Applied kanggo PST MLC. Energi sing cocog diwilang kanthi nggabungake produk voltase lan arus sing diwaca dening meter sumber Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ kiwa(t\ tengen){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), ngendi τ iku periode periode. Ing kurva energi kita, nilai energi positif tegese energi sing kudu diwenehake menyang MLC PST, lan nilai negatif tegese energi sing dijupuk saka dheweke lan mulane energi sing ditampa. Daya relatif kanggo siklus koleksi tartamtu ditemtokake dening mbagi energi sing dikumpulake dening periode τ saka kabeh siklus.
Kabeh data ditampilake ing teks utama utawa ing informasi tambahan. Surat lan panjalukan kanggo bahan kudu diarahake menyang sumber data AT utawa ED sing diwenehake karo artikel iki.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Tinjauan babagan pangembangan lan aplikasi mikrogenerator termoelektrik kanggo panen energi. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Tinjauan babagan pangembangan lan aplikasi mikrogenerator termoelektrik kanggo panen energi.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO lan Henao, NC Ringkesan pangembangan lan aplikasi mikrogenerator termoelektrik kanggo panen energi. 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, lan Henao, NC nimbang pangembangan lan aplikasi mikrogenerator termoelektrik kanggo panen energi.nerusake. ndhukung. Energi Rev. 91, 376-393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, bahan WC Photovoltaic: efisiensi saiki lan tantangan mangsa. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, bahan WC Photovoltaic: efisiensi saiki lan tantangan mangsa.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. lan Sinke, bahan VK Photovoltaic: kinerja saiki lan tantangan mangsa. 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 solar: efisiensi saiki lan tantangan mangsa ngarep.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. lan Sinke, bahan VK Photovoltaic: kinerja saiki lan tantangan mangsa.Ilmu 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conjuncted pyro-piezoelektrik efek kanggo poto-powered simultaneous suhu lan tekanan sensing. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conjunct pyro-piezoelektrik efek kanggo poto-powered simultaneous suhu lan tekanan sensing.Song K., Zhao R., Wang ZL and Yan Yu. Efek pyropiezoelectric gabungan kanggo pangukuran suhu lan tekanan otonom. 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. Kanggo swadaya ing wektu sing padha karo suhu lan tekanan.Song K., Zhao R., Wang ZL and Yan Yu. Efek thermopiezoelektrik gabungan kanggo pangukuran suhu lan tekanan otonom.Maju. almamater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Panen energi adhedhasar siklus pyroelectric Ericsson ing keramik ferroelektrik relaxor. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Panen energi adhedhasar siklus pyroelectric Ericsson ing keramik ferroelektrik relaxor.Sebald G., Prouvost S. lan Guyomar D. Panen energi adhedhasar siklus piroelektrik Ericsson ing keramik ferroelektrik relaxor.Sebald G., Prouvost S. lan Guyomar D. Panen energi ing keramik ferroelektrik relaxor adhedhasar siklus pyroelectric Ericsson. Almamater sing pinter. struktur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next-generasi bahan electrocaloric lan pyroelectric kanggo interkonversi energi electrothermal solid-state. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next-generasi bahan electrocaloric lan pyroelectric kanggo interkonversi energi electrothermal solid-state. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего следующего покило поколого твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next generasi bahan electrocaloric lan pyroelectric kanggo interconversion energi electrothermal ngalangi. 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 покило поколого твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next generasi bahan electrocaloric lan pyroelectric kanggo interconversion energi electrothermal ngalangi.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard and figure-of-merit for quantifying performance of pyroelectric nanogenerators. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard and figure-of-merit for quantifying performance of pyroelectric nanogenerators.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL lan Yang, Yu. Skor standar lan kualitas kanggo 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 lan Yang, Yu. Kriteria lan ukuran kinerja kanggo ngitung kinerja nanogenerator pyroelectric.Energi Nano 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND siklus cooling Electrocaloric ing timbal scandium tantalate karo regenerasi bener liwat variasi lapangan. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND siklus cooling Electrocaloric ing timbal scandium tantalate karo regenerasi bener liwat variasi lapangan.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. lan Mathur, ND siklus cooling Electrocaloric ing timbal-scandium tantalate karo regenerasi bener liwat modifikasi lapangan. 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., 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. lan Mathur, ND Siklus cooling electrothermal saka scandium-timbal tantalate kanggo regenerasi bener liwat kuwalikan lapangan.fisika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori cedhak transisi fase ferroik. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori cedhak transisi fase ferroik.Moya, X., Kar-Narayan, S. lan Mathur, ND Bahan kalori cedhak 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 cedhak metalurgi ferrous.Moya, X., Kar-Narayan, S. lan Mathur, ND Bahan termal cedhak transisi fase wesi.Nat. almamater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Bahan kalori kanggo pendinginan lan pemanasan. Moya, X. & Mathur, ND Bahan kalori kanggo pendinginan lan pemanasan.Moya, X. lan Mathur, ND Bahan termal kanggo cooling lan dadi panas. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Bahan termal kanggo pendinginan lan pemanasan.Moya X. lan Mathur ND bahan Thermal kanggo cooling lan dadi panas.Ilmu 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: review. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: review.Torello, A. lan Defay, E. Chillers Electrocaloric: review. Toreló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Toreló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. lan Defay, E. coolers Electrothermal: review.Majeng. elektronik. almamater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Efisiensi energi gedhe banget saka bahan electrocaloric kanthi timbal scandium-scandium-lead. Komunikasi nasional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Efek electrothermal saka kapasitor multilayer oksida gedhe ing sawetara suhu sing amba. Alam 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Kisaran suhu ageng ing regenerator electrothermal. Ilmu 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistem cooling electrothermal solid state kinerja dhuwur. Ilmu 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Piranti cooling electrothermal Cascade kanggo kenaikan suhu gedhe. Energi Nasional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Efisiensi dhuwur konversi langsung panas menyang pangukuran pyroelectric sing gegandhengan karo energi listrik. Olsen, RB & Brown, DD Efisiensi dhuwur konversi langsung panas menyang pangukuran pyroelectric sing gegandhengan karo energi listrik.Olsen, RB lan Brown, DD Highly efisien konversi langsung panas menyang energi listrik gadhah pangukuran 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 & Brown, DDOlsen, RB lan Brown, DD Konversi langsung sing efisien saka panas dadi listrik sing ana gandhengane karo pangukuran pyroelectric.Feroelektrik 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Kapadhetan energi lan daya ing film ferroelektrik relaxor tipis. Almamater nasional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Cascaded pyroelectric conversion: optimizing the ferroelectric phase transition and electrical losses. Smith, AN & Hanrahan, BM Cascaded pyroelectric conversion: optimizing the ferroelectric phase transition and electrical losses.Smith, AN lan Hanrahan, BM Konversi pyroelectric Cascaded: transisi fase feroelektrik lan optimasi mundhut 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 lan Hanrahan, BM Konversi pyroelectric Cascaded: optimalisasi transisi fase feroelektrik lan losses listrik.J. Aplikasi. fisika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Panganggone bahan ferroelektrik kanggo ngowahi energi termal dadi listrik. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Konverter energi pyroelectric Cascaded. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Konverter energi pyroelectric Cascaded.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM lan Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. 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 lan Dullea, J. Konverter daya pyroelectric Cascaded.Feroelektrik 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. On timbal-scandium tantalate solusi ngalangi karo efek electrocaloric dhuwur. Shebanov, L. & Borman, K. On timbal-scandium tantalate solusi ngalangi karo efek electrocaloric dhuwur.Shebanov L. lan Borman K. On solusi ngalangi saka timbal-scandium tantalate karo efek electrocaloric dhuwur. 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. lan Borman K. Ing solusi padhet scandium-timbal-scandium kanthi efek electrocaloric dhuwur.Ferroelectrics 127, 143-148 (1992).
Kita matur nuwun marang N. Furusawa, Y. Inoue, lan K. Honda kanggo bantuan ing nggawe MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB lan ED Thanks kanggo Luxembourg National Research Foundation (FNR) kanggo ndhukung karya iki liwat CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20 / MS / 14718071 / Defay lan BRIDGES2021 / MS / 16282302 / CECOHA / Defay.
Departemen Riset lan Teknologi Material, Institut Teknologi Luxembourg (LIST), Belvoir, Luksemburg