Nyedhiyakake sumber listrik sing lestari minangka salah sawijining tantangan paling penting ing abad iki. Area riset ing bahan panen energi asale saka motivasi iki, kalebu termoelektrik1, fotovoltaik2 lan termofotovoltaik3. Sanajan kita kekurangan bahan lan piranti sing bisa panen energi ing kisaran Joule, bahan piroelektrik sing bisa ngowahi energi listrik dadi owah-owahan suhu periodik dianggep minangka sensor4 lan pemanen energi5,6,7. Ing kene kita wis ngembangake pemanen energi termal makroskopik ing bentuk kapasitor multilayer sing digawe saka 42 gram timbal skandium tantalat, ngasilake 11,2 J energi listrik saben siklus termodinamika. Saben modul piroelektrik bisa ngasilake kapadhetan energi listrik nganti 4,43 J cm-3 saben siklus. Kita uga nuduhake yen rong modul kasebut kanthi bobot 0,3 g cukup kanggo terus-terusan ngdaya pemanen energi otonom kanthi mikrokontroler lan sensor suhu sing dipasang. Pungkasan, kita nuduhake yen kanggo kisaran suhu 10 K, kapasitor multilayer iki bisa tekan efisiensi Carnot 40%. Sifat-sifat iki disebabake dening (1) owah-owahan fase feroelektrik kanggo efisiensi sing dhuwur, (2) arus bocor sing sithik kanggo nyegah kerugian, lan (3) voltase breakdown sing dhuwur. Pemanen daya piroelektrik makroskopik, skalabel, lan efisien iki lagi mbayangake maneh pembangkit listrik termoelektrik.
Dibandhingake karo gradien suhu spasial sing dibutuhake kanggo bahan termoelektrik, panen energi bahan termoelektrik mbutuhake siklus suhu sajrone wektu. Iki tegese siklus termodinamika, sing paling apik diterangake dening diagram entropi (S)-suhu (T). Gambar 1a nuduhake plot ST khas saka bahan piroelektrik non-linier (NLP) sing nuduhake transisi fase feroelektrik-paraelektrik sing didorong medan ing skandium timbal tantalat (PST). Bagean biru lan ijo saka siklus ing diagram ST cocog karo energi listrik sing diowahi ing siklus Olson (rong bagean isotermal lan rong bagean isopole). Ing kene kita nimbang rong siklus kanthi owah-owahan medan listrik sing padha (medan urip lan mati) lan owah-owahan suhu ΔT, sanajan kanthi suhu awal sing beda. Siklus ijo ora dumunung ing wilayah transisi fase lan kanthi mangkono duwe area sing luwih cilik tinimbang siklus biru sing dumunung 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 siklus area sing amba ing NLP meh padha karo kebutuhan kanggo aplikasi elektrotermal9, 10, 11, 12 ing ngendi kapasitor multilayer PST (MLC) lan terpolimer berbasis PVDF bubar nuduhake kinerja mbalikke sing apik banget. status kinerja pendinginan ing siklus 13,14,15,16. Mulane, kita wis ngidentifikasi PST MLC sing menarik kanggo panen energi termal. Sampel kasebut wis diterangake kanthi lengkap ing metode lan ditondoi ing cathetan tambahan 1 (mikroskop elektron pindai), 2 (difraksi sinar-X) lan 3 (kalorimetri).
a, Sketsa plot entropi (S)-suhu (T) kanthi medan listrik nyala lan mati sing ditrapake ing bahan NLP sing nuduhake transisi fase. Rong siklus pangumpulan energi dituduhake ing rong zona suhu sing beda. Siklus biru lan ijo kedadeyan ing njero lan njaba transisi fase, lan pungkasane ing wilayah permukaan sing beda banget. b, rong cincin unipolar DE PST MLC, kandel 1 mm, diukur antarane 0 lan 155 kV cm-1 ing 20 °C lan 90 °C, lan siklus Olsen sing cocog. Huruf ABCD nuduhake kahanan sing beda ing siklus Olson. AB: MLC diisi daya nganti 155 kV cm-1 ing 20 °C. BC: MLC dijaga ing 155 kV cm-1 lan suhu mundhak dadi 90 °C. CD: MLC discharge ing 90 °C. DA: MLC didinginkan nganti 20 °C ing medan nol. Area biru cocog karo daya input sing dibutuhake kanggo miwiti siklus. Area oranye yaiku energi sing dikumpulake ing siji siklus. c, panel ndhuwur, voltase (ireng) lan arus (abang) lawan wektu, dilacak sajrone siklus Olson sing padha karo b. Rong sisipan kasebut nggambarake amplifikasi voltase lan arus ing titik-titik kunci ing siklus kasebut. Ing panel ngisor, kurva kuning lan ijo nggambarake kurva suhu lan energi sing cocog, kanggo MLC kandel 1 mm. Energi diitung saka kurva arus lan voltase ing panel ndhuwur. Energi negatif cocog karo energi sing dikumpulake. Langkah-langkah sing cocog karo huruf kapital ing papat gambar padha karo ing 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 (Gambar 1b) utawa langsung kanthi miwiti siklus termodinamika. Cara sing paling migunani diterangake dening Olsen ing karya rintisan babagan ngumpulake energi piroelektrik ing taun 1980-an17.
Ing gambar 1b nuduhake rong puteran DE monopolar kanthi spesimen PST-MLC kandel 1 mm sing dirakit ing suhu 20 °C lan 90 °C, kanthi kisaran 0 nganti 155 kV cm-1 (600 V). Rong siklus iki bisa digunakake kanggo ngetung energi sing dikumpulake dening siklus Olson kanthi ora langsung kaya sing dituduhake ing Gambar 1a. Nyatane, siklus Olsen kasusun saka rong cabang isofield (ing kene, medan nol ing cabang DA lan 155 kV cm-1 ing cabang BC) lan rong cabang isothermal (ing kene, 20°С lan 20°С ing cabang AB). C ing cabang CD) Energi sing dikumpulake sajrone siklus kasebut cocog karo wilayah oranye lan biru (integral EdD). Energi sing dikumpulake Nd minangka bedane antarane energi input lan output, yaiku mung area oranye ing gambar 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 tahap pangisian daya konstan (sirkuit terbuka) luwih gampang digayuh, kapadhetan energi sing dijupuk saka Gambar 1b (siklus AB'CD) tekan 1,25 J cm-3. Iki mung 70% saka apa sing bisa dikumpulake siklus Olson, nanging peralatan panen prasaja bisa nindakake.
Kajaba iku, kita ngukur langsung energi sing dikumpulake sajrone siklus Olson kanthi menehi energi marang PST MLC nggunakake tahap kontrol suhu Linkam lan meter sumber (metode). Gambar 1c ing sisih ndhuwur lan ing inset masing-masing nuduhake arus (abang) lan voltase (ireng) sing dikumpulake ing PST MLC kandel 1 mm sing padha karo kanggo loop DE sing ngliwati siklus Olson sing padha. Arus lan voltase ngidini ngetung energi sing dikumpulake, lan kurva dituduhake ing gambar 1c, ngisor (ijo) lan suhu (kuning) sajrone siklus. Huruf ABCD makili siklus Olson sing padha ing Gambar 1. Pengisian MLC kedadeyan sajrone sikil AB lan ditindakake kanthi arus sing endhek (200 µA), saengga SourceMeter bisa ngontrol pengisian daya kanthi bener. Akibat saka arus awal sing konstan iki yaiku kurva voltase (kurva ireng) ora linier amarga medan perpindahan potensial non-linier D PST (Gambar 1c, inset ndhuwur). Ing pungkasan pengisian daya, 30 mJ energi listrik disimpen ing MLC (titik B). MLC banjur dadi panas lan arus negatif (lan mulane arus negatif) diasilake nalika voltase tetep ana ing 600 V. Sawise 40 detik, nalika suhu tekan plateau 90 °C, arus iki dikompensasi, sanajan sampel langkah ngasilake daya listrik 35 mJ ing sirkuit sajrone isofield iki (sisipan kapindho ing Gambar 1c, ndhuwur). Voltase ing MLC (cabang CD) banjur dikurangi, sing nyebabake tambahan 60 mJ kerja listrik. Total energi output yaiku 95 mJ. Energi sing dikumpulake yaiku bedane 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 cincin DE. Reproduksibilitas siklus Olson iki wis diuji sacara ekstensif (Cathetan Tambahan 4). Kanthi nambah voltase lan suhu luwih lanjut, kita entuk 4,43 J cm-3 nggunakake siklus Olsen ing PST MLC kandel 0,5 mm ing kisaran 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. Tabel Tambahan 1 kanggo nilai liyane ing literatur). Kinerja iki wis digayuh amarga arus bocor MLC iki sing sithik banget (<10−7 A ing 750 V lan 180 °C, deleng rincian ing Cathetan Tambahan 6)—titik penting sing kasebut dening Smith et al.19—beda karo bahan sing digunakake ing panliten sadurunge17,20. Kinerja iki wis digayuh amarga arus bocor MLC iki sing sithik banget (<10−7 A ing 750 V lan 180 °C, deleng rincian ing Cathetan Tambahan 6)—titik penting sing kasebut dening Smith et al.19—beda karo bahan sing digunakake ing panliten sadurunge17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 °C, росм. дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Karakteristik iki digayuh amarga arus bocor MLC iki 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 - beda karo bahan sing digunakake ing panliten sadurunge17,20.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 中丆的详等人19 提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的17,20。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 说明 6信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 下下 相比下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20. Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном пилнительном пилеч 6) момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, utawa достигнуты эти характеристики. Amarga arus bocor MLC iki sithik banget (<10–7 A ing 750 V lan 180 °C, deleng Cathetan Tambahan 6 kanggo rincian) - titik kunci sing kasebut dening Smith et al. 19 - kanggo perbandingan, kinerja kasebut bisa digayuh.kanggo bahan sing digunakake ing panliten sadurunge 17,20.
Kahanan sing padha (600 V, 20–90 °C) ditrapake ing siklus Stirling (Cathetan tambahan 7). Kaya sing dikarepake saka asil siklus DE, asil kasebut yaiku 41,0 mJ. Salah sawijining fitur sing paling narik kawigaten saka siklus Stirling yaiku kemampuane kanggo nggedhekake voltase awal liwat efek termoelektrik. Kita mirsani gain voltase nganti 39 (saka voltase awal 15 V nganti voltase pungkasan nganti 590 V, deleng Gambar Tambahan 7.2).
Fitur liyane sing mbedakake saka MLC iki yaiku obyek makroskopik sing cukup gedhe kanggo ngumpulake energi ing kisaran joule. Mulane, kita nggawe prototipe pemanen (HARV1) nggunakake 28 MLC PST kandel 1 mm, miturut desain pelat paralel sing padha sing diterangake dening Torello et al.14, ing matriks 7 × 4 kaya sing dituduhake ing Gambar. Cairan dielektrik sing nggawa panas ing manifold dipindhah dening pompa peristaltik antarane rong reservoir ing ngendi suhu cairan tetep konstan (metode). Kumpulake nganti 3,1 J nggunakake siklus Olson sing diterangake ing gambar 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 dijupuk ing macem-macem kahanan (Gambar 2b). Elinga yen 1,8 J dipikolehi ing kisaran suhu 80 °C lan voltase 600 V (155 kV cm-1). Iki cocog karo 65 mJ sing kasebut sadurunge kanggo PST MLC kandel 1 mm ing kahanan sing padha (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Persiapan eksperimental prototipe HARV1 sing dirakit adhedhasar 28 MLC PST kandel 1 mm (4 baris × 7 kolom) sing mlaku ing siklus Olson. Kanggo saben patang langkah siklus, suhu lan voltase diwenehake ing prototipe. Komputer nggerakake pompa peristaltik sing ngiderake cairan dielektrik antarane reservoir adhem lan panas, rong katup, lan sumber daya. Komputer uga nggunakake termokopel kanggo ngumpulake data babagan voltase lan arus sing diwenehake menyang prototipe lan suhu gabungan saka catu daya. b, Energi (werna) sing dikumpulake dening prototipe MLC 4 × 7 kita versus rentang suhu (sumbu X) lan voltase (sumbu Y) ing eksperimen sing beda-beda.
Versi sing luwih gedhe saka mesin pemanen (HARV2) kanthi 60 PST MLC kandel 1 mm lan 160 PST MLC kandel 0,5 mm (41,7 g bahan piroelektrik aktif) ngasilake 11,2 J (Cathetan Tambahan 8). Ing taun 1984, Olsen nggawe mesin pemanen energi adhedhasar 317 g senyawa Pb(Zr,Ti)O3 sing didoping timah sing bisa ngasilake 6,23 J listrik ing suhu udakara 150 °C (ref. 21). Kanggo gabungan iki, iki mung nilai liyane sing kasedhiya ing kisaran joule. Entuk luwih saka setengah nilai sing digayuh lan meh kaping pitu kualitas. Iki tegese kapadhetan energi HARV2 13 kali luwih dhuwur.
Periode siklus HARV1 yaiku 57 detik. Iki ngasilake daya 54 mW kanthi 4 larik 7 kolom set MLC kandel 1 mm. Kanggo luwih maju, kita nggawe 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 detik (Gambar Tambahan 9). Energi sing dikumpulake (47 mJ) menehi daya listrik 1,95 mW saben MLC, sing banjur ngidini kita mbayangake yen HARV2 ngasilake 0,55 W (kurang luwih 1,95 mW × 280 PST MLC kandel 0,5 mm). Kajaba iku, kita nyimulasikake transfer panas nggunakake Simulasi Elemen Hingga (COMSOL, Cathetan Tambahan 10 lan Tabel Tambahan 2-4) sing cocog karo eksperimen HARV1. Pemodelan elemen hingga nggampangake prédhiksi nilai daya meh sak urutan gedhene luwih dhuwur (430 mW) kanggo jumlah kolom PST sing padha kanthi ngencerake MLC dadi 0,2 mm, nggunakake banyu minangka pendingin, lan mulihake matriks dadi 7 baris. × 4 kolom (saliyane , ana 960 mW nalika tangki ana ing jejere gabungan, Gambar Tambahan 10b).
Kanggo nduduhake kegunaan kolektor iki, siklus Stirling diterapake ing demonstrator mandiri sing mung dumadi saka rong MLC PST kandel 0,5 mm minangka kolektor panas, saklar voltase dhuwur, saklar voltase rendah nganggo kapasitor panyimpenan, konverter DC/DC, mikrokontroler daya rendah, rong termokopel lan konverter boost (Cathetan Tambahan 11). Sirkuit kasebut mbutuhake kapasitor panyimpenan sing wiwitane diisi daya ing 9V banjur mlaku kanthi mandiri nalika suhu rong MLC wiwit saka -5°C nganti 85°C, ing kene kanthi siklus 160 s (sawetara siklus dituduhake ing Cathetan Tambahan 11). Apik banget, rong MLC sing bobote mung 0,3g bisa ngontrol sistem gedhe iki kanthi mandiri. Fitur liyane sing menarik yaiku konverter voltase rendah bisa ngonversi 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 ditegesake minangka rasio kapadhetan energi listrik sing dikumpulake Nd karo kapadhetan panas sing disedhiyakake Qin (Cathetan tambahan 12):
Gambar 3a,b nuduhake efisiensi η lan efisiensi proporsional ηr saka siklus Olsen, minangka fungsi saka kisaran suhu PST MLC kandel 0,5 mm. Kaloro set data kasebut diwenehake kanggo medan listrik 195 kV cm-1. Efisiensi \(\this\) tekan 1,43%, sing padha karo 18% saka ηr. Nanging, kanggo kisaran suhu 10 K saka 25 °C nganti 35 °C, ηr tekan nilai nganti 40% (kurva biru ing Gambar 3b). Iki kaping pindho nilai sing dikenal kanggo bahan NLP sing direkam ing film PMN-PT (ηr = 19%) ing kisaran suhu 10 K lan 300 kV cm-1 (Ref. 18). Kisaran suhu ing ngisor 10 K ora dianggep amarga histeresis termal PST MLC ana ing antarane 5 lan 8 K. Pangenalan efek positif transisi fase marang efisiensi iku penting banget. Nyatane, nilai optimal η lan ηr meh kabeh dipikolehi ing suhu awal Ti = 25°C ing Gambar 3a,b. Iki amarga transisi fase sing cedhak nalika ora ana medan sing ditrapake lan suhu Curie TC sekitar 20°C ing MLC kasebut (Cathetan tambahan 13).
a,b, efisiensi η lan efisiensi proporsional saka siklus Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} kanggo listrik maksimum kanthi medan 195 kV cm-1 lan suhu awal sing beda Ti, }}\,\)(b) kanggo MPC PST sing kandelé 0,5 mm, gumantung saka interval suhu ΔTspan.
Pengamatan terakhir iki nduweni rong implikasi penting: (1) siklus efektif apa wae kudu diwiwiti ing suhu ing ndhuwur TC supaya transisi fase sing diinduksi medan (saka paraelektrik dadi feroelektrik) kedadeyan; (2) bahan-bahan kasebut luwih efisien ing wektu mlaku sing cedhak karo TC. Sanajan efisiensi skala gedhe dituduhake ing eksperimen kita, kisaran suhu sing winates ora ngidini kita entuk efisiensi absolut sing gedhe amarga watesan Carnot (\(\Delta T/T\)). Nanging, efisiensi sing apik sing dituduhake dening PST MLC iki mbenerake Olsen nalika dheweke nyebutake yen "motor termoelektrik regeneratif kelas 20 sing ideal sing beroperasi ing suhu antarane 50 °C lan 250 °C bisa duwe efisiensi 30%"17. Kanggo nggayuh nilai kasebut lan nguji konsep kasebut, bakal migunani kanggo nggunakake PST sing didoping karo TC sing beda, kaya sing disinaoni dening Shebanov lan Borman. Dheweke nuduhake yen TC ing PST bisa beda-beda saka 3°C (doping Sb) nganti 33°C (doping Ti) 22. Mulane, kita duwe hipotesis yen regenerator piroelektrik generasi sabanjure adhedhasar PST MLC sing didoping utawa bahan liyane kanthi transisi fase orde pertama sing kuwat bisa saingan karo pemanen daya sing paling apik.
Ing panliten iki, kita nyelidiki MLC sing digawe saka PST. Piranti kasebut kasusun saka seri elektroda Pt lan PST, ing ngendi sawetara kapasitor disambungake kanthi paralel. PST dipilih amarga minangka bahan EC sing apik banget lan mulane minangka bahan NLP sing potensial banget. Iki nuduhake transisi fase feroelektrik-paraelektrik orde pertama sing tajem sekitar 20 °C, sing nuduhake yen owah-owahan entropi padha karo sing dituduhake ing Gambar 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 loro kasus kasebut, lapisan PST njero diselehake ing antarane elektroda platinum kandel 2,05 µm. Desain MLC iki nganggep yen 55% saka PST aktif, cocog karo bagean antarane elektroda (Cathetan Tambahan 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 sawijining bedane antarane PST MLC lan artikel sadurunge yaiku urutan situs-B, sing banget mengaruhi kinerja EC ing PST. Urutan situs-B PST MLC yaiku 0,75 (Cathetan Tambahan 2) sing dipikolehi kanthi sintering ing suhu 1400°C diikuti dening annealing atusan jam ing suhu 1000°C. Kanggo informasi luwih lengkap babagan PST MLC, deleng Cathetan Tambahan 1-3 lan Tabel Tambahan 5.
Konsep utama saka panliten iki adhedhasar siklus Olson (Gambar 1). Kanggo siklus kaya ngono, kita butuh reservoir panas lan adhem lan catu daya sing bisa ngawasi lan ngontrol voltase lan arus ing macem-macem modul MLC. Siklus langsung iki nggunakake rong konfigurasi sing beda, yaiku (1) modul Linkam sing manasi lan ngademake siji MLC sing disambungake menyang sumber daya Keithley 2410, lan (2) telung prototipe (HARV1, HARV2 lan HARV3) kanthi paralel karo sumber energi sing padha. Ing kasus terakhir, cairan dielektrik (minyak silikon kanthi viskositas 5 cP ing 25°C, dituku saka Sigma Aldrich) digunakake kanggo ijol-ijolan panas antarane rong reservoir (panas lan adhem) lan MLC. Reservoir termal kasusun saka wadhah kaca sing diisi cairan dielektrik lan diselehake ing ndhuwur pelat termal. Panyimpenan adhem kasusun saka bak banyu kanthi tabung cairan sing ngemot cairan dielektrik ing wadhah plastik gedhe sing diisi banyu lan es. Rong katup jepit telung arah (sing dituku saka Bio-Chem Fluidics) diselehake ing saben ujung gabungan kanggo ngalih cairan kanthi bener saka siji reservoir menyang liyane (Gambar 2a). Kanggo njamin keseimbangan termal antarane paket PST-MLC lan cairan pendingin, periode siklus ditambah nganti termokopel inlet lan outlet (sakedhepe karo paket PST-MLC) nuduhake suhu sing padha. Skrip Python ngatur lan nyelarasake kabeh instrumen (meter sumber, pompa, katup, lan termokopel) kanggo mbukak siklus Olson sing bener, yaiku loop cairan pendingin wiwit siklus liwat tumpukan PST sawise meter sumber diisi daya supaya panas ing voltase sing dikarepake kanggo siklus Olson sing diwenehake.
Utawa, kita wis ngonfirmasi pangukuran langsung saka energi sing dikumpulake iki nganggo metode ora langsung. Metode ora langsung iki adhedhasar puteran medan pamindahan listrik (D) - medan listrik (E) sing dikumpulake ing suhu sing beda-beda, lan kanthi ngetung area antarane rong puteran DE, wong bisa ngira-ngira kanthi akurat pira energi sing bisa dikumpulake, kaya sing dituduhake ing gambar 2. .1b. Puteran DE iki uga dikumpulake nggunakake meter sumber Keithley.
Rong puluh wolu PST MLC kandel 1 mm dirakit ing struktur pelat paralel 4 baris, 7 kolom miturut desain sing diterangake ing referensi. 14. Celah cairan antarane baris PST-MLC yaiku 0,75mm. Iki ditindakake kanthi nambahake potongan pita sisi ganda minangka spacer cairan ing sekitar pinggiran PST MLC. PST MLC disambungake sacara listrik sejajar karo jembatan epoksi perak sing kontak karo kabel elektroda. Sawise iku, kabel dilem nganggo resin epoksi perak ing saben sisih terminal elektroda kanggo sambungan menyang catu daya. Pungkasan, lebokake kabeh struktur menyang selang poliolefin. Sing terakhir dilem ing tabung cairan kanggo njamin segel sing tepat. Pungkasan, termokopel tipe K kandel 0,25 mm dibangun ing saben ujung struktur PST-MLC kanggo ngawasi suhu cairan mlebu lan metu. Kanggo nindakake iki, selang kudu dilubangi dhisik. Sawise masang termokopel, olesake perekat sing padha kaya sadurunge ing antarane selang termokopel lan kabel kanggo mulihake segel.
Wolung prototipe sing kapisah digawe, papat ing antarane duwe 40 PST MLC kandel 0,5 mm sing disebar minangka pelat paralel kanthi 5 kolom lan 8 baris, lan papat liyane duwe 15 PST MLC kandel 1 mm saben. Ing struktur pelat paralel 3 kolom × 5 baris. Jumlah total PST MLC sing digunakake yaiku 220 (160 kandel 0,5 mm lan 60 PST MLC kandel 1 mm). Kita nyebut rong subunit iki HARV2_160 lan HARV2_60. Celah cairan ing prototipe HARV2_160 kasusun saka rong pita sisi dobel kandel 0,25 mm kanthi kawat kandel 0,25 mm ing antarane. Kanggo prototipe HARV2_60, kita mbaleni prosedur sing padha, nanging nggunakake kawat kandel 0,38 mm. Kanggo simetri, HARV2_160 lan HARV2_60 duwe sirkuit cairan, pompa, katup, lan sisih adhem dhewe (Cathetan Tambahan 8). Rong unit HARV2 nuduhake wadhah panas, wadhah 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) ing rong pelat panas kanthi magnet sing muter. Kabeh wolung prototipe individu disambungake sacara listrik kanthi paralel. Subunit HARV2_160 lan HARV2_60 kerja bebarengan ing siklus Olson sing nyebabake panen energi 11,2 J.
Lebokake PST MLC kandel 0,5mm menyang selang poliolefin nganggo pita dobel lan kawat ing loro-lorone kanggo nggawe papan supaya cairan bisa mili. Amarga ukurane cilik, prototipe diselehake ing jejere katup reservoir panas utawa adhem, supaya wektu siklus bisa minimal.
Ing PST MLC, medan listrik konstan ditrapake kanthi ngetrapake voltase konstan menyang cabang pemanas. Akibate, arus termal negatif diasilake lan energi disimpen. Sawise manasi PST MLC, medan kasebut dicopot (V = 0), lan energi sing disimpen ing njero dibalekake maneh menyang counter sumber, sing cocog karo siji kontribusi liyane saka energi sing dikumpulake. Pungkasan, kanthi voltase V = 0 ditrapake, MLC PST didinginkan nganti suhu awal supaya siklus bisa diwiwiti maneh. Ing tahap iki, energi ora dikumpulake. Kita mbukak siklus Olsen nggunakake Keithley 2410 SourceMeter, ngisi daya PST MLC saka sumber voltase lan nyetel kecocokan arus menyang nilai sing cocog supaya cukup titik sing dikumpulake sajrone fase pengisian daya kanggo pitungan energi sing bisa dipercaya.
Ing siklus Stirling, PST MLC diisi daya ing mode sumber tegangan ing nilai medan listrik awal (tegangan awal Vi > 0), arus kepatuhan sing dikarepake supaya langkah pengisian daya mbutuhake wektu sekitar 1 detik (lan titik sing cukup dikumpulake kanggo pitungan energi sing dipercaya) lan suhu adhem. Ing siklus Stirling, PST MLC diisi daya ing mode sumber tegangan ing nilai medan listrik awal (tegangan awal Vi > 0), arus kepatuhan sing dikarepake supaya langkah pengisian daya mbutuhake wektu sekitar 1 detik (lan titik sing cukup dikumpulake kanggo pitungan energi sing dipercaya) lan suhu adhem. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического в режиме источника напряжения при начальном значении электрического оляж, поля (начальрь > желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точогтачедно энергия) lan холодная температура. Ing siklus Stirling PST MLC, siklus kasebut diisi daya ing mode sumber tegangan ing nilai awal medan listrik (tegangan awal Vi > 0), arus hasil sing dikarepake, saengga tahap pengisian daya mbutuhake wektu udakara 1 detik (lan jumlah titik sing cukup dikumpulake kanggo pitungan energi sing bisa dipercaya) lan suhu adhem.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）充电，所需的顺应电流使得充电步骤大约需要1秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 Ing siklus master, PST MLC diisi daya ing nilai medan listrik awal (tegangan awal Vi > 0) ing mode sumber tegangan, saengga arus kepatuhan sing dibutuhake butuh wektu udakara 1 detik kanggo langkah pengisian daya (lan kita nglumpukake poin sing cukup kanggo ngetung (energi) lan suhu rendah kanthi andal. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического в режиме источника напряжения с начальным значением электрического полня (началььго) требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точык, радчство точик энергию) lan низкие температуры. Ing siklus Stirling, PST MLC diisi daya ing mode sumber tegangan kanthi nilai awal medan listrik (tegangan awal Vi > 0), arus kepatuhan sing dibutuhake yaiku tahap pengisian daya mbutuhake wektu udakara 1 detik (lan jumlah titik sing cukup dikumpulake kanggo ngetung energi kanthi andal) lan suhu sing endhek.Sadurunge PST MLC dadi panas, bukak sirkuit kanthi ngetrapake arus sing cocog karo I = 0 mA (arus sing cocog minimal sing bisa ditangani sumber pangukur yaiku 10 nA). Akibate, muatan tetep ana ing PST MJK, lan voltase mundhak nalika sampel dadi panas. Ora ana energi sing dikumpulake ing lengen BC amarga I = 0 mA. Sawise tekan suhu sing dhuwur, voltase ing MLT FT mundhak (ing sawetara kasus luwih saka 30 kali lipat, deleng gambar tambahan 7.2), MLK FT dibuwang (V = 0), lan energi listrik disimpen ing kono kanggo padha karo muatan awal. Korespondensi arus sing padha bali menyang sumber meter. Amarga gain voltase, energi sing disimpen ing suhu dhuwur luwih dhuwur tinimbang sing diwenehake ing awal siklus. Akibate, energi dipikolehi kanthi ngowahi panas dadi listrik.
Kita nggunakake Keithley 2410 SourceMeter kanggo ngawasi voltase lan arus sing ditrapake ing PST MLC. Energi sing cocog diitung kanthi nggabungake produk voltase lan arus sing diwaca dening meter sumber Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), ing ngendi τ minangka periode periode kasebut. Ing kurva energi kita, nilai energi positif tegese energi sing kudu diwenehake menyang MLC PST, lan nilai negatif tegese energi sing dijupuk saka energi kasebut lan mulane energi sing ditampa. Daya relatif kanggo siklus koleksi tartamtu ditemtokake kanthi mbagi energi sing dikumpulake karo periode τ saka kabeh siklus.
Kabeh data diwenehake ing teks utama utawa informasi tambahan. Layang lan panjaluk materi kudu ditujokake 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 babagan 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 lagi nimbang pangembangan lan aplikasi mikrogenerator termoelektrik kanggo panen energi.resume. dhukungan. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Bahan fotovoltaik: efisiensi saiki lan tantangan ing mangsa ngarep. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Bahan fotovoltaik: efisiensi saiki lan tantangan ing mangsa ngarep.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. lan Sinke, VK Bahan fotovoltaik: kinerja saiki lan tantangan ing mangsa ngarep. 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 saiki lan tantangan ing mangsa ngarep.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. lan Sinke, VK Bahan fotovoltaik: kinerja saiki lan tantangan ing mangsa ngarep.Ilmu Pengetahuan 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efek piro-piezoelektrik sing digabungake kanggo panginderaan suhu lan tekanan simultan sing didayani dhewe. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efek piro-piezoelektrik konjungsi kanggo panginderaan suhu lan tekanan simultan sing didayani dhewe.Song K., Zhao R., Wang ZL lan Yan Yu. Efek piropiezoelektrik gabungan kanggo pangukuran suhu lan tekanan simultan 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 daya dhewe ing wektu sing padha karo suhu lan tekanan.Song K., Zhao R., Wang ZL lan Yan Yu. Efek termopiezoelektrik gabungan kanggo pangukuran suhu lan tekanan simultan otonom.Maju. almamater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Panen energi adhedhasar siklus piroelektrik Ericsson ing keramik feroelektrik relaxor. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Panen energi adhedhasar siklus piroelektrik Ericsson ing keramik feroelektrik relaxor.Sebald G., Prouvost S. lan Guyomar D. Panen energi adhedhasar siklus Ericsson piroelektrik ing keramik feroelektrik relaxor.Sebald G., Prouvost S. lan Guyomar D. Panen energi ing keramik feroelektrik relaxor adhedhasar siklus piroelektrik Ericsson. Almamater cerdas. struktur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalori lan piroelektrik generasi sabanjure kanggo interkonversi energi elektrotermal solid-state. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalori lan piroelektrik generasi sabanjure kanggo interkonversi energi elektrotermal solid-state. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего закледующего покилего покиля преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalori lan piroelektrik generasi sabanjure kanggo interkonversi energi elektrotermal keadaan padat. 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 закледующего покилего покиля преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalori lan piroelektrik generasi sabanjure kanggo interkonversi energi elektrotermal keadaan padat.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standar lan angka-of-merit kanggo ngukur kinerja nanogenerator piroelektrik. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standar lan angka-of-merit kanggo ngukur kinerja nanogenerator piroelektrik.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL lan Yang, Yu. Skor standar lan kualitas kanggo ngukur kinerja nanogenerator piroelektrik. 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 ngukur kinerja nanogenerator piroelektrik.Nano Energi 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalori ing tantalat skandium timbal kanthi regenerasi sejati liwat variasi medan. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalori ing tantalat skandium timbal kanthi regenerasi sejati liwat variasi medan.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. lan Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalori ing timbal-skandium tantalat kanthi regenerasi sejati kanthi cara modifikasi medan. 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 pendinginan elektrotermal saka tantalat skandium-timbal kanggo regenerasi sejati liwat pembalikan medan.fisika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori cedhak transisi fase feroik. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori cedhak transisi fase feroik.Moya, X., Kar-Narayan, S. lan Mathur, ND Bahan kalori cedhak transisi fase feroid. 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 besi.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 pendinginan lan pemanasan. 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 termal kanggo pendinginan lan pemanasan.Ilmu Pengetahuan 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: review. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: review.Torello, A. lan Defay, E. Pendingin elektrokalori: tinjauan. 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. Pendingin elektrotermal: sawijining tinjauan.Canggih. elektronik. almamater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Efisiensi energi sing gedhe banget saka bahan elektrokalori ing skandium-skandium-timbal sing teratur banget. Komunikasi nasional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Efek elektrotermal saka kapasitor multilayer oksida gedhe banget ing kisaran suhu sing amba. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Kisaran suhu sing gedhe banget ing regenerator elektrotermal. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistem pendinginan elektrotermal solid state kinerja dhuwur. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Piranti pendingin elektrotermal Cascade kanggo kenaikan suhu sing gedhe. Energi Nasional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Konversi panas langsung dadi pangukuran piroelektrik sing ana gandhengane karo efisiensi dhuwur. Olsen, RB & Brown, DD Konversi langsung efisiensi dhuwur saka panas dadi pangukuran piroelektrik sing ana gandhengane karo energi listrik.Olsen, RB lan Brown, DD Konversi panas langsung dadi energi listrik sing efisien banget sing ana gandhengane karo pangukuran piroelektrik. 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 panas langsung dadi listrik sing efisien sing ana gandhengane karo pangukuran piroelektrik.Ferroelektrik 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Kapadhetan energi lan daya ing film feroelektrik relaxor tipis. Almamater nasional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Konversi piroelektrik bertingkat: ngoptimalake transisi fase feroelektrik lan kerugian listrik. Smith, AN & Hanrahan, BM Konversi piroelektrik bertingkat: ngoptimalake transisi fase feroelektrik lan kerugian listrik.Smith, AN lan Hanrahan, BM Konversi piroelektrik bertingkat: transisi fase feroelektrik lan optimasi kerugian 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 piroelektrik bertingkat: optimalisasi transisi fase feroelektrik lan kerugian listrik.J. Aplikasi. fisika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Panggunaan bahan feroelektrik kanggo ngowahi energi termal dadi listrik. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Konverter energi piroelektrik bertingkat. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Konverter energi piroelektrik bertingkat.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM lan Dullea, J. Konverter Daya Piroelektrik Cascade. 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 piroelektrik bertingkat.Ferroelektrik 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Babagan larutan padat timbal-skandium tantalat kanthi efek elektrokalori sing dhuwur. Shebanov, L. & Borman, K. Babagan larutan padat timbal-skandium tantalat kanthi efek elektrokalori sing dhuwur.Shebanov L. lan Borman K. Babagan larutan padat timbal-skandium tantalat kanthi efek elektrokalori sing 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. Babagan larutan padat skandium-timbal-skandium kanthi efek elektrokalori sing dhuwur.Ferroelektrik 127, 143–148 (1992).
Kita ngucapake matur nuwun marang N. Furusawa, Y. Inoue, lan K. Honda kanggo pitulungane sajrone nggawe MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB lan ED. Matur nuwun marang Yayasan Riset Nasional Luksemburg (FNR) sing wis 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 Luksemburg (LIST), Belvoir, Luksemburg