Att erbjuda hållbara elkällor är en av de viktigaste utmaningarna under detta århundrade. Forskningsområden inom energiavverkningsmaterial härrör från denna motivation, inklusive Thermoelectric1, Photovoltaic2 och Thermophotovoltaics3. Även om vi saknar material och enheter som kan skörda energi i Joule -området, betraktas pyroelektriska material som kan omvandla elektrisk energi till periodiska temperaturförändringar som sensorer4 och energi skördare5,6,7. Här har vi utvecklat en makroskopisk termisk energi skördare i form av en flerskiktskondensator tillverkad av 42 gram blyskandiumtantalat, vilket producerar 11,2 J elektrisk energi per termodynamisk cykel. Varje pyroelektrisk modul kan generera elektrisk energitäthet upp till 4,43 J CM-3 per cykel. Vi visar också att två sådana moduler som väger 0,3 g räcker för att kontinuerligt driva autonoma energiskördare med inbäddade mikrokontroller och temperatursensorer. Slutligen visar vi att för ett temperaturintervall på 10 K kan dessa flerskiktskondensatorer nå 40% Carnot -effektivitet. Dessa egenskaper beror på (1) ferroelektrisk fasförändring för hög effektivitet, (2) låg läckström för att förhindra förluster och (3) hög nedbrytningsspänning. Dessa makroskopiska, skalbara och effektiva pyroelektriska kraftskördare ombildar termoelektrisk kraftproduktion.
Jämfört med den rumsliga temperaturgradienten som krävs för termoelektriska material krävs energikörning av termoelektriska material temperaturcykling över tid. Detta betyder en termodynamisk cykel, som bäst beskrivs av entropin (er) -temperaturen (T). Figur 1A visar en typisk ST-plot av ett icke-linjärt pyroelektriskt (NLP) -material som visar ett fältdrivet ferroelektriskt-parelektriskt fasövergång i skandiumledningstantalat (PST). De blå och gröna sektionerna i cykeln på ST -diagrammet motsvarar den konverterade elektriska energin i Olson -cykeln (två isotermiska och två isopolsektioner). Här överväger vi två cykler med samma elektriska fältförändring (fält på och av) ​​och temperaturförändring ΔT, om än med olika initiala temperaturer. Den gröna cykeln är inte belägen i fasövergångsregionen och har således ett mycket mindre område än den blå cykeln som ligger i fasövergångsregionen. I ST -diagrammet, ju större området, desto större är den insamlade energin. Därför måste fasövergången samla mer energi. Behovet av stor cykling i NLP är mycket likt behovet av elektrotermiska applikationer9, 10, 11, 12 där PST-flerskiktskondensatorer (MLC) och PVDF-baserade terpolymerer nyligen har visat utmärkt omvänd prestanda. Kylprestationsstatus i cykel 13,14,15,16. Därför har vi identifierat PST MLC: er av intresse för skörd av termisk energi. Dessa prover har beskrivits fullt ut i metoderna och kännetecknas i kompletterande anteckningar 1 (skanning av elektronmikroskopi), 2 (röntgendiffraktion) och 3 (kalorimetri).
A, skiss av en entropi (er) -temperatur (t) plot med elektriskt fält på och av applicerat på NLP-material som visar fasövergångar. Två energiuppsamlingscykler visas i två olika temperaturzoner. De blå och gröna cyklerna förekommer inom respektive utanför fasövergången och slutar i mycket olika regioner på ytan. B, två de PST MLC unipolära ringar, 1 mm tjocka, mätt mellan 0 och 155 kV CM-1 vid 20 ° C respektive 90 ° C, respektive motsvarande Olsen-cykler. Bokstäverna ABCD hänvisar till olika tillstånd i Olson -cykeln. AB: MLC: er laddades till 155 kV CM-1 vid 20 ° C. BC: MLC hölls vid 155 kV cm-1 och temperaturen höjdes till 90 ° C. CD: MLC -urladdningar vid 90 ° C. DA: MLC kyld till 20 ° C i nollfält. Det blå området motsvarar den ingångseffekt som krävs för att starta cykeln. Det orange området är den energi som samlas in i en cykel. C, topppanel, spänning (svart) och ström (röd) kontra tid, spårad under samma Olson -cykel som b. De två insatserna representerar amplifiering av spänning och ström vid viktiga punkter i cykeln. I den nedre panelen representerar de gula och gröna kurvorna motsvarande temperatur- och energikurvor respektive för en 1 mm tjock MLC. Energi beräknas utifrån ström- och spänningskurvor på topppanelen. Negativ energi motsvarar den insamlade energin. Stegen som motsvarar stora bokstäverna i de fyra siffrorna är desamma som i Olson -cykeln. Cykel AB'CD motsvarar stirlingcykeln (ytterligare anmärkning 7).
där E och D är det elektriska fältet respektive elektriska förskjutningsfält. ND kan erhållas indirekt från DE -kretsen (fig. 1B) eller direkt genom att starta en termodynamisk cykel. De mest användbara metoderna beskrevs av Olsen i hans banbrytande arbete med att samla pyroelektrisk energi på 1980-17.
På fig. 1B visar två monopolära de slingor med 1 mm tjocka PST-MLC-prover sammansatta vid 20 ° C respektive 90 ° C över ett intervall från 0 till 155 kV cm-1 (600 V). Dessa två cykler kan användas för att indirekt beräkna den energi som samlas in av Olson -cykeln som visas i figur 1A. I själva verket består Olsen-cykeln av två isofeldgrenar (här nollfält i DA-grenen och 155 kV CM-1 i BC-grenen) och två isotermiska grenar (här, 20 ° с och 20 ° с i AB-grenen). C i CD -grenen) Energin som samlats in under cykeln motsvarar de orange och blå regionerna (EDD -integral). Den insamlade energin och är skillnaden mellan ingång och utgångsenergi, dvs endast det orange området i fig. 1B. Denna speciella Olson-cykel ger en ND-energitäthet på 1,78 J CM-3. Stirlingcykeln är ett alternativ till Olson -cykeln (kompletterande not 7). Eftersom det konstant laddningssteget (öppen krets) lättare nås, når energitätheten extraherad från fig. 1B (cykel AB'CD) 1,25 J CM-3. Detta är bara 70% av vad Olson -cykeln kan samla in, men enkel skördutrustning gör det.
Dessutom mätte vi direkt den energi som samlats in under Olson -cykeln genom att aktivera PST MLC med hjälp av ett Linkam -temperaturkontrollsteg och en källmätare (metod). Figur 1C överst och i respektive insatser visar den nuvarande (röda) och spänningen (svart) som samlas in på samma 1 mm tjocka PST MLC som för de loop som går igenom samma Olson -cykel. Strömmen och spänningen gör det möjligt att beräkna den uppsamlade energin, och kurvorna visas i fig. 1C, botten (grön) och temperatur (gul) under hela cykeln. Bokstäverna ABCD representerar samma Olson -cykel i fig. 1. MLC -laddning sker under AB -benet och utförs vid en låg ström (200 µA), så att Sourcemeter kan kontrollera laddningen korrekt. Konsekvensen av denna konstant initiala ström är att spänningskurvan (svart kurva) inte är linjär på grund av det icke-linjära potentiella förskjutningsfältet D PST (Fig. 1C, toppinsats). I slutet av laddningen lagras 30 MJ elektrisk energi i MLC (punkt B). MLC värms sedan upp och en negativ ström (och därför en negativ ström) produceras medan spänningen förblir vid 600 V. Efter 40 s, när temperaturen nådde en platå på 90 ° C, kompenserades denna ström, även om stegprovet producerade i kretsen en elektrisk kraft på 35 MJ under denna isofield (andra insats i Fig. 1C, topp). Spänningen på MLC (gren CD) reduceras sedan, vilket resulterar i ytterligare 60 MJ elektriskt arbete. Den totala utgångsenergin är 95 MJ. Den insamlade energin är skillnaden mellan ingången och utgångsenergin, som ger 95 - 30 = 65 MJ. Detta motsvarar en energitäthet på 1,84 J CM-3, som ligger mycket nära ND extraherad från de ringen. Reproducerbarheten av denna Olson -cykel har testats i stor utsträckning (kompletterande not 4). Genom att ytterligare öka spänningen och temperaturen uppnådde vi 4,43 J CM-3 med användning av OLSEN-cykler i en 0,5 mm tjock PST MLC över ett temperaturintervall av 750 V (195 kV CM-1) och 175 ° C (kompletterande not 5). Detta är fyra gånger större än den bästa prestationen som rapporterats i litteraturen för direkta Olson-cykler och erhölls på tunna filmer av Pb (Mg, Nb) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (CM. Uppgiftstabell 1 för fler värden i litteraturen). Denna prestanda har uppnåtts på grund av den mycket låga läckströmmen för dessa MLC: er (<10-7 A vid 750 V och 180 ° C, se detaljer i kompletterande not 6) - en avgörande punkt som nämns av Smith et al.19 - i motsats till materialen som användes i tidigare studier17,20. Denna prestanda har uppnåtts på grund av den mycket låga läckströmmen för dessa MLC: er (<10-7 A vid 750 V och 180 ° C, se detaljer i kompletterande not 6) - en avgörande punkt som nämns av Smith et al.19 - i motsats till materialen som användes i tidigare studier17,20. Эти характерис1 в дополнителном примечани kvinnliga 6) - критический мент, уомнутый ситом и др. 19 - в отличие от к материалам, исполованны болол ранних иедедоваanj17,20. Dessa egenskaper uppnåddes på grund av den mycket låga läckströmmen för dessa MLC: er (<10–7 A vid 750 V och 180 ° C, se kompletterande not 6 för detaljer) - en kritisk punkt som nämns av Smith et al. 19 - Till skillnad från material som användes i tidigare studier17,20.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 中的详细信息） —— Smith 等人 19 提到的关键点 —— 相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细 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 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 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。 Посколь ток течи этих MLC чень н низий (<10–7 а при 750 в 180 ° C, с подробробнасннначнрачачачачачачачачачачачачачачачачачачачачачачача vän кевой момент, t. 19 - д с с с с с с с с с с с х, ыии достигнуты эти характеристики. Eftersom läckströmmen för dessa MLC: er är mycket låg (<10–7 A vid 750 V och 180 ° C, se kompletterande not 6 för detaljer) - en nyckelpunkt som nämns av Smith et al. 19 - Som jämförelse uppnåddes dessa föreställningar.till material som användes i tidigare studier 17,20.
Samma förhållanden (600 V, 20–90 ° C) applicerade på Stirling -cykeln (kompletterande not 7). Som förväntat från resultaten från DE -cykeln var utbytet 41,0 MJ. En av de mest slående egenskaperna hos Stirling -cykler är deras förmåga att förstärka den initiala spänningen genom den termoelektriska effekten. Vi observerade en spänningsförstärkning på upp till 39 (från en initial spänning på 15 V till en ändspänning på upp till 590 V, se kompletterande fig. 7.2).
Ett annat utmärkande drag i dessa MLC: er är att de är makroskopiska föremål som är tillräckligt stora för att samla energi i Joule -serien. Därför konstruerade vi en prototypskördare (HARV1) med 28 MLC PST 1 mm tjock, efter samma parallella plattdesign som beskrivs av Torello et al.14, i en 7 × 4-matris som visas i fig. Värmebärande dielektrisk vätska i grenröret förskjuts av en peristaltisk pump mellan två reservoarer där den vätsketemperaturen (den metod som hålls). Samla upp till 3,1 J med användning av Olson -cykeln som beskrivs i fig. 2A, isotermiska regioner vid 10 ° C och 125 ° C och ISOFIELD-regioner vid 0 och 750 V (195 kV CM-1). Detta motsvarar en energitäthet på 3,14 J CM-3. Med användning av denna kombination gjordes mätningar under olika förhållanden (fig. 2B). Observera att 1,8 J erhölls över ett temperaturområde av 80 ° C och en spänning av 600 V (155 kV CM-1). Detta är i god överensstämmelse med den tidigare nämnda 65 MJ för 1 mm tjock PST MLC under samma förhållanden (28 × 65 = 1820 MJ).
A, experimentell installation av en monterad Harv1 -prototyp baserad på 28 MLC PSTS 1 mm tjock (4 rader × 7 kolumner) som körs på Olson -cykler. För vart och ett av de fyra cykelstegen tillhandahålls temperatur och spänning i prototypen. Datorn driver en peristaltisk pump som cirkulerar en dielektrisk vätska mellan de kalla och heta behållarna, två ventiler och en kraftkälla. Datorn använder också termoelement för att samla in data om spänningen och ström som levereras till prototypen och temperaturen på kombinationen från strömförsörjningen. B, energi (färg) som samlas in av vår 4 × 7 MLC-prototyp kontra temperaturområde (x-axel) och spänning (y-axel) i olika experiment.
En större version av skördaren (Harv2) med 60 PST MLC 1 mm tjock och 160 PST MLC 0,5 mm tjock (41,7 g aktivt pyroelektriskt material) gav 11,2 J (kompletterande not 8). 1984 tillverkade Olsen en energi skördare baserad på 317 g en tenndopad Pb (Zr, Ti) O3-förening som kunde generera 6,23 J el vid en temperatur av cirka 150 ° C (ref. 21). För denna kombination är detta det enda andra värdet som finns i Joule -serien. Det fick drygt hälften av värdet vi uppnådde och nästan sju gånger kvaliteten. Detta innebär att energitätheten för Harv2 är 13 gånger högre.
Harv1 -cykelperioden är 57 sekunder. Detta producerade 54 MW effekt med 4 rader med 7 kolumner med 1 mm tjocka MLC -uppsättningar. För att ta det ett steg längre byggde vi en tredje kombination (Harv3) med en 0,5 mm tjock PST MLC och liknande installation till Harv1 och Harv2 (kompletterande not 9). Vi mätte en termaliseringstid på 12,5 sekunder. Detta motsvarar en cykeltid på 25 s (kompletterande fig. 9). Den insamlade energin (47 MJ) ger en elektrisk effekt på 1,95 MW per MLC, vilket i sin tur tillåter oss att föreställa oss att Harv2 producerar 0,55 W (cirka 1,95 MW × 280 PST MLC 0,5 mm tjock). Dessutom simulerade vi värmeöverföring med hjälp av begränsad elementsimulering (COMSOL, kompletterande not 10 och kompletterande tabeller 2–4) motsvarande Harv1 -experimenten. Modellering av ändlig element gjorde det möjligt att förutsäga effektvärden nästan en storleksordning högre (430 MW) för samma antal PST -kolumner genom att tunnas av MLC till 0,2 mm, använda vatten som kylvätska och återställa matrisen till 7 rader. × 4 kolumner (utöver var det 960 MW när tanken var bredvid skördetröskan, kompletterande fig. 10b).
För att demonstrera användbarheten hos denna samlare applicerades en Stirling-cykel på en fristående demonstrant som bestod av endast två 0,5 mm tjocka PST-MLC som värmesamlare, en högspänningsomkopplare, en lågspänningskonverterare (suppremente, en DC/DC-omvandlare, en låg effektmikrokontroller, två termokoppel och boostkonverterare (supprement 11). Kretsen kräver att lagringskondensatorn initialt laddas vid 9V och körs sedan autonomt medan temperaturen på de två MLC: erna sträcker sig från -5 ° C till 85 ° C, här i cykler på 160 s (flera cykler visas i kompletterande not 11). Det är anmärkningsvärt att två MLC: er som bara väger 0,3 g kan autonomt kontrollera detta stora system. En annan intressant funktion är att lågspänningsomvandlaren kan konvertera 400V till 10-15V med 79% effektivitet (kompletterande not 11 och kompletterande figur 11.3).
Slutligen utvärderade vi effektiviteten hos dessa MLC -moduler för att omvandla termisk energi till elektrisk energi. Kvalitetsfaktorn η för effektivitet definieras som förhållandet mellan densiteten för den insamlade elektriska energin och densiteten för den medföljande värmen Qin (kompletterande not 12):
Figurerna 3A, B visar effektiviteten η och proportionell effektivitet ηR för OLSEN -cykeln, som en funktion av temperaturområdet för en 0,5 mm tjock PST MLC. Båda datauppsättningarna ges för ett elektriskt fält på 195 kV CM-1. Effektiviteten \ (\ detta \) når 1,43%, vilket motsvarar 18% av ηr. För ett temperaturintervall av 10 K från 25 ° C till 35 ° C når ηR emellertid värden upp till 40% (blå kurva i fig. 3B). Detta är två gånger det kända värdet för NLP-material som registrerats i PMN-PT-filmer (ηr = 19%) i temperaturområdet 10 K och 300 kV CM-1 (ref. 18). Temperaturintervall under 10 K beaktades inte eftersom den termiska hysteresen av PST MLC är mellan 5 och 8 K. Erkännande av den positiva effekten av fasövergångar på effektiviteten är kritisk. I själva verket erhålls de optimala värdena för η och ηR nästan alla vid den initiala temperaturen Ti = 25 ° C i fig. 3a, b. Detta beror på en nära fasövergång när inget fält appliceras och Curie -temperaturen TC är cirka 20 ° C i dessa MLC: er (kompletterande not 13).
a,b, the efficiency η and the proportional efficiency of the Olson cycle (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for the maximum electric by a field of 195 kV cm-1 and different initial temperatures Ti, }} \, \) (b) för MPC PST 0,5 mm tjock, beroende på temperaturintervallet ΔTSpan.
Den senare observationen har två viktiga konsekvenser: (1) Varje effektiv cykling måste börja vid temperaturer över TC för en fältinducerad fasövergång (från Paraelektriska till ferroelektriska) att inträffa; (2) Dessa material är mer effektiva vid körningstider nära TC. Även om storskalig effektivitet visas i våra experiment tillåter det begränsade temperaturområdet oss att uppnå stora absolut effektivitet på grund av Carnot-gränsen (\ (\ delta t/t \)). Den utmärkta effektiviteten som demonstreras av dessa PST MLC: er motiverar emellertid Olsen när han nämner att ”en idealisk klass 20 regenerativ termoelektrisk motor som arbetar vid temperaturer mellan 50 ° C och 250 ° C kan ha en effektivitet på 30%” 17. För att nå dessa värden och testa konceptet skulle det vara användbart att använda dopade PST med olika TC: er, som studerats av Shebanov och Borman. De visade att TC i PST kan variera från 3 ° C (Sb -doping) till 33 ° C (Ti -doping) 22. Därför antar vi att nästa generations pyroelektriska regeneratorer baserade på dopade PST -MLC: er eller andra material med en stark första ordningsfasövergång kan konkurrera med de bästa kraftskördarna.
I denna studie undersökte vi MLC: er gjorda av PST. Dessa enheter består av en serie Pt- och PST -elektroder, varvid flera kondensatorer är anslutna parallellt. PST valdes eftersom det är ett utmärkt EC -material och därför ett potentiellt utmärkt NLP -material. Den uppvisar en skarp första ordning ferroelektrisk-parelektrisk fasövergång runt 20 ° C, vilket indikerar att dess entropiförändringar liknar de som visas i fig. 1. Liknande MLC har beskrivits fullt ut för EC13,14-enheter. I denna studie använde vi 10,4 × 7,2 × 1 mm³ och 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. MLC: er med en tjocklek av 1 mm och 0,5 mm gjordes av 19 och 9 lager PST med en tjocklek av 38,6 um. I båda fallen placerades det inre PST -skiktet mellan 2,05 um tjocka platinelektroder. Utformningen av dessa MLC: er antar att 55% av PST: erna är aktiva, motsvarande delen mellan elektroderna (kompletterande not 1). Det aktiva elektrodområdet var 48,7 mm2 (kompletterande tabell 5). MLC PST framställdes genom fast fasreaktion och gjutningsmetod. Detaljerna i beredningsprocessen har beskrivits i en tidigare artikel14. En av skillnaderna mellan PST MLC och föregående artikel är ordningen på B-SITES, som i hög grad påverkar EC: s prestanda i PST. Ordern på B-plats för PST MLC är 0,75 (kompletterande not 2) erhållen genom sintring vid 1400 ° C följt av hundratals timmar lång glödgning vid 1000 ° C. Mer information om PST MLC finns i kompletterande anteckningar 1-3 och kompletterande tabell 5.
Huvudkonceptet för denna studie är baserat på Olson -cykeln (fig. 1). För en sådan cykel behöver vi en varm och kall reservoar och en strömförsörjning som kan övervaka och kontrollera spänningen och strömmen i de olika MLC -modulerna. Dessa direkta cykler använde två olika konfigurationer, nämligen (1) Linkam -moduler uppvärmning och kylning en MLC ansluten till en Keithley 2410 kraftkälla, och (2) tre prototyper (Harv1, Harv2 och Harv3) parallellt med samma källenergi. I det senare fallet användes en dielektrisk vätska (silikonolja med en viskositet av 5 CP vid 25 ° C, köpt från Sigma Aldrich) för värmeväxling mellan de två reservoarerna (varmt och kallt) och MLC. Den termiska behållaren består av en glasbehållare fylld med dielektrisk vätska och placeras ovanpå den termiska plattan. Kylförvaring består av ett vattenbad med flytande rör som innehåller dielektrisk vätska i en stor plastbehållare fylld med vatten och is. Två trevägs nypventiler (köpta från Bio-Chem Fluidics) placerades i varje ände av skördetröskan för att ordentligt växla vätska från en reservoar till en annan (figur 2A). För att säkerställa termisk jämvikt mellan PST-MLC-paketet och kylvätskan förlängdes cykelperioden tills termoelementet för inlopp och utlopp (så nära PST-MLC-paketet) visade samma temperatur. Python -skriptet hanterar och synkroniserar alla instrument (källmätare, pumpar, ventiler och termoelement) för att köra rätt Olson -cykel, dvs. kylvätskeslingan börjar cykla genom PST -stacken efter att källmätaren laddas så att de värms upp vid den önskade applicerade voltage för given Olson -cykel.
Alternativt har vi bekräftat dessa direkta mätningar av insamlad energi med indirekta metoder. Dessa indirekta metoder är baserade på elektrisk förskjutning (d) - elektriskt fält (e) fältslingor som samlas in vid olika temperaturer, och genom att beräkna området mellan två de slingor kan man exakt uppskatta hur mycket energi som kan samlas in, som visas i figuren. I figur 2. .1b. Dessa de slingor samlas också med Keithley källmätare.
Tjugoåtta 1 mm tjocka PST-MLC monterades i en 4-radig, 7-kolumn parallellplattstruktur enligt den design som beskrivs i referensen. 14. Fluidgapet mellan PST-MLC-rader är 0,75 mm. Detta uppnås genom att lägga till remsor av dubbelsidig tejp som flytande distanser runt kanterna på PST MLC. PST MLC är elektriskt ansluten parallellt med en silver epoxybro i kontakt med elektrodledarna. Efter det limmades ledningar med silverepoxiharts på varje sida av elektrodterminalerna för anslutning till strömförsörjningen. Slutligen, sätt in hela strukturen i polyolefinslangen. Det senare är limmat på vätsketöret för att säkerställa korrekt tätning. Slutligen byggdes 0,25 mm tjocka termoelement av K-typ i varje ände av PST-MLC-strukturen för att övervaka inlopps- och utloppsvätsketemperaturerna. För att göra detta måste slangen först vara perforerad. När du har installerat termoelementet ska du applicera samma lim som tidigare mellan termoelementslangen och tråden för att återställa tätningen.
Åtta separata prototyper byggdes, varav fyra hade 40 0,5 mm tjocka MLC PST fördelade som parallella plattor med 5 kolumner och 8 rader, och de återstående fyra hade 15 1 mm tjocka MLC PST vardera. I 3-kolumn × 5-raders parallellplattstruktur. Det totala antalet PST MLC: er var 220 (160 0,5 mm tjockt och 60 PST MLC 1 mm tjockt). Vi kallar dessa två underenheter Harv2_160 och Harv2_60. Liquid Gap i prototypen harv2_160 består av två dubbelsidiga band 0,25 mm tjockt med en tråd 0,25 mm tjock mellan dem. För Harv2_60 -prototypen upprepade vi samma procedur, men med 0,38 mm tjock tråd. För symmetri har Harv2_160 och Harv2_60 sina egna vätskekretsar, pumpar, ventiler och kall sida (kompletterande not 8). Två Harv2 -enheter delar en värmebehållare, en 3 -liters behållare (30 cm x 20 cm x 5 cm) på två heta plattor med roterande magneter. Alla åtta enskilda prototyper är elektriskt anslutna parallellt. Harv2_160 och Harv2_60 -underenheterna arbetar samtidigt i Olson -cykeln vilket resulterar i en energiskörd av 11.2 J.
Placera 0,5 mm tjock PST MLC i polyolefinslang med dubbelsidig tejp och tråd på båda sidor för att skapa utrymme för vätska att flyta. På grund av dess lilla storlek placerades prototypen bredvid en varm eller kall reservoarventil, vilket minimerar cykeltider.
I PST MLC appliceras ett konstant elektriskt fält genom att applicera en konstant spänning på värmegrenen. Som ett resultat genereras en negativ termisk ström och energi lagras. Efter uppvärmning av PST MLC avlägsnas fältet (V = 0), och energin lagrad i den återförs till källdisken, vilket motsvarar ytterligare ett bidrag från den insamlade energin. Slutligen, med en spänning V = 0 applicerad, kyls MLC PST till sin initiala temperatur så att cykeln kan starta igen. I detta skede samlas energi inte. Vi körde Olsen -cykeln med hjälp av en Keithley 2410 -sourcemeter, laddade PST MLC från en spänningskälla och ställde in den aktuella matchningen till lämpligt värde så att tillräckligt med punkter samlades in under laddningsfasen för tillförlitliga energiberäkningar.
I Stirling -cykler laddades PST MLC: er i spänningskällläge vid ett initialt elektriskt fältvärde (initial spänning VI> 0), en önskad efterlevnadsström så att laddningssteget tar cirka 1 s (och tillräckligt med punkter samlas för en pålitlig beräkning av energin) och kalltemperaturen. I Stirling -cykler laddades PST MLC: er i spänningskällläge vid ett initialt elektriskt fältvärde (initial spänning VI> 0), en önskad efterlevnadsström så att laddningssteget tar cirka 1 s (och tillräckligt med punkter samlas för en pålitlig beräkning av energin) och kalltemperaturen. В циках ст с 1 ) достаточement количество точек д надежноvik расчета энерг) ихолоднаяемератуement. I Stirling PST MLC -cykler laddades de i spänningskällläget vid det initiala värdet på det elektriska fältet (initial spännings VI> 0), den önskade avkastningsströmmen, så att laddningssteget tar cirka 1 s (och ett tillräckligt antal punkter samlas in för en tillförlitlig energiberäkning) och kalltemperatur.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。 和低温。 和低温。 和低温。 和低温。 和低温。 和低温。 和低温。 和低温。 和低温。 和低温。 I huvudcykeln laddas PST MLC vid det initiala elektriska fältvärdet (initial spänning VI> 0) i spänningskällläget, så att den erforderliga efterlevnadsströmmen tar cirka 1 sekund för laddningssteget (och vi samlade tillräckligt med punkter för att pålitligt beräkna (energi) och låg temperatur. Вике стирлин skicka pst mlc заржается режиме источekvens напрния rikt напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количествekta точек, ччоы надежно рассчитать энергию) и низие темературы. I Stirling -cykeln laddas PST MLC i spänningskällläget med ett initialt värde på det elektriska fältet (initial spänning VI> 0) är den erforderliga efterlevnadsströmmen sådan att laddningssteget tar cirka 1 s (och ett tillräckligt antal punkter samlas in för att pålitligt beräkna energin) och låg temperatur.Innan PST MLC värms upp, öppna kretsen genom att applicera en matchande ström på i = 0 mA (den minsta matchningsström som vår mätkälla kan hantera är 10 NA). Som ett resultat förblir en laddning i PST på MJK, och spänningen ökar när provet värms upp. Ingen energi samlas in i arm BC eftersom i = 0 ma. Efter att ha nått en hög temperatur ökar spänningen i MLT FT (i vissa fall mer än 30 gånger, se ytterligare Fig. 7.2), MLK FT släpps ut (V = 0), och elektrisk energi lagras i dem för samma som de är den initiala laddningen. Samma nuvarande korrespondens återförs till mätarkällan. På grund av spänningsförstärkning är den lagrade energin vid hög temperatur högre än vad som tillhandahölls i början av cykeln. Följaktligen erhålls energi genom att omvandla värme till el.
Vi använde en Keithley 2410 Sourcemeter för att övervaka spänningen och strömmen som applicerades på PST MLC. The corresponding energy is calculated by integrating the product of voltage and current read by Keithley's source meter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), where τ är periodens period. På vår energikurva innebär positiva energivärden den energi vi måste ge till MLC PST, och negativa värden innebär den energi vi extraherar från dem och därför den erhållna energin. Den relativa kraften för en given insamlingscykel bestäms genom att dela den insamlade energin med perioden τ för hela cykeln.
All data presenteras i huvudtexten eller i ytterligare information. Bokstäver och förfrågningar om material bör riktas till källan till AT- eller ED -data som tillhandahålls med denna artikel.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC En översyn av utvecklingen och tillämpningarna av termoelektriska mikrogeneratorer för energiavverkning. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC En översyn av utvecklingen och tillämpningarna av termoelektriska mikrogeneratorer för energiavverkning.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo och Henao, NC Översikt över utvecklingen och tillämpningen av termoelektriska mikrogeneratorer för energikörning. 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 och Henao, NC överväger utveckling och tillämpning av termoelektriska mikrogeneratorer för energikörning.resume. stöd. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Photovoltaic Materials: nuvarande effektivitet och framtida utmaningar. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Photovoltaic Materials: nuvarande effektivitet och framtida utmaningar.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. och Sinke, VK Photovoltaic Materials: Aktuella prestanda och framtida utmaningar. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料 ： 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Solar Materials: Aktuell effektivitet och framtida utmaningar.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. och Sinke, VK Photovoltaic Materials: Aktuella prestanda och framtida utmaningar.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkterad pyro-piezoelektrisk effekt för självdriven samtidig temperatur och tryckavkänning. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkt Pyro-Piezoelectric Effect för självdriven samtidig temperatur och tryckavkänning.Song K., Zhao R., Wang Zl och Yan Yu. Kombinerad pyropiezoelektrisk effekt för autonom samtidig mätning av temperatur och tryck. 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. För självdrivande samtidigt som temperatur och tryck.Song K., Zhao R., Wang Zl och Yan Yu. Kombinerad termopiezoelektrisk effekt för autonom samtidig mätning av temperatur och tryck.Fram. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energi skörd baserad på Ericsson pyroelektriska cykler i en relaxor ferroelektrisk keramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energi skörd baserad på Ericsson pyroelektriska cykler i en relaxor ferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. och Guyomar D. Energi skörd baserad på pyroelektriska Ericsson -cykler i relaxor ferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. och Guyomar D. Energi skörd i relaxor ferroelektrisk keramik baserad på Ericsson pyroelektrisk cykling. Smart Alma Mater. strukturera. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW nästa generations elektrokaloriska och pyroelektriska material för fast tillstånd elektrotermisk energikonvertering. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW nästa generations elektrokaloriska och pyroelektriska material för fast tillstånd elektrotermisk energikonvertering. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эектрокалорические и пирэекекесияие 1 Взаимноvik преобразования твердотелementй эектротермической энерери kvinnon. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW nästa generations elektrokaloriska och pyroelektriska material för fast tillstånd elektrotermisk energinterkonvertering. 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材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эектрокалорические и пирэекекесияие 1 Взаимноvik преобразования твердотелementй эектротермической энерери kvinnon. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW nästa generations elektrokaloriska och pyroelektriska material för fast tillstånd elektrotermisk energinterkonvertering.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard och siffror för att kvantifiera prestanda för pyroelektriska nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard och siffror för att kvantifiera prestanda för pyroelektriska nanogeneratorer.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL och Yang, Yu. En standard- och kvalitetsresultat för att kvantifiera prestanda för pyroelektriska nanogeneratorer. 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 och Yang, Yu. Kriterier och prestandamätningar för att kvantifiera prestandan för en pyroelektrisk nanogenerator.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND elektrokaloriska kylcykler i blyskandiumtantalat med verklig regenerering via fältvariation. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND elektrokaloriska kylcykler i blyskandiumtantalat med verklig regenerering via fältvariation.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. och Mathur, ND elektrokaloriska kylningscykler i blygandium-tantalat med verklig regenerering med hjälp av fältmodifiering. 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. Tantal 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. och Mathur, och en elektrotermisk kylcykel av skandiumledande tantalat för verklig regenerering genom fältomvändning.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorimaterial nära ferroiska fasövergångar. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorimaterial nära ferroiska fasövergångar.Moya, X., Kar-Narayan, S. och Mathur, och kalorimaterial nära Ferroid-fasövergångar. 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 termiska material nära järnmetallurgi.Moya, X., Kar-Narayan, S. och Mathur, ND termiska material nära järnfasövergångar.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, och kalorimaterial för kylning och uppvärmning. Moya, X. & Mathur, och kalorimaterial för kylning och uppvärmning.Moya, X. och Mathur, ND termiska material för kylning och uppvärmning. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND termiska material för kylning och uppvärmning.Moya X. och Mathur och termiska material för kylning och uppvärmning.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokaloriska kylare: En recension. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokaloriska kylare: En recension.Torello, A. och Defay, E. Elektrokaloriska kylare: En recension. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。Torello, A. och Defay, E. Elektrotermiska kylare: En recension.Avancerad. elektronisk. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorm energieffektivitet för elektrokaloriskt material i mycket ordnade skandium-scandium-ledningar. Nationell kommunikation. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Den elektrotermiska effekten av oxidmultilagers kondensatorer är stor över ett brett temperaturområde. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enormt temperaturområde i elektrotermiska regeneratorer. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Högpresterande fast tillstånd elektrotermiskt kylsystem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadelektrotermisk kylanordning för stor temperaturökning. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High EfficieIncy DIRECT-omvandling av värme till elektriska energirelaterade pyroelektriska mätningar. Olsen, RB & Brown, DD Hög effektivitet Direkt omvandling av värme till elektriska energirelaterade pyroelektriska mätningar.Olsen, RB och Brown, DD mycket effektiv direkt omvandling av värme till elektrisk energi associerad med pyroelektriska mätningar. 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 och Brown, DD Effektiv direkt omvandling av värme till elektricitet associerad med pyroelektriska mätningar.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi och krafttäthet i tunna relaxor ferroelektriska filmer. National Alma Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM kaskad pyroelektrisk omvandling: optimera den ferroelektriska fasövergången och elektriska förluster. Smith, An & Hanrahan, BM kaskad pyroelektrisk omvandling: optimera den ferroelektriska fasövergången och elektriska förluster.Smith, An och Hanrahan, BM kaskad pyroelektrisk omvandling: ferroelektrisk fasövergång och optimering av elektrisk förlust. 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 och Hanrahan, BM kaskad pyroelektrisk omvandling: optimering av ferroelektriska fasövergångar och elektriska förluster.J. Applikation. fysik. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Användning av ferroelektriska material för att omvandla termisk energi till el. behandla. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Energy Converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM och 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 och Dullea, J. Cascaded pyroelektriska kraftomvandlare.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. På bly-scandium tantalat fasta lösningar med hög elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. På bly-scandium tantalat fasta lösningar med hög elektrokalorisk effekt.Shebanov L. och Borman K. på fasta lösningar av blygandiumtantalat med en hög elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. och Borman K. på skandium-ledande-scandium fasta lösningar med en hög elektrokalorisk effekt.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Vi tackar N. Furusawa, Y. Inoue och K. Honda för deras hjälp med att skapa MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB och ED Tack till Luxemburg National Research Foundation (FNR) för att ha stött detta arbete genom kamelheat C17/MS/11703691/DEFAY, MASSENA PRIDE/15/10935404/DEFAY- SIEBENTRITT, THERMATIMAT C20/MS/147111111111111 Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY.
Institutionen för materialforskning och teknik, Luxemburg Institute of Technology (lista), Belvoir, Luxemburg