Att erbjuda hållbara elkällor är en av det här seklets viktigaste utmaningar. Forskningsområden inom energiskördsmaterial härrör från denna motivation, inklusive termoelektrisk1, solcells2 och termofotovoltaik3. Även om vi saknar material och enheter som kan skörda energi i Joule-området, anses pyroelektriska material som kan omvandla elektrisk energi till periodiska temperaturförändringar som sensorer4 och energiskördare5,6,7. Här har vi utvecklat en makroskopisk värmeenergiskördare i form av en flerskiktskondensator gjord av 42 gram blyskandiumtantalat, som 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 inbyggda mikrokontroller och temperatursensorer. Slutligen visar vi att för ett temperaturområde 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 genombrottsspänning. Dessa makroskopiska, skalbara och effektiva pyroelektriska kraftskördare ombildar termoelektrisk kraftgenerering.
Jämfört med den rumsliga temperaturgradienten som krävs för termoelektriska material, kräver energiskörd av termoelektriska material temperaturcykler över tiden. Detta innebär en termodynamisk cykel, som bäst beskrivs av entropi (S)-temperatur (T) diagrammet. Figur la visar en typisk ST-plot av ett icke-linjärt pyroelektriskt (NLP) material som visar en fältdriven ferroelektrisk-paraelektrisk fasövergång i skandiumblytantalat (PST). De blå och gröna sektionerna av cykeln på ST-diagrammet motsvarar den omvandlade elektriska energin i Olson-cykeln (två isotermiska och två isopolsektioner). Här betraktar 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 fasövergångsområdet och har således en mycket mindre yta än den blå cykeln i fasövergångsområdet. I ST-diagrammet gäller att ju större yta desto större är den insamlade energin. Därför måste fasövergången samla mer energi. Behovet av cykling med stora ytor i NLP är mycket likt behovet av elektrotermiska applikationer9, 10, 11, 12 där PST flerskiktskondensatorer (MLC) och PVDF-baserade terpolymerer nyligen har visat utmärkta omvända prestanda. kylprestandastatus i cykel 13,14,15,16. Därför har vi identifierat PST MLCs av intresse för termisk energiskörd. Dessa prover har beskrivits fullständigt i metoderna och karakteriserats i kompletterande noter 1 (svepelektronmikroskopi), 2 (röntgendiffraktion) och 3 (kalorimetri).
a, Skiss av en entropi (S)-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 sker inom respektive utanför fasövergången och slutar i mycket olika områden av ytan. b, två DE PST MLC unipolära ringar, 1 mm tjocka, mätta mellan 0 och 155 kV cm-1 vid 20 °C respektive 90 °C, och motsvarande Olsen-cykler. Bokstäverna ABCD refererar till olika tillstånd i Olson-cykeln. AB: MLC 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 urladdas vid 90°C. DA: MLC kyld till 20°C i nollfält. Det blå området motsvarar den ineffekt 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) mot tid, spårade under samma Olson-cykel som b. De två skären representerar förstärkningen av spänning och ström vid nyckelpunkter i cykeln. I den nedre panelen representerar de gula och gröna kurvorna motsvarande temperatur- respektive energikurvor för en 1 mm tjock MLC. Energi beräknas från ström- och spänningskurvorna på den övre panelen. Negativ energi motsvarar den insamlade energin. Stegen som motsvarar de stora bokstäverna i de fyra figurerna är desamma som i Olson-cykeln. Cykeln AB'CD motsvarar Stirling-cykeln (ytterligare not 7).
där E och D är det elektriska fältet respektive det elektriska förskjutningsfältet. Nd kan erhållas indirekt från DE-kretsen (Fig. Ib) eller direkt genom att starta en termodynamisk cykel. De mest användbara metoderna beskrev Olsen i hans banbrytande arbete med att samla pyroelektrisk energi på 1980-talet17.
På fig. Ib visar två monopolära DE-slingor av 1 mm tjocka PST-MLC-prover sammansatta vid 20 °C respektive 90 °C över ett område av 0 till 155 kV cm-1 (600 V). Dessa två cykler kan användas för att indirekt beräkna energin som samlas in av Olson-cykeln som visas i figur 1a. Faktum är att Olsen-cykeln består av två isofältgrenar (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 samlas in under cykeln motsvarar de orangea och blå områdena (EdD-integral). Den uppsamlade energin Nd är skillnaden mellan ingående och utgående energi, dvs endast det orangea området i fig. 1b. Denna speciella Olson-cykel ger en Nd-energitäthet på 1,78 J cm-3. Stirling-cykeln är ett alternativ till Olson-cykeln (kompletterande anmärkning 7). Eftersom det konstanta laddningssteget (öppen krets) lättare nås, når energitätheten extraherad från fig. Ib (cykel AB'CD) 1,25 J cm-3. Detta är bara 70 % av vad Olson-cykeln kan samla in, men enkel skördeutrustning gör det.
Dessutom mätte vi direkt energin som samlades 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 infällningar visar strömmen (röd) och spänningen (svart) som samlats på samma 1 mm tjocka PST MLC som för DE-slingan som går igenom samma Olson-cykel. Strömmen och spänningen gör det möjligt att beräkna den insamlade 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 med låg ström (200 µA), så SourceMeter kan kontrollera laddningen korrekt. Konsekvensen av denna konstanta initiala ström är att spänningskurvan (svart kurva) inte är linjär på grund av det icke-linjära potentialförskjutningsfältet D PST (Fig. 1c, övre insättning). Vid slutet av laddningen lagras 30 mJ elektrisk energi i MLC (punkt B). MLC:n värms sedan upp och en negativ ström (och därför en negativ ström) produceras medan spänningen ligger kvar på 600 V. Efter 40 s, när temperaturen nådde en platå på 90 °C, kompenserades denna ström, även om stegprovet producerade i kretsen en elektrisk effekt på 35 mJ under detta isofält (andra insättningen i fig. 1c, överst). Spänningen på MLC (branch CD) reduceras då, vilket resulterar i ytterligare 60 mJ elarbete. Den totala uteffekten är 95 mJ. Den insamlade energin är skillnaden mellan ingående och utgående energi, vilket ger 95 – 30 = 65 mJ. Detta motsvarar en energitäthet på 1,84 J cm-3, vilket är mycket nära Nd som extraheras från DE-ringen. Reproducerbarheten av denna Olson-cykel har testats omfattande (kompletterande anmärkning 4). Genom att ytterligare öka spänningen och temperaturen uppnådde vi 4,43 J cm-3 med Olsen-cykler i en 0,5 mm tjock PST MLC över ett temperaturområde på 750 V (195 kV cm-1) och 175 ° C (Kompletterande anmärkning 5). Detta är fyra gånger högre än den bästa prestanda 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 .Supplementary Tabell 1 för fler värden i litteraturen). Denna prestanda har uppnåtts på grund av den mycket låga läckströmmen hos dessa MLC:er (<10−7 A vid 750 V och 180 °C, se detaljer i tilläggsanmärkning 6) – en avgörande punkt som nämns av Smith et al.19 – i kontrast till de material som använts i tidigare studier17,20. Denna prestanda har uppnåtts på grund av den mycket låga läckströmmen hos dessa MLC:er (<10−7 A vid 750 V och 180 °C, se detaljer i tilläggsanmärkning 6) – en avgörande punkt som nämns av Smith et al.19 – i kontrast till de material som använts i tidigare studier17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 апри 750 В °C ± 180 В олнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Dessa egenskaper uppnåddes på grund av den mycket låga läckströmmen hos dessa MLC:er (<10–7 A vid 750 V och 180 °C, se tilläggsanmärkning 6 för detaljer) – en kritisk punkt som nämns av Smith et al. 19 – i motsats till material som använts 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，请参见补充似歡充似武说瘎6丯瘎等人19 提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 °C 时 <10-7 A ， 参槁 䡥兎 详 6 说）））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 且之下下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下觧比之下缰康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 och 180 °C, см. подробности в дополнитель дополнитель дополнитель) момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Eftersom läckströmmen för dessa MLC:er är mycket låg (<10–7 A vid 750 V och 180 °C, se tilläggsanmärkning 6 för detaljer) – en nyckelpunkt som nämns av Smith et al. 19 – som jämförelse uppnåddes dessa prestationer.till material som använts i tidigare studier 17,20.
Samma förhållanden (600 V, 20–90 °C) gällde för Stirlingcykeln (kompletterande anmärkning 7). Som förväntat från resultaten av 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 initialspänning på 15 V till en slutspänning på upp till 590 V, se tilläggsbild 7.2).
En annan utmärkande egenskap hos dessa MLC:er är att de är makroskopiska objekt som är tillräckligt stora för att samla energi inom jouleområdet. Därför konstruerade vi en prototypskördare (HARV1) med användning av 28 MLC PST 1 mm tjock, enligt samma parallella plattkonstruktion som beskrivs av Torello et al.14, i en 7×4 matris som visas i Fig. Den värmebärande dielektriska vätskan i grenröret förskjuts av en peristaltisk pump mellan två reservoarer där vätsketemperaturen hålls konstant (metod). Samla upp till 3,1 J med Olson-cykeln som beskrivs i fig. 2a, isotermiska områden vid 10°C och 125°C och isofältområden vid O och 750 V (195 kV cm-1). Detta motsvarar en energitäthet på 3,14 J cm-3. Med användning av denna skördetröska togs mätningar under olika förhållanden (fig. 2b). Observera att 1,8 J erhölls över ett temperaturområde på 80 °C och en spänning på 600 V (155 kV cm-1). Detta stämmer väl överens med de tidigare nämnda 65 mJ för 1 mm tjock PST MLC under samma förhållanden (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Experimentell uppställning av en monterad HARV1-prototyp baserad på 28 MLC PSTs 1 mm tjocka (4 rader × 7 kolumner) som körs på Olson-cykler. För vart och ett av de fyra cykelstegen anges temperatur och spänning i prototypen. Datorn driver en peristaltisk pump som cirkulerar en dielektrisk vätska mellan de kalla och varma reservoarerna, två ventiler och en strömkälla. Datorn använder också termoelement för att samla in data om spänningen och strömmen som tillförs prototypen och temperaturen på skördetröskan från strömförsörjningen. b, Energi (färg) insamlad 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 anmärkning 8). 1984 tillverkade Olsen en energiskördare baserad på 317 g av en tenndopad Pb(Zr,Ti)O3-förening som kan generera 6,23 J elektricitet vid en temperatur på cirka 150 °C (ref. 21). För denna skördetröska är detta det enda andra värdet som finns i joule-intervallet. Det fick drygt halva värdet vi uppnådde och nästan sju gånger kvaliteten. Det betyder 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 skördetröska (HARV3) med en 0,5 mm tjock PST MLC och liknande inställning till HARV1 och HARV2 (tilläggsanmärkning 9). Vi mätte en termaliseringstid på 12,5 sekunder. Detta motsvarar en cykeltid på 25 s (tilläggsbild 9). Den insamlade energin (47 mJ) ger en elektrisk effekt på 1,95 mW per MLC, vilket i sin tur gör att vi kan föreställa oss att HARV2 producerar 0,55 W (ungefär 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm tjock). Dessutom simulerade vi värmeöverföring med Finite Element Simulation (COMSOL, kompletterande anmärkning 10 och kompletterande tabeller 2–4) motsvarande HARV1-experimenten. Finita element-modellering gjorde det möjligt att förutsäga effektvärden nästan en storleksordning högre (430 mW) för samma antal PST-kolonner genom att tunna ut MLC till 0,2 mm, använda vatten som kylmedel och återställa matrisen till 7 rader . × 4 kolumner (utöver , fanns det 960 mW när tanken stod bredvid skördetröskan, tilläggsbild 10b).
För att demonstrera användbarheten av denna kollektor applicerades en Stirling-cykel på en fristående demonstrator bestående av endast två 0,5 mm tjocka PST MLC som värmeavtagare, en högspänningsomkopplare, en lågspänningsomkopplare med lagringskondensator, en DC/DC-omvandlare , en mikrokontroller med låg effekt, två termoelement och boost-omvandlare (tilläggsanmärkning 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 tilläggsanmärkning 11) . Anmärkningsvärt nog kan två MLC:er som bara väger 0,3 g autonomt styra detta stora system. En annan intressant egenskap är att lågspänningsomvandlaren kan omvandla 400V till 10-15V med 79 % verkningsgrad (kompletterande anmärkning 11 och tilläggsbild 11.3).
Slutligen utvärderade vi effektiviteten hos dessa MLC-moduler vid omvandling av termisk energi till elektrisk energi. Kvalitetsfaktorn η för effektivitet definieras som förhållandet mellan densiteten för den uppsamlade elektriska energin Nd och densiteten för den tillförda värmen Qin (kompletterande anmärkning 12):
Figurerna 3a,b visar verkningsgraden η respektive proportionell effektivitet ηr för Olsen-cykeln, som en funktion av temperaturområdet för en 0,5 mm tjock PST MLC. Båda datamängderna ges för ett elektriskt fält på 195 kV cm-1. Verkningsgraden \(\this\) når 1,43%, vilket motsvarar 18% av ηr. Men för ett temperaturområde på 10 K från 25 °C till 35 °C når ηr värden upp till 40 % (blå kurva i fig. 3b). Detta är två gånger det kända värdet för NLP-material registrerade i PMN-PT-filmer (ηr = 19%) i temperaturområdet 10 K och 300 kV cm-1 (Ref. 18). Temperaturområden under 10 K beaktades inte eftersom den termiska hysteresen för PST MLC är mellan 5 och 8 K. Att känna igen den positiva effekten av fasövergångar på effektiviteten är kritisk. Faktum är att de optimala värdena för η och ηr erhålls 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 runt 20 °C i dessa MLC:er (kompletterande anmärkning 13).
a,b, effektiviteten η och den proportionella verkningsgraden för Olson-cykeln (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } för maximal elektrisk med ett fält på 195 kV cm-1 och olika initiala temperaturer Ti, }}\,\)(b) för MPC PST 0,5 mm tjock, beroende på temperaturintervallet ΔTspan.
Den senare observationen har två viktiga implikationer: (1) varje effektiv cykling måste börja vid temperaturer över TC för att en fältinducerad fasövergång (från paraelektrisk till ferroelektrisk) ska inträffa; (2) dessa material är mer effektiva vid körtider nära TC. Även om storskaliga verkningsgrader visas i våra experiment, tillåter det begränsade temperaturintervallet oss inte att uppnå stora absoluta verkningsgrader på grund av Carnot-gränsen (\(\Delta T/T\)). Den utmärkta verkningsgraden som dessa PST MLC visar motiverar dock 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 verkningsgrad på 30 %"17. För att nå dessa värden och testa konceptet skulle det vara användbart att använda dopade PST:er med olika TC:er, som studerats av Shebanov och Borman. De visade att TC i PST kan variera från 3°C (Sb-dopning) till 33°C (Ti-dopning) 22 . Därför antar vi att nästa generations pyroelektriska regeneratorer baserade på dopade PST MLC eller andra material med en stark första ordningens fasövergång kan konkurrera med de bästa kraftskördarna.
I denna studie undersökte vi MLC tillverkade av PST. Dessa enheter består av en serie Pt- och PST-elektroder, varvid flera kondensatorer är parallellkopplade. PST valdes eftersom det är ett utmärkt EC-material och därför ett potentiellt utmärkt NLP-material. Den uppvisar en skarp första ordningens ferroelektrisk-paraelektrisk fasövergång runt 20 °C, vilket indikerar att dess entropiförändringar liknar de som visas i Fig. 1. Liknande MLC:er har beskrivits fullständigt 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 med en tjocklek på 1 mm och 0,5 mm tillverkades av 19 respektive 9 lager av PST med en tjocklek av 38,6 µm. I båda fallen placerades det inre PST-skiktet mellan 2,05 µm tjocka platinaelektroder. Utformningen av dessa MLC:er förutsätter att 55 % av PST:erna är aktiva, vilket motsvarar delen mellan elektroderna (kompletterande anmärkning 1). Den aktiva elektrodarean var 48,7 mm2 (kompletterande tabell 5). MLC PST framställdes genom fastfasreaktion och gjutningsmetod. Detaljerna i förberedelseprocessen har beskrivits i en tidigare artikel14. En av skillnaderna mellan PST MLC och den tidigare artikeln är ordningen på B-platser, vilket i hög grad påverkar prestandan för EC i PST. Ordningen för B-ställen för PST MLC är 0,75 (kompletterande anmärkning 2) erhållen genom sintring vid 1400°C följt av hundratals timmar lång glödgning vid 1000°C. För mer information om PST MLC, se kompletterande anmärkningar 1-3 och tilläggstabell 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 direktcykler använde två olika konfigurationer, nämligen (1) Linkam-moduler som värmer och kyler en MLC ansluten till en Keithley 2410-strömkälla, och (2) tre prototyper (HARV1, HARV2 och HARV3) parallellt med samma energikälla. 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 (varm och kall) och MLC. Den termiska behållaren består av en glasbehållare fylld med dielektrisk vätska och placerad ovanpå värmeplattan. Kylförvaring består av ett vattenbad med vätskerör innehållande dielektrisk vätska i en stor plastbehållare fylld med vatten och is. Två trevägs klämventiler (köpta från Bio-Chem Fluidics) placerades i vardera änden av skördetröskan för att korrekt byta vätska från en reservoar till en annan (Figur 2a). För att säkerställa termisk jämvikt mellan PST-MLC-paketet och kylvätskan förlängdes cykelperioden tills inlopps- och utloppstermoelementen (så nära PST-MLC-paketet som möjligt) 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 har laddats så att de värms upp till önskat pålagd spänning 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) – elektriska fält (E) fältslingor samlade vid olika temperaturer, och genom att beräkna arean mellan två DE-slingor kan man noggrant uppskatta hur mycket energi som kan samlas in, som visas i figuren . i figur 2. .1b. Dessa DE-slingor samlas också in med Keithley källmätare.
Tjugoåtta 1 mm tjocka PST MLC:er monterades i en 4-rads, 7-kolonn parallell plattstruktur enligt den design som beskrivs i referensen. 14. Vätskegapet mellan PST-MLC-raderna är 0,75 mm. Detta uppnås genom att lägga till remsor av dubbelsidig tejp som vätskedistanser runt kanterna på PST MLC. PST MLC är elektriskt parallellkopplad med en silverepoxibrygga i kontakt med elektrodledarna. Därefter limmades ledningar med silverepoxiharts på varje sida av elektrodterminalerna för anslutning till strömförsörjningen. Sätt slutligen in hela strukturen i polyolefinslangen. Den senare är limmad på vätskeslangen för att säkerställa korrekt tätning. Slutligen byggdes 0,25 mm tjocka termoelement av K-typ in i varje ände av PST-MLC-strukturen för att övervaka inlopps- och utloppsvätsketemperaturerna. För att göra detta måste slangen först perforeras. Efter installation av termoelementet, 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:er fördelade som parallella plattor med 5 kolumner och 8 rader, och de återstående fyra hade 15 1 mm tjocka MLC PST:er vardera. i 3-kolonn × 5-rads parallell plattstruktur. Det totala antalet använda PST MLC var 220 (160 0,5 mm tjocka och 60 PST MLC 1 mm tjocka). Vi kallar dessa två underenheter HARV2_160 och HARV2_60. Vätskegapet i prototypen HARV2_160 består av två dubbelsidiga tejper 0,25 mm tjocka med en 0,25 mm tjock tråd 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 kalla sida (kompletterande anmärkning 8). Två HARV2-enheter delar en värmebehållare, en 3 liters behållare (30 cm x 20 cm x 5 cm) på två värmeplattor med roterande magneter. Alla åtta individuella prototyper är elektriskt parallellkopplade. Underenheterna HARV2_160 och HARV2_60 arbetar samtidigt i Olson-cykeln, vilket resulterar i en energiskörd på 11,2 J.
Placera 0,5 mm tjock PST MLC i polyolefinslangen med dubbelhäftande tejp och tråd på båda sidor för att skapa utrymme för vätska att flöda. På grund av sin lilla storlek placerades prototypen bredvid en varm eller kall reservoarventil, vilket minimerar cykeltiderna.
I PST MLC appliceras ett konstant elektriskt fält genom att en konstant spänning appliceras på värmegrenen. Som ett resultat genereras en negativ termisk ström och energi lagras. Efter uppvärmning av PST MLC tas fältet bort (V = 0), och energin som lagras i det återförs tillbaka till källräknaren, vilket motsvarar ytterligare ett bidrag av den insamlade energin. Slutligen, med en spänning V = 0 pålagd, kyls MLC PST:erna till sin initiala temperatur så att cykeln kan starta igen. I detta skede samlas inte energi. Vi körde Olsen-cykeln med en Keithley 2410 SourceMeter, laddade PST MLC från en spänningskälla och ställde in strömmatchningen till lämpligt värde så att tillräckligt med poäng samlades in under laddningsfasen för tillförlitliga energiberäkningar.
I Stirling-cykler laddades PST MLC:er i spänningskällläge med ett initialt elektriskt fältvärde (initialspänning Vi > 0), en önskad överensstämmelseström så att laddningssteget tar cirka 1 s (och tillräckligt många punkter samlas in för en tillförlitlig beräkning av energin) och kall temperatur. I Stirling-cykler laddades PST MLC:er i spänningskällläge med ett initialt elektriskt fältvärde (initialspänning Vi > 0), en önskad överensstämmelseström så att laddningssteget tar cirka 1 s (och tillräckligt många punkter samlas in för en tillförlitlig beräkning av energin) och kall temperatur. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электриче > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (och набирается достаточное колич та энергия) och холодная температура. I Stirling PST MLC-cyklerna laddades de i spänningskällan med det elektriska fältets initiala värde (initialspänning Vi > 0), den önskade flytströmmen, så att laddningssteget tar cirka 1 s (och ett tillräckligt antal poäng samlas in för en tillförlitlig energiberäkning) och kall temperatur.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压顔锔压兌暁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. I mastercykeln laddas PST MLC med det initiala elektriska fältvärdet (initialspänning Vi > 0) i spänningskällläget, så att den erforderliga överensstämmelseströmmen tar cirka 1 sekund för laddningssteget (och vi samlade tillräckligt många poäng för att tillförlitligt beräkna (energi) och låg temperatur. В цике стирлин skicka pst mlc заржается режиме источника напрне ение vi> 0), тalis тоы надежно расчитать энергию) и низие темературы . I Stirling-cykeln laddas PST MLC i spänningskällan med ett initialvärde av det elektriska fältet (initialspänning Vi > 0), den erforderliga överensstämmelseströmmen är sådan att laddningssteget tar cirka 1 s (och ett tillräckligt antal poäng samlas in för att tillförlitligt beräkna energin) och låga temperaturer .Innan PST MLC värms upp, öppna kretsen genom att applicera en matchningsström på I = 0 mA (den minsta matchningsström som vår mätkälla kan hantera är 10 nA). Som ett resultat kvarstår en laddning i PST av MJK, och spänningen ökar när provet värms upp. Ingen energi samlas 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 urladdas (V = 0), och elektrisk energi lagras i dem för samma eftersom de är den ursprungliga avgiften. Samma aktuella korrespondens returneras till mätarkällan. På grund av spänningsförstärkningen 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. Motsvarande energi beräknas genom att integrera produkten av spänning och ström avläst av Keithleys källmätare, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {mått))}\ vänster(t\ höger){V}_{{\rm{mått}}}(t)\), där τ är perioden för perioden. På vår energikurva betyder positiva energivärden den energi vi har att ge till MLC PST, och negativa värden betyder energin vi extraherar från dem och därmed den energi vi får. Den relativa effekten för en given insamlingscykel bestäms genom att dividera den insamlade energin med perioden τ för hela cykeln.
Alla data presenteras i huvudtexten eller i ytterligare information. Brev och förfrågningar om material ska riktas till källan för 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 energiskörd. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC En översyn av utvecklingen och tillämpningarna av termoelektriska mikrogeneratorer för energiskörd.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO och Henao, NC Översikt över utveckling och tillämpning av termoelektriska mikrogeneratorer för energiskörd. 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 energiskörd.resume. stöd. Energi Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaiska material: nuvarande effektivitet och framtida utmaningar. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaiska material: nuvarande effektivitet och framtida utmaningar.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. och Sinke, VK Fotovoltaiska material: nuvarande 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 Solmaterial: nuvarande effektivitet och framtida utmaningar.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. och Sinke, VK Fotovoltaiska material: nuvarande prestanda och framtida utmaningar.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkt pyro-piezoelektrisk effekt för självdriven samtidig temperatur- och tryckavkänning. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkt pyro-piezoelektrisk effekt 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 självförsörjning 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. Energiskörd baserad på Ericssons pyroelektriska cykler i en relaxor ferroelektrisk keramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energiskörd baserad på Ericssons pyroelektriska cykler i en relaxor ferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. och Guyomar D. Energiskörd baserad på pyroelektriska Ericsson-cykler i relaxor ferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. och Guyomar D. Energiskörd i relaxor ferroelektrisk keramik baserad på Ericssons pyroelektriska 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 omvandling av elektrotermisk energi i fast tillstånd. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Nästa generations elektrokaloriska och pyroelektriska material för omvandling av elektrotermisk energi i fast tillstånd. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Nästa generations elektrokaloriska och pyroelektriska material för omvandling av elektrotermisk energi i fast tillstånd. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW . Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW ования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Nästa generations elektrokaloriska och pyroelektriska material för omvandling av elektrotermisk energi i fast tillstånd.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard och meritvärde för att kvantifiera prestanda hos pyroelektriska nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard och meritvärde för att kvantifiera prestanda hos pyroelektriska nanogeneratorer.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL och Yang, Yu. Ett standard- och kvalitetspoäng för att kvantifiera prestandan hos 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 prestandamått för att kvantifiera prestandan hos en pyroelektrisk nanogenerator.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriska kylcykler i blyskandiumtantalat med sann regenerering via fältvariation. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriska kylcykler i blyskandiumtantalat med sann regenerering via fältvariation.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. och Mathur, ND Elektrokaloriska kylcykler i bly-skandiumtantalat med sann regenerering med hjälp av fältmodifiering. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. 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, ND En elektrotermisk kylcykel av skandium-blytantalat för verklig regenerering genom fältomkastning.fysik Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriska material nära ferroiska fasövergångar. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kaloriska material nära ferroiska fasövergångar.Moya, X., Kar-Narayan, S. och Mathur, ND Kaloriska material nära ferroida 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, ND Kaloriska material för kylning och uppvärmning. Moya, X. & Mathur, ND Kaloriska material 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 ND 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. Electrocaloric chillers: a review. 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 av elektrokaloriskt material i högordnat scandium-scandium-bly. Nationellt kommunicera. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Den elektrotermiska effekten av oxidflerlagerkondensatorer är stor över ett brett temperaturområde. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Stort temperaturområde i elektrotermiska regeneratorer. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Högpresterande solid state elektrotermiskt kylsystem. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskad elektrotermisk kylanordning för stor temperaturökning. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Högeffektiv direkt omvandling av värme till elektrisk energirelaterade pyroelektriska mätningar. Olsen, RB & Brown, DD Högeffektiv direkt omvandling av värme till elenergirelaterade pyroelektriska mätningar.Olsen, RB och Brown, DD Mycket effektiv direkt omvandling av värme till elektrisk energi i samband 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 i samband med pyroelektriska mätningar.Ferroelectrics 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi- och effekttäthet i tunna ferroelektriska avslappningsfilmer. Nationell alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadad pyroelektrisk omvandling: optimering av den ferroelektriska fasövergången och elektriska förluster. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadad pyroelektrisk omvandling: optimering av den ferroelektriska fasövergången och elektriska förluster.Smith, AN och Hanrahan, BM Kaskadad pyroelektrisk omvandling: ferroelektrisk fasövergång och optimering av elektriska förluster. 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 Kaskadad pyroelektrisk omvandling: optimering av ferroelektriska fasövergångar och elektriska förluster.J. Ansökan. fysik. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Användningen av ferroelektriska material för att omvandla termisk energi till elektricitet. behandla. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadad pyroelektrisk energiomvandlare. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadad pyroelektrisk energiomvandlare.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. Kaskadkopplade pyroelektriska kraftomvandlare.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-skandium tantalat fasta lösningar med hög elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-skandium tantalat fasta lösningar med hög elektrokalorisk effekt.Shebanov L. och Borman K. Om fasta lösningar av bly-skandiumtantalat med 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. Om skandium-bly-skandium fasta lösningar med 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 Luxembourg National Research Foundation (FNR) för stöd till detta arbete genom CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay och BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Institutionen för materialforskning och -teknik, Luxembourg Institute of Technology (LIST), Belvoir, Luxemburg