Att erbjuda hållbara elkällor är en av detta århundrades viktigaste utmaningar. Forskningsområden inom energiskördande material härrör från denna motivation, inklusive termoelektrisk1, solceller2 och termofotovoltaik3. Även om vi saknar material och anordningar som kan skörda energi i Joule-intervallet, betraktas pyroelektriska material som kan omvandla elektrisk energi till periodiska temperaturförändringar som sensorer4 och energiskördare5,6,7. Här har vi utvecklat en makroskopisk termisk energiskördare i form av en flerskiktskondensator tillverkad 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-verkningsgrad. 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 kraftuppsamlare omtolkar termoelektrisk kraftproduktion.
Jämfört med den rumsliga temperaturgradienten som krävs för termoelektriska material kräver energiutvinning från termoelektriska material temperaturcykling över tid. Detta innebär en termodynamisk cykel, som bäst beskrivs av entropi (S)-temperatur (T)-diagrammet. Figur 1a visar ett typiskt ST-diagram av ett icke-linjärt pyroelektriskt (NLP) material som demonstrerar en fältdriven ferroelektrisk-paraelektrisk fasövergång i scandium-blytantalat (PST). De blå och gröna delarna 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 initialtemperaturer. Den gröna cykeln är inte belägen i fasövergångsområdet och har således en mycket mindre area än den blå cykeln som är belägen i fasövergångsområdet. I ST-diagrammet, ju större area, desto större insamlad energi. Därför måste fasövergången samla in mer energi. Behovet av storytecykling inom NLP är mycket likt behovet för elektrotermiska tillämpningar9, 10, 11, 12 där PST-flerskiktskondensatorer (MLC) och PVDF-baserade terpolymerer nyligen har visat utmärkt kylprestanda i omvänd riktning i cykel 13, 14, 15, 16. Därför har vi identifierat PST MLC av intresse för termisk energiskörd. Dessa prover har beskrivits fullständigt i metoderna och karakteriserats i kompletterande anteckningar 1 (svepelektronmikroskopi), 2 (röntgendiffraktion) och 3 (kalorimetri).
a, Skiss av ett entropi (S)-temperatur (T)-diagram med elektriskt fält på och av applicerat på NLP-material som visar fasövergångar. Två energiinsamlingscykler visas i två olika temperaturzoner. De blå och gröna cyklerna inträffar inom respektive utanför fasövergången och slutar i mycket olika områden på 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 ingångseffekt som krävs för att starta cykeln. Det orange området är den energi som samlats in under en cykel. c, övre panelen, spänning (svart) och ström (röd) kontra tid, spårade under samma Olson-cykel som b. De två infogningarna representerar förstärkningen av spänning och ström vid viktiga punkter 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 versalerna i de fyra figurerna är desamma som i Olson-cykeln. Cykeln AB'CD motsvarar Stirling-cykeln (ytterligare anmärkning 7).
där E och D är det elektriska fältet respektive det elektriska förskjutningsfältet. 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 in pyroelektrisk energi på 1980-talet.
Figur 1b visar två monopolära DE-slingor av 1 mm tjocka PST-MLC-prover monterade vid 20 °C respektive 90 °C, över ett intervall på 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. 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 °C och 20 °C i AB-grenen). Den energi som samlas in under cykeln motsvarar de orange och blå områdena (EdD-integralen). Den insamlade energin Nd är skillnaden mellan in- och utenergi, dvs. endast det orange området i figur 1b. Denna specifika 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 uppnås, når energitätheten som extraheras från figur 1b (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 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 infällningar visar strömmen (röd) och spänningen (svart) som samlats in 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 figur 1c, längst ner (grön) och temperaturen (gul) under hela cykeln. Bokstäverna ABCD representerar samma Olson-cykel i figur 1. MLC-laddning sker under AB-benet och utförs vid en låg ström (200 µA), så SourceMeter kan styra 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 (figur 1c, övre infällning). Vid slutet av laddningen lagras 30 mJ elektrisk energi i MLC (punkt B). MLC:n värms sedan upp och en negativ ström (och därmed en negativ ström) produceras medan spänningen förblir vid 600 V. Efter 40 sekunder, när temperaturen nådde en platå på 90 °C, kompenserades denna ström, även om stegprovet producerade en elektrisk effekt på 35 mJ i kretsen under detta isofält (andra infällningen i figur 1c, överst). Spänningen på MLC:n (gren-CD) minskas sedan, vilket resulterar i ytterligare 60 mJ elektriskt arbete. Den totala utgångsenergin är 95 mJ. Den insamlade energin är skillnaden mellan in- och utgångsenergin, vilket ger 95 – 30 = 65 mJ. Detta motsvarar en energitäthet på 1,84 J cm-3, vilket är mycket nära den Nd som extraheras från DE-ringen. Reproducerbarheten av denna Olson-cykel har testats utförligt (kompletterande anmärkning 4). Genom att ytterligare öka spänning och temperatur uppnådde vi 4,43 J cm⁻³ med hjälp av 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⁻¹). Se kompletterande tabell 1 för fler värden i litteraturen. Denna prestanda har uppnåtts tack vare den mycket låga läckströmmen hos dessa MLC:er (<10⁻⁶ A vid 750 V och 180 °C, se detaljer i kompletterande anmärkning 6) – en avgörande punkt som nämns av Smith et al.19 – i motsats till de material som använts i tidigare studier17,20. Denna prestanda har uppnåtts tack vare den mycket låga läckströmmen hos dessa MLC:er (<10⁻⁶ A vid 750 V och 180 °C, se detaljer i kompletterande anmärkning 6) – en avgörande punkt som nämns av Smith et al.19 – i motsats till de material som använts i tidigare studier17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 а при 750 М. ± 180 м. в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Dessa egenskaper uppnåddes tack vare den mycket låga läckströmmen hos dessa MLC:er (<10–7 A vid 750 V och 180 °C, se kompletterande anmärkning 6 för detaljer) – en kritisk punkt som nämns av Smith et al. 19 – i motsats till material som använts i tidigare studier 17,20.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的材料由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 °C 时 <10-7 A , 参见 补兎 说 补兎 说信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下下且比繋相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之且繋比之且繋相比之下 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。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В och 180 °C, см. подробности в дополнитель дополнитель) — ключевой 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 kompletterande anmärkning 6 för detaljer) – en viktig punkt som nämns av Smith et al. 19 – uppnåddes dessa prestanda som jämförelse.till material som använts i tidigare studier 17,20.
Samma förhållanden (600 V, 20–90 °C) tillämpades på Stirlingcykeln (kompletterande anmärkning 7). Som förväntat utifrån resultaten från DE-cykeln var utbytet 41,0 mJ. En av de mest slående egenskaperna hos Stirlingcykler är deras förmåga att förstärka initialspänningen 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 kompletterande figur 7.2).
Ett annat utmärkande drag för dessa MLC:er är att de är makroskopiska objekt som är tillräckligt stora för att samla energi i joule-intervallet. Därför konstruerade vi en prototypskördare (HARV1) med 28 MLC PST 1 mm tjock, enligt samma parallella plattdesign som beskrivs av Torello et al.14, i en 7×4-matris som visas i Fig. Den värmebärande dielektriska vätskan i grenröret förflyttas av en peristaltisk pump mellan två reservoarer där vätsketemperaturen hålls konstant (metod). Samla upp till 3,1 J med hjälp av Olson-cykeln som beskrivs i Fig. 2a, isotermiska områden vid 10 °C och 125 °C och isofältområden vid 0 och 750 V (195 kV cm-1). Detta motsvarar en energitäthet på 3,14 J cm-3. Med hjälp av denna kombination gjordes 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 överensstämmer väl 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 PST:er 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 den kalla och varma reservoaren, 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 temperaturintervall (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). År 1984 tillverkade Olsen en energiskördare baserad på 317 g av en tenndopad Pb(Zr,Ti)O3-förening som kunde generera 6,23 J elektricitet vid en temperatur på cirka 150 °C (ref. 21). För denna skördetröska är detta det enda andra tillgängliga värdet i joule-intervallet. Den fick drygt hälften av det värde vi uppnådde och nästan sju gånger högre kvalitet. Detta innebär att energitätheten för HARV2 är 13 gånger högre.
HARV1:s cykelperiod är 57 sekunder. Detta producerade 54 mW effekt med 4 rader med 7 kolumner av 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 uppsättning som HARV1 och HARV2 (kompletterande anmärkning 9). Vi mätte en termiseringstid på 12,5 sekunder. Detta motsvarar en cykeltid på 25 s (kompletterande figur 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 hjälp av finita elementsimulering (COMSOL, kompletterande anmärkning 10 och kompletterande tabeller 2–4) motsvarande HARV1-experimenten. Finita elementmodellering 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 var bredvid skördetröskan, kompletterande figur 10b).
För att demonstrera användbarheten av denna kollektor tillämpades en Stirling-cykel på en fristående demonstrator bestående av endast två 0,5 mm tjocka PST MLC:er som värmekollektorer, en högspänningsbrytare, en lågspänningsbrytare med lagringskondensator, en DC/DC-omvandlare, en lågeffektsmikrokontroller, två termoelement och en boost-omvandlare (kompletterande anmärkning 11). Kretsen kräver att lagringskondensatorn initialt laddas vid 9 V och sedan går autonomt medan temperaturen hos de två MLC:erna varierar från -5 °C till 85 °C, här i cykler om 160 s (flera cykler visas i kompletterande anmärkning 11). Anmärkningsvärt är att två MLC:er som bara väger 0,3 g autonomt kan styra detta stora system. En annan intressant egenskap är att lågspänningsomvandlaren kan omvandla 400 V till 10–15 V med 79 % effektivitet (kompletterande anmärkning 11 och kompletterande figur 11.3).
Slutligen utvärderade vi effektiviteten hos dessa MLC-moduler vid omvandling av termisk energi till elektrisk energi. Kvalitetsfaktorn η för effektiviteten definieras som förhållandet mellan densiteten hos den insamlade elektriska energin Nd och densiteten hos den tillförda värmen Qin (kompletterande anmärkning 12):
Figur 3a, b visar verkningsgraden η respektive den proportionella verkningsgraden ηr för Olsen-cykeln som funktion av temperaturintervallet för en 0,5 mm tjock PST MLC. Båda dataseten ges för ett elektriskt fält på 195 kV cm⁻¹. Verkningsgraden \(\this\) når 1,43 %, vilket motsvarar 18 % av ηr. För ett temperaturintervall på 10 K från 25 °C till 35 °C når dock ηr värden upp till 40 % (blå kurva i figur 3b). Detta är dubbelt så mycket som det kända värdet för NLP-material registrerat i PMN-PT-filmer (ηr = 19 %) i temperaturintervallet 10 K och 300 kV cm⁻¹ (Ref. 18). Temperaturintervall under 10 K beaktades inte eftersom den termiska hysteresen för PST MLC ligger mellan 5 och 8 K. Det är avgörande att man är medveten om den positiva effekten av fasövergångar på verkningsgraden. Faktum är att de optimala värdena för η och ηr nästan alla erhålls vid initialtemperaturen Ti = 25 °C i figurerna 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, verkningsgraden η och den proportionella verkningsgraden för Olsoncykeln (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} för den maximala elektriska effekten med ett fält på 195 kV cm-1 och olika initialtemperaturer Ti, }}\,\)(b) för MPC PST 0,5 mm tjock, beroende på temperaturintervallet ΔTspan.
Den senare observationen har två viktiga implikationer: (1) all effektiv cykling måste börja vid temperaturer över TC för att en fältinducerad fasövergång (från paraelektrisk till ferroelektrisk) ska ske; (2) dessa material är mer effektiva vid körtider nära TC. Även om storskaliga effektiviteter visas i våra experiment, tillåter det begränsade temperaturintervallet oss inte att uppnå stora absoluta effektiviteter på grund av Carnot-gränsen (\(\DeltaT/T\)). Den utmärkta effektiviteten som dessa PST MLC:er demonstrerar rättfärdigar dock Olsen när han nämner att "en ideal regenerativ termoelektrisk motor av klass 20 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:er med olika TC:er, vilket studerades 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:er eller andra material med en stark första ordningens fasövergång kan konkurrera med de bästa kraftskördarna.
I denna studie undersökte vi MLC:er tillverkade av PST. Dessa komponenter 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. Det uppvisar en skarp första ordningens ferroelektrisk-paraelektrisk fasövergång runt 20 °C, vilket indikerar att dess entropiförändringar liknar de som visas i figur 1. Liknande MLC:er har beskrivits fullständigt för EC13,14-komponenter. I denna studie använde vi 10,4 × 7,2 × 1 mm³ och 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC:er. MLC:er med en tjocklek på 1 mm respektive 0,5 mm tillverkades av 19 respektive 9 lager PST med en tjocklek på 38,6 µm. I båda fallen placerades det inre PST-skiktet mellan 2,05 µm tjocka platinaelektroder. Utformningen av dessa MLC:er antar att 55 % av PST:erna är aktiva, vilket motsvarar delen mellan elektroderna (kompletterande anmärkning 1). Den aktiva elektrodytan var 48,7 mm2 (kompletterande tabell 5). MLC PST framställdes genom fastfasreaktion och gjutningsmetod. Detaljerna i framställningsprocessen har beskrivits i en tidigare artikel14. En av skillnaderna mellan PST MLC och föregående artikel är ordningen på B-ställena, vilket i hög grad påverkar prestandan för EC i PST. Ordningen på B-ställena 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 kompletterande tabell 5.
Huvudkonceptet för denna studie är baserat på Olsoncykeln (Fig. 1). För en sådan cykel behöver vi en varm och kall reservoar och en strömförsörjning som kan övervaka och styra spänning och ström i de olika MLC-modulerna. Dessa direkta cykler 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 på 5 cP vid 25 °C, köpt från Sigma Aldrich) för värmeväxling mellan de två reservoarerna (varm och kall) och MLC:n. Den termiska reservoaren består av en glasbehållare fylld med dielektrisk vätska och placerad ovanpå den termiska plattan. 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 kombinationen för att korrekt växla 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. kylvätskans loop börjar cirkulera genom PST-stacken efter att källmätaren har laddats så att de värms upp vid önskad applicerad spänning för en given Olson-cykel.
Alternativt har vi bekräftat dessa direkta mätningar av insamlad energi med indirekta metoder. Dessa indirekta metoder är baserade på elektriska förskjutnings- (D) – elektriska fält (E) fältslingor som samlas in vid olika temperaturer, och genom att beräkna arean mellan två DE-slingor kan man noggrant uppskatta hur mycket energi som kan samlas in, såsom visas i figur 2.1b. Dessa DE-slingor samlas också in med hjälp av Keithley-källmätare.
Tjugoåtta 1 mm tjocka PST MLC:er monterades i en parallell plattstruktur med 4 rader och 7 kolonner 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 dubbelhäftande tejp som vätskedistanser runt kanterna på PST MLC:n. PST MLC:n är elektriskt parallellkopplad med en silverepoxibrygga i kontakt med elektrodledarna. Därefter limmades trådar med silverepoxiharts på vardera sidan av elektrodterminalerna för anslutning till strömförsörjningen. Slutligen fördes hela strukturen in i polyolefinslangen. Den senare limmas fast på vätskeröret för att säkerställa korrekt tätning. Slutligen byggdes 0,25 mm tjocka K-typ termoelement in i vardera änden av PST-MLC-strukturen för att övervaka inlopps- och utloppsvätsketemperaturerna. För att göra detta måste slangen först perforeras. Efter installation av termoelementet appliceras 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 en parallell plattstruktur med 3 kolumner × 5 rader. Det totala antalet PST MLC:er som användes 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 dubbelhäftande 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. HARV2_160- och HARV2_60-underenheterna arbetar samtidigt i Olson-cykeln vilket resulterar i en energiutvinning 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 vätskan att flöda. På grund av sin lilla storlek placerades prototypen bredvid en varm- eller kallvattenbehållare, vilket minimerade cykeltiderna.
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 som lagrats i den återförs tillbaka till källräknaren, vilket motsvarar ytterligare ett bidrag av den insamlade energin. Slutligen, med en spänning V = 0 applicerad, kyls MLC PST:erna till sin initialtemperatur så att cykeln kan starta om. I detta skede samlas ingen energi in. 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 många poäng samlades in under laddningsfasen för tillförlitliga energiberäkningar.
I Stirling-cykler laddades PST MLC:er i spänningskällläge vid ett initialt elektriskt fältvärde (initialspänning Vi > 0), en önskad eftergivlighetsström så att laddningssteget tar cirka 1 s (och tillräckligt med punkter samlas in för en tillförlitlig beräkning av energin) och kall temperatur. I Stirling-cykler laddades PST MLC:er i spänningskällläge vid ett initialt elektriskt fältvärde (initialspänning Vi > 0), en önskad eftergivlighetsström så att laddningssteget tar cirka 1 s (och tillräckligt med 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 напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап здки занимает около 1 с (och набирается дичочно для надежного расчета энергия) och холодная температура. I Stirling PST MLC-cyklerna laddades de i spänningskällläge vid det elektriska fältets initialvärde (initialspänning Vi > 0), den önskade avkastningsströmmen, så att laddningssteget tar cirka 1 s (och ett tillräckligt antal punkter 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。 I mastercykeln laddas PST MLC vid det initiala elektriska fältvärdet (initialspänning Vi > 0) i spänningskällläget, så att den erforderliga eftergivlighetsströmmen tar cirka 1 sekund för laddningssteget (och vi samlade in tillräckligt med poäng för att tillförlitligt beräkna (energi) och låg temperatur). В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электричелескогог ( напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап здки занимает около 1 с (och набирается дочно точек, чтобы надежно рассчитать энергию) och низкие температуры. I Stirlingcykeln laddas PST MLC i spänningskällläge med ett initialvärde på det elektriska fältet (initialspänning Vi > 0), den erforderliga eftergivlighetsströmmen är sådan att laddningssteget tar cirka 1 s (och ett tillräckligt antal punkter 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 matchningsströmmen som vår mätkälla kan hantera är 10 nA). Som ett resultat kvarstår en laddning i MJK:s PST, och spänningen ökar när provet värms upp. Ingen energi samlas upp 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 figur 7.2), MLK FT urladdas (V = 0), och elektrisk energi lagras i dem under samma tid som den initiala laddningen. Samma strömkorrespondens återförs 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 elektricitet.
Vi använde en Keithley 2410 SourceMeter för att övervaka spänningen och strömmen som appliceras på PST MLC. Motsvarande energi beräknas genom att integrera produkten av spänning och ström som avläses av Keithleys källmätare, \(E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas})}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), där τ är periodens period. På vår energikurva betyder positiva energivärden den energi vi har att ge till MLC PST, och negativa värden betyder den energi vi utvinner från dem och därmed den mottagna energin. Den relativa effekten för en given insamlingscykel bestäms genom att dividera den insamlade energin med perioden τ för hela cykeln.
All data presenteras i huvudtexten eller i ytterligare information. Brev och förfrågningar om material ska riktas till källan för AT- eller ED-data som tillhandahålls i denna artikel.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC En översikt över utveckling och tillämpningar av termoelektriska mikrogeneratorer för energiutvinning. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC En översikt över utveckling och tillämpningar av termoelektriska mikrogeneratorer för energiutvinning.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO och Henao, NC Översikt över utveckling och tillämpning av termoelektriska mikrogeneratorer för energiutvinning. 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 energiutvinning.CV. support. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaiska material: nuvarande effektivitetsvinster och framtida utmaningar. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaiska material: nuvarande effektivitetsvinster 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.Vetenskap 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.Framåt. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energiutvinning baserad på Ericssons pyroelektriska cykler i en relaxorferroelektrisk keramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energiutvinning baserad på Ericssons pyroelektriska cykler i en relaxorferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. och Guyomar D. Energiutvinning baserad på pyroelektriska Ericsson-cykler i relaxorferroelektrisk keramik.Sebald G., Prouvost S. och Guyomar D. Energiutvinning i relaxorferroelektriska keramiker baserade på Ericssons pyroelektriska cykling. Smart alma mater. structure. 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. och Whatmore, RW преобразования 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. och Whatmore, RW преобразования 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 prestandan hos pyroelektriska nanogeneratorer. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard och meritvärde för att kvantifiera prestandan hos pyroelektriska nanogeneratorer.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL och Yang, Yu. En 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.Nanoenergi 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriska kylcykler i bly-skandiumtantalat med sann regenerering via fältvariation. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokaloriska kylcykler i bly-skandiumtantalat med sann regenerering via fältvariation.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. och Mathur, ND Elektrokaloriska kylcykler i bly-skandiumtantalat med sann regenerering genom 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 scandium-blytantalat för verklig regenerering genom fältomvändning.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.Vetenskap 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 kylaggregat: en översikt. 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 översikt.Avancerad. elektronisk. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorm energieffektivitet hos elektrokaloriskt material i högordnat scandium-scandium-bly. National Communicate. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Den elektrotermiska effekten av oxidflerskiktskondensatorer är stor över ett brett temperaturområde. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Stort temperaturintervall i elektrotermiska regeneratorer. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Högpresterande elektrotermiskt kylsystem i fast tillstånd. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Kaskadbaserad 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 direktomvandling av värme till elektrisk energirelaterade 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 och Brown, DDOlsen, RB och Brown, DD Effektiv direkt omvandling av värme till elektricitet i samband med pyroelektriska mätningar.Ferroelektrik 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi- och effekttäthet i tunna relaxorferroelektriska filmer. Nationellt alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadkopplad pyroelektrisk omvandling: optimering av ferroelektrisk fasövergång och elektriska förluster. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskadkopplad pyroelektrisk omvandling: optimering av ferroelektrisk fasövergång och elektriska förluster.Smith, AN och Hanrahan, BM Kaskadbaserad 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 och Hanrahan, BMSmith, AN och Hanrahan, BM Kaskadbaserad pyroelektrisk omvandling: optimering av ferroelektriska fasövergångar och elektriska förluster.J. Tillämpning. fysik. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Användningen av ferroelektriska material för att omvandla termisk energi till elektricitet. process. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadkopplad pyroelektrisk energiomvandlare. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskadkopplad pyroelektrisk energiomvandlare.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM och Dullea, J. Cascade pyroelektrisk kraftomvandlare. 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.Ferroelektrik 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-skandiumtantalatfasta lösningar med hög elektrokalorisk effekt. Shebanov, L. & Borman, K. Om bly-skandiumtantalatfasta 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 scandium-bly-scandium fasta lösningar med hög elektrokalorisk effekt.Ferroelektrik 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 Luxemburgs nationella forskningsstiftelse (FNR) för att ha stödt 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 teknologi, Luxemburgs tekniska högskola (LIST), Belvoir, Luxemburg