Menawarkan sumber elektrik yang mampan adalah salah satu cabaran terpenting abad ini. Bidang penyelidikan dalam bahan penuaian tenaga berpunca daripada motivasi ini, termasuk thermoelectric1, photovoltaic2 dan thermophotovoltaics3. Walaupun kita kekurangan bahan dan peranti yang mampu menuai tenaga dalam julat Joule, bahan piroelektrik yang boleh menukar tenaga elektrik kepada perubahan suhu berkala dianggap sebagai sensor4 dan penuai tenaga5,6,7. Di sini kami telah membangunkan penuai tenaga terma makroskopik dalam bentuk kapasitor berbilang lapisan yang diperbuat daripada 42 gram skandium tantalat plumbum, menghasilkan 11.2 J tenaga elektrik bagi setiap kitaran termodinamik. Setiap modul piroelektrik boleh menjana ketumpatan tenaga elektrik sehingga 4.43 J cm-3 setiap kitaran. Kami juga menunjukkan bahawa dua modul seberat 0.3 g seperti itu cukup untuk menjana tenaga penuai tenaga autonomi secara berterusan dengan mikropengawal terbenam dan penderia suhu. Akhir sekali, kami menunjukkan bahawa untuk julat suhu 10 K, kapasitor berbilang lapisan ini boleh mencapai kecekapan Carnot 40%. Sifat-sifat ini disebabkan oleh (1) perubahan fasa ferroelektrik untuk kecekapan tinggi, (2) arus bocor yang rendah untuk mengelakkan kehilangan, dan (3) voltan pecahan tinggi. Penuai kuasa piroelektrik makroskopik, berskala dan cekap ini sedang membayangkan semula penjanaan kuasa termoelektrik.
Berbanding dengan kecerunan suhu spatial yang diperlukan untuk bahan termoelektrik, penuaian tenaga bahan termoelektrik memerlukan kitaran suhu dari semasa ke semasa. Ini bermakna kitaran termodinamik, yang terbaik digambarkan oleh gambar rajah entropi (S)-suhu (T). Rajah 1a menunjukkan plot ST tipikal bahan piroelektrik (NLP) bukan linear yang menunjukkan peralihan fasa ferroelektrik-paraelektrik dipacu medan dalam scandium lead tantalate (PST). Bahagian biru dan hijau kitaran pada rajah ST sepadan dengan tenaga elektrik yang ditukar dalam kitaran Olson (dua bahagian isoterma dan dua isopole). Di sini kita mempertimbangkan dua kitaran dengan perubahan medan elektrik yang sama (medan hidup dan mati) dan perubahan suhu ΔT, walaupun dengan suhu awal yang berbeza. Kitaran hijau tidak terletak di kawasan peralihan fasa dan dengan itu mempunyai kawasan yang jauh lebih kecil daripada kitaran biru yang terletak di kawasan peralihan fasa. Dalam rajah ST, lebih besar kawasan, lebih besar tenaga terkumpul. Oleh itu, peralihan fasa mesti mengumpul lebih banyak tenaga. Keperluan untuk berbasikal kawasan besar dalam NLP adalah sangat serupa dengan keperluan untuk aplikasi elektroterma9, 10, 11, 12 di mana kapasitor berbilang lapisan (MLC) PST dan terpolimer berasaskan PVDF baru-baru ini menunjukkan prestasi songsang yang sangat baik. status prestasi penyejukan dalam kitaran 13,14,15,16. Oleh itu, kami telah mengenal pasti MLC PST yang diminati untuk penuaian tenaga haba. Sampel ini telah diterangkan sepenuhnya dalam kaedah dan dicirikan dalam nota tambahan 1 (mikroskop elektron pengimbasan), 2 (pembelauan sinar-X) dan 3 (kalorimetri).
a, Lakaran plot entropi (S)-suhu (T) dengan medan elektrik hidup dan mati digunakan pada bahan NLP yang menunjukkan peralihan fasa. Dua kitaran pengumpulan tenaga ditunjukkan dalam dua zon suhu yang berbeza. Kitaran biru dan hijau berlaku di dalam dan di luar peralihan fasa, masing-masing, dan berakhir di kawasan permukaan yang sangat berbeza. b, dua gelang unipolar DE PST MLC, tebal 1 mm, diukur antara 0 dan 155 kV cm-1 masing-masing pada 20 °C dan 90 °C, dan kitaran Olsen yang sepadan. Huruf ABCD merujuk kepada keadaan yang berbeza dalam kitaran Olson. AB: MLC telah dicas kepada 155 kV cm-1 pada 20°C. SM: MLC dikekalkan pada 155 kV cm-1 dan suhu dinaikkan kepada 90 °C. CD: MLC nyahcas pada 90°C. DA: MLC disejukkan hingga 20°C dalam medan sifar. Kawasan biru sepadan dengan kuasa input yang diperlukan untuk memulakan kitaran. Kawasan oren ialah tenaga yang dikumpul dalam satu kitaran. c, panel atas, voltan (hitam) dan arus (merah) berbanding masa, dijejaki semasa kitaran Olson yang sama seperti b. Kedua-dua sisipan mewakili penguatan voltan dan arus pada titik utama dalam kitaran. Di panel bawah, lengkung kuning dan hijau mewakili lengkung suhu dan tenaga yang sepadan, masing-masing, untuk MLC setebal 1 mm. Tenaga dikira daripada lengkung arus dan voltan pada panel atas. Tenaga negatif sepadan dengan tenaga terkumpul. Langkah-langkah yang sepadan dengan huruf besar dalam empat angka adalah sama seperti dalam kitaran Olson. Kitaran AB'CD sepadan dengan kitaran Stirling (nota tambahan 7).
di mana E dan D ialah medan elektrik dan medan sesaran elektrik, masing-masing. Nd boleh didapati secara tidak langsung daripada litar DE (Rajah 1b) atau secara langsung dengan memulakan kitaran termodinamik. Kaedah yang paling berguna telah diterangkan oleh Olsen dalam kerja perintisnya untuk mengumpul tenaga piroelektrik pada tahun 1980-an17.
Pada rajah. 1b menunjukkan dua gelung DE monopolar bagi spesimen PST-MLC tebal 1 mm yang dipasang pada 20 °C dan 90 °C, masing-masing, dalam julat 0 hingga 155 kV cm-1 (600 V). Kedua-dua kitaran ini boleh digunakan untuk mengira secara tidak langsung tenaga yang dikumpul oleh kitaran Olson yang ditunjukkan dalam Rajah 1a. Sebenarnya, kitaran Olsen terdiri daripada dua cawangan isofield (di sini, medan sifar di cawangan DA dan 155 kV cm-1 di cawangan BC) dan dua cawangan isoterma (di sini, 20°C dan 20°C di cawangan AB) . C dalam cawangan CD) Tenaga yang dikumpul semasa kitaran sepadan dengan kawasan oren dan biru (integral EdD). Tenaga terkumpul Nd ialah perbezaan antara tenaga input dan output, iaitu hanya kawasan oren dalam rajah. 1b. Kitaran Olson tertentu ini memberikan ketumpatan tenaga Nd sebanyak 1.78 J cm-3. Kitaran Stirling ialah alternatif kepada kitaran Olson (Nota Tambahan 7). Oleh kerana peringkat cas malar (litar terbuka) lebih mudah dicapai, ketumpatan tenaga yang diekstrak daripada Rajah 1b (kitaran AB'CD) mencapai 1.25 J cm-3. Ini hanya 70% daripada apa yang boleh dikumpulkan oleh kitaran Olson, tetapi peralatan penuaian mudah melakukannya.
Di samping itu, kami secara langsung mengukur tenaga yang dikumpul semasa kitaran Olson dengan memberi tenaga kepada MLC PST menggunakan peringkat kawalan suhu Linkam dan meter sumber (kaedah). Rajah 1c di bahagian atas dan dalam inset masing-masing menunjukkan arus (merah) dan voltan (hitam) yang dikumpul pada 1 mm tebal PST MLC yang sama seperti untuk gelung DE melalui kitaran Olson yang sama. Arus dan voltan memungkinkan untuk mengira tenaga terkumpul, dan lengkung ditunjukkan dalam rajah. 1c, bawah (hijau) dan suhu (kuning) sepanjang kitaran. Huruf ABCD mewakili kitaran Olson yang sama dalam Rajah 1. Pengecasan MLC berlaku semasa kaki AB dan dijalankan pada arus rendah (200 µA), jadi SourceMeter boleh mengawal pengecasan dengan betul. Akibat daripada arus awal malar ini ialah lengkung voltan (lengkung hitam) tidak linear disebabkan oleh medan anjakan potensi bukan linear D PST (Rajah 1c, inset atas). Pada akhir pengecasan, 30 mJ tenaga elektrik disimpan dalam MLC (titik B). MLC kemudiannya menjadi panas dan arus negatif (dan oleh itu arus negatif) dihasilkan manakala voltan kekal pada 600 V. Selepas 40 saat, apabila suhu mencapai dataran tinggi 90 °C, arus ini telah dikompensasikan, walaupun sampel langkah dihasilkan dalam litar kuasa elektrik 35 mJ semasa isofield ini (sisipan kedua dalam Rajah 1c, atas). Voltan pada MLC (CD cawangan) kemudiannya dikurangkan, menghasilkan tambahan 60 mJ kerja elektrik. Jumlah tenaga keluaran ialah 95 mJ. Tenaga terkumpul ialah perbezaan antara tenaga input dan output, yang memberikan 95 – 30 = 65 mJ. Ini sepadan dengan ketumpatan tenaga 1.84 J cm-3, yang sangat dekat dengan Nd yang diekstrak daripada cincin DE. Kebolehulangan kitaran Olson ini telah diuji secara meluas (Nota Tambahan 4). Dengan meningkatkan lagi voltan dan suhu, kami mencapai 4.43 J cm-3 menggunakan kitaran Olsen dalam 0.5 mm tebal PST MLC pada julat suhu 750 V (195 kV cm-1) dan 175 ° C (Nota Tambahan 5). Ini adalah empat kali lebih besar daripada prestasi terbaik yang dilaporkan dalam kesusasteraan untuk kitaran Olson langsung dan diperoleh pada filem nipis Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3)18 (cm .Tambahan Jadual 1 untuk lebih banyak nilai dalam kesusasteraan). Prestasi ini telah dicapai disebabkan oleh arus kebocoran yang sangat rendah bagi MLC ini (<10−7 A pada 750 V dan 180 °C, lihat butiran dalam Nota Tambahan 6)—titik penting yang disebut oleh Smith et al.19—berbeza dengan kepada bahan yang digunakan dalam kajian terdahulu17,20. Prestasi ini telah dicapai disebabkan oleh arus kebocoran yang sangat rendah bagi MLC ini (<10−7 A pada 750 V dan 180 °C, lihat butiran dalam Nota Tambahan 6)—titik penting yang disebut oleh Smith et al.19—berbeza dengan kepada bahan yang digunakan dalam kajian terdahulu17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 °C, suhu 180 °C, suhu римечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Ciri-ciri ini dicapai disebabkan oleh arus kebocoran yang sangat rendah bagi MLC ini (<10-7 A pada 750 V dan 180 ° C, lihat Nota Tambahan 6 untuk butiran) - titik kritikal yang disebut oleh Smith et al. 19 – berbeza dengan bahan yang digunakan dalam kajian terdahulu17,20.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 中中的详提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 说明 6 ））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比下下 相比下下下下下下下下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下下，徲爱田早期研究中使用的材料17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном пимич6) упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Oleh kerana arus kebocoran MLC ini adalah sangat rendah (<10–7 A pada 750 V dan 180 °C, lihat Nota Tambahan 6 untuk butiran) – satu perkara penting yang disebut oleh Smith et al. 19 - sebagai perbandingan, prestasi ini telah dicapai.kepada bahan yang digunakan dalam kajian terdahulu 17,20.
Keadaan yang sama (600 V, 20–90 °C) digunakan pada kitaran Stirling (Nota tambahan 7). Seperti yang dijangkakan daripada keputusan kitaran DE, hasil adalah 41.0 mJ. Salah satu ciri yang paling menarik bagi kitaran Stirling ialah keupayaannya untuk menguatkan voltan awal melalui kesan termoelektrik. Kami melihat kenaikan voltan sehingga 39 (dari voltan awal 15 V kepada voltan akhir sehingga 590 V, lihat Rajah Tambahan 7.2).
Satu lagi ciri yang membezakan MLC ini ialah ia adalah objek makroskopik yang cukup besar untuk mengumpul tenaga dalam julat joule. Oleh itu, kami membina penuai prototaip (HARV1) menggunakan 28 MLC PST 1 mm tebal, mengikut reka bentuk plat selari yang sama yang diterangkan oleh Torello et al.14, dalam matriks 7×4 seperti ditunjukkan dalam Rajah. Bendalir dielektrik pembawa haba dalam manifold disesarkan oleh pam peristaltik di antara dua takungan di mana suhu bendalir dikekalkan tetap (kaedah). Kumpul sehingga 3.1 J menggunakan kitaran Olson yang diterangkan dalam rajah. 2a, kawasan isoterma pada 10°C dan 125°C dan kawasan isofield pada 0 dan 750 V (195 kV cm-1). Ini sepadan dengan ketumpatan tenaga 3.14 J cm-3. Menggunakan gabungan ini, pengukuran telah diambil dalam pelbagai keadaan (Rajah 2b). Ambil perhatian bahawa 1.8 J diperoleh pada julat suhu 80 °C dan voltan 600 V (155 kV cm-1). Ini adalah dalam persetujuan yang baik dengan 65 mJ yang dinyatakan sebelum ini untuk 1 mm tebal PST MLC di bawah keadaan yang sama (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Persediaan eksperimen prototaip HARV1 yang dipasang berdasarkan 28 MLC PST setebal 1 mm (4 baris × 7 lajur) yang dijalankan pada kitaran Olson. Bagi setiap satu daripada empat langkah kitaran, suhu dan voltan disediakan dalam prototaip. Komputer memacu pam peristaltik yang mengedarkan cecair dielektrik antara takungan sejuk dan panas, dua injap dan sumber kuasa. Komputer juga menggunakan termokopel untuk mengumpul data mengenai voltan dan arus yang dibekalkan kepada prototaip dan suhu gabungan daripada bekalan kuasa. b, Tenaga (warna) yang dikumpul oleh prototaip 4×7 MLC kami berbanding julat suhu (paksi-X) dan voltan (paksi-Y) dalam eksperimen yang berbeza.
Versi penuai yang lebih besar (HARV2) dengan 60 PST MLC 1 mm tebal dan 160 PST MLC 0.5 mm tebal (41.7 g bahan piroelektrik aktif) memberikan 11.2 J (Nota Tambahan 8). Pada tahun 1984, Olsen membuat penuai tenaga berdasarkan 317 g sebatian Pb(Zr,Ti)O3 berdop timah yang mampu menjana 6.23 J elektrik pada suhu kira-kira 150 °C (rujuk 21). Untuk gabungan ini, ini adalah satu-satunya nilai lain yang tersedia dalam julat joule. Ia mendapat lebih separuh daripada nilai yang kami capai dan hampir tujuh kali ganda kualiti. Ini bermakna ketumpatan tenaga HARV2 adalah 13 kali lebih tinggi.
Tempoh kitaran HARV1 ialah 57 saat. Ini menghasilkan 54 mW kuasa dengan 4 baris 7 lajur set MLC tebal 1 mm. Untuk melangkah lebih jauh, kami membina gabungan ketiga (HARV3) dengan MLC PST tebal 0.5mm dan persediaan serupa dengan HARV1 dan HARV2 (Nota Tambahan 9). Kami mengukur masa termalisasi 12.5 saat. Ini sepadan dengan masa kitaran 25 s (Tambahan Rajah 9). Tenaga yang dikumpul (47 mJ) memberikan kuasa elektrik sebanyak 1.95 mW setiap MLC, yang seterusnya membolehkan kita membayangkan bahawa HARV2 menghasilkan 0.55 W (kira-kira 1.95 mW × 280 PST MLC 0.5 mm tebal). Di samping itu, kami mensimulasikan pemindahan haba menggunakan Simulasi Elemen Terhad (COMSOL, Nota Tambahan 10 dan Jadual Tambahan 2-4) sepadan dengan eksperimen HARV1. Pemodelan elemen terhingga memungkinkan untuk meramalkan nilai kuasa hampir satu susunan magnitud yang lebih tinggi (430 mW) untuk bilangan lajur PST yang sama dengan menipiskan MLC kepada 0.2 mm, menggunakan air sebagai penyejuk, dan memulihkan matriks kepada 7 baris . × 4 lajur (sebagai tambahan kepada , terdapat 960 mW apabila tangki berada di sebelah gabungan, Rajah Tambahan 10b).
Untuk menunjukkan kebergunaan pengumpul ini, satu kitaran Stirling telah digunakan pada penunjuk berdiri sendiri yang terdiri daripada hanya dua MLC PST tebal 0.5 mm sebagai pengumpul haba, suis voltan tinggi, suis voltan rendah dengan kapasitor penyimpanan, penukar DC/DC. , mikropengawal kuasa rendah, dua termokopel dan penukar rangsangan (Nota Tambahan 11). Litar memerlukan kapasitor storan pada mulanya dicas pada 9V dan kemudian berjalan secara autonomi manakala suhu kedua-dua MLC berjulat dari -5°C hingga 85°C, di sini dalam kitaran 160 s (beberapa kitaran ditunjukkan dalam Nota Tambahan 11) . Hebatnya, dua MLC dengan berat hanya 0.3g boleh mengawal sistem besar ini secara autonomi. Satu lagi ciri menarik ialah penukar voltan rendah mampu menukar 400V kepada 10-15V dengan kecekapan 79% (Nota Tambahan 11 dan Rajah Tambahan 11.3).
Akhir sekali, kami menilai kecekapan modul MLC ini dalam menukar tenaga haba kepada tenaga elektrik. Faktor kualiti η kecekapan ditakrifkan sebagai nisbah ketumpatan tenaga elektrik terkumpul Nd kepada ketumpatan haba yang dibekalkan Qin (Nota tambahan 12):
Rajah 3a,b menunjukkan kecekapan η dan kecekapan berkadar ηr kitaran Olsen, masing-masing, sebagai fungsi julat suhu MLC PST tebal 0.5 mm. Kedua-dua set data diberikan untuk medan elektrik 195 kV cm-1. Kecekapan \(\ini\) mencapai 1.43%, yang bersamaan dengan 18% daripada ηr. Walau bagaimanapun, untuk julat suhu 10 K dari 25 °C hingga 35 °C, ηr mencapai nilai sehingga 40% (lengkung biru dalam Rajah 3b). Ini adalah dua kali ganda nilai yang diketahui untuk bahan NLP yang direkodkan dalam filem PMN-PT (ηr = 19%) dalam julat suhu 10 K dan 300 kV cm-1 (Ruj. 18). Julat suhu di bawah 10 K tidak dipertimbangkan kerana histerisis terma MLC PST adalah antara 5 dan 8 K. Pengiktirafan kesan positif peralihan fasa ke atas kecekapan adalah kritikal. Malah, nilai optimum η dan ηr hampir semuanya diperoleh pada suhu awal Ti = 25°C dalam Rajah. 3a,b. Ini disebabkan oleh peralihan fasa rapat apabila tiada medan digunakan dan suhu Curie TC adalah sekitar 20 ° C dalam MLC ini (Nota Tambahan 13).
a, b, kecekapan η dan kecekapan berkadar kitaran Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } untuk elektrik maksimum dengan medan 195 kV cm-1 dan suhu permulaan yang berbeza Ti, }}\,\)(b) untuk MPC PST 0.5 mm tebal, bergantung pada selang suhu ΔTspan.
Pemerhatian terakhir mempunyai dua implikasi penting: (1) sebarang kayuhan yang berkesan mesti bermula pada suhu di atas TC untuk peralihan fasa teraruh medan (daripada paraelektrik kepada feroelektrik) berlaku; (2) bahan ini lebih cekap pada masa larian berhampiran TC. Walaupun kecekapan berskala besar ditunjukkan dalam eksperimen kami, julat suhu terhad tidak membenarkan kami mencapai kecekapan mutlak yang besar disebabkan oleh had Carnot (\(\Delta T/T\)). Walau bagaimanapun, kecekapan cemerlang yang ditunjukkan oleh MLC PST ini membenarkan Olsen apabila beliau menyebut bahawa "motor termoelektrik regeneratif kelas ideal 20 yang beroperasi pada suhu antara 50 °C dan 250 °C boleh mempunyai kecekapan 30%"17. Untuk mencapai nilai ini dan menguji konsep, adalah berguna untuk menggunakan PST doped dengan TC yang berbeza, seperti yang dikaji oleh Shebanov dan Borman. Mereka menunjukkan bahawa TC dalam PST boleh berbeza dari 3°C (Sb doping) hingga 33°C (Ti doping) 22 . Oleh itu, kami membuat hipotesis bahawa penjana semula piroelektrik generasi akan datang berdasarkan MLC PST doped atau bahan lain dengan peralihan fasa tertib pertama yang kuat boleh bersaing dengan penuai kuasa terbaik.
Dalam kajian ini, kami menyiasat MLC yang dibuat daripada PST. Peranti ini terdiri daripada satu siri elektrod Pt dan PST, di mana beberapa kapasitor disambung secara selari. PST dipilih kerana ia adalah bahan EC yang sangat baik dan oleh itu bahan NLP yang berpotensi cemerlang. Ia mempamerkan peralihan fasa ferroelektrik-paraelektrik tertib pertama yang tajam sekitar 20 °C, menunjukkan bahawa perubahan entropinya adalah serupa dengan yang ditunjukkan dalam Rajah 1. MLC serupa telah diterangkan sepenuhnya untuk peranti EC13,14. Dalam kajian ini, kami menggunakan 10.4 × 7.2 × 1 mm³ dan 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ MLC. MLC dengan ketebalan 1 mm dan 0.5 mm dibuat daripada 19 dan 9 lapisan PST dengan ketebalan 38.6 µm, masing-masing. Dalam kedua-dua kes, lapisan PST dalam diletakkan di antara elektrod platinum setebal 2.05 µm. Reka bentuk MLC ini mengandaikan bahawa 55% daripada PST adalah aktif, sepadan dengan bahagian antara elektrod (Nota Tambahan 1). Kawasan elektrod aktif ialah 48.7 mm2 (Jadual Tambahan 5). MLC PST disediakan melalui tindak balas fasa pepejal dan kaedah tuangan. Butiran proses penyediaan telah diterangkan dalam artikel sebelum ini14. Salah satu perbezaan antara PST MLC dan artikel sebelumnya ialah susunan tapak B, yang sangat mempengaruhi prestasi EC dalam PST. Susunan tapak-B PST MLC ialah 0.75 (Nota Tambahan 2) yang diperoleh dengan pensinteran pada 1400°C diikuti dengan ratusan jam penyepuhlindapan pada 1000°C. Untuk maklumat lanjut tentang PST MLC, lihat Nota Tambahan 1-3 dan Jadual Tambahan 5.
Konsep utama kajian ini adalah berdasarkan kitaran Olson (Rajah 1). Untuk kitaran sedemikian, kita memerlukan takungan panas dan sejuk serta bekalan kuasa yang mampu memantau dan mengawal voltan dan arus dalam pelbagai modul MLC. Kitaran langsung ini menggunakan dua konfigurasi berbeza, iaitu (1) Modul Linkam memanaskan dan menyejukkan satu MLC yang disambungkan kepada sumber kuasa Keithley 2410, dan (2) tiga prototaip (HARV1, HARV2 dan HARV3) selari dengan tenaga sumber yang sama. Dalam kes kedua, cecair dielektrik (minyak silikon dengan kelikatan 5 cP pada 25°C, dibeli daripada Sigma Aldrich) digunakan untuk pertukaran haba antara dua takungan (panas dan sejuk) dan MLC. Takungan haba terdiri daripada bekas kaca yang diisi dengan cecair dielektrik dan diletakkan di atas plat haba. Penyimpanan sejuk terdiri daripada tab mandi air dengan tiub cecair yang mengandungi cecair dielektrik dalam bekas plastik besar yang diisi dengan air dan ais. Dua injap picit tiga hala (dibeli daripada Bio-Chem Fluidics) diletakkan pada setiap hujung gabungan untuk menukar bendalir dengan betul dari satu takungan ke takungan yang lain (Rajah 2a). Untuk memastikan keseimbangan terma antara pakej PST-MLC dan penyejuk, tempoh kitaran dilanjutkan sehingga termokopel masuk dan keluar (sedekat mungkin dengan pakej PST-MLC) menunjukkan suhu yang sama. Skrip Python mengurus dan menyegerakkan semua instrumen (meter sumber, pam, injap, dan termokopel) untuk menjalankan kitaran Olson yang betul, iaitu gelung penyejuk mula berbasikal melalui timbunan PST selepas meter sumber dicas supaya ia menjadi panas pada suhu yang dikehendaki. voltan yang digunakan untuk kitaran Olson tertentu.
Sebagai alternatif, kami telah mengesahkan pengukuran langsung tenaga terkumpul ini dengan kaedah tidak langsung. Kaedah tidak langsung ini adalah berdasarkan anjakan elektrik (D) - gelung medan medan elektrik (E) yang dikumpul pada suhu yang berbeza, dan dengan mengira kawasan antara dua gelung DE, seseorang boleh menganggarkan dengan tepat berapa banyak tenaga yang boleh dikumpul, seperti yang ditunjukkan dalam rajah. . dalam rajah 2. .1b. Gelung DE ini juga dikumpul menggunakan meter sumber Keithley.
Dua puluh lapan MLC PST tebal 1 mm telah dipasang dalam struktur plat selari 4 baris, 7 lajur mengikut reka bentuk yang diterangkan dalam rujukan. 14. Jurang bendalir antara baris PST-MLC ialah 0.75mm. Ini dicapai dengan menambahkan jalur pita dua sisi sebagai pengatur jarak cecair di sekeliling tepi PST MLC. MLC PST disambungkan secara elektrik selari dengan jambatan epoksi perak yang bersentuhan dengan petunjuk elektrod. Selepas itu, wayar dilekatkan dengan resin epoksi perak pada setiap sisi terminal elektrod untuk sambungan ke bekalan kuasa. Akhir sekali, masukkan keseluruhan struktur ke dalam hos poliolefin. Yang terakhir dilekatkan pada tiub bendalir untuk memastikan pengedap yang betul. Akhirnya, termokopel jenis K setebal 0.25 mm telah dibina pada setiap hujung struktur PST-MLC untuk memantau suhu cecair masuk dan keluar. Untuk melakukan ini, hos mesti terlebih dahulu berlubang. Selepas memasang termokopel, sapukan pelekat yang sama seperti sebelumnya di antara hos termokopel dan wayar untuk memulihkan pengedap.
Lapan prototaip berasingan telah dibina, empat daripadanya mempunyai 40 PST MLC setebal 0.5 mm yang diedarkan sebagai plat selari dengan 5 lajur dan 8 baris, dan empat yang selebihnya mempunyai 15 1 mm tebal PST MLC setiap satu. dalam struktur plat selari 3-lajur × 5-baris. Jumlah bilangan MLC PST yang digunakan ialah 220 (160 0.5 mm tebal dan 60 PST MLC 1 mm tebal). Kami memanggil dua subunit ini HARV2_160 dan HARV2_60. Jurang cecair dalam prototaip HARV2_160 terdiri daripada dua pita dua muka setebal 0.25 mm dengan wayar setebal 0.25 mm di antaranya. Untuk prototaip HARV2_60, kami mengulangi prosedur yang sama, tetapi menggunakan dawai tebal 0.38 mm. Untuk simetri, HARV2_160 dan HARV2_60 mempunyai litar bendalir, pam, injap dan bahagian sejuk mereka sendiri (Nota Tambahan 8). Dua unit HARV2 berkongsi takungan haba, bekas 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) pada dua plat panas dengan magnet berputar. Kesemua lapan prototaip individu disambungkan secara elektrik secara selari. Subunit HARV2_160 dan HARV2_60 berfungsi serentak dalam kitaran Olson yang menghasilkan penuaian tenaga sebanyak 11.2 J.
Letakkan MLC PST setebal 0.5mm ke dalam hos poliolefin dengan pita dua sisi dan wayar pada kedua-dua belah untuk mewujudkan ruang bagi cecair mengalir. Disebabkan saiznya yang kecil, prototaip itu diletakkan di sebelah injap takungan panas atau sejuk, meminimumkan masa kitaran.
Dalam PST MLC, medan elektrik malar digunakan dengan menggunakan voltan malar pada cawangan pemanasan. Akibatnya, arus haba negatif dijana dan tenaga disimpan. Selepas memanaskan PST MLC, medan dikeluarkan (V = 0), dan tenaga yang disimpan di dalamnya dikembalikan semula ke kaunter sumber, yang sepadan dengan satu lagi sumbangan tenaga terkumpul. Akhirnya, dengan voltan V = 0 dikenakan, PST MLC disejukkan ke suhu awalnya supaya kitaran boleh bermula semula. Pada peringkat ini, tenaga tidak dikumpulkan. Kami menjalankan kitaran Olsen menggunakan Keithley 2410 SourceMeter, mengecas MLC PST daripada sumber voltan dan menetapkan padanan semasa kepada nilai yang sesuai supaya mata yang mencukupi dikumpulkan semasa fasa pengecasan untuk pengiraan tenaga yang boleh dipercayai.
Dalam kitaran Stirling, PST MLC telah dicas dalam mod sumber voltan pada nilai medan elektrik awal (voltan awal Vi > 0), arus pematuhan yang diingini supaya langkah pengecasan mengambil masa sekitar 1 saat (dan titik yang mencukupi dikumpulkan untuk pengiraan yang boleh dipercayai tenaga) dan suhu sejuk. Dalam kitaran Stirling, PST MLC telah dicas dalam mod sumber voltan pada nilai medan elektrik awal (voltan awal Vi > 0), arus pematuhan yang diingini supaya langkah pengecasan mengambil masa sekitar 1 saat (dan titik yang mencukupi dikumpulkan untuk pengiraan yang boleh dipercayai tenaga) dan suhu sejuk. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура. Dalam kitaran Stirling PST MLC, ia telah dicas dalam mod sumber voltan pada nilai awal medan elektrik (voltan awal Vi > 0), arus hasil yang diingini, supaya peringkat pengecasan mengambil masa kira-kira 1 s (dan bilangan yang mencukupi daripada mata dikumpul untuk pengiraan tenaga yang boleh dipercayai) dan suhu sejuk.PST MLC充电步骤大约需要1 秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 Dalam kitaran induk, PST MLC dicas pada nilai medan elektrik awal (voltan awal Vi > 0) dalam mod sumber voltan, supaya arus pematuhan yang diperlukan mengambil masa kira-kira 1 saat untuk langkah pengecasan (dan kami mengumpul mata yang mencukupi untuk mengira dengan pasti (tenaga) dan suhu rendah. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического полны (напряжения с начальным значением электрического полны (начальным) ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежнек) температуры . Dalam kitaran Stirling, PST MLC dicas dalam mod sumber voltan dengan nilai awal medan elektrik (voltan awal Vi > 0), arus pematuhan yang diperlukan adalah sedemikian rupa sehingga peringkat pengecasan mengambil masa kira-kira 1 s (dan jumlah yang mencukupi daripada mata dikumpul untuk mengira tenaga dengan pasti) dan suhu rendah .Sebelum PST MLC menjadi panas, buka litar dengan menggunakan arus padanan I = 0 mA (arus padanan minimum yang boleh dikendalikan oleh sumber pengukur kami ialah 10 nA). Akibatnya, cas kekal dalam PST MJK, dan voltan meningkat apabila sampel menjadi panas. Tiada tenaga terkumpul dalam lengan BC kerana I = 0 mA. Selepas mencapai suhu tinggi, voltan dalam MLT FT meningkat (dalam beberapa kes lebih daripada 30 kali ganda, lihat rajah tambahan 7.2), MLK FT dinyahcas (V = 0), dan tenaga elektrik disimpan di dalamnya untuk masa yang sama kerana ia adalah caj awal. Surat-menyurat semasa yang sama dikembalikan kepada sumber meter. Oleh kerana keuntungan voltan, tenaga yang disimpan pada suhu tinggi adalah lebih tinggi daripada apa yang disediakan pada permulaan kitaran. Akibatnya, tenaga diperoleh dengan menukar haba kepada elektrik.
Kami menggunakan Keithley 2410 SourceMeter untuk memantau voltan dan arus yang digunakan pada PST MLC. Tenaga yang sepadan dikira dengan menyepadukan hasil voltan dan arus yang dibaca oleh meter sumber Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ kiri(t\ kanan){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), dengan τ ialah tempoh tempoh itu. Pada lengkung tenaga kita, nilai tenaga positif bermaksud tenaga yang kita perlu berikan kepada MLC PST, dan nilai negatif bermaksud tenaga yang kita ekstrak daripadanya dan oleh itu tenaga yang diterima. Kuasa relatif untuk kitaran pengumpulan tertentu ditentukan dengan membahagikan tenaga terkumpul dengan tempoh τ keseluruhan kitaran.
Semua data dibentangkan dalam teks utama atau dalam maklumat tambahan. Surat dan permintaan untuk bahan hendaklah ditujukan kepada sumber data AT atau ED yang disediakan bersama artikel ini.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Kajian semula pembangunan dan aplikasi penjana mikro termoelektrik untuk penuaian tenaga. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Kajian semula pembangunan dan aplikasi penjana mikro termoelektrik untuk penuaian tenaga.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO dan Henao, NC Tinjauan keseluruhan pembangunan dan aplikasi penjana mikro termoelektrik untuk penuaian tenaga. 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, dan Henao, NC sedang mempertimbangkan pembangunan dan aplikasi penjana mikro termoelektrik untuk penuaian tenaga.resume. sokongan. Tenaga Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Bahan fotovoltaik: kecekapan semasa dan cabaran masa depan. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Bahan fotovoltaik: kecekapan semasa dan cabaran masa depan.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. dan Sinke, bahan VK Photovoltaic: prestasi semasa dan cabaran masa depan. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Bahan solar: kecekapan semasa dan cabaran masa depan.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. dan Sinke, bahan VK Photovoltaic: prestasi semasa dan cabaran masa depan.Sains 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Kesan pyro-piezoelektrik berganding untuk penderiaan suhu dan tekanan serentak berkuasa sendiri. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Kesan piro-piezoelektrik konjungsi untuk penderiaan suhu dan tekanan serentak berkuasa sendiri.Song K., Zhao R., Wang ZL dan Yan Yu. Kesan pyropiezoelectric gabungan untuk pengukuran serentak autonomi suhu dan tekanan. 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. Untuk berkuasa sendiri pada masa yang sama dengan suhu dan tekanan.Song K., Zhao R., Wang ZL dan Yan Yu. Kesan termopiezoelektrik gabungan untuk pengukuran serentak autonomi suhu dan tekanan.ke hadapan. almamater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Penuaian tenaga berdasarkan kitaran piroelektrik Ericsson dalam seramik ferroelektrik relaxor. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Penuaian tenaga berdasarkan kitaran piroelektrik Ericsson dalam seramik ferroelektrik relaxor.Sebald G., Prouvost S. dan Guyomar D. Penuaian tenaga berdasarkan kitaran piroelektrik Ericsson dalam seramik ferroelektrik relaxor.Sebald G., Prouvost S. dan Guyomar D. Penuaian tenaga dalam seramik ferroelektrik relaxor berdasarkan kitaran piroelektrik Ericsson. Almamater yang bijak. struktur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalorik dan piroelektrik generasi seterusnya untuk pertukaran tenaga elektroterma keadaan pepejal. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalorik dan piroelektrik generasi seterusnya untuk pertukaran tenaga elektroterma keadaan pepejal. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего заледующего покиля го покилего твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalorik dan piroelektrik generasi seterusnya untuk pertukaran tenaga elektroterma keadaan pepejal. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего заледующего покиля го покилего твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalorik dan piroelektrik generasi seterusnya untuk pertukaran tenaga elektroterma keadaan pepejal.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard dan angka merit untuk mengukur prestasi penjana nano piroelektrik. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard dan angka merit untuk mengukur prestasi penjana nano piroelektrik.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL dan Yang, Yu. Skor standard dan kualiti untuk mengukur prestasi penjana nano piroelektrik. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL dan Yang, Yu. Kriteria dan ukuran prestasi untuk mengukur prestasi penjana nano piroelektrik.Tenaga Nano 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Kitaran penyejukan elektrokalorik dalam skandium plumbum tantalate dengan penjanaan semula sebenar melalui variasi medan. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Kitaran penyejukan elektrokalorik dalam skandium plumbum tantalate dengan penjanaan semula sebenar melalui variasi medan.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. dan Mathur, ND Kitaran penyejukan Electrocaloric dalam plumbum-skandium tantalate dengan penjanaan semula sebenar melalui pengubahsuaian medan. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环，通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantalum酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. dan Mathur, ND Kitaran penyejukan elektroterma tantalat plumbum skandium untuk penjanaan semula sebenar melalui pembalikan medan.fizik Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori berhampiran peralihan fasa feroik. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori berhampiran peralihan fasa feroik.Moya, X., Kar-Narayan, S. dan Mathur, ND Bahan kalori berhampiran peralihan fasa ferroid. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan terma berhampiran metalurgi ferus.Moya, X., Kar-Narayan, S. dan Mathur, ND Bahan terma berhampiran peralihan fasa besi.Nat. almamater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Bahan kalori untuk penyejukan dan pemanasan. Moya, X. & Mathur, ND Bahan kalori untuk penyejukan dan pemanasan.Moya, X. dan Mathur, ND Bahan terma untuk penyejukan dan pemanasan. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Bahan terma untuk penyejukan dan pemanasan.Moya X. dan Mathur ND Bahan terma untuk penyejukan dan pemanasan.Sains 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: ulasan. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: ulasan.Torello, A. dan Defay, E. Electrocaloric chillers: ulasan. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. dan Defay, E. Penyejuk elektroterma: ulasan.Maju. elektronik. almamater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Kecekapan tenaga yang sangat besar bagi bahan elektrokalori dalam skandium-skandium-plumbum yang sangat teratur. berkomunikasi kebangsaan. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Kesan elektroterma bagi kapasitor berbilang lapisan oksida adalah besar pada julat suhu yang luas. Alam 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Julat suhu yang besar dalam penjana semula elektroterma. Sains 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistem penyejukan elektroterma keadaan pepejal berprestasi tinggi. Sains 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Peranti penyejukan elektroterma lata untuk kenaikan suhu yang besar. Tenaga Negara 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Kecekapan tinggi penukaran langsung haba kepada pengukuran piroelektrik berkaitan tenaga elektrik. Olsen, RB & Brown, DD Kecekapan tinggi penukaran langsung haba kepada pengukuran piroelektrik berkaitan tenaga elektrik.Olsen, RB dan Brown, DD Penukaran langsung haba yang sangat cekap kepada tenaga elektrik yang berkaitan dengan pengukuran piroelektrik. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB dan Brown, DD Penukaran langsung haba kepada elektrik yang cekap yang berkaitan dengan pengukuran piroelektrik.Ferroelektrik 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Tenaga dan ketumpatan kuasa dalam filem ferroelektrik relaxor nipis. Almamater negara. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Penukaran piroelektrik lata: mengoptimumkan peralihan fasa feroelektrik dan kehilangan elektrik. Smith, AN & Hanrahan, BM Penukaran piroelektrik lata: mengoptimumkan peralihan fasa feroelektrik dan kehilangan elektrik.Smith, AN dan Hanrahan, BM Penukaran piroelektrik bertingkat: peralihan fasa ferroelektrik dan pengoptimuman kehilangan elektrik. 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 dan Hanrahan, BM Penukaran piroelektrik Lari: pengoptimuman peralihan fasa feroelektrik dan kehilangan elektrik.J. Permohonan. fizik. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Penggunaan bahan ferroelektrik untuk menukar tenaga haba kepada elektrik. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Penukar tenaga piroelektrik lata. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Penukar tenaga piroelektrik lata.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM dan 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 dan Dullea, J. Penukar kuasa piroelektrik Cascaded.Ferroelektrik 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Pada larutan pepejal tantalat plumbum-skandium dengan kesan elektrokalorik tinggi. Shebanov, L. & Borman, K. Pada larutan pepejal tantalat plumbum-skandium dengan kesan elektrokalorik tinggi.Shebanov L. dan Borman K. Pada larutan pepejal plumbum-skandium tantalat dengan kesan elektrokalorik yang tinggi. 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. dan Borman K. Pada larutan pepejal skandium-plumbum-skandium dengan kesan elektrokalorik yang tinggi.Ferroelektrik 127, 143–148 (1992).
Kami berterima kasih kepada N. Furusawa, Y. Inoue, dan K. Honda atas bantuan mereka dalam mencipta MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB dan ED Terima kasih kepada Luxembourg National Research Foundation (FNR) kerana menyokong kerja ini melalui CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay dan BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Jabatan Penyelidikan dan Teknologi Bahan, Institut Teknologi Luxembourg (LIST), Belvoir, Luxembourg