Að bjóða upp á sjálfbærar raforkugjafa er ein mikilvægasta áskorun þessarar aldar. Rannsóknarsvið í orkuöflunarefnum stafa af þessari hvatningu, þar á meðal hitarafmagn1, ljósvökva2 og hitaljós3. Þrátt fyrir að okkur skorti efni og tæki sem geta uppskorið orku á Joule-sviðinu, eru eldflaugar sem geta umbreytt raforku í reglubundnar hitabreytingar talin skynjarar4 og orkuuppskerarar5,6,7. Hér höfum við þróað stórsæja varmaorkuuppskeru í formi fjöllaga þétta úr 42 grömmum af blýskandiumtantalati, sem framleiðir 11,2 J af raforku í hverri varmaaflfræðilegri hringrás. Hver hitaeining getur framleitt raforkuþéttleika allt að 4,43 J cm-3 á hverri lotu. Við sýnum einnig að tvær slíkar einingar sem vega 0,3 g nægja til að knýja stöðugt sjálfvirkar orkuuppskerutæki með innbyggðum örstýringum og hitaskynjara. Að lokum sýnum við að fyrir hitastig á bilinu 10 K geta þessir fjöllaga þéttar náð 40% Carnot skilvirkni. Þessir eiginleikar eru vegna (1) járnfasabreytinga fyrir mikla afköst, (2) lágs lekastraums til að koma í veg fyrir tap og (3) hárri niðurbrotsspennu. Þessar stórsæju, skalanlegu og skilvirku raforkuuppskerutæki eru að endurmynda hitaorkuframleiðslu.
Í samanburði við staðbundna hitastigshallann sem krafist er fyrir varmarafmagn, krefst orkuuppskera hitarafmagns efna að hitastigið breytist með tímanum. Þetta þýðir hitaaflfræðilega hringrás, sem er best lýst með óreiðu (S)-hita (T) skýringarmyndinni. Mynd 1a sýnir dæmigerða ST plot af ólínulegu hitarauða (NLP) efni sem sýnir sviðsknúið ferrolectric-paraelectric fasaskipti í skandíum blýtantalati (PST). Blái og græni hlutinn í hringrásinni á ST skýringarmyndinni samsvarar umbreyttri raforku í Olson hringrásinni (tveir jafnhita- og tveir samsætuhlutar). Hér lítum við á tvær lotur með sömu rafsviðsbreytingu (sviði kveikt og slökkt) og hitabreytingu ΔT, þó með mismunandi upphafshitastigi. Græna hringrásin er ekki staðsett á áfangaskiptasvæðinu og hefur því mun minna svæði en bláa hringrásin sem staðsett er á áfangaskiptasvæðinu. Í ST skýringarmyndinni, því stærra svæði, því meiri er safnað orka. Þess vegna verða fasaskiptin að safna meiri orku. Þörfin fyrir hjólreiðar á stóru svæði í NLP er mjög svipuð þörfinni fyrir rafhitanotkun9, 10, 11, 12 þar sem PST fjöllaga þéttar (MLC) og PVDF byggðar terfjölliður hafa nýlega sýnt framúrskarandi öfug árangur. kæliárangursstaða í lotu 13,14,15,16. Þess vegna höfum við bent á PST MLCs sem eru áhugaverðir fyrir uppskeru á varmaorku. Þessum sýnum hefur verið lýst að fullu í aðferðunum og þau einkennd í viðbótarskýringum 1 (skönnun rafeindasmásjár), 2 (röntgengeislun) og 3 (hitamæling).
a, Skissu af óreiðu (S)-hita (T) plot með rafsviði á og slökkt á NLP efni sem sýnir fasaskipti. Tvær orkusöfnunarlotur eru sýndar á tveimur mismunandi hitabeltum. Bláa og græna hringrásin eiga sér stað innan og utan fasabreytinganna, í sömu röð, og enda á mjög mismunandi svæðum á yfirborðinu. b, tveir DE PST MLC einpolaðir hringir, 1 mm þykkir, mældir á milli 0 og 155 kV cm-1 við 20 °C og 90 °C, í sömu röð, og samsvarandi Olsen hringrás. Stafirnir ABCD vísa til mismunandi ástands í Olson hringrásinni. AB: MLCs voru hlaðnir í 155 kV cm-1 við 20°C. BC: MLC var haldið við 155 kV cm-1 og hitastigið hækkað í 90 °C. CD: MLC losar við 90°C. DA: MLC kælt í 20°C í núllsviði. Bláa svæðið samsvarar inntaksafli sem þarf til að hefja lotuna. Appelsínugula svæðið er orkan sem safnað er í einni lotu. c, efsta spjaldið, spenna (svört) og straumur (rauður) á móti tíma, rakin í sömu Olson-lotu og b. Innskotin tvö tákna mögnun spennu og straums á lykilstöðum í hringrásinni. Í neðri spjaldinu tákna gula og græna ferillinn samsvarandi hita- og orkuferil, í sömu röð, fyrir 1 mm þykkan MLC. Orka er reiknuð út frá straum- og spennukúrfunum á efsta spjaldinu. Neikvæð orka samsvarar orkunni sem safnað er. Skrefin sem samsvara hástöfunum í myndunum fjórum eru þau sömu og í Olson hringrásinni. Hringrásin AB'CD samsvarar Stirling hringrásinni (viðbótarathugasemd 7).
þar sem E og D eru rafsviðið og raffærslusviðið, í sömu röð. Nd er hægt að fá óbeint úr DE hringrásinni (Mynd 1b) eða beint með því að hefja hitaaflfræðilega hringrás. Hagnýtustu aðferðunum lýsti Olsen í brautryðjendastarfi sínu við söfnun hitaorku á níunda áratugnum17.
Á mynd. 1b sýnir tvær einskautar DE-lykkjur af 1 mm þykkum PST-MLC sýni sett saman við 20 °C og 90 °C, í sömu röð, á bilinu 0 til 155 kV cm-1 (600 V). Þessar tvær lotur er hægt að nota til að reikna óbeint út orkuna sem safnað er með Olson hringrásinni sem sýnd er á mynd 1a. Í raun samanstendur Olsen hringrásin af tveimur ísósviðsgreinum (hér, núllsvið í DA greininni og 155 kV cm-1 í BC greininni) og tveimur jafnhitagreinum (hér, 20°С og 20°С í AB greininni) . C í CD greininni) Orkan sem safnað er í hringrásinni samsvarar appelsínugulu og bláu svæði (EdD integral). Safnaða orkan Nd er munurinn á inn- og útgangsorku, þ.e. aðeins appelsínugula svæðið á mynd. 1b. Þessi tiltekna Olson hringrás gefur Nd orkuþéttleika upp á 1,78 J cm-3. Stirling hringrásin er valkostur við Olson hringrásina (viðbótarskýring 7). Vegna þess að auðveldara er að ná stöðugu hleðsluþrepinu (opnu hringrásinni), nær orkuþéttleikinn sem dreginn er út úr mynd 1b (hringrás AB'CD) 1,25 J cm-3. Þetta er aðeins 70% af því sem Olson hringrásin getur safnað, en einfaldur uppskerubúnaður gerir það.
Að auki mældum við beint orkuna sem safnað var í Olson hringrásinni með því að virkja PST MLC með því að nota Linkam hitastýringarstig og uppsprettamæli (aðferð). Mynd 1c efst og í viðkomandi innfellingum sýnir strauminn (rauðan) og spennuna (svört) safnað á sama 1 mm þykka PST MLC og fyrir DE lykkjuna sem fer í gegnum sömu Olson hringrásina. Straumur og spenna gera það mögulegt að reikna út safnaða orku og ferlurnar eru sýndar á mynd. 1c, botn (grænn) og hitastig (gulur) í gegnum hringrásina. Stafirnir ABCD tákna sömu Olson-hringrásina á mynd 1. MLC-hleðsla á sér stað á AB-leggnum og fer fram við lágan straum (200 µA), þannig að SourceMeter getur stjórnað hleðslu á réttan hátt. Afleiðing þessa stöðuga upphafsstraums er að spennuferillinn (svartur ferillinn) er ekki línulegur vegna ólínulegs tilfærslusviðs D PST (mynd 1c, innfelld efst). Í lok hleðslu er 30 mJ af raforku geymd í MLC (liður B). MLC hitnar svo og neikvæður straumur (og þar af leiðandi neikvæður straumur) myndast á meðan spennan helst í 600 V. Eftir 40 sekúndur, þegar hitastigið náði hásléttu upp á 90 °C, var bætt upp fyrir þennan straum, þó skrefasýnin framleitt í hringrásinni 35 mJ rafafl á þessu jafnsviði (annar innfelling á mynd 1c, efst). Þá minnkar spennan á MLC (branch CD) sem leiðir til 60 mJ viðbótar rafmagnsvinnu. Heildarúttaksorka er 95 mJ. Safnað orka er munurinn á inn- og útgangsorku sem gefur 95 – 30 = 65 mJ. Þetta samsvarar orkuþéttleika upp á 1,84 J cm-3, sem er mjög nálægt Nd sem er dregið úr DE hringnum. Endurtakanleiki þessarar Olson-lotu hefur verið mikið prófaður (viðbótarathugasemd 4). Með því að auka spennu og hitastig enn frekar náðum við 4,43 J cm-3 með því að nota Olsen hringrás í 0,5 mm þykkum PST MLC á hitabilinu 750 V (195 kV cm-1) og 175 °C (aukaskýring 5). Þetta er fjórum sinnum meira en besti árangur sem greint er frá í bókmenntum fyrir beinar Olson-lotur og fékkst á þunnum filmum af Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Viðbótarupplýsingar Tafla 1 fyrir fleiri gildi í bókmenntum). Þessi frammistaða hefur náðst vegna mjög lágs lekastraums þessara MLCs (<10−7 A við 750 V og 180 °C, sjá nánari upplýsingar í viðbótarskýringu 6) – mikilvægt atriði sem Smith o.fl.19 nefnir – öfugt til efna sem notuð voru í fyrri rannsóknum17,20. Þessi frammistaða hefur náðst vegna mjög lágs lekastraums þessara MLCs (<10−7 A við 750 V og 180 °C, sjá nánari upplýsingar í viðbótarskýringu 6) – mikilvægt atriði sem Smith o.fl.19 nefnir – öfugt til efna sem notuð voru í fyrri rannsóknum17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 а при 750 В ± 180 В олнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Þessir eiginleikar náðust vegna mjög lágs lekastraums þessara MLCs (<10–7 A við 750 V og 180 °C, sjá viðbótarathugasemd 6 fyrir nánari upplýsingar) – mikilvægur punktur sem nefndur er af Smith o.fl. 19 – öfugt við efni sem notuð voru í fyrri rannsóknum17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充似说昦说细 丯说细等人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 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 相比之下缌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 og 180 °C, см. подробности в дополнитель дополнитель) момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Þar sem lekastraumur þessara MLC er mjög lítill (<10–7 A við 750 V og 180 °C, sjá viðbótarskýringu 6 fyrir nánari upplýsingar) – lykilatriði sem Smith o.fl. 19 – til samanburðar náðist þessi frammistaða.til efna sem notuð voru í fyrri rannsóknum 17,20.
Sömu skilyrði (600 V, 20–90 °C) giltu fyrir Stirling hringrásina (viðbótarskýring 7). Eins og búist var við af niðurstöðum DE lotunnar var afraksturinn 41,0 mJ. Einn af mest sláandi eiginleikum Stirling hringrása er hæfni þeirra til að magna upphafsspennuna í gegnum hitarafmagnið. Við sáum spennuaukningu allt að 39 (frá upphafsspennu 15 V til lokaspennu allt að 590 V, sjá aukamynd 7.2).
Annar sérkenni þessarar MLC er að þeir eru stórsæir hlutir sem eru nógu stórir til að safna orku á joule-sviðinu. Þess vegna smíðuðum við frumgerð uppskeruvélar (HARV1) með 28 MLC PST 1 mm þykkt, eftir sömu samhliða plötuhönnun sem lýst er af Torello o.fl.14, í 7×4 fylki eins og sýnt er á mynd. sundrið er fært til með peristaltic dælu á milli tveggja geyma þar sem hitastigi vökva er haldið stöðugum (aðferð). Safnaðu allt að 3,1 J með því að nota Olson hringrásina sem lýst er á mynd. 2a, jafnhitasvæði við 10°C og 125°C og ísósviðssvæði við 0 og 750 V (195 kV cm-1). Þetta samsvarar 3,14 J cm-3 orkuþéttleika. Með því að nota þessa sameina voru mælingar teknar við ýmsar aðstæður (mynd 2b). Athugið að 1,8 J fékkst á hitabilinu 80 °C og spennu upp á 600 V (155 kV cm-1). Þetta er í góðu samræmi við áðurnefnda 65 mJ fyrir 1 mm þykkt PST MLC við sömu skilyrði (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Tilraunauppsetning á samsettri HARV1 frumgerð byggða á 28 MLC PST 1 mm þykkum (4 raðir × 7 dálkar) sem keyra á Olson lotum. Fyrir hvert af fjórum lotuþrepunum er hitastig og spenna gefin upp í frumgerðinni. Tölvan knýr peristaltic dælu sem dreifir rafstraumsvökva milli köldu og heitu geymanna, tveggja loka og aflgjafa. Tölvan notar einnig hitatengi til að safna gögnum um spennuna og strauminn sem kemur til frumgerðarinnar og hitastig sameindarinnar frá aflgjafanum. b, Orka (litur) safnað af 4×7 MLC frumgerð okkar á móti hitastigi (X-ás) og spennu (Y-ás) í mismunandi tilraunum.
Stærri útgáfa af uppskeruvélinni (HARV2) með 60 PST MLC 1 mm þykkt og 160 PST MLC 0,5 mm þykkt (41,7 g af virku gjóskuefni) gaf 11,2 J (aukaskýring 8). Árið 1984 bjó Olsen til orkuuppskeru sem byggði á 317 g af tin-dópuðu Pb(Zr,Ti)O3 efnasambandi sem getur framleitt 6,23 J af rafmagni við um 150 °C hitastig (tilvísun 21). Fyrir þessa sameina er þetta eina annað gildið sem er í boði á joule bilinu. Það fékk rúmlega helmingi meira en við náðum og næstum sjöföld gæði. Þetta þýðir að orkuþéttleiki HARV2 er 13 sinnum hærri.
HARV1 lotutímabilið er 57 sekúndur. Þetta framleiddi 54 mW af krafti með 4 röðum af 7 dálkum af 1 mm þykkum MLC settum. Til að taka það einu skrefi lengra, smíðuðum við þriðju sameina (HARV3) með 0,5 mm þykkum PST MLC og svipaðri uppsetningu og HARV1 og HARV2 (viðbótarathugasemd 9). Við mældum hitauppstreymistíma upp á 12,5 sekúndur. Þetta samsvarar 25 sekúndum hringrásartíma (aukamynd. 9). Safnaða orkan (47 mJ) gefur raforku upp á 1,95 mW á MLC, sem aftur gerir okkur kleift að ímynda okkur að HARV2 framleiði 0,55 W (um það bil 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm þykkt). Að auki hermum við eftir hitaflutningi með því að nota Finite Element Simulation (COMSOL, viðbótarskýring 10 og viðbótartöflur 2–4) sem samsvarar HARV1 tilraununum. Endanlegt frumlíkan gerði það mögulegt að spá fyrir um aflgildi næstum stærðargráðu hærri (430 mW) fyrir sama fjölda PST dálka með því að þynna MLC í 0,2 mm, nota vatn sem kælivökva og endurheimta fylkið í 7 raðir . × 4 súlur (auk , voru 960 mW þegar tankurinn var við hlið sameindarinnar, aukamynd 10b).
Til að sýna fram á notagildi þessa safnara var Stirling hringrás beitt á sjálfstæðan sýnikennda sem samanstóð af aðeins tveimur 0,5 mm þykkum PST MLC sem hitasafnara, háspennulofa, lágspennurofa með geymsluþétti, DC/DC breytir. , aflmikill örstýri, tvö hitatengi og straumbreytir (aukaskýring 11). Hringrásin krefst þess að geymsluþéttinn sé upphaflega hlaðinn við 9V og keyrir síðan sjálfstætt á meðan hitastig tveggja MLC er á bilinu -5°C til 85°C, hér í lotum upp á 160 s (nokkrar lotur eru sýndar í viðbótarathugasemd 11) . Merkilegt nokk, tveir MLCs sem vega aðeins 0,3g geta sjálfstætt stjórnað þessu stóra kerfi. Annar áhugaverður eiginleiki er að lágspennubreytirinn er fær um að breyta 400V í 10-15V með 79% skilvirkni (aukaskýring 11 og viðbótarmynd 11.3).
Að lokum metum við skilvirkni þessara MLC eininga við að breyta varmaorku í raforku. Gæðastuðullinn η nýtni er skilgreindur sem hlutfall þéttleika safnaðrar raforkunnar Nd og þéttleika tiltekins varma Qin (aukaskýring 12):
Myndir 3a,b sýna skilvirkni η og hlutfallslega skilvirkni ηr Olsen hringrásarinnar, í sömu röð, sem fall af hitastigi 0,5 mm þykkrar PST MLC. Bæði gagnasettin eru gefin upp fyrir rafsvið upp á 195 kV cm-1. Nýtnin \(\þetta\) nær 1,43%, sem jafngildir 18% af ηr. Hins vegar, fyrir hitastig á bilinu 10 K frá 25 °C til 35 °C, nær ηr gildi allt að 40% (blá ferill á mynd 3b). Þetta er tvöfalt þekkt gildi fyrir NLP efni skráð í PMN-PT filmum (ηr = 19%) á hitabilinu 10 K og 300 kV cm-1 (Ref. 18). Hitastig undir 10 K voru ekki tekin til greina vegna þess að hitauppstreymi PST MLC er á milli 5 og 8 K. Viðurkenning á jákvæðum áhrifum fasaskipta á skilvirkni er mikilvægt. Reyndar eru ákjósanlegu gildin fyrir η og ηr nánast öll fengin við upphafshitastig Ti = 25°C á myndum. 3a,b. Þetta stafar af nánu fasaskipti þegar ekkert sviði er notað og Curie hitastigið TC er um 20 °C í þessum MLCs (viðbótarskýring 13).
a,b, skilvirkni η og hlutfallsleg skilvirkni Olson hringrásar (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } fyrir hámarks rafmagn með sviði 195 kV cm-1 og mismunandi upphafshitastig Ti, }}\,\)(b) fyrir MPC PST 0,5 mm þykkt, allt eftir hitabilinu ΔTspan.
Síðarnefnda athugunin hefur tvær mikilvægar vísbendingar: (1) öll áhrifarík hringrás verður að hefjast við hitastig yfir TC til að sviðsframkallað fasaskipti (frá pararafmagni yfir í járn) geti átt sér stað; (2) þessi efni eru skilvirkari á keyrslutíma nálægt TC. Þrátt fyrir að umfangsmikil skilvirkni sé sýnd í tilraunum okkar, gerir takmarkað hitastig okkur ekki kleift að ná mikilli algerri skilvirkni vegna Carnot-takmarkanna (\(\Delta T/T\)). Hins vegar, hin frábæra skilvirkni sem þessi PST MLC sýnir réttlætir Olsen þegar hann nefnir að „tilvalinn flokks 20 endurnýjandi hitarafmagnsmótor sem starfar við hitastig á milli 50 °C og 250 °C getur haft skilvirkni upp á 30%“17. Til að ná þessum gildum og prófa hugmyndina væri gagnlegt að nota dópaða PST með mismunandi TC, eins og Shebanov og Borman rannsakaði. Þeir sýndu að TC í PST getur verið breytilegt frá 3°C (Sb lyfjagjöf) til 33°C (Ti doping) 22 . Þess vegna gerum við þá tilgátu að næstu kynslóðar eldflaugar sem byggjast á dópuðum PST MLC eða öðrum efnum með sterka fyrstu stigs fasaskipti geti keppt við bestu afluppskeruvélarnar.
Í þessari rannsókn rannsökuðum við MLCs úr PST. Þessi tæki samanstanda af röð Pt og PST rafskauta, þar sem nokkrir þéttar eru tengdir samhliða. PST var valið vegna þess að það er frábært EC efni og því hugsanlega frábært NLP efni. Það sýnir skarpa fyrstu gráðu járn-gerafafmagns fasaskipti um 20 °C, sem gefur til kynna að óreiðubreytingar þess séu svipaðar þeim sem sýndar eru á mynd 1. Svipuðum MLCs hefur verið lýst að fullu fyrir EC13,14 tæki. Í þessari rannsókn notuðum við 10,4 × 7,2 × 1 mm³ og 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLCs. MLCs með þykkt 1 mm og 0,5 mm voru gerðar úr 19 og 9 lögum af PST með þykkt 38,6 µm, í sömu röð. Í báðum tilfellum var innra PST lagið sett á milli 2,05 µm þykkar platínu rafskauta. Hönnun þessara MLCs gerir ráð fyrir að 55% af PSTs séu virk, sem samsvarar hlutanum á milli rafskautanna (aukaskýring 1). Virka rafskautsflatarmálið var 48,7 mm2 (viðbótartafla 5). MLC PST var útbúið með fastfasaviðbrögðum og steypuaðferð. Upplýsingar um undirbúningsferlið hefur verið lýst í fyrri grein14. Einn af mununum á PST MLC og fyrri greininni er röð B-staða, sem hefur mikil áhrif á frammistöðu EC í PST. Röð B-staða í PST MLC er 0,75 (viðbótarathugasemd 2) sem fæst með sintun við 1400°C og síðan hundruð klukkustunda löng glæðing við 1000°C. Fyrir frekari upplýsingar um PST MLC, sjá viðbótarskýringar 1-3 og viðbótartöflu 5.
Meginhugtak þessarar rannsóknar er byggt á Olson hringrásinni (mynd 1). Fyrir slíka hringrás þurfum við heitt og kalt lón og aflgjafa sem getur fylgst með og stjórnað spennu og straumi í hinum ýmsu MLC einingum. Þessar beinar hringrásir notuðu tvær mismunandi stillingar, nefnilega (1) Linkam einingar sem hituðu og kældu einn MLC tengdan Keithley 2410 aflgjafa og (2) þrjár frumgerðir (HARV1, HARV2 og HARV3) samhliða sömu orkugjafa. Í síðara tilvikinu var rafvökvi (kísillolía með seigju 5 cP við 25°C, keypt af Sigma Aldrich) notaður til varmaskipta milli geymanna tveggja (heitt og kalt) og MLC. Varmageymirinn samanstendur af gleríláti sem er fyllt með rafvökva og sett ofan á hitaplötuna. Köld geymsla samanstendur af vatnsbaði með vökvarörum sem innihalda rafvökva í stóru plastíláti sem er fyllt með vatni og ís. Tveir þríhliða klemmuventlar (keyptir frá Bio-Chem Fluidics) voru settir á hvorn enda sameindarinnar til að skipta vökva á réttan hátt úr einu geymi í annað (Mynd 2a). Til að tryggja varmajafnvægi á milli PST-MLC pakkans og kælivökvans var hringrásartímabilið framlengt þar til inntaks- og úttakshitaeiningin (eins nálægt PST-MLC pakkanum og hægt er) sýndu sama hitastig. Python forskriftin stjórnar og samstillir öll tæki (uppsprettamælar, dælur, lokar og hitatengi) til að keyra rétta Olson hringrásina, þ.e. kælivökvalykjan byrjar að hjóla í gegnum PST staflan eftir að upprunamælirinn er hlaðinn þannig að þau hitni við æskilegt beitt spennu fyrir tiltekna Olson hringrás.
Að öðrum kosti höfum við staðfest þessar beinu mælingar á safnaðri orku með óbeinum aðferðum. Þessar óbeinu aðferðir byggjast á raftilfærslu (D) – rafsviðs (E) sviðslykkjum sem safnað er við mismunandi hitastig, og með því að reikna út flatarmálið milli tveggja DE-lykkja er hægt að meta nákvæmlega hversu mikilli orku er hægt að safna, eins og sýnt er á myndinni . á mynd 2. .1b. Þessum DE lykkjum er einnig safnað með Keithley frummælum.
Tuttugu og átta 1 mm þykkar PST MLCs voru settar saman í 4 raða, 7 dálka samhliða plötubyggingu í samræmi við hönnunina sem lýst er í tilvísuninni. 14. Vökvabilið á milli PST-MLC raða er 0,75 mm. Þetta er náð með því að bæta við ræmum af tvíhliða límbandi sem fljótandi millistykki um brúnir PST MLC. PST MLC er raftengdur samhliða silfur epoxýbrú í snertingu við rafskautsleiðslur. Eftir það voru vírar límdir með silfurepoxýplastefni á hvora hlið rafskautskautanna til að tengja við aflgjafa. Að lokum skaltu setja alla uppbygginguna í pólýólefínslönguna. Hið síðarnefnda er límt á vökvarörið til að tryggja rétta þéttingu. Að lokum voru 0,25 mm þykk K-gerð hitaeining byggð inn í hvorn enda PST-MLC uppbyggingarinnar til að fylgjast með hitastigi inntaks og úttaks vökva. Til að gera þetta verður slönguna fyrst að vera götuð. Eftir að hitaeiningin hefur verið sett upp skaltu setja sama límið og áður á milli hitabeltisslöngunnar og vírsins til að endurheimta innsiglið.
Smíðaðar voru átta aðskildar frumgerðir, þar af fjórar með 40 0,5 mm þykkum MLC PST sem dreift var sem samhliða plötum með 5 dálkum og 8 röðum og hinar fjórar voru með 15 1 mm þykka MLC PST hvor. í 3-dálka × 5-raða samhliða plötubyggingu. Heildarfjöldi PST MLC sem notuð var var 220 (160 0,5 mm þykk og 60 PST MLC 1 mm þykk). Við köllum þessar tvær undireiningar HARV2_160 og HARV2_60. Vökvabilið í frumgerð HARV2_160 samanstendur af tveimur tvíhliða böndum 0,25 mm á þykkt með 0,25 mm þykkum vír á milli þeirra. Fyrir HARV2_60 frumgerðina endurtókum við sömu aðferð, en notuðum 0,38 mm þykkan vír. Fyrir samhverfu hafa HARV2_160 og HARV2_60 sínar eigin vökvarásir, dælur, lokar og kalda hlið (aukaskýring 8). Tvær HARV2 einingar deila hitageymi, 3 lítra íláti (30 cm x 20 cm x 5 cm) á tveimur hitaplötum með snúnings seglum. Allar átta einstakar frumgerðir eru raftengdar samhliða. HARV2_160 og HARV2_60 undireiningarnar vinna samtímis í Olson hringrásinni sem leiðir til orkuuppskeru upp á 11,2 J.
Settu 0,5 mm þykka PST MLC í pólýólefínslöngu með tvíhliða límbandi og vír á báðum hliðum til að skapa pláss fyrir vökva til að flæða. Vegna smæðar hennar var frumgerðin sett við hliðina á heitum eða köldum lónloka, sem lágmarkaði hringrásartíma.
Í PST MLC er stöðugu rafsviði beitt með því að setja stöðuga spennu á hitunargreinina. Fyrir vikið myndast neikvæður varmastraumur og orka geymist. Eftir að PST MLC hefur verið hitað er reiturinn fjarlægður (V = 0) og orkan sem geymd er í því er skilað aftur í uppsprettateljarann, sem samsvarar einu framlagi til viðbótar af safnaðri orku. Að lokum, með spennu V = 0, eru MLC PSTs kæld niður í upphafshita þeirra svo að hringrásin geti hafist aftur. Á þessu stigi er orka ekki safnað. Við keyrðum Olsen hringrásina með því að nota Keithley 2410 SourceMeter, hlaðið PST MLC frá spennugjafa og stilltum straumsamsvörunina á viðeigandi gildi þannig að nógu margir punktar söfnuðust á hleðslufasanum fyrir áreiðanlega orkuútreikninga.
Í Stirling lotum voru PST MLC hlaðnir í spennugjafaham við upphafsgildi rafsviðs (upphafsspenna Vi > 0), æskilegan samræmisstraum þannig að hleðsluskrefið tekur um 1 sekúndu (og nægum punktum er safnað fyrir áreiðanlegan útreikning á orkan) og kalt hitastig. Í Stirling lotum voru PST MLC hlaðnir í spennugjafaham við upphafsgildi rafsviðs (upphafsspenna Vi > 0), æskilegan samræmisstraum þannig að hleðsluskrefið tekur um 1 sekúndu (og nægum punktum er safnað fyrir áreiðanlegan útreikning á orkan) og kalt hitastig. 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 (og набирается достаточное колич та энергия) og холодная температура. Í Stirling PST MLC lotunum voru þær hlaðnar í spennugjafaham við upphafsgildi rafsviðsins (upphafsspenna Vi > 0), æskilegan afkastastraum, þannig að hleðslustigið tekur um 1 sekúndu (og nægilega mikið stiga er safnað fyrir áreiðanlegan orkuútreikning) og kalt hitastig.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压顔压源模式下以初始电场值（初始电压顔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. Í aðallotunni er PST MLC hlaðinn við upphafsgildi rafsviðs (upphafsspenna Vi > 0) í spennugjafaham, þannig að nauðsynlegur samræmistraumur tekur um 1 sekúndu fyrir hleðsluskrefið (og við söfnuðum nægum punktum til að áreiðanlega reikna (orku) og lágt hitastig. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие температуры . Í Stirling hringrásinni er PST MLC hlaðinn í spennugjafaham með upphafsgildi rafsviðsins (upphafsspenna Vi > 0), nauðsynlegur samræmistraumur er þannig að hleðslustigið tekur um 1 sekúndu (og nægilega mikið stigum er safnað til að reikna út orkuna á áreiðanlegan hátt) og lágt hitastig .Áður en PST MLC hitnar, opnaðu hringrásina með því að beita samsvarandi straumi I = 0 mA (lágmarks samsvarandi straumur sem mæligjafinn okkar ræður við er 10 nA). Fyrir vikið er hleðsla eftir í PST MJK og spennan eykst þegar sýnið hitnar. Engin orka safnast í arm BC vegna þess að I = 0 mA. Eftir að hafa náð háum hita eykst spennan í MLT FT (í sumum tilfellum oftar en 30 sinnum, sjá viðbótarmynd 7.2), MLK FT er tæmd (V = 0) og raforka er geymd í þeim fyrir það sama þar sem þau eru upphafsgjaldið. Sama núverandi samsvörun er skilað til mæligjafans. Vegna spennuaukningar er geymd orka við háan hita hærri en það sem var veitt í upphafi lotunnar. Þar af leiðandi fæst orka með því að breyta varma í rafmagn.
Við notuðum Keithley 2410 SourceMeter til að fylgjast með spennu og straumi sem beitt er á PST MLC. Samsvarandi orka er reiknuð út með því að samþætta afurð spennu og straums sem lesið er af upprunamæli Keithleys, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ vinstri(t\ hægri){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), þar sem τ er tímabil tímabilsins. Á orkukúrfunni okkar þýðir jákvæð orkugildi orkuna sem við þurfum að gefa MLC PST og neikvæð gildi merkja orkuna sem við tökum úr þeim og þar með orkan sem við fáum. Hlutfallslegt afl fyrir tiltekna söfnunarlotu er ákvarðað með því að deila söfnuðu orkunni með tímabilinu τ allrar hringrásarinnar.
Öll gögn eru sett fram í aðaltextanum eða í viðbótarupplýsingum. Bréfum og beiðnum um efni ætti að beina til uppruna AT eða ED gagna sem fylgja með þessari grein.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Yfirlit yfir þróun og notkun hitarafmagns örrafalla til orkuuppskeru. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Yfirlit yfir þróun og notkun hitarafmagns örrafalla til orkuuppskeru.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO og Henao, NC Yfirlit yfir þróun og beitingu hitarafmagns örrafalla til orkuuppskeru. 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 og Henao, NC eru að íhuga þróun og beitingu hitarafmagns örrafalla til orkuöflunar.halda áfram. stuðning. Orkuuppr. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Ljósvökvaefni: skilvirkni nú og framtíðaráskoranir. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Ljósvökvaefni: skilvirkni nú og framtíðaráskoranir.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK Ljósvökvaefni: núverandi árangur og framtíðaráskoranir. 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 Sólarefni: núverandi skilvirkni og framtíðaráskoranir.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK Ljósvökvaefni: núverandi árangur og framtíðaráskoranir.Vísindi 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Samtengd pyro-piezoelectric áhrif fyrir sjálfknúna samtímis hita- og þrýstingsskynjun. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Samhliða pyro-piezoelectric áhrif fyrir sjálfknúna samtímis hita- og þrýstingsskynjun.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Samsett pyropiezoelectric áhrif fyrir sjálfvirkar samtímis mælingar á hitastigi og þrýstingi. 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. Til að knýja sjálfan sig á sama tíma og hitastig og þrýstingur.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Samsett hitamyndafræðileg áhrif fyrir sjálfvirkar samtímis mælingar á hitastigi og þrýstingi.Áfram. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Orkuuppskera byggt á Ericsson pyrolectric hringrásum í slökunarjárns keramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Orkuuppskera byggt á Ericsson pyrolectric hringrásum í slökunarjárns keramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Orkuuppskera byggt á eldflaugum Ericsson hringrásum í slökunarjárnkeramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Orkuuppskera í slökunarjárnkeramik byggt á gjóskuhjólreiðum frá Ericsson. Smart alma mater. uppbyggingu. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næsta kynslóð rafhita- og hitaorkuefna fyrir rafvarmaorku í föstu formi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næsta kynslóð rafhita- og hitaorkuefna fyrir rafvarmaorku í föstu formi. 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 Næsta kynslóð rafhita- og hitaorkuefna fyrir rafvarmaorku í föstu formi. 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 Næsta kynslóð rafhita- og hitaorkuefna fyrir rafvarmaorku í föstu formi.Frú Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Staðall og verðgildi til að mæla frammistöðu pyroelectric nanórafalla. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Staðall og verðgildi til að mæla frammistöðu pyroelectric nanórafalla.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL og Yang, Yu. Staðlað og gæðastig til að mæla frammistöðu flugelda nanórafalla. 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 og Yang, Yu. Viðmið og frammistöðumælingar til að mæla frammistöðu gjóska nanórafalls.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Rafhitakælingarlotur í blýskandíum-tantalati með sannri endurnýjun með sviðsbreytingum. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Rafhitakælingarlotur í blýskandíum-tantalati með sannri endurnýjun með sviðsbreytingum.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. og Mathur, ND Rafhitakælingarlotur í blý-skandíum tantalati með sannri endurnýjun með sviðsbreytingum. 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. og Mathur, ND. Rafhitakæling hringrás skandíumblýtantalats fyrir sanna endurnýjun með sviðsnúningi.eðlisfræði Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorísk efni nálægt járnfasabreytingum. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorísk efni nálægt járnfasabreytingum.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Kalorísk efni nálægt ferroid fasabreytingum. 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 Hitaefni nálægt járnmálmvinnslu.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Hitaefni nálægt járnfasabreytingum.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kalorísk efni til kælingar og hitunar. Moya, X. & Mathur, ND Kalorísk efni til kælingar og hitunar.Moya, X. og Mathur, ND Hitaefni til kælingar og hitunar. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Hitaefni til kælingar og hitunar.Moya X. og Mathur ND Hitaefni til kælingar og hitunar.Vísindi 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: a review. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric coolers: a review.Torello, A. og Defay, E. Electrocaloric chillers: endurskoðun. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. og Defay, E. Rafhitakælir: endurskoðun.Ítarlegri. rafræn. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. o.fl. Gífurleg orkunýtni rafkalorísks efnis í mjög skipulögðu scandium-scandium-blý. Samskipti á landsvísu. 12, 3298 (2021).
Nair, B. o.fl. Rafhitaáhrif oxíð fjöllaga þétta eru mikil á breitt hitastigssvið. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. o.fl. Mikið hitastig í rafvarma endurnýjun. Vísindi 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. o.fl. Hágæða rafhitakælikerfi í föstu formi. Vísindi 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. o.fl. Cascade rafhitakælibúnaður fyrir mikla hitahækkun. Þjóðarorka 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Bein umbreyting varma með mikilli skilvirkni í raforkutengdar hitamælingar. Olsen, RB & Brown, DD. Mjög skilvirk bein umbreyting varma í raforkutengdar hitamælingar.Olsen, RB og Brown, DD Mjög skilvirk bein umbreyting varma í raforku sem tengist hitamælingum. 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 og Brown, DDOlsen, RB og Brown, DD Skilvirk bein umbreyting varma í rafmagn sem tengist hitamælingum.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. o.fl. Orka og aflþéttleiki í þunnum slökunarjárnsfilmum. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Cascaded pyrolectric converting: hagræðing á járnfasaskipti og rafmagnstapi. Smith, AN & Hanrahan, BM Cascaded pyrolectric converting: hagræðing á járnfasaskipti og rafmagnstapi.Smith, AN og Hanrahan, BM Cascaded pyrolectric converting: ferrolectric fasa umskipti og rafmagnstap hagræðingu. 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 og Hanrahan, BM Cascaded pyrolectric converting: hagræðing á ferrolectric fasabreytingum og rafmagnstapi.J. Umsókn. eðlisfræði. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Notkun járnrafmagns til að breyta varmaorku í rafmagn. ferli. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded pyroelectric energy converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded pyroelectric energy converter.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og 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 og Dullea, J. Cascaded pyroelectric power converters.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Um blý-skandíum tantalat fastar lausnir með háum kalorískum áhrifum. Shebanov, L. & Borman, K. Um blý-skandíum tantalat fastar lausnir með háum kalorískum áhrifum.Shebanov L. og Borman K. Um fastar lausnir af blý-skandíum tantalati með háum kalorískum áhrifum. 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. og Borman K. Um skandíum-blý-skandíum fastar lausnir með háum kalorískum áhrifum.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Við þökkum N. Furusawa, Y. Inoue og K. Honda fyrir hjálpina við að búa til MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB og ED Þökk sé Lúxemborg National Research Foundation (FNR) fyrir að styðja þetta starf í gegnum CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay og BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Efnisrannsókna- og tæknideild, Tækniháskólinn í Lúxemborg (LIST), Belvoir, Lúxemborg