Að bjóða upp á sjálfbæra raforkugjafa er ein mikilvægasta áskorun þessarar aldar. Rannsóknarsvið í orkusöfnunarefnum eiga rætur að rekja til þessarar hvatningar, þar á meðal varmaorkuver1, sólarorkuver2 og varma-ljósrafmagnsorka3. Þó að okkur skorti efni og tæki sem geta safnað orku á Joule-sviðinu, eru brunaorkuver sem geta umbreytt raforku í reglubundnar hitabreytingar talin skynjarar4 og orkusöfnunartæki5,6,7. Hér höfum við þróað makróskópískan varmaorkuupptökutæki í formi fjöllaga þétta úr 42 grömmum af blýskandíumtantalat, sem framleiðir 11,2 J af raforku á hverri varmafræðilegri hringrás. Hver brunaorkueining getur myndað raforkuþéttleika allt að 4,43 J cm-3 á hverri hringrás. Við sýnum einnig fram á að tvær slíkar einingar sem vega 0,3 g eru nóg til að knýja stöðugt sjálfvirka orkusöfnunartæki með innbyggðum örstýringum og hitaskynjurum. Að lokum sýnum við fram á að fyrir hitastigsbilið 10 K geta þessir fjöllaga þéttar náð 40% Carnot-nýtni. Þessir eiginleikar eru vegna (1) breytinga á járnraffasa sem skilar mikilli skilvirkni, (2) lágs lekastraums til að koma í veg fyrir tap og (3) hárrar bilunarspennu. Þessir stórsæju, stigstærðu og skilvirku hitaorkuöflunartæki eru að endurhugsa varmaorkuframleiðslu.
Í samanburði við þann rúmfræðilega hitastigshalla sem krafist er fyrir varmaorkuefni, krefst orkuöflun úr varmaorkuefnum hitastigshringrásar með tímanum. Þetta þýðir varmafræðilegan hringrás, sem er best lýst með óreiðu (S)-hitastigs (T) línuritinu. Mynd 1a sýnir dæmigerða ST línurit af ólínulegu eldvirku efni (NLP) sem sýnir sviðsknúna járnrafvirka-pararafvirka fasabreytingu í skandíum blýtantalat (PST). Bláu og grænu hlutar hringrásarinnar á ST línuritinu samsvara umbreyttu raforkunni í Olson hringrásinni (tveir jafnhitahlutar og tveir jafnpólhlutar). Hér skoðum við tvær hringrásir með sömu breytingu á rafsviði (sviði kveikt og slökkt) og hitastigsbreytingu ΔT, þó með mismunandi upphafshita. Græni hringrásin er ekki staðsett í fasaumskiptasvæðinu og hefur því mun minna svæði en blái hringrásin sem er staðsett í fasaumskiptasvæðinu. Í ST línuritinu, því stærra sem svæðið er, því meiri safnað orka. Þess vegna verður fasaumskiptin að safna meiri orku. Þörfin fyrir stórflatarhringrás í NLP er mjög svipuð þörfinni fyrir rafhitafræðilegar notkun9, 10, 11, 12 þar sem PST fjöllaga þéttar (MLC) og PVDF-byggð terpolymer hafa nýlega sýnt framúrskarandi öfug kælieiginleika. Kælieiginleikastaða í lotum 13, 14, 15, 16. Þess vegna höfum við bent á PST MLC sem eru áhugaverðir fyrir varmaorkuöflun. Þessi sýni hafa verið lýst ítarlega í aðferðunum og auðkennd í viðbótarskýringum 1 (rafeindasmásjá), 2 (röntgengeislun) og 3 (hitamæling).
a, Skissa af entropíu (S)-hitastigs (T) línurit með rafsviði kveikt og slökkt á NLP efni sem sýnir fasaskipti. Tvær orkusöfnunarlotur eru sýndar í tveimur mismunandi hitasvæðum. Bláa og græna loturnar eiga sér stað innan og utan fasaskiptanna, talið í sömu röð, og enda á mjög mismunandi svæðum yfirborðsins. b, tveir DE PST MLC einpólarhringir, 1 mm þykkir, mældir á milli 0 og 155 kV cm-1 við 20 °C og 90 °C, talið í sömu röð, og samsvarandi Olsen lotur. Stafirnir ABCD vísa til mismunandi ástanda í Olson hringnum. AB: MLC voru hlaðnar 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 tæmist við 90°C. DA: MLC kælt niður í 20°C í núllreit. Bláa svæðið samsvarar inntaksafli sem þarf til að hefja hringrásina. Appelsínugula svæðið er orkan sem safnast í einni hringrás. c, efsta spjaldið, spenna (svart) og straumur (rautt) á móti tíma, fylgst með í sama Olson-hringrás og b. Innfellingarnar tvær tákna mögnun spennu og straums á lykilpunktum í hringrásinni. Í neðri spjaldinu tákna gulu og grænu ferlarnir samsvarandi hitastigs- og orkuferla, talið í sömu röð, fyrir 1 mm þykka MLC. Orka er reiknuð út frá straum- og spennukerfunum á efsta spjaldinu. Neikvæð orka samsvarar safnaðri orku. Skrefin sem samsvara hástöfunum í fjórum myndum eru þau sömu og í Olson-hringrásinni. Hringrásin AB'CD samsvarar Stirling-hringrásinni (viðbótarathugasemd 7).
þar sem E og D eru rafsviðið og rafmagnsfærslusviðið, talið í sömu röð. Nd er hægt að fá óbeint úr DE hringrásinni (Mynd 1b) eða beint með því að hefja varmafræðilegan hringrás. Gagnlegustu aðferðirnar voru lýstar af Olsen í brautryðjendastarfi sínu um söfnun eldsneytisorku á níunda áratugnum.
Á mynd 1b eru sýndar tvær einpólar DE lykkjur úr 1 mm þykkum PST-MLC sýnum sem eru settar saman við 20°C og 90°C, talið í sömu röð, yfir sviðið 0 til 155 kV cm-1 (600 V). Þessar tvær lotur má nota til að reikna óbeint út orkuna sem safnað er í Olson-lotunni sem sýnd er á mynd 1a. Reyndar samanstendur Olsen-lotan af tveimur jafnsviðsgreinum (hér núllsviði í DA-greininni og 155 kV cm-1 í BC-greininni) og tveimur jafnhitagreinum (hér 20°C og 20°C í AB-greininni). C í CD-greininni. Orkan sem safnast í lotunni samsvarar appelsínugulu og bláu svæðunum (EdD-heildi). Safnaða orkan Nd er mismunurinn á inntaks- og úttaksorku, þ.e. aðeins appelsínugula svæðið á mynd 1b. Þessi tiltekna Olson-lota gefur Nd orkuþéttleika upp á 1,78 J cm-3. Stirling-lotan er valkostur við Olson-lotuna (viðbótarathugasemd 7). Þar sem auðveldara er að ná stöðugri hleðslu (opinni hringrás) nær orkuþéttleikinn sem dreginn er út úr mynd 1b (hringrás AB'CD) 1,25 J cm-3. Þetta eru aðeins 70% af því sem Olson-hringrásin getur safnað, en einföld uppskerubúnaður gerir það.
Að auki mældum við beint orkuna sem safnaðist á Olson-hringrásinni með því að virkja PST MLC með því að nota Linkam hitastýringarstig og source-mæli (aðferð). Mynd 1c efst og í viðkomandi innskotum sýnir strauminn (rautt) og spennuna (svart) sem safnað var á sama 1 mm þykka PST MLC og fyrir DE-lykkjuna sem fer í gegnum sama Olson-hringrásina. Straumurinn og spennan gera það mögulegt að reikna út safnaða orkuna og ferlarnir eru sýndir á mynd 1c, neðst (grænt) og hitastigið (gult) allan hringrásina. Stafirnir ABCD tákna sama Olson-hringrásina á mynd 1. MLC hleðsla á sér stað á AB-hlutanum og er framkvæmd við lágan straum (200 µA), þannig að SourceMeter getur stjórnað hleðslunni rétt. Afleiðingin af þessum stöðuga upphafsstraumi er sú að spennukúrfan (svarta kúrfan) er ekki línuleg vegna ólínulegs spennuflutningssviðs D PST (Mynd 1c, efsta innskot). Í lok hleðslunnar eru 30 mJ af raforku geymdar í MLC (punktur B). MLC hitnar síðan upp og neikvæður straumur (og þar með neikvæður straumur) myndast á meðan spennan helst við 600 V. Eftir 40 sekúndur, þegar hitastigið náði jafnvægi við 90°C, var þessum straumi bætt upp, þó að skrefasýnið framleiddi 35 mJ rafmagn í rásinni á meðan á þessu jafnvægissviði stóð (önnur innskot á mynd 1c, efst). Spennan á MLC (grein CD) minnkar síðan, sem leiðir til 60 mJ viðbótar rafvinnu. Heildarúttaksorkan er 95 mJ. Safnaða orkan er mismunurinn á inntaks- og úttaksorkunni, sem gefur 95 – 30 = 65 mJ. Þetta samsvarar orkuþéttleika upp á 1,84 J cm-3, sem er mjög nálægt Nd sem dregið er út úr DE hringnum. Endurtekningarhæfni þessarar Olson hringrásar hefur verið ítarlega prófuð (viðbótarathugasemd 4). Með því að auka spennu og hitastig enn frekar náðum við 4,43 J cm-3 með því að nota Olsen-hringrásir í 0,5 mm þykkri PST MLC yfir hitastigsbilið 750 V (195 kV cm-1) og 175 °C (viðbótarathugasemd 5). Þetta er fjórum sinnum meira en besta afköstin sem greint hefur verið frá í ritrýndum heimildum fyrir beinar Olson-hringrásir og fengust á þunnum filmum af Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm). Sjá viðbótartöflu 1 fyrir fleiri gildi í ritrýndum heimildum. Þessum árangri hefur verið náð vegna mjög lágs lekastraums þessara MLC-eininga (<10⁻⁶ A við 750 V og 180 °C, sjá nánar í viðbótarathugasemd 6) — mikilvægt atriði sem Smith o.fl. nefndu19 — ólíkt efnunum sem notuð voru í fyrri rannsóknum17,20. Þessum árangri hefur verið náð vegna mjög lágs lekastraums þessara MLC-eininga (<10⁻⁶ A við 750 V og 180 °C, sjá nánar í viðbótarathugasemd 6) — mikilvægt atriði sem Smith o.fl. nefndu19 — ólíkt efnunum sem notuð voru í fyrri rannsóknum17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 а при 750 В ± 18 sek. в дополнительном 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 MLC-eininga (<10–7 A við 750 V og 180 °C, sjá viðbótarathugasemd 6 fyrir nánari upplýsingar) – mikilvægt atriði sem Smith o.fl. nefndu19 – ólíkt efnum 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 6 说信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下下且比之下 下比繋相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下繛比之相比之下 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 og 180 °C, см. подробности в допомолнитель) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Þar sem lekastraumur þessara MLC-rafmagnsrafmagns er mjög lágur (<10–7 A við 750 V og 180 °C, sjá viðbótarathugasemd 6 fyrir nánari upplýsingar) – lykilatriði sem Smith o.fl. nefndu 19 – til samanburðar, náðust þessar frammistöður.við efni sem notað var í fyrri rannsóknum 17,20.
Sömu skilyrði (600 V, 20–90 °C) giltu um Stirling-hringrásina (viðbótarathugasemd 7). Eins og búast mátti við miðað við niðurstöður DE-hringrásarinnar var afköstin 41,0 mJ. Einn áberandi eiginleiki Stirling-hringrása er geta þeirra til að magna upphafsspennuna með varmaáhrifum. Við sáum spennuaukningu allt að 39 (frá upphafsspennu upp á 15 V upp í lokaspennu allt að 590 V, sjá viðbótarmynd 7.2).
Annar sérkenni þessara MLC-eininga er að þær eru makróskópískir hlutir nógu stórir til að safna orku á joule-bilinu. Þess vegna smíðuðum við frumgerð af uppskerutæki (HARV1) með því að nota 28 MLC PST 1 mm þykkar, samkvæmt sömu samsíða plötuhönnun og lýst er af Torello o.fl.14, í 7×4 fylki eins og sýnt er á mynd. Varmaleiðandi rafvökvinn í greininni er færður með peristaltískri dælu á milli tveggja geyma þar sem hitastig vökvans er haldið stöðugu (aðferð). Safnið allt að 3,1 J með Olson-hringrásinni sem lýst er á mynd 2a, jafnhitasvæðum við 10°C og 125°C og jafnhitasvæðum við 0 og 750 V (195 kV cm-1). Þetta samsvarar orkuþéttleika upp á 3,14 J cm-3. Með þessari samsetningarvél voru mælingar gerðar við ýmsar aðstæður (Mynd 2b). Athugið að 1,8 J fengust við hitastig upp á 80°C og spennu upp á 600 V (155 kV cm-1). Þetta er í góðu samræmi við áður nefnd gildi, 65 mJ, fyrir 1 mm þykka PST MLC við sömu aðstæður (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Tilraunauppsetning á samsettri HARV1 frumgerð byggð á 28 MLC PST skömmtum, 1 mm þykkum (4 raðir × 7 dálkum) sem keyra á Olson hringrásum. Fyrir hvert af fjórum hringrásarskrefunum eru hitastig og spenna gefin upp í frumgerðinni. Tölvan knýr peristaltíska dælu sem dreifir rafsogsvökva milli kalda og heita geymisins, tveggja loka og aflgjafa. Tölvan notar einnig hitaeiningar til að safna gögnum um spennu og straum sem frumgerðin fær og hitastig samsetningarvélarinnar frá aflgjafanum. b, Orka (litur) sem 4×7 MLC frumgerðin okkar safnaði samanborið við hitastigsbil (X-ás) og spennu (Y-ás) í mismunandi tilraunum.
Stærri útgáfa af uppskerunni (HARV2) með 60 PST MLC 1 mm þykkt og 160 PST MLC 0,5 mm þykkt (41,7 g af virku kveikjuefni) gaf 11,2 J (viðbótarathugasemd 8). Árið 1984 smíðaði Olsen orkuuppskeru byggðan á 317 g af tin-dópuðu Pb(Zr,Ti)O3 efnasambandi sem getur framleitt 6,23 J af rafmagni við hitastig upp á um 150 °C (tilvísun 21). Fyrir þessa samskeru er þetta eina gildið sem er tiltækt á joule-bilinu. Það fékk rétt rúmlega helmingi þess gildis sem við náðum og næstum sjö sinnum meiri gæði. Þetta þýðir að orkuþéttleiki HARV2 er 13 sinnum hærri.
Hringrásartímabilið í HARV1 er 57 sekúndur. Þetta framleiddi 54 mW af afli með 4 röðum af 7 dálkum af 1 mm þykkum MLC settum. Til að taka þetta skrefinu lengra smíðuðum við þriðju samsetningareininguna (HARV3) með 0,5 mm þykkri PST MLC og svipaðri uppsetningu og í HARV1 og HARV2 (viðbótarskýrsla 9). Við mældum hitamyndunartíma upp á 12,5 sekúndur. Þetta samsvarar 25 sekúndna hringrásartíma (viðbótarmynd 9). Safnaða orkan (47 mJ) gefur rafafl upp á 1,95 mW á MLC, sem aftur gerir okkur kleift að ímynda okkur að HARV2 framleiði 0,55 W (u.þ.b. 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm þykkt). Að auki hermdum við varmaflutning með því að nota endanlega þáttahermun (COMSOL, viðbótarskýrsla 10 og viðbótartöflur 2–4) sem samsvarar HARV1 tilraununum. Með því að nota endanlegar þátta líkanagerðir var hægt að spá fyrir um aflgildi sem voru næstum stærðargráðu hærri (430 mW) fyrir sama fjölda PST dálka með því að þynna MLC niður í 0,2 mm, nota vatn sem kælimiðil og endurheimta fylkið í 7 raðir × 4 dálka (auk voru 960 mW þegar tankurinn var við hliðina á þreskivélinni, viðbótarmynd 10b).
Til að sýna fram á notagildi þessa safnara var Stirling-hringrás beitt á sjálfstæðan sýningarbúnað sem samanstóð af aðeins tveimur 0,5 mm þykkum PST MLC-einingum sem varmasöfnurum, háspennurofa, lágspennurofa með geymsluþétti, DC/DC-breyti, lágspennurofa með örstýringu, tveimur hitaeiningum og boost-breyti (viðbótarathugasemd 11). Rásin krefst þess að geymsluþéttinn sé upphaflega hlaðinn við 9V og gangi síðan sjálfkrafa á meðan hitastig MLC-eininganna tveggja er á bilinu -5°C til 85°C, hér í 160 sekúndna lotum (nokkrar lotur eru sýndar í viðbótarathugasemd 11). Athyglisvert er að tveir MLC-einingar sem vega aðeins 0,3 g geta stjórnað þessu stóra kerfi sjálfkrafa. Annar áhugaverður eiginleiki er að lágspennubreytirinn er fær um að breyta 400V í 10-15V með 79% skilvirkni (viðbótarathugasemd 11 og viðbótarmynd 11.3).
Að lokum metum við skilvirkni þessara MLC-eininga við að umbreyta varmaorku í raforku. Gæðastuðullinn η fyrir skilvirknina er skilgreindur sem hlutfall eðlisþyngdar safnaðrar raforku Nd og eðlisþyngdar tilfærðs varma Qin (viðbótarathugasemd 12):
Myndir 3a og b sýna skilvirkni η og hlutfallslega skilvirkni ηr Olsen-hringrásarinnar, talið í sömu röð, sem fall af hitastigsbili 0,5 mm þykkrar PST MLC. Báðar gagnasöfnin eru gefin fyrir rafsvið upp á 195 kV cm-1. Skilvirknin nær 1,43%, sem jafngildir 18% af ηr. Hins vegar, fyrir hitastigsbilið 10 K frá 25 °C til 35 °C, nær ηr gildum allt að 40% (blá ferill á mynd 3b). Þetta er tvöfalt þekkt gildi fyrir NLP-efni sem skráð eru í PMN-PT filmum (ηr = 19%) á hitastigsbilinu 10 K og 300 kV cm-1 (tilvísun 18). Hitastig undir 10 K voru ekki tekin til greina vegna þess að varmahysteresis PST MLC er á milli 5 og 8 K. Það er mikilvægt að þekkja jákvæð áhrif fasabreytinga á skilvirkni. Reyndar fást nánast öll bestu gildin fyrir η og ηr við upphafshitastigið Ti = 25°C á myndum 3a og 3b. Þetta er vegna náinna fasabreytinga þegar ekkert svið er notað og Curie hitastigið TC er um 20°C í þessum MLC-kerfum (viðbótarathugasemd 13).
a,b, skilvirknin η og hlutfallsleg skilvirkni Olson-hringrásarinnar (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} fyrir hámarksrafmagn með 195 kV cm-1 reit og mismunandi upphafshita Ti, }}\,\)(b) fyrir MPC PST 0,5 mm þykkt, allt eftir hitastigsbilinu ΔTspan.
Síðari athugunin hefur tvær mikilvægar afleiðingar: (1) öll virk hringrás verður að hefjast við hitastig yfir TC til þess að sviðsframkölluð fasabreyting (frá pararafmagns til járnrafmagns) eigi sér stað; (2) þessi efni eru skilvirkari við keyrslutíma nálægt TC. Þó að tilraunir okkar sýni fram á mikla skilvirkni, þá gerir takmarkað hitastigsbil okkur ekki kleift að ná mikilli algerri skilvirkni vegna Carnot-marka (\(\Delta T/T\)). Hins vegar réttlætir framúrskarandi skilvirkni sem þessar PST MLC sýndu fram á Olsen þegar hann nefnir að „kjörinn endurnýjandi hitarafmótor af flokki 20 sem starfar við hitastig á milli 50 °C og 250 °C getur haft 30% skilvirkni“17. Til að ná þessum gildum og prófa hugmyndina væri gagnlegt að nota efnuð PST með mismunandi TC, eins og Shebanov og Borman rannsökuðu. Þeir sýndu að TC í PST getur verið breytilegt frá 3 °C (Sb-dópun) til 33 °C (Ti-dópun)22. Þess vegna gerum við ráð fyrir að næstu kynslóð eldvirkra endurnýjunarvéla sem byggjast á efnuðum PST MLC-kílómetrum eða öðrum efnum með sterka fyrsta stigs fasaumbreytingu geti keppt við bestu orkuöflunarvélarnar.
Í þessari rannsókn könnuðum við MLC-einingar (multi-electric LC) úr PST. Þessir einingar samanstanda af röð af Pt og PST rafskautum, þar sem nokkrir þéttar eru tengdir samsíða. PST var valið vegna þess að það er framúrskarandi EC-efni og því hugsanlega framúrskarandi NLP-efni. Það sýnir skarpa fyrsta stigs járnrafvirka-pararaflvirka fasabreytingu um 20°C, sem bendir til þess að entropíubreytingar þess séu svipaðar og sýndar eru á mynd 1. Svipaðir MLC-einingar hafa verið lýstir ítarlega fyrir EC13,14 einingar. Í þessari rannsókn notuðum við 10,4 × 7,2 × 1 mm³ og 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC-einingar. MLC-einingar með þykkt upp á 1 mm og 0,5 mm voru gerðar úr 19 og 9 lögum af PST með þykkt upp á 38,6 µm, talið í sömu röð. Í báðum tilvikum var innra PST-lagið sett á milli 2,05 µm þykkra platínu rafskauta. Hönnun þessara MLC-eininga gerir ráð fyrir að 55% af PST-einingunum séu virk, sem samsvarar þeim hluta sem er á milli rafskautanna (viðbótarathugasemd 1). Flatarmál virka rafskautsins var 48,7 mm2 (viðbótartafla 5). MLC PST var framleitt með föstufasahvarfi og steypuaðferð. Nánari upplýsingar um undirbúningsferlið hafa verið lýst í fyrri grein14. Einn af mununum á PST MLC og fyrri greininni er röð B-staða, sem hefur mikil áhrif á afköst EC í PST. Röð B-staða PST MLC er 0,75 (viðbótarathugasemd 2) sem fæst með sintrun við 1400°C og síðan hundruð klukkustunda langri glæðingu við 1000°C. Nánari upplýsingar um PST MLC er að finna í viðbótarathugasemdum 1-3 og viðbótartöflu 5.
Meginhugmynd þessarar rannsóknar byggist á Olson-hringrásinni (Mynd 1). Fyrir slíka hringrás þurfum við heitan og kaldan geymi og aflgjafa sem getur fylgst með og stjórnað spennu og straumi í hinum ýmsu MLC-einingum. Þessar beinu hringrásir notuðu tvær mismunandi stillingar, þ.e. (1) Linkam einingar sem hita og kæla eina MLC tengda við Keithley 2410 aflgjafa, og (2) þrjár frumgerðir (HARV1, HARV2 og HARV3) samsíða sömu orkugjafa. Í síðara tilvikinu var notaður rafsogvökvi (kísillolía með seigju 5 cP við 25°C, keypt frá Sigma Aldrich) til varmaskipta milli tveggja geymanna (heits og kalds) og MLC. Varmageymirinn samanstendur af gleríláti fylltum rafsogvökva og settur ofan á hitaplötuna. Kæligeymsla samanstendur af vatnsbaði með vökvarörum sem innihalda rafsogvökva í stóru plastíláti fylltum með vatni og ís. Tveir þríhliða klemmulokar (keyptir frá Bio-Chem Fluidics) voru settir í hvorn enda samsetningarvélarinnar til að skipta vökvanum rétt úr einum geymi í annan (Mynd 2a). Til að tryggja hitajafnvægi milli PST-MLC pakkans og kælivökvans var hringrásartíminn lengdur þar til inntaks- og úttakshitaeiningarnar (eins nálægt PST-MLC pakkanum og mögulegt er) sýndu sama hitastig. Python handritið stýrir og samstillir öll tæki (uppsprettumæla, dælur, loka og hitaeiningar) til að keyra rétta Olson hringrásina, þ.e. kælivökvalykkjan byrjar að fara í gegnum PST staflann eftir að uppsprettumælirinn er hlaðinn þannig að þeir hitni við æskilega spennu fyrir tiltekna Olson hringrás.
Einnig höfum við staðfest þessar beinu mælingar á safnaðri orku með óbeinum aðferðum. Þessar óbeinu aðferðir byggjast á rafmagnstilfærslusviðslykkjum (D) – rafsviðslykkjum (E) sem safnast við mismunandi hitastig, og með því að reikna flatarmálið á milli tveggja DE-lykkja er hægt að meta nákvæmlega hversu mikla orku er hægt að safna, eins og sýnt er á mynd 2.1b. Þessar DE-lykkjur eru einnig safnaðar með Keithley-uppsprettumælum.
Tuttugu og átta 1 mm þykkar PST MLC plötur voru settar saman í 4 raða, 7 dálka samsíða plötubyggingu samkvæmt hönnuninni sem lýst er í tilvísuninni. 14. Vökvabilið milli PST-MLC raða er 0,75 mm. Þetta er gert með því að bæta við ræmum af tvíhliða límbandi sem vökvabilsleggjum meðfram brúnum PST MLC. PST MLC er rafmagnslega tengdur samsíða með silfur epoxy brú í snertingu við rafskautsleiðslurnar. Eftir það voru vírar límdir með silfur epoxy plastefni á hvora hlið rafskautstengjanna til tengingar við aflgjafann. Að lokum er öll byggingin sett inn í pólýólefín slönguna. Síðarnefnda er límd við vökvarörið til að tryggja rétta þéttingu. Að lokum voru 0,25 mm þykkir K-gerð hitaeiningar smíðaðir í hvorn enda PST-MLC byggingarinnar til að fylgjast með hitastigi inntaks- og úttaksvökvans. Til að gera þetta verður fyrst að gata slönguna. Eftir að hitaeiningin hefur verið sett upp skal bera sama límið og áður á milli hitaeiningarslöngunnar og vírsins til að endurheimta þéttinguna.
Átta aðskildar frumgerðir voru smíðaðar, fjórar þeirra höfðu 40 0,5 mm þykkar MLC PST-plötur dreifðar sem samsíða plötur með 5 dálkum og 8 röðum, og hinar fjórar höfðu 15 1 mm þykkar MLC PST-plötur hver, í 3-dálka × 5-raða samsíða plötuuppbyggingu. Heildarfjöldi PST MLC-plata sem notaðir voru var 220 (160 0,5 mm þykkar og 60 PST MLC 1 mm þykkar). Við köllum þessar tvær undireiningar HARV2_160 og HARV2_60. Vökvabilið í frumgerðinni HARV2_160 samanstendur af tveimur tvíhliða teipum 0,25 mm þykkum með 0,25 mm þykkum vír á milli þeirra. Fyrir HARV2_60 frumgerðina endurtókum við sömu aðferð, en notuðum 0,38 mm þykkan vír. Til að tryggja samhverfu hafa HARV2_160 og HARV2_60 sínar eigin vökvarásir, dælur, loka og kalda hlið (viðbótarathugasemd 8). Tvær HARV2 einingar deila hitageymi, þriggja lítra íláti (30 cm x 20 cm x 5 cm) á tveimur hitaplötum með snúningsseglum. Allar átta frumgerðirnar eru rafmagnstengdar samsíða. Undireiningarnar HARV2_160 og HARV2_60 vinna samtímis í Olson-hringrásinni sem leiðir til orkuuppskeru upp á 11,2 J.
Setjið 0,5 mm þykka PST MLC í pólýólefín slöngu með tvíhliða límbandi og vír báðum megin til að skapa pláss fyrir vökvann til að flæða. Vegna smæðar frumgerðarinnar var hún sett við hliðina á loka fyrir heitan eða kaldan geymi, sem lágmarkaði hringrásartíma.
Í PST MLC er stöðugt rafsvið beitt með því að beita stöðugri spennu á hitunargreinina. Þar af leiðandi myndast neikvæður varmastraumur og orka er geymd. Eftir að PST MLC hefur verið hitað er sviðinu fjarlægt (V = 0) og orkan sem er geymd í því er skilað aftur til teljarans, sem samsvarar einu framlagi safnaðrar orku til viðbótar. Að lokum, með spennu V = 0 beitt, eru MLC PST einingarnar kældar niður í upphafshitastig sitt svo að hringrásin geti hafist upp á nýtt. Á þessu stigi er orka ekki safnað. Við keyrðum Olsen hringrásina með Keithley 2410 SourceMeter, hlaðum PST MLC eininguna frá spennugjafa og stilltum straumsamsvörunina á viðeigandi gildi svo að nægilega mörg stig söfnuðust á hleðslustiginu til að hægt væri að reikna út áreiðanlega orku.
Í Stirling-hringrásum voru PST MLC-rafhlöður hlaðnar í spennugjafaham við upphafsrafsviðsgildi (upphafsspenna Vi > 0), æskilegan samkvæmnisstraum þannig að hleðsluskrefið tekur um 1 sekúndu (og nægilega mörg stig safnast til að reikna út orkuna á áreiðanlegan hátt) og kalt hitastig. Í Stirling-hringrásum voru PST MLC-rafhlöður hlaðnar í spennugjafaham við upphafsrafsviðsgildi (upphafsspenna Vi > 0), æskilegan samkvæmnisstraum þannig að hleðsluskrefið tekur um 1 sekúndu (og nægilega mörg stig safnast til að reikna út orkuna á áreiðanlegan hátt) og kalt hitastig. 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 (og набирается дичочно для надежного расчета энергия) og холодная температура. Í Stirling PST MLC hringrásunum voru þær hlaðnar í spennugjafaham við upphafsgildi rafsviðsins (upphafsspenna Vi > 0), tilætlaðan straum, þannig að hleðslustigið tekur um 1 sekúndu (og nægilegur fjöldi punkta er safnað til að gera áreiðanlega orkuútreikninga) 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。 Í aðalhringrásinni er PST MLC hlaðinn við upphafsrafsviðsgildi (upphafsspenna Vi > 0) í spennugjafaham, þannig að nauðsynlegur samræmisstraumur tekur um 1 sekúndu fyrir hleðsluskrefið (og við söfnuðum nægilega mörgum stigum til að reikna áreiðanlega (orku) og lágt hitastig). В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электричелскогог ( напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап здки занимает около 1 с (og набирается дочно точек, чтобы надежно рассчитать энергию) og низкие температуры. Í Stirling-hringrásinni er PST MLC hlaðinn í spennugjafaham með upphafsgildi rafsviðsins (upphafsspenna Vi > 0), nauðsynlegur samræmisstraumur er þannig að hleðslustigið tekur um 1 sekúndu (og nægilegur fjöldi punkta er safnað til að reikna orkuna áreiðanlega) og lágt hitastig.Áður en PST MLC hitnar skal opna rafrásina með því að beita samsvarandi straumi upp á I = 0 mA (lágmarks samsvarandi straumur sem mæligjafinn okkar ræður við er 10 nA). Þar af leiðandi verður hleðsla eftir í PST mælieiningunni á MJK og spennan eykst þegar sýnið hitnar. Engin orka safnast í arm BC því I = 0 mA. Eftir að háum hita hefur náðst eykst spennan í MLT FT (í sumum tilfellum meira en 30 sinnum, sjá viðbótarmynd 7.2), MLK FT tæmist (V = 0) og raforka er geymd í þeim í sömu hleðslu og upphafshleðslan. Sama straumsamsvar er skilað til mæligjafans. Vegna spennuaukningar er geymd orka við hátt hitastig hærri en sú sem var veitt í upphafi hringrásarinnar. Þar af leiðandi fæst orka með því að breyta hita í rafmagn.
Við notuðum Keithley 2410 SourceMeter til að fylgjast með spennu og straumi sem er beitt á PST MLC. Samsvarandi orka er reiknuð með því að samþætta margfeldi spennu og straums sem lesið er af sourcemeter Keithley, \(E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas})}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), þar sem τ er tímabil tímabilsins. Á orkuferlinum okkar þýða jákvæð orkugildi orkuna sem við höfum til að gefa MLC PST, og neikvæð gildi þýða orkuna sem við vinnum úr þeim og þar með orkuna sem við fáum. Hlutfallslegt afl fyrir tiltekið söfnunarferli er ákvarðað með því að deila safnaðri orku með tímabili τ alls hringrásarinnar.
Öll gögn eru kynnt í aðaltexta eða í viðbótarupplýsingum. Bréfum og beiðnum um efni skal beina til heimildar gagna frá AT eða ED sem fylgja þessari grein.
Ando Junior, OH, Maran, ALO og Henao, NC. Yfirlit yfir þróun og notkun varmaorkuvera til orkuöflunar. Ando Junior, OH, Maran, ALO og Henao, NC. Yfirlit yfir þróun og notkun varmaorkuvera til orkuöflunar.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO og Henao, NC Yfirlit yfir þróun og notkun hitaorkuframleiðsluörrafala til orkuöflunar. 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 í Ohio, Maran í Alo, og Henao í Norður-Karólínu eru að íhuga þróun og notkun hitaorkuvera til orkuöflunar.ferilskrá. stuðningur. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. Ljósvirkjunarefni: núverandi skilvirkni og framtíðaráskoranir. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. Ljósvirkjunarefni: núverandi skilvirkni og framtíðaráskoranir.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK. Ljósvirkjunarefni: núverandi afköst 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. Sólarorkuefni: núverandi skilvirkni og framtíðaráskoranir.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK. Ljósvirkjunarefni: núverandi afköst og framtíðaráskoranir.Vísindi 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Samtengd pyró-piezoelectric áhrif fyrir sjálfvirka samtímis hitastigs- og þrýstingsskynjun. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Samtengd hita- og píezoelektrísk áhrif fyrir sjálfvirka samtímis hitastigs- og þrýstingsmælingu.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Sameinuð hita- og þrýstingsrafvirkni fyrir sjálfvirka samtímis mælingu 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. Fyrir sjálfafleiðslu á sama tíma og hitastig og þrýstingur.Song K., Zhao R., Wang ZL og Yan Yu. Sameinuð hitapíezorafvirkni fyrir sjálfvirka samtímis mælingu á hitastigi og þrýstingi.Áfram. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Orkunýting byggð á Ericsson-eldsneytishringrásum í relaxor-járnrafsegulkeramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Orkunýting byggð á Ericsson-eldsneytishringrásum í relaxor-járnrafsegulkeramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Orkunýting byggð á eldvirkum Ericsson-hringrásum í relaxor járnrafvirkum keramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Orkunýting í relaxor járnrafsegulkeramik byggð á Ericsson eldvirknihringrás. Snjall alma mater. uppbygging. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næstu kynslóðar rafhita- og brennsluefni fyrir umbreytingu rafvarmaorku í föstu formi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næstu kynslóðar rafhita- og brennsluefni fyrir umbreytingu rafvarmaorku í föstu formi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næsta kynslóð rafhita- og brennsluefna fyrir umbreytingu á rafvarmaorku í föstu formi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. og Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Næsta kynslóð rafhita- og brennsluefna fyrir umbreytingu á rafvarmaorku í föstu formi.Frú Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Staðall og verðleikatölu til að magngreina afköst eldvirkra nanórafala. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Staðall og verðleikatölu til að magngreina afköst eldvirkra nanórafala.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL og Yang, Yu. Staðall og gæðastig til að magngreina afköst eldsneytisnanórafstöðva. 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 afkastamælingar til að magngreina afköst eldsneytisnanórafalls.Nanóorka 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Rafhitunarkælingarhringrásir í blýskandíumtantalat með raunverulegri endurnýjun með breytingum á rafsviði. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Rafhitunarkælingarhringrásir í blýskandíumtantalat með raunverulegri endurnýjun með breytingum á rafsviði.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. og Mathur, ND. Rafhitunarkælingarhringrásir í blý-skandúum tantalat með raunverulegri endurnýjun með breytingum á rafsviði. 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. Rafhitað kælingarferli fyrir skandíum-blý-tantalat fyrir raunverulega endurnýjun með snúningi á sviði.Eðlisfræði, útgáfa X, 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Hitaeiningarrík efni nálægt fasabreytingum járns. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Hitaeiningarrík efni nálægt fasabreytingum járns.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Hitaeiningarefni 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 Varmaefni nálægt járnmálmvinnslu.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, ND Varmaefni nálægt fasaumskiptum járns.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Hitaeiningarefni til kælingar og upphitunar. Moya, X. & Mathur, ND Hitaeiningarefni til kælingar og upphitunar.Moya, X. og Mathur, ND. Varmaefni til kælingar og hitunar. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Varmaefni til kælingar og hitunar.Moya X. og Mathur ND Varmaefni 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. Rafhitunarkælar: yfirlit. 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. Rafhitakælar: yfirlit.Ítarlegt. rafrænt. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. o.fl. Gríðarleg orkunýtni raforkuefnis í mjög skipulögðu skandíum-skandíum-blýi. Þjóðarsamskipti. 12, 3298 (2021).
Nair, B. o.fl. Rafhitunaráhrif oxíð fjöllaga þétta eru mikil yfir breitt hitastigsbil. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. o.fl. Mikið hitastigsbil í rafhitaendurnýjunartækjum. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. o.fl. Háafkastamikið rafhitakerfi í föstu formi. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. o.fl. Rafkælibúnaður með kaskáda fyrir mikla hitastigshækkun. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD. Hágæða bein umbreyting varma í raforku sem tengist eldvirknimælingum. Olsen, RB & Brown, DD. Hágæða bein umbreyting varma í raforku sem tengist eldvirknimælingum.Olsen, RB og Brown, DD Mjög skilvirk bein umbreyting varma í raforku í tengslum við brunamælingar. 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 í tengslum við brunamælingar.Járnrafmagnsefni 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. o.fl. Orka og aflþéttleiki í þunnum járnrafmyndum með slökunarefni. Þjóðaralma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM. Kassettuð brunavirkjun: hámarka fasaskiptingu járnrafvirkrar orku og rafmagnstap. Smith, AN & Hanrahan, BM. Kassettuð brunavirkjun: hámarka fasaskiptingu járnrafvirkrar orku og rafmagnstap.Smith, AN og Hanrahan, BM. Kassettuð brunavirkjun: fasabreytingar í járnrafmagnsferlum og hagræðing rafmagnstaps. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN og Hanrahan, BMSmith, AN og Hanrahan, BM. Kassettbundin eldvirk umbreyting: hagræðing á fasabreytingum járnrafvirkra efna og rafmagnstapi.J. Umsókn. eðlisfræði. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Notkun járnrafefna til að umbreyta varmaorku í rafmagn. ferli. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskásettur eldvirkur orkubreytir. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskásettur eldvirkur orkubreytir.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM og Dullea, J. Cascade hitaorkubreytir. 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. Kaskásettir eldvirkir aflbreytar.Járnrafmagnsefni 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Um blý-skandúum tantalat fastar lausnir með mikilli rafhitaáhrifum. Shebanov, L. & Borman, K. Um blý-skandúum tantalat fastar lausnir með mikilli rafhitaáhrifum.Shebanov L. og Borman K. Um fastar lausnir af blý-skandúum tantalat með mikilli raforkuáhrifum. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体. Shebanov, L. og Borman, K.Shebanov L. og Borman K. Um skandíum-blý-skandíum fastar lausnir með mikilli raforkuáhrifum.Járnrafmagnsfræði 127, 143–148 (1992).
Við þökkum N. Furusawa, Y. Inoue og K. Honda fyrir aðstoð þeirra við að búa til MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB og ED. Þökkum Lúxemborgarsjóði rannsókna (FNR) fyrir að styðja þetta verk í gegnum CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay og BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Deild efnisrannsókna og tækni, Tækniháskólinn í Lúxemborg (LIST), Belvoir, Lúxemborg