Að bjóða upp á sjálfbæra raforkuuppsprettu er ein mikilvægasta áskorun þessarar aldar. Rannsóknarsvæði í uppskeruefnum orku stafa af þessari hvatningu, þar með talið Thermoelectric1, Photovoltaic2 og Thermophotovoltaics3. Þrátt fyrir að okkur skorti efni og tæki sem geta uppskeru orku á joule sviðinu, eru pyroelectric efni sem geta umbreytt raforku í reglubundnar hitabreytingar taldar skynjarar4 og orkuuppskerur 5,6,7. Hér höfum við þróað fjölþjóðlega hitauppstreymi uppskeru í formi fjöllaga þétti úr 42 grömmum af blýskandíum tantalate, sem framleiðir 11,2 J af raforku á hverja hitafræðilega hringrás. Hver pyroelectric eining getur myndað raforkuþéttleika allt að 4,43 J cm-3 á hverri lotu. Við sýnum einnig að tvær slíkar einingar sem vega 0,3 g eru nægar til að stöðugt knýja sjálfstæðar orkuuppskerur með innbyggðum örstýringum og hitastigskynjara. Að lokum sýnum við að fyrir hitastigssvið 10 K geta þessir fjöllaga þéttar náð 40% carnot skilvirkni. Þessir eiginleikar eru vegna (1) breytinga á ferroelectric fasa fyrir mikla skilvirkni, (2) lágan lekastraum til að koma í veg fyrir tap og (3) mikla sundurliðun. Þessir fjölþjóðlegir, stigstærðar og skilvirkar pyroelectric krafta uppskerur eru að endurmynda hitauppstreymi orkuvinnslu.
Í samanburði við staðbundna hitastigsstig sem krafist er fyrir hitauppstreymi þarf orkuuppskeru hitauppstreymisefna hitastigshjólreiðar með tímanum. Þetta þýðir hitafræðilega hringrás, sem best er lýst með óreiðu (S) -Temperature (T) skýringarmyndinni. Mynd 1a sýnir dæmigerð ST-samsæri ólínulegs pyroelectric (NLP) efni sem sýnir fram á reitdrifna ferroelectric-paraelectric fasaskipti í Scandium blý tantalat (PST). Bláir og grænir hlutar hringrásarinnar á ST skýringarmyndinni samsvara umbreyttu raforku í Olson hringrásinni (tveir isothermal og tveir ísópólhlutar). Hér lítum við á tvær lotur með sömu rafsviðsbreytingu (reitum og slökkt) og hitastigsbreytingu Δt, að vísu með mismunandi upphafshitastig. Græna hringrásin er ekki staðsett á fasa umbreytingarsvæðinu og hefur þannig miklu minni svæði en bláa hringrásin sem staðsett er á fasa umbreytingarsvæðinu. Í ST skýringarmyndinni, því stærra sem svæðið er, því meiri er safnað orka. Þess vegna verður fasaskiptingin að safna meiri orku. Þörfin fyrir stóra svæðishjólreiðar í NLP er mjög svipuð og þörfin fyrir raforkuforrit9, 10, 11, 12 þar sem PST fjöllaga þéttar (MLC) og PVDF byggir terpolymers hafa nýlega sýnt framúrskarandi öfugan árangur. Staða kælingar í hringrás 13,14,15,16. Þess vegna höfum við greint PST MLC sem vekur áhuga fyrir hitauppstreymi. Þessum sýnum hefur verið lýst að fullu í aðferðum og einkennist í viðbótarbréfum 1 (skannar rafeindasmásjá), 2 (röntgengeislun) og 3 (kalorímetry).
A, skissu af entropy (s) -temperature (t) lóð með rafsviði og slökkt er beitt á NLP efni sem sýnir fasabreytingar. Tvær orkusöfnunarlotur eru sýndar á tveimur mismunandi hitastigssvæðum. Bláu og grænu loturnar eiga sér stað innan og utan fasaskipta, hver um sig, og enda á mjög mismunandi svæðum yfirborðsins. B, tveir de PST MLC einhliða 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. Bréfin ABCD vísa til mismunandi ríkja í Olson hringrásinni. AB: MLC voru hlaðin 155 kV cm-1 við 20 ° C. BC: MLC var haldið við 155 kV cm-1 og hitastigið var hækkað í 90 ° C. CD: MLC losar við 90 ° C. DA: MLC kælt að 20 ° C í núllreit. Bláa svæðið samsvarar inntaksafli sem þarf til að hefja hringrásina. Appelsínugult svæðið er orkan sem safnað er í einni lotu. C, topp spjaldið, spennu (svartur) og straumur (rauður) á móti tíma, rakinn á sama Olson hringrás og b. Innskotin tvö tákna mögnun spennu og straums við lykilpunkta í hringrásinni. Í neðri spjaldinu tákna gulu og grænu ferlarnir samsvarandi hitastig og orkuferla, hver um sig, fyrir 1 mm þykkt MLC. Orka er reiknuð út frá straum- og spennuferlum á efstu spjaldinu. Neikvæð orka samsvarar safnaðri orku. Skrefin sem samsvara höfuðborgunum í tölunum fjórum eru þau sömu og í Olson hringrásinni. Hringrásin AB'CD samsvarar Stirling hringrásinni (viðbótar athugasemd 7).
Þar sem E og D eru rafsviðið og rafsviðssviðið, hvort um sig. ND er hægt að fá óbeint frá DE hringrásinni (mynd 1B) eða beint með því að hefja hitafræðilega hringrás. Gagnlegustu aðferðunum var lýst af Olsen í brautryðjendastarfi sínu við að safna gígetu orku á 198017.
Á mynd. 1B sýnir tvær einokunar DE lykkjur af 1 mm þykkum PST-MLC sýnum sem saman voru við 20 ° C og 90 ° C, hver um sig, á bilinu 0 til 155 kV cm-1 (600 V). Hægt er að nota þessar tvær lotur til að reikna óbeint orkuna sem safnað er með Olson hringrásinni sem sýnd er á mynd 1A. Reyndar samanstendur Olsen hringrásin af tveimur isofield útibúum (hér, núllreit í DA útibúinu og 155 kV cm-1 í BC útibúinu) og tveimur isothermal útibúum (hér, 20 ° с og 20 ° с í AB útibúinu). C í CD greininni) orkan sem safnað er meðan á hringrásinni stóð samsvarar appelsínugulum og bláum svæðum (EDD Integral). Safnaða orka ND er munurinn á inntaki og framleiðsla orku, þ.e. aðeins appelsínugult svæðinu á mynd. 1b. Þessi tiltekna Olson hringrás gefur ND orkuþéttleika 1,78 J CM-3. Stirling hringrásin er valkostur við Olson hringrásina (viðbótarbréf 7). Vegna þess að auðveldara er að ná stöðugum hleðslustigi (opnum hringrás) nær orkuþéttleiki sem dreginn er út úr mynd 1B (Cycle 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 beinlínis orkuna sem safnað var á Olson hringrásinni með því að orka PST MLC með því að nota Linkam hitastýringarstig og upprunamæli (aðferð). Mynd 1C efst og í viðkomandi innréttingum sýnir strauminn (rauða) og spennuna (svartan) sem safnað er á sama 1 mm þykkt PST MLC eins og fyrir de lykkjuna sem fer í gegnum sömu Olson hringrás. Straumurinn og spenna gerir það mögulegt að reikna út safnað orku og ferlarnir eru sýndir á mynd. 1C, botn (grænn) og hitastig (gult) allan hringrásina. Bréfin ABCD tákna sama Olson hringrás á mynd 1. MLC hleðslu á sér stað meðan á AB fætinum stendur og er framkvæmt við lágan straum (200 µA), þannig að sourcemeter getur rétt stjórnað hleðslu. Afleiðing þessa stöðugs upphafsstraums er að spennuferillinn (svartur ferill) er ekki línulegur vegna ólínulegs mögulegs tilfærslureits D PST (mynd 1C, toppur innlag). Í lok hleðslu er 30 MJ af raforku geymd í MLC (punkti B). MLC hitnar síðan upp og neikvæður straumur (og þar af leiðandi neikvæður straumur) er framleiddur á meðan spenna er áfram við 600 V. Eftir 40 sek., Þegar hitastigið náði hásléttu 90 ° C, var þessum straumi bætt, þó að þrepasýnið sem framleitt var í hringrásinni, raforku 35 mJ meðan á þessum ísófi (annar innlagið á mynd 1c, efst). Spennan á MLC (Branch Cd) er síðan minni, sem leiðir til 60 MJ af raforku til viðbótar. Heildarafköstorka er 95 MJ. Safnaða orkan er munurinn á inntaki og framleiðsluorku, sem gefur 95 - 30 = 65 mJ. Þetta samsvarar orkuþéttleika 1,84 j cm-3, sem er mjög nálægt ND sem dreginn er úr DE hringnum. Endurritun þessarar Olson hringrásar hefur verið mikið prófuð (viðbótarbréf 4). Með því að auka spennu og hitastig náðum við 4,43 J cm-3 með því að nota Olsen hringrás í 0,5 mm þykkt PST MLC yfir hitastigssviðinu 750 V (195 kV cm-1) og 175 ° C (viðbótarbréf 5). Þetta er fjórum sinnum meiri en besti árangurinn sem greint var frá í fræðiritunum fyrir beinan Olson hringrás og var fengin á þunnum kvikmyndum af Pb (Mg, Nb) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (cm. Tafla 1 fyrir fleiri gildi í fræðiritunum). Þessari frammistöðu hefur náðst vegna mjög lágs lekastraums þessara MLC (<10-7 A við 750 V og 180 ° C, sjá smáatriði í viðbótar athugasemd 6) - mikilvægur punktur sem Smith o.fl.19 nefndi - í mótsögn við efnin sem notuð voru í fyrri rannsóknum17,20. Þessari frammistöðu hefur náðst vegna mjög lágs lekastraums þessara MLC (<10-7 A við 750 V og 180 ° C, sjá smáatriði í viðbótar athugasemd 6) - mikilvægur punktur sem Smith o.fl.19 nefndi - í mótsögn við efnin sem notuð voru í fyrri rannsóknum17,20. Эи харакеритики ыи досигну багодаря чень низом ток уечи эих mlc (<10–7 аа 750 в lið. в дополнителном примечании 6) - критичесий момент, уомяну сит и др. 19 - в оичие о к материалам, исолованны в боле ранних иседованиях17,20. Þessum einkennum var náð vegna mjög lágs lekastraums þessara MLC (<10–7 A við 750 V og 180 ° C, sjá viðbótar athugasemd 6 fyrir nánari upplýsingar) - mikilvægur punktur sem 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 17,20。由于 这些 MLC 的 泄漏 非常 （在 在 在 在 在 补充 补充 说明 说明 提到 中 这些 这些 这些 这些 泄漏 泄漏 泄漏 泄漏 非常 在 参见 补充 补充 人 说明 提到 这些 这些 这些 泄漏 泄漏 由于 参见 参见 人 相比之下 由于 由于 这些 这些 泄漏 泄漏 泄漏 非常 参见 相比之下 相比之下 相比之下 由于 由于 由于 泄漏 泄漏 泄漏 非常 er 由于 由于 由于 中 中 这些 这些 这些 由于 泄漏 非常 非常 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 关键 这些 这些 这些 泄漏 泄漏 非常 非常 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 这些 泄漏 泄漏 由于 非常 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 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。 Посол ток уечечи эих mlc ченизий (<10–7 при 750 в 180 ° C, с. кевой момент, уомяну ситом и д д д д у д д д д д д юч д юч юч юч юч юч юч юч юч юч. 19 - дя сраsetis, ыи досигну эи харакерисики. Þar sem lekastraumur þessara MLC er mjög lítill (<10–7 A við 750 V og 180 ° C, sjá viðbótar athugasemd 6 fyrir frekari upplýsingar) - lykilatriði sem Smith o.fl. 19 - Til samanburðar var þessum sýningum náð.við efni sem notuð voru í fyrri rannsóknum 17,20.
Sömu skilyrði (600 V, 20–90 ° C) beitt á Stirling hringrásina (viðbótarbréf 7). Eins og búist var við af niðurstöðum DE hringrásarinnar var afraksturinn 41,0 mJ. Einn af mest sláandi eiginleikum Stirling hringrásar er geta þeirra til að magna upphafsspennuna í gegnum hitauppstreymisáhrifin. Við fylgjumst með spennuhagnaði allt að 39 (frá upphafsspennu 15 V til endaspennu allt að 590 V, sjá viðbótar mynd 7.2).
Annar aðgreinandi eiginleiki þessara MLC er að þeir eru fjölþjóðlegir hlutir sem eru nógu stórir til að safna orku á joule sviðinu. Þess vegna smíðuðum við frumgerð uppskeru (Harv1) með því að nota 28 mlc PST 1 mm þykkt, eftir sömu samsíða plötuhönnun sem lýst er af Torello o.fl.14, í 7 × 4 fylki eins og sýnt er á mynd. Hitafjölgunin á milli tveggja uppsveiflu í manifoldinu er haldið áfram með stöðvandi (aðferð). Safnaðu allt að 3,1 J með því að nota Olson hringrásina sem lýst er á mynd. 2A, ísómalasvæði við 10 ° C og 125 ° C og ísófield svæði við 0 og 750 V (195 kV cm-1). Þetta samsvarar orkuþéttleika 3,14 J CM-3. Með því að nota þessa sameiningu voru mælingar teknar við ýmsar aðstæður (mynd 2B). Athugið að 1,8 J var fengið yfir hitastigssviðið 80 ° C og spennu 600 V (155 kV cm-1). Þetta er í góðu samræmi við áður nefnd 65 mJ fyrir 1 mm þykkt PST MLC við sömu aðstæður (28 × 65 = 1820 mJ).
A, tilraunauppsetning á samsettum Harv1 frumgerð byggð á 28 MLC PSTS 1 mm þykkt (4 línur × 7 dálkar) sem keyra á Olson hringrás. Fyrir hvert af fjórum hringrásarskrefum er hitastig og spenna veitt í frumgerðinni. Tölvan rekur peristaltic dælu sem dreifir rafstraumsvökva milli kalda og heita lónanna, tveggja loka og aflgjafa. Tölvan notar einnig hitauppstreymi til að safna gögnum um spennuna og strauminn sem fylgir frumgerðinni og hitastigi sameiningarinnar frá aflgjafa. B, orka (litur) sem safnað er af 4 × 7 MLC frumgerð okkar á móti hitastigssviði (X-ás) og spennu (Y-ás) í mismunandi tilraunum.
Stærri útgáfa af Harvester (Harv2) með 60 PST MLC 1 mm þykkt og 160 PST MLC 0,5 mm þykkt (41,7 g virkt pyroelectric efni) gaf 11,2 J (viðbótar athugasemd 8). Árið 1984 gerði Olsen orkuuppskeru byggðan á 317 g af tin-dópaðri Pb (Zr, Ti) O3 efnasambandi sem getur myndað 6,23 J af raforku við hitastigið um það bil 150 ° C (tilvísun 21). Fyrir þetta sameining er þetta eina annað gildi sem til er í Joule sviðinu. Það fékk rúmlega helming það gildi sem við náðum og næstum sjö sinnum gæðunum. Þetta þýðir að orkuþéttleiki Harv2 er 13 sinnum hærri.
HARV1 hringrásartímabilið er 57 sekúndur. Þetta framleiddi 54 MW afl með 4 línum af 7 dálkum af 1 mm þykkum MLC settum. Til að taka það einu skrefi lengra smíðuðum við þriðja sameiningu (Harv3) með 0,5 mm þykkt PST MLC og svipað skipulag og Harv1 og Harv2 (viðbótarbréf 9). Við mældum hitauppstreymi 12,5 sekúndur. Þetta samsvarar hringrásartíma 25 sek (viðbótar mynd 9). Safnaða orkan (47 mJ) gefur raforku 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 eftir hitaflutningi með endanlegri uppgerð fyrir frumefni (COMSOL, viðbótarbréf 10 og viðbótartöflur 2–4) sem samsvarar Harv1 tilraunum. Endanleg líkanagerð gerði það mögulegt að spá fyrir um aflgildi næstum stærðargráðu (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 línur. × 4 dálkar (til viðbótar voru 960 MW þegar geymirinn var við hliðina á Combine, viðbótar mynd 10b).
Til að sýna fram á notagildi þessa safnara var Stirling hringrás beitt á sjálfstæða sýningarstjóra sem samanstóð af aðeins tveimur 0,5 mm þykkum PST MLC sem hita safnara, háspennurofi, lágspennurofi með geymsluþétti, DC/DC breytir, með lágum aflstýringu 11). Hringrásin krefst þess að geymsluþétti sé upphaflega hlaðinn við 9V og keyrir síðan sjálfstætt á meðan hitastig tveggja MLC er á bilinu -5 ° C til 85 ° C, hér í 160 sekúndum (nokkrar lotur eru sýndar í viðbótar athugasemd 11). Merkilegt að tvö MLC sem vega aðeins 0,3g geta stjórnað þessu stóra kerfi sjálfstætt. Annar áhugaverður eiginleiki er að lágspennubreytirinn er fær um að breyta 400V í 10-15V með 79% skilvirkni (viðbótarbréf 11 og viðbótar mynd 11.3).
Að lokum metum við skilvirkni þessara MLC eininga við að umbreyta hitauppstreymi í raforku. Gæðaþátturinn η af skilvirkni er skilgreindur sem hlutfall þéttleika safnaðs raforku og þéttleika meðfylgjandi hita Qin (viðbótarbréf 12):
Myndir 3A, B sýna skilvirkni η og hlutfallsleg skilvirkni ηr Olsen hringrásarinnar, hver um sig, sem fall af hitastigssviðinu 0,5 mm þykkt PST MLC. Bæði gagnasettin eru gefin fyrir rafsvið 195 kV cm-1. Skilvirkni \ (\ þessi \) 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 upp í 40% (blá ferill á mynd 3B). Þetta er tvöfalt þekkt gildi fyrir NLP efni sem skráð eru í PMN-PT kvikmyndum (ηr = 19%) á hitastiginu 10 k og 300 kV cm-1 (tilvísun 18). Ekki var litið á hitastigssvið undir 10 K vegna þess að hitauppstreymi PST MLC er á bilinu 5 til 8 K. Viðurkenning á jákvæðum áhrifum fasabreytingar á skilvirkni er mikilvæg. Reyndar eru ákjósanleg gildi η og ηr nánast öll fengin við upphafshitastig Ti = 25 ° C á myndum. 3a, f. Þetta er vegna þess að umbreyting á fasa þegar engum reit er beitt og Curie hitastig TC er um 20 ° C í þessum MLC (viðbótarbréf 13).
A, B, skilvirkni η og hlutfallsleg skilvirkni Olson hringrásarinnar (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {Carnot}} fyrir hámark rafmagns með akri 195 kV cm-1 og mismunandi upphafs temptatures ti, fyrir hámarks rafmagns á sviði 195 kV CM-1 og mismunandi upphafsgetu Ti, fyrir hámarks rafsviði 195 kV CM-1 og mismunandi upphafsgerðir Ti, fyrir hámarks rafsviði 195 kV CM-1 og mismunandi upphafsgerðir Ti, fyrir hámarks rafmagnssvið 195 kV CM-1 og mismunandi upphafsgerðir Ti, fyrir hámarks rafsvið 195 kV CM-1 og mismunandi upphafsgerðir Ti, fyrir hámarks rafsvæð }} \, \) (b) fyrir MPC PST 0,5 mm þykkt, allt eftir hitastigsbili Δtsspan.
Síðarnefndu athugunin hefur tvö mikilvæg áhrif: (1) Allar árangursríkar hjólreiðar verða að hefjast við hitastig yfir TC til að fasaskipti af völdum sviði (frá paraelectric til ferroelectric) geti átt sér stað; (2) Þessi efni eru skilvirkari á keyrslutímum nálægt TC. Þrátt fyrir að stórfelld skilvirkni sé sýnd í tilraunum okkar, gerir takmörkuð hitastigssvið ekki kleift að ná stórum algerum skilvirkni vegna Carnot-marka (\ (\ delta t/t \)). Hins vegar er framúrskarandi skilvirkni sem þessi PST MLC sýndi Olsen þegar hann nefnir að „kjörinn flokk 20 endurnýjunar hitamyndunar mótor sem starfar við hitastig milli 50 ° C og 250 ° C geti haft skilvirkni 30%“ 17. Til að ná þessum gildum og prófa hugtakið væri gagnlegt að nota dópaða PST með mismunandi TC, eins og rannsakað var af Shebanov og Borman. Þeir sýndu að TC í PST getur verið breytilegt frá 3 ° C (SB dóp) til 33 ° C (Ti doping) 22. Þess vegna gerum við tilgátum að næstu kynslóðar raforkuvirkja sem byggjast á dópuðum PST MLC eða öðrum efnum með sterkum fyrstu röð umbreytinga geti keppt við bestu kraft uppskeru.
Í þessari rannsókn könnuðum við MLC úr PST. Þessi tæki samanstanda af röð af PT og PST rafskautum, þar sem nokkrir þéttar eru tengdir samhliða. PST var valið vegna þess að það er frábært EB efni og því hugsanlega framúrskarandi NLP efni. Það sýnir skarpa fyrstu röð ferroelectric-paraelectric fasaskipta um 20 ° C, sem bendir til þess að óreiðubreytingar þess séu svipaðar og sýndar á mynd 1. Svipuðum MLC 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 MLC. MLC með þykkt 1 mm og 0,5 mm voru úr 19 og 9 lög af PST með þykkt 38,6 µm, í sömu röð. Í báðum tilvikum var innra PST lagið sett á milli 2,05 µm þykkra platínu rafskauta. Hönnun þessara MLC gerir ráð fyrir að 55% PST séu virk, sem samsvarar hlutanum milli rafskautanna (viðbótarbréf 1). Virka rafskautasvæðið var 48,7 mm2 (viðbótartafla 5). MLC PST var framleitt með fasa viðbrögðum og steypuaðferð. Upplýsingum um undirbúningsferlið hefur verið lýst í fyrri grein 11. Einn af mismuninum á milli PST MLC og fyrri greinar er röð B-staða, sem hefur mikil áhrif á frammistöðu EB í PST. Röð B-síða PST MLC er 0,75 (viðbótarbréf 2) fengin með sintrun við 1400 ° C og síðan hundruð klukkustunda langvarandi gljúp við 1000 ° C. Fyrir frekari upplýsingar um PST MLC, sjá viðbótarbréf 1-3 og viðbótartafla 5.
Aðalhugtak þessarar rannsóknar er byggt á Olson hringrásinni (mynd 1). Fyrir slíka hringrás þurfum við heitt og kalt lón og aflgjafa sem er fær um að fylgjast með og stjórna spennunni og straumnum í hinum ýmsu MLC einingum. Þessar beinu lotur notuðu tvær mismunandi stillingar, nefnilega (1) Linkam einingar upphitun og kælingu einn MLC tengdur við Keithley 2410 aflgjafa, og (2) þrjár frumgerðir (Harv1, Harv2 og Harv3) samhliða sömu uppsprettuorku. Í síðara tilvikinu var dielectric vökvi (kísillolía með seigju 5 cp við 25 ° C, keypt af Sigma Aldrich) notuð til hitaskipta milli lónanna tveggja (heitt og kalt) og MLC. Varma lónið samanstendur af glerílát fyllt með dielectric vökva og sett ofan á hitauppstreymi. Kalt geymsla samanstendur af vatnsbaði með fljótandi rörum sem innihalda dielectric vökva í stóru plastílát fyllt með vatni og ís. Tveir þriggja vega klípulokar (keyptir af lífrænu chem vökva) voru settir í hvorum enda sameiningarinnar til að skipta um vökva á réttan hátt úr einu lóninu yfir í annað (mynd 2A). Til að tryggja hitauppstreymi milli PST-MLC pakkans og kælivökva var hringrásartímabilið framlengt þar til hitauppstreymi og útrás (eins nálægt PST-MLC pakkanum) sýndi sama hitastig. Python handritið stýrir og samstillir öll hljóðfæri (uppspretta metra, dælur, lokar og hitauppstreymi) til að keyra réttan Olson hringrás, þ.e. kælivökva byrjar að hjóla í gegnum PST stafla eftir að uppspretta mælirinn er hlaðinn þannig að þeir hitna upp við viðeigandi beitt spennu fyrir gefna Olson hringrás.
Að öðrum kosti höfum við staðfest þessar beinu mælingar á safnaðri orku með óbeinum aðferðum. Þessar óbeinu aðferðir eru byggðar á rafmagns tilfærslu (D) - Rafsvið (E) reit lykkjur sem safnað er við mismunandi hitastig og með því að reikna svæðið á milli tveggja de lykkja er hægt að meta nákvæmlega hversu mikla orku er hægt að safna, eins og sýnt er á myndinni. Á mynd 2. .1b. Þessum de lykkjum er einnig safnað með því að nota Keithley Source Meters.
Tuttugu og átta 1 mm þykkir PST MLC voru settir saman í 4-röð, 7 dálka samsíða plötubyggingu samkvæmt hönnuninni sem lýst er í tilvísuninni. 14. Vökvamunurinn milli PST-MLC raða er 0,75mm. Þetta er náð með því að bæta við ræmum af tvíhliða borði sem fljótandi rýmum umhverfis brúnir PST MLC. PST MLC er rafrænt tengt samhliða silfri epoxýbrú í snertingu við rafskautið. Eftir það voru vírar límdir með silfur epoxýplastefni hvoru megin við rafskautsstöðvarnar til tengingar við aflgjafa. Að lokum, settu alla uppbygginguna í polyolefin slönguna. Hið síðarnefnda er límd við vökvaslönguna til að tryggja rétta þéttingu. Að lokum voru 0,25 mm þykkir K-gerð hitauppstreymi innbyggðir í hvorum enda PST-MLC uppbyggingarinnar til að fylgjast með inntaki og útrásarvökva. Til að gera þetta verður fyrst að vera göt í slöngunni. Eftir að hitauppstreymi hefur verið sett upp skaltu beita sama lím og áður á milli hitauppstreymisslöngunnar og vírsins til að endurheimta innsiglið.
Átta aðskildar frumgerðir voru smíðaðar, þar af fjórar með 40 0,5 mm þykkar MLC PSTS dreifðar sem samsíða plötur með 5 dálkum og 8 línum, og hinir fjórir voru með 15 1 mm þykka MLC PST -lyf hvor. Í 3 dálkum × 5-röð samhliða plötuuppbyggingu. Heildarfjöldi PST MLC sem notaðir voru var 220 (160 0,5 mm þykkur og 60 PST MLC 1 mm þykkur). Við köllum þessar tvær undireiningar Harv2_160 og Harv2_60. Vökvi bilið í frumgerðinni Harv2_160 samanstendur af tveimur tvíhliða spólum 0,25 mm þykkt með vír 0,25 mm þykkt á milli. 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 vökvahringrásir, dælur, lokar og kalda hlið (viðbótarbréf 8). Tvær Harv2 einingar deila hita lóninu, 3 lítra ílát (30 cm x 20 cm x 5 cm) á tveimur heitum plötum með snúnings seglum. Allar átta einstaka frumgerðir eru rafeindar samhliða. Harv2_160 og Harv2_60 undireiningarnar virka samtímis í Olson hringrásinni sem leiðir til orkuuppskeru 11,2 J.
Settu 0,5 mm þykkt PST MLC í pólýólefínslöngu með tvíhliða borði og vír á báðum hliðum til að skapa rými til að vökvi til að flæða. Vegna smæðar þess var frumgerðin sett við hliðina á heitum eða köldum lónsventli og lágmarka hringrásartíma.
Í PST MLC er stöðugt rafsvið beitt með því að beita stöðugri spennu á upphitunargreinina. Fyrir vikið myndast neikvæð hitauppstreymi og orka geymd. Eftir að PST MLC hitaði er reiturinn fjarlægður (v = 0) og orkunni sem er geymd í honum er skilað aftur í uppsprettuborðið, sem samsvarar einu framlagi safnaðrar orku. Að lokum, með spennu V = 0 beitt, eru MLC PSTs kældir að upphafshitastiginu svo að hringrásin geti byrjað aftur. Á þessu stigi er orku ekki safnað. Við keyrðum Olsen hringrásina með því að nota Keithley 2410 Sourcemeter, rukkuðum PST MLC frá spennuuppsprettu og settum núverandi samsvörun að viðeigandi gildi svo að nægum stigum var safnað á hleðslustiginu fyrir áreiðanlega orkuútreikninga.
Í Stirling hringrás voru PST MLC hlaðin í spennuuppsprettustillingu við upphafs rafsviðsgildi (upphafsspenna VI> 0), æskilegur fylgni straumur þannig að hleðsluskrefið tekur um 1 sek (og nægir punktar eru safnaðir til að fá áreiðanlegan útreikning á orkunni) og köldum hitastigi. Í Stirling hringrás voru PST MLC hlaðin í spennuuppsprettustillingu við upphafs rafsviðsgildi (upphafsspenna VI> 0), æskilegur fylgni straumur þannig að hleðsluskrefið tekur um 1 sek (og nægir punktar eru safnaðir til að fá áreiðanlegan útreikning á orkunni) og köldum hitastigi. Циках сирлинга pst mlc заряжалир р режиме исочника напяжения при начном значениiti эекекричесесекоо п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п ж ж ж ж ж ж ж ж з з з э э, (началное напяжение vi> 0), желаемом подативом токе, так чо эопаряди занимает оол? количесво точек дя надежного рачета энергия) холодная темератра. Í Stirling PST MLC hringrásinni voru þær hlaðnar í spennuuppsprettustillingunni við upphafsgildi rafsviðsins (upphafsspennu VI> 0), sem óskað er ávöxtunarstraumsins, þannig að hleðslustigið tekur um það bil 1 sek (og nægjanlegan fjölda punkta er safnað fyrir áreiðanlegan orkusamning) og kalt hitastig.I Í aðalhringrásinni er PST MLC hlaðinn við upphafs rafsviðsgildið (upphafsspenna VI> 0) í spennuuppsprettustillingu, þannig að nauðsynlegur fylgni straumur tekur um það bil 1 sekúndu fyrir hleðsluskrefið (og við safnuðum nægum stigum til að reikna áreiðanlega (orku) og lágan hita. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение vi> 0), тебеыйе ток подативоси таков, чо эапаряди занимóna оол upp 1 количесво точек, чоы надежно р рекитат энергию) низие темератры. Í Stirling hringrásinni er PST MLC hlaðinn í spennuuppsprettustillingu með upphafsgildi rafsviðsins (upphafsspenna VI> 0), nauðsynlegur samræmi straumur er þannig að hleðslustigið tekur um það bil 1 sek (og nægjanlegan fjölda punkta er safnað til að reikna út áreiðanlegan orku) og lágan hita.Áður en PST MLC hitnar upp skaltu opna hringrásina með því að beita samsvarandi straumi i = 0 Ma (lágmarks samsvarandi straumur sem mælingarheimild okkar ræður við er 10 na). Fyrir vikið er hleðsla áfram í PST MJK og spenna eykst þegar sýnið hitnar. Engum orku er safnað í ARM BC vegna þess að i = 0 Ma. Eftir að hafa náð háum hita eykst spenna í MLT ft (í sumum tilvikum meira en 30 sinnum, sjá viðbótar mynd 7.2), MLK FT er sleppt (V = 0) og raforkan er geymd í þeim fyrir það sama og þau eru upphafshleðslan. Sama núverandi bréfaskiptum er skilað í metra uppruna. Vegna spennuhagnaðar er geymd orka við háan hita hærri en veitt var í byrjun lotu. Þar af leiðandi fæst orka með því að umbreyta hita í rafmagn.
Við notuðum Keithley 2410 Sourcemeter til að fylgjast með spennu og straumi beitt á PST MLC. Samsvarandi orka er reiknuð með því að samþætta vöru spennunnar og straumsins lesinn af upprunamælinum Keithley, \ (E = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {{{\ rm {meas}}} (t) {{{{\ rm {meas}}} τ er tímabil tímabilsins. Á orkuferlinum okkar þýðir jákvæð orkugildi orkuna sem við verðum að gefa MLC PST og neikvæð gildi þýða orkuna sem við drekkum úr þeim og því orkunni sem berast. Hlutfallslegur kraftur fyrir tiltekna söfnunarlotu ræðst með því að deila safnaðri orku með tímabilinu τ í allri hringrásinni.
Öll gögn eru kynnt í aðaltextanum eða í viðbótarupplýsingum. Beina skal bréfum og beiðnum um efni til uppruna AT eða ED gagna sem fylgja þessari grein.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Endurskoðun á þróun og forritum hitauppstreymis míkrógenerators til orkuuppskeru. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Endurskoðun á þróun og forritum hitauppstreymis míkrógenerators til orkuuppskeru.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo og Henao, NC yfirlit yfir þróun og beitingu hitauppstreymis míkrógenatorators til að uppskera orku. 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 íhuga þróun og beitingu hitauppstreymis míkrógenerators til að uppskera orku.halda áfram. Stuðningur. Orka séra 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Photovoltaic efni: Núverandi skilvirkni og framtíðaráskoranir. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Photovoltaic efni: Núverandi skilvirkni og framtíðaráskoranir.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK Photovoltaic efni: Núverandi frammistaða 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 Solar Materials: Núverandi skilvirkni og framtíðaráskoranir.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. og Sinke, VK Photovoltaic efni: Núverandi frammistaða og framtíðaráskoranir.Vísindi 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Samstillt pyro-piezoelectric áhrif fyrir sjálfknúið samtímis hitastig og þrýstingskynjun. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Samsteypt pyro-piezoelectric áhrif fyrir sjálfknúið samtímis hitastig og þrýstingskynjun.Song K., Zhao R., Wang Zl og Yan Yu. Samsett pyropiezoelectric áhrif til sjálfstæðrar 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 sjálfsöflunar á sama tíma og hitastig og þrýstingur.Song K., Zhao R., Wang Zl og Yan Yu. Samsett hitamyndun áhrif á sjálfstæðan samtímis mælingu á hitastigi og þrýstingi.Áfram. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energy Harvesting byggð á Ericsson Pyroelectric hringrásum í slökun á ferroelectric keramik. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energy Harvesting byggð á Ericsson Pyroelectric hringrásum í slökun á ferroelectric keramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Energy Harvesting byggð á Pyroelectric Ericsson hringrásum í slökunarferorerelectric keramik.Sebald G., Prouvost S. og Guyomar D. Energy uppskeru í slökun á járnfrumu keramik byggð á Ericsson Pyroelectric hjólreiðum. Smart Alma Mater. uppbygging. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW næstu kynslóð rafhalorískra og gígetuefni fyrir raforkuvirkni í solid-ríki. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW næstu kynslóð rafhalorískra og gígetuefni fyrir raforkuvirkni í solid-ríki. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эекекричесекие мериаы седегесо ооколone д я яeyk заимного преобразования твердотелной эекротермичесой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric and Pyroelectric Materials fyrir Solid State Electrothermal Energy Intervension. 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材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эекекричесекие мериаы седегесо ооколone д я яeyk заимного преобразования твердотелной эекротермичесой энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric and Pyroelectric Materials fyrir Solid State Electrothermal Energy Intervension.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard og merit til að mæla árangur pyroelectric nanogeneratorators. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standard og merit til að mæla árangur pyroelectric nanogeneratorators.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl og Yang, Yu. Staðlað og gæðastig til að mæla árangur pyroelectric nanogeneratorators. 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 frammistöðu ráðstafanir til að mæla árangur pyroelectric nanogenerator.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Electrocaloric Cooling Cycles í blýskandium tantalate með raunverulegri endurnýjun með sviði breytileika. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Electrocaloric Cooling Cycles í blýskandium tantalate með raunverulegri endurnýjun með sviði breytileika.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. og Mathur, Electrocaloric kælingarferli í blý-scandium tantalat með raunverulegri endurnýjun með sviðibreytingum. 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. 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 raforku kælingarhrings skandíum-blý tantalat til raunverulegrar endurnýjunar með afturvirkni.Eðlisfræði séra x 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, nd kaloríuefni nálægt ferroic fasaskiptum. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, nd kaloríuefni nálægt ferroic fasaskiptum.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, nd kaloríuefni nálægt Ferroid fasaskiptum. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, hitauppstreymi nálægt járn málmvinnslu.Moya, X., Kar-Narayan, S. og Mathur, nd hitauppstreymi nálægt járnfasa umbreytingum.NAT. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, nd kaloríuefni til kælingar og upphitunar. Moya, X. & Mathur, nd kaloríuefni til kælingar og upphitunar.Moya, X. og Mathur, nd hitauppstreymi til kælingar og upphitunar. Moya, X. & Mathur, nd 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, nd hitauppstreymi til kælingar og upphitunar.Moya X. og Mathur nd hitauppstreymi til kælingar og upphitunar.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: A Review. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。Torello, A. og Defay, E. Electrothermal Coolers: A Review.Langt gengið. Rafrænt. Alma Mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. o.fl. Gífurleg orkunýtni rafkalusjúkdóms í mjög skipuðu skandíum-scandium-blýi. Landssamskipti. 12, 3298 (2021).
Nair, B. o.fl. Rafhitaáhrif oxíðfjölskyldanna eru stór yfir breitt hitastigssvið. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. o.fl. Gríðarlegt hitastigssvið í endurnýjunarrekstri. Vísindi 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. o.fl. Mikil afkastamikil rafkælingarkerfi fyrir solid ástand. Vísindi 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. o.fl. Cascade Electrothermal Cooling Device fyrir stóra hitastigshækkun. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD mikil virkni bein umbreyting á hita í rafmagns orkutengd pyroelectric mælingar. Olsen, RB & Brown, DD mikil skilvirkni Bein umbreyting á hita í rafmagns orkutengd gigtarmælingar.Olsen, RB og Brown, DD Mjög skilvirk bein umbreyting hita í raforku í tengslum við gigralyfjamælingar. 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 og Brown, DD skilvirk umbreyting hita í rafmagn í tengslum við gigtarmælingar.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. o.fl. Orka og kraftþéttleiki í þunnum slökunarferlum. National Alma Mater. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM hyljaður umbreytingu á gígalyfjum: Hagræðing á ferroelectric fasa umbreytingu og rafmagnstap. Smith, An & Hanrahan, BM hyljaður umbreytingu á gígalyfjum: Hagræðing á ferroelectric fasa umbreytingu og rafmagnstap.Smith, An og Hanrahan, BM hylkja umbreytingu pyroelectric: Ferroelectric fasaskipti og hagræðingu rafmagns taps. 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 hylkja gígalyfjabreytingu: Hagræðing á ferróafasabreytingum og rafmagnstapi.J. Umsókn. Eðlisfræði. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Notkun ferroelectric efna til að umbreyta hitauppstreymi 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 breytir.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Um blý-scandium tantalat fast lausnir með miklum rafkalorískum áhrifum. Shebanov, L. & Borman, K. Um blý-scandium tantalat fast lausnir með miklum rafkalorískum áhrifum.Shebanov L. og Borman K. Á traustum lausnum af blý-scandium tantalat með miklum rafkalorískum 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-scandium fastar lausnir með háum rafhalorískum 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 þessa vinnu í gegnum CamelHeat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay- Siebentritt, Therermodimat C20/MS/14718071/Defay og Therermodimat C20/MS/14718071/Defay og Therermodimat C20/MS/14718071/Defay og Therermodimat C20/MS/14718071/Defay og Thermodimat C20/MS/14718071 Bridges2021/MS/16282302/Cecoha/Defay.
Department of Materials Research and Technolk