Cung cấp các nguồn điện bền vững là một trong những thách thức quan trọng nhất của thế kỷ này. Các khu vực nghiên cứu trong các vật liệu thu hoạch năng lượng xuất phát từ động lực này, bao gồm nhiệt điện1, photovoltaic2 và thermophotovoltaics3. Mặc dù chúng tôi thiếu vật liệu và thiết bị có khả năng thu hoạch năng lượng trong phạm vi Joule, các vật liệu quang điện có thể chuyển đổi năng lượng điện thành thay đổi nhiệt độ định kỳ được coi là cảm biến4 và máy thu thập năng lượng5,6,6. Ở đây chúng tôi đã phát triển một máy gặt năng lượng nhiệt vĩ mô dưới dạng tụ điện đa lớp làm từ 42 gram scandium tantalate chì, tạo ra 11,2 J năng lượng điện trên mỗi chu kỳ nhiệt động. Mỗi mô-đun quang điện có thể tạo ra mật độ năng lượng điện lên tới 4,43 J cm-3 mỗi chu kỳ. Chúng tôi cũng chỉ ra rằng hai mô -đun như vậy có trọng lượng 0,3 g là đủ để liên tục cung cấp năng lượng cho máy gặt năng lượng tự trị với các bộ vi điều khiển nhúng và cảm biến nhiệt độ. Cuối cùng, chúng tôi cho thấy rằng trong phạm vi nhiệt độ 10 K, các tụ điện đa lớp này có thể đạt hiệu quả Carnot 40%. Các tính chất này là do (1) thay đổi pha sắt đối với hiệu quả cao, (2) dòng rò thấp để ngăn ngừa tổn thất và (3) điện áp phân hủy cao. Những máy gặt nhiệt điện vĩ mô, có thể mở rộng và hiệu quả này đang tái hiện lại sự phát điện nhiệt điện.
So với độ dốc nhiệt độ không gian cần thiết cho vật liệu nhiệt điện, việc thu hoạch năng lượng của vật liệu nhiệt điện đòi hỏi phải đạp xe theo thời gian. Điều này có nghĩa là một chu kỳ nhiệt động, được mô tả tốt nhất bằng sơ đồ entropy (s) -teme (t). Hình 1a cho thấy một biểu đồ ST điển hình của vật liệu pyroelectric (NLP) phi tuyến tính chứng minh sự chuyển đổi pha sắt điện-paraelectric điều khiển tại trường trong scandium chì tantalate (PST). Các phần màu xanh lam và màu xanh lá cây của chu kỳ trên sơ đồ ST tương ứng với năng lượng điện được chuyển đổi trong chu kỳ Olson (hai phần đẳng nhiệt và hai phần isopole). Ở đây chúng tôi xem xét hai chu kỳ với cùng một thay đổi điện trường (bật và tắt trường) và thay đổi nhiệt độ ΔT, mặc dù với nhiệt độ ban đầu khác nhau. Chu kỳ màu xanh lá cây không nằm trong vùng chuyển pha và do đó có khu vực nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ màu xanh nằm trong vùng chuyển pha. Trong sơ đồ ST, khu vực càng lớn thì năng lượng thu thập càng lớn. Do đó, quá trình chuyển pha phải thu thập thêm năng lượng. Nhu cầu đạp xe diện tích lớn trong NLP rất giống với nhu cầu ứng dụng điện nhiệt, 10, 11, 12 trong đó các tụ điện đa lớp PST (MLC) và terpolyme dựa trên PVDF gần đây đã cho thấy hiệu suất ngược tuyệt vời. Tình trạng hiệu suất làm mát trong chu kỳ 13,14,15,16. Do đó, chúng tôi đã xác định PST MLCs quan tâm để thu hoạch năng lượng nhiệt. Các mẫu này đã được mô tả đầy đủ trong các phương pháp và được đặc trưng trong các ghi chú bổ sung 1 (kính hiển vi điện tử quét), 2 (nhiễu xạ tia X) và 3 (đo nhiệt lượng).
A, Phác thảo của một biểu đồ entropy (S) -teme (T) với điện trường bật và tắt được áp dụng cho các vật liệu NLP cho thấy sự chuyển đổi pha. Hai chu kỳ thu thập năng lượng được thể hiện trong hai vùng nhiệt độ khác nhau. Các chu kỳ xanh và xanh lá cây xảy ra bên trong và bên ngoài quá trình chuyển pha, và kết thúc ở các vùng rất khác nhau của bề mặt. B, hai vòng đơn cực DE PST MLC, dày 1 mm, được đo từ 0 đến 155 kV cm-1 ở 20 ° C và 90 ° C, và các chu kỳ OLSEN tương ứng. Các chữ cái ABCD đề cập đến các trạng thái khác nhau trong chu kỳ Olson. AB: MLC được tính đến 155 kV cm-1 ở 20 ° C. BC: MLC được duy trì ở mức 155 kV cm-1 và nhiệt độ được nâng lên 90 ° C. CD: MLC xả ở 90 ° C. DA: MLC ướp lạnh đến 20 ° C trong trường 0. Vùng màu xanh tương ứng với công suất đầu vào cần thiết để bắt đầu chu kỳ. Khu vực màu cam là năng lượng thu thập trong một chu kỳ. C, bảng trên cùng, điện áp (đen) và dòng điện (màu đỏ) so với thời gian, được theo dõi trong cùng một chu kỳ Olson như b. Hai chèn đại diện cho sự khuếch đại của điện áp và dòng điện tại các điểm chính trong chu kỳ. Trong bảng dưới, các đường cong màu vàng và màu xanh lá cây biểu thị các đường cong nhiệt độ và năng lượng tương ứng, tương ứng, đối với MLC dày 1 mm. Năng lượng được tính toán từ các đường cong hiện tại và điện áp trên bảng trên cùng. Năng lượng âm tương ứng với năng lượng thu thập. Các bước tương ứng với các chữ cái viết hoa trong bốn hình giống như trong chu kỳ Olson. Chu kỳ AB'CD tương ứng với chu kỳ Stirling (ghi chú bổ sung 7).
trong đó E và D là điện trường và điện trường điện tương ứng. ND có thể được lấy gián tiếp từ mạch DE (Hình 1B) hoặc trực tiếp bằng cách bắt đầu một chu kỳ nhiệt động. Các phương pháp hữu ích nhất đã được Olsen mô tả trong công việc tiên phong của ông về việc thu thập năng lượng quang điện trong những năm 198017.
Trên hình. 1B cho thấy hai vòng DE đơn cực có mẫu vật PST-MLC dày 1 mM được lắp ráp ở 20 ° C và 90 ° C, tương ứng, trong phạm vi từ 0 đến 155 kV cm-1 (600 V). Hai chu kỳ này có thể được sử dụng để gián tiếp tính toán năng lượng được thu thập bởi chu kỳ Olson được hiển thị trong Hình 1A. Trên thực tế, chu kỳ Olsen bao gồm hai nhánh Isofield (ở đây, không trường trong nhánh DA và 155 kV cm-1 trong nhánh BC) và hai nhánh đẳng nhiệt (ở đây, 20 ° с và ​​20 ° ° ở nhánh AB). C trong nhánh CD) Năng lượng thu thập được trong chu kỳ tương ứng với các vùng màu cam và màu xanh (tích phân EDD). Năng lượng được thu thập ND là sự khác biệt giữa năng lượng đầu vào và năng lượng đầu ra, tức là chỉ có diện tích màu cam trong hình. 1b. Chu kỳ Olson đặc biệt này cho mật độ năng lượng ND là 1,78 J cm-3. Chu kỳ Stirling là một giải pháp thay thế cho chu kỳ Olson (ghi chú bổ sung 7). Do giai đoạn điện tích không đổi (mạch mở) dễ dàng đạt được hơn, mật độ năng lượng được chiết xuất từ ​​Hình 1B (chu kỳ AB'CD) đạt 1,25 J cm-3. Đây chỉ là 70% những gì mà chu kỳ Olson có thể thu thập, nhưng thiết bị thu hoạch đơn giản làm điều đó.
Ngoài ra, chúng tôi đã trực tiếp đo năng lượng thu thập được trong chu kỳ Olson bằng cách cung cấp năng lượng cho PST MLC bằng giai đoạn điều khiển nhiệt độ Linkam và đồng hồ đo nguồn (phương pháp). Hình 1c ở phía trên và trong các phần bên trong cho thấy dòng điện (màu đỏ) và điện áp (màu đen) được thu thập trên cùng một PST MLC dày 1 mm như đối với DE Loop trải qua cùng một chu kỳ Olson. Dòng điện và điện áp cho phép tính toán năng lượng thu thập được và các đường cong được hiển thị trong hình. 1C, dưới cùng (màu xanh lá cây) và nhiệt độ (màu vàng) trong suốt chu kỳ. Các chữ cái ABCD đại diện cho cùng một chu kỳ Olson trong Hình 1. Sạc MLC xảy ra trong chân AB và được thực hiện ở dòng điện thấp (200 Phaa), do đó, Sourcemeter có thể điều khiển sạc đúng cách. Hậu quả của dòng điện ban đầu không đổi này là đường cong điện áp (đường cong màu đen) không tuyến tính do trường chuyển vị tiềm năng phi tuyến tính D PST (Hình 1C, hình trên cùng). Khi kết thúc sạc, 30 MJ năng lượng điện được lưu trữ trong MLC (điểm B). MLC sau đó nóng lên và dòng điện âm (và do đó dòng điện âm) được tạo ra trong khi điện áp vẫn ở mức 600 V. Sau 40 giây, khi nhiệt độ đạt đến cao nguyên 90 ° C, dòng điện này được bù, mặc dù mẫu bước tạo ra trong mạch điện có công suất điện 35 mJ. Điện áp trên MLC (cdcer CD) sau đó được giảm, dẫn đến thêm 60 MJ công việc điện. Tổng năng lượng đầu ra là 95 mJ. Năng lượng thu thập là sự khác biệt giữa năng lượng đầu vào và năng lượng đầu ra, mang lại 95 - 30 = 65 mJ. Điều này tương ứng với mật độ năng lượng là 1,84 J cm-3, rất gần với ND được chiết xuất từ ​​vòng DE. Khả năng tái tạo của chu kỳ Olson này đã được thử nghiệm rộng rãi (ghi chú bổ sung 4). Bằng cách tăng thêm điện áp và nhiệt độ, chúng tôi đã đạt được 4,43 J cm-3 bằng cách sử dụng các chu kỳ Olsen trong PST MLC dày 0,5 mM trong phạm vi nhiệt độ 750 V (195 kV cm-1) và 175 ° C (ghi chú bổ sung 5). Con số này lớn hơn bốn lần so với hiệu suất tốt nhất được báo cáo trong tài liệu cho các chu kỳ Olson trực tiếp và thu được trên các màng mỏng của PB (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1.06 J CM-3) 18 (CM. Hiệu suất này đã đạt được do dòng rò rất thấp của các MLC này (<10−7 A ở 750 V và 180 ° C, xem chi tiết trong ghi chú bổ sung 6) Điểm quan trọng được đề cập bởi Smith et al.19 Ngược lại với các tài liệu được sử dụng trong các nghiên cứu trước đó17,20. Hiệu suất này đã đạt được do dòng rò rất thấp của các MLC này (<10−7 A ở 750 V và 180 ° C, xem chi tiết trong ghi chú bổ sung 6) Điểm quan trọng được đề cập bởi Smith et al.19 Ngược lại với các tài liệu được sử dụng trong các nghiên cứu trước đó17,20. Э? в о 19 - о о Những đặc điểm này đã đạt được do dòng rò rất thấp của các MLC này (<10 Ném7 A ở 750 V và 180 ° C, xem Note 6 bổ sung để biết chi tiết) - một điểm quan trọng được đề cập bởi Smith et al. 19 - Trái ngược với các vật liệu được sử dụng trong các nghiên cứu trước đó17,20.MLC 的泄漏电流非常低 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 6 中的详细信息））由于 由于 由于 由于 由于 由于 由于 由于 由于 由于 由于 ， ， ， ， 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 О о о о к 19 - Vì dòng rò của các MLC này rất thấp (<10 Ném7 A ở 750 V và 180 ° C, xem Note 6 bổ sung để biết chi tiết) - một điểm quan trọng được đề cập bởi Smith et al. 19 - Để so sánh, những màn trình diễn này đã đạt được.đến các tài liệu được sử dụng trong các nghiên cứu trước đó 17,20.
Các điều kiện tương tự (600 V, 20 nhiệt90 ° C) được áp dụng cho chu kỳ Stirling (ghi chú bổ sung 7). Như mong đợi từ kết quả của chu kỳ DE, sản lượng là 41,0 mJ. Một trong những tính năng nổi bật nhất của Chu kỳ Stirling là khả năng khuếch đại điện áp ban đầu thông qua hiệu ứng nhiệt điện. Chúng tôi đã quan sát thấy mức tăng điện áp lên tới 39 (từ điện áp ban đầu từ 15 V đến điện áp cuối lên tới 590 V, xem Hình bổ sung 7.2).
Một đặc điểm khác biệt khác của các MLC này là chúng là các vật thể vĩ mô đủ lớn để thu thập năng lượng trong phạm vi Joule. Do đó, chúng tôi đã xây dựng một máy gặt nguyên mẫu (Harved1) bằng cách sử dụng dày 28 mlc PST 1 mm, theo cùng một thiết kế tấm song song được mô tả bởi Torello et al.14, trong ma trận 7 × 4 như trong hình. Điện môi nhiệt nhiệt trong một bình tĩnh. Thu thập tối đa 3.1 J bằng chu kỳ Olson được mô tả trong hình. 2A, các vùng đẳng nhiệt ở các vùng 10 ° C và 125 ° C và đẳng hướng ở 0 và 750 V (195 kV cm-1). Điều này tương ứng với mật độ năng lượng là 3,14 J cm-3. Sử dụng kết hợp này, các phép đo được thực hiện trong các điều kiện khác nhau (Hình 2B). Lưu ý rằng 1,8 J thu được trong phạm vi nhiệt độ 80 ° C và điện áp 600 V (155 kV cm-1). Đây là thỏa thuận tốt với 65 MJ đã đề cập trước đó cho PST MLC dày 1 mm trong cùng điều kiện (28 × 65 = 1820 MJ).
A, Thiết lập thử nghiệm của một nguyên mẫu thu hoạch được lắp ráp dựa trên 28 mlc PSTS dày 1 mm (4 hàng × 7 cột) chạy trên các chu kỳ Olson. Đối với mỗi bước trong bốn bước chu kỳ, nhiệt độ và điện áp được cung cấp trong nguyên mẫu. Máy tính điều khiển một máy bơm nhu động lưu thông một chất lỏng điện môi giữa các bể chứa lạnh và nóng, hai van và nguồn điện. Máy tính cũng sử dụng cặp nhiệt điện để thu thập dữ liệu trên điện áp và dòng điện được cung cấp cho nguyên mẫu và nhiệt độ của sự kết hợp từ nguồn điện. B, năng lượng (màu) được thu thập bởi nguyên mẫu 4 × 7 MLC của chúng tôi so với phạm vi nhiệt độ (trục X) và điện áp (trục y) trong các thí nghiệm khác nhau.
Một phiên bản lớn hơn của Harvestester (Harvest2) với 60 PST MLC dày 1 mM và 160 PST MLC 0,5 mM dày (41,7 g vật liệu pyroelectric hoạt động) đã cho 11,2 J (ghi chú bổ sung 8). Năm 1984, Olsen đã tạo ra một máy gặt năng lượng dựa trên 317 g hợp chất Pb (ZR, TI) O3 pha tạp thiếc có khả năng tạo ra 6,23 J điện ở nhiệt độ khoảng 150 ° C (Tham khảo 21). Đối với sự kết hợp này, đây là giá trị duy nhất khác có sẵn trong phạm vi Joule. Nó chỉ nhận được hơn một nửa giá trị chúng tôi đạt được và gần bảy lần chất lượng. Điều này có nghĩa là mật độ năng lượng của Harvest2 cao hơn 13 lần.
Thời gian chu kỳ Harvest1 là 57 giây. Điều này tạo ra 54 MW công suất với 4 hàng 7 cột gồm các bộ MLC dày 1 mm. Để tiến thêm một bước, chúng tôi đã xây dựng một kết hợp thứ ba (Harvest3) với PST MLC dày 0,5mm và thiết lập tương tự với Harvest1 và Harv2 (Bổ sung Note 9). Chúng tôi đã đo thời gian nhiệt là 12,5 giây. Điều này tương ứng với thời gian chu kỳ là 25 giây (Hình 9). Năng lượng thu thập (47 MJ) cho năng lượng điện 1,95 MW mỗi MLC, điều này cho phép chúng ta tưởng tượng rằng Harvest2 tạo ra 0,55 W (khoảng 1,95 MW × 280 PST MLC dày 0,5 mm). Ngoài ra, chúng tôi mô phỏng truyền nhiệt bằng cách sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn (COMSOL, ghi chú bổ sung 10 và Bảng bổ sung 2 Ném4) tương ứng với các thí nghiệm Harvest1. Mô hình phần tử hữu hạn cho phép dự đoán các giá trị công suất gần như có độ lớn cao hơn (430 MW) cho cùng một số cột PST bằng cách làm mỏng MLC thành 0,2 mm, sử dụng nước làm chất làm mát và khôi phục ma trận thành 7 hàng. Các cột × 4 (ngoài ra, còn có 960 MW khi bể nằm cạnh sự kết hợp, Hình bổ sung 10b).
Để chứng minh tính hữu ích của bộ thu này, một chu kỳ Stirling đã được áp dụng cho một người biểu tình độc lập chỉ bao gồm hai PST MLC dày 0,5 mm làm bộ thu nhiệt, một công tắc điện áp cao, công tắc điện áp thấp với điện áp lưu trữ, bộ chuyển đổi DC/DC. Mạch yêu cầu tụ điện lưu trữ ban đầu được sạc ở mức 9V và sau đó chạy tự chủ trong khi nhiệt độ của hai MLC nằm trong khoảng từ -5 ° C đến 85 ° C, ở đây theo chu kỳ 160 giây (một số chu kỳ được thể hiện trong Note 11). Đáng chú ý, hai MLC chỉ nặng 0,3g có thể kiểm soát tự chủ hệ thống lớn này. Một tính năng thú vị khác là bộ chuyển đổi điện áp thấp có khả năng chuyển đổi 400V thành 10-15V với hiệu suất 79% (Bổ sung 11 và bổ sung Hình 11.3).
Cuối cùng, chúng tôi đã đánh giá hiệu quả của các mô -đun MLC này trong việc chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Yếu tố chất lượng η hiệu quả được định nghĩa là tỷ lệ mật độ của năng lượng điện được thu thập ND so với mật độ của Tần nhiệt được cung cấp (ghi chú bổ sung 12):
Hình 3A, B cho thấy hiệu quả η và hiệu suất tỷ lệ ηr của chu trình OLSEN, tương ứng, là một hàm của phạm vi nhiệt độ của PST MLC dày 0,5 mM. Cả hai bộ dữ liệu được đưa ra cho một điện trường là 195 kV cm-1. Hiệu quả \ (\ này \) đạt 1,43%, tương đương với 18% của ηr. Tuy nhiên, đối với phạm vi nhiệt độ 10 K từ 25 ° C đến 35 ° C, ηR đạt giá trị lên đến 40% (đường cong màu xanh trong Hình 3b). Đây là gấp đôi giá trị đã biết đối với các vật liệu NLP được ghi trong màng PMN-PT (ηR = 19%) trong phạm vi nhiệt độ 10 K và 300 kV cm-1 (tham khảo 18). Phạm vi nhiệt độ dưới 10 K không được xem xét vì độ trễ nhiệt của PST MLC nằm trong khoảng từ 5 đến 8 K. Nhận biết tác động tích cực của việc chuyển pha đối với hiệu quả là rất quan trọng. Trên thực tế, các giá trị tối ưu của η và ηr gần như tất cả thu được ở nhiệt độ ban đầu Ti = 25 ° C trong hình. 3a, b. Điều này là do quá trình chuyển pha gần khi không áp dụng trường và nhiệt độ Curie TC khoảng 20 ° C trong các MLC này (ghi chú bổ sung 13).
a, b, hiệu suất η và hiệu suất tỷ lệ của chu kỳ olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}}} }} \, \) (b) cho MPC PST 0,5 mm, tùy thuộc vào khoảng thời gian nhiệt độ Δtspan.
Quan sát thứ hai có hai ý nghĩa quan trọng: (1) bất kỳ chu kỳ hiệu quả nào cũng phải bắt đầu ở nhiệt độ trên TC để chuyển pha do trường gây ra (từ parael điện sang sắt điện) xảy ra; (2) Những vật liệu này hiệu quả hơn vào thời gian chạy gần TC. Mặc dù hiệu quả quy mô lớn được thể hiện trong các thí nghiệm của chúng tôi, phạm vi nhiệt độ hạn chế không cho phép chúng tôi đạt được hiệu quả tuyệt đối lớn do giới hạn carnot (\ (\ delta t/t \)). Tuy nhiên, hiệu quả tuyệt vời được chứng minh bởi các PST MLC này biện minh cho Olsen khi anh ta đề cập rằng một động cơ nhiệt điện tái tạo lớp 20 lý tưởng hoạt động ở nhiệt độ trong khoảng từ 50 ° C đến 250 ° C có thể có hiệu quả 30%17. Để đạt được các giá trị này và kiểm tra khái niệm này, sẽ rất hữu ích khi sử dụng các PST pha tạp với các TC khác nhau, như được nghiên cứu bởi Shebanov và Borman. Họ đã chỉ ra rằng TC trong PST có thể thay đổi từ 3 ° C (doping Sb) đến 33 ° C (doping Ti) 22. Do đó, chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng các bộ tái tạo quang điện thế hệ tiếp theo dựa trên PST MLC pha tạp hoặc các vật liệu khác với sự chuyển đổi pha đầu tiên mạnh mẽ có thể cạnh tranh với các máy gặt năng lượng tốt nhất.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã điều tra các MLC được làm từ PST. Các thiết bị này bao gồm một loạt các điện cực PT và PST, theo đó một số tụ điện được kết nối song song. PST đã được chọn vì nó là một vật liệu EC tuyệt vời và do đó, một vật liệu NLP có khả năng xuất sắc. Nó thể hiện sự chuyển đổi pha sắt điện-parael điện thứ nhất sắc nét khoảng 20 ° C, cho thấy các thay đổi entropy của nó tương tự như trong Hình 1. Các MLC tương tự đã được mô tả đầy đủ cho các thiết bị EC13,14. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng 10,4 × 7,2 × 1 mm³ và 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLCs. MLC với độ dày 1 mM và 0,5 mM được thực hiện từ 19 và 9 lớp PST với độ dày tương ứng là 38,6. Trong cả hai trường hợp, lớp PST bên trong được đặt giữa 2,05 điện cực bạch kim dày. Thiết kế của các MLC này giả định rằng 55% PST đang hoạt động, tương ứng với phần giữa các điện cực (ghi chú bổ sung 1). Diện tích điện cực hoạt động là 48,7 mm2 (Bảng bổ sung 5). MLC PST được điều chế bằng phương pháp phản ứng pha rắn và phương pháp đúc. Các chi tiết của quá trình chuẩn bị đã được mô tả trong một bài viết trước14. Một trong những khác biệt giữa PST MLC và bài viết trước là thứ tự của các trang B, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của EC trong PST. Thứ tự của các trang B của PST MLC là 0,75 (ghi chú bổ sung 2) thu được bằng cách thiêu kết ở 1400 ° C, sau đó là hàng trăm giờ dài ở 1000 ° C. Để biết thêm thông tin về PST MLC, hãy xem Ghi chú bổ sung 1-3 và Bảng bổ sung 5.
Khái niệm chính của nghiên cứu này dựa trên chu kỳ Olson (Hình 1). Đối với một chu kỳ như vậy, chúng ta cần một bể chứa nóng và lạnh và nguồn cung cấp năng lượng có khả năng giám sát và điều khiển điện áp và dòng điện trong các mô -đun MLC khác nhau. Các chu kỳ trực tiếp này đã sử dụng hai cấu hình khác nhau, cụ thể là (1) mô -đun Linkam làm nóng và làm mát một MLC được kết nối với nguồn năng lượng Keithley 2410 và (2) ba nguyên mẫu (Harvel1, Harv2 và Harvel3) song song với cùng một năng lượng nguồn. Trong trường hợp thứ hai, một chất lỏng điện môi (dầu silicon có độ nhớt 5 cp ở 25 ° C, được mua từ Sigma Aldrich) đã được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa hai hồ chứa (nóng và lạnh) và MLC. Hồ chứa nhiệt bao gồm một thùng chứa thủy tinh chứa đầy chất lỏng điện môi và được đặt trên đỉnh của tấm nhiệt. Lưu trữ lạnh bao gồm một bể nước với các ống lỏng chứa chất lỏng điện môi trong một hộp nhựa lớn chứa đầy nước và nước đá. Hai van nhúm ba chiều (được mua từ chất lỏng Bio-Chem) được đặt ở mỗi đầu của kết hợp để chuyển chất lỏng từ một hồ chứa khác (Hình 2A). Để đảm bảo trạng thái cân bằng nhiệt giữa gói PST-MLC và chất làm mát, thời gian chu kỳ được kéo dài cho đến khi các cặp nhiệt điện đầu vào và đầu ra (càng gần càng tốt với gói PST-MLC) cho thấy cùng nhiệt độ. Kịch bản Python quản lý và đồng bộ hóa tất cả các nhạc cụ (mét nguồn, máy bơm, van và cặp nhiệt điện) để chạy đúng chu kỳ Olson, tức là vòng làm mát bắt đầu đạp xe qua ngăn xếp PST sau khi máy đo nguồn được tích điện để chúng nóng lên ở điện áp ứng dụng mong muốn.
Ngoài ra, chúng tôi đã xác nhận các phép đo năng lượng được thu thập trực tiếp này bằng các phương pháp gián tiếp. Các phương pháp gián tiếp này dựa trên sự dịch chuyển điện (D) - điện trường (E) Các vòng trường được thu thập ở các nhiệt độ khác nhau và bằng cách tính diện tích giữa hai vòng DE, người ta có thể ước tính chính xác lượng năng lượng có thể được thu thập, như trong hình. trong Hình 2. .1b. Các vòng DE này cũng được thu thập bằng mét nguồn Keithley.
PST MLCs dày hai mươi tám mm được lắp ráp trong cấu trúc tấm song song 4 tầng, 7 cột theo thiết kế được mô tả trong tài liệu tham khảo. 14. Khoảng cách chất lỏng giữa các hàng PST-MLC là 0,75mm. Điều này đạt được bằng cách thêm các dải băng hai mặt làm miếng đệm chất lỏng xung quanh các cạnh của PST MLC. PST MLC được kết nối bằng điện song song với một cây cầu epoxy bạc tiếp xúc với các dây dẫn điện cực. Sau đó, dây được dán bằng nhựa epoxy bạc cho mỗi bên của các đầu điện cực để kết nối với nguồn điện. Cuối cùng, chèn toàn bộ cấu trúc vào ống polyolefin. Cái sau được dán vào ống chất lỏng để đảm bảo niêm phong thích hợp. Cuối cùng, các cặp nhiệt điện loại K dày 0,25 mm được tích hợp vào mỗi đầu của cấu trúc PST-MLC để theo dõi nhiệt độ chất lỏng đầu vào và đầu ra. Để làm điều này, vòi trước tiên phải được đục lỗ. Sau khi cài đặt cặp nhiệt điện, áp dụng cùng một chất kết dính như trước giữa ống nhiệt và dây để khôi phục con dấu.
Tám nguyên mẫu riêng biệt đã được xây dựng, bốn trong số đó có 40 PST MLC dày 40 mm được phân phối dưới dạng các tấm song song với 5 cột và 8 hàng, và bốn PST còn lại có PST MLC dày 15 1 mm. Trong cấu trúc tấm song song 3 cột × 5 hàng. Tổng số PST MLC được sử dụng là 220 (dày 160 0,5 mm và dày 60 pst MLC 1 mm). Chúng tôi gọi hai tiểu đơn vị này Harvest2_160 và Harvest2_60. Khoảng cách chất lỏng trong nguyên mẫu Harvest2_160 bao gồm hai băng hai mặt dày 0,25 mm với dây dày 0,25 mm giữa chúng. Đối với nguyên mẫu Harvest2_60, chúng tôi đã lặp lại quy trình tương tự, nhưng sử dụng dây dày 0,38 mm. Để đối xứng, Harvest2_160 và Harv2_60 có mạch chất lỏng, máy bơm, van và mặt lạnh (ghi chú bổ sung 8). Hai đơn vị Harvest2 có chung một hồ chứa nhiệt, một thùng chứa 3 lít (30 cm x 20 cm x 5 cm) trên hai tấm nóng với nam châm quay. Tất cả tám nguyên mẫu riêng lẻ được kết nối bằng điện song song. Các tiểu đơn vị Harvest2_160 và Harv2_60 hoạt động đồng thời trong chu kỳ Olson dẫn đến thu hoạch năng lượng 11.2 J.
Đặt PST MLC dày 0,5mm vào ống polyolefin với băng hai mặt và dây ở cả hai bên để tạo không gian cho chất lỏng để chảy. Do kích thước nhỏ của nó, nguyên mẫu được đặt bên cạnh van chứa nước nóng hoặc lạnh, giảm thiểu thời gian chu kỳ.
Trong PST MLC, một điện trường không đổi được áp dụng bằng cách áp dụng điện áp không đổi vào nhánh sưởi. Kết quả là, một dòng nhiệt âm được tạo ra và năng lượng được lưu trữ. Sau khi làm nóng PST MLC, trường được loại bỏ (v = 0) và năng lượng được lưu trữ trong đó được trả lại cho bộ đếm nguồn, tương ứng với một đóng góp của năng lượng thu thập được nữa. Cuối cùng, với điện áp V = 0 được áp dụng, các PST MLC được làm mát đến nhiệt độ ban đầu của chúng để chu kỳ có thể bắt đầu lại. Ở giai đoạn này, năng lượng không được thu thập. Chúng tôi đã chạy chu kỳ Olsen bằng cách sử dụng Keithley 2410 Sourcemeter, sạc PST MLC từ nguồn điện áp và đặt khớp hiện tại thành giá trị thích hợp để đủ điểm được thu thập trong giai đoạn sạc để tính toán năng lượng đáng tin cậy.
Trong các chu kỳ Stirling, PST MLC được sạc trong chế độ nguồn điện áp ở giá trị điện trường ban đầu (điện áp ban đầu VI> 0), dòng tuân thủ mong muốn để bước sạc có khoảng 1 giây (và đủ điểm để tính toán năng lượng đáng tin cậy) và nhiệt độ lạnh. Trong các chu kỳ Stirling, PST MLC được sạc trong chế độ nguồn điện áp ở giá trị điện trường ban đầu (điện áp ban đầu VI> 0), dòng tuân thủ mong muốn để bước sạc có khoảng 1 giây (và đủ điểm để tính toán năng lượng đáng tin cậy) và nhiệt độ lạnh. В ц з и ( Tôi đã tham gia vào đó Trong các chu kỳ PST MLC Stirling, chúng được sạc trong chế độ nguồn điện áp ở giá trị ban đầu của điện trường (điện áp ban đầu VI> 0), dòng năng suất mong muốn, để giai đoạn sạc mất khoảng 1 giây (và đủ số điểm được thu thập để tính toán năng lượng đáng tin cậy) và nhiệt độ lạnh.在斯特林循环中 pst mlc 在电压源模式下以初始电场值 （vi> 0） ， 1 所需的顺应电流使得充电步骤大约需要 秒 （并且收集了足够的点以可靠地计算能量））））））））） 和低温。 Trong chu kỳ chính, PST MLC được sạc ở giá trị điện trường ban đầu (điện áp ban đầu VI> 0) trong chế độ nguồn điện áp, do đó dòng tuân thủ cần thiết mất khoảng 1 giây cho bước sạc (và chúng tôi đã thu thập đủ điểm để tính toán (năng lượng) và nhiệt độ thấp. В ц ц и и яапреб к о ч Trong chu kỳ Stirling, PST MLC được sạc trong chế độ nguồn điện áp với giá trị ban đầu của điện trường (điện áp ban đầu VI> 0), dòng tuân thủ cần thiết là giai đoạn sạc mất khoảng 1 giây (và số lượng điểm đủ được thu thập để tính toán năng lượng) và nhiệt độ thấp.Trước khi PST MLC nóng lên, hãy mở mạch bằng cách áp dụng dòng điện phù hợp của I = 0 Ma (dòng phù hợp tối thiểu mà nguồn đo của chúng tôi có thể xử lý là 10 nA). Kết quả là, một điện tích vẫn còn trong PST của MJK và điện áp tăng khi mẫu nóng lên. Không có năng lượng được thu thập trong ARM BC vì I = 0 Ma. Sau khi đạt đến nhiệt độ cao, điện áp trong MLT FT tăng (trong một số trường hợp hơn 30 lần, xem Hình 7.2), MLK FT được xả (V = 0) và năng lượng điện được lưu trữ trong chúng giống như điện tích ban đầu. Sự tương ứng hiện tại tương tự được trả lại cho nguồn đồng hồ. Do tăng điện áp, năng lượng được lưu trữ ở nhiệt độ cao cao hơn so với những gì được cung cấp khi bắt đầu chu kỳ. Do đó, năng lượng thu được bằng cách chuyển đổi nhiệt thành điện.
Chúng tôi đã sử dụng Keithley 2410 Sourcemeter để theo dõi điện áp và dòng điện áp dụng cho PST MLC. Năng lượng tương ứng được tính bằng cách tích hợp sản phẩm của điện áp và dòng điện được đọc bởi đồng hồ nguồn của Keithley, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm { là khoảng thời gian của thời kỳ. Trên đường cong năng lượng của chúng tôi, các giá trị năng lượng dương có nghĩa là năng lượng chúng ta phải cung cấp cho MLC PST và các giá trị âm có nghĩa là năng lượng chúng ta trích xuất từ ​​chúng và do đó năng lượng nhận được. Sức mạnh tương đối cho một chu kỳ thu thập nhất định được xác định bằng cách chia năng lượng thu thập cho khoảng thời gian của toàn bộ chu kỳ.
Tất cả dữ liệu được trình bày trong văn bản chính hoặc trong thông tin bổ sung. Thư và yêu cầu tài liệu nên được chuyển đến nguồn dữ liệu AT hoặc ED được cung cấp với bài viết này.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Đánh giá về sự phát triển và ứng dụng của các máy vi tính nhiệt điện để thu hoạch năng lượng. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Đánh giá về sự phát triển và ứng dụng của các máy vi tính nhiệt điện để thu hoạch năng lượng.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo và Henao, NC Tổng quan về sự phát triển và ứng dụng của các máy vi tính nhiệt điện để thu hoạch năng lượng. 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 và Henao, NC đang xem xét sự phát triển và ứng dụng của các máy vi tính nhiệt điện để thu hoạch năng lượng.bản tóm tắt. ủng hộ. Năng lượng Rev. 91, 376 Từ393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, Vật liệu quang điện WC: Hiệu quả hiện tại và những thách thức trong tương lai. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, Vật liệu quang điện WC: Hiệu quả hiện tại và những thách thức trong tương lai.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. và Sinke, VK Quang điện: Hiệu suất hiện tại và những thách thức trong tương lai. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料 ： Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, Vật liệu mặt trời WC: Hiệu quả hiện tại và những thách thức trong tương lai.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. và Sinke, VK Quang điện: Hiệu suất hiện tại và những thách thức trong tương lai.Khoa học 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Hiệu ứng pyro-piezoelle được kết hợp cho nhiệt độ đồng thời tự cấp và cảm biến áp suất. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Hiệu ứng pyro-piezoelectric kết hợp đối với nhiệt độ đồng thời và cảm biến áp suất đồng thời.Bài hát K., Zhao R., Wang ZL và Yan Yu. Kết hợp hiệu ứng pyropiezoelle cho phép đo đồng thời tự trị về nhiệt độ và áp suất. Bài hát, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Bài hát, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. để tự cấp sức mạnh cùng lúc với nhiệt độ và áp suất.Bài hát K., Zhao R., Wang ZL và Yan Yu. Hiệu ứng nhiệt điện kết hợp để đo đồng thời tự trị của nhiệt độ và áp suất.Phía trước. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Thu hoạch năng lượng dựa trên chu kỳ quang điện Ericsson trong một loại gốm sắt điện thư giãn. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Thu hoạch năng lượng dựa trên chu kỳ quang điện Ericsson trong một loại gốm sắt điện thư giãn.Sebald G., Prouvost S. và Guyomar D. Thu hoạch năng lượng dựa trên các chu kỳ Ericsson Pyroelectric trong gốm sắt điện thư.Sebald G., Prouvost S. và Guyomar D. Thu hoạch năng lượng trong gốm thủy điện thư giãn dựa trên chu kỳ quang điện Ericsson. SMART ALMA Mater. kết cấu. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinsry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW vật liệu điện thế hệ tiếp theo và điện thế thế hệ tiếp theo cho sự xen kẽ năng lượng điện trạng thái rắn. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinsry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW vật liệu điện thế hệ tiếp theo và điện thế thế hệ tiếp theo cho sự xen kẽ năng lượng điện trạng thái rắn. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw э пео Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinsry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW vật liệu điện thế thế hệ và điện thế hệ tiếp theo cho sự xen kẽ năng lượng điện của trạng thái rắn. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinsry, 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-Mckinsry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, rw э пео Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinsry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW vật liệu điện thế thế hệ và điện thế hệ tiếp theo cho sự xen kẽ năng lượng điện của trạng thái rắn.Lady Bull. 39, 1099 Từ1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Tiêu chuẩn và hình học để định lượng hiệu suất của các chất phát quang điện quang điện. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Tiêu chuẩn và hình học để định lượng hiệu suất của các chất phát quang điện quang điện.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL và Yang, Yu. Một điểm tiêu chuẩn và chất lượng để định lượng hiệu suất của các chất phát quang điện quang điện. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL và Yang, Yu. Tiêu chí và các biện pháp thực hiện để định lượng hiệu suất của máy phát quang tuyến quang điện.Năng lượng Nano 55, 534 Từ540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, chu kỳ làm mát điện âm ND trong scandium tantalate dẫn đầu với sự tái sinh thực sự thông qua biến thể trường. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, chu kỳ làm mát điện âm ND trong scandium tantalate dẫn đầu với sự tái sinh thực sự thông qua biến thể trường.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. và Mathur, ND Các chu kỳ làm mát điện âm ND trong các scandium tantalate với sự tái tạo thực sự bằng phương pháp sửa đổi trường. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND ， ， Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, nd. Thuộc về tanCrossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. và Mathur, ND một chu kỳ làm mát điện của scandium-load totalate để tái tạo thực sự thông qua đảo ngược trường.Vật lý Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Vật liệu calo gần chuyển đổi pha sắt. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Vật liệu calo gần chuyển đổi pha sắt.Moya, X., Kar-Narayan, S. và Mathur, ND Vật liệu calo gần chuyển pha Ferroid. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, vật liệu nhiệt ND gần luyện kim màu.Moya, X., Kar-Narayan, S. và Mathur, ND Vật liệu nhiệt gần sự chuyển đổi pha sắt.Nat. Alma Mater 13, 439 Từ450 (2014).
Moya, X. & Mathur, Vật liệu calo ND để làm mát và sưởi ấm. Moya, X. & Mathur, Vật liệu calo ND để làm mát và sưởi ấm.Moya, X. và Mathur, Vật liệu nhiệt ND để làm mát và sưởi ấm. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, Vật liệu nhiệt ND để làm mát và sưởi ấm.Moya X. và Mathur ND Vật liệu nhiệt để làm mát và sưởi ấm.Khoa học 370, 797 Từ803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Máy làm mát điện âm: Đánh giá. Torelló, A. & Defay, E. Máy làm mát điện âm: Đánh giá.Torello, A. và Defay, E. Máy làm lạnh điện Electrocaloric: đánh giá. Torelló, A. & Defay, E. Torelló, A. & Defay, E.Torello, A. và Defay, E. Máy làm mát điện nhiệt: Đánh giá.Trình độ cao. điện tử. trường cũ. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Hiệu quả năng lượng khổng lồ của vật liệu điện điện trong scandium-scandium-lead có trật tự cao. Giao tiếp quốc gia. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Hiệu ứng điện nhiệt của các tụ điện đa lớp oxit là lớn trong phạm vi nhiệt độ rộng. Thiên nhiên 575, 468 bóng472 (2019).
Torello, A. et al. Phạm vi nhiệt độ khổng lồ trong bộ tái tạo điện. Khoa học 370, 125 bóng129 (2020).
Wang, Y. et al. Hiệu suất cao hệ thống làm mát điện trạng thái điện. Khoa học 370, 129 Từ133 (2020).
Mạnh, Y. et al. Thiết bị làm mát điện từ tầng để tăng nhiệt độ lớn. Năng lượng quốc gia 5, 996 Từ1002 (2020).
OLSEN, RB & BROWN, DD Hiệu quả cao chuyển đổi nhiệt trực tiếp thành các phép đo điện áp liên quan đến năng lượng điện. OLSEN, RB & BROWN, DD Hiệu quả cao chuyển đổi trực tiếp của nhiệt thành các phép đo điện áp liên quan đến năng lượng điện.Olsen, RB và Brown, DD chuyển đổi nhiệt trực tiếp hiệu quả cao thành năng lượng điện liên quan đến các phép đo quang điện. 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 và Brown, DD chuyển đổi trực tiếp hiệu quả của nhiệt thành điện liên quan đến các phép đo quang điện.Ferroelectrics 40, 17 bóng27 (1982).
Pandya, S. et al. Mật độ năng lượng và năng lượng trong màng sắt điện thư giãn mỏng. Trường cũ quốc gia. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Chuyển đổi: Tối ưu hóa quá trình chuyển đổi pha sắt và tổn thất điện. Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Chuyển đổi: Tối ưu hóa quá trình chuyển đổi pha sắt và tổn thất điện.Smith, AN và Hanrahan, BM CASCADED PYROELGRIC HIỂN THỊ: Chuyển đổi pha sắt và tối ưu hóa tổn thất điện. Smith, An & Hanrahan, BM 级联热释电转换 ： Smith, An & Hanrahan, BMSmith, AN và Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Chuyển đổi: Tối ưu hóa chuyển đổi pha sắt và tổn thất điện.J. Ứng dụng. Vật lý. 128, 24103 (2020).
HOCH, SR Việc sử dụng vật liệu sắt điện để chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện. quá trình. IEEE 51, 838 Từ845 (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 và 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 và Dullea, J. Cascaded Pyroellectric Power Converters.Ferroelectrics 59, 205 bóng219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. trên các dung dịch rắn tan chảy trong scandium với hiệu ứng điện âm cao. Shebanov, L. & Borman, K. trên các dung dịch rắn tan chảy trong scandium với hiệu ứng điện âm cao.Shebanov L. và Borman K. Trên các dung dịch rắn của scand-scandium tantalate với hiệu ứng điện âm cao. 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. và Borman K. trên các giải pháp rắn Scandium-Lead-Scandium với hiệu ứng điện âm cao.Ferroelectrics 127, 143 Từ148 (1992).
Chúng tôi cảm ơn N. Furusawa, Y. Inoue và K. Honda vì sự giúp đỡ của họ trong việc tạo ra MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB và ED nhờ Tổ chức nghiên cứu quốc gia Luxembourg (FNR) vì đã hỗ trợ công việc này thông qua CamelHeat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay- Bridges2021/MS/16282302/Cecoha/Defay.
Bộ Nghiên cứu và Công nghệ Vật liệu, Học viện Công nghệ Luxembourg (Danh sách), Belvoir, Luxembourg