Menawarkan sumber listrik berkelanjutan adalah salah satu tantangan terpenting abad ini. Bidang penelitian bahan pemanen energi berasal dari motivasi ini, termasuk termoelektrik1, fotovoltaik2, dan termofotovoltaik3. Meskipun kita kekurangan material dan perangkat yang mampu memanen energi dalam kisaran Joule, material piroelektrik yang dapat mengubah energi listrik menjadi perubahan suhu periodik dianggap sebagai sensor4 dan pemanen energi5,6,7. Di sini kami telah mengembangkan pemanen energi panas makroskopis dalam bentuk kapasitor multilayer yang terbuat dari 42 gram timbal skandium tantalat, menghasilkan energi listrik 11,2 J per siklus termodinamika. Setiap modul piroelektrik mampu menghasilkan kerapatan energi listrik hingga 4,43 J cm-3 per siklus. Kami juga menunjukkan bahwa dua modul dengan berat 0,3 g cukup untuk terus memberi daya pada pemanen energi otonom dengan mikrokontroler dan sensor suhu tertanam. Akhirnya, kami menunjukkan bahwa untuk kisaran suhu 10 K, kapasitor multilayer ini dapat mencapai efisiensi Carnot 40%. Sifat-sifat ini disebabkan oleh (1) perubahan fasa feroelektrik untuk efisiensi yang tinggi, (2) arus bocor yang rendah untuk mencegah rugi-rugi, dan (3) tegangan tembus yang tinggi. Pemanen listrik piroelektrik yang makroskopis, terukur, dan efisien ini menata ulang pembangkit listrik termoelektrik.
Dibandingkan dengan gradien suhu spasial yang diperlukan untuk bahan termoelektrik, pemanenan energi bahan termoelektrik memerlukan perputaran suhu dari waktu ke waktu. Ini berarti siklus termodinamika, yang paling baik digambarkan dengan diagram entropi (S)-suhu (T). Gambar 1a menunjukkan plot ST khas bahan piroelektrik non-linier (NLP) yang menunjukkan transisi fase feroelektrik-paraelektrik yang digerakkan oleh medan dalam skandium timbal tantalat (PST). Bagian biru dan hijau dari siklus pada diagram ST sesuai dengan energi listrik yang dikonversi dalam siklus Olson (dua bagian isotermal dan dua isopol). Di sini kita mempertimbangkan dua siklus dengan perubahan medan listrik yang sama (medan hidup dan mati) dan perubahan suhu ΔT, walaupun dengan suhu awal yang berbeda. Siklus hijau tidak terletak di wilayah transisi fase sehingga memiliki wilayah yang jauh lebih kecil dibandingkan siklus biru yang terletak di wilayah transisi fase. Pada diagram ST, semakin besar luasnya, semakin besar pula energi yang terkumpul. Oleh karena itu, transisi fase harus mengumpulkan lebih banyak energi. Kebutuhan untuk perputaran area yang luas di NLP sangat mirip dengan kebutuhan untuk aplikasi elektrotermal9, 10, 11, 12 di mana kapasitor multilayer PST (MLC) dan terpolimer berbasis PVDF baru-baru ini menunjukkan kinerja terbalik yang sangat baik. status kinerja pendinginan pada siklus 13,14,15,16. Oleh karena itu, kami telah mengidentifikasi MLC PST yang diminati untuk pemanenan energi panas. Sampel-sampel ini telah dijelaskan sepenuhnya dalam metode dan dikarakterisasi dalam Catatan tambahan 1 (pemindaian mikroskop elektron), 2 (difraksi sinar-X) dan 3 (kalorimetri).
a, Sketsa plot entropi (S)-suhu (T) dengan medan listrik hidup dan mati yang diterapkan pada material NLP yang menunjukkan transisi fase. Dua siklus pengumpulan energi ditampilkan dalam dua zona suhu berbeda. Siklus biru dan hijau masing-masing terjadi di dalam dan di luar transisi fase, dan berakhir di wilayah permukaan yang sangat berbeda. b, dua cincin unipolar DE PST MLC, tebal 1 mm, diukur antara 0 dan 155 kV cm-1 pada suhu 20 °C dan 90 °C, dan siklus Olsen yang sesuai. Huruf ABCD mengacu pada keadaan berbeda dalam siklus Olson. AB: MLC diisi hingga 155 kV cm-1 pada 20°C. BC: MLC dipertahankan pada 155 kV cm-1 dan suhu dinaikkan hingga 90 °C. CD: MLC dilepaskan pada suhu 90°C. DA: MLC didinginkan hingga 20°C di medan nol. Area biru menunjukkan daya masukan yang diperlukan untuk memulai siklus. Area oranye adalah energi yang dikumpulkan dalam satu siklus. c, panel atas, tegangan (hitam) dan arus (merah) terhadap waktu, dilacak selama siklus Olson yang sama seperti b. Kedua sisipan mewakili penguatan tegangan dan arus pada titik-titik penting dalam siklus. Pada panel bawah, kurva kuning dan hijau masing-masing mewakili kurva suhu dan energi untuk MLC setebal 1 mm. Energi dihitung dari kurva arus dan tegangan pada panel atas. Energi negatif sesuai dengan energi yang dikumpulkan. Langkah-langkah yang menggunakan huruf kapital pada keempat gambar tersebut sama seperti pada siklus Olson. Siklus AB'CD berhubungan dengan siklus Stirling (catatan tambahan 7).
dimana E dan D berturut-turut adalah medan listrik dan medan perpindahan listrik. Nd dapat diperoleh secara tidak langsung dari rangkaian DE (Gbr. 1b) atau langsung dengan memulai siklus termodinamika. Metode yang paling berguna dijelaskan oleh Olsen dalam karya rintisannya tentang pengumpulan energi piroelektrik pada tahun 1980an17.
Pada gambar. Gambar 1b menunjukkan dua loop DE monopolar dari spesimen PST-MLC setebal 1 mm yang dirakit masing-masing pada 20 °C dan 90 °C, pada rentang 0 hingga 155 kV cm-1 (600 V). Kedua siklus ini dapat digunakan untuk menghitung secara tidak langsung energi yang dikumpulkan oleh siklus Olson yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Faktanya, siklus Olsen terdiri dari dua cabang isofield (di sini, medan nol di cabang DA dan 155 kV cm-1 di cabang BC) dan dua cabang isotermal (di sini, 20°С dan 20°С di cabang AB) . C di cabang CD) Energi yang dikumpulkan selama siklus sesuai dengan wilayah oranye dan biru (integral EdD). Energi yang dikumpulkan Nd adalah selisih antara energi masukan dan keluaran, yaitu hanya area oranye pada gambar. 1b. Siklus Olson khusus ini memberikan kepadatan energi Nd sebesar 1,78 J cm-3. Siklus Stirling merupakan alternatif dari siklus Olson (Catatan Tambahan 7). Karena tahap muatan konstan (rangkaian terbuka) lebih mudah dicapai, maka rapat energi yang diekstraksi dari Gambar 1b (siklus AB'CD) mencapai 1,25 J cm-3. Jumlah ini hanya 70% dari apa yang dapat dikumpulkan oleh siklus Olson, namun peralatan pemanen sederhana dapat mengumpulkannya.
Selain itu, kami secara langsung mengukur energi yang dikumpulkan selama siklus Olson dengan memberi energi pada PST MLC menggunakan tahap kontrol suhu Linkam dan meteran sumber (metode). Gambar 1c di bagian atas dan di masing-masing inset menunjukkan arus (merah) dan tegangan (hitam) yang dikumpulkan pada MLC PST setebal 1 mm yang sama seperti pada loop DE yang melalui siklus Olson yang sama. Arus dan tegangan memungkinkan untuk menghitung energi yang dikumpulkan, dan kurva ditunjukkan pada gambar. 1c, bawah (hijau) dan suhu (kuning) sepanjang siklus. Huruf ABCD mewakili siklus Olson yang sama pada Gambar 1. Pengisian MLC terjadi selama kaki AB dan dilakukan pada arus rendah (200 µA), sehingga SourceMeter dapat mengontrol pengisian dengan benar. Konsekuensi dari arus awal yang konstan ini adalah kurva tegangan (kurva hitam) tidak linier karena medan perpindahan potensial D PST yang non-linier (Gbr. 1c, inset atas). Pada akhir pengisian, energi listrik sebesar 30 mJ disimpan di MLC (titik B). MLC kemudian memanas dan arus negatif (dan oleh karena itu arus negatif) dihasilkan sementara tegangan tetap pada 600 V. Setelah 40 detik, ketika suhu mencapai titik tertinggi 90 °C, arus ini dikompensasi, meskipun langkah sampel dihasilkan di sirkuit daya listrik sebesar 35 mJ selama isofield ini (inset kedua pada Gambar 1c, atas). Tegangan pada MLC (cabang CD) kemudian diturunkan sehingga menghasilkan tambahan kerja listrik sebesar 60 mJ. Total energi keluaran adalah 95 mJ. Energi yang dikumpulkan adalah selisih antara energi masukan dan keluaran, sehingga menghasilkan 95 – 30 = 65 mJ. Hal ini sesuai dengan kepadatan energi sebesar 1,84 J cm-3, yang sangat dekat dengan Nd yang diekstraksi dari cincin DE. Reproduksibilitas siklus Olson ini telah diuji secara luas (Catatan Tambahan 4). Dengan meningkatkan tegangan dan suhu lebih lanjut, kami mencapai 4,43 J cm-3 menggunakan siklus Olsen dalam PST MLC setebal 0,5 mm pada rentang suhu 750 V (195 kV cm-1) dan 175 °C (Catatan Tambahan 5). Ini empat kali lebih besar dibandingkan kinerja terbaik yang dilaporkan dalam literatur untuk siklus Olson langsung dan diperoleh pada film tipis Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Tambahan Tabel 1 untuk nilai lebih dalam literatur). Kinerja ini dicapai karena arus bocor yang sangat rendah dari MLC ini (<10−7 A pada 750 V dan 180 °C, lihat detailnya di Catatan Tambahan 6)—poin penting yang disebutkan oleh Smith dkk.19—sebaliknya dengan bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20. Kinerja ini dicapai karena arus bocor yang sangat rendah dari MLC ini (<10−7 A pada 750 V dan 180 °C, lihat detailnya di Catatan Tambahan 6)—poin penting yang disebutkan oleh Smith dkk.19—sebaliknya dengan bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20. Ini adalah persyaratan umum untuk MLC (<10–7 А при 750 В и 18 0 °C, см. 19 — dalam bahan-bahan yang digunakan, yang dimasukkan ke dalam cetakan 17,20. Karakteristik ini dicapai karena arus bocor yang sangat rendah dari MLC ini (<10–7 A pada 750 V dan 180 °C, lihat Catatan Tambahan 6 untuk rinciannya) – titik kritis yang disebutkan oleh Smith et al. 19 – berbeda dengan bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20.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19 Tahun yang lalu—相比之下,已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A , 参见 补充 说明 6 中 详细 信息）） ））） — 等人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之到早期研究中使用的材 pada tanggal 17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, cm. подробности в дополнительном contoh 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — Anda perlu melakukan pekerjaan yang diperlukan. Karena arus bocor MLC ini sangat rendah (<10–7 A pada 750 V dan 180 °C, lihat Catatan Tambahan 6 untuk rinciannya) – poin penting yang disebutkan oleh Smith dkk. 19 – sebagai perbandingan, kinerja ini tercapai.untuk bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya 17,20.
Kondisi yang sama (600 V, 20–90 °C) diterapkan pada siklus Stirling (Catatan tambahan 7). Seperti yang diharapkan dari hasil siklus DE, hasilnya adalah 41,0 mJ. Salah satu fitur yang paling mencolok dari siklus Stirling adalah kemampuannya untuk memperkuat tegangan awal melalui efek termoelektrik. Kami mengamati penguatan tegangan hingga 39 (dari tegangan awal 15 V hingga tegangan akhir hingga 590 V, lihat Gambar Tambahan 7.2).
Ciri pembeda lainnya dari MLC ini adalah bahwa MLC merupakan objek makroskopis yang cukup besar untuk mengumpulkan energi dalam rentang joule. Oleh karena itu, kami membuat prototipe pemanen (HARV1) menggunakan 28 MLC PST setebal 1 mm, mengikuti desain pelat paralel yang sama yang dijelaskan oleh Torello dkk.14, dalam matriks 7×4 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Fluida dielektrik pembawa panas dalam manifold dipindahkan oleh pompa peristaltik antara dua reservoir dimana suhu fluida dijaga konstan (metode). Kumpulkan hingga 3,1 J menggunakan siklus Olson yang dijelaskan pada gambar. 2a, daerah isotermal pada 10°C dan 125°C dan daerah isofield pada 0 dan 750 V (195 kV cm-1). Hal ini setara dengan kepadatan energi sebesar 3,14 J cm-3. Dengan menggunakan kombinasi ini, pengukuran dilakukan dalam berbagai kondisi (Gbr. 2b). Perhatikan bahwa 1,8 J diperoleh pada kisaran suhu 80 °C dan tegangan 600 V (155 kV cm-1). Hal ini sesuai dengan 65 mJ yang disebutkan sebelumnya untuk MLC PST setebal 1 mm dalam kondisi yang sama (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Pengaturan eksperimental prototipe HARV1 rakitan berdasarkan 28 MLC PST setebal 1 mm (4 baris × 7 kolom) yang dijalankan pada siklus Olson. Untuk masing-masing dari empat langkah siklus, suhu dan tegangan disediakan dalam prototipe. Komputer menggerakkan pompa peristaltik yang mensirkulasikan cairan dielektrik antara reservoir dingin dan panas, dua katup, dan sumber listrik. Komputer juga menggunakan termokopel untuk mengumpulkan data tentang tegangan dan arus yang disuplai ke prototipe dan suhu gabungan dari catu daya. b, Energi (warna) yang dikumpulkan oleh prototipe MLC 4×7 kami versus rentang suhu (sumbu X) dan tegangan (sumbu Y) dalam eksperimen yang berbeda.
Versi pemanen yang lebih besar (HARV2) dengan 60 PST MLC tebal 1 mm dan 160 PST MLC tebal 0,5 mm (41,7 g bahan piroelektrik aktif) menghasilkan 11,2 J (Catatan Tambahan 8). Pada tahun 1984, Olsen membuat pemanen energi berdasarkan 317 g senyawa Pb(Zr,Ti)O3 yang didoping timah yang mampu menghasilkan 6,23 J listrik pada suhu sekitar 150 °C (ref. 21). Untuk gabungan ini, ini adalah satu-satunya nilai lain yang tersedia dalam rentang joule. Nilainya hanya separuh dari nilai yang kami capai dan kualitasnya hampir tujuh kali lipat. Artinya kepadatan energi HARV2 13 kali lebih tinggi.
Periode siklus HARV1 adalah 57 detik. Ini menghasilkan daya 54 mW dengan 4 baris 7 kolom set MLC setebal 1 mm. Untuk melangkah lebih jauh, kami membuat gabungan ketiga (HARV3) dengan MLC PST setebal 0,5 mm dan pengaturan serupa dengan HARV1 dan HARV2 (Catatan Tambahan 9). Kami mengukur waktu termalisasi 12,5 detik. Ini sesuai dengan waktu siklus 25 detik (Gambar Tambahan 9). Energi yang terkumpul (47 mJ) menghasilkan daya listrik sebesar 1,95 mW per MLC, yang pada gilirannya memungkinkan kita membayangkan bahwa HARV2 menghasilkan 0,55 W (kira-kira 1,95 mW × 280 PST MLC dengan ketebalan 0,5 mm). Selain itu, kami mensimulasikan perpindahan panas menggunakan Simulasi Elemen Hingga (COMSOL, Catatan Tambahan 10 dan Tabel Tambahan 2–4) yang sesuai dengan percobaan HARV1. Pemodelan elemen hingga memungkinkan untuk memprediksi nilai daya hampir urutan besarnya lebih tinggi (430 mW) untuk jumlah kolom PST yang sama dengan menipiskan MLC menjadi 0,2 mm, menggunakan air sebagai pendingin, dan memulihkan matriks menjadi 7 baris . × 4 kolom (selain , ada 960 mW ketika tangki berada di sebelah gabungan, Gambar Tambahan 10b).
Untuk mendemonstrasikan kegunaan kolektor ini, siklus Stirling diterapkan pada demonstran yang berdiri sendiri yang terdiri dari hanya dua MLC PST setebal 0,5 mm sebagai pengumpul panas, sakelar tegangan tinggi, sakelar tegangan rendah dengan kapasitor penyimpanan, konverter DC/DC. , mikrokontroler berdaya rendah, dua termokopel, dan konverter boost (Catatan Tambahan 11). Rangkaian ini memerlukan kapasitor penyimpanan untuk diisi pada awalnya pada 9V dan kemudian berjalan secara mandiri sementara suhu kedua MLC berkisar dari -5°C hingga 85°C, di sini dalam siklus 160 detik (beberapa siklus ditunjukkan pada Catatan Tambahan 11) . Hebatnya, dua MLC dengan berat hanya 0,3g dapat mengendalikan sistem besar ini secara mandiri. Fitur menarik lainnya adalah konverter tegangan rendah mampu mengubah 400V menjadi 10-15V dengan efisiensi 79% (Catatan Tambahan 11 dan Gambar Tambahan 11.3).
Terakhir, kami mengevaluasi efisiensi modul MLC ini dalam mengubah energi panas menjadi energi listrik. Faktor kualitas η efisiensi didefinisikan sebagai rasio kepadatan energi listrik yang dikumpulkan Nd dengan kepadatan panas yang disuplai Qin (Catatan tambahan 12):
Gambar 3a,b masing-masing menunjukkan efisiensi η dan efisiensi proporsional ηr dari siklus Olsen, sebagai fungsi dari kisaran suhu MLC PST setebal 0,5 mm. Kedua kumpulan data diberikan untuk medan listrik 195 kV cm-1. Efisiensi \(\this\) mencapai 1,43%, setara dengan 18% ηr. Namun, untuk kisaran suhu 10 K dari 25 °C hingga 35 °C, ηr mencapai nilai hingga 40% (kurva biru pada Gambar 3b). Nilai ini dua kali lipat dari nilai yang diketahui untuk bahan NLP yang terekam dalam film PMN-PT (ηr = 19%) pada kisaran suhu 10 K dan 300 kV cm-1 (Ref. 18). Kisaran suhu di bawah 10 K tidak dipertimbangkan karena histeresis termal MLC PST adalah antara 5 dan 8 K. Pengakuan atas efek positif transisi fasa terhadap efisiensi sangat penting. Faktanya, nilai optimal η dan ηr hampir semuanya diperoleh pada suhu awal Ti = 25°C pada Gambar. 3a,b. Hal ini disebabkan oleh transisi fase dekat ketika tidak ada medan yang diterapkan dan suhu Curie TC sekitar 20 °C dalam MLC ini (Catatan tambahan 13).
a,b, efisiensi η dan efisiensi proporsional dari siklus Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } untuk listrik maksimum dengan medan 195 kV cm-1 dan suhu awal yang berbeda Ti, }}\,\)(b) untuk MPC PST tebal 0,5 mm, tergantung pada interval suhu ΔTspan.
Pengamatan terakhir mempunyai dua implikasi penting: (1) setiap siklus efektif harus dimulai pada suhu di atas TC agar transisi fase yang diinduksi medan (dari paraelektrik ke feroelektrik) dapat terjadi; (2) bahan-bahan ini lebih efisien pada waktu pengoperasian yang mendekati TC. Meskipun efisiensi skala besar ditunjukkan dalam percobaan kami, kisaran suhu yang terbatas tidak memungkinkan kami mencapai efisiensi absolut yang besar karena batas Carnot (\(\Delta T/T\)). Namun, efisiensi luar biasa yang ditunjukkan oleh MLC PST ini membenarkan Olsen ketika ia menyebutkan bahwa “motor termoelektrik regeneratif kelas 20 ideal yang beroperasi pada suhu antara 50 °C dan 250 °C dapat memiliki efisiensi 30%”17. Untuk mencapai nilai-nilai ini dan menguji konsepnya, akan berguna jika menggunakan PST yang didoping dengan TC yang berbeda, seperti yang dipelajari oleh Shebanov dan Borman. Mereka menunjukkan bahwa TC di PST dapat bervariasi dari 3°C (doping Sb) hingga 33°C (doping Ti) 22 . Oleh karena itu, kami berhipotesis bahwa regenerator piroelektrik generasi berikutnya berdasarkan MLC PST yang didoping atau bahan lain dengan transisi fase orde pertama yang kuat dapat bersaing dengan pemanen listrik terbaik.
Dalam penelitian ini, kami menyelidiki MLC yang dibuat dari PST. Perangkat ini terdiri dari serangkaian elektroda Pt dan PST, dimana beberapa kapasitor dihubungkan secara paralel. PST dipilih karena merupakan bahan EC yang sangat baik dan oleh karena itu merupakan bahan NLP yang berpotensi sangat baik. Ini menunjukkan transisi fase feroelektrik-paraelektrik orde pertama yang tajam sekitar 20 °C, menunjukkan bahwa perubahan entropi serupa dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 1. MLC serupa telah dijelaskan sepenuhnya untuk perangkat EC13,14. Dalam penelitian ini, kami menggunakan MLC 10,4 × 7,2 × 1 mm³ dan 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC dengan ketebalan 1 mm dan 0,5 mm dibuat dari 19 dan 9 lapisan PST dengan ketebalan masing-masing 38,6 µm. Dalam kedua kasus tersebut, lapisan PST bagian dalam ditempatkan di antara elektroda platinum setebal 2,05 µm. Desain MLC ini mengasumsikan bahwa 55% PST aktif, sesuai dengan bagian antara elektroda (Catatan Tambahan 1). Luas elektroda aktif adalah 48,7 mm2 (Tabel Tambahan 5). MLC PST dibuat dengan reaksi fase padat dan metode pengecoran. Detail proses persiapannya telah dijelaskan pada artikel sebelumnya14. Salah satu perbedaan PST MLC dengan artikel sebelumnya adalah urutan B-site yang sangat mempengaruhi kinerja EC di PST. Urutan situs B PST MLC adalah 0,75 (Catatan Tambahan 2) diperoleh dengan sintering pada 1400°C diikuti dengan anil selama ratusan jam pada 1000°C. Untuk informasi lebih lanjut tentang PST MLC, lihat Catatan Tambahan 1-3 dan Tabel Tambahan 5.
Konsep utama penelitian ini didasarkan pada siklus Olson (Gambar 1). Untuk siklus seperti itu, diperlukan reservoir panas dan dingin serta catu daya yang mampu memantau dan mengendalikan tegangan dan arus di berbagai modul MLC. Siklus langsung ini menggunakan dua konfigurasi berbeda, yaitu (1) modul Linkam memanaskan dan mendinginkan satu MLC yang dihubungkan ke sumber listrik Keithley 2410, dan (2) tiga prototipe (HARV1, HARV2 dan HARV3) secara paralel dengan sumber energi yang sama. Dalam kasus terakhir, cairan dielektrik (minyak silikon dengan viskositas 5 cP pada 25°C, dibeli dari Sigma Aldrich) digunakan untuk pertukaran panas antara dua reservoir (panas dan dingin) dan MLC. Reservoir termal terdiri dari wadah kaca berisi cairan dielektrik dan ditempatkan di atas pelat termal. Penyimpanan dingin terdiri dari penangas air dengan tabung cairan berisi cairan dielektrik dalam wadah plastik besar berisi air dan es. Dua katup penjepit tiga arah (dibeli dari Bio-Chem Fluidics) ditempatkan di setiap ujung gabungan untuk mengalihkan cairan dengan benar dari satu reservoir ke reservoir lainnya (Gambar 2a). Untuk memastikan keseimbangan termal antara paket PST-MLC dan cairan pendingin, periode siklus diperpanjang hingga termokopel saluran masuk dan keluar (sedekat mungkin dengan paket PST-MLC) menunjukkan suhu yang sama. Skrip Python mengelola dan menyinkronkan semua instrumen (pengukur sumber, pompa, katup, dan termokopel) untuk menjalankan siklus Olson yang benar, yaitu loop pendingin mulai berputar melalui tumpukan PST setelah pengukur sumber diisi sehingga memanas pada suhu yang diinginkan. tegangan yang diberikan untuk siklus Olson tertentu.
Alternatifnya, kami telah mengkonfirmasi pengukuran langsung energi yang dikumpulkan dengan metode tidak langsung. Metode tidak langsung ini didasarkan pada perpindahan listrik (D) – putaran medan listrik (E) yang dikumpulkan pada temperatur berbeda, dan dengan menghitung luas antara dua putaran DE, seseorang dapat memperkirakan secara akurat berapa banyak energi yang dapat dikumpulkan, seperti yang ditunjukkan pada gambar . pada gambar 2. .1b. Loop DE ini juga dikumpulkan menggunakan pengukur sumber Keithley.
Dua puluh delapan MLC PST setebal 1 mm dirakit dalam struktur pelat paralel 4 baris, 7 kolom sesuai dengan desain yang dijelaskan dalam referensi. 14. Celah cairan antara baris PST-MLC adalah 0,75 mm. Hal ini dicapai dengan menambahkan strip pita dua sisi sebagai spacer cair di sekitar tepi PST MLC. MLC PST dihubungkan secara elektrik secara paralel dengan jembatan epoksi perak yang bersentuhan dengan kabel elektroda. Setelah itu, kabel direkatkan dengan resin epoksi perak ke setiap sisi terminal elektroda untuk dihubungkan ke catu daya. Terakhir, masukkan seluruh struktur ke dalam selang poliolefin. Yang terakhir direkatkan ke tabung cairan untuk memastikan penyegelan yang benar. Terakhir, termokopel tipe K setebal 0,25 mm dipasang di setiap ujung struktur PST-MLC untuk memantau suhu cairan masuk dan keluar. Untuk melakukan ini, selang harus dilubangi terlebih dahulu. Setelah memasang termokopel, oleskan perekat yang sama seperti sebelumnya antara selang termokopel dan kawat untuk mengembalikan segel.
Delapan prototipe terpisah dibangun, empat di antaranya memiliki 40 PST MLC setebal 0,5 mm yang didistribusikan sebagai pelat paralel dengan 5 kolom dan 8 baris, dan empat sisanya memiliki masing-masing 15 PST MLC setebal 1 mm. pada struktur pelat sejajar 3 kolom × 5 baris. Jumlah total PST MLC yang digunakan adalah 220 (160 PST tebal 0,5 mm dan 60 PST MLC tebal 1 mm). Kami menyebut kedua subunit ini HARV2_160 dan HARV2_60. Celah cairan pada prototipe HARV2_160 terdiri dari dua pita dua sisi setebal 0,25 mm dengan kawat setebal 0,25 mm di antara keduanya. Untuk prototipe HARV2_60, kami mengulangi prosedur yang sama, tetapi menggunakan kawat setebal 0,38 mm. Untuk simetri, HARV2_160 dan HARV2_60 memiliki sirkuit fluida, pompa, katup, dan sisi dinginnya sendiri (Catatan Tambahan 8). Dua unit HARV2 berbagi reservoir panas, wadah 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) pada dua pelat panas dengan magnet berputar. Kedelapan prototipe individu dihubungkan secara elektrik secara paralel. Subunit HARV2_160 dan HARV2_60 bekerja secara bersamaan dalam siklus Olson sehingga menghasilkan panen energi sebesar 11,2 J.
Tempatkan PST MLC setebal 0,5 mm ke dalam selang poliolefin dengan selotip dua sisi dan kawat di kedua sisinya untuk memberi ruang bagi cairan mengalir. Karena ukurannya yang kecil, prototipe ditempatkan di sebelah katup reservoir panas atau dingin, sehingga meminimalkan waktu siklus.
Dalam PST MLC, medan listrik konstan diterapkan dengan menerapkan tegangan konstan ke cabang pemanas. Akibatnya, arus panas negatif dihasilkan dan energi disimpan. Setelah PST MLC dipanaskan, medan dihilangkan (V = 0), dan energi yang tersimpan di dalamnya dikembalikan ke penghitung sumber, yang sesuai dengan kontribusi lain dari energi yang dikumpulkan. Akhirnya, dengan tegangan V = 0 yang diterapkan, MLC PST didinginkan hingga suhu awalnya sehingga siklus dapat dimulai kembali. Pada tahap ini, energi tidak terkumpul. Kami menjalankan siklus Olsen menggunakan Keithley 2410 SourceMeter, mengisi daya PST MLC dari sumber tegangan dan mengatur kecocokan arus ke nilai yang sesuai sehingga cukup banyak titik yang dikumpulkan selama fase pengisian untuk penghitungan energi yang andal.
Dalam siklus Stirling, MLC PST diisi dalam mode sumber tegangan pada nilai medan listrik awal (tegangan awal Vi > 0), arus kepatuhan yang diinginkan sehingga langkah pengisian memakan waktu sekitar 1 detik (dan titik yang cukup dikumpulkan untuk perhitungan yang andal energi) dan suhu dingin. Dalam siklus Stirling, MLC PST diisi dalam mode sumber tegangan pada nilai medan listrik awal (tegangan awal Vi > 0), arus kepatuhan yang diinginkan sehingga langkah pengisian memakan waktu sekitar 1 detik (dan titik yang cukup dikumpulkan untuk perhitungan yang andal energi) dan suhu dingin. В циклах стирлиkan mlc за jaret жжение vi> 0), желаемом податливом т т т ч ч э оа дilan да да дато orang да. да даа besi дая да даа besi даяв да даа besi дая да даа besi дая да даа besi дая да даа besi дая да даа besi дая да д о00 дз надежно A раета энергия) и холодная температура. Dalam siklus MLC Stirling PST, mereka diisi dalam mode sumber tegangan pada nilai awal medan listrik (tegangan awal Vi > 0), arus hasil yang diinginkan, sehingga tahap pengisian memakan waktu sekitar 1 detik (dan jumlah yang cukup poin dikumpulkan untuk penghitungan energi yang andal) dan suhu dingin.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。 Dalam siklus master, PST MLC diisi pada nilai medan listrik awal (tegangan awal Vi > 0) dalam mode sumber tegangan, sehingga arus kepatuhan yang diperlukan memerlukan waktu sekitar 1 detik untuk langkah pengisian (dan kami mengumpulkan cukup banyak poin untuk menghitung secara andal (energi) dan suhu rendah. В цикле стирлин.... Pst Mlc за jaret ение vi> 0), тебу ток податливости таков, что эта заff обы надежно рсчитать энергию) иизкие температуры . Dalam siklus Stirling, PST MLC diisi dalam mode sumber tegangan dengan nilai awal medan listrik (tegangan awal Vi > 0), arus kepatuhan yang diperlukan sedemikian rupa sehingga tahap pengisian memakan waktu sekitar 1 s (dan jumlah yang cukup poin dikumpulkan untuk menghitung energi secara andal) dan suhu rendah.Sebelum MLC PST memanas, buka rangkaian dengan menerapkan arus pencocokan I = 0 mA (arus pencocokan minimum yang dapat ditangani oleh sumber pengukuran kami adalah 10 nA). Akibatnya, muatan tetap berada di PST MJK, dan tegangan meningkat seiring dengan pemanasan sampel. Tidak ada energi yang terkumpul pada lengan BC karena I = 0 mA. Setelah mencapai suhu tinggi, tegangan dalam MLT FT meningkat (dalam beberapa kasus lebih dari 30 kali lipat, lihat tambahan gambar 7.2), MLK FT dilepaskan (V = 0), dan energi listrik disimpan di dalamnya untuk waktu yang sama. karena itu adalah tagihan awal. Korespondensi arus yang sama dikembalikan ke sumber meteran. Karena penguatan tegangan, energi yang tersimpan pada suhu tinggi lebih tinggi dari yang disediakan pada awal siklus. Akibatnya, energi diperoleh dengan mengubah panas menjadi listrik.
Kami menggunakan SourceMeter Keithley 2410 untuk memantau tegangan dan arus yang diterapkan ke PST MLC. Energi yang sesuai dihitung dengan mengintegrasikan produk tegangan dan arus yang dibaca oleh pengukur sumber Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), dengan τ adalah periode dari periode tersebut. Pada kurva energi kita, nilai energi positif berarti energi yang harus kita berikan ke MLC PST, dan nilai negatif berarti energi yang kita ekstrak darinya dan energi yang diterima. Kekuatan relatif untuk siklus pengumpulan tertentu ditentukan dengan membagi energi yang dikumpulkan dengan periode τ dari keseluruhan siklus.
Semua data disajikan dalam teks utama atau informasi tambahan. Surat dan permintaan materi harus diarahkan ke sumber data AT atau ED yang disertakan dengan artikel ini.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Tinjauan pengembangan dan penerapan mikrogenerator termoelektrik untuk pemanenan energi. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Tinjauan pengembangan dan penerapan mikrogenerator termoelektrik untuk pemanenan energi.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO dan Henao, NC Tinjauan pengembangan dan penerapan mikrogenerator termoelektrik untuk pemanenan energi. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO, dan Henao, NC sedang mempertimbangkan pengembangan dan penerapan mikrogenerator termoelektrik untuk pemanenan energi.melanjutkan. mendukung. Energi Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Bahan fotovoltaik: efisiensi saat ini dan tantangan masa depan. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Bahan fotovoltaik: efisiensi saat ini dan tantangan masa depan.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. dan Sinke, VK Bahan fotovoltaik: kinerja saat ini dan tantangan masa depan. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Bahan surya: efisiensi saat ini dan tantangan masa depan.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. dan Sinke, VK Bahan fotovoltaik: kinerja saat ini dan tantangan masa depan.Sains 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efek piro-piezoelektrik gabungan untuk penginderaan suhu dan tekanan simultan yang didukung sendiri. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efek piro-piezoelektrik gabungan untuk penginderaan suhu dan tekanan simultan bertenaga mandiri.Song K., Zhao R., Wang ZL dan Yan Yu. Gabungan efek piropiezoelektrik untuk pengukuran suhu dan tekanan secara simultan secara otonom. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Untuk self-powering bersamaan dengan suhu dan tekanan.Song K., Zhao R., Wang ZL dan Yan Yu. Gabungan efek thermopiezoelektrik untuk pengukuran suhu dan tekanan secara simultan dan otonom.Maju. almamater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Pemanenan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik relaxor. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Pemanenan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik relaxor.Sebald G., Prouvost S. dan Guyomar D. Pemanenan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik relaxor.Sebald G., Prouvost S. dan Guyomar D. Pemanenan energi dalam keramik feroelektrik relaxor berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson. Almamater yang cerdas. struktur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalori dan piroelektrik generasi berikutnya untuk interkonversi energi elektrotermal keadaan padat. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalori dan piroelektrik generasi berikutnya untuk interkonversi energi elektrotermal keadaan padat. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические dan пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalori dan piroelektrik generasi berikutnya untuk interkonversi energi elektrotermal keadaan padat. 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 Электрокалорические dan пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalori dan piroelektrik generasi berikutnya untuk interkonversi energi elektrotermal keadaan padat.Nyonya Banteng. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standar dan angka prestasi untuk mengukur kinerja nanogenerator piroelektrik. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standar dan angka prestasi untuk mengukur kinerja nanogenerator piroelektrik.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL dan Yang, Yu. Skor standar dan kualitas untuk mengukur kinerja nanogenerator piroelektrik. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL dan Yang, Yu. Kriteria dan ukuran kinerja untuk mengukur kinerja nanogenerator piroelektrik.Energi Nano 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalori dalam timbal skandium tantalat dengan regenerasi sejati melalui variasi lapangan. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalori dalam timbal skandium tantalat dengan regenerasi sejati melalui variasi lapangan.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. dan Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalori dalam timbal-skandium tantalat dengan regenerasi sejati melalui modifikasi lapangan. 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., Apa lagi, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantalum adalah salah satu produk unggulan Tantalum.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. dan Mathur, ND Siklus pendinginan elektrotermal tantalat skandium-timbal untuk regenerasi sejati melalui pembalikan medan.fisika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori dekat transisi fase besi. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori dekat transisi fase besi.Moya, X., Kar-Narayan, S. dan Mathur, ND Bahan kalori dekat transisi fase ferroid. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan termal dekat metalurgi besi.Moya, X., Kar-Narayan, S. dan Mathur, ND Bahan termal dekat transisi fase besi.Nat. almamater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Bahan kalori untuk pendinginan dan pemanasan. Moya, X. & Mathur, ND Bahan kalori untuk pendinginan dan pemanasan.Moya, X. dan Mathur, ND Bahan termal untuk pendinginan dan pemanasan. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Bahan termal untuk pendinginan dan pemanasan.Moya X. dan Mathur ND Bahan termal untuk pendinginan dan pemanasan.Sains 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Pendingin elektrokalori: ulasan. Torelló, A. & Defay, E. Pendingin elektrokalori: ulasan.Torello, A. dan Defay, E. Pendingin elektrokalori: ulasan. Torello, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torello, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. dan Defay, E. Pendingin elektrotermal: ulasan.Canggih. elektronik. almamater. 8.2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. dkk. Efisiensi energi yang sangat besar dari bahan elektrokalori dalam skandium-skandium-timbal yang sangat teratur. Komunikasi nasional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. dkk. Efek elektrotermal kapasitor multilayer oksida besar pada rentang suhu yang luas. Alam 575, 468–472 (2019).
Torello, A. dkk. Kisaran suhu yang sangat besar dalam regenerator elektrotermal. Sains 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. dkk. Sistem pendingin elektrotermal solid state berkinerja tinggi. Sains 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. dkk. Perangkat pendingin elektrotermal bertingkat untuk kenaikan suhu yang besar. Energi Nasional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Konversi langsung panas menjadi pengukuran piroelektrik terkait energi listrik dengan efisiensi tinggi. Olsen, RB & Brown, DD Konversi langsung panas ke pengukuran piroelektrik terkait energi listrik dengan efisiensi tinggi.Olsen, RB dan Brown, DD Konversi langsung panas menjadi energi listrik yang sangat efisien terkait dengan pengukuran piroelektrik. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB dan Brown, DD Konversi langsung panas menjadi listrik yang efisien terkait dengan pengukuran piroelektrik.Feroelektrik 40, 17–27 (1982).
Pandya, S.dkk. Kepadatan energi dan daya dalam film feroelektrik pelemas tipis. Almamater nasional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Konversi piroelektrik bertingkat: mengoptimalkan transisi fase feroelektrik dan kerugian listrik. Smith, AN & Hanrahan, BM Konversi piroelektrik bertingkat: mengoptimalkan transisi fase feroelektrik dan kerugian listrik.Smith, AN dan Hanrahan, BM Konversi piroelektrik bertingkat: transisi fase feroelektrik dan optimalisasi kehilangan listrik. Smith, AN & Hanrahan, BM 优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN & Hanrahan, BMSmith, AN dan Hanrahan, BM Konversi piroelektrik bertingkat: optimalisasi transisi fase feroelektrik dan rugi-rugi listrik.J.Aplikasi. fisika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Penggunaan bahan feroelektrik untuk mengubah energi panas menjadi listrik. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Konverter energi piroelektrik bertingkat. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Konverter energi piroelektrik bertingkat.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM dan Dullea, J. Cascade Konverter Daya Piroelektrik. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM dan Dullea, J. Konverter daya piroelektrik bertingkat.Feroelektrik 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Pada larutan padat timbal-skandium tantalat dengan efek elektrokalori tinggi. Shebanov, L. & Borman, K. Pada larutan padat timbal-skandium tantalat dengan efek elektrokalori tinggi.Shebanov L. dan Borman K. Pada larutan padat timbal-skandium tantalat dengan efek elektrokalori tinggi. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. dan Borman K. Pada larutan padat skandium-timbal-skandium dengan efek elektrokalori tinggi.Feroelektrik 127, 143–148 (1992).
Kami berterima kasih kepada N. Furusawa, Y. Inoue, dan K. Honda atas bantuan mereka dalam menciptakan MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB dan ED Terima kasih kepada Luxembourg National Research Foundation (FNR) yang mendukung pekerjaan ini melalui CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, TERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay dan BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departemen Riset dan Teknologi Material, Institut Teknologi Luksemburg (LIST), Belvoir, Luksemburg