Menawarkan sumber listrik yang berkelanjutan adalah salah satu tantangan terpenting abad ini. Area penelitian dalam bahan pemanen energi berasal dari motivasi ini, termasuk Thermoelectric1, Photovoltaic2 dan Thermophotovoltaics3. Meskipun kami kekurangan bahan dan perangkat yang mampu memanen energi dalam rentang Joule, bahan piroelektrik yang dapat mengubah energi listrik menjadi perubahan suhu periodik dianggap sensor4 dan pemanen energi5,6,7. Di sini kami telah mengembangkan pemanen energi termal makroskopis dalam bentuk kapasitor multilayer yang terbuat dari 42 gram skandium timbal tantalate, menghasilkan 11,2 J energi listrik per siklus termodinamika. Setiap modul piroelektrik dapat menghasilkan kepadatan energi listrik hingga 4,43 J CM-3 per siklus. Kami juga menunjukkan bahwa dua modul tersebut dengan berat 0,3 g sudah cukup untuk terus -menerus memberi daya pemanen energi otonom dengan mikrokontroler tertanam dan sensor suhu. Akhirnya, kami menunjukkan bahwa untuk kisaran suhu 10 K, kapasitor multilayer ini dapat mencapai 40% efisiensi carnot. Sifat -sifat ini disebabkan oleh (1) perubahan fase feroelektrik untuk efisiensi tinggi, (2) arus kebocoran rendah untuk mencegah kerugian, dan (3) tegangan kerusakan tinggi. Pemanen daya piroelektrik makroskopis, skalabel, dan efisien ini sedang membayangkan pembangkit listrik termoelektrik.
Dibandingkan dengan gradien suhu spasial yang diperlukan untuk bahan termoelektrik, pemanenan energi bahan termoelektrik membutuhkan suhu suhu dari waktu ke waktu. Ini berarti siklus termodinamika, yang paling baik dijelaskan oleh diagram entropi-temperature (T). Gambar 1A menunjukkan plot khas dari bahan piroelektrik non-linear (NLP) yang menunjukkan transisi fase feroelektrik-paraelektrik yang digerakkan oleh lapangan dalam skandium timah tantalate (PST). Bagian biru dan hijau dari siklus pada diagram ST sesuai dengan energi listrik yang dikonversi dalam siklus Olson (dua bagian isotermal dan dua isopole). Di sini kami mempertimbangkan dua siklus dengan perubahan medan listrik yang sama (medan hidup dan mati) dan perubahan suhu ΔT, meskipun dengan suhu awal yang berbeda. Siklus hijau tidak terletak di daerah transisi fase dan dengan demikian memiliki area yang jauh lebih kecil daripada siklus biru yang terletak di wilayah transisi fase. Dalam diagram ST, semakin besar area tersebut, semakin besar energi yang dikumpulkan. Oleh karena itu, transisi fase harus mengumpulkan lebih banyak energi. Kebutuhan untuk bersepeda area besar 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 dalam siklus 13,14,15,16. Oleh karena itu, kami telah mengidentifikasi PST MLC yang menarik untuk pemanenan energi termal. Sampel-sampel ini telah sepenuhnya dijelaskan dalam metode dan ditandai dalam catatan tambahan 1 (pemindaian mikroskop elektron), 2 (difraksi sinar-X) dan 3 (kalorimetri).
A, sketsa plot entropi-temperature (t) dengan medan listrik hidup dan mati diterapkan pada bahan NLP yang menunjukkan transisi fase. Dua siklus pengumpulan energi ditunjukkan di dua zona suhu yang berbeda. Siklus biru dan hijau terjadi di dalam dan di luar transisi fase, masing -masing, dan berakhir di daerah permukaan yang sangat berbeda. B, dua cincin unipolar MLC MLC, tebal 1 mm, diukur antara 0 dan 155 kV cm-1 pada 20 ° C dan 90 ° C, masing-masing, dan siklus Olsen yang sesuai. Huruf ABCD merujuk ke berbagai negara dalam siklus Olson. AB: MLC dibebankan hingga 155 kV cm-1 pada 20 ° C. BC: MLC dipertahankan pada 155 kV cm-1 dan suhu dinaikkan menjadi 90 ° C. CD: MLC melepaskan pada 90 ° C. DA: MLC dingin hingga 20 ° C di bidang nol. Area biru sesuai dengan daya input yang diperlukan untuk memulai siklus. Area oranye adalah energi yang dikumpulkan dalam satu siklus. C, panel atas, tegangan (hitam) dan arus (merah) versus waktu, dilacak selama siklus Olson yang sama dengan b. Dua sisipan mewakili amplifikasi tegangan dan arus pada titik -titik kunci dalam siklus. Di panel bawah, kurva kuning dan hijau masing -masing mewakili kurva suhu dan energi yang sesuai, untuk MLC setebal 1 mm. Energi dihitung dari kurva arus dan tegangan di panel atas. Energi negatif sesuai dengan energi yang dikumpulkan. Langkah -langkah yang sesuai dengan huruf kapital dalam empat angka adalah sama seperti pada siklus Olson. Siklus AB'CD sesuai dengan siklus Stirling (catatan tambahan 7).
di mana E dan D adalah medan listrik dan medan perpindahan listrik, masing -masing. ND dapat diperoleh secara tidak langsung dari sirkuit DE (Gbr. 1B) atau langsung dengan memulai siklus termodinamika. Metode yang paling berguna dijelaskan oleh Olsen dalam pekerjaan perintisnya untuk mengumpulkan energi piroelektrik pada 1980 -an17.
Pada gbr. 1B menunjukkan dua monopolar de loops spesimen PST-MLC setebal 1 mm yang dirakit masing-masing pada 20 ° C dan 90 ° C, masing-masing, lebih dari kisaran 0 hingga 155 kV cm-1 (600 V). Kedua siklus ini dapat digunakan untuk secara tidak langsung menghitung energi yang dikumpulkan oleh siklus Olson yang ditunjukkan pada Gambar 1A. Faktanya, siklus Olsen terdiri dari dua cabang Isofield (di sini, bidang 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 dalam cabang CD) Energi yang dikumpulkan selama siklus sesuai dengan daerah oranye dan biru (EDD Integral). Energi yang dikumpulkan ND adalah perbedaan antara energi input dan output, yaitu hanya area oranye pada Gambar. 1b. Siklus Olson khusus ini memberikan kepadatan energi ND 1,78 J CM-3. Siklus Stirling adalah alternatif dari siklus Olson (Tambahan Catatan 7). Karena tahap muatan konstan (sirkuit terbuka) lebih mudah dicapai, kepadatan energi yang diekstraksi dari Gambar. 1B (siklus ab'cd) mencapai 1,25 J CM-3. Ini hanya 70% dari apa yang dapat dikumpulkan oleh siklus Olson, tetapi peralatan pemanenan sederhana melakukannya.
Selain itu, kami secara langsung mengukur energi yang dikumpulkan selama siklus Olson dengan memberi energi pada PST MLC menggunakan tahap kontrol suhu Linkam dan meter sumber (metode). Gambar 1C di bagian atas dan di inset masing -masing menunjukkan arus (merah) dan tegangan (hitam) yang dikumpulkan pada PST MLC setebal 1 mm yang sama seperti untuk de loop 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 sumber daya sourcemeter dapat mengontrol pengisian dengan benar. Konsekuensi dari arus awal konstan ini adalah bahwa kurva tegangan (kurva hitam) tidak linier karena bidang perpindahan potensial non-linear D PST (Gbr. 1C, inset atas). Pada akhir pengisian, 30 mJ energi listrik disimpan dalam MLC (titik B). MLC kemudian memanas dan arus negatif (dan karena itu arus negatif) diproduksi sedangkan tegangan tetap pada 600 V. Setelah 40 detik, ketika suhu mencapai dataran tinggi 90 ° C, arus ini dikompensasi, meskipun sampel langkah yang diproduksi dalam sirkuit daya listrik 35 MJ selama isofield ini (inset kedua pada Gambar 1c, atas). Tegangan pada MLC (CABANG CD) kemudian dikurangi, menghasilkan tambahan 60 mJ pekerjaan listrik. Energi output total adalah 95 MJ. Energi yang dikumpulkan adalah perbedaan antara energi input dan output, yang memberikan 95 - 30 = 65 mJ. Ini sesuai dengan kepadatan energi 1,84 J CM-3, yang sangat dekat dengan ND yang diekstraksi dari cincin de. Reproduksibilitas siklus Olson ini telah diuji secara luas (Tambahan Catatan 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 kisaran suhu 750 V (195 kV cm-1) dan 175 ° C (Tambahan Catatan 5). Ini empat kali lebih besar dari 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. Tabel tabel 1 untuk nilai lebih dalam literatur). Kinerja ini telah tercapai karena arus bocor yang sangat rendah dari MLC ini (<10−7 A pada 750 V dan 180 ° C, lihat detail dalam catatan tambahan 6) - titik penting yang disebutkan oleh Smith et al.19 - berbeda dengan bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20. Kinerja ini telah tercapai karena arus bocor yang sangat rendah dari MLC ini (<10−7 A pada 750 V dan 180 ° C, lihat detail dalam catatan tambahan 6) - titik penting yang disebutkan oleh Smith et al.19 - berbeda dengan bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20. Эти характеристик orang ыыли дос 201 в дополнительном примечании 6) - критический мент, упом entar secara 19 - В отличие от к каериалам, исползованны в боле раннних иследоваatal х17,20. Karakteristik ini dicapai karena arus kebocoran yang sangat rendah dari MLC ini (<10-7 A pada 750 V dan 180 ° C, lihat Tambahan Catatan 6 untuk detail) - Poin 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） 中的详细信息） 中的详细信息） 等人 等人 19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））））） 信息））））） 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 点 点 点 点 点 相比之下 点 点 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 提到 提到 提到 提到 提到 关键 关键 点 关键 点 Поскольку ток утечки этих Mlc чень нкий (<10–7 а п 750 в 180 ° C, с. ключевой момент, упом entarый ситом и др. 19 - для савнения, были дости kond - эти характеристики. Karena arus bocor dari MLC ini sangat rendah (<10-7 A pada 750 V dan 180 ° C, lihat Tambahan Catatan 6 untuk detail) - Poin kunci yang disebutkan oleh Smith et al. 19 - Sebagai perbandingan, kinerja ini tercapai.untuk bahan yang digunakan dalam studi sebelumnya 17,20.
Kondisi yang sama (600 V, 20-90 ° C) diterapkan pada siklus Stirling (Tambahan Catatan 7). Seperti yang diharapkan dari hasil siklus DE, hasilnya adalah 41,0 mJ. Salah satu fitur yang paling mencolok dari siklus Stirling adalah kemampuan mereka untuk memperkuat tegangan awal melalui efek termoelektrik. Kami mengamati gain tegangan hingga 39 (dari tegangan awal 15 V hingga tegangan ujung hingga 590 V, lihat Gambar Tambahan. 7.2).
Fitur pembeda lainnya dari MLC ini adalah bahwa mereka adalah objek makroskopik yang cukup besar untuk mengumpulkan energi dalam rentang Joule. Oleh karena itu, kami membangun prototipe pemanen (HARV1) menggunakan 28 mlc pst 1 mm tebal, mengikuti desain pelat paralel yang sama yang dijelaskan oleh Torello et al.14, dalam matriks 7 × 4 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Cairan dielektrik yang dikeliling (suhu yang disimpan. Mengumpulkan hingga 3,1 J menggunakan siklus Olson yang dijelaskan dalam Gambar. 2a, daerah isotermal pada 10 ° C dan 125 ° C dan daerah isofield pada 0 dan 750 V (195 kV cm-1). Ini sesuai dengan kepadatan energi 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). Ini sesuai dengan 65 mJ yang disebutkan sebelumnya untuk 1 mm PST MLC dalam kondisi yang sama (28 × 65 = 1820 MJ).
A, Pengaturan eksperimental dari prototipe HARV1 yang dirakit berdasarkan 28 MLC PSTS setebal 1 mm (4 baris × 7 kolom) berjalan pada siklus Olson. Untuk masing -masing dari empat langkah siklus, suhu dan tegangan disediakan dalam prototipe. Komputer menggerakkan pompa peristaltik yang mengedarkan cairan dielektrik antara reservoir dingin dan panas, dua katup, dan sumber daya. Komputer juga menggunakan termokopel untuk mengumpulkan data pada tegangan dan arus yang dipasok ke prototipe dan suhu kombinasi dari catu daya. B, energi (warna) yang dikumpulkan oleh prototipe 4 × 7 MLC kami versus kisaran suhu (sumbu x) dan tegangan (sumbu y) dalam percobaan yang berbeda.
Versi pemanen yang lebih besar (HARV2) dengan 60 pst MLC 1 mm tebal dan 160 pst MLC tebal 0,5 mm (41,7 g bahan piroelektrik aktif) memberikan 11,2 J (Tambahan Catatan 8). Pada tahun 1984, Olsen membuat pemanen energi berdasarkan pada 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 kombinasi ini, ini adalah satu -satunya nilai lain yang tersedia dalam rentang Joule. Itu mendapat lebih dari setengah nilai yang kami capai dan hampir tujuh kali kualitasnya. Ini berarti bahwa kepadatan energi Harv2 adalah 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 mengambil satu langkah lebih jauh, kami membangun kombinasi ketiga (HARV3) dengan PST MLC setebal 0,5mm dan pengaturan serupa dengan HARV1 dan HARV2 (Tambahan Catatan 9). Kami mengukur waktu termalisasi 12,5 detik. Ini sesuai dengan waktu siklus 25 detik (Gambar Tambahan 9). Energi yang dikumpulkan (47 MJ) memberikan daya listrik 1,95 mW per MLC, yang pada gilirannya memungkinkan kita membayangkan bahwa Harv2 menghasilkan 0,55 W (sekitar 1,95 mW × 280 pst MLC tebal 0,5 mm). Selain itu, kami mensimulasikan perpindahan panas menggunakan simulasi elemen hingga (COMSOL, Tambahan Catatan 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 ke 0,2 mm, menggunakan air sebagai pendingin, dan mengembalikan matriks ke 7 baris. × 4 kolom (selain itu, ada 960 MW ketika tangki berada di sebelah Combine, Tambahan Gambar. 10B).
Untuk menunjukkan kegunaan kolektor ini, siklus stirling diterapkan pada demonstran yang berdiri sendiri yang hanya terdiri dari dua MLC PST setebal 0,5 mm sebagai pengumpul panas, sakelar tegangan tinggi, sakelar tegangan rendah dengan kapasitor penyimpanan, konverter DC/DC, mikrokontroler daya rendah, dua termasitor dan boost convercle, dan dua coonrokemen, dua kali lipat, dan dua coonrokontroler. Sirkuit membutuhkan kapasitor penyimpanan pada awalnya diisi pada 9V dan kemudian berjalan secara mandiri sementara suhu dua MLC berkisar dari -5 ° C hingga 85 ° C, di sini dalam siklus 160 detik (beberapa siklus ditunjukkan dalam catatan tambahan 11). Hebatnya, dua MLC dengan berat hanya 0,3g dapat mengontrol sistem besar ini secara mandiri. Fitur lain yang menarik adalah bahwa konverter tegangan rendah mampu mengonversi 400V menjadi 10-15V dengan efisiensi 79% (Tambahan Catatan 11 dan Gambar Tambahan 11.3).
Akhirnya, kami mengevaluasi efisiensi modul MLC ini dalam mengubah energi termal menjadi energi listrik. Faktor kualitas η dari efisiensi didefinisikan sebagai rasio kepadatan energi listrik yang dikumpulkan dan dengan kepadatan Qin panas yang disediakan (Tambahan Catatan 12):
Gambar 3A, B menunjukkan efisiensi η dan efisiensi proporsional ηr dari siklus Olsen, masing -masing, sebagai fungsi dari kisaran suhu dari PST MLC setebal 0,5 mm. Kedua set data diberikan untuk medan listrik 195 kV cm-1. Efisiensi \ (\ ini \) mencapai 1,43%, yang setara dengan 18% dari ηr. Namun, untuk kisaran suhu 10 K dari 25 ° C hingga 35 ° C, ηr mencapai nilai hingga 40% (kurva biru pada Gambar. 3B). Ini dua kali nilai yang diketahui untuk bahan NLP yang direkam dalam film PMN-PT (ηr = 19%) dalam kisaran suhu 10 K dan 300 kV cm-1 (ref. 18). Rentang suhu di bawah 10 K tidak dipertimbangkan karena histeresis termal dari PST MLC adalah antara 5 dan 8 K. Pengakuan efek positif dari transisi fase pada efisiensi sangat penting. Faktanya, nilai optimal η dan ηr hampir semuanya diperoleh pada suhu awal Ti = 25 ° C dalam Gambar. 3a, b. Hal ini disebabkan oleh transisi fase dekat ketika tidak ada bidang yang diterapkan dan suhu Curie TC sekitar 20 ° C dalam MLC ini (Tambahan Catatan 13).
a,b, the efficiency η and the proportional efficiency of the Olson cycle (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for the maximum electric by a field of 195 kV cm-1 and different initial temperatures Ti, }} \, \) (b) untuk tebal MPC PST 0,5 mm, tergantung pada interval suhu ΔTSPAN.
Pengamatan terakhir memiliki dua implikasi penting: (1) setiap bersepeda yang efektif harus dimulai pada suhu di atas TC untuk transisi fase yang diinduksi lapangan (dari paraelektrik ke feroelektrik) terjadi; (2) Bahan -bahan ini lebih efisien saat berjalan dekat dengan TC. Meskipun efisiensi skala besar ditunjukkan dalam percobaan kami, kisaran suhu yang terbatas tidak memungkinkan kami untuk mencapai efisiensi absolut yang besar karena batas carnot (\ (\ delta t/t \)). Namun, efisiensi yang sangat baik yang ditunjukkan oleh MLC PST ini membenarkan Olsen ketika ia menyebutkan bahwa “motor termoelektrik regeneratif kelas 20 yang 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 untuk menggunakan PST yang didoping dengan TC yang berbeda, seperti yang dipelajari oleh Shebanov dan Borman. Mereka menunjukkan bahwa TC dalam PST dapat bervariasi dari 3 ° C (doping SB) hingga 33 ° C (ti doping) 22. Oleh karena itu, kami berhipotesis bahwa regenerator piroelektrik generasi berikutnya berdasarkan pada MLC PST yang didoping atau bahan lain dengan transisi fase urutan pertama yang kuat dapat bersaing dengan pemanen daya terbaik.
Dalam penelitian ini, kami menyelidiki MLC yang terbuat dari PST. Perangkat ini terdiri dari serangkaian elektroda PT dan PST, di mana beberapa kapasitor terhubung secara paralel. PST dipilih karena merupakan bahan EC yang sangat baik dan oleh karena itu bahan NLP yang berpotensi sangat baik. Ini menunjukkan transisi fase ferroelektrik orde pertama yang tajam sekitar 20 ° C, menunjukkan bahwa perubahan entropi mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 1. MLC serupa telah sepenuhnya dijelaskan untuk perangkat EC13,14. Dalam penelitian ini, kami menggunakan 10,4 × 7,2 × 1 mm³ dan 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. 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, lapisan PST bagian dalam ditempatkan antara elektroda platinum setebal 2,05 μm. Desain MLC ini mengasumsikan bahwa 55% PST aktif, sesuai dengan bagian antara elektroda (Tambahan Catatan 1). Area elektroda aktif adalah 48,7 mm2 (Tambahan Tabel 5). MLC PST disiapkan dengan reaksi fase padat dan metode pengecoran. Rincian proses persiapan telah dijelaskan dalam artikel14 sebelumnya. Salah satu perbedaan antara PST MLC dan artikel sebelumnya adalah urutan B-SITES, yang sangat mempengaruhi kinerja EC di PST. Urutan B-Situs B dari PST MLC adalah 0,75 (Tambahan Catatan 2) yang diperoleh dengan sintering pada 1400 ° C diikuti oleh ratusan jam anil panjang 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 (Gbr. 1). Untuk siklus seperti itu, kita membutuhkan reservoir panas dan dingin dan catu daya yang mampu memantau dan mengendalikan tegangan dan arus dalam berbagai modul MLC. Siklus langsung ini menggunakan dua konfigurasi yang berbeda, yaitu (1) Linkam Modul pemanasan dan pendinginan satu MLC yang terhubung ke sumber daya Keithley 2410, dan (2) tiga prototipe (Harv1, HARV2 dan HARV3) secara paralel dengan energi sumber yang sama. Dalam kasus terakhir, cairan dielektrik (minyak silikon dengan viskositas 5 cp pada suhu 25 ° C, yang dibeli dari Sigma Aldrich) digunakan untuk pertukaran panas antara dua reservoir (panas dan dingin) dan MLC. Reservoir termal terdiri dari wadah kaca yang diisi dengan cairan dielektrik dan ditempatkan di atas pelat termal. Penyimpanan dingin terdiri dari rendaman air dengan tabung cair yang mengandung cairan dielektrik dalam wadah plastik besar yang diisi dengan air dan es. Dua katup jepit tiga arah (dibeli dari bio-chem fluidics) ditempatkan di setiap ujung kombinasi untuk beralih dengan benar cairan dari satu reservoir ke reservoir lainnya (Gambar 2A). Untuk memastikan keseimbangan termal antara paket PST-MLC dan pendingin, periode siklus diperpanjang hingga inlet dan outlet termokopel (sedekat mungkin dengan paket PST-MLC) menunjukkan suhu yang sama. Skrip Python mengelola dan menyinkronkan semua instrumen (sumber meter, pompa, katup, dan termokopel) untuk menjalankan siklus Olson yang benar, yaitu loop pendingin mulai bersepeda melalui tumpukan PST setelah meter sumber diisi sehingga memanas pada tegangan yang diinginkan untuk siklus Olson yang diberikan.
Atau, kami telah mengkonfirmasi pengukuran langsung energi yang dikumpulkan ini dengan metode tidak langsung. Metode tidak langsung ini didasarkan pada perpindahan listrik (D) - medan listrik (E) loop medan yang dikumpulkan pada suhu yang berbeda, dan dengan menghitung area antara dua loop DE, seseorang dapat secara akurat memperkirakan berapa banyak energi yang dapat dikumpulkan, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Pada Gambar 2. .1b. DE loop ini juga dikumpulkan menggunakan meter sumber Keithley.
Dua puluh delapan MLC PST setebal 1 mm dirakit dalam struktur pelat paralel 7-row, 7-kolom menurut desain yang dijelaskan dalam referensi. 14. Kesenjangan cairan antara baris PST-MLC adalah 0,75mm. Ini dicapai dengan menambahkan strip pita dua sisi sebagai spacer cair di sekitar tepi MLC PST. PST MLC terhubung secara elektrik secara paralel dengan jembatan epoksi perak yang bersentuhan dengan timah elektroda. Setelah itu, kabel dilem dengan resin epoksi perak ke setiap sisi terminal elektroda untuk koneksi ke catu daya. Akhirnya, masukkan seluruh struktur ke dalam selang poliolefin. Yang terakhir direkatkan ke tabung cairan untuk memastikan penyegelan yang tepat. Akhirnya, termokopel tipe K tebal 0,25 mm dibangun di setiap ujung struktur PST-MLC untuk memantau suhu inlet dan cairan outlet. Untuk melakukan ini, selang harus terlebih dahulu berlubang. 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 PST MLC setebal 40 mm yang didistribusikan sebagai pelat paralel dengan 5 kolom dan 8 baris, dan empat sisanya memiliki masing -masing PST MLC setebal 15 1 mm. Dalam 3-kolom × 5-baris struktur pelat paralel. Jumlah total PST MLC yang digunakan adalah 220 (tebal 160 mm dan 60 pst MLC 1 mm tebal). Kami menyebut dua subunit ini HARV2_160 dan HARV2_60. Celah cairan dalam prototipe HARV2_160 terdiri dari dua kaset dua sisi tebal 0,25 mm dengan kawat tebal 0,25 mm di antara mereka. 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 cairan sendiri, pompa, katup, dan sisi dingin (Tambahan Catatan 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. Semua delapan prototipe individu terhubung secara elektrik secara paralel. Subunit HARV2_160 dan HARV2_60 bekerja secara bersamaan dalam siklus Olson yang menghasilkan panen energi 11,2 J.
Tempatkan 0,5mm tebal PST MLC ke dalam selang poliolefin dengan pita sisi ganda dan kawat di kedua sisi untuk membuat ruang agar cairan mengalir. Karena ukurannya yang kecil, prototipe ditempatkan di sebelah katup reservoir panas atau dingin, meminimalkan waktu siklus.
Dalam PST MLC, medan listrik konstan diterapkan dengan menerapkan tegangan konstan ke cabang pemanas. Akibatnya, arus termal negatif dihasilkan dan energi disimpan. Setelah memanaskan PST MLC, bidang dihapus (V = 0), dan energi yang disimpan di dalamnya dikembalikan kembali ke penghitung sumber, yang sesuai dengan satu kontribusi energi yang dikumpulkan lagi. Akhirnya, dengan tegangan V = 0 diterapkan, PST MLC didinginkan hingga suhu awalnya sehingga siklus dapat dimulai lagi. Pada tahap ini, energi tidak dikumpulkan. Kami menjalankan siklus Olsen menggunakan Sourcemeter Keithley 2410, mengisi PST MLC dari sumber tegangan dan mengatur kecocokan saat ini ke nilai yang sesuai sehingga titik yang cukup dikumpulkan selama fase pengisian untuk perhitungan energi yang andal.
Dalam siklus Stirling, PST MLC dibebankan 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 energi yang andal) dan suhu dingin. Dalam siklus Stirling, PST MLC dibebankan 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 energi yang andal) dan suhu dingin. В циклах стирлин.... Pst Mlc за jeruiжались в риме источника напatu ээи энакоinga эзо энао orang энао энаuatu элнллннilan пзнлнннаilan эзнннннаilan эзнллнлн pemeriksaan ззнллллнаilan эзллллл pemeriksaan ззл. ) количество точек для надежно A рчета энер A $ и холодная терат secara. Dalam siklus PST MLC Stirling, mereka diisi dalam mode sumber tegangan pada nilai awal medan listrik (tegangan awal VI> 0), arus hasil yang diinginkan, sehingga tahap pengisian daya membutuhkan sekitar 1 detik (dan jumlah titik yang cukup dikumpulkan untuk perhitungan energi yang dapat diandalkan) 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 dibebankan pada nilai medan listrik awal (tegangan awal VI> 0) dalam mode sumber tegangan, sehingga arus kepatuhan yang diperlukan membutuhkan waktu sekitar 1 detik untuk langkah pengisian (dan kami mengumpulkan titik yang cukup untuk menghitung (energi) dan suhu rendah. В цикле стирлин.... Pst mlc за jaret тс рutu напffemberжение vi> 0), тебу ток податливости таков, что этап за jer ‘иорни entar secara количество точек, чтобы надежно рсчитать энергию) инизкие темерат secara ы. 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 detik (dan jumlah titik yang cukup dikumpulkan untuk menghitung energi) dan suhu rendah.Sebelum PST MLC memanas, buka sirkuit dengan menerapkan arus pencocokan i = 0 mA (arus pencocokan minimum yang dapat ditangani oleh sumber pengukuran kami adalah 10 Na). Akibatnya, muatan tetap di PST MJK, dan tegangan meningkat saat sampel memanas. Tidak ada energi yang dikumpulkan di lengan SM karena i = 0 ma. Setelah mencapai suhu tinggi, tegangan di MLT FT meningkat (dalam beberapa kasus lebih dari 30 kali, lihat Gambar tambahan 7.2), MLK FT dikeluarkan (V = 0), dan energi listrik disimpan di dalamnya untuk hal yang sama dengan muatan awal. Korespondensi saat ini yang sama dikembalikan ke sumber meter. Karena gain tegangan, energi yang disimpan pada suhu tinggi lebih tinggi dari apa 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 pada MLC PST. The corresponding energy is calculated by integrating the product of voltage and current read by Keithley's source meter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), where τ adalah periode periode. Pada kurva energi kita, nilai energi positif berarti energi yang harus kita berikan kepada MLC PST, dan nilai -nilai negatif berarti energi yang kita ekstrak dari mereka dan oleh karena itu energi yang diterima. Kekuatan relatif untuk siklus pengumpulan yang diberikan ditentukan dengan membagi energi yang dikumpulkan dengan periode τ dari seluruh siklus.
Semua data disajikan dalam teks utama atau dalam informasi tambahan. Surat dan permintaan materi harus diarahkan ke sumber data AT atau ED yang disediakan dengan artikel ini.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Tinjauan pengembangan dan aplikasi mikrogenerator termoelektrik untuk pemanenan energi. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Tinjauan pengembangan dan aplikasi 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. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaik Bahan: Efisiensi saat ini dan tantangan di masa depan. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaik Bahan: Efisiensi saat ini dan tantangan di masa depan.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. dan Sinke, bahan fotovoltaik VK: kinerja saat ini dan tantangan di masa depan. 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, Bahan Surya WC: Efisiensi Saat Ini dan Tantangan Masa Depan.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. dan Sinke, bahan fotovoltaik VK: kinerja saat ini dan tantangan di masa depan.Sains 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Efek Pyro-piezoelektrik yang terhubung untuk suhu simultan dan penginderaan tekanan yang ditenagai sendiri. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Efek Pyro-piezoelektrik yang terhubung untuk suhu simultan dan penginderaan tekanan yang bertenaga sendiri.Song K., Zhao R., Wang ZL dan Yan Yu. Gabungan Efek Pyropiezoelektrik untuk pengukuran suhu dan tekanan simultan yang 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 kekuatan sendiri pada saat yang sama dengan suhu dan tekanan.Song K., Zhao R., Wang ZL dan Yan Yu. Gabungan efek thermopiezoelektrik untuk pengukuran suhu dan tekanan simultan yang otonom.Maju. Almamater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Pemanenan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik santai. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Pemanenan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik santai.Sebald G., Prouvost S. dan Guyomar D. Pemanenan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik relaksor.Sebald G., Prouvost S. dan Guyomar D. Pemanenan energi dalam keramik feroelektrik relaxor berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson. Almamater pintar. struktur. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next-Generation Electrocaloric dan Pyroelectric Material untuk interkonversi energi elektrotermal solid-state. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next-Generation Electrocaloric dan Pyroelectric Material untuk interkonversi energi elektrotermal solid-state. Alpay, Sp, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокenda преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalorik 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 электрокenda преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Bahan elektrokalorik dan piroelektrik generasi berikutnya untuk interkonversi energi elektrotermal keadaan padat.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standar dan figur-of-Merit untuk mengukur kinerja nanogenerator piroelektrik. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & Yang, Y. Standar dan figur-of-Merit 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.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, dan siklus pendinginan elektrokalorik dalam skandium timah yang menggoda dengan regenerasi sejati melalui variasi lapangan. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, dan siklus pendinginan elektrokalorik dalam skandium timah yang menggoda dengan regenerasi sejati melalui variasi lapangan.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. dan Mathur, dan siklus pendinginan elektrokalorik dalam timbal-timbal tantalate dengan regenerasi sejati dengan cara modifikasi lapangan. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, dan 钽酸钪铅的电热冷却循环 ， ， Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantalum 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. dan Mathur, dan siklus pendinginan elektrotermal dari memimpin skandium yang menggoda untuk regenerasi sejati melalui pembalikan lapangan.Fisika Rev. x 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, dan bahan kalori dekat transisi fase ferroik. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, dan bahan kalori dekat transisi fase ferroik.Moya, X., Kar-Narayan, S. dan Mathur, dan bahan kalori dekat transisi fase ferroid. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, dan 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, dan bahan termal dekat metalurgi besi.Moya, X., Kar-Narayan, S. dan Mathur, dan bahan termal di dekat transisi fase besi.Nat. Almamater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, dan bahan kalori untuk pendinginan dan pemanasan. Moya, X. & Mathur, dan bahan kalori untuk pendinginan dan pemanasan.Moya, X. dan Mathur, dan bahan termal untuk pendinginan dan pemanasan. Moya, X. & Mathur, dan 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, dan bahan termal untuk pendinginan dan pemanasan.Moya X. dan matematika dan bahan termal untuk pendinginan dan pemanasan.Sains 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric Coolers: A Review. Torelló, A. & Defay, E. Electrocaloric Coolers: A Review.Torello, A. dan 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. dan Defay, E. Electrothermal Coolers: A Review.Canggih. elektronik. almamater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Efisiensi energi yang sangat besar dari bahan elektrokalorik dalam skandium-scandium-lead yang sangat dipesan. Komunikasi Nasional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. Efek elektrotermal kapasitor multilayer oksida besar pada kisaran suhu yang luas. Alam 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Kisaran suhu besar dalam regenerator elektrotermal. Sains 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistem pendingin elektrotermal status solid kinerja tinggi. Sains 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Perangkat pendingin elektrotermal kaskade untuk kenaikan suhu besar. Energi Nasional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Konversi Langsung Panas Efisie Tinggi menjadi Pengukuran Piroelektrik Terkait Energi Listrik. Olsen, RB & Brown, DD Konversi Langsung Panas Efisiensi Tinggi menjadi Pengukuran Pirroelektrik Terkait Energi Listrik.Olsen, RB dan Brown, DD konversi langsung panas yang sangat efisien menjadi energi listrik yang 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 terkait dengan pengukuran piroelektrik.Ferroelektrik 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energi dan kepadatan daya dalam film feroelektrik rileksor tipis. Almamater Nasional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: Mengoptimalkan Transisi Fase Feroelektrik dan Kehilangan Listrik. Smith, An & Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: Mengoptimalkan Transisi Fase Feroelektrik dan Kehilangan Listrik.Smith, An dan Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: Transisi Fase Feroelektrik dan Optimalisasi Kehilangan Listrik. 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 dan Hanrahan, BM Cascaded Pyroelectric Conversion: Optimalisasi Transisi Fase Feroelektrik dan Kehilangan Listrik.J. Aplikasi. fisika. 128, 24103 (2020).
Hoch, sr Penggunaan bahan feroelektrik untuk mengubah energi termal menjadi listrik. proses. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Converter Energi Piroelektrik. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Cascaded Converter Energi Piroelektrik.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM dan 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 dan Dullea, J. Cascaded Pyroelectric Power Converters.Ferroelektrik 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Pada larutan solid timbal-scandium tantalate dengan efek elektrokalorik yang tinggi. Shebanov, L. & Borman, K. Pada larutan solid timbal-scandium tantalate dengan efek elektrokalorik yang tinggi.Shebanov L. dan Borman K. Pada solusi padat timbul-scandium tantalate dengan efek elektrokalorik yang 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. tentang solusi solid-skandium-scandium dengan efek elektrokalorik yang tinggi.Ferroelektrik 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 Berkat Luksemburg National Research Foundation (FNR) untuk mendukung pekerjaan ini melalui Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay- Siebentritt, Thermodimat C20/MC20/147. Bridges2021/MS/16282302/Cecoha/Defay.
Departemen Penelitian dan Teknologi Bahan, Institut Teknologi Luksemburg (Daftar), Belvoir, Luksemburg