Menyediakan sumber listrik berkelanjutan merupakan salah satu tantangan terpenting abad ini. Bidang penelitian di bidang material pemanenan energi berasal dari motivasi ini, termasuk termoelektrik1, fotovoltaik2, dan termofotovoltaik3. Meskipun kita kekurangan material dan perangkat yang mampu memanen energi dalam rentang 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 termal makroskopis dalam bentuk kapasitor multilayer yang terbuat dari 42 gram timbal skandium tantalat, yang menghasilkan 11,2 J energi listrik per siklus termodinamika. Setiap modul piroelektrik dapat menghasilkan kerapatan energi listrik hingga 4,43 J cm-3 per siklus. Kami juga menunjukkan bahwa dua modul tersebut dengan berat 0,3 g cukup untuk terus-menerus memberi daya pada pemanen energi otonom dengan mikrokontroler tertanam dan sensor suhu. Terakhir, kami menunjukkan bahwa untuk rentang suhu 10 K, kapasitor multilayer ini dapat mencapai efisiensi Carnot 40%. Sifat-sifat ini disebabkan oleh (1) perubahan fasa feroelektrik untuk efisiensi tinggi, (2) arus bocor rendah untuk mencegah kerugian, dan (3) tegangan tembus tinggi. Pembangkit listrik piroelektrik yang makroskopis, terukur, dan efisien ini sedang menata ulang pembangkit listrik termoelektrik.
Dibandingkan dengan gradien suhu spasial yang dibutuhkan untuk material termoelektrik, pemanenan energi material termoelektrik memerlukan siklus suhu seiring waktu. Ini berarti siklus termodinamika, yang paling baik dijelaskan oleh diagram entropi (S)-suhu (T). Gambar 1a menunjukkan plot ST tipikal material 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 bagian isopole). Di sini kita 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 wilayah 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 areanya, semakin besar energi yang dikumpulkan. Oleh karena itu, transisi fase harus mengumpulkan lebih banyak energi. Kebutuhan akan siklus area luas dalam NLP sangat mirip dengan kebutuhan untuk aplikasi elektrotermal9, 10, 11, 12 di mana kapasitor multilapis (MLC) PST dan terpolimer berbasis PVDF baru-baru ini menunjukkan kinerja balik yang sangat baik. Status kinerja pendinginan pada siklus 13, 14, 15, 16. Oleh karena itu, kami telah mengidentifikasi MLC PST yang menarik untuk pemanenan energi termal. Sampel-sampel ini telah dijelaskan secara lengkap dalam metode dan dikarakterisasi dalam catatan tambahan 1 (mikroskop elektron pemindaian), 2 (difraksi sinar-X), dan 3 (kalorimetri).
a, Sketsa plot entropi (S)-suhu (T) dengan medan listrik aktif dan nonaktif yang diterapkan pada material NLP menunjukkan transisi fase. Dua siklus pengumpulan energi ditampilkan dalam dua zona suhu yang 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, setebal 1 mm, diukur antara 0 dan 155 kV cm-1 pada suhu 20 °C dan 90 °C, dan siklus Olsen yang sesuai. Huruf ABCD merujuk pada berbagai keadaan dalam siklus Olson. AB: MLC diisi hingga 155 kV cm-1 pada suhu 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 dalam medan nol. Area biru menunjukkan daya input yang dibutuhkan untuk memulai siklus. Area oranye menunjukkan energi yang terkumpul dalam satu siklus. c, panel atas, tegangan (hitam) dan arus (merah) versus waktu, dilacak selama siklus Olson yang sama dengan b. Kedua sisipan menunjukkan amplifikasi tegangan dan arus pada titik-titik kunci dalam siklus. Pada panel bawah, kurva kuning dan hijau masing-masing menunjukkan kurva suhu dan energi yang sesuai untuk MLC setebal 1 mm. Energi dihitung dari kurva arus dan tegangan pada panel atas. Energi negatif menunjukkan energi yang terkumpul. Langkah-langkah yang ditunjukkan oleh huruf kapital pada keempat gambar sama dengan yang ditunjukkan pada siklus Olson. Siklus AB'CD menunjukkan siklus Stirling (catatan tambahan 7).
di mana E dan D masing-masing adalah medan listrik dan medan perpindahan listrik. Nd dapat diperoleh secara tidak langsung dari rangkaian DE (Gambar 1b) atau secara langsung dengan memulai siklus termodinamika. Metode yang paling berguna dijelaskan oleh Olsen dalam karya perintisnya tentang pengumpulan energi piroelektrik pada tahun 1980-an.17
Pada gambar 1b menunjukkan dua loop DE monopolar dari spesimen PST-MLC setebal 1 mm yang dirakit pada suhu 20 °C dan 90 °C, masing-masing, 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 daerah oranye dan biru (integral EdD). 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 sebesar 1,78 J cm-3. Siklus Stirling merupakan alternatif dari siklus Olson (Catatan Tambahan 7). Karena tahap pengisian konstan (rangkaian terbuka) lebih mudah dicapai, kerapatan energi yang diekstraksi dari Gambar 1b (siklus AB'CD) mencapai 1,25 J cm-3. Ini hanya 70% dari yang dapat dikumpulkan oleh siklus Olson, tetapi peralatan pemanenan sederhana dapat melakukannya.
Selain itu, kami mengukur langsung energi yang terkumpul 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 sisipan masing-masing menunjukkan arus (merah) dan tegangan (hitam) yang terkumpul pada PST MLC setebal 1 mm yang sama seperti untuk loop DE yang melalui siklus Olson yang sama. Arus dan tegangan memungkinkan untuk menghitung energi yang terkumpul, dan kurva ditunjukkan pada gambar 1c, bawah (hijau) dan suhu (kuning) di seluruh 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 mengendalikan pengisian dengan benar. Konsekuensi dari arus awal yang konstan ini adalah bahwa kurva tegangan (kurva hitam) tidak linier karena medan perpindahan potensial non-linier D PST (Gambar 1c, sisipan atas). Pada akhir pengisian, 30 mJ energi listrik disimpan di MLC (titik B). MLC kemudian memanas dan arus negatif (dan karenanya arus negatif) dihasilkan sementara tegangan tetap pada 600 V. Setelah 40 detik, ketika suhu mencapai plateau 90 °C, arus ini terkompensasi, meskipun sampel bertahap menghasilkan daya listrik sebesar 35 mJ di sirkuit selama isofield ini (sisipan kedua pada Gambar 1c, atas). Tegangan pada MLC (cabang CD) kemudian dikurangi, menghasilkan tambahan kerja listrik sebesar 60 mJ. Total energi keluaran adalah 95 mJ. Energi yang terkumpul adalah selisih antara energi masukan dan keluaran, yang menghasilkan 95 – 30 = 65 mJ. Ini setara dengan densitas energi sebesar 1,84 J cm-3, yang sangat mendekati Nd yang diekstraksi dari cincin DE. Reprodusibilitas siklus Olson ini telah diuji secara ekstensif (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 daripada kinerja terbaik yang dilaporkan dalam literatur untuk siklus Olson langsung dan diperoleh pada lapisan tipis Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (lihat Tabel Tambahan 1 untuk nilai lebih lanjut dalam literatur). Performa ini tercapai 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 krusial yang disebutkan oleh Smith et al.19—berbeda dengan material yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20. Performa ini tercapai 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 krusial yang disebutkan oleh Smith et al.19—berbeda dengan material yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20. Ini adalah persyaratan yang harus dipenuhi oleh MLC (<10–7 А при 750 Pada 180 °C, см. contoh 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 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 detailnya) – titik kritis yang disebutkan oleh Smith et al. 19 – berbeda dengan bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20.kapasitas 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 19 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 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом dan 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 detailnya) – poin utama yang disebutkan oleh Smith et al. 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). Sesuai perkiraan dari hasil siklus DE, hasilnya adalah 41,0 mJ. Salah satu fitur 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 lain dari MLC ini adalah bahwa mereka merupakan objek makroskopis yang cukup besar untuk mengumpulkan energi dalam rentang joule. Oleh karena itu, kami membangun prototipe harvester (HARV1) menggunakan 28 MLC PST setebal 1 mm, mengikuti desain pelat paralel yang sama seperti yang dijelaskan oleh Torello dkk.14, dalam matriks 7x4 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Fluida dielektrik pembawa panas dalam manifold dipindahkan oleh pompa peristaltik di antara dua reservoir dengan suhu fluida yang dijaga konstan (metode). Kumpulkan energi 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). Ini setara dengan densitas energi sebesar 3,14 J cm-3. Dengan menggunakan alat pemanen ini, pengukuran dilakukan dalam berbagai kondisi (Gambar 2b). Perhatikan bahwa 1,8 J diperoleh pada rentang suhu 80 °C dan tegangan 600 V (155 kV cm-1). Hal ini sesuai dengan 65 mJ yang telah disebutkan sebelumnya untuk PST MLC setebal 1 mm dalam kondisi yang sama (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Susunan eksperimen prototipe HARV1 rakitan berdasarkan 28 PST MLC setebal 1 mm (4 baris × 7 kolom) yang beroperasi pada siklus Olson. Untuk masing-masing dari empat langkah siklus, suhu dan tegangan diberikan dalam prototipe. Komputer menggerakkan pompa peristaltik yang mensirkulasikan fluida dielektrik antara reservoir dingin dan panas, dua katup, dan sumber daya. Komputer juga menggunakan termokopel untuk mengumpulkan data tegangan dan arus yang disuplai ke prototipe serta suhu mesin pemanen dari catu daya. b, Energi (warna) yang dikumpulkan oleh prototipe MLC 4×7 kami dibandingkan dengan rentang suhu (sumbu X) dan tegangan (sumbu Y) dalam berbagai eksperimen.
Versi pemanen yang lebih besar (HARV2) dengan 60 PST MLC setebal 1 mm dan 160 PST MLC setebal 0,5 mm (41,7 g bahan piroelektrik aktif) menghasilkan 11,2 J (Catatan Tambahan 8). Pada tahun 1984, Olsen membuat pemanen energi berbasis 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 mesin pemanen ini, ini adalah satu-satunya nilai lain yang tersedia dalam rentang joule. Nilai yang dihasilkan hanya sedikit lebih dari setengah nilai yang kami capai dan kualitasnya hampir tujuh kali lipat. Ini berarti 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 membangun gabungan ketiga (HARV3) dengan MLC PST setebal 0,5 mm dan pengaturan yang 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 1,95 mW per MLC, yang pada gilirannya memungkinkan kita untuk membayangkan bahwa HARV2 menghasilkan 0,55 W (sekitar 1,95 mW × 280 PST MLC setebal 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 eksperimen HARV1. Pemodelan elemen hingga memungkinkan untuk memprediksi nilai daya hampir satu orde besaran 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 , terdapat 960 mW saat tangki berada di sebelah gabungan, Gambar Tambahan 10b).
Untuk mendemonstrasikan kegunaan kolektor ini, siklus Stirling diterapkan pada demonstrator mandiri yang hanya terdiri dari dua MLC PST setebal 0,5 mm sebagai kolektor 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 mengharuskan kapasitor penyimpanan untuk awalnya diisi daya pada 9V dan kemudian berjalan secara otonom sementara suhu kedua MLC berkisar antara -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 secara otonom mengendalikan sistem besar ini. Fitur menarik lainnya adalah konverter tegangan rendah mampu mengubah 400V menjadi 10-15V dengan efisiensi 79% (Catatan Tambahan 11 dan Gambar Tambahan 11.3).
Akhirnya, kami mengevaluasi efisiensi modul-modul MLC ini dalam mengubah energi termal menjadi energi listrik. Faktor kualitas η dari efisiensi didefinisikan sebagai rasio densitas energi listrik yang terkumpul (Nd) terhadap densitas kalor yang disuplai (Qin) (Catatan Tambahan 12):
Gambar 3a,b menunjukkan efisiensi η dan efisiensi proporsional ηr dari siklus Olsen, masing-masing, sebagai fungsi rentang suhu 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 rentang 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 material NLP yang tercatat dalam film PMN-PT (ηr = 19%) pada rentang suhu 10 K dan 300 kV cm-1 (Ref. 18). Rentang suhu di bawah 10 K tidak dipertimbangkan karena histeresis termal MLC PST berada di antara 5 dan 8 K. Pengenalan efek positif transisi fase terhadap efisiensi sangatlah 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 yang rapat ketika tidak ada medan yang diterapkan dan suhu Curie TC sekitar 20°C pada MLC ini (Catatan Tambahan 13).
a,b, efisiensi η dan efisiensi proporsional siklus Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} untuk listrik maksimum oleh medan 195 kV cm-1 dan suhu awal Ti yang berbeda, }}\,\)(b) untuk MPC PST setebal 0,5 mm, tergantung pada interval suhu ΔTspan.
Pengamatan terakhir memiliki dua implikasi penting: (1) setiap siklus efektif harus dimulai pada suhu di atas TC agar transisi fase yang diinduksi medan (dari paraelektrik ke feroelektrik) terjadi; (2) bahan-bahan ini lebih efisien pada waktu operasi mendekati TC. Meskipun efisiensi skala besar ditunjukkan dalam percobaan kami, rentang 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 konsep tersebut, akan berguna untuk menggunakan PST terdoping 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 (doping Ti)22. Oleh karena itu, kami berhipotesis bahwa regenerator piroelektrik generasi mendatang yang berbasis MLC PST terdoping atau material lain dengan transisi fase orde pertama yang kuat dapat bersaing dengan pemanen daya terbaik.
Dalam studi ini, kami menyelidiki MLC yang terbuat dari PST. Perangkat ini terdiri dari serangkaian elektroda Pt dan PST, di mana beberapa kapasitor dihubungkan secara paralel. PST dipilih karena merupakan bahan EC yang sangat baik dan oleh karena itu berpotensi menjadi bahan NLP yang sangat baik. Ini menunjukkan transisi fase feroelektrik-paraelektrik orde pertama yang tajam sekitar 20 °C, yang menunjukkan bahwa perubahan entropinya mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar 1. MLC serupa telah dijelaskan sepenuhnya untuk perangkat EC13,14. Dalam studi 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 di antara elektroda platinum setebal 2,05 µm. Desain MLC ini mengasumsikan 55% PST aktif, sesuai dengan bagian di antara elektroda (Catatan Tambahan 1). Luas elektroda aktif adalah 48,7 mm² (Tabel Tambahan 5). MLC PST disiapkan dengan reaksi fase padat dan metode pengecoran. Detail proses persiapan telah dijelaskan dalam artikel sebelumnya14. Salah satu perbedaan antara MLC PST dan artikel sebelumnya adalah urutan situs-B, yang sangat memengaruhi kinerja EC dalam PST. Urutan situs-B MLC PST adalah 0,75 (Catatan Tambahan 2) yang diperoleh dengan sintering pada suhu 1400°C yang diikuti oleh annealing selama ratusan jam pada suhu 1000°C. Untuk informasi lebih lanjut tentang MLC PST, lihat Catatan Tambahan 1-3 dan Tabel Tambahan 5.
Konsep utama dari penelitian ini didasarkan pada siklus Olson (Gbr. 1). Untuk siklus seperti itu, kita memerlukan 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) modul Linkam memanaskan dan mendinginkan satu MLC yang terhubung ke sumber daya Keithley 2410, dan (2) tiga prototipe (HARV1, HARV2 dan HARV3) secara paralel dengan sumber energi yang sama. Dalam kasus terakhir, fluida 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 yang diisi dengan fluida dielektrik dan ditempatkan di atas pelat termal. Penyimpanan dingin terdiri dari penangas air dengan tabung cairan yang berisi fluida dielektrik dalam wadah plastik besar yang diisi dengan air dan es. Dua katup jepit tiga arah (dibeli dari Bio-Chem Fluidics) dipasang di setiap ujung gabungan untuk memindahkan fluida dari satu reservoir ke reservoir lainnya dengan benar (Gambar 2a). Untuk memastikan kesetimbangan termal antara paket PST-MLC dan 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 tegangan yang diberikan yang diinginkan untuk siklus Olson yang diberikan.
Sebagai alternatif, kami telah mengonfirmasi pengukuran langsung energi yang terkumpul ini dengan metode tidak langsung. Metode tidak langsung ini didasarkan pada loop medan perpindahan listrik (D) – medan listrik (E) yang dikumpulkan pada suhu yang berbeda, dan dengan menghitung luas antara dua loop DE, seseorang dapat memperkirakan secara akurat berapa banyak energi yang dapat dikumpulkan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1b. Loop DE ini juga dikumpulkan menggunakan meter sumber Keithley.
Dua puluh delapan PST MLC setebal 1 mm dirakit dalam struktur pelat paralel 4 baris, 7 kolom sesuai dengan desain yang dijelaskan dalam referensi. 14. Celah fluida antar baris PST-MLC adalah 0,75 mm. Hal ini dicapai dengan menambahkan strip pita perekat dua sisi sebagai pemisah cairan di sekeliling tepi PST MLC. PST MLC dihubungkan secara elektrik secara paralel dengan jembatan epoksi perak yang bersentuhan dengan kabel elektroda. Setelah itu, kabel direkatkan dengan resin epoksi perak pada setiap sisi terminal elektroda untuk dihubungkan ke catu daya. Terakhir, masukkan seluruh struktur ke dalam selang poliolefin. Selang tersebut direkatkan ke tabung fluida untuk memastikan penyegelan yang tepat. 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 di antara selang termokopel dan kabel 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 masing-masing memiliki 15 PST MLC setebal 1 mm dalam struktur pelat paralel 3 kolom × 5 baris. Jumlah total PST MLC yang digunakan adalah 220 (160 setebal 0,5 mm dan 60 PST MLC setebal 1 mm). Kami menyebut kedua subunit ini HARV2_160 dan HARV2_60. Celah cairan pada prototipe HARV2_160 terdiri dari dua pita perekat dua sisi setebal 0,25 mm yang diselingi kawat setebal 0,25 mm. Untuk prototipe HARV2_60, kami mengulangi prosedur yang sama, tetapi menggunakan kawat setebal 0,38 mm. Demi simetri, HARV2_160 dan HARV2_60 memiliki sirkuit fluida, pompa, katup, dan sisi dinginnya sendiri (Catatan Tambahan 8). Dua unit HARV2 berbagi reservoir panas, sebuah wadah 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) di atas dua pelat panas dengan magnet berputar. Kedelapan prototipe individual terhubung secara elektrik secara paralel. Subunit HARV2_160 dan HARV2_60 bekerja secara simultan dalam siklus Olson yang menghasilkan panen energi sebesar 11,2 J.
Pasang PST MLC setebal 0,5 mm ke dalam selang poliolefin dengan selotip dua sisi dan kawat di kedua sisinya untuk menciptakan ruang bagi cairan untuk mengalir. Karena ukurannya yang kecil, prototipe ditempatkan di samping katup reservoir panas atau dingin, sehingga meminimalkan waktu siklus.
Dalam PST MLC, medan listrik konstan diterapkan dengan memberikan tegangan konstan ke cabang pemanas. Akibatnya, arus termal negatif dihasilkan dan energi disimpan. Setelah memanaskan PST MLC, medan dihilangkan (V = 0), dan energi yang tersimpan di dalamnya dikembalikan ke penghitung sumber, yang sesuai dengan satu kontribusi tambahan dari energi yang terkumpul. Akhirnya, dengan tegangan V = 0 yang diberikan, PST MLC didinginkan ke suhu awalnya sehingga siklus dapat dimulai kembali. Pada tahap ini, energi tidak dikumpulkan. Kami menjalankan siklus Olsen menggunakan Keithley 2410 SourceMeter, mengisi daya PST MLC dari sumber tegangan dan mengatur pencocokan arus ke nilai yang sesuai sehingga titik yang cukup terkumpul selama fase pengisian daya untuk perhitungan 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 membutuhkan waktu sekitar 1 detik (dan titik yang cukup dikumpulkan untuk perhitungan energi yang andal) 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 membutuhkan waktu sekitar 1 detik (dan titik yang cukup dikumpulkan untuk perhitungan energi yang andal) dan suhu dingin. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) dan suhu tinggi. Dalam siklus Stirling PST MLC, mereka diisi dalam mode sumber tegangan pada nilai awal medan listrik (tegangan awal Vi > 0), arus luluh yang diinginkan, sehingga tahap pengisian membutuhkan waktu sekitar 1 detik (dan jumlah titik yang cukup dikumpulkan untuk perhitungan 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 dibutuhkan membutuhkan waktu sekitar 1 detik untuk langkah pengisian (dan kami mengumpulkan cukup poin untuk menghitung (energi) dan suhu rendah dengan andal. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) dan низкие 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 membutuhkan waktu sekitar 1 detik (dan jumlah titik yang cukup dikumpulkan untuk menghitung energi secara andal) dan suhu rendah.Sebelum PST MLC memanas, buka rangkaian dengan memberikan arus pencocokan I = 0 mA (arus pencocokan minimum yang dapat ditangani oleh sumber pengukuran kita adalah 10 nA). Akibatnya, muatan tetap berada di PST MJK, dan tegangan meningkat seiring pemanasan sampel. Tidak ada energi yang terkumpul di lengan BC karena I = 0 mA. Setelah mencapai suhu tinggi, tegangan di MLT FT meningkat (dalam beberapa kasus lebih dari 30 kali lipat, lihat gambar tambahan 7.2), MLK FT dilepaskan (V = 0), dan energi listrik tersimpan di dalamnya selama muatan awal. Arus yang sama dikembalikan ke sumber meter. Karena adanya penguatan tegangan, energi yang tersimpan pada suhu tinggi lebih tinggi daripada yang dihasilkan di awal siklus. Akibatnya, energi diperoleh dengan mengubah panas menjadi listrik.
Kami menggunakan Keithley 2410 SourceMeter untuk memantau tegangan dan arus yang diterapkan pada PST MLC. Energi yang sesuai dihitung dengan mengintegrasikan hasil kali tegangan dan arus yang terbaca oleh source meter 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 kami, nilai energi positif berarti energi yang harus kami berikan kepada PST MLC, dan nilai negatif berarti energi yang kami ekstrak darinya dan oleh karena itu energi yang diterima. Daya 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 ditujukan kepada sumber data AT atau ED yang disertakan dalam artikel ini.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Tinjauan tentang pengembangan dan aplikasi mikrogenerator termoelektrik untuk pemanenan energi. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Tinjauan tentang pengembangan dan aplikasi mikrogenerator termoelektrik untuk pemanenan energi.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO dan Henao, NC Tinjauan umum 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. dukungan. Energi Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Material fotovoltaik: efisiensi saat ini dan tantangan masa depan. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Material fotovoltaik: efisiensi saat ini dan tantangan masa depan.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. dan Sinke, VK Material 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 Material surya: efisiensi saat ini dan tantangan masa depan.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. dan Sinke, VK Material fotovoltaik: kinerja saat ini dan tantangan masa depan.Sains 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efek piro-piezoelektrik terkonjungsi untuk penginderaan suhu dan tekanan simultan berdaya mandiri. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efek piro-piezoelektrik konjungsi untuk penginderaan suhu dan tekanan simultan berdaya mandiri.Song K., Zhao R., Wang ZL, dan Yan Yu. Efek piropiezoelektrik gabungan untuk pengukuran suhu dan tekanan 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 pembangkitan daya mandiri pada saat yang sama dengan suhu dan tekanan.Song K., Zhao R., Wang ZL, dan Yan Yu. Efek termopiezoelektrik gabungan untuk pengukuran suhu dan tekanan simultan secara otonom.Maju. almamater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Pemanenan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik relaksor. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Pemanenan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik relaksor.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 relaksor berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson. Almamater pintar. struktur. 17, 15012 (2007).
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 Bahan elektrokalorik 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 преобразования tagihan listrik. 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 Электрокалорические dan пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного преобразования tagihan listrik. 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 angka kelayakan untuk mengukur kinerja nanogenerator piroelektrik. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standar dan angka kelayakan untuk mengukur kinerja nanogenerator piroelektrik.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL dan Yang, Yu. Standar dan skor 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 Energi 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalorik dalam timbal skandium tantalat dengan regenerasi sejati melalui variasi medan. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalorik dalam timbal skandium tantalat dengan regenerasi sejati melalui variasi medan.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. dan Mathur, ND Siklus pendinginan elektrokalorik dalam timbal-skandium tantalat dengan regenerasi sejati melalui modifikasi medan. 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 skandium-timbal tantalat untuk regenerasi sejati melalui pembalikan medan.Fisika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori dekat transisi fase feroik. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalori dekat transisi fase feroik.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: tinjauan. 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: tinjauan.Maju. elektronik. almamater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. dkk. Efisiensi energi yang sangat besar dari material elektrokalori dalam skandium-skandium-timbal yang sangat terurut. Komunikasi Nasional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. dkk. Efek elektrotermal kapasitor multilapis oksida sangat besar pada rentang suhu yang luas. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. dkk. Kisaran suhu yang luas dalam regenerator elektrotermal. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. dkk. Sistem pendingin elektrotermal solid state berkinerja tinggi. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. dkk. Perangkat pendingin elektrotermal kaskade untuk kenaikan suhu yang besar. Energi Nasional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Konversi langsung energi panas menjadi energi listrik yang berefisiensi tinggi terkait pengukuran piroelektrik. Olsen, RB & Brown, DD Konversi langsung energi panas menjadi energi listrik yang berefisiensi tinggi terkait pengukuran piroelektrik.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 dan 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. Kerapatan energi dan daya dalam film feroelektrik relaksor 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 optimasi rugi listrik. Smith, AN & Hanrahan, BM 优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN dan Hanrahan, BMSmith, AN dan Hanrahan, BM Konversi piroelektrik bertingkat: optimalisasi transisi fase feroelektrik dan kerugian 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. 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. Konverter Daya Piroelektrik Cascade. 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.Ferroelektrik 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. dan Borman, K.Shebanov L. dan Borman K. Pada larutan padat skandium-timbal-skandium dengan efek elektrokalori tinggi.Feroelektrik 127, 143–148 (1992).
Kami mengucapkan terima 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) atas dukungannya terhadap karya ini melalui CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay, dan BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departemen Penelitian dan Teknologi Material, Institut Teknologi Luksemburg (LIST), Belvoir, Luksemburg