Menyediakan sumber listrik berkelanjutan merupakan salah satu tantangan terpenting abad ini. Bidang penelitian dalam material pemanen energi berakar 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 termal makroskopis dalam bentuk kapasitor multilayer yang terbuat dari 42 gram timbal skandium tantalat, 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 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. Pemanen energi piroelektrik makroskopis, terukur, dan efisien ini sedang menata ulang pembangkitan energi termoelektrik.
Dibandingkan dengan gradien suhu spasial yang dibutuhkan untuk material termoelektrik, pemanenan energi dari material termoelektrik memerlukan siklus suhu dari waktu ke waktu. Ini berarti siklus termodinamika, yang paling baik dijelaskan oleh diagram entropi (S)-suhu (T). Gambar 1a menunjukkan plot ST tipikal dari material piroelektrik non-linier (NLP) yang menunjukkan transisi fase feroelektrik-paraelektrik yang digerakkan medan pada 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 karenanya 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 aplikasi elektrotermal9, 10, 11, 12 di mana kapasitor multilayer PST (MLC) dan terpolimer berbasis PVDF baru-baru ini menunjukkan kinerja pendinginan balik yang sangat baik dalam 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 yang menunjukkan transisi fasa. Dua siklus pengumpulan energi ditunjukkan dalam dua zona suhu yang berbeda. Siklus biru dan hijau terjadi di dalam dan di luar transisi fasa, masing-masing, 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, masing-masing, dan siklus Olsen yang sesuai. Huruf ABCD mengacu pada keadaan yang berbeda dalam siklus Olson. AB: MLC diisi hingga 155 kV cm-1 pada suhu 20 °C. BC: MLC dipertahankan pada 155 kV cm-1 dan suhunya dinaikkan hingga 90 °C. CD: MLC dilepaskan pada suhu 90 °C. DA: MLC didinginkan hingga 20 °C dalam medan nol. Area biru sesuai dengan daya masukan yang dibutuhkan 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. Dua sisipan mewakili penguatan tegangan dan arus pada titik-titik kunci dalam siklus. Pada 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 pada panel atas. Energi negatif sesuai dengan energi yang dikumpulkan. Langkah-langkah yang sesuai dengan huruf kapital dalam empat gambar sama seperti pada siklus Olson. Siklus AB'CD sesuai dengan 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 bermanfaat dijelaskan oleh Olsen dalam karya perintisnya tentang pengumpulan energi piroelektrik pada tahun 1980-an17.
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. Sebenarnya, siklus Olson terdiri dari dua cabang isofield (di sini, medan nol pada cabang DA dan 155 kV cm⁻¹ pada cabang BC) dan dua cabang isotermal (di sini, 20°C pada cabang AB dan 20°C pada cabang CD). Energi yang dikumpulkan selama siklus sesuai dengan daerah 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 kerapatan 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, kepadatan energi yang diekstrak 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 pemanen sederhana dapat 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 pada sisipan masing-masing menunjukkan arus (merah) dan tegangan (hitam) yang dikumpulkan pada PST MLC setebal 1 mm yang sama seperti pada loop DE yang menjalani siklus Olson yang sama. Arus dan tegangan memungkinkan untuk menghitung energi yang dikumpulkan, dan kurva ditunjukkan pada gambar 1c, bagian 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 non-linier D PST (Gambar 1c, sisipan atas). Pada akhir pengisian, 30 mJ energi listrik disimpan dalam MLC (titik B). MLC kemudian memanas dan arus negatif (dan karenanya arus negatif) dihasilkan sementara tegangan tetap pada 600 V. Setelah 40 s, ketika suhu mencapai plateau 90 °C, arus ini dikompensasi, meskipun sampel langkah menghasilkan daya listrik sebesar 35 mJ dalam rangkaian selama isofield ini (sisipan kedua pada Gambar 1c, atas). Tegangan pada MLC (cabang CD) kemudian dikurangi, menghasilkan kerja listrik tambahan sebesar 60 mJ. Total energi keluaran adalah 95 mJ. Energi yang dikumpulkan adalah selisih antara energi masukan dan keluaran, yang menghasilkan 95 – 30 = 65 mJ. Ini sesuai dengan kepadatan energi 1,84 J cm⁻³, yang sangat dekat dengan Nd yang diekstrak dari cincin DE. Reproduksibilitas 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 Olsen langsung dan diperoleh pada film 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 telah tercapai berkat 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 et al.19—berbeda dengan material yang digunakan dalam penelitian sebelumnya17,20. Performa ini telah tercapai berkat 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 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) – poin penting yang disebutkan oleh Smith dkk. 19 – berbeda dengan material 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 penting yang disebutkan oleh Smith dkk. 19 – untuk perbandingan, kinerja ini dicapai.terhadap 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 peningkatan tegangan hingga 39 (dari tegangan awal 15 V hingga tegangan akhir hingga 590 V, lihat Gambar Tambahan 7.2).
Ciri khas lain dari MLC ini adalah bahwa mereka adalah objek makroskopis yang cukup besar untuk mengumpulkan energi dalam kisaran joule. Oleh karena itu, kami membangun prototipe pemanen (HARV1) menggunakan 28 MLC PST setebal 1 mm, mengikuti desain pelat paralel yang sama seperti 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 di mana suhu fluida dijaga konstan (metode). Mengumpulkan 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 sesuai dengan kepadatan energi 3,14 J cm-3. Dengan menggunakan kombinasi 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). Ini sesuai dengan nilai 65 mJ yang disebutkan sebelumnya untuk PST MLC setebal 1 mm dalam kondisi yang sama (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Susunan eksperimental prototipe HARV1 yang dirakit berdasarkan 28 MLC PST setebal 1 mm (4 baris × 7 kolom) yang beroperasi pada siklus Olson. Untuk setiap empat langkah siklus, suhu dan tegangan diberikan pada prototipe. Komputer menggerakkan pompa peristaltik yang mengalirkan cairan dielektrik antara reservoir dingin dan panas, dua katup, dan sumber daya. 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 terhadap rentang suhu (sumbu X) dan tegangan (sumbu Y) dalam berbagai percobaan.
Versi yang lebih besar dari alat pemanen energi (HARV2) dengan 60 PST MLC setebal 1 mm dan 160 PST MLC setebal 0,5 mm (41,7 g material piroelektrik aktif) menghasilkan 11,2 J (Catatan Tambahan 8). Pada tahun 1984, Olsen membuat alat 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 mesin pemanen ini, ini adalah satu-satunya nilai lain yang tersedia dalam kisaran joule. Nilai yang diperoleh hanya sedikit lebih dari setengah nilai yang kami capai dan kualitasnya hampir tujuh kali lipat. Ini berarti bahwa kepadatan energi HARV2 13 kali lebih tinggi.
Periode siklus HARV1 adalah 57 detik. Ini menghasilkan daya 54 mW dengan 4 baris dan 7 kolom set MLC setebal 1 mm. Untuk melangkah lebih jauh, kami membangun kombinasi 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 dikumpulkan (47 mJ) memberikan daya listrik 1,95 mW per MLC, yang pada gilirannya memungkinkan kita untuk membayangkan bahwa HARV2 menghasilkan 0,55 W (kira-kira 1,95 mW × 280 MLC PST 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 mengembalikan matriks menjadi 7 baris × 4 kolom (selain itu, terdapat 960 mW ketika tangki berada di sebelah mesin pemanen, 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 daya rendah, dua termokopel, dan konverter boost (Catatan Tambahan 11). Rangkaian ini membutuhkan kapasitor penyimpanan untuk diisi daya awal pada 9V dan kemudian berjalan secara otonom sementara suhu kedua MLC berkisar dari -5°C hingga 85°C, di sini dalam siklus 160 detik (beberapa siklus ditunjukkan dalam Catatan Tambahan 11). Hebatnya, dua MLC yang hanya berbobot 0,3g dapat mengontrol sistem besar ini secara otonom. Fitur menarik lainnya adalah konverter tegangan rendah mampu mengkonversi 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 termal menjadi energi listrik. Faktor kualitas η efisiensi didefinisikan sebagai rasio kepadatan energi listrik yang dikumpulkan Nd terhadap kepadatan panas yang disuplai Qin (Catatan tambahan 12):
Gambar 3a dan 3b masing-masing menunjukkan efisiensi η dan efisiensi proporsional ηr dari siklus Olsen, sebagai fungsi rentang suhu dari MLC PST setebal 0,5 mm. Kedua set data diberikan untuk medan listrik 195 kV cm-1. Efisiensi \(\this\) 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). Ini dua kali lipat nilai yang diketahui untuk material NLP yang tercatat dalam film PMN-PT (ηr = 19%) dalam rentang suhu 10 K dan 300 kV cm-1 (Ref. 18). Rentang suhu di bawah 10 K tidak dipertimbangkan karena histeresis termal PST MLC berada antara 5 dan 8 K. Pengakuan terhadap efek positif transisi fasa pada 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 fasa yang dekat 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 dari siklus Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} untuk medan listrik maksimum sebesar 195 kV cm-1 dan suhu awal Ti yang berbeda, }}\,\)(b) untuk MPC PST setebal 0,5 mm, bergantung pada interval suhu ΔTspan.
Pengamatan terakhir ini memiliki dua implikasi penting: (1) setiap siklus yang efektif harus dimulai pada suhu di atas TC agar transisi fase yang diinduksi medan (dari paraelektrik ke feroelektrik) terjadi; (2) material ini lebih efisien pada waktu operasi yang mendekati TC. Meskipun efisiensi skala besar ditunjukkan dalam eksperimen 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 PST MLC ini membenarkan pernyataan 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 konsep tersebut, akan bermanfaat 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 (doping Ti) 22. Oleh karena itu, kami berhipotesis bahwa regenerator piroelektrik generasi berikutnya berdasarkan MLC PST yang didoping atau material lain dengan transisi fase orde pertama yang kuat dapat bersaing dengan pemanen energi terbaik.
Dalam penelitian 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 material EC yang sangat baik dan karenanya berpotensi menjadi material NLP yang sangat baik. Ia menunjukkan transisi fase ferroelektrik-paraelektrik orde pertama yang tajam sekitar 20 °C, menunjukkan bahwa perubahan entropinya mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar 1. MLC serupa telah dijelaskan secara lengkap untuk perangkat EC13,14. Dalam penelitian ini, kami menggunakan MLC berukuran 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 38,6 µm, masing-masing. Dalam kedua kasus, lapisan PST bagian dalam ditempatkan di antara elektroda platinum setebal 2,05 µm. Desain MLC ini mengasumsikan bahwa 55% PST aktif, yang sesuai dengan bagian di antara elektroda (Catatan Tambahan 1). Luas elektroda aktif adalah 48,7 mm2 (Tabel Tambahan 5). MLC PST disiapkan dengan metode reaksi fase padat dan pengecoran. Detail proses persiapannya telah dijelaskan dalam artikel sebelumnya14. Salah satu perbedaan antara PST MLC dan artikel sebelumnya adalah urutan situs B, yang sangat memengaruhi kinerja EC dalam PST. Urutan situs B dari PST MLC adalah 0,75 (Catatan Tambahan 2) yang diperoleh dengan sintering pada 1400°C diikuti dengan annealing selama ratusan jam pada 1000°C. Untuk informasi lebih lanjut tentang PST MLC, lihat Catatan Tambahan 1-3 dan Tabel Tambahan 5.
Konsep utama studi ini didasarkan pada siklus Olson (Gambar 1). Untuk siklus tersebut, kita membutuhkan reservoir panas dan dingin serta catu daya yang mampu memantau dan mengontrol tegangan dan arus pada berbagai modul MLC. Siklus langsung ini menggunakan dua konfigurasi berbeda, yaitu (1) modul Linkam yang 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. Pada 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 diletakkan di atas pelat termal. Penyimpanan dingin terdiri dari bak 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) ditempatkan di setiap ujung combine untuk mengalihkan fluida dengan benar dari satu reservoir ke reservoir lainnya (Gambar 2a). Untuk memastikan keseimbangan termal antara paket PST-MLC dan pendingin, periode siklus diperpanjang hingga termokopel inlet dan outlet (sedekat mungkin dengan paket PST-MLC) menunjukkan suhu yang sama. Skrip Python mengelola dan menyinkronkan semua instrumen (meter sumber, pompa, katup, dan termokopel) untuk menjalankan siklus Olson yang benar, yaitu loop pendingin mulai bersirkulasi melalui tumpukan PST setelah meter sumber diisi sehingga memanas pada tegangan terapan yang diinginkan untuk siklus Olson tertentu.
Sebagai alternatif, kami telah mengkonfirmasi pengukuran langsung energi yang dikumpulkan ini dengan metode tidak langsung. Metode tidak langsung ini didasarkan pada kurva perpindahan listrik (D) – medan listrik (E) yang dikumpulkan pada suhu yang berbeda, dan dengan menghitung luas antara dua kurva DE, seseorang dapat secara akurat memperkirakan berapa banyak energi yang dapat dikumpulkan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1b. Kurva 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 antara baris PST-MLC adalah 0,75 mm. Ini dicapai dengan menambahkan strip pita perekat dua sisi sebagai spacer cairan di sekitar 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 ke 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, aplikasikan perekat yang sama seperti sebelumnya 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 MLC PST yang digunakan adalah 220 (160 setebal 0,5 mm dan 60 MLC PST 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 dengan kawat setebal 0,25 mm di antaranya. 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 dingin masing-masing (Catatan Tambahan 8). Dua unit HARV2 berbagi reservoir panas, wadah 3 liter (30 cm x 20 cm x 5 cm) di atas dua pelat panas dengan magnet berputar. Kedelapan prototipe individual tersebut terhubung secara paralel secara elektrik. Subunit HARV2_160 dan HARV2_60 bekerja secara simultan dalam siklus Olson yang menghasilkan panen energi sebesar 11,2 J.
Masukkan PST MLC setebal 0,5 mm ke dalam selang poliolefin menggunakan pita perekat dua sisi dan kawat di kedua sisinya untuk menciptakan ruang agar cairan dapat mengalir. Karena ukurannya yang kecil, prototipe tersebut ditempatkan di sebelah katup reservoir panas atau dingin, sehingga meminimalkan waktu siklus.
Dalam PST MLC, medan listrik konstan diterapkan dengan memberikan tegangan konstan pada 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 lagi dari energi yang dikumpulkan. Akhirnya, dengan tegangan V = 0 yang diterapkan, MLC PST 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 cukup banyak titik yang dikumpulkan selama fase pengisian daya untuk perhitungan energi yang andal.
Dalam siklus Stirling, PST MLC diisi daya dalam mode sumber tegangan pada nilai medan listrik awal (tegangan awal Vi > 0), arus kepatuhan yang diinginkan sehingga langkah pengisian daya berlangsung sekitar 1 detik (dan cukup banyak titik yang terkumpul untuk perhitungan energi yang andal) dan suhu dingin. Dalam siklus Stirling, PST MLC diisi daya dalam mode sumber tegangan pada nilai medan listrik awal (tegangan awal Vi > 0), arus kepatuhan yang diinginkan sehingga langkah pengisian daya berlangsung sekitar 1 detik (dan cukup banyak titik yang terkumpul 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, pengisian dilakukan dalam mode sumber tegangan pada nilai awal medan listrik (tegangan awal Vi > 0), arus keluaran yang diinginkan, sehingga tahap pengisian membutuhkan waktu sekitar 1 detik (dan sejumlah 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 utama, 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 titik untuk menghitung (energi) dan suhu rendah secara 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 dibutuhkan sedemikian rupa sehingga tahap pengisian membutuhkan waktu sekitar 1 detik (dan sejumlah titik yang cukup dikumpulkan untuk menghitung energi secara andal) dan suhu rendah.Sebelum PST MLC memanas, buka rangkaian dengan menerapkan 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 saat sampel memanas. Tidak ada energi yang dikumpulkan di lengan BC 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 dikosongkan (V = 0), dan energi listrik disimpan di dalamnya selama sama dengan muatan awal. Arus yang sama dikembalikan ke sumber meter. Karena penguatan tegangan, energi yang tersimpan pada suhu tinggi lebih tinggi daripada yang diberikan pada 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 perkalian tegangan dan arus yang dibaca oleh source meter Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), di mana τ adalah periode. Pada kurva energi kami, nilai energi positif berarti energi yang harus kami berikan ke MLC PST, dan nilai negatif berarti energi yang kami ambil darinya dan karenanya energi yang diterima. Daya relatif untuk siklus pengumpulan tertentu 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 ditujukan kepada sumber data AT atau ED yang disediakan bersama 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 tentang pengembangan dan aplikasi 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.resume. support. Energy 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 gabungan untuk penginderaan suhu dan tekanan simultan yang mandiri. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efek piro-piezoelektrik gabungan untuk penginderaan suhu dan tekanan simultan yang 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 daya mandiri sekaligus suhu dan tekanan.Song K., Zhao R., Wang ZL dan Yan Yu. Efek termopiezoelektrik gabungan untuk pengukuran suhu dan tekanan simultan secara otonom.Kata Pengantar. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Pemanfaatan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik relaksor. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Pemanfaatan energi berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson dalam keramik feroelektrik relaksor.Sebald G., Prouvost S. dan Guyomar D. Pemanfaatan energi berdasarkan siklus Ericsson piroelektrik dalam keramik feroelektrik relaksor.Sebald G., Prouvost S. dan Guyomar D. Pemanfaatan energi dalam keramik feroelektrik relaksor berdasarkan siklus piroelektrik Ericsson. Struktur alma mater cerdas. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Material elektrokalorik dan piroelektrik generasi berikutnya untuk interkonversi energi elektrotermal padat. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Material elektrokalorik dan piroelektrik generasi berikutnya untuk interkonversi energi elektrotermal 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. Material 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. Material 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 kualitas untuk mengukur kinerja nanogenerator piroelektrik. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standar dan angka kualitas 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 kalorik di dekat transisi fase feroik. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Bahan kalorik di dekat transisi fase feroik.Moya, X., Kar-Narayan, S. dan Mathur, ND. Material kalorik di dekat transisi fase feroid. 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 di dekat metalurgi besi.Moya, X., Kar-Narayan, S. dan Mathur, ND. Material termal di dekat transisi fase besi.Nat. almamater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Bahan kalorik untuk pendinginan dan pemanasan. Moya, X. & Mathur, ND Bahan kalorik untuk pendinginan dan pemanasan.Moya, X. dan Mathur, ND. Material 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. Material termal untuk pendinginan dan pemanasan.Moya X. dan Mathur ND. Material 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 elektrokalorik: sebuah 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: sebuah tinjauan.Advanced. electronic. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. dkk. Efisiensi energi yang sangat besar dari material elektrokalorik dalam susunan 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. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. dkk. Rentang suhu yang sangat besar pada regenerator elektrotermal. Sains 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. dkk. Sistem pendinginan elektrotermal solid state berkinerja tinggi. Sains 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. dkk. Perangkat pendingin elektrotermal kaskade untuk kenaikan suhu besar. Energi Nasional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Pengukuran piroelektrik terkait konversi langsung panas ke energi listrik dengan efisiensi tinggi. Olsen, RB & Brown, DD Pengukuran piroelektrik terkait konversi langsung panas menjadi 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.Ferroelektrik 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. dkk. Kepadatan energi dan daya dalam film ferroelektrik 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 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: optimasi 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 Pyroelektrik Kaskade. 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. Tentang larutan padat timbal-skandium tantalat dengan efek elektrokalorik tinggi. Shebanov, L. & Borman, K. Tentang larutan padat timbal-skandium tantalat dengan efek elektrokalorik tinggi.Shebanov L. dan Borman K. Tentang larutan padat timbal-skandium tantalat dengan efek elektrokalorik 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 larutan padat skandium-timbal-skandium dengan efek elektrokalorik tinggi.Ferroelektrik 127, 143–148 (1992).
Kami berterima kasih kepada N. Furusawa, Y. Inoue, dan K. Honda atas bantuan mereka dalam pembuatan MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB dan ED Terima kasih kepada Yayasan Riset Nasional Luksemburg (FNR) atas dukungan mereka terhadap pekerjaan 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 Riset dan Teknologi Material, Institut Teknologi Luksemburg (LIST), Belvoir, Luksemburg