Das Angebot nachhaltiger Stromquellen ist eine der wichtigsten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Forschungsbereiche in Energieernutzungsmaterialien stammen aus dieser Motivation, einschließlich Thermoelektrikum1, Photovoltaic2 und Thermophotovoltaics3. Obwohl wir Materialien und Geräte fehlen, die im Joule -Bereich Energie ernten können, werden pyroelektrische Materialien, die elektrische Energie in periodische Temperaturänderungen umwandeln können, als Sensoren 4 und Energieernte5,6,7 umwandeln. Hier haben wir einen makroskopischen thermischen Energie Harvester in Form eines mehrschichtigen Kondensators aus 42 Gramm Blei -Skandium -Tantalat entwickelt, der 11,2 J elektrischer Energie pro thermodynamischer Zyklus erzeugt. Jedes pyroelektrische Modul kann eine elektrische Energiedichte bis zu 4,43 J CM-3 pro Zyklus erzeugen. Wir zeigen auch, dass zwei solcher Module mit einem Gewicht von 0,3 g ausreichen, um autonome Energieernte mit eingebetteten Mikrocontrollern und Temperatursensoren kontinuierlich zu betreiben. Schließlich zeigen wir, dass diese Mehrschichtkondensatoren für einen Temperaturbereich von 10 K 40% Carnot -Effizienz erreichen können. Diese Eigenschaften sind auf (1) ferroelektrische Phasenwechsel für hohe Effizienz, (2) niedriger Leckstrom zur Verhinderung von Verlusten und (3) hohe Abfallspannung zurückzuführen. Diese makroskopischen, skalierbaren und effizienten pyroelektrischen Krafternten stellt die Erzeugung der thermoelektrischen Stromversorgung neu vor.
Im Vergleich zu dem für thermoelektrischen Materialien erforderlichen räumlichen Temperaturgradienten erfordert die Energieernte von thermoelektrischen Materialien über die Zeit ein Temperaturzyklus. Dies bedeutet einen thermodynamischen Zyklus, der am besten durch das Entropie-Temperatur-Diagramm (Temperature) beschrieben wird. Abbildung 1a zeigt ein typisches ST-Diagramm eines nichtlinearen Pyroelektrikummaterials (NLP), das einen feldgetriebenen ferroelektrisch-paraelektrischen Phasenübergang in Scandium-Blei-Tantalat (PST) zeigt. Die blauen und grünen Abschnitte des Zyklus im ST -Diagramm entsprechen der umgewandelten elektrischen Energie im Olson -Zyklus (zwei isotherme und zwei Isopolabschnitte). Hier betrachten wir zwei Zyklen mit derselben elektrischen Feldänderung (Feld ein- und aus) und der Temperaturänderung ΔT, wenn auch mit unterschiedlichen Anfangstemperaturen. Der grüne Zyklus befindet sich nicht in der Phasenübergangsregion und hat somit einen viel kleineren Bereich als der blaue Zyklus in der Phasenübergangsregion. Im ST -Diagramm, je größer die Fläche, desto größer die gesammelte Energie. Daher muss der Phasenübergang mehr Energie sammeln. Die Notwendigkeit eines großen Flächenkreislaufs in NLP ist dem Bedarf an elektrothermischen Anwendungen 9, 10, 11, 12 sehr ähnlich, wobei PST-Multilayer-Kondensatoren (MLCs) und PVDF-basierte Terpolymere in letzter Zeit eine hervorragende Reverse-Leistung gezeigt haben. Kühlleistungsstatus in Zyklus 13,14,15,16. Daher haben wir PST -MLCs identifiziert, die für die thermische Energieernte von Interesse sind. Diese Proben wurden in den Methoden vollständig beschrieben und in ergänzenden Hinweisen 1 (Rasterelektronenmikroskopie), 2 (Röntgenbeugung) und 3 (Kalorimetrie) charakterisiert.
A, Skizze eines Entropie-Temperatur-Diagramms (T) mit elektrischem Feld ein- und ausgeschaltet auf NLP-Materialien, die Phasenübergänge zeigen. In zwei verschiedenen Temperaturzonen sind zwei Energieerhebungszyklen gezeigt. Die blauen und grünen Zyklen treten innerhalb und außerhalb des Phasenübergangs auf und enden in sehr unterschiedlichen Regionen der Oberfläche. B, zwei de pst mlc unipolare Ringe, 1 mm dick, gemessen zwischen 0 und 155 kV cm-1 bei 20 ° C bzw. 90 ° C und den entsprechenden Olsenzyklen. Die Buchstaben ABCD beziehen sich auf verschiedene Zustände im Olson -Zyklus. AB: MLCs wurden bei 20 ° C auf 155 kV CM-1 berechnet. BC: MLC wurde bei 155 kV cm-1 gehalten und die Temperatur auf 90 ° C erhöht. CD: MLC entlädt sich bei 90 ° C. DA: MLC im Feld Null auf 20 ° C gekühlt. Der blaue Bereich entspricht der Eingangsleistung, die zum Starten des Zyklus erforderlich ist. Der orangefarbene Bereich ist die Energie, die in einem Zyklus gesammelt wird. C, oberes Feld, Spannung (schwarz) und Strom (rot) gegenüber der Zeit, verfolgt während desselben Olson -Zyklus wie b. Die beiden Einsätze repräsentieren die Verstärkung von Spannung und Strom an den Schlüsselpunkten im Zyklus. In der unteren Platte repräsentieren die gelben und grünen Kurven die entsprechenden Temperatur- und Energiekurven für eine 1 mM dicke MLC. Energie wird aus den Strom- und Spannungskurven am oberen Feld berechnet. Negative Energie entspricht der gesammelten Energie. Die Schritte, die den Großbuchstaben in den vier Zahlen entsprechen, sind die gleichen wie im Olson -Zyklus. Der Zyklus AB'CD entspricht dem Stirling -Zyklus (zusätzliches Anmerkung 7).
wobei E und D das elektrische Feld bzw. das elektrische Verschiebungsfeld sind. ND kann indirekt aus dem DE -Schaltkreis (Abb. 1b) oder direkt durch Starten eines thermodynamischen Zyklus erhalten werden. Die nützlichsten Methoden wurden von Olsen in seiner Pionierarbeit zum Sammeln von pyroelektrischer Energie in den 1980er Jahren17 beschrieben.
Auf Abb. 1b zeigt zwei monopolare DE-Schleifen von 1 mM dicken PST-MLC-Proben, die bei 20 ° C bzw. 90 ° C über einen Bereich von 0 bis 155 kV cm-1 (600 V) zusammengestellt wurden. Diese beiden Zyklen können verwendet werden, um die durch den in Abbildung 1A gezeigte Energie erfasste Energie indirekt zu berechnen. Tatsächlich besteht der Olsen-Zyklus aus zwei Isofield-Zweigen (hier Nullfeld im DA-Zweig und 155 kV cm-1 im BC-Zweig) und zwei isothermen Zweigen (hier 20 ° с und 20 ° ° im AB-Zweig). C im CD -Zweig) Die während des Zyklus gesammelte Energie entspricht den orange und blauen Regionen (EDD -Integral). Die gesammelte Energie ND ist die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsenergie, dh nur der orangefarbene Bereich in Abb. 1b. Dieser spezielle Olson-Zyklus ergibt eine ND-Energiedichte von 1,78 J CM-3. Der Stirling -Zyklus ist eine Alternative zum Olson -Zyklus (ergänzendes Anmerkung 7). Da die konstante Ladungsstufe (offener Stromkreis) leichter erreicht ist, erreicht die aus Abb. 1B (Zyklus AB'CD) extrahierte Energiedichte 1,25 J cm-3. Dies sind nur 70% dessen, was der Olson -Zyklus sammeln kann, aber einfache Ernteausrüstung tut dies.
Zusätzlich haben wir die während des Olson -Zyklus gesammelte Energie direkt gemessen, indem wir das PST -MLC mithilfe einer Linkam -Temperaturregelsphase und eines Quellmessgeräts (Methode) annoten. Abbildung 1c oben und in den jeweiligen Einsen zeigt den Strom (rot) und die Spannung (schwarz), die auf demselben 1 mm dicken PST -MLC gesammelt wurden wie für die DE -Loop, die denselben Olson -Zyklus durchläuft. Der Strom und die Spannung ermöglichen es, die gesammelte Energie zu berechnen, und die Kurven sind in Abb. 1 dargestellt. 1c, unten (grün) und Temperatur (gelb) während des gesamten Zyklus. Die Buchstaben ABCD stellen den gleichen Olson -Zyklus in Abb. 1. MLC dar, der während des AB -Beins auftritt und bei einem niedrigen Strom (200 µA) durchgeführt wird, sodass der Querzemeter das Laden ordnungsgemäß steuern kann. Die Folge dieses konstanten Anfangsstroms ist, dass die Spannungskurve (schwarze Kurve) aufgrund des nichtlinearen potentiellen Verschiebungsfeldes d pst nicht linear ist (Abb. 1c, oberer Einschub). Am Ende des Ladens wird 30 mJ elektrischer Energie im MLC (Punkt B) gespeichert. Das MLC erwärmt sich dann und ein negativer Strom (und daher ein negativer Strom) wird erzeugt, während die Spannung bei 600 V bleibt. Nach 40 s, als die Temperatur ein Plateau von 90 ° C erreichte, wurde dieser Strom kompensiert, obwohl die in der Schaltung erzeugte Stufenprobe während dieses Isofields (zweiter Einschub in Abb. 1C). Die Spannung des MLC (Zweig -CD) wird dann reduziert, was zu zusätzlichen 60 MJ elektrischen Arbeiten führt. Die Gesamtleistungsenergie beträgt 95 MJ. Die gesammelte Energie ist die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsenergie, die 95 - 30 = 65 MJ ergibt. Dies entspricht einer Energiedichte von 1,84 J CM-3, die dem aus dem DE Ring extrahierten ND sehr nahe liegt. Die Reproduzierbarkeit dieses Olson -Zyklus wurde ausführlich getestet (ergänzendes Anmerkung 4). Durch weitere Erhöhung der Spannung und Temperatur erreichten wir 4,43 J CM-3 unter Verwendung von Olsen-Zyklen in einem 0,5 mm dicken PST-MLC über einen Temperaturbereich von 750 V (195 kV cm-1) und 175 ° C (Ergänzungsnote 5). Dies ist viermal größer als die beste Leistung in der Literatur für direkte Olson-Zyklen und wurde auf Dünnfilmen von Pb (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (cm .Supplementary Tabelle 1 für mehr Werte in der Literatur) erhalten. Diese Leistung wurde aufgrund des sehr niedrigen Leckstroms dieser MLCs (<10–7 A bei 750 V und 180 ° C (<10–7 a) erzielt, siehe Details in ergänzender Anmerkung 6) - ein entscheidender Punkt von Smith et al.19 - im Gegensatz zu den in früheren Studien verwendeten Materialien17,20. Diese Leistung wurde aufgrund des sehr niedrigen Leckstroms dieser MLCs (<10–7 A bei 750 V und 180 ° C (<10–7 a) erzielt, siehe Details in ergänzender Anmerkung 6) - ein entscheidender Punkt von Smith et al.19 - im Gegensatz zu den in früheren Studien verwendeten Materialien17,20. " в дорлнительном пwor мчании 6) - критический монт, упоkunft м ый митоа д др. 19 - о отличие о к м материалам, исозззованыы в бллее ранних ис & не &; б17,20. Diese Eigenschaften wurden aufgrund des sehr niedrigen Leckstroms dieser MLCs (<10–7 a bei 750 V und 180 ° C, siehe ergänzende Anmerkung 6 für Details) - ein kritischer Punkt von Smith et al. 19 - Im Gegensatz zu Materialien in früheren Studien17,20.由于这些 mlc 的泄漏电流非常低（在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 6 中的详细信息） 中的详细信息） —— Smith 等人 19 提到的关键点 提到的关键点 相比之下 相比之下 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。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 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном примечании 6) — ключевой моoowor, поkunft м с м м и д др. 19 - дUN с савнения, ыыли достигы & э э характеристики. Da der Leckstrom dieser MLCs sehr niedrig ist (<10–7 a bei 750 V und 180 ° C, siehe ergänzende Anmerkung 6 für Details) - ein Schlüsselpunkt von Smith et al. 19 - Zum Vergleich wurden diese Leistungen erreicht.zu Materialien in früheren Studien 17,20.
Die gleichen Bedingungen (600 V, 20–90 ° C) werden auf den Stirling -Zyklus angewendet (ergänzendes Anmerkung 7). Wie aus den Ergebnissen des DE -Zyklus erwartet, betrug die Ausbeute 41,0 MJ. Eines der auffälligsten Merkmale von Stirling -Zyklen ist die Fähigkeit, die Anfangsspannung durch den thermoelektrischen Effekt zu verstärken. Wir beobachteten eine Spannungsverstärkung von bis zu 39 (von einer anfänglichen Spannung von 15 V bis zu einer Endspannung von bis zu 590 V, siehe ergänzende Abb. 7.2).
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal dieser MLCs ist, dass sie makroskopische Objekte sind, die groß genug sind, um Energie im Joule -Bereich zu sammeln. Daher konstruierten wir einen Prototyp-Harvester (Harv1) unter Verwendung von 28 mlc PST 1 mM dick, nach dem gleichen parallelen Plattendesign, der von Torello et al.14 beschrieben wurde, in einer 7 × 4-Matrix, wie in Abb. Gezeigt. Die Hitzescheibe-Dielektrikumflüssigkeit in der Flüssigkeitsflüssigkeit werden von einer Peristaltalpumpe zwischen zwei Vorbehaltern verlegt. Sammeln Sie bis zu 3,1 J mit dem in Abb. 1 beschriebenen Olson -Zyklus. 2a, isotherme Regionen bei 10 ° C und 125 ° C und Isofield-Regionen bei 0 und 750 V (195 kV CM-1). Dies entspricht einer Energiedichte von 3,14 J CM-3. Unter Verwendung dieses Mähdreschers wurden Messungen unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt (Abb. 2B). Beachten Sie, dass 1,8 J über einen Temperaturbereich von 80 ° C und eine Spannung von 600 V (155 kV cm-1) erhalten wurden. Dies stimmt gut mit dem zuvor erwähnten 65 mJ für 1 mm dicke PST -MLC unter den gleichen Bedingungen zu (28 × 65 = 1820 mJ).
A, Versuchsaufbau eines zusammengesetzten Harv1 -Prototyps basierend auf 28 mLC PSTS 1 mM Dicke (4 Zeilen × 7 Säulen), die auf Olson -Zyklen laufen. Für jede der vier Zyklusschritte sind Temperatur und Spannung im Prototyp vorgesehen. Der Computer treibt eine peristaltische Pumpe an, die eine dielektrische Flüssigkeit zwischen den kalten und heißen Reservoiren, zwei Ventilen und einer Stromquelle zirkuliert. Der Computer verwendet auch Thermoelemente, um Daten über die Spannung und den Strom zu sammeln, die dem Prototyp und der Temperatur des Mähdreschers aus der Stromversorgung geliefert werden. B, Energie (Farbe), die durch unseren 4 × 7 mlc Prototyp gegen Temperaturbereich (x-Achse) und Spannung (y-Achse) in verschiedenen Experimenten gesammelt wurde.
Eine größere Version des Harvester (Harv2) mit 60 pst mlc 1 mm dick und 160 pst mlc 0,5 mm dick (41,7 g aktives Pyroelektrikum) ergab 11,2 J (Ergänzungsnotiz 8). 1984 machte Olsen einen Energiernachtraum auf der Basis von 317 g einer Zinn-dotierten Pb (Zr, Ti) O3-Verbindung, die 6,23 J Strom bei einer Temperatur von etwa 150 ° C erzeugen kann (Lit. 21). Für diesen Mähdrescher ist dies der einzige andere Wert, der im Joule -Bereich erhältlich ist. Es wurde etwas mehr als die Hälfte des Wertes, den wir erreichten, und fast siebenmal so hoch wie die Qualität. Dies bedeutet, dass die Energiedichte von Harv2 13 -mal höher ist.
Die Harv1 -Zykluszeit beträgt 57 Sekunden. Dies erzeugte 54 MW Leistung mit 4 Zeilen von 7 Säulen mit 1 mm dicker MLC -Sets. Um es noch einen Schritt weiter zu gehen, haben wir einen dritten Mähdrescher (Harv3) mit einem 0,5 -mm -dicken PST -MLC und einem ähnlichen Aufbau von Harv1 und Harv2 (ergänzendes Anmerkung 9) gebaut. Wir haben eine Thermalisierungszeit von 12,5 Sekunden gemessen. Dies entspricht einer Zykluszeit von 25 s (ergänzende Abb. 9). Die gesammelte Energie (47 mJ) ergibt eine elektrische Leistung von 1,95 MW pro mlc, was uns wiederum vorstellen kann, dass Harv2 0,55 W (ca. 1,95 mW × 280 PST MLC 0,5 mm dick) erzeugt. Zusätzlich simulierten wir die Wärmeübertragung unter Verwendung der Finite -Elemente -Simulation (COMSOL, ergänzender Anmerkung 10 und ergänzender Tabellen 2–4), die den Harv1 -Experimenten entsprechen. Die Modellierung der Finite -Elemente ermöglichte es, die Leistungswerte fast eine Größenordnung (430 mW) für die gleiche Anzahl von PST -Säulen durch das Ausdünnen des MLC auf 0,2 mm unter Verwendung von Wasser als Kühlmittel und Wiederherstellung der Matrix auf 7 Zeilen vorherzusagen. × 4 Säulen (zusätzlich zu 960 MW, als sich der Tank neben dem Mähdrescher befand, ergänzt Abb. 10b).
Um die Nützlichkeit dieses Kollektors zu demonstrieren, wurde ein Stirling-Zyklus auf einen eigenständigen Demonstrator angewendet, der aus nur zwei 0,5 mm dicken PST-MLCs als Wärmesammler, einem Hochspannungsschalter, einem niedrigen Spannungsschalter mit Speicherverfugnisern, einem DC/DC-Konverter, einem Microcontroller, zwei Thmocoucle und dem Boost-Konverter mit niedriger Leistung 11, bestand. Der Schaltkreis verlangt, dass der Speicherkondensator zunächst bei 9 V geladen wird und dann autonom ausgeführt wird, während die Temperatur der beiden MLCs hier in Zyklen von 160 s von -5 ° C bis 85 ° C reicht (mehrere Zyklen sind in ergänzender Anmerkung 11 gezeigt). Bemerkenswerterweise können zwei MLCs mit einem Gewicht von nur 0,3 g dieses große System autonom kontrollieren. Ein weiteres interessantes Merkmal ist, dass der niedrige Spannungswandler mit 79% Effizienz 400 V auf 10-15 V umwandeln kann (ergänzender Anmerkung 11 und ergänzender Abbildung 11.3).
Schließlich bewerteten wir die Effizienz dieser MLC -Module bei der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Der Qualitätsfaktor η der Effizienz ist definiert als das Verhältnis der Dichte der gesammelten elektrischen Energie zu der Dichte des gelieferten Wärme -Qin (ergänzende Anmerkung 12):
Die Abbildungen 3a, B zeigen die Effizienz η und den proportionalen Effizienz ηr des Olsen -Zyklus als Funktion des Temperaturbereichs von 0,5 mm dickem PST -MLC. Beide Datensätze sind für ein elektrisches Feld von 195 kV CM-1 angegeben. Die Effizienz \ (\ this \) erreicht 1,43%, was 18% von ηr entspricht. Bei einem Temperaturbereich von 10 K von 25 ° C bis 35 ° C erreicht ηr jedoch Werte bis zu 40% (blaue Kurve in 3B). Dies ist doppelt so hoch wie in NLP-Materialien, die in PMN-PT-Filmen (ηr = 19%) im Temperaturbereich von 10 K und 300 kV cm-1 (Ref. 18) aufgezeichnet wurden. Die Temperaturbereiche unter 10 K wurden nicht berücksichtigt, da die thermische Hysterese des PST -MLC zwischen 5 und 8 K liegt. Die Erkennung des positiven Effekts von Phasenübergängen auf die Effizienz ist kritisch. Tatsächlich werden die optimalen Werte von η und ηr in der Anfangstemperatur in den Fig. 1 und 2 fast alle erhalten. 3a, b. Dies ist auf einen schließen Phasenübergang zurückzuführen, wenn kein Feld angewendet wird und die Curie -Temperatur -TC in diesen MLCs etwa 20 ° C beträgt (ergänzende Anmerkung 13).
A, B, die Effizienz η und die proportionale Effizienz des Olson-Zyklus (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot}}}}}}}} für das Maximum-Elektrik mit einem Feld von 195 KV CM-1 und unterschiedlichem Innentimal-Ti-Field von 195 kV CM-1 und unterschiedlichem Innentimal-TI-Field. }} \, \) (b) für das MPC PST 0,5 mM dick, abhängig vom Temperaturintervall ΔTspan.
Die letztere Beobachtung hat zwei wichtige Auswirkungen: (1) Jedes wirksames Radfahren muss bei Temperaturen über TC beginnen, um einen Feld-induzierten Phasenübergang (von paraelectic zu ferroelektrisch) auftreten zu können; (2) Diese Materialien sind bei Laufzeiten in der Nähe von TC effizienter. Obwohl in unseren Experimenten groß angelegte Effizienzsteigerungen gezeigt werden, ermöglicht der begrenzte Temperaturbereich uns aufgrund der Carnot-Grenze (\ (\ Delta t/t \)) nicht, um große absolute Effizienz zu erzielen. Die hervorragende Effizienz dieser PST -MLCs rechtfertigt jedoch Olsen, wenn er erwähnt, dass „ein idealer regenerativer thermoelektrischer Motor der Klasse 20 bei Temperaturen zwischen 50 ° C und 250 ° C eine Effizienz von 30%haben kann“ 17. Um diese Werte zu erreichen und das Konzept zu testen, wäre es nützlich, dotierte PSTs mit verschiedenen TCs zu verwenden, wie sie von Shebanov und Borman untersucht wurden. Sie zeigten, dass TC in PST von 3 ° C (SB -Doping) bis 33 ° C (Ti Doping) 22 variieren kann. Daher nehmen wir an, dass pyroelektrische Regeneratoren der nächsten Generation auf dotierten PST -MLCs oder anderen Materialien mit einem starken Phasenübergang erster Ordnung mit den besten Krafternten konkurrieren können.
In dieser Studie untersuchten wir MLCs aus PST. Diese Geräte bestehen aus einer Reihe von PT- und PST -Elektroden, bei denen mehrere Kondensatoren parallel angeschlossen sind. PST wurde ausgewählt, weil es ein ausgezeichnetes EC -Material und daher ein potenziell ausgezeichnetes NLP -Material ist. Es zeigt einen scharfen ferroelektrisch-paraelektrischen Phasenübergang erster Ordnung um 20 ° C, was darauf hinweist, dass seine Entropieänderungen den in Abb. 1 gezeigten ähnlich sind. Ähnliche MLCs wurden für EC13,14-Geräte vollständig beschrieben. In dieser Studie verwendeten wir 10,4 × 7,2 × 1 mm³ und 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ mlc. MLCs mit einer Dicke von 1 mm und 0,5 mm wurden aus 19 bzw. 9 PST -Schichten mit einer Dicke von 38,6 µm hergestellt. In beiden Fällen wurde die innere PST -Schicht zwischen 2,05 µm dicke Platinelektroden platziert. Das Design dieser MLCs geht davon aus, dass 55% der PSTs aktiv sind, was dem Teil zwischen den Elektroden entspricht (ergänzendes Anmerkung 1). Der aktive Elektrodenbereich betrug 48,7 mm2 (Ergänzungstabelle 5). MLC PST wurde durch feste Phasenreaktion und Gussmethode hergestellt. Die Details des Vorbereitungsprozesses wurden in einem früheren Artikel 14 beschrieben. Einer der Unterschiede zwischen PST MLC und dem vorherigen Artikel ist die Reihenfolge der B-Sites, die die Leistung von EC in PST stark beeinflusst. Die Reihenfolge der B-Site von PST MLC beträgt 0,75 (ergänzendes Anmerkung 2), das durch Sintern bei 1400 ° C erhalten wird, gefolgt von hundertstundenlangen Tempern bei 1000 ° C. Weitere Informationen zu PST MLC finden Sie unter Ergänzungsnotizen 1-3 und Ergänzungstabelle 5.
Das Hauptkonzept dieser Studie basiert auf dem Olson -Zyklus (Abb. 1). Für einen solchen Zyklus benötigen wir ein heißes und kaltes Reservoir und eine Stromversorgung, die die Spannung und den Strom in den verschiedenen MLC -Modulen überwachen und steuern kann. Diese direkten Zyklen verwendeten zwei verschiedene Konfigurationen, nämlich (1) Linkam -Module Erwärmung und Kühlung einer MLC, die an eine Keithley 2410 -Stromquelle angeschlossen war, und (2) drei Prototypen (Harv1, Harv2 und Harv3) parallel mit derselben Quellenergie. Im letzteren Fall wurde ein dielektrisches Flüssigkeit (Silikonöl mit einer Viskosität von 5 CP bei 25 ° C, die von Sigma Aldrich gekauft wurde) zum Wärmeaustausch zwischen den beiden Stauseen (heiß und kalt) und dem MLC verwendet. Das thermische Reservoir besteht aus einem mit dielektrischen Flüssigkeit gefüllten Glasbehälter und auf der Wärmeplatte. Die Kältespeicherung besteht aus einem Wasserbad mit flüssigen Röhrchen, die Dielektrikumflüssigkeit in einem großen Plastikbehälter enthalten, das mit Wasser und Eis gefüllt ist. An jedem Ende des Mähdreschers wurden zwei Drei-Wege-Klemmventile (von der Bio-Chem-Fluidik gekauft) an jedem Ende des Mähdreschers platziert, um die Flüssigkeit ordnungsgemäß von einem Reservoir in einen anderen zu wechseln (Abbildung 2a). Um das thermische Gleichgewicht zwischen dem PST-MLC-Paket und dem Kühlmittel zu gewährleisten, wurde die Zyklusperiode verlängert, bis die Thermoelemente des Einlass- und Auslassthermoelements (so nah wie möglich am PST-MLC-Paket) die gleiche Temperatur zeigten. Das Python -Skript verwaltet und synchronisiert alle Instrumente (Quellzähler, Pumpen, Ventile und Thermoelemente), um den richtigen Olson -Zyklus zu betreiben. Der Kühlmittelschleife beginnt mit dem Radfahren durch den PST -Stapel, nachdem der Quellmessgerät aufgeladen wurde, damit sie sich an der gewünschten Anwendungsspannung für einen bestimmten Olson -Zyklus erhitzen.
Alternativ haben wir diese direkten Messungen der gesammelten Energie mit indirekten Methoden bestätigt. Diese indirekten Methoden basieren auf der elektrischen Verschiebung (d) - elektrischem Feld (E) Feldschleifen, die bei verschiedenen Temperaturen gesammelt wurden, und durch Berechnung der Fläche zwischen zwei DE -Schleifen kann man genau schätzen, wie viel Energie erfasst werden kann, wie in der Abbildung gezeigt. in Abbildung 2. .1b. Diese De -Loops werden auch mit Keithley -Quellmessgeräten gesammelt.
28 1 mm dicke PST-MLCs wurden in einer 4-färbischen Parallelplattenstruktur gemäß dem in der Referenz beschriebenen Design zusammengesetzt. 14. Der Flüssigkeitsspalt zwischen PST-MLC-Zeilen beträgt 0,75 mm. Dies wird erreicht, indem doppelseitige Klebebandstreifen als Flüssigkeitsabstandshalter an den Rändern des PST-MLC hinzugefügt werden. Das PST -MLC ist parallel mit einer Silber -Epoxy -Brücke mit den Elektrodenleitungen elektrisch angeschlossen. Danach wurden die Drähte mit Silber -Epoxidharz auf jede Seite der Elektrodenklemmen zur Verbindung zur Stromversorgung geklebt. Setzen Sie schließlich die gesamte Struktur in den Polyolefin -Schlauch ein. Letzteres wird an das Flüssigkeitsrohr geklebt, um eine ordnungsgemäße Versiegelung zu gewährleisten. Schließlich wurden 0,25 mm dicke K-Typ-Thermoelemente in jedes Ende der PST-MLC-Struktur eingebaut, um die Flüssigkeitstemperaturen der Einlass- und Auslass-Flüssigkeit zu überwachen. Dazu muss der Schlauch zuerst perforiert werden. Wenden Sie nach der Installation des Thermoelements den gleichen Klebstoff wie zuvor zwischen dem Thermoelement -Schlauch und dem Kabel an, um die Dichtung wiederherzustellen.
Es wurden acht separate Prototypen gebaut, von denen vier 40 0,5 mm dicke MLC -PSTs hatten, die als Parallelplatten mit 5 Säulen und 8 Zeilen verteilt waren, und die verbleibenden vier hatten jeweils 15 1 mm dicke MLC -PSTs. in 3-Spalte × 5-Reihen-Parallelplattenstruktur. Die Gesamtzahl der verwendeten PST -MLCs betrug 220 (160 0,5 mm dick und 60 PST -MLC 1 mm dick). Wir nennen diese beiden Untereinheiten Harv2_160 und Harv2_60. Der flüssige Lücken im Prototyp Harv2_160 besteht aus zwei doppelseitigen Bändern, die 0,25 mm dick mit einem Draht von 0,25 mm dick sind. Für den Prototyp von Harv2_60 wiederholten wir das gleiche Verfahren, aber mit einem dicken Draht von 0,38 mm. Für die Symmetrie haben Harv2_160 und Harv2_60 eigene Flüssigkeitsschaltungen, Pumpen, Ventile und Kaltseite (ergänzendes Anmerkung 8). Zwei Harv2 -Einheiten teilen sich ein Wärmebehälter, einen 3 -Liter -Behälter (30 cm x 20 cm x 5 cm) auf zwei heißen Platten mit rotierenden Magneten. Alle acht einzelnen Prototypen sind parallel elektrisch angeschlossen. Die Untereinheiten von Harv2_160 und Harv2_60 funktionieren gleichzeitig im Olson -Zyklus, was zu einer Energieernte von 11,2 J. führt
Legen Sie 0,5 mm dicke PST -MLC in Polyolefin -Schlauch mit doppelseitigem Klebeband und verdrahten Sie auf beiden Seiten, um Platz für Flüssigkeiten zu schaffen. Aufgrund seiner geringen Größe wurde der Prototyp neben einem heißen oder kalten Reservoirventil platziert, wodurch die Zykluszeiten minimiert wurden.
In PST MLC wird ein konstantes elektrisches Feld angewendet, indem eine konstante Spannung auf den Heizzweig aufgetragen wird. Infolgedessen wird ein negativer thermischer Strom erzeugt und Energie gespeichert. Nach dem Erhitzen des PST -MLC wird das Feld entfernt (V = 0) und die darin gespeicherte Energie wieder zum Quellschalter zurückgegeben, was einem weiteren Beitrag der gesammelten Energie entspricht. Schließlich werden die MLC -PSTs mit einer Spannung V = 0 auf ihre Anfangstemperatur abgekühlt, damit der Zyklus erneut beginnen kann. In diesem Stadium wird keine Energie gesammelt. Wir haben den Olsen -Zyklus mit einem Keithley 2410 -Sourcemeter ausgeführt, das den PST -MLC aus einer Spannungsquelle geladen und die aktuelle Übereinstimmung auf den entsprechenden Wert festgelegt hat, sodass während der Ladephase für zuverlässige Energieberechnungen genügend Punkte gesammelt wurden.
In Stirling -Zyklen wurden PST -MLCs im Spannungsquellenmodus in einem anfänglichen elektrischen Feldwert (anfängliche Spannung VI> 0) geladen, ein gewünschter Konformitätsstrom, so dass der Ladeschritt etwa 1 s (und genügend Punkte für eine zuverlässige Berechnung der Energie gesammelt werden) und Kalttemperatur gesammelt werden. In Stirling -Zyklen wurden PST -MLCs im Spannungsquellenmodus in einem anfänglichen elektrischen Feldwert (anfängliche Spannung VI> 0) geladen, ein gewünschter Konformitätsstrom, so dass der Ladeschritt etwa 1 s (und genügend Punkte für eine zuverlässige Berechnung der Energie gesammelt werden) und Kalttemperatur gesammelt werden. Ц циклах стирялинdecken pst mlc (начальное наааsehen достаточное к количество тчек л надежного рачччета энергия) и холоная теературал. In den Stirling -PST -MLC -Zyklen wurden sie im Spannungsquellenmodus im Anfangswert des elektrischen Feldes (anfängliche Spannung vi> 0), dem gewünschten Ertragsstrom, geladen, so dass die Ladestufe etwa 1 s (und eine ausreichende Anzahl von Punkten für eine zuverlässige Energieberechnung erfasst wird) und Kalttemperatur erhoben werden.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。 Im Master -Zyklus wird der PST -MLC im anfänglichen elektrischen Feldwert (anfängliche Spannung VI> 0) im Spannungsquellenmodus aufgeladen, sodass der erforderliche Konformitätsstrom für den Ladeschritt (und wir haben genügend Punkte gesammelt, um zuverlässig (Energie) und niedrigem Temperatur zu berechnen. В цlass заряжается в режим и заряжаеäter наааsprechung количество тчек, ччч н надежно расчитать энергию) и низкие тепUNTы. Im Stirling -Zyklus wird das PST -MLC im Spannungsquellenmodus mit einem Anfangswert des elektrischen Feldes (anfängliche Spannung vi> 0) aufgeladen. Der erforderliche Konformitätsstrom ist so, dass die Ladestufe etwa 1 s (und eine ausreichende Anzahl von Punkten erfasst wird, um die Energie zuverlässig zu berechnen) und niedrige Temperaturen.Bevor das PST MLC erwärmt, öffnen Sie die Schaltung, indem Sie einen Übereinstimmungsstrom von i = 0 mA anwenden (der minimale Anpassungsstrom, den unsere Messquelle umgehen kann, ist 10 na). Infolgedessen bleibt eine Ladung im PST des MJK, und die Spannung steigt, wenn sich die Probe erwärmt. In Arm BC wird keine Energie gesammelt, weil i = 0 mA. Nach Erreichen einer hohen Temperatur steigt die Spannung in der MLT -FT (in einigen Fällen mehr als 30 -mal, siehe zusätzliche Abb. 7.2), die MLK -FT entladen (v = 0) und die elektrische Energie wird für die gleiche Ladung in ihnen gespeichert. Die gleiche aktuelle Korrespondenz wird in die Messgeräte zurückgegeben. Aufgrund der Spannungsverstärkung ist die gespeicherte Energie bei hoher Temperatur höher als zu Beginn des Zyklus. Folglich wird Energie durch Umwandlung von Wärme in Elektrizität erhalten.
Wir verwendeten einen Keithley 2410 -Sourcemeter, um die auf das PST MLC angewendete Spannung und den Strom zu überwachen. Die entsprechende Energie wird berechnet, indem das Produkt von Spannung und Strom von Keithleys Quellmesser, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {messe)) \ links (t \ rechts), {v} _ _ {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{Rm)), berechnet. τ ist die Periode des Zeitraums. Auf unserer Energiekurve bedeuten positive Energiewerte die Energie, die wir dem MLC PST geben müssen, und negative Werte bedeuten die Energie, die wir aus ihnen und damit die empfangene Energie extrahieren. Die relative Leistung für einen bestimmten Sammelzyklus wird durch Teilen der gesammelten Energie durch den Zeitraum τ des gesamten Zyklus bestimmt.
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Wir danken N. Furusawa, Y. Inoue und K. Honda für ihre Hilfe bei der Erstellung des MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB und ED dank der Luxemburg National Research Foundation (FNR) für die Unterstützung dieser Arbeit durch CamelHeat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay- Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY.
Department of Materials Research and Technology, Luxemburg Institute of Technology (Liste), Belvoir, Luxemburg