การจัดหาแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ยั่งยืนถือเป็นหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดของศตวรรษนี้ การวิจัยด้านวัสดุเก็บเกี่ยวพลังงานเกิดจากแรงจูงใจนี้ รวมถึงเทอร์โมอิเล็กทริก1 โฟโตโวลตาอิก2 และเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก3 แม้ว่าเราจะขาดวัสดุและอุปกรณ์ที่สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานในช่วงจูล แต่วัสดุไพโรอิเล็กทริกที่สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นระยะ ๆ ก็ถือเป็นเซ็นเซอร์ 4 และเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงาน 5,6,7 ที่นี่เราได้พัฒนาเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนขนาดมหึมาในรูปแบบของตัวเก็บประจุหลายชั้นที่ทำจากตะกั่วสแกนเดียมแทนทาเลต 42 กรัม ซึ่งผลิตพลังงานไฟฟ้า 11.2 จูลต่อวงจรอุณหพลศาสตร์ โมดูลไพโรอิเล็กทริกแต่ละโมดูลสามารถสร้างความหนาแน่นของพลังงานไฟฟ้าได้สูงถึง 4.43 J cm-3 ต่อรอบ นอกจากนี้เรายังแสดงให้เห็นว่าโมดูลดังกล่าวสองโมดูลที่มีน้ำหนัก 0.3 กรัมนั้นเพียงพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานอัตโนมัติอย่างต่อเนื่องด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์แบบฝังและเซ็นเซอร์อุณหภูมิ สุดท้ายนี้ เราแสดงให้เห็นว่าสำหรับช่วงอุณหภูมิ 10 K ตัวเก็บประจุหลายชั้นเหล่านี้สามารถบรรลุประสิทธิภาพการ์โนต์ได้ถึง 40% คุณสมบัติเหล่านี้เกิดจาก (1) การเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกเพื่อให้มีประสิทธิภาพสูง (2) กระแสรั่วไหลต่ำเพื่อป้องกันการสูญเสีย และ (3) แรงดันพังทลายสูง เครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าแบบไพโรอิเล็กทริกที่มองเห็นด้วยตาเปล่า ปรับขนาดได้ และมีประสิทธิภาพเหล่านี้กำลังพลิกโฉมการผลิตพลังงานไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริก
เมื่อเปรียบเทียบกับการไล่ระดับอุณหภูมิเชิงพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก การเก็บเกี่ยวพลังงานของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกจำเป็นต้องมีการหมุนเวียนของอุณหภูมิเมื่อเวลาผ่านไป นี่หมายถึงวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่งสามารถอธิบายได้ดีที่สุดโดยแผนภาพเอนโทรปี (S) - อุณหภูมิ (T) รูปที่ 1a แสดงพล็อต ST ทั่วไปของวัสดุไพโรอิเล็กทริกแบบไม่เชิงเส้น (NLP) ซึ่งสาธิตการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริก-พาราอิเล็กทริกที่ขับเคลื่อนด้วยสนามในสแกนเดียมลีดแทนทาเลต (PST) ส่วนสีน้ำเงินและสีเขียวของวงจรบนแผนภาพ ST สอดคล้องกับพลังงานไฟฟ้าที่แปลงแล้วในวงจรโอลสัน (ส่วนไอโซโพลสองส่วนและไอโซโพลสองส่วน) ในที่นี้เราจะพิจารณาสองรอบที่มีการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าเท่ากัน (เปิดและปิดสนาม) และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ∆T แม้ว่าอุณหภูมิเริ่มต้นจะต่างกันก็ตาม วัฏจักรสีเขียวไม่อยู่ในขอบเขตการเปลี่ยนเฟส จึงมีพื้นที่น้อยกว่าวงจรสีน้ำเงินซึ่งอยู่ในภูมิภาคการเปลี่ยนเฟส ในแผนภาพ ST ยิ่งพื้นที่มีขนาดใหญ่ พลังงานที่สะสมก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้นการเปลี่ยนเฟสจึงต้องรวบรวมพลังงานมากขึ้น ความต้องการการหมุนเวียนในพื้นที่ขนาดใหญ่ใน NLP นั้นคล้ายคลึงกับความต้องการในการใช้งานความร้อนด้วยไฟฟ้า9, 10, 11, 12 โดยที่ตัวเก็บประจุหลายชั้น PST (MLC) และเทอร์โพลีเมอร์ที่ใช้ PVDF ได้แสดงประสิทธิภาพการย้อนกลับที่ยอดเยี่ยมเมื่อเร็ว ๆ นี้ สถานะประสิทธิภาพการทำความเย็นในรอบที่ 13,14,15,16 ดังนั้นเราจึงได้ระบุ PST MLC ที่น่าสนใจสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อน ตัวอย่างเหล่านี้ได้รับการอธิบายอย่างครบถ้วนในวิธีการและแสดงคุณลักษณะเฉพาะในหมายเหตุประกอบ 1 (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด), 2 (การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์) และ 3 (การวัดความร้อน)
ก ภาพร่างของพล็อตเอนโทรปี (S) - อุณหภูมิ (T) พร้อมเปิดและปิดสนามไฟฟ้ากับวัสดุ NLP ที่แสดงการเปลี่ยนเฟส รอบการรวบรวมพลังงานสองรอบจะแสดงในโซนอุณหภูมิที่แตกต่างกันสองโซน วัฏจักรสีน้ำเงินและสีเขียวเกิดขึ้นภายในและภายนอกการเปลี่ยนเฟส ตามลำดับ และสิ้นสุดในบริเวณที่ต่างกันมากของพื้นผิว b, วงแหวน unipolar DE PST MLC สองวง, หนา 1 มม., วัดระหว่าง 0 ถึง 155 kV cm-1 ที่ 20 °C และ 90 °C ตามลำดับ และรอบ Olsen ที่สอดคล้องกัน ตัวอักษร ABCD หมายถึงสถานะต่างๆ ในวัฏจักรโอลสัน AB: MLC ถูกอัดไว้ที่ 155 kV cm-1 ที่ 20°C BC: MLC ถูกคงไว้ที่ 155 kV cm-1 และอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 90 °C CD: MLC ปล่อยออกมาที่ 90°C DA: MLC แช่เย็นถึง 20°C ในช่องศูนย์ พื้นที่สีน้ำเงินสอดคล้องกับกำลังไฟฟ้าเข้าที่จำเป็นในการเริ่มวงจร พื้นที่สีส้มคือพลังงานที่รวบรวมได้ในหนึ่งรอบ c แผงด้านบน แรงดันไฟฟ้า (สีดำ) และกระแส (สีแดง) เทียบกับเวลา ติดตามในระหว่างรอบ Olson เดียวกันกับ b ส่วนแทรกทั้งสองแสดงถึงการขยายแรงดันและกระแสที่จุดสำคัญในวงจร ในแผงด้านล่าง เส้นโค้งสีเหลืองและสีเขียวแสดงถึงกราฟอุณหภูมิและพลังงานที่สอดคล้องกัน ตามลำดับ สำหรับ MLC หนา 1 มม. พลังงานคำนวณจากกราฟกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่แผงด้านบน พลังงานเชิงลบสอดคล้องกับพลังงานที่รวบรวมไว้ ขั้นตอนที่สอดคล้องกับอักษรตัวใหญ่ในตัวเลขทั้งสี่จะเหมือนกับในวงจรโอลสัน วงจร AB'CD สอดคล้องกับวงจรสเตอร์ลิง (หมายเหตุเพิ่มเติม 7)
โดยที่ E และ D คือสนามไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าแทนที่ตามลำดับ Nd สามารถรับได้ทางอ้อมจากวงจร DE (รูปที่ 1b) หรือโดยตรงโดยการเริ่มวงจรทางอุณหพลศาสตร์ วิธีการที่มีประโยชน์ที่สุดได้รับการอธิบายโดย Olsen ในงานบุกเบิกของเขาในการเก็บรวบรวมพลังงานไพโรอิเล็กทริกในช่วงทศวรรษ 198017
บนรูป ในรูปที่ 1b แสดงลูป DE แบบโมโนโพลาร์สองลูปของชิ้นงาน PST-MLC หนา 1 มม. ประกอบที่ 20 °C และ 90 °C ตามลำดับ ในช่วง 0 ถึง 155 kV cm-1 (600 V) วัฏจักรทั้งสองนี้สามารถใช้เพื่อคำนวณพลังงานทางอ้อมที่รวบรวมโดยวัฏจักร Olson ดังแสดงในรูปที่ 1a ในความเป็นจริง วัฏจักรโอลเซ่นประกอบด้วยสาขาไอโซฟิลด์สองสาขา (ในที่นี้ สนามเป็นศูนย์ในสาขา DA และ 155 kV cm-1 ในสาขา BC) และสาขาอุณหภูมิคงที่สองสาขา (ที่นี่ 20°С และ 20°С ในสาขา AB) . C ในสาขา CD) พลังงานที่รวบรวมระหว่างวงจรจะสอดคล้องกับบริเวณสีส้มและสีน้ำเงิน (อินทิกรัล EdD) พลังงานที่รวบรวมได้ Nd คือความแตกต่างระหว่างพลังงานอินพุตและพลังงานเอาท์พุต กล่าวคือ เฉพาะพื้นที่สีส้มในรูป 1ข. วัฏจักรโอลสันนี้ให้ความหนาแน่นพลังงาน Nd เท่ากับ 1.78 J cm-3 วัฏจักรสเตอร์ลิงเป็นทางเลือกแทนวัฏจักรโอลสัน (หมายเหตุเพิ่มเติม 7) เนื่องจากเข้าถึงขั้นการชาร์จคงที่ (วงจรเปิด) ได้ง่ายกว่า ความหนาแน่นของพลังงานที่แยกจากรูปที่ 1b (วงจร AB'CD) ถึง 1.25 J cm-3 นี่เป็นเพียง 70% ของสิ่งที่วงจร Olson สามารถรวบรวมได้ แต่อุปกรณ์เก็บเกี่ยวแบบธรรมดาก็ทำได้
นอกจากนี้ เรายังวัดพลังงานที่รวบรวมได้โดยตรงในระหว่างวงจร Olson โดยการกระตุ้น PST MLC โดยใช้ขั้นตอนการควบคุมอุณหภูมิของ Linkam และเครื่องวัดแหล่งที่มา (วิธีการ) รูปที่ 1c ที่ด้านบนและในส่วนที่ใส่เข้าไปตามลำดับจะแสดงกระแส (สีแดง) และแรงดันไฟฟ้า (สีดำ) ที่รวบรวมบน PST MLC หนา 1 มม. เช่นเดียวกับลูป DE ที่จะผ่านวงจร Olson เดียวกัน กระแสและแรงดันไฟฟ้าทำให้สามารถคำนวณพลังงานที่รวบรวมได้ และเส้นโค้งจะแสดงในรูป 1c ด้านล่าง (สีเขียว) และอุณหภูมิ (สีเหลือง) ตลอดวงจร ตัวอักษร ABCD แสดงถึงวัฏจักร Olson เดียวกันในรูปที่ 1 การชาร์จแบบ MLC เกิดขึ้นในระหว่างขา AB และดำเนินการที่กระแสไฟฟ้าต่ำ (200 µA) ดังนั้น SourceMeter จึงสามารถควบคุมการชาร์จได้อย่างเหมาะสม ผลที่ตามมาของกระแสเริ่มต้นคงที่นี้คือเส้นโค้งแรงดันไฟฟ้า (เส้นโค้งสีดำ) ไม่เป็นเชิงเส้นเนื่องจากสนามการกระจัดที่ไม่เป็นเชิงเส้น D PST (รูปที่ 1c, สิ่งที่ใส่เข้าไปด้านบน) เมื่อสิ้นสุดการชาร์จ พลังงานไฟฟ้า 30 mJ จะถูกเก็บไว้ใน MLC (จุด B) จากนั้น MLC จะร้อนขึ้นและเกิดกระแสลบ (และด้วยเหตุนี้จึงเกิดกระแสลบ) ขณะที่แรงดันไฟฟ้ายังคงอยู่ที่ 600 V หลังจากผ่านไป 40 วินาที เมื่ออุณหภูมิถึงที่ราบสูงที่ 90 °C กระแสนี้จะได้รับการชดเชย แม้ว่าตัวอย่างขั้นขั้น ผลิตในวงจรด้วยกำลังไฟฟ้า 35 mJ ระหว่างไอโซฟิลด์นี้ (สิ่งที่ใส่เข้าไปที่สองในรูปที่ 1c ด้านบน) จากนั้นแรงดันไฟฟ้าบน MLC (CD สาขา) จะลดลง ส่งผลให้งานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 60 mJ พลังงานเอาต์พุตทั้งหมดคือ 95 mJ พลังงานที่รวบรวมได้คือความแตกต่างระหว่างพลังงานขาเข้าและขาออก ซึ่งให้ 95 – 30 = 65 mJ ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นของพลังงาน 1.84 J cm-3 ซึ่งใกล้กับ Nd ที่สกัดจากวงแหวน DE มาก การทำซ้ำของวงจร Olson นี้ได้รับการทดสอบอย่างกว้างขวาง (หมายเหตุเพิ่มเติม 4) ด้วยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิเพิ่มเติม เราได้ 4.43 J cm-3 โดยใช้วงจร Olsen ใน PST MLC หนา 0.5 มม. ในช่วงอุณหภูมิ 750 V (195 kV cm-1) และ 175 ° C (หมายเหตุเสริม 5) นี่เป็นมากกว่าประสิทธิภาพที่ดีที่สุดสี่เท่าที่รายงานในวรรณกรรมสำหรับรอบ Olson โดยตรงและได้รับบนฟิล์มบางของ Pb (Mg, Nb) O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3) 18 (ซม. .เสริม ตารางที่ 1 สำหรับคุณค่าเพิ่มเติมในวรรณคดี) ถึงประสิทธิภาพนี้แล้วเนื่องจากกระแสรั่วไหลที่ต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10−7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูรายละเอียดในหมายเหตุเพิ่มเติม 6) ซึ่งเป็นประเด็นสำคัญที่ Smith และคณะกล่าวถึงในทางตรงกันข้าม กับวัสดุที่ใช้ในการศึกษาก่อนหน้านี้17,20 ถึงประสิทธิภาพนี้แล้วเนื่องจากกระแสรั่วไหลที่ต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10−7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูรายละเอียดในหมายเหตุเพิ่มเติม 6) ซึ่งเป็นประเด็นสำคัญที่ Smith และคณะกล่าวถึงในทางตรงกันข้าม กับวัสดุที่ใช้ในการศึกษาก่อนหน้านี้17,20 Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 и 180 °C, см. подробности в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. คุณลักษณะเหล่านี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากกระแสรั่วไหลที่ต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10–7 A ที่ 750 V และ 180 ° C ดูหมายเหตุเพิ่มเติม 6 สำหรับรายละเอียด) - จุดวิกฤติที่ Smith และคณะกล่าวถึง 19 – ตรงกันข้ามกับวัสดุที่ใช้ในการศึกษาก่อนหน้านี้17,20由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明6 中的详细信息）——Smith 等人19 提到的关键点——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 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 и 180 °C, см. подробности в дополнительном примечании 6) — вой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. เนื่องจากกระแสรั่วไหลของ MLC เหล่านี้ต่ำมาก (<10–7 A ที่ 750 V และ 180 ° C ดูหมายเหตุเพิ่มเติม 6 สำหรับรายละเอียด) - ประเด็นสำคัญที่ Smith และคณะกล่าวถึง 19 – หากเปรียบเทียบกันแล้ว การแสดงเหล่านี้ทำได้สำเร็จกับวัสดุที่ใช้ในการศึกษาก่อนหน้านี้ 17,20
เงื่อนไขเดียวกัน (600 V, 20–90 °C) ที่ใช้กับวงจรสเตอร์ลิง (หมายเหตุเพิ่มเติม 7) ตามที่คาดไว้จากผลลัพธ์ของวงจร DE จะได้ผลผลิต 41.0 mJ คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดอย่างหนึ่งของวัฏจักรสเตอร์ลิงคือความสามารถในการขยายแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นผ่านเอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริก เราสังเกตเห็นแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นสูงถึง 39 (จากแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นที่ 15 V ถึงแรงดันสิ้นสุดที่สูงถึง 590 V ดูรูปที่ 7.2 เพิ่มเติม)
คุณสมบัติที่โดดเด่นอีกประการหนึ่งของ MLC เหล่านี้ก็คือ พวกมันเป็นวัตถุขนาดมหึมาที่มีขนาดใหญ่พอที่จะรวบรวมพลังงานในช่วงจูล ดังนั้นเราจึงสร้างเครื่องเก็บเกี่ยวต้นแบบ (HARV1) โดยใช้ 28 MLC PST หนา 1 มม. ตามการออกแบบแผ่นขนานแบบเดียวกับที่อธิบายโดย Torello และคณะ 14 ในเมทริกซ์ 7×4 ดังแสดงในรูปที่ ของเหลวอิเล็กทริกที่นำความร้อนใน ท่อร่วมจะถูกแทนที่ด้วยปั๊มรีดท่อระหว่างอ่างเก็บน้ำสองแห่ง โดยที่อุณหภูมิของของไหลจะคงที่ (วิธีการ) รวบรวมได้มากถึง 3.1 J โดยใช้วงจร Olson ที่อธิบายไว้ในรูปที่ 1 2a บริเวณไอโซเทอร์มอลที่ 10°C และ 125°C และบริเวณไอโซฟิลด์ที่ 0 และ 750 V (195 kV cm-1) ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นของพลังงาน 3.14 J cm-3 การใช้ส่วนผสมนี้ ทำการวัดภายใต้สภาวะต่างๆ (รูปที่ 2b) โปรดทราบว่าได้รับ 1.8 J ในช่วงอุณหภูมิ 80 °C และแรงดันไฟฟ้า 600 V (155 kV cm-1) นี่เป็นข้อตกลงที่ดีกับ 65 mJ ที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้สำหรับ PST MLC หนา 1 มม. ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน (28 × 65 = 1820 mJ)
a, การตั้งค่าการทดลองของต้นแบบ HARV1 ที่ประกอบขึ้นโดยใช้ 28 MLC PSTs หนา 1 มม. (4 แถว × 7 คอลัมน์) ทำงานบนวงจร Olson สำหรับแต่ละขั้นตอนของรอบทั้งสี่ จะมีการระบุอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าไว้ในต้นแบบ คอมพิวเตอร์ขับเคลื่อนปั๊มรีดท่อที่หมุนเวียนของเหลวอิเล็กทริกระหว่างอ่างเก็บน้ำเย็นและร้อน วาล์วสองตัว และแหล่งพลังงาน คอมพิวเตอร์ยังใช้เทอร์โมคัปเปิลเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับแรงดันและกระแสที่จ่ายให้กับต้นแบบและอุณหภูมิของการรวมจากแหล่งจ่ายไฟ b พลังงาน (สี) ที่รวบรวมโดยต้นแบบ MLC 4 × 7 ของเราเทียบกับช่วงอุณหภูมิ (แกน X) และแรงดันไฟฟ้า (แกน Y) ในการทดลองที่แตกต่างกัน
รถเก็บเกี่ยวรุ่นใหญ่ (HARV2) ที่มี 60 PST MLC หนา 1 มม. และ 160 PST MLC หนา 0.5 มม. (วัสดุไพโรอิเล็กทริกที่ใช้งานอยู่ 41.7 กรัม) ให้ 11.2 J (หมายเหตุเสริม 8) ในปี 1984 Olsen ได้สร้างเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้สารประกอบ Pb(Zr,Ti)O3 ที่เจือด้วยดีบุกจำนวน 317 กรัม ซึ่งสามารถผลิตไฟฟ้าได้ 6.23 J ที่อุณหภูมิประมาณ 150 °C (อ้างอิง 21) สำหรับการรวมนี้ นี่เป็นเพียงค่าอื่นเท่านั้นที่มีในช่วงจูล มีมูลค่ามากกว่าที่เราได้มาเพียงครึ่งเดียวและมีคุณภาพมากกว่าเกือบเจ็ดเท่า ซึ่งหมายความว่าความหนาแน่นของพลังงานของ HARV2 นั้นสูงกว่า 13 เท่า
คาบของวงจร HARV1 คือ 57 วินาที สิ่งนี้สร้างกำลัง 54 mW โดยมี 4 แถว 7 คอลัมน์ของชุด MLC หนา 1 มม. เพื่อก้าวไปอีกขั้นหนึ่ง เราได้สร้างชุดรวมที่สาม (HARV3) ที่มี PST MLC หนา 0.5 มม. และการตั้งค่าที่คล้ายกันกับ HARV1 และ HARV2 (หมายเหตุเพิ่มเติม 9) เราวัดเวลาการระบายความร้อนได้ 12.5 วินาที ซึ่งสอดคล้องกับรอบเวลา 25 วินาที (รูปที่ 9 เพิ่มเติม) พลังงานที่รวบรวมได้ (47 มิลลิจูล) ให้พลังงานไฟฟ้า 1.95 มิลลิวัตต์ต่อ MLC ซึ่งจะทำให้เราสามารถจินตนาการได้ว่า HARV2 ผลิต 0.55 วัตต์ (ประมาณ 1.95 มิลลิวัตต์ × 280 PST MLC หนา 0.5 มม.) นอกจากนี้เรายังจำลองการถ่ายเทความร้อนโดยใช้ Finite Element Simulation (COMSOL, หมายเหตุเพิ่มเติม 10 และตารางเสริม 2–4) ที่สอดคล้องกับการทดลอง HARV1 การสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ทำให้สามารถทำนายค่าพลังงานได้เกือบจะเป็นลำดับความสำคัญสูงกว่า (430 mW) สำหรับคอลัมน์ PST จำนวนเท่ากัน โดยทำให้ MLC ผอมลงเหลือ 0.2 มม. โดยใช้น้ำเป็นสารหล่อเย็น และคืนค่าเมทริกซ์เป็น 7 แถว . × 4 คอลัมน์ (นอกเหนือจาก
เพื่อสาธิตประโยชน์ของตัวสะสมนี้ วงจรสเตอร์ลิงถูกนำไปใช้กับเครื่องสาธิตแบบสแตนด์อโลนซึ่งประกอบด้วย PST MLC หนา 0.5 มม. เพียงสองตัวเป็นตัวสะสมความร้อน สวิตช์ไฟฟ้าแรงสูง สวิตช์แรงดันไฟฟ้าต่ำพร้อมตัวเก็บประจุ ตัวแปลง DC/DC ไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังต่ำ เทอร์โมคัปเปิลสองตัว และบูสต์คอนเวอร์เตอร์ (หมายเหตุเสริม 11) วงจรต้องการให้ประจุตัวเก็บประจุหน่วยเก็บข้อมูลเริ่มแรกที่ 9V จากนั้นทำงานโดยอัตโนมัติในขณะที่อุณหภูมิของ MLC ทั้งสองอยู่ในช่วงตั้งแต่ -5°C ถึง 85°C ที่นี่เป็นรอบ 160 วินาที (หลายรอบแสดงอยู่ในหมายเหตุเพิ่มเติม 11) . เป็นที่น่าสังเกตว่า MLC สองตัวที่มีน้ำหนักเพียง 0.3g สามารถควบคุมระบบขนาดใหญ่นี้ได้โดยอัตโนมัติ คุณลักษณะที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าต่ำสามารถแปลง 400V เป็น 10-15V ได้อย่างมีประสิทธิภาพ 79% (หมายเหตุเสริม 11 และรูปที่ 11.3 เพิ่มเติม)
สุดท้ายนี้ เราได้ประเมินประสิทธิภาพของโมดูล MLC เหล่านี้ในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า ปัจจัยด้านคุณภาพ η ของประสิทธิภาพถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของความหนาแน่นของพลังงานไฟฟ้าที่รวบรวม Nd ต่อความหนาแน่นของความร้อนที่ได้รับจาก Qin (หมายเหตุเพิ่มเติม 12):
รูปที่ 3a,b แสดงประสิทธิภาพ η และประสิทธิภาพตามสัดส่วน ηr ของวงจร Olsen ตามลำดับ โดยเป็นฟังก์ชันของช่วงอุณหภูมิของ PST MLC หนา 0.5 มม. ข้อมูลทั้งสองชุดถูกกำหนดไว้สำหรับสนามไฟฟ้า 195 kV cm-1 ประสิทธิภาพ \(\this\) ถึง 1.43% ซึ่งเทียบเท่ากับ 18% ของ ηr อย่างไรก็ตาม สำหรับช่วงอุณหภูมิ 10 K จาก 25 °C ถึง 35 °C ηr จะสูงถึง 40% (เส้นโค้งสีน้ำเงินในรูปที่ 3b) นี่เป็นสองเท่าของค่าที่ทราบสำหรับวัสดุ NLP ที่บันทึกไว้ในฟิล์ม PMN-PT (ηr = 19%) ในช่วงอุณหภูมิ 10 K และ 300 kV cm-1 (อ้างอิง 18) ช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 10 K ไม่ได้รับการพิจารณาเนื่องจากฮิสเทรีซิสทางความร้อนของ PST MLC อยู่ระหว่าง 5 ถึง 8 K การรับรู้ถึงผลเชิงบวกของการเปลี่ยนเฟสต่อประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญ ในความเป็นจริง ค่าที่เหมาะสมที่สุดของ η และ ηr นั้นได้เกือบทั้งหมดที่อุณหภูมิเริ่มต้น Ti = 25°C ในรูปที่ 3ก,ข. นี่เป็นเพราะการเปลี่ยนเฟสปิดเมื่อไม่มีการใช้ฟิลด์ และอุณหภูมิ TC ของกูรีอยู่ที่ประมาณ 20 ° C ใน MLC เหล่านี้ (หมายเหตุเพิ่มเติม 13)
a,b, ประสิทธิภาพ η และประสิทธิภาพตามสัดส่วนของวงจร Olson (a)\({\eta __{{\rm{r}}}=\eta /{\eta__{{\rm{Carnot} } สำหรับค่าไฟฟ้าสูงสุดที่สนาม 195 kV cm-1 และอุณหภูมิเริ่มต้นที่แตกต่างกัน Ti, }}\,\)(b) สำหรับ MPC PST หนา 0.5 มม. ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิ ΔTspan
การสังเกตหลังมีความหมายที่สำคัญสองประการ: (1) การปั่นจักรยานที่มีประสิทธิภาพใด ๆ จะต้องเริ่มต้นที่อุณหภูมิสูงกว่า TC เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากสนาม (จากพาราอิเล็กตริกเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก) (2) วัสดุเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากกว่าในช่วงเวลาทำงานใกล้กับ TC แม้ว่าการทดลองของเราจะแสดงประสิทธิภาพในวงกว้าง แต่ช่วงอุณหภูมิที่จำกัดไม่อนุญาตให้เราบรรลุประสิทธิภาพสัมบูรณ์ขนาดใหญ่ได้ เนื่องจากขีดจำกัดคาร์โนต์ (\(\Delta T/T\)) อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมที่แสดงให้เห็นโดย PST MLC เหล่านี้ทำให้ Olsen มีเหตุผลเมื่อเขากล่าวว่า “มอเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกที่สร้างใหม่คลาส 20 ในอุดมคติที่ทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 50 °C ถึง 250 °C สามารถมีประสิทธิภาพได้ 30%”17 เพื่อให้บรรลุถึงค่าเหล่านี้และทดสอบแนวคิด การใช้ PST ที่เจือปนกับ TC ที่แตกต่างกันจะเป็นประโยชน์ ตามที่ศึกษาโดย Shebanov และ Borman พวกเขาแสดงให้เห็นว่า TC ใน PST สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 3°C (Sb doping) ถึง 33°C (Ti doping) 22 ดังนั้นเราจึงตั้งสมมติฐานว่าเครื่องกำเนิดใหม่แบบไพโรอิเล็กทริกรุ่นต่อไปที่ใช้ PST MLC ที่เจือปนหรือวัสดุอื่นที่มีการเปลี่ยนเฟสลำดับแรกที่แข็งแกร่งสามารถแข่งขันกับเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานที่ดีที่สุดได้
ในการศึกษานี้ เราตรวจสอบ MLC ที่ทำจาก PST อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยอิเล็กโทรด Pt และ PST หลายชุด โดยมีตัวเก็บประจุหลายตัวเชื่อมต่อแบบขนาน PST ถูกเลือกเนื่องจากเป็นวัสดุ EC ที่ดีเยี่ยม ดังนั้นจึงอาจเป็นวัสดุ NLP ที่ดีเยี่ยม มันแสดงการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริก - พาราอิเล็กทริกลำดับที่หนึ่งอย่างรวดเร็วประมาณ 20 ° C ซึ่งบ่งชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีนั้นคล้ายคลึงกับที่แสดงในรูปที่ 1 MLC ที่คล้ายกันได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์สำหรับอุปกรณ์ EC13,14 ในการศึกษานี้ เราใช้ MLC ขนาด 10.4 × 7.2 × 1 มม. และ 10.4 × 7.2 × 0.5 มม. MLC ที่มีความหนา 1 มม. และ 0.5 มม. ทำจาก PST 19 และ 9 ชั้นที่มีความหนา 38.6 µm ตามลำดับ ในทั้งสองกรณี ชั้น PST ด้านในถูกวางไว้ระหว่างอิเล็กโทรดแพลทินัมหนา 2.05 µm การออกแบบ MLC เหล่านี้สันนิษฐานว่า 55% ของ PST ทำงานอยู่ ซึ่งสอดคล้องกับส่วนระหว่างอิเล็กโทรด (หมายเหตุเพิ่มเติม 1) พื้นที่อิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่ที่ 48.7 mm2 (ตารางเสริม 5) MLC PST ถูกเตรียมโดยปฏิกิริยาโซลิดเฟสและวิธีการหล่อ รายละเอียดของกระบวนการเตรียมการได้อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้าแล้ว14 ความแตกต่างประการหนึ่งระหว่าง PST MLC และบทความก่อนหน้านี้คือลำดับของไซต์ B ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของ EC ใน PST ลำดับของไซต์ B ของ PST MLC คือ 0.75 (หมายเหตุเพิ่มเติม 2) ได้มาจากการเผาผนึกที่ 1,400°C ตามด้วยการอบอ่อนนานหลายร้อยชั่วโมงที่ 1,000°C สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ PST MLC ดูหมายเหตุเพิ่มเติม 1-3 และตารางเสริม 5
แนวคิดหลักของการศึกษาครั้งนี้มีพื้นฐานอยู่บนวัฏจักรของโอลสัน (รูปที่ 1) สำหรับวงจรดังกล่าว เราจำเป็นต้องมีอ่างเก็บน้ำร้อนและเย็น และอุปกรณ์จ่ายไฟที่สามารถตรวจสอบและควบคุมแรงดันและกระแสในโมดูล MLC ต่างๆ วงจรโดยตรงเหล่านี้ใช้การกำหนดค่าที่แตกต่างกันสองแบบ ได้แก่ (1) โมดูล Linkam ที่ให้ความร้อนและความเย็นหนึ่ง MLC ที่เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงาน Keithley 2410 และ (2) ต้นแบบสามตัว (HARV1, HARV2 และ HARV3) ขนานกับพลังงานจากแหล่งเดียวกัน ในกรณีหลังนี้ ของเหลวอิเล็กทริก (น้ำมันซิลิโคนที่มีความหนืด 5 cP ที่ 25°C ที่ซื้อจาก Sigma Aldrich) ถูกนำมาใช้เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างอ่างเก็บน้ำทั้งสอง (ร้อนและเย็น) และ MLC อ่างเก็บน้ำความร้อนประกอบด้วยภาชนะแก้วที่เต็มไปด้วยของเหลวอิเล็กทริกและวางไว้บนแผ่นความร้อน ห้องเย็นประกอบด้วยอ่างน้ำที่มีท่อของเหลวที่มีของเหลวอิเล็กทริกอยู่ในภาชนะพลาสติกขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยน้ำและน้ำแข็ง วาล์วบีบสามทางสองตัว (ซื้อจาก Bio-Chem Fluidics) ถูกวางไว้ที่ปลายแต่ละด้านของส่วนผสมเพื่อเปลี่ยนของเหลวจากแหล่งกักเก็บแห่งหนึ่งไปยังอีกแหล่งหนึ่งอย่างเหมาะสม (รูปที่ 2a) เพื่อให้แน่ใจว่าสมดุลทางความร้อนระหว่างแพ็คเกจ PST-MLC และสารหล่อเย็น จึงได้มีการขยายระยะเวลารอบจนกว่าเทอร์โมคัปเปิลทางเข้าและทางออก (ใกล้กับแพ็คเกจ PST-MLC มากที่สุด) แสดงอุณหภูมิเดียวกัน สคริปต์ Python จัดการและซิงโครไนซ์เครื่องมือทั้งหมด (มิเตอร์ต้นทาง ปั๊ม วาล์ว และเทอร์โมคัปเปิล) เพื่อรันวงจร Olson ที่ถูกต้อง กล่าวคือ วงจรน้ำหล่อเย็นเริ่มหมุนเวียนผ่านสแต็ค PST หลังจากชาร์จมิเตอร์ต้นทางแล้ว เพื่อให้ร้อนขึ้นตามที่ต้องการ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้สำหรับวงจร Olson ที่กำหนด
หรืออีกทางหนึ่ง เราได้ยืนยันการวัดพลังงานที่รวบรวมได้โดยตรงเหล่านี้ด้วยวิธีทางอ้อม วิธีการทางอ้อมเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลูปสนามไฟฟ้าการกระจัด (D) – สนามไฟฟ้า (E) ที่รวบรวมที่อุณหภูมิต่างกัน และโดยการคำนวณพื้นที่ระหว่างลูป DE สองวง เราสามารถประมาณปริมาณพลังงานที่สามารถรวบรวมได้อย่างแม่นยำ ดังแสดงในรูป . ในรูปที่ 2 .1b. ลูป DE เหล่านี้ยังรวบรวมโดยใช้เครื่องวัดแหล่งกำเนิด Keithley อีกด้วย
PST MLC หนา 1 มม. จำนวน 28 ชิ้นถูกประกอบขึ้นในโครงสร้างแผ่นขนาน 7 แถว 4 แถว ตามการออกแบบที่อธิบายไว้ในข้อมูลอ้างอิง 14. ช่องว่างของเหลวระหว่างแถว PST-MLC คือ 0.75 มม. ซึ่งทำได้โดยการเพิ่มแถบเทปสองหน้าเป็นตัวกั้นของเหลวรอบขอบของ PST MLC PST MLC เชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบขนานกับบริดจ์อีพอกซีสีเงินโดยสัมผัสกับสายอิเล็กโทรด หลังจากนั้นสายไฟจะติดกาวด้วยอีพอกซีเรซินสีเงินที่แต่ละด้านของขั้วอิเล็กโทรดเพื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ สุดท้าย ใส่โครงสร้างทั้งหมดเข้าไปในท่อโพลีโอเลฟินส์ ส่วนหลังจะติดกาวเข้ากับท่อของเหลวเพื่อให้แน่ใจว่ามีการปิดผนึกอย่างเหมาะสม ในที่สุด เทอร์โมคัปเปิลชนิด K หนา 0.25 มม. ถูกสร้างขึ้นที่ปลายแต่ละด้านของโครงสร้าง PST-MLC เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของของเหลวทางเข้าและทางออก ในการทำเช่นนี้ต้องเจาะรูท่อก่อน หลังจากติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลแล้ว ให้ทากาวแบบเดิมระหว่างท่อเทอร์โมคัปเปิลกับสายไฟเพื่อคืนการซีล
มีการสร้างต้นแบบแยกกันแปดคัน โดยสี่คันมี MLC PST หนา 40 0.5 มม. กระจายเป็นแผ่นขนานที่มี 5 คอลัมน์และ 8 แถว และอีกสี่คันที่เหลือมี MLC PST หนา 15 1 มม. ต่อคัน ในโครงสร้างแผ่นขนาน 3 คอลัมน์ × 5 แถว จำนวน PST MLC ทั้งหมดที่ใช้คือ 220 (หนา 160 0.5 มม. และ 60 PST MLC หนา 1 มม.) เราเรียกทั้งสองหน่วยย่อยนี้ว่า HARV2_160 และ HARV2_60 ช่องว่างของเหลวในต้นแบบ HARV2_160 ประกอบด้วยเทปสองหน้าสองหน้าที่มีความหนา 0.25 มม. และมีลวดหนา 0.25 มม. อยู่ระหว่างเทปทั้งสอง สำหรับต้นแบบ HARV2_60 เราทำขั้นตอนเดียวกันซ้ำ แต่ใช้ลวดหนา 0.38 มม. สำหรับความสมมาตร HARV2_160 และ HARV2_60 มีวงจรของไหล ปั๊ม วาล์ว และด้านเย็นของตัวเอง (หมายเหตุเสริม 8) HARV2 สองเครื่องใช้ถังเก็บความร้อนซึ่งเป็นภาชนะขนาด 3 ลิตร (30 ซม. x 20 ซม. x 5 ซม.) ร่วมกันบนจานร้อนสองแผ่นที่มีแม่เหล็กหมุนได้ ต้นแบบทั้งแปดตัวมีการเชื่อมต่อไฟฟ้าแบบขนาน หน่วยย่อย HARV2_160 และ HARV2_60 ทำงานพร้อมกันในวงจรโอลสัน ส่งผลให้เกิดการเก็บเกี่ยวพลังงาน 11.2 เจ
วาง PST MLC หนา 0.5 มม. ลงในท่อโพลีโอเลฟินส์ด้วยเทปสองหน้าและลวดทั้งสองด้านเพื่อสร้างพื้นที่สำหรับของเหลวไหล เนื่องจากมีขนาดเล็ก จึงวางต้นแบบไว้ข้างวาล์วกักเก็บน้ำร้อนหรือเย็น เพื่อลดเวลารอบการทำงานให้เหลือน้อยที่สุด
ใน PST MLC สนามไฟฟ้าคงที่จะถูกป้อนโดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่ไปยังกิ่งการทำความร้อน เป็นผลให้เกิดกระแสความร้อนเชิงลบและพลังงานถูกกักเก็บไว้ หลังจากให้ความร้อน PST MLC แล้ว สนามจะถูกลบออก (V = 0) และพลังงานที่เก็บไว้ในนั้นจะถูกส่งกลับไปยังตัวนับแหล่งกำเนิด ซึ่งสอดคล้องกับการมีส่วนร่วมของพลังงานที่รวบรวมได้อีกหนึ่งครั้ง สุดท้าย เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า V = 0 MLC PST จะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเริ่มต้น เพื่อให้สามารถเริ่มวงจรได้อีกครั้ง ในขั้นตอนนี้จะไม่รวบรวมพลังงาน เราดำเนินการวงจร Olsen โดยใช้ Keithley 2410 SourceMeter ชาร์จ PST MLC จากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า และตั้งค่าการจับคู่กระแสไฟฟ้าให้เป็นค่าที่เหมาะสม เพื่อให้สามารถรวบรวมคะแนนได้เพียงพอในระหว่างขั้นตอนการชาร์จเพื่อการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้
ในรอบสเตอร์ลิง PST MLC ถูกชาร์จในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ค่าสนามไฟฟ้าเริ่มต้น (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) ซึ่งเป็นกระแสไฟฟ้าที่ต้องการเพื่อให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และรวบรวมคะแนนได้เพียงพอสำหรับการคำนวณที่เชื่อถือได้ พลังงาน) และอุณหภูมิที่เย็น ในรอบสเตอร์ลิง PST MLC ถูกชาร์จในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ค่าสนามไฟฟ้าเริ่มต้น (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) ซึ่งเป็นกระแสไฟฟ้าที่ต้องการเพื่อให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และรวบรวมคะแนนได้เพียงพอสำหรับการคำนวณที่เชื่อถือได้ พลังงาน) และอุณหภูมิที่เย็น виклахстирлинга PST MLC заряжалисьврежимеисточниканапряженияриначачамм жение vi> 0), желаемомодатливомтоке, такчтоэтапарядизанимаетоколо 1 надежногорасчетаэнергиตรง) และхолоднаятемпература ในรอบ Stirling PST MLC พวกเขาถูกชาร์จในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ค่าเริ่มต้นของสนามไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) ซึ่งเป็นกระแสครากที่ต้องการ เพื่อให้ระยะการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และเป็นจำนวนที่เพียงพอ ของคะแนนจะถูกรวบรวมเพื่อการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้) และอุณหภูมิที่เย็น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。 ในรอบหลัก PST MLC จะถูกชาร์จที่ค่าสนามไฟฟ้าเริ่มต้น (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) ในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า เพื่อให้กระแสไฟฟ้าที่เป็นไปตามข้อกำหนดที่ต้องการใช้เวลาประมาณ 1 วินาทีสำหรับขั้นตอนการชาร์จ (และเรารวบรวมคะแนนได้เพียงพอเพื่อ คำนวณ (พลังงาน) และอุณหภูมิต่ำได้อย่างน่าเชื่อถือ В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряж ение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие температуры . ในวงจรสเตอร์ลิง PST MLC จะถูกชาร์จในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าด้วยค่าเริ่มต้นของสนามไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) กระแสไฟฟ้าที่เป็นไปตามข้อกำหนดที่กำหนดคือระยะการชาร์จจะใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และเป็นจำนวนที่เพียงพอ ของคะแนนจะถูกรวบรวมเพื่อคำนวณพลังงานได้อย่างน่าเชื่อถือ) และอุณหภูมิต่ำก่อนที่ PST MLC จะร้อนขึ้น ให้เปิดวงจรโดยใช้กระแสจับคู่ที่ I = 0 mA (กระแสจับคู่ขั้นต่ำที่แหล่งวัดของเราสามารถรองรับได้คือ 10 nA) เป็นผลให้ประจุยังคงอยู่ใน PST ของ MJK และแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเมื่อตัวอย่างร้อนขึ้น ไม่มีการรวบรวมพลังงานในแขน BC เนื่องจาก I = 0 mA หลังจากถึงอุณหภูมิสูงแรงดันไฟฟ้าใน MLT FT จะเพิ่มขึ้น (ในบางกรณีมากกว่า 30 เท่าดูรูปเพิ่มเติม 7.2) MLK FT จะถูกคายประจุ (V = 0) และพลังงานไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ในนั้นเท่าเดิม เนื่องจากเป็นค่าบริการเริ่มต้น การโต้ตอบปัจจุบันเดียวกันจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งกำเนิดมิเตอร์ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น พลังงานที่เก็บไว้ที่อุณหภูมิสูงจึงสูงกว่าที่ได้มาจากตอนเริ่มต้นของวงจร ดังนั้นพลังงานจึงได้มาโดยการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า
เราใช้ Keithley 2410 SourceMeter เพื่อตรวจสอบแรงดันและกระแสที่ใช้กับ PST MLC พลังงานที่สอดคล้องกันคำนวณโดยการรวมผลคูณของแรงดันและกระแสที่อ่านได้โดยมิเตอร์แหล่งกำเนิดของ Keithley \ (E = {\int __{0}^{\tau }{I__({\rm {meas))}\ left(t\ right){V__{{\rm{meas}}}(t)\) โดยที่ τ คือคาบของคาบ บนกราฟพลังงานของเรา ค่าพลังงานบวกหมายถึงพลังงานที่เราต้องมอบให้กับ MLC PST และค่าลบหมายถึงพลังงานที่เราดึงออกมาจากพวกมัน ดังนั้นพลังงานที่ได้รับ กำลังสัมพัทธ์สำหรับรอบการรวบรวมที่กำหนดถูกกำหนดโดยการหารพลังงานที่รวบรวมไว้ด้วยระยะเวลา τ ของรอบทั้งหมด
ข้อมูลทั้งหมดนำเสนอในข้อความหลักหรือในข้อมูลเพิ่มเติม จดหมายและการร้องขอเอกสารควรถูกส่งไปยังแหล่งที่มาของข้อมูล AT หรือ ED ที่ให้มาพร้อมกับบทความนี้
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC การทบทวนการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไมโครเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงาน Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC การทบทวนการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไมโครเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานAndo Junior, Ohio, Maran, ALO และ Henao, NC ภาพรวมของการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไมโครเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงาน Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO และ Henao, NC กำลังพิจารณาการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไมโครเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานประวัติย่อ. สนับสนุน. ฉบับปรับปรุงพลังงาน 91, 376–393 (2018)
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC วัสดุไฟฟ้าโซลาร์เซลล์: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคต Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC วัสดุไฟฟ้าโซลาร์เซลล์: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตPolman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. และ Sinke, วัสดุไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ VK: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคต Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC ผู้ดูแล: 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC วัสดุพลังงานแสงอาทิตย์: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตPolman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. และ Sinke, วัสดุไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ VK: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตวิทยาศาสตร์ 352, aad4424 (2016)
Song, K. , Zhao, R. , Wang, ZL & Yang, Y. เอฟเฟกต์ไพโร - เพียโซอิเล็กทริกที่เชื่อมต่อกันสำหรับการตรวจจับอุณหภูมิและความดันพร้อมกันที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง Song, K. , Zhao, R. , Wang, ZL & Yang, Y. เอฟเฟกต์ pyro-piezoelectric ที่เชื่อมต่อกันสำหรับการตรวจจับอุณหภูมิและความดันพร้อมกันที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองSong K., Zhao R., Wang ZL และ Yan Yu เอฟเฟกต์ไพโรเพียโซอิเล็กทริกแบบผสมผสานสำหรับการวัดอุณหภูมิและความดันพร้อมกันโดยอัตโนมัติ 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. สำหรับการจ่ายพลังงานด้วยตนเองในเวลาเดียวกันกับอุณหภูมิและความดันSong K., Zhao R., Wang ZL และ Yan Yu เอฟเฟกต์เทอร์โมพีโซอิเล็กทริกแบบรวมสำหรับการวัดอุณหภูมิและความดันพร้อมกันโดยอัตโนมัติซึ่งไปข้างหน้า. โรงเรียนเก่า 31, 1902831 (2019)
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้วัฏจักรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson ในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบคลายเครียด Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้วัฏจักรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson ในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบคลายเครียดSebald G., Prouvost S. และ Guyomar D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยอิงจากวัฏจักรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson ในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบผ่อนคลายSebald G., Prouvost S. และ Guyomar D. การเก็บเกี่ยวพลังงานในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบผ่อนคลายโดยอิงจากการปั่นจักรยานแบบไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson โรงเรียนเก่าที่ชาญฉลาด โครงสร้าง. 17 ก.ค. 15012 (2550)
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW วัสดุไฟฟ้าแคลอรี่และไพโรอิเล็กทริกยุคถัดไปสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนด้วยไฟฟ้าในสถานะของแข็ง Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW วัสดุไฟฟ้าแคลอรี่และไพโรอิเล็กทริกยุคถัดไปสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนด้วยไฟฟ้าในสถานะของแข็ง Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного реобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. และอะไรอีก, RW วัสดุไฟฟ้าแคลอรี่และไพโรอิเล็กทริกรุ่นต่อไปสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนด้วยไฟฟ้าในสถานะของแข็ง 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. และอะไรอีก, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного реобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. และอะไรอีก, RW วัสดุไฟฟ้าแคลอรี่และไพโรอิเล็กทริกรุ่นต่อไปสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนด้วยไฟฟ้าในสถานะของแข็งเลดี้บูล. 39, 1099–1109 (2014)
Zhang, K. , Wang, Y. , Wang, ZL & Yang, Y. มาตรฐานและคุณค่าสำหรับการวัดปริมาณประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้านาโนแบบไพโรอิเล็กทริก Zhang, K. , Wang, Y. , Wang, ZL & Yang, Y. มาตรฐานและคุณค่าสำหรับการวัดปริมาณประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้านาโนแบบไพโรอิเล็กทริกจาง, เค, วัง, วาย., วัง, ZL และหยาง, หยู. คะแนนมาตรฐานและคุณภาพสำหรับการวัดปริมาณประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดนาโนแบบไพโรอิเล็กทริก 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。 จาง, เค, วัง, วาย., วัง, ZL และหยาง, วาย.จาง, เค, วัง, วาย., วัง, ZL และหยาง, หยู. เกณฑ์และการวัดประสิทธิภาพสำหรับการวัดปริมาณประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดนาโนแบบไพโรอิเล็กทริกพลังงานนาโน 55, 534–540 (2019)
Crossley, S. , Nair, B. , Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าในตะกั่วสแกนเดียมแทนทาเลตด้วยการฟื้นฟูที่แท้จริงผ่านการแปรผันของสนาม Crossley, S. , Nair, B. , Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าในตะกั่วสแกนเดียมแทนทาเลตด้วยการฟื้นฟูที่แท้จริงผ่านการแปรผันของสนามCrossley, S. , Nair, B. , Watmore, RW, Moya, X. และ Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าในตะกั่ว - แคนเดียมแทนทาเลตด้วยการฟื้นฟูที่แท้จริงโดยการปรับเปลี่ยนสนาม 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., อะไรอีก, RW, Moya, X. และ Mathur, ND. แทนทาลัม酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在线电影。Crossley, S. , Nair, B. , Watmore, RW, Moya, X. และ Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยความร้อนด้วยไฟฟ้าของแทนทาเลตตะกั่วสแกนเดียมสำหรับการฟื้นฟูที่แท้จริงผ่านการกลับสนามฟิสิกส์ Rev. X 9, 41002 (2019)
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND วัสดุแคลอรี่ใกล้กับการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิก Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND วัสดุแคลอรี่ใกล้กับการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิกMoya, X., Kar-Narayan, S. และ Mathur, ND วัสดุแคลอรี่ใกล้กับการเปลี่ยนเฟสเฟอร์รอยด์ 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 วัสดุความร้อนใกล้กับโลหะวิทยาเหล็กMoya, X., Kar-Narayan, S. และ Mathur, ND วัสดุความร้อนใกล้การเปลี่ยนเฟสของเหล็กแนท. โรงเรียนเก่า 13, 439–450 (2014)
Moya, X. & Mathur, ND วัสดุแคลอรี่สำหรับทำความเย็นและให้ความร้อน Moya, X. & Mathur, ND วัสดุแคลอรี่สำหรับทำความเย็นและให้ความร้อนMoya, X. และ Mathur, ND วัสดุระบายความร้อนสำหรับทำความเย็นและให้ความร้อน Moya, X. & Mathur, ND 用于冷和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND วัสดุระบายความร้อนสำหรับทำความเย็นและให้ความร้อนMoya X. และ Mathur ND วัสดุระบายความร้อนสำหรับทำความเย็นและให้ความร้อนวิทยาศาสตร์ 370, 797–803 (2020)
Torelló, A. & Defay, E. เครื่องทำความเย็นแบบไฟฟ้า: บทวิจารณ์ Torelló, A. & Defay, E. เครื่องทำความเย็นแบบไฟฟ้า: บทวิจารณ์Torello, A. และ Defay, E. เครื่องทำความเย็นแบบไฟฟ้า: บทวิจารณ์ Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. และ Defay, E. เครื่องทำความเย็นด้วยไฟฟ้า: บทวิจารณ์ขั้นสูง. อิเล็กทรอนิกส์ โรงเรียนเก่า 8. 2101031 (2022)
Nuchokgwe, Y. และคณะ ประสิทธิภาพการใช้พลังงานมหาศาลของวัสดุไฟฟ้าแคลอรี่ในสแกนเดียม-สแกนเดียม-ตะกั่วที่มีลำดับสูง การสื่อสารระดับชาติ 12, 3298 (2021)
แนร์ บี และคณะ ผลกระทบทางไฟฟ้าความร้อนของตัวเก็บประจุหลายชั้นออกไซด์มีขนาดใหญ่ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ธรรมชาติ 575, 468–472 (2019)
Torello, A. และคณะ ช่วงอุณหภูมิกว้างมากในเครื่องกำเนิดความร้อนด้วยไฟฟ้า วิทยาศาสตร์ 370, 125–129 (2020)
วังวายและคณะ ระบบระบายความร้อนด้วยไฟฟ้าโซลิดสเตตประสิทธิภาพสูง วิทยาศาสตร์ 370, 129–133 (2020)
Meng, Y. และคณะ อุปกรณ์ระบายความร้อนด้วยไฟฟ้าแบบ Cascade เพื่อเพิ่มอุณหภูมิอย่างมาก พลังงานแห่งชาติ 5, 996–1002 (2020)
Olsen, RB & Brown, DD การแปลงความร้อนโดยตรงเป็นการวัดค่าไพโรอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้องกับพลังงานไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง Olsen, RB & Brown, DD การแปลงความร้อนโดยตรงเป็นการวัดค่าไพโรอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้องกับพลังงานไฟฟ้าโดยตรงที่มีประสิทธิภาพสูงOlsen, RB และ Brown, DD การแปลงความร้อนโดยตรงเป็นพลังงานไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับการวัดแบบไพโรอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพสูง Olsen, RB & Brown, DD รับผิดชอบเรื่อง โอลเซ่น RB และบราวน์ DDOlsen, RB และ Brown, DD การแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยตรงอย่างมีประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับการวัดแบบไพโรอิเล็กทริกเฟอร์โรอิเล็กทริกส์ 40, 17–27 (1982)
Pandya, S. และคณะ พลังงานและความหนาแน่นของพลังงานในฟิล์มเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแล็กเซอร์แบบบาง โรงเรียนเก่าแห่งชาติ https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน: การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียทางไฟฟ้า Smith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน: การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียทางไฟฟ้าSmith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน: การเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการเพิ่มประสิทธิภาพการสูญเสียทางไฟฟ้า Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 สมิธ เอเอ็น และฮันราฮาน บีเอ็มSmith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน: การเพิ่มประสิทธิภาพของการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียทางไฟฟ้าเจ. ใบสมัคร. ฟิสิกส์. 128, 24103 (2020)
Hoch, SR การใช้วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกเพื่อแปลงพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า กระบวนการ. IEEE 51, 838–845 (1963)
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อนOlsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานแบบไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อนเฟอร์โรอิเล็กทริก 59, 205–219 (1984)
Shebanov, L. & Borman, K. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งแทนทาเลทตะกั่ว-แคนเดียมที่มีผลทางไฟฟ้าสูง Shebanov, L. & Borman, K. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งแทนทาเลทตะกั่ว-แคนเดียมที่มีผลทางไฟฟ้าสูงShebanov L. และ Borman K. เกี่ยวกับสารละลายที่เป็นของแข็งของลีด-แคนเดียมแทนทาเลตที่มีฤทธิ์ทางไฟฟ้าสูง Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 ชีบานอฟ แอล. และบอร์แมน เค.Shebanov L. และ Borman K. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งของสแกนเดียม-ตะกั่ว-สแกนเดียมที่มีเอฟเฟกต์ไฟฟ้าแคลอรี่สูงเฟอร์โรอิเล็กทริก 127, 143–148 (1992)
เราขอขอบคุณ N. Furusawa, Y. Inoue และ K. Honda สำหรับความช่วยเหลือในการสร้าง MLC PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB และ ED ขอขอบคุณมูลนิธิวิจัยแห่งชาติลักเซมเบิร์ก (FNR) ที่สนับสนุนงานนี้ผ่าน CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- ซีเบนทริตต์, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay และ BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay
ภาควิชาวิจัยและเทคโนโลยีวัสดุ, สถาบันเทคโนโลยีลักเซมเบิร์ก (LIST), เบลวัวร์, ลักเซมเบิร์ก