การจัดหาแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ยั่งยืนเป็นหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดของศตวรรษนี้ งานวิจัยด้านวัสดุเก็บเกี่ยวพลังงานล้วนมีพื้นฐานมาจากแรงจูงใจนี้ ซึ่งรวมถึงเทอร์โมอิเล็กทริก1 โฟโตโวลตาอิก2 และเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก3 แม้ว่าเราจะขาดแคลนวัสดุและอุปกรณ์ที่สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานในระดับจูลได้ แต่วัสดุไพโรอิเล็กทริกที่สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นระยะๆ ถือเป็นเซ็นเซอร์4 และเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงาน5,6,7 ในที่นี้ เราได้พัฒนาเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนระดับมหภาคในรูปแบบของตัวเก็บประจุแบบหลายชั้นที่ทำจากตะกั่วแคนเดียมแทนทาเลต 42 กรัม ซึ่งผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ 11.2 จูลต่อวัฏจักรเทอร์โมไดนามิกส์ โมดูลไพโรอิเล็กทริกแต่ละโมดูลสามารถสร้างความหนาแน่นพลังงานไฟฟ้าได้สูงถึง 4.43 จูลต่อลูกบาศก์เซนติเมตรต่อวัฏจักร เรายังแสดงให้เห็นว่าโมดูลสองโมดูลที่มีน้ำหนัก 0.3 กรัมนั้นเพียงพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานอัตโนมัติที่มีไมโครคอนโทรลเลอร์และเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิในตัวได้อย่างต่อเนื่อง สุดท้ายนี้ เราแสดงให้เห็นว่าในช่วงอุณหภูมิ 10 เคลวิน ตัวเก็บประจุแบบหลายชั้นเหล่านี้สามารถบรรลุประสิทธิภาพคาร์โนต์ได้ถึง 40% คุณสมบัติเหล่านี้เกิดจาก (1) การเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกเพื่อประสิทธิภาพสูง (2) กระแสไฟรั่วต่ำเพื่อป้องกันการสูญเสีย และ (3) แรงดันพังทลายสูง เครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานไพโรอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพ ปรับขนาดได้ และมหภาคเหล่านี้กำลังสร้างวิสัยทัศน์ใหม่ให้กับการผลิตพลังงานเทอร์โมอิเล็กทริก
เมื่อเปรียบเทียบกับการไล่ระดับอุณหภูมิเชิงพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก การเก็บเกี่ยวพลังงานของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกจำเป็นต้องมีการหมุนเวียนของอุณหภูมิเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งหมายถึงวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่งอธิบายได้ดีที่สุดโดยแผนภาพเอนโทรปี (S)-อุณหภูมิ (T) รูปที่ 1a แสดงกราฟ ST ทั่วไปของวัสดุไพโรอิเล็กทริกแบบไม่เชิงเส้น (NLP) ซึ่งแสดงการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริก-พาราอิเล็กทริกที่ขับเคลื่อนด้วยสนามในสแกนเดียมลีดแทนทาเลต (PST) ส่วนสีน้ำเงินและสีเขียวของวัฏจักรบนแผนภาพ ST สอดคล้องกับพลังงานไฟฟ้าที่แปลงแล้วในวัฏจักร Olson (ส่วนไอโซเทอร์มอลสองส่วนและไอโซโพลสองส่วน) ในที่นี้ เราพิจารณาวัฏจักรสองวัฏจักรที่มีการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าเหมือนกัน (สนามเปิดและปิด) และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ΔT แม้ว่าจะมีอุณหภูมิเริ่มต้นที่ต่างกัน วัฏจักรสีเขียวไม่ได้อยู่ในบริเวณการเปลี่ยนเฟส จึงมีพื้นที่น้อยกว่าวัฏจักรสีน้ำเงินที่อยู่ในบริเวณการเปลี่ยนเฟสมาก ในแผนภาพ ST ยิ่งพื้นที่มีขนาดใหญ่เท่าใด พลังงานที่สะสมก็จะมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น การเปลี่ยนเฟสจึงต้องสะสมพลังงานมากขึ้น ความจำเป็นในการหมุนเวียนพื้นที่ขนาดใหญ่ใน NLP นั้นคล้ายคลึงกับความจำเป็นในการใช้งานทางไฟฟ้าความร้อน9, 10, 11, 12 ซึ่งตัวเก็บประจุแบบหลายชั้น PST (MLC) และเทอร์โพลิเมอร์ที่ใช้ PVDF ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการระบายความร้อนย้อนกลับที่ยอดเยี่ยม สถานะประสิทธิภาพการทำความเย็นในวงจร 13, 14, 15, 16 ดังนั้นเราจึงได้ระบุ MLC แบบ PST ที่น่าสนใจสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อน ตัวอย่างเหล่านี้ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดในวิธีการและคุณลักษณะในหมายเหตุประกอบเพิ่มเติม 1 (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด), 2 (การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์) และ 3 (การวัดค่าความร้อน)
ก. ภาพร่างกราฟเอนโทรปี (S)-อุณหภูมิ (T) ที่แสดงสนามไฟฟ้าเปิดและปิดบนวัสดุ NLP แสดงการเปลี่ยนเฟส วัฏจักรการรวบรวมพลังงานสองวัฏจักรแสดงอยู่ในสองโซนอุณหภูมิที่แตกต่างกัน วัฏจักรสีน้ำเงินและสีเขียวเกิดขึ้นภายในและภายนอกช่วงการเปลี่ยนเฟสตามลำดับ และสิ้นสุดในบริเวณที่แตกต่างกันมากบนพื้นผิว ข. วงแหวนยูนิโพลาร์ DE PST MLC สองวง หนา 1 มม. วัดได้ระหว่าง 0 ถึง 155 กิโลโวลต์ cm-1 ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส และ 90 องศาเซลเซียส ตามลำดับ และวัฏจักร Olsen ที่สอดคล้องกัน ตัวอักษร ABCD หมายถึงสถานะต่างๆ ในวัฏจักร Olson AB: MLC ถูกประจุที่ 155 กิโลโวลต์ cm-1 ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส BC: MLC ถูกคงไว้ที่ 155 กิโลโวลต์ cm-1 และเพิ่มอุณหภูมิเป็น 90 องศาเซลเซียส CD: MLC ถูกคายประจุที่อุณหภูมิ 90 องศาเซลเซียส DA: MLC ถูกทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียสในสนามไฟฟ้าศูนย์ พื้นที่สีน้ำเงินแสดงถึงกำลังไฟฟ้าขาเข้าที่จำเป็นสำหรับการเริ่มวัฏจักร พื้นที่สีส้มคือพลังงานที่เก็บรวบรวมได้ในหนึ่งรอบ c, แผงด้านบน, แรงดันไฟฟ้า (สีดำ) และกระแสไฟฟ้า (สีแดง) เทียบกับเวลา ซึ่งติดตามในวงจร Olson เดียวกันกับ b แผ่นแทรกสองแผ่นแสดงการขยายของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ณ จุดสำคัญในวงจร ในแผงด้านล่าง เส้นโค้งสีเหลืองและสีเขียวแสดงเส้นโค้งอุณหภูมิและพลังงานที่สอดคล้องกันตามลำดับ สำหรับ MLC หนา 1 มม. พลังงานคำนวณจากเส้นโค้งกระแสและแรงดันไฟฟ้าบนแผงด้านบน พลังงานเชิงลบสอดคล้องกับพลังงานที่เก็บรวบรวมได้ ขั้นตอนที่สอดคล้องกับตัวอักษรพิมพ์ใหญ่ในสี่ตัวเลขจะเหมือนกับในวงจร Olson วงจร AB'CD สอดคล้องกับวงจร Stirling (หมายเหตุเพิ่มเติม 7)
โดยที่ E และ D คือสนามไฟฟ้าและสนามไฟฟ้ากระจัดตามลำดับ Nd สามารถหาได้จากวงจร DE (รูปที่ 1b) ทางอ้อม หรือโดยตรงจากการเริ่มวงจรเทอร์โมไดนามิก วิธีการที่มีประโยชน์ที่สุดได้รับการอธิบายโดย Olsen ในงานบุกเบิกของเขาเกี่ยวกับการรวบรวมพลังงานไพโรอิเล็กทริกในช่วงทศวรรษ 198017
รูปที่ 1b แสดงลูป DE แบบโมโนโพลาร์สองวง หนา 1 มม. ประกอบขึ้นเป็นชิ้น PST-MLC ที่อุณหภูมิ 20°C และ 90°C ตามลำดับ ในช่วงแรงดันไฟฟ้า 0 ถึง 155 kV cm-1 (600 V) วงจรทั้งสองนี้สามารถใช้เพื่อคำนวณพลังงานที่เก็บรวบรวมโดยวงจร Olson ดังแสดงในรูปที่ 1a โดยอ้อม อันที่จริง วงจร Olsen ประกอบด้วยสองสาขา isofield (ในที่นี้คือสนามไฟฟ้าศูนย์ในสาขา DA และ 155 kV cm-1 ในสาขา BC) และสองสาขา isothermal (ในที่นี้คือ 20°C และ 20°C ในสาขา AB) และ C ในสาขา CD) พลังงานที่เก็บรวบรวมได้ในระหว่างวงจรสอดคล้องกับบริเวณสีส้มและสีน้ำเงิน (อินทิกรัล EdD) พลังงานที่เก็บรวบรวมได้ Nd คือผลต่างระหว่างพลังงานขาเข้าและขาออก กล่าวคือเฉพาะพื้นที่สีส้มในรูปที่ 1b วงจร Olson นี้ให้ความหนาแน่นพลังงาน Nd ที่ 1.78 J cm-3 วัฏจักรสเตอร์ลิงเป็นทางเลือกหนึ่งของวัฏจักรโอลสัน (หมายเหตุเพิ่มเติม 7) เนื่องจากสามารถเข้าถึงขั้นตอนประจุคงที่ (วงจรเปิด) ได้ง่ายกว่า ความหนาแน่นพลังงานที่ได้จากรูปที่ 1b (วัฏจักร AB'CD) จึงสูงถึง 1.25 J cm-3 ซึ่งเป็นเพียง 70% ของปริมาณที่วัฏจักรโอลสันสามารถรวบรวมได้ แต่อุปกรณ์เก็บเกี่ยวแบบธรรมดาสามารถทำได้
นอกจากนี้ เรายังวัดพลังงานที่เก็บรวบรวมได้ในระหว่างรอบ Olson โดยตรงโดยการจ่ายพลังงานให้กับ PST MLC โดยใช้แท่นควบคุมอุณหภูมิ Linkam และเครื่องวัดแหล่งกำเนิด (วิธีการ) รูปที่ 1c ที่ด้านบนและในภาพที่แทรกตามลำดับแสดงกระแส (สีแดง) และแรงดัน (สีดำ) ที่เก็บรวบรวมได้จาก PST MLC หนา 1 มม. เดียวกันกับลูป DE ที่ผ่านรอบ Olson เดียวกัน กระแสและแรงดันทำให้สามารถคำนวณพลังงานที่เก็บรวบรวมได้ และเส้นโค้งจะแสดงในรูปที่ 1c ด้านล่าง (สีเขียว) และอุณหภูมิ (สีเหลือง) ตลอดรอบ ตัวอักษร ABCD แสดงถึงรอบ Olson เดียวกันในรูปที่ 1 การชาร์จ MLC เกิดขึ้นในช่วงขา AB และดำเนินการที่กระแสต่ำ (200 µA) ดังนั้น SourceMeter จึงสามารถควบคุมการชาร์จได้อย่างถูกต้อง ผลที่ตามมาของกระแสเริ่มต้นคงที่นี้คือเส้นโค้งแรงดัน (เส้นโค้งสีดำ) ไม่เป็นเชิงเส้นเนื่องจากสนามศักย์ไฟฟ้าเคลื่อนที่แบบไม่เชิงเส้น D PST (รูปที่ 1c, ภาพแทรกด้านบน) เมื่อสิ้นสุดการชาร์จ พลังงานไฟฟ้า 30 mJ จะถูกเก็บไว้ใน MLC (จุด B) จากนั้น MLC จะร้อนขึ้นและเกิดกระแสลบ (และกระแสลบ) ในขณะที่แรงดันไฟฟ้ายังคงอยู่ที่ 600 V หลังจาก 40 วินาที เมื่ออุณหภูมิถึงจุดสูงสุดที่ 90 °C กระแสนี้จะถูกชดเชย แม้ว่าตัวอย่างขั้นบันไดที่สร้างขึ้นในวงจรจะมีกำลังไฟฟ้า 35 mJ ในช่วงไอโซฟิลด์นี้ (ภาพแทรกที่สองในรูปที่ 1c ด้านบน) จากนั้นแรงดันไฟฟ้าบน MLC (สาขา CD) จะลดลง ส่งผลให้มีงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 60 mJ พลังงานเอาต์พุตรวมคือ 95 mJ พลังงานที่เก็บรวบรวมได้คือผลต่างระหว่างพลังงานอินพุตและพลังงานเอาต์พุต ซึ่งให้ 95 – 30 = 65 mJ ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นพลังงาน 1.84 J cm-3 ซึ่งใกล้เคียงกับ Nd ที่สกัดได้จากวงแหวน DE มาก ความสามารถในการทำซ้ำของวัฏจักร Olson นี้ได้รับการทดสอบอย่างกว้างขวาง (หมายเหตุเพิ่มเติม 4) โดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิเพิ่มเติม เราได้ค่า 4.43 J cm-3 โดยใช้ Olsen cycles ใน PST MLC หนา 0.5 มม. ในช่วงอุณหภูมิ 750 V (195 kV cm-1) และ 175 °C (หมายเหตุเพิ่มเติม 5) ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพที่ดีที่สุดที่รายงานในเอกสารสำหรับ Olson cycles โดยตรงถึงสี่เท่า และได้มาจากฟิล์มบางของ Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3)18 (ซม. ตารางเสริม 1 สำหรับค่าเพิ่มเติมในเอกสาร) ประสิทธิภาพดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากกระแสไฟรั่วที่ต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10−7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูรายละเอียดในหมายเหตุเสริม 6) ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่ Smith et al.19 กล่าวถึง ซึ่งแตกต่างจากวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งก่อน17,20 ประสิทธิภาพดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากกระแสไฟรั่วที่ต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10−7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูรายละเอียดในหมายเหตุเสริม 6) ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่ Smith et al.19 กล่าวถึง ซึ่งแตกต่างจากวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งก่อน17,20 Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В 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. ลักษณะเฉพาะเหล่านี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากกระแสไฟรั่วที่ต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10–7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูหมายเหตุเสริม 6 สำหรับรายละเอียด) ซึ่งเป็นจุดวิกฤตที่ Smith et al. 19 กล่าวถึง ซึ่งแตกต่างจากวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งก่อน17,20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 ของ 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 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. เนื่องจากกระแสไฟรั่วของ MLC เหล่านี้มีค่าต่ำมาก (<10–7 A ที่ 750 V และ 180 °C โปรดดูรายละเอียดในหมายเหตุเพิ่มเติม 6) ซึ่งเป็นประเด็นสำคัญที่ Smith et al. 19 กล่าวถึง เพื่อการเปรียบเทียบ จึงสามารถบรรลุประสิทธิภาพดังกล่าวได้กับวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งก่อน 17,20.
เงื่อนไขเดียวกัน (600 โวลต์, 20–90 °C) ใช้กับวัฏจักรสเตอร์ลิง (หมายเหตุเพิ่มเติม 7) ตามที่คาดไว้จากผลลัพธ์ของวัฏจักร DE ผลผลิตคือ 41.0 มิลลิจูล หนึ่งในคุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของวัฏจักรสเตอร์ลิงคือความสามารถในการขยายแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นผ่านปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริก เราสังเกตเห็นอัตราขยายแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 39 (จากแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น 15 โวลต์ ถึงแรงดันไฟฟ้าสุดท้ายสูงถึง 590 โวลต์ ดูรูปเพิ่มเติม 7.2)
ลักษณะเด่นอีกประการหนึ่งของ MLC เหล่านี้คือเป็นวัตถุขนาดมหภาคที่มีขนาดใหญ่พอที่จะรวบรวมพลังงานในช่วงจูล ดังนั้น เราจึงสร้างเครื่องเก็บเกี่ยวต้นแบบ (HARV1) โดยใช้ PST 28 MLC หนา 1 มม. ตามแบบแผ่นขนานเดียวกับที่ Torello และคณะ 14 อธิบายไว้ ในเมทริกซ์ขนาด 7×4 ดังแสดงในรูปที่ ของไหลไดอิเล็กทริกที่นำความร้อนในท่อร่วมจะถูกแทนที่โดยปั๊มบีบระหว่างสองถังเก็บ ซึ่งรักษาอุณหภูมิของของไหลให้คงที่ (วิธีการ) รวบรวมพลังงานได้สูงสุด 3.1 J โดยใช้วัฏจักร Olson ที่อธิบายไว้ในรูปที่ 2a บริเวณไอโซเทอร์มอลที่ 10°C และ 125°C และบริเวณไอโซฟิลด์ที่ 0 และ 750 V (195 kV cm-1) ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นพลังงานที่ 3.14 J cm-3 การวัดค่าโดยใช้เครื่องรวมนี้ดำเนินการภายใต้สภาวะต่างๆ (รูปที่ 2b) โปรดทราบว่าค่า 1.8 J ได้มาในช่วงอุณหภูมิ 80 °C และแรงดันไฟฟ้า 600 V (155 kV cm-1) ซึ่งสอดคล้องกับค่า 65 mJ ที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้สำหรับ PST MLC หนา 1 มม. ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน (28 × 65 = 1820 mJ)
ก. การติดตั้งต้นแบบ HARV1 ที่ประกอบขึ้นจาก MLC PST จำนวน 28 ตัว หนา 1 มม. (4 แถว × 7 คอลัมน์) ที่ทำงานบนวงจร Olson ในแต่ละขั้นตอนของวงจรทั้งสี่ จะมีการระบุอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าไว้ในต้นแบบ คอมพิวเตอร์จะขับเคลื่อนปั๊มแบบ peristaltic ที่หมุนเวียนของเหลวไดอิเล็กทริกระหว่างแหล่งจ่ายน้ำเย็นและน้ำร้อน วาล์วสองตัว และแหล่งจ่ายไฟ คอมพิวเตอร์ยังใช้เทอร์โมคัปเปิลเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับต้นแบบ และอุณหภูมิของเครื่องผสมจากแหล่งจ่ายไฟ ข. พลังงาน (สี) ที่เก็บรวบรวมโดยต้นแบบ MLC 4×7 ของเรา เทียบกับช่วงอุณหภูมิ (แกน X) และแรงดันไฟฟ้า (แกน Y) ในการทดลองต่างๆ
เครื่องเก็บเกี่ยวขนาดใหญ่กว่า (HARV2) ที่ใช้ PST MLC 60 ตัน หนา 1 มม. และ PST MLC 160 ตัน หนา 0.5 มม. (วัสดุไพโรอิเล็กทริกแอคทีฟ 41.7 กรัม) ให้พลังงาน 11.2 จูล (หมายเหตุเพิ่มเติม 8) ในปี พ.ศ. 2527 โอลเซนได้ผลิตเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้สารประกอบ Pb(Zr,Ti)O3 ที่ถูกเจือด้วยดีบุก 317 กรัม ซึ่งสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าได้ 6.23 จูลที่อุณหภูมิประมาณ 150 องศาเซลเซียส (อ้างอิง 21) สำหรับเครื่องเก็บเกี่ยวนี้ นี่เป็นค่าเดียวเท่านั้นที่มีอยู่ในช่วงจูล ซึ่งมีค่ามากกว่าครึ่งหนึ่งของที่เราทำได้ และมีคุณภาพดีกว่าเกือบเจ็ดเท่า ซึ่งหมายความว่าความหนาแน่นพลังงานของ HARV2 สูงกว่าถึง 13 เท่า
รอบการทำงานของ HARV1 คือ 57 วินาที ซึ่งผลิตพลังงานได้ 54 มิลลิวัตต์ ด้วยชุด MLC หนา 1 มม. จำนวน 4 แถว แถวละ 7 คอลัมน์ เพื่อพัฒนาไปอีกขั้น เราได้สร้างชุดรวมที่สาม (HARV3) ที่ใช้ PST MLC หนา 0.5 มม. และการติดตั้งที่คล้ายกับ HARV1 และ HARV2 (หมายเหตุเพิ่มเติม 9) เราวัดเวลาเทอร์มอลไลเซชันได้ 12.5 วินาที ซึ่งเทียบเท่ากับเวลารอบการทำงาน 25 วินาที (รูปที่ 9 เพิ่มเติม) พลังงานที่สะสมได้ (47 มิลลิจูล) ให้พลังงานไฟฟ้า 1.95 มิลลิวัตต์ต่อ MLC ซึ่งทำให้เราสามารถจินตนาการได้ว่า HARV2 ผลิตพลังงานได้ 0.55 วัตต์ (ประมาณ 1.95 มิลลิวัตต์ × 280 PST MLC หนา 0.5 มม.) นอกจากนี้ เรายังได้จำลองการถ่ายเทความร้อนโดยใช้การจำลององค์ประกอบไฟไนต์ (COMSOL, หมายเหตุเพิ่มเติม 10 และตารางเสริม 2–4) ซึ่งสอดคล้องกับการทดลอง HARV1 การสร้างแบบจำลององค์ประกอบไฟไนต์ทำให้สามารถคาดการณ์ค่ากำลังไฟฟ้าที่สูงขึ้นเกือบหนึ่งลำดับ (430 มิลลิวัตต์) สำหรับคอลัมน์ PST จำนวนเท่ากัน โดยการลดขนาด MLC ลงเหลือ 0.2 มิลลิเมตร ใช้น้ำเป็นสารหล่อเย็น และปรับเมทริกซ์กลับเป็น 7 แถว × 4 คอลัมน์ (นอกเหนือจากนั้น ยังมีกำลังไฟฟ้า 960 มิลลิวัตต์เมื่อถังอยู่ติดกับเครื่องผสม (ภาพเสริม 10b)
เพื่อแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของตัวเก็บประจุนี้ จึงได้นำวงจรสเตอร์ลิงมาใช้กับตัวสาธิตแบบสแตนด์อโลน ซึ่งประกอบด้วย MLC แบบ PST หนา 0.5 มม. เพียงสองตัวเป็นตัวเก็บความร้อน สวิตช์แรงดันสูง สวิตช์แรงดันต่ำพร้อมตัวเก็บประจุสำรอง ตัวแปลง DC/DC ไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังต่ำ เทอร์โมคัปเปิลสองตัว และตัวแปลงบูสต์ (หมายเหตุเพิ่มเติม 11) วงจรนี้กำหนดให้ตัวเก็บประจุสำรองถูกชาร์จที่ 9V ในขั้นต้น จากนั้นจึงทำงานโดยอัตโนมัติในขณะที่อุณหภูมิของ MLC ทั้งสองอยู่ในช่วง -5°C ถึง 85°C โดยในรอบ 160 วินาที (แสดงหลายรอบในหมายเหตุเพิ่มเติม 11) ที่น่าทึ่งคือ MLC สองตัวที่มีน้ำหนักเพียง 0.3 กรัม สามารถควบคุมระบบขนาดใหญ่นี้โดยอัตโนมัติ คุณสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือตัวแปลงแรงดันต่ำสามารถแปลงแรงดันไฟฟ้า 400V เป็น 10-15V ได้อย่างมีประสิทธิภาพ 79% (หมายเหตุเพิ่มเติม 11 และภาพเสริม 11.3)
สุดท้าย เราได้ประเมินประสิทธิภาพของโมดูล MLC เหล่านี้ในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า ปัจจัยคุณภาพ η ของประสิทธิภาพถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนของความหนาแน่นของพลังงานไฟฟ้าที่เก็บรวบรวมได้ Nd ต่อความหนาแน่นของความร้อนที่จ่าย Qin (หมายเหตุเพิ่มเติม 12):
รูปที่ 3a,b แสดงประสิทธิภาพ η และประสิทธิภาพตามสัดส่วน ηr ของวัฏจักร Olsen ตามลำดับ โดยพิจารณาจากช่วงอุณหภูมิของแผ่น PST MLC หนา 0.5 มม. ชุดข้อมูลทั้งสองนี้ใช้สำหรับสนามไฟฟ้า 195 kV cm-1 ประสิทธิภาพ ηr มีค่า 1.43% ซึ่งเทียบเท่ากับ 18% ของ ηr อย่างไรก็ตาม สำหรับช่วงอุณหภูมิ 10 K ตั้งแต่ 25 °C ถึง 35 °C ค่า ηr จะสูงถึง 40% (เส้นโค้งสีน้ำเงินในรูปที่ 3b) ซึ่งเป็นค่าที่สูงกว่าค่าที่ทราบสำหรับวัสดุ NLP ที่บันทึกไว้ในฟิล์ม PMN-PT ถึงสองเท่า (ηr = 19%) ในช่วงอุณหภูมิ 10 K และ 300 kV cm-1 (อ้างอิง 18) ช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 10 K ไม่ได้รับการพิจารณาเนื่องจากฮิสเทอรีซิสทางความร้อนของ PST MLC อยู่ระหว่าง 5 ถึง 8 K การรับรู้ถึงผลเชิงบวกของการเปลี่ยนเฟสต่อประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญ อันที่จริง ค่าที่เหมาะสมที่สุดของ η และ ηr เกือบทั้งหมดได้มาที่อุณหภูมิเริ่มต้น Ti = 25°C ในรูปที่ 3a, b เนื่องมาจากการเปลี่ยนเฟสที่ใกล้เคียงเมื่อไม่มีการใช้สนามแม่เหล็ก และอุณหภูมิคูรี TC อยู่ที่ประมาณ 20°C ใน MLC เหล่านี้ (หมายเหตุเพิ่มเติม 13)
a,b ประสิทธิภาพ η และประสิทธิภาพตามสัดส่วนของวัฏจักร Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} สำหรับค่าไฟฟ้าสูงสุดโดยสนามไฟฟ้า 195 kV cm-1 และอุณหภูมิเริ่มต้นที่ต่างกัน Ti, }}\,\)(b) สำหรับ MPC PST ที่มีความหนา 0.5 มม. ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิ ΔTspan
ข้อสังเกตหลังนี้มีความหมายสำคัญสองประการ: (1) วงจรไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพใดๆ จะต้องเริ่มต้นที่อุณหภูมิสูงกว่า TC จึงจะเกิดการเปลี่ยนเฟสเหนี่ยวนำโดยสนามไฟฟ้า (จากพาราอิเล็กทริกเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก); (2) วัสดุเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากกว่าเมื่อเวลาทำงานใกล้เคียงกับ TC แม้ว่าการทดลองของเราจะแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพขนาดใหญ่ แต่ช่วงอุณหภูมิที่จำกัดทำให้ไม่สามารถบรรลุประสิทธิภาพสัมบูรณ์ขนาดใหญ่ได้เนื่องจากขีดจำกัดของคาร์โนต์ (\(\Delta T/T\)) อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพอันยอดเยี่ยมที่แสดงโดย PST MLC เหล่านี้ได้พิสูจน์ให้ Olsen เห็นแล้วว่า “มอเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบรีเจนเนอเรทีฟคลาส 20 ที่เหมาะสมที่สุดซึ่งทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 50 °C ถึง 250 °C สามารถมีประสิทธิภาพ 30%”17 เพื่อให้ได้ค่าเหล่านี้และทดสอบแนวคิดนี้ การใช้ PST แบบโด๊ปกับ TC ที่แตกต่างกัน ดังที่ Shebanov และ Borman ได้ศึกษาจะเป็นประโยชน์ ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า TC ใน PST สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 3°C (การเจือปน Sb) ถึง 33°C (การเจือปน Ti) 22 ดังนั้น เราจึงตั้งสมมติฐานว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไพโรอิเล็กทริกรุ่นใหม่ที่ใช้ MLC PST ที่เจือปนหรือวัสดุอื่นที่มีการเปลี่ยนแปลงเฟสลำดับแรกอย่างแข็งแกร่งนั้น สามารถแข่งขันกับเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานที่ดีที่สุดได้
ในการศึกษานี้ เราได้ศึกษา MLC ที่ทำจาก PST อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยชุดอิเล็กโทรด Pt และ PST โดยเชื่อมต่อตัวเก็บประจุหลายตัวแบบขนานกัน PST ถูกเลือกเนื่องจากเป็นวัสดุ EC ที่ดีเยี่ยมและอาจเป็นวัสดุ NLP ที่ยอดเยี่ยม PST แสดงการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริก-พาราอิเล็กทริกลำดับแรกอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิประมาณ 20 °C ซึ่งบ่งชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของมันคล้ายกับที่แสดงในรูปที่ 1 MLC ที่คล้ายคลึงกันได้รับการอธิบายอย่างละเอียดสำหรับอุปกรณ์ EC13,14 ในการศึกษานี้ เราใช้ MLC ขนาด 10.4 × 7.2 × 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตร และ 10.4 × 7.2 × 0.5 ลูกบาศก์มิลลิเมตร MLC ที่มีความหนา 1 มิลลิเมตร และ 0.5 มิลลิเมตร ทำจาก PST จำนวน 19 และ 9 ชั้น ที่มีความหนา 38.6 ไมโครเมตร ตามลำดับ ในทั้งสองกรณี ชั้น PST ด้านในถูกวางระหว่างอิเล็กโทรดแพลทินัมหนา 2.05 ไมโครเมตร การออกแบบ MLC เหล่านี้สมมติว่า 55% ของ PST มีปฏิกิริยา ซึ่งสอดคล้องกับส่วนที่อยู่ระหว่างอิเล็กโทรด (หมายเหตุเพิ่มเติม 1) พื้นที่อิเล็กโทรดที่มีปฏิกิริยาคือ 48.7 ตารางมิลลิเมตร (ตารางเสริม 5) MLC PST เตรียมโดยปฏิกิริยาเฟสของแข็งและวิธีการหล่อ รายละเอียดของกระบวนการเตรียมได้อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้า14 หนึ่งในความแตกต่างระหว่าง PST MLC และบทความก่อนหน้าคือลำดับของตำแหน่ง B ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของ EC ใน PST ลำดับของตำแหน่ง B ของ PST MLC คือ 0.75 (หมายเหตุเพิ่มเติม 2) ซึ่งได้จากการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1400°C ตามด้วยการอบอ่อนที่อุณหภูมิ 1000°C เป็นเวลาหลายร้อยชั่วโมง สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ PST MLC โปรดดูหมายเหตุเพิ่มเติม 1-3 และตารางเสริม 5
แนวคิดหลักของการศึกษานี้อิงตามวัฏจักร Olson (รูปที่ 1) สำหรับวัฏจักรดังกล่าว เราจำเป็นต้องมีแหล่งกักเก็บความร้อนและความเย็น รวมถึงแหล่งจ่ายไฟที่สามารถตรวจสอบและควบคุมแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในโมดูล MLC ต่างๆ วัฏจักรโดยตรงเหล่านี้ใช้รูปแบบที่แตกต่างกันสองแบบ ได้แก่ (1) โมดูล Linkam ที่ให้ความร้อนและความเย็นแก่ MLC หนึ่งตัวที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ Keithley 2410 และ (2) ต้นแบบสามตัว (HARV1, HARV2 และ HARV3) ที่ทำงานคู่ขนานกันโดยใช้พลังงานจากแหล่งเดียวกัน ในกรณีหลังนี้ มีการใช้ของเหลวไดอิเล็กทริก (น้ำมันซิลิโคนที่มีความหนืด 5 cP ที่อุณหภูมิ 25°C ซื้อจาก Sigma Aldrich) สำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างแหล่งกักเก็บทั้งสอง (ร้อนและเย็น) และ MLC อ่างเก็บน้ำประกอบด้วยภาชนะแก้วที่บรรจุของเหลวไดอิเล็กทริกและวางอยู่บนแผ่นระบายความร้อน ห้องเก็บความเย็นประกอบด้วยอ่างน้ำที่มีท่อของเหลวบรรจุของเหลวไดอิเล็กทริกในภาชนะพลาสติกขนาดใหญ่ที่บรรจุน้ำและน้ำแข็ง วาล์วบีบสามทางสองตัว (ซื้อจาก Bio-Chem Fluidics) ถูกติดตั้งไว้ที่ปลายทั้งสองข้างของเครื่องรวมเพื่อสลับของเหลวจากถังเก็บหนึ่งไปยังอีกถังเก็บหนึ่งอย่างเหมาะสม (รูปที่ 2a) เพื่อให้แน่ใจว่าชุด PST-MLC และสารหล่อเย็นมีความสมดุลทางความร้อน จึงขยายรอบการทำงานจนกระทั่งเทอร์โมคัปเปิลทางเข้าและทางออก (ซึ่งอยู่ใกล้กับชุด PST-MLC มากที่สุด) แสดงอุณหภูมิเดียวกัน สคริปต์ Python จะจัดการและซิงโครไนซ์เครื่องมือทั้งหมด (มิเตอร์ต้นทาง ปั๊ม วาล์ว และเทอร์โมคัปเปิล) เพื่อรันวัฏจักร Olson ที่ถูกต้อง กล่าวคือ ลูปสารหล่อเย็นจะเริ่มวนรอบผ่านสแต็ก PST หลังจากมิเตอร์ต้นทางถูกชาร์จ เพื่อให้ความร้อนขึ้นถึงแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการสำหรับวัฏจักร Olson ที่กำหนด
อีกทางเลือกหนึ่ง เราได้ยืนยันการวัดพลังงานที่เก็บรวบรวมโดยตรงเหล่านี้ด้วยวิธีทางอ้อม วิธีการทางอ้อมเหล่านี้อาศัยลูปสนามไฟฟ้าแบบแทนที่ (D) – สนามไฟฟ้า (E) ที่เก็บรวบรวมที่อุณหภูมิต่างๆ และด้วยการคำนวณพื้นที่ระหว่างลูป DE สองลูป เราสามารถประมาณค่าพลังงานที่สามารถเก็บรวบรวมได้อย่างแม่นยำ ดังแสดงในรูปที่ 2.1b ลูป DE เหล่านี้ยังเก็บรวบรวมโดยใช้เครื่องวัดแหล่งกำเนิด Keithley อีกด้วย
ประกอบ PST MLC หนา 1 มม. จำนวน 28 ตัวในโครงสร้างแผ่นขนาน 4 แถว 7 คอลัมน์ ตามแบบที่อธิบายไว้ในเอกสารอ้างอิง 14. ช่องว่างของของเหลวระหว่างแถว PST-MLC คือ 0.75 มม. ซึ่งทำได้โดยการเพิ่มแถบเทปกาวสองหน้าเพื่อเป็นตัวเว้นระยะของเหลวรอบขอบของ PST MLC PST MLC เชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบขนานด้วยสะพานอีพอกซีสีเงินที่สัมผัสกับสายนำไฟฟ้า หลังจากนั้น สายไฟจะถูกติดกาวด้วยเรซินอีพอกซีสีเงินที่แต่ละด้านของขั้วอิเล็กโทรดเพื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ สุดท้าย ใส่โครงสร้างทั้งหมดลงในท่อโพลีโอเลฟิน ท่อโพลีโอเลฟินจะถูกติดกาวเข้ากับท่อของเหลวเพื่อให้แน่ใจว่ามีการปิดผนึกที่เหมาะสม สุดท้าย เทอร์โมคัปเปิลชนิด K หนา 0.25 มม. ถูกสร้างขึ้นที่ปลายแต่ละด้านของโครงสร้าง PST-MLC เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของเหลวขาเข้าและขาออก ในการทำเช่นนี้ ท่อจะต้องถูกเจาะรูก่อน หลังจากติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลแล้ว ให้ทากาวชนิดเดียวกันกับที่ใช้ก่อนระหว่างท่อเทอร์โมคัปเปิลและสายไฟเพื่อปิดผนึกอีกครั้ง
ได้สร้างต้นแบบแยกกันแปดชิ้น โดยสี่ชิ้นมี MLC PST หนา 0.5 มม. จำนวน 40 ชิ้น กระจายเป็นแผ่นขนานกัน มี 5 คอลัมน์และ 8 แถว และอีกสี่ชิ้นที่เหลือมี MLC PST หนา 1 มม. จำนวน 15 ชิ้นต่อชิ้น ในโครงสร้างแผ่นขนาน 3 คอลัมน์ × 5 แถว จำนวน PST MLC ทั้งหมดที่ใช้คือ 220 ชิ้น (160 ชิ้น หนา 0.5 มม. และ 60 ชิ้น PST MLC หนา 1 มม.) เราเรียกหน่วยย่อยทั้งสองนี้ว่า HARV2_160 และ HARV2_60 ช่องว่างของเหลวในต้นแบบ HARV2_160 ประกอบด้วยเทปสองหน้าหนา 0.25 มม. สองแผ่น โดยมีลวดหนา 0.25 มม. คั่นกลาง สำหรับต้นแบบ HARV2_60 เราทำซ้ำขั้นตอนเดียวกัน แต่ใช้ลวดหนา 0.38 มม. เพื่อความสมมาตร HARV2_160 และ HARV2_60 มีวงจรของไหล ปั๊ม วาล์ว และด้านเย็นเป็นของตัวเอง (หมายเหตุเพิ่มเติม 8) ชุด HARV2 สองชุดใช้อ่างเก็บความร้อน ถังเก็บความร้อนขนาด 3 ลิตร (30 ซม. x 20 ซม. x 5 ซม.) ร่วมกันบนแผ่นความร้อนสองแผ่นที่มีแม่เหล็กหมุน ต้นแบบทั้งแปดชุดเชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบขนาน หน่วยย่อย HARV2_160 และ HARV2_60 ทำงานพร้อมกันในวัฏจักร Olson ส่งผลให้ได้พลังงาน 11.2 จูล
ใส่ PST MLC หนา 0.5 มม. ลงในท่อโพลีโอเลฟิน โดยใช้เทปกาวสองหน้าและลวดทั้งสองด้านเพื่อสร้างช่องว่างให้ของเหลวไหลผ่าน เนื่องจากมีขนาดเล็ก ต้นแบบจึงถูกวางไว้ข้างวาล์วเก็บความร้อนหรือความเย็น ช่วยลดเวลาการทำงาน
ใน PST MLC สนามไฟฟ้าคงที่จะถูกจ่ายโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่กับสาขาความร้อน ส่งผลให้เกิดกระแสความร้อนเชิงลบและพลังงานถูกเก็บไว้ หลังจากให้ความร้อนแก่ PST MLC สนามไฟฟ้าจะถูกกำจัดออก (V = 0) และพลังงานที่เก็บไว้ในสนามไฟฟ้าจะถูกส่งกลับไปยังตัวนับแหล่งกำเนิด ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานที่สะสมไว้อีกหนึ่งส่วน สุดท้าย เมื่อแรงดันไฟฟ้า V = 0 ถูกจ่ายออกไป PST ของ MLC จะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเริ่มต้นเพื่อให้วงจรสามารถเริ่มต้นใหม่ได้ ในขั้นตอนนี้จะไม่มีการเก็บพลังงาน เราได้รันวงจร Olsen โดยใช้ Keithley 2410 SourceMeter โดยชาร์จ PST MLC จากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าและตั้งค่ากระแสให้ตรงกันตามค่าที่เหมาะสม เพื่อให้มีการเก็บสะสมพลังงานเพียงพอในระหว่างขั้นตอนการชาร์จสำหรับการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้
ในรอบสเตอร์ลิง MLC PST จะถูกชาร์จในโหมดแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่ค่าสนามไฟฟ้าเริ่มต้น (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) กระแสสอดคล้องตามต้องการเพื่อให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และรวบรวมคะแนนเพียงพอสำหรับการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้) และอุณหภูมิเย็น ในรอบสเตอร์ลิง MLC PST จะถูกชาร์จในโหมดแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่ค่าสนามไฟฟ้าเริ่มต้น (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) กระแสสอดคล้องตามต้องการเพื่อให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และรวบรวมคะแนนเพียงพอสำหรับการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้) และอุณหภูมิเย็น 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) и холодная температура. ในรอบ Stirling PST MLC พวกมันจะถูกชาร์จในโหมดแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่ค่าเริ่มต้นของสนามไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) กระแสผลผลิตที่ต้องการ ดังนั้นขั้นตอนการชาร์จจึงใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และรวบรวมคะแนนจำนวนเพียงพอสำหรับการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้) และอุณหภูมิเย็น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) ในโหมดแหล่งแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นกระแสไฟที่สอดคล้องที่ต้องการจะใช้เวลาประมาณ 1 วินาทีสำหรับขั้นตอนการชาร์จ (และเราได้รวบรวมคะแนนเพียงพอเพื่อคำนวณ (พลังงาน) และอุณหภูมิต่ำได้อย่างน่าเชื่อถือ) В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное) напряжение 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 จะถูกชาร์จในโหมดแหล่งแรงดันไฟฟ้าด้วยค่าเริ่มต้นของสนามไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) กระแสสอดคล้องที่ต้องการคือเพื่อให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และรวบรวมจุดจำนวนเพียงพอเพื่อคำนวณพลังงานได้อย่างน่าเชื่อถือ) และมีอุณหภูมิต่ำก่อนที่ PST MLC จะร้อนขึ้น ให้เปิดวงจรโดยจ่ายกระแสแมตช์ I = 0 mA (กระแสแมตช์ขั้นต่ำที่แหล่งวัดของเรารองรับได้คือ 10 nA) ส่งผลให้มีประจุเหลืออยู่ใน PST ของ MJK และแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเมื่อตัวอย่างร้อนขึ้น ไม่มีการสะสมพลังงานในอาร์ม BC เนื่องจาก I = 0 mA หลังจากอุณหภูมิสูงขึ้น แรงดันไฟฟ้าใน MLT FT จะเพิ่มขึ้น (ในบางกรณีมากกว่า 30 เท่า ดูรูปเพิ่มเติมที่ 7.2) MLK FT จะถูกคายประจุ (V = 0) และพลังงานไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ในนั้นเท่ากับประจุเริ่มต้น กระแสไฟฟ้าที่สอดคล้องเดิมจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งจ่ายมิเตอร์ เนื่องจากอัตราขยายแรงดันไฟฟ้า พลังงานที่สะสมไว้ที่อุณหภูมิสูงจึงสูงกว่าพลังงานที่จ่ายให้เมื่อเริ่มต้นวงจร ดังนั้น พลังงานจึงได้รับจากการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า
เราใช้ Keithley 2410 SourceMeter เพื่อตรวจสอบแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับ PST MLC พลังงานที่สอดคล้องกันคำนวณได้โดยการอินทิเกรตผลคูณของแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่อ่านได้จาก Source Meter ของ Keithley ซึ่งคือ \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\) โดยที่ τ คือคาบของคาบ บนกราฟพลังงานของเรา ค่าพลังงานบวกหมายถึงพลังงานที่เราต้องให้กับ MLC PST และค่าพลังงานลบหมายถึงพลังงานที่เราดึงออกมาจากพลังงานเหล่านั้น และด้วยเหตุนี้จึงหมายถึงพลังงานที่ได้รับ กำลังไฟฟ้าสัมพัทธ์สำหรับรอบการเก็บรวบรวมที่กำหนดถูกกำหนดโดยการหารพลังงานที่เก็บรวบรวมด้วยคาบ τ ของรอบทั้งหมด
ข้อมูลทั้งหมดนำเสนอในเนื้อหาหลักหรือในข้อมูลเพิ่มเติม จดหมายและคำขอเอกสารควรส่งตรงไปยังแหล่งที่มาของข้อมูล AT หรือ ED ที่ให้มาพร้อมกับบทความนี้
Ando Junior, OH, Maran, ALO และ Henao, NC การทบทวนการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไมโครเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงาน Ando Junior, OH, Maran, ALO และ Henao, NC การทบทวนการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไมโครเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานAndo Junior, โอไฮโอ, Maran, ALO และ Henao, NC ภาพรวมของการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เครื่องผลิตไมโครเจเนอเรเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงาน 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 จากรัฐโอไฮโอ เมือง Maran เมือง ALO และเมือง Henao รัฐนอร์ทแคโรไลนา กำลังพิจารณาพัฒนาและประยุกต์ใช้เครื่องผลิตไมโครเจเนอเรเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานสรุปการสนับสนุน Energy Rev. 91, 376–393 (2018)
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC วัสดุโฟโตโวลตาอิก: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคต Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC วัสดุโฟโตโวลตาอิก: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตPolman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. และ Sinke, VK วัสดุโฟโตโวลตาอิก: ประสิทธิภาพปัจจุบันและความท้าทายในอนาคต 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 วัสดุโซลาร์: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตPolman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. และ Sinke, VK วัสดุโฟโตโวลตาอิก: ประสิทธิภาพปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตวิทยาศาสตร์ 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL และ Yang, Y. เอฟเฟกต์ไพโร-พีโซอิเล็กทริกร่วมกันสำหรับการตรวจจับอุณหภูมิและความดันพร้อมกันที่สร้างพลังงานด้วยตัวเอง Song, K., Zhao, R., Wang, ZL และ Yang, Y. เอฟเฟกต์ไพโร-พีโซอิเล็กทริกร่วมกันสำหรับการตรวจจับอุณหภูมิและความดันพร้อมกันที่สร้างพลังงานด้วยตัวเองSong K., Zhao R., Wang ZL และ Yan Yu. ผลรวมของไพโรไพโซอิเล็กทริกสำหรับการวัดอุณหภูมิและความดันพร้อมกันแบบอัตโนมัติ 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. สำหรับการสร้างพลังงานด้วยตนเองในเวลาเดียวกันกับอุณหภูมิและแรงดันSong K., Zhao R., Wang ZL และ Yan Yu. ผลเทอร์โมเพียโซอิเล็กทริกแบบผสมผสานสำหรับการวัดอุณหภูมิและความดันพร้อมกันแบบอัตโนมัติส่งต่อ. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. และ Guyomar, D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้วงจรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson ในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์ Sebald, G., Pruvost, S. และ Guyomar, D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้วงจรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson ในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์Sebald G., Prouvost S. และ Guyomar D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้วงจรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson ในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์Sebald G., Prouvost S. และ Guyomar D. การเก็บเกี่ยวพลังงานในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์ โดยอาศัยการหมุนเวียนไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson โครงสร้างอัลมาแมเทอร์อัจฉริยะ 17, 15012 (2007)
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. และ Whatmore, RW วัสดุไฟฟ้าความร้อนและไพโรอิเล็กทริกรุ่นถัดไปสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนไฟฟ้าแบบโซลิดสเตต Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. และ Whatmore, RW วัสดุไฟฟ้าความร้อนและไพโรอิเล็กทริกรุ่นถัดไปสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนไฟฟ้าแบบโซลิดสเตต Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. และ Whatmore, RW วัสดุไฟฟ้าความร้อนและไพโรอิเล็กทริกรุ่นถัดไปสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนไฟฟ้าแบบสถานะของแข็ง 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。 อัลเพย์, เอสพี, แมนทีส, เจ., ทรอลิเออร์-แมคคินสตรี, เอส., จาง, คิว. และ วอทมอร์, อาร์ดับเบิลยู Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. และ Whatmore, RW วัสดุไฟฟ้าความร้อนและไพโรอิเล็กทริกรุ่นถัดไปสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนไฟฟ้าแบบสถานะของแข็งเลดี้บูล. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL และ Yang, Y. มาตรฐานและตัวเลขแสดงคุณค่าสำหรับการวัดประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดนาโนไพโรอิเล็กทริก Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL และ Yang, Y. มาตรฐานและตัวเลขแสดงคุณค่าสำหรับการวัดประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดนาโนไพโรอิเล็กทริกจาง, เค., หวัง, วาย., หวัง, แซดแอล และ หยาง, หยู. คะแนนมาตรฐานและคุณภาพสำหรับการวัดประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องกำเนิดนาโนไพโรอิเล็กทริก 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., หวัง, วาย., หวัง, แซดแอล และ หยาง, หยู. เกณฑ์และการวัดประสิทธิภาพสำหรับการวัดประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดนาโนไพโรอิเล็กทริกนาโนเอนเนอร์จี 55, 534–540 (2019)
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. และ Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าความร้อนในตะกั่วสแกนเดียมแทนทาเลตที่มีการสร้างใหม่จริงผ่านการเปลี่ยนแปลงของสนาม Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. และ Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าความร้อนในตะกั่วสแกนเดียมแทนทาเลตที่มีการสร้างใหม่จริงผ่านการเปลี่ยนแปลงของสนามCrossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. และ Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าความร้อนในแทนทาเลตตะกั่ว-สแกนเดียมที่มีการสร้างใหม่จริงโดยใช้การดัดแปลงสนาม 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 วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าความร้อนของแทนทาเลตสแกนเดียม-ลีดสำหรับการสร้างใหม่ที่แท้จริงผ่านการย้อนกลับสนามฟิสิกส์ Rev. X 9, 41002 (2019)
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND วัสดุแคลอรีใกล้การเปลี่ยนสถานะเฟอร์โรอิก Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND วัสดุแคลอรีใกล้การเปลี่ยนสถานะเฟอร์โรอิกMoya, X., Kar-Narayan, S. และ Mathur, ND วัสดุแคลอรีใกล้การเปลี่ยนเฟสเฟอร์รอยด์ 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 วัสดุความร้อนใกล้โลหะวิทยาเหล็กMoya, X., Kar-Narayan, S. และ Mathur, ND วัสดุเชิงความร้อนใกล้การเปลี่ยนสถานะเหล็กแนท. โรงเรียนเก่า 13, 439–450 (2014)
Moya, X. & Mathur, ND วัสดุแคลอรีสำหรับการทำความเย็นและความร้อน Moya, X. & Mathur, ND วัสดุแคลอรีสำหรับการทำความเย็นและความร้อนMoya, X. และ Mathur, ND วัสดุความร้อนสำหรับการทำความเย็นและทำความร้อน Moya, X. & Mathur, ND 用于冷和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND วัสดุระบายความร้อนสำหรับการทำความเย็นและทำความร้อนMoya X. และ Mathur ND วัสดุระบายความร้อนสำหรับการทำความเย็นและทำความร้อนวิทยาศาสตร์ 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. เครื่องทำความเย็นแบบไฟฟ้า: บทวิจารณ์ขั้นสูง. อิเล็กทรอนิกส์. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. และคณะ ประสิทธิภาพพลังงานมหาศาลของวัสดุอิเล็กโทรแคลอริกในสแคนเดียม-สแคนเดียม-ลีดที่มีลำดับสูง การสื่อสารแห่งชาติ 12, 3298 (2021)
Nair, B. และคณะ ผลทางไฟฟ้าความร้อนของตัวเก็บประจุแบบหลายชั้นออกไซด์มีขนาดใหญ่ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง Nature 575, 468–472 (2019)
Torello, A. และคณะ ช่วงอุณหภูมิที่กว้างในเครื่องกำเนิดความร้อนไฟฟ้า Science 370, 125–129 (2020)
Wang, Y. และคณะ ระบบระบายความร้อนด้วยไฟฟ้าโซลิดสเตตประสิทธิภาพสูง Science 370, 129–133 (2020)
Meng, Y. และคณะ อุปกรณ์ทำความเย็นไฟฟ้าความร้อนแบบเรียงซ้อนสำหรับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอย่างมาก National Energy 5, 996–1002 (2020)
Olsen, RB & Brown, DD การแปลงความร้อนโดยตรงเป็นการวัดไพโรอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้องกับพลังงานไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง Olsen, RB & Brown, DD การแปลงความร้อนโดยตรงที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นการวัดไพโรอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้องกับพลังงานไฟฟ้าOlsen, RB และ Brown, DD การแปลงความร้อนโดยตรงเป็นพลังงานไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งเกี่ยวข้องกับการวัดไพโรอิเล็กทริก Olsen, RB & Brown, DD รับผิดชอบเรื่อง โอลเซ่น, RB และ บราวน์, DDOlsen, RB และ Brown, DD การแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยตรงที่มีประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับการวัดไพโรอิเล็กทริกเฟอร์โรอิเล็กทริก 40, 17–27 (1982)
Pandya, S. และคณะ ความหนาแน่นของพลังงานและกำลังไฟฟ้าในฟิล์มเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์บาง สถาบันแห่งชาติ https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018)
Smith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน: การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียไฟฟ้า Smith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน: การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียไฟฟ้าSmith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน: การเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการเพิ่มประสิทธิภาพการสูญเสียไฟฟ้า Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 สมิธ, เอเอ็น และ ฮันราฮาน, บีเอ็มSmith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน: การเพิ่มประสิทธิภาพของการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียไฟฟ้าJ. Application. physics. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR การใช้วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกเพื่อแปลงพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า กระบวนการ IEEE 51, 838–845 (1963)
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อน Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อนOlsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไฟฟ้าไพโรอิเล็กทริกแบบ Cascade Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไฟฟ้าไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงซ้อนเฟอร์โรอิเล็กทริก 59, 205–219 (1984)
Shebanov, L. และ Borman, K. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งแทนทาเลตตะกั่ว-สแกนเดียมที่มีผลทางไฟฟ้าความร้อนสูง Shebanov, L. และ Borman, K. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งแทนทาเลตตะกั่ว-สแกนเดียมที่มีผลทางไฟฟ้าความร้อนสูงShebanov L. และ Borman K. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งของตะกั่ว-แคนเดียมแทนทาเลตที่มีผลทางไฟฟ้าความร้อนสูง Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 เชบานอฟ, แอล. และ บอร์แมน, เค.Shebanov L. และ Borman K. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งสแกนเดียม-ตะกั่ว-สแกนเดียมที่มีผลทางไฟฟ้าความร้อนสูงเฟอร์โรอิเล็กทริก 127, 143–148 (1992)
เราขอขอบคุณ N. Furusawa, Y. Inoue และ K. Honda สำหรับความช่วยเหลือในการสร้าง MLC PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB และ ED ขอขอบคุณ Luxembourg National Research Foundation (FNR) สำหรับการสนับสนุนงานนี้ผ่าน CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay และ BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay
ภาควิชาวิจัยวัสดุและเทคโนโลยี สถาบันเทคโนโลยีลักเซมเบิร์ก (LIST) เบลวัวร์ ลักเซมเบิร์ก