การนำเสนอแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ยั่งยืนเป็นหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดของศตวรรษนี้ งานวิจัยในด้านวัสดุเก็บเกี่ยวพลังงานเกิดขึ้นจากแรงจูงใจนี้ รวมถึงเทอร์โมอิเล็กทริก¹ โฟโตโวลตาอิก² และเทอร์โมโฟโตโวลตาอิก³ แม้ว่าเราจะยังขาดวัสดุและอุปกรณ์ที่สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานในช่วงจูลได้ แต่ก็มีการพิจารณาวัสดุไพโรอิเล็กทริกที่สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นระยะๆ ว่าเป็นเซ็นเซอร์⁴ และเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงาน⁵⁻⁷ ในที่นี้ เราได้พัฒนาเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนขนาดมหภาคในรูปแบบของตัวเก็บประจุแบบหลายชั้นที่ทำจากตะกั่วสแกนเดียมแทนทาเลต 42 กรัม ซึ่งผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ 11.2 จูลต่อรอบเทอร์โมไดนามิก แต่ละโมดูลไพโรอิเล็กทริกสามารถสร้างความหนาแน่นของพลังงานไฟฟ้าได้ถึง 4.43 จูลต่อลูกบาศก์เซนติเมตรต่อรอบ นอกจากนี้เรายังแสดงให้เห็นว่าโมดูลดังกล่าวสองโมดูลที่มีน้ำหนัก 0.3 กรัมก็เพียงพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานแบบอัตโนมัติที่มีไมโครคอนโทรลเลอร์และเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิแบบฝังตัวได้อย่างต่อเนื่อง สุดท้ายนี้ เราแสดงให้เห็นว่าสำหรับช่วงอุณหภูมิ 10 เคลวิน ตัวเก็บประจุแบบหลายชั้นเหล่านี้สามารถบรรลุประสิทธิภาพคาร์โนต์ได้ถึง 40% คุณสมบัติเหล่านี้เกิดจาก (1) การเปลี่ยนแปลงเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกเพื่อประสิทธิภาพสูง (2) กระแสรั่วไหลต่ำเพื่อป้องกันการสูญเสีย และ (3) แรงดันพังทลายสูง เครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานไพโรอิเล็กทริกขนาดใหญ่ที่ปรับขนาดได้และมีประสิทธิภาพเหล่านี้กำลังพลิกโฉมการผลิตพลังงานเทอร์โมอิเล็กทริก
เมื่อเปรียบเทียบกับความชันของอุณหภูมิเชิงพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก การเก็บเกี่ยวพลังงานจากวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกต้องอาศัยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามเวลา ซึ่งหมายถึงวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิก ซึ่งอธิบายได้ดีที่สุดด้วยแผนภาพเอนโทรปี (S)-อุณหภูมิ (T) รูปที่ 1a แสดงแผนภาพ ST ทั่วไปของวัสดุไพโรอิเล็กทริกแบบไม่เชิงเส้น (NLP) ที่แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริก-พาราอิเล็กทริกที่ขับเคลื่อนด้วยสนามในสแกนเดียมตะกั่วแทนทาเลต (PST) ส่วนสีน้ำเงินและสีเขียวของวัฏจักรบนแผนภาพ ST สอดคล้องกับพลังงานไฟฟ้าที่แปลงแล้วในวัฏจักรของ Olson (ส่วนไอโซเทอร์มอลสองส่วนและส่วนไอโซโพลสองส่วน) ในที่นี้เราพิจารณาวัฏจักรสองวัฏจักรที่มีการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า (เปิดและปิดสนาม) และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ΔT เหมือนกัน แม้ว่าจะมีอุณหภูมิเริ่มต้นที่แตกต่างกันก็ตาม วัฏจักรสีเขียวไม่ได้อยู่ในบริเวณการเปลี่ยนเฟส ดังนั้นจึงมีพื้นที่เล็กกว่าวัฏจักรสีน้ำเงินที่อยู่ในบริเวณการเปลี่ยนเฟสมาก ในแผนภาพ ST ยิ่งพื้นที่มากเท่าไร พลังงานที่เก็บรวบรวมได้ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น การเปลี่ยนเฟสจึงต้องเก็บรวบรวมพลังงานได้มากขึ้น ความต้องการการหมุนเวียนพื้นที่ขนาดใหญ่ใน NLP นั้นคล้ายคลึงกับความต้องการสำหรับการใช้งานทางไฟฟ้าความร้อน9, 10, 11, 12 ซึ่งตัวเก็บประจุแบบหลายชั้น PST (MLCs) และเทอร์โพลิเมอร์ที่ใช้ PVDF ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการระบายความร้อนแบบย้อนกลับที่ยอดเยี่ยมเมื่อเร็ว ๆ นี้ สถานะประสิทธิภาพการระบายความร้อนในรอบ 13,14,15,16 ดังนั้น เราจึงได้ระบุ PST MLCs ที่น่าสนใจสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อน ตัวอย่างเหล่านี้ได้รับการอธิบายอย่างครบถ้วนในวิธีการและลักษณะเฉพาะในหมายเหตุเสริม 1 (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน), 2 (การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์) และ 3 (แคลอรีเมตรี)
a. ภาพร่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเอนโทรปี (S) กับอุณหภูมิ (T) โดยมีการเปิดและปิดสนามไฟฟ้าที่ใช้กับวัสดุ NLP เพื่อแสดงการเปลี่ยนเฟส วงจรการเก็บพลังงานสองวงจรแสดงอยู่ในสองโซนอุณหภูมิที่แตกต่างกัน วงจรสีน้ำเงินและสีเขียวเกิดขึ้นภายในและภายนอกการเปลี่ยนเฟสตามลำดับ และสิ้นสุดในบริเวณพื้นผิวที่แตกต่างกันมาก b. วงแหวนแบบขั้วเดียว DE PST MLC สองวง หนา 1 มม. วัดระหว่าง 0 ถึง 155 kV cm⁻¹ ที่ 20 °C และ 90 °C ตามลำดับ และวงจร Olsen ที่สอดคล้องกัน ตัวอักษร ABCD หมายถึงสถานะต่างๆ ในวงจร Olsen AB: MLC ถูกชาร์จจนถึง 155 kV cm⁻¹ ที่ 20°C BC: MLC ถูกรักษาไว้ที่ 155 kV cm⁻¹ และอุณหภูมิถูกเพิ่มขึ้นเป็น 90 °C CD: MLC คายประจุที่ 90°C DA: MLC ถูกทำให้เย็นลงถึง 20°C ในสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ บริเวณสีน้ำเงินสอดคล้องกับกำลังไฟฟ้าขาเข้าที่จำเป็นในการเริ่มต้นวงจร พื้นที่สีส้มคือพลังงานที่สะสมได้ในหนึ่งรอบการทำงาน c แผงด้านบน แรงดันไฟฟ้า (สีดำ) และกระแสไฟฟ้า (สีแดง) เทียบกับเวลา ซึ่งติดตามในระหว่างรอบการทำงานของ Olson เดียวกันกับ b ภาพแทรกสองภาพแสดงถึงการขยายแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ณ จุดสำคัญในรอบการทำงาน ในแผงด้านล่าง เส้นโค้งสีเหลืองและสีเขียวแสดงถึงเส้นโค้งอุณหภูมิและพลังงานที่สอดคล้องกัน ตามลำดับ สำหรับ MLC หนา 1 มม. พลังงานคำนวณจากเส้นโค้งกระแสและแรงดันไฟฟ้าในแผงด้านบน พลังงานติดลบสอดคล้องกับพลังงานที่สะสมได้ ขั้นตอนที่สอดคล้องกับตัวอักษรตัวใหญ่ในรูปทั้งสี่รูปนั้นเหมือนกับในรอบการทำงานของ Olson รอบการทำงาน AB'CD สอดคล้องกับรอบการทำงานของ Stirling (หมายเหตุเพิ่มเติม 7)
โดยที่ E และ D คือสนามไฟฟ้าและสนามการกระจัดทางไฟฟ้า ตามลำดับ Nd สามารถหาได้โดยอ้อมจากวงจร DE (รูปที่ 1b) หรือโดยตรงโดยการเริ่มต้นวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิก วิธีการที่มีประโยชน์ที่สุดได้รับการอธิบายโดย Olsen ในงานบุกเบิกของเขาเกี่ยวกับการรวบรวมพลังงานไพโรอิเล็กทริกในช่วงทศวรรษ 1980¹⁷
ภาพที่ 1b แสดงวงจร DE แบบโมโนโพลาร์สองวงของชิ้นงาน PST-MLC หนา 1 มม. ที่ประกอบที่อุณหภูมิ 20 °C และ 90 °C ตามลำดับ ในช่วง 0 ถึง 155 kV cm-1 (600 V) วงจรทั้งสองนี้สามารถใช้คำนวณพลังงานที่เก็บรวบรวมโดยวงจร Olson ที่แสดงในภาพที่ 1a ได้โดยอ้อม ในความเป็นจริง วงจร Olson ประกอบด้วยสาขาสนามคงที่สองสาขา (ในที่นี้ สนามเป็นศูนย์ในสาขา DA และ 155 kV cm-1 ในสาขา BC) และสาขาอุณหภูมิคงที่สองสาขา (ในที่นี้ 20°C และ 20°C ในสาขา AB และ 20°C ในสาขา CD) พลังงานที่เก็บรวบรวมระหว่างวงจรจะสอดคล้องกับบริเวณสีส้มและสีน้ำเงิน (ปริมาณอินทิกรัล EdD) พลังงานที่เก็บรวบรวม Nd คือความแตกต่างระหว่างพลังงานขาเข้าและขาออก กล่าวคือเฉพาะพื้นที่สีส้มในภาพที่ 1b วงจร Olson นี้ให้ความหนาแน่นพลังงาน Nd เท่ากับ 1.78 J cm-3 วัฏจักรสเตอร์ลิงเป็นทางเลือกหนึ่งแทนวัฏจักรโอลสัน (หมายเหตุเพิ่มเติม 7) เนื่องจากสามารถเข้าถึงสภาวะประจุคงที่ (วงจรเปิด) ได้ง่ายกว่า ความหนาแน่นของพลังงานที่สกัดได้จากรูปที่ 1b (วัฏจักร AB'CD) จึงสูงถึง 1.25 J cm-3 ซึ่งคิดเป็นเพียง 70% ของพลังงานที่วัฏจักรโอลสันสามารถเก็บเกี่ยวได้ แต่ก็สามารถทำได้ด้วยอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานแบบง่ายๆ
นอกจากนี้ เรายังวัดพลังงานที่เก็บรวบรวมได้โดยตรงระหว่างรอบ Olson โดยการจ่ายพลังงานให้กับ PST MLC โดยใช้แท่นควบคุมอุณหภูมิ Linkam และเครื่องวัดแหล่งจ่ายไฟ (วิธี) รูปที่ 1c ด้านบนและในภาพแทรกที่เกี่ยวข้องแสดงกระแส (สีแดง) และแรงดันไฟฟ้า (สีดำ) ที่เก็บรวบรวมบน PST MLC หนา 1 มม. เดียวกันกับวงจร DE ที่ผ่านรอบ Olson เดียวกัน กระแสและแรงดันไฟฟ้าทำให้สามารถคำนวณพลังงานที่เก็บรวบรวมได้ และเส้นโค้งแสดงในรูปที่ 1c ด้านล่าง (สีเขียว) และอุณหภูมิ (สีเหลือง) ตลอดรอบ ตัวอักษร ABCD แทนรอบ Olson เดียวกันในรูปที่ 1 การชาร์จ MLC เกิดขึ้นระหว่างขา AB และดำเนินการที่กระแสต่ำ (200 µA) ดังนั้น SourceMeter จึงสามารถควบคุมการชาร์จได้อย่างเหมาะสม ผลที่ตามมาของกระแสเริ่มต้นคงที่นี้คือเส้นโค้งแรงดันไฟฟ้า (เส้นโค้งสีดำ) ไม่เป็นเส้นตรงเนื่องจากสนามการกระจัดศักย์ที่ไม่เป็นเส้นตรง D PST (รูปที่ 1c ภาพแทรกด้านบน) เมื่อการชาร์จสิ้นสุดลง พลังงานไฟฟ้า 30 มิลลิจูลจะถูกเก็บไว้ใน MLC (จุด B) จากนั้น MLC จะร้อนขึ้นและเกิดกระแสไฟฟ้าลบ (และด้วยเหตุนี้จึงเป็นกระแสไฟฟ้าลบ) ในขณะที่แรงดันไฟฟ้ายังคงอยู่ที่ 600 โวลต์ หลังจาก 40 วินาที เมื่ออุณหภูมิถึงระดับคงที่ที่ 90 องศาเซลเซียส กระแสไฟฟ้านี้จะถูกชดเชย แม้ว่าตัวอย่างแบบขั้นบันไดจะสร้างพลังงานไฟฟ้า 35 มิลลิจูลในวงจรระหว่างไอโซฟิลด์นี้ (ภาพแทรกที่สองในรูปที่ 1c ด้านบน) จากนั้นแรงดันไฟฟ้าบน MLC (สาขา CD) จะลดลง ส่งผลให้เกิดงานไฟฟ้าเพิ่มเติมอีก 60 มิลลิจูล พลังงานเอาต์พุตทั้งหมดคือ 95 มิลลิจูล พลังงานที่เก็บรวบรวมได้คือความแตกต่างระหว่างพลังงานขาเข้าและขาออก ซึ่งให้ค่า 95 – 30 = 65 มิลลิจูล ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นของพลังงาน 1.84 J cm⁻³ ซึ่งใกล้เคียงกับ Nd ที่สกัดจากวงแหวน DE มาก ความสามารถในการทำซ้ำของวงจร Olson นี้ได้รับการทดสอบอย่างละเอียดแล้ว (หมายเหตุเสริม 4) ด้วยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิให้สูงขึ้น เราได้พลังงาน 4.43 J cm-3 โดยใช้รอบการทำงานของ Olsen ใน PST MLC หนา 0.5 มม. ในช่วงอุณหภูมิ 750 V (195 kV cm-1) และ 175 °C (หมายเหตุเสริม 5) ซึ่งมากกว่าประสิทธิภาพที่ดีที่สุดที่รายงานในเอกสารทางวิชาการสำหรับรอบการทำงานของ Olsen โดยตรงถึงสี่เท่า และได้มาจากการใช้ฟิล์มบางของ Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3)18 (ดูตารางเสริม 1 สำหรับค่าเพิ่มเติมในเอกสารทางวิชาการ) ประสิทธิภาพดังกล่าวเกิดขึ้นได้เนื่องจากกระแสรั่วไหลต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10−7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูรายละเอียดในหมายเหตุเสริม 6) ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่ Smith et al.19 กล่าวถึง ซึ่งแตกต่างจากวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งก่อนๆ17,20 ประสิทธิภาพดังกล่าวเกิดขึ้นได้เนื่องจากกระแสรั่วไหลต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10−7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูรายละเอียดในหมายเหตุเสริม 6) ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่ Smith et al.19 กล่าวถึง ซึ่งแตกต่างจากวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งก่อนๆ17,20 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. คุณลักษณะเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากกระแสรั่วไหลต่ำมากของ MLC เหล่านี้ (<10–7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูหมายเหตุเสริม 6 สำหรับรายละเอียด) ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่กล่าวถึงโดย Smith et al. 19 ซึ่งแตกต่างจากวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งก่อนๆ17,20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. เนื่องจากกระแสรั่วไหลของ MLC เหล่านี้ต่ำมาก (<10–7 A ที่ 750 V และ 180 °C ดูหมายเหตุเสริม 6 สำหรับรายละเอียด) ซึ่งเป็นประเด็นสำคัญที่ Smith et al. 19 กล่าวถึง จึงทำให้ได้ประสิทธิภาพตามที่กล่าวมาข้างต้นเพื่อใช้ในการเปรียบเทียบถึงวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งก่อน 17,20
ใช้เงื่อนไขเดียวกัน (600 V, 20–90 °C) กับวงจรสเตอร์ลิง (หมายเหตุเพิ่มเติม 7) ตามที่คาดไว้จากผลลัพธ์ของวงจร DE ผลผลิตที่ได้คือ 41.0 mJ หนึ่งในคุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของวงจรสเตอร์ลิงคือความสามารถในการขยายแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นผ่านปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริก เราสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 39 เท่า (จากแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น 15 V เป็นแรงดันไฟฟ้าสุดท้ายสูงถึง 590 V ดูรูปที่ 7.2 ในหมายเหตุเพิ่มเติม)
คุณลักษณะเด่นอีกประการหนึ่งของ MLC เหล่านี้คือ เป็นวัตถุขนาดใหญ่ที่สามารถรวบรวมพลังงานในช่วงจูลได้ ดังนั้น เราจึงสร้างต้นแบบเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงาน (HARV1) โดยใช้ MLC PST หนา 1 มม. จำนวน 28 ชิ้น ตามการออกแบบแผ่นขนานแบบเดียวกันกับที่ Torello et al.14 อธิบายไว้ ในเมทริกซ์ 7×4 ดังแสดงในรูป ของเหลวไดอิเล็กทริกที่นำความร้อนในท่อส่งถูกแทนที่โดยปั๊มแบบเพริสตัลติกส์ระหว่างอ่างเก็บน้ำสองแห่งซึ่งอุณหภูมิของของเหลวจะคงที่ (วิธี) สามารถรวบรวมพลังงานได้สูงสุด 3.1 J โดยใช้รอบ Olson ที่อธิบายไว้ในรูปที่ 2a บริเวณไอโซเทอร์มอลที่ 10°C และ 125°C และบริเวณไอโซฟิลด์ที่ 0 และ 750 V (195 kV cm-1) ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นของพลังงาน 3.14 J cm-3 โดยใช้การรวมกันนี้ ได้ทำการวัดภายใต้เงื่อนไขต่างๆ (รูปที่ 2b) โปรดทราบว่าได้ค่า 1.8 J ในช่วงอุณหภูมิ 80 °C และแรงดันไฟฟ้า 600 V (155 kV cm-1) ซึ่งสอดคล้องกับค่า 65 mJ ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้สำหรับ PST MLC หนา 1 มม. ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน (28 × 65 = 1820 mJ)
a. การจัดวางอุปกรณ์ทดลองต้นแบบ HARV1 ที่ประกอบขึ้นจาก MLC PST หนา 1 มม. จำนวน 28 ชิ้น (4 แถว × 7 คอลัมน์) ทำงานตามรอบ Olson สำหรับแต่ละขั้นตอนของรอบทั้งสี่ขั้นตอน จะมีการควบคุมอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าในต้นแบบ คอมพิวเตอร์ควบคุมปั๊มแบบลูกสูบที่หมุนเวียนของเหลวไดอิเล็กทริกไปมาระหว่างอ่างเก็บความเย็นและอ่างเก็บความร้อน วาล์วสองตัว และแหล่งจ่ายไฟ คอมพิวเตอร์ยังใช้เทอร์โมคัปเปิลในการเก็บข้อมูลแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับต้นแบบ และอุณหภูมิของเครื่องเก็บเกี่ยวจากแหล่งจ่ายไฟ b. พลังงาน (สี) ที่เก็บรวบรวมโดยต้นแบบ MLC 4×7 ของเรา เทียบกับช่วงอุณหภูมิ (แกน X) และแรงดันไฟฟ้า (แกน Y) ในการทดลองต่างๆ
เครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานรุ่นที่ใหญ่กว่า (HARV2) ที่มี PST MLC หนา 1 มม. จำนวน 60 ชิ้น และ PST MLC หนา 0.5 มม. จำนวน 160 ชิ้น (วัสดุไพโรอิเล็กทริกที่ใช้งานได้ 41.7 กรัม) ให้พลังงาน 11.2 จูล (หมายเหตุเพิ่มเติม 8) ในปี 1984 โอลเซ่นได้สร้างเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้สารประกอบ Pb(Zr,Ti)O3 ที่เจือด้วยดีบุก 317 กรัม ซึ่งสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้ 6.23 จูลที่อุณหภูมิประมาณ 150 °C (อ้างอิง 21) สำหรับเครื่องเก็บเกี่ยวนี้ นี่เป็นค่าอื่นเพียงค่าเดียวที่มีอยู่ในช่วงจูล ได้ค่าเพียงครึ่งหนึ่งของค่าที่เราทำได้ และมีคุณภาพสูงกว่าเกือบเจ็ดเท่า ซึ่งหมายความว่าความหนาแน่นของพลังงานของ HARV2 สูงกว่าถึง 13 เท่า
รอบการทำงานของ HARV1 คือ 57 วินาที ซึ่งผลิตพลังงานได้ 54 มิลลิวัตต์ โดยใช้ชุด MLC หนา 1 มิลลิเมตร จำนวน 4 แถว แถวละ 7 คอลัมน์ เพื่อพัฒนาต่อไป เราได้สร้างเครื่องรวมความร้อนตัวที่สาม (HARV3) โดยใช้ MLC แบบ PST หนา 0.5 มิลลิเมตร และจัดวางโครงสร้างคล้ายกับ HARV1 และ HARV2 (หมายเหตุเพิ่มเติม 9) เราวัดเวลาในการปรับอุณหภูมิให้สมดุลได้ 12.5 วินาที ซึ่งสอดคล้องกับเวลาต่อรอบ 25 วินาที (รูปภาพเพิ่มเติม 9) พลังงานที่เก็บรวบรวมได้ (47 มิลลิจูล) ให้กำลังไฟฟ้า 1.95 มิลลิวัตต์ต่อ MLC ซึ่งทำให้เราคาดการณ์ได้ว่า HARV2 ผลิตพลังงานได้ 0.55 วัตต์ (ประมาณ 1.95 มิลลิวัตต์ × 280 MLC แบบ PST หนา 0.5 มิลลิเมตร) นอกจากนี้ เรายังจำลองการถ่ายเทความร้อนโดยใช้การจำลองด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (COMSOL, หมายเหตุเพิ่มเติม 10 และตารางเพิ่มเติม 2–4) ที่สอดคล้องกับการทดลองของ HARV1 การสร้างแบบจำลองด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ทำให้สามารถทำนายค่ากำลังไฟฟ้าได้สูงขึ้นเกือบหนึ่งลำดับ (430 มิลลิวัตต์) สำหรับจำนวนคอลัมน์ PST เท่าเดิม โดยการลดความหนาของ MLC เหลือ 0.2 มิลลิเมตร ใช้น้ำเป็นสารหล่อเย็น และคืนค่าเมทริกซ์เป็น 7 แถว × 4 คอลัมน์ (นอกจากนี้ ยังมีกำลังไฟฟ้า 960 มิลลิวัตต์ เมื่อถังอยู่ติดกับเครื่องรวม ดังแสดงในรูปที่ 10b ในเอกสารประกอบ)
เพื่อแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของตัวเก็บประจุนี้ วงจรสเตอร์ลิงถูกนำไปใช้กับอุปกรณ์สาธิตแบบสแตนด์อะโลน ซึ่งประกอบด้วยตัวเก็บประจุความร้อนแบบ PST MLC หนา 0.5 มม. เพียงสองตัว สวิตช์แรงดันสูง สวิตช์แรงดันต่ำพร้อมตัวเก็บประจุแบบเก็บประจุ ตัวแปลง DC/DC ไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังต่ำ เทอร์โมคัปเปิลสองตัว และตัวแปลงบูสต์ (หมายเหตุเพิ่มเติม 11) วงจรนี้ต้องการให้ตัวเก็บประจุแบบเก็บประจุถูกชาร์จครั้งแรกที่ 9V จากนั้นจะทำงานโดยอัตโนมัติในขณะที่อุณหภูมิของ MLC ทั้งสองตัวอยู่ในช่วงตั้งแต่ -5°C ถึง 85°C โดยในที่นี้เป็นรอบการทำงาน 160 วินาที (แสดงรอบการทำงานหลายรอบในหมายเหตุเพิ่มเติม 11) ที่น่าทึ่งคือ MLC สองตัวที่มีน้ำหนักเพียง 0.3 กรัมสามารถควบคุมระบบขนาดใหญ่นี้ได้อย่างอิสระ คุณสมบัติที่น่าสนใจอีกอย่างคือ ตัวแปลงแรงดันต่ำสามารถแปลง 400V เป็น 10-15V ได้ด้วยประสิทธิภาพ 79% (หมายเหตุเพิ่มเติม 11 และรูปภาพเพิ่มเติม 11.3)
สุดท้ายนี้ เราได้ประเมินประสิทธิภาพของโมดูล MLC เหล่านี้ในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยค่าคุณภาพ η ของประสิทธิภาพถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของความหนาแน่นของพลังงานไฟฟ้าที่เก็บรวบรวมได้ Nd ต่อความหนาแน่นของความร้อนที่ป้อนเข้ามา Qin (หมายเหตุเพิ่มเติม 12):
รูปที่ 3a และ 3b แสดงประสิทธิภาพ η และประสิทธิภาพเชิงสัดส่วน ηr ของวัฏจักร Olsen ตามลำดับ โดยเป็นฟังก์ชันของช่วงอุณหภูมิของ PST MLC หนา 0.5 มม. ชุดข้อมูลทั้งสองชุดแสดงไว้สำหรับสนามไฟฟ้า 195 kV cm-1 ประสิทธิภาพ \(\this\) สูงถึง 1.43% ซึ่งเทียบเท่ากับ 18% ของ ηr อย่างไรก็ตาม สำหรับช่วงอุณหภูมิ 10 K ตั้งแต่ 25 °C ถึง 35 °C ค่า ηr จะสูงถึง 40% (เส้นโค้งสีน้ำเงินในรูปที่ 3b) ซึ่งเป็นสองเท่าของค่าที่ทราบสำหรับวัสดุ NLP ที่บันทึกไว้ในฟิล์ม PMN-PT (ηr = 19%) ในช่วงอุณหภูมิ 10 K และ 300 kV cm-1 (อ้างอิง 18) ช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 10 K ไม่ได้รับการพิจารณาเนื่องจากฮิสเทอรีซิสทางความร้อนของ PST MLC อยู่ระหว่าง 5 ถึง 8 K การตระหนักถึงผลดีของการเปลี่ยนเฟสต่อประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญ ในความเป็นจริง ค่าที่เหมาะสมที่สุดของ η และ ηr เกือบทั้งหมดได้มาที่อุณหภูมิเริ่มต้น Ti = 25°C ในรูปที่ 3a,b ทั้งนี้เนื่องจากการเปลี่ยนเฟสที่ใกล้เคียงกันเมื่อไม่มีการใช้สนาม และอุณหภูมิคิวรี TC อยู่ที่ประมาณ 20 °C ใน MLC เหล่านี้ (หมายเหตุเพิ่มเติม 13)
a,b ประสิทธิภาพ η และประสิทธิภาพเชิงสัดส่วนของวัฏจักร Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} สำหรับสนามไฟฟ้าสูงสุดที่ 195 kV cm-1 และอุณหภูมิเริ่มต้น Ti ที่แตกต่างกัน }}\,\)(b) สำหรับ MPC PST หนา 0.5 มม. ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิ ΔTspan
ข้อสังเกตหลังนี้มีนัยสำคัญสองประการ: (1) การหมุนเวียนที่มีประสิทธิภาพใดๆ ต้องเริ่มต้นที่อุณหภูมิสูงกว่า TC เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนเฟสที่เหนี่ยวนำโดยสนาม (จากพาราอิเล็กทริกเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก) (2) วัสดุเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในช่วงเวลาการทำงานที่ใกล้เคียงกับ TC แม้ว่าประสิทธิภาพในระดับสูงจะแสดงให้เห็นในการทดลองของเรา แต่ช่วงอุณหภูมิที่จำกัดไม่อนุญาตให้เราบรรลุประสิทธิภาพสัมบูรณ์ขนาดใหญ่เนื่องจากข้อจำกัดของคาร์โนต์ (\(\Delta T/T\)) อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมที่แสดงโดย PST MLC เหล่านี้เป็นการยืนยันคำกล่าวของ Olsen เมื่อเขากล่าวว่า “มอเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบสร้างใหม่ในอุดมคติคลาส 20 ที่ทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 50 °C ถึง 250 °C สามารถมีประสิทธิภาพ 30%”17 เพื่อให้ได้ค่าเหล่านี้และทดสอบแนวคิด จะเป็นการดีที่จะใช้ PST ที่เจือปนด้วย TC ที่แตกต่างกัน ดังที่ Shebanov และ Borman ได้ศึกษาไว้ พวกเขาแสดงให้เห็นว่า TC ใน PST สามารถแปรผันได้ตั้งแต่ 3°C (การเจือ Sb) ถึง 33°C (การเจือ Ti) 22 ดังนั้น เราจึงตั้งสมมติฐานว่าเครื่องสร้างพลังงานไฟฟ้าไพโรอิเล็กทริกรุ่นต่อไปที่ใช้ MLC PST ที่เจือสารหรือวัสดุอื่นๆ ที่มีการเปลี่ยนเฟสอันดับแรกที่แข็งแกร่งสามารถแข่งขันกับเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานที่ดีที่สุดได้
ในการศึกษาครั้งนี้ เราได้ตรวจสอบ MLC ที่ทำจาก PST อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยอิเล็กโทรด Pt และ PST หลายชุด โดยมีตัวเก็บประจุหลายตัวเชื่อมต่อแบบขนาน เราเลือกใช้ PST เนื่องจากเป็นวัสดุ EC ที่ยอดเยี่ยม และจึงมีศักยภาพที่จะเป็นวัสดุ NLP ที่ยอดเยี่ยมเช่นกัน มันแสดงการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริก-พาราอิเล็กทริกอันดับแรกที่คมชัดที่อุณหภูมิประมาณ 20 °C ซึ่งบ่งชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของมันคล้ายกับที่แสดงในรูปที่ 1 MLC ที่คล้ายกันนี้ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดแล้วสำหรับอุปกรณ์ EC13,14 ในการศึกษาครั้งนี้ เราใช้ MLC ขนาด 10.4 × 7.2 × 1 มม.³ และ 10.4 × 7.2 × 0.5 มม.³ MLC ที่มีความหนา 1 มม. และ 0.5 มม. ทำจาก PST จำนวน 19 และ 9 ชั้น ตามลำดับ โดยมีความหนา 38.6 µm ในทั้งสองกรณี ชั้น PST ด้านในถูกวางไว้ระหว่างอิเล็กโทรดแพลทินัมที่มีความหนา 2.05 µm การออกแบบ MLC เหล่านี้ถือว่า 55% ของ PST เป็นส่วนที่ใช้งานอยู่ ซึ่งสอดคล้องกับส่วนระหว่างอิเล็กโทรด (หมายเหตุเสริม 1) พื้นที่อิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่คือ 48.7 มม.² (ตารางเสริม 5) MLC PST ถูกเตรียมโดยปฏิกิริยาเฟสของแข็งและวิธีการหล่อ รายละเอียดของกระบวนการเตรียมได้อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้าแล้ว¹⁴ ความแตกต่างอย่างหนึ่งระหว่าง PST MLC กับบทความก่อนหน้าคือลำดับของไซต์ B ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของ EC ใน PST ลำดับของไซต์ B ของ PST MLC คือ 0.75 (หมายเหตุเสริม 2) ได้จากการเผาผนึกที่ 1400°C ตามด้วยการอบอ่อนนานหลายร้อยชั่วโมงที่ 1000°C สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ PST MLC โปรดดูหมายเหตุเสริม 1-3 และตารางเสริม 5
แนวคิดหลักของการศึกษาครั้งนี้อิงตามวัฏจักร Olson (รูปที่ 1) สำหรับวัฏจักรดังกล่าว เราต้องการอ่างเก็บความร้อนและอ่างเก็บความเย็น และแหล่งจ่ายไฟที่สามารถตรวจสอบและควบคุมแรงดันและกระแสในโมดูล MLC ต่างๆ ได้ วัฏจักรโดยตรงเหล่านี้ใช้การกำหนดค่าที่แตกต่างกันสองแบบ ได้แก่ (1) โมดูล Linkam ที่ให้ความร้อนและทำความเย็นแก่ MLC หนึ่งตัวที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ Keithley 2410 และ (2) ต้นแบบสามตัว (HARV1, HARV2 และ HARV3) ขนานกันโดยใช้แหล่งพลังงานเดียวกัน ในกรณีหลังนี้ ของเหลวไดอิเล็กทริก (น้ำมันซิลิโคนที่มีความหนืด 5 cP ที่ 25°C ซื้อจาก Sigma Aldrich) ถูกใช้สำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างอ่างเก็บความร้อนและอ่างเก็บความเย็น และ MLC อ่างเก็บความร้อนประกอบด้วยภาชนะแก้วที่บรรจุของเหลวไดอิเล็กทริกและวางอยู่บนแผ่นความร้อน อ่างเก็บความเย็นประกอบด้วยอ่างน้ำที่มีท่อของเหลวบรรจุของเหลวไดอิเล็กทริกในภาชนะพลาสติกขนาดใหญ่ที่บรรจุน้ำและน้ำแข็ง วาล์วหนีบสามทางสองตัว (ซื้อจาก Bio-Chem Fluidics) ถูกติดตั้งไว้ที่ปลายแต่ละด้านของชุดรวมเพื่อสลับของเหลวจากอ่างเก็บหนึ่งไปยังอีกอ่างหนึ่งอย่างถูกต้อง (รูปที่ 2a) เพื่อให้แน่ใจว่าเกิดสมดุลทางความร้อนระหว่างชุด PST-MLC และสารหล่อเย็น ระยะเวลาของวงจรจึงถูกขยายออกไปจนกว่าเทอร์โมคัปเปิลทางเข้าและทางออก (ให้ใกล้กับชุด PST-MLC มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้) จะแสดงอุณหภูมิที่เท่ากัน สคริปต์ Python จะจัดการและซิงโครไนซ์อุปกรณ์ทั้งหมด (มิเตอร์วัดแหล่งจ่าย ปั๊ม วาล์ว และเทอร์โมคัปเปิล) เพื่อให้ทำงานตามวงจร Olson ที่ถูกต้อง กล่าวคือ วงจรสารหล่อเย็นจะเริ่มหมุนเวียนผ่านชุด PST หลังจากที่มิเตอร์วัดแหล่งจ่ายได้รับการชาร์จแล้ว เพื่อให้ร้อนขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการสำหรับวงจร Olson ที่กำหนด
อีกทางเลือกหนึ่ง เราได้ยืนยันการวัดพลังงานที่รวบรวมได้โดยตรงเหล่านี้ด้วยวิธีการทางอ้อม วิธีการทางอ้อมเหล่านี้อาศัยการวัดการกระจัดทางไฟฟ้า (D) – สนามไฟฟ้า (E) ที่อุณหภูมิต่างๆ และโดยการคำนวณพื้นที่ระหว่างวงจร DE สองวง เราสามารถประมาณได้อย่างแม่นยำว่าสามารถรวบรวมพลังงานได้มากเท่าใด ดังแสดงในรูปที่ 2.1b วงจร DE เหล่านี้ยังถูกเก็บรวบรวมโดยใช้เครื่องวัดแหล่งกำเนิด Keithley ด้วย
แผ่น PST MLC หนา 1 มม. จำนวน 28 แผ่น ถูกประกอบเข้าด้วยกันในโครงสร้างแผ่นขนาน 4 แถว 7 คอลัมน์ ตามแบบที่อธิบายไว้ในเอกสารอ้างอิง 14 ช่องว่างของของเหลวระหว่างแถวของ PST-MLC คือ 0.75 มม. ซึ่งทำได้โดยการติดแถบเทปกาวสองหน้าเป็นตัวเว้นระยะของเหลวรอบขอบของ PST MLC PST MLC ถูกเชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบขนานด้วยสะพานอีพ็อกซี่สีเงินที่สัมผัสกับขั้วไฟฟ้า หลังจากนั้น สายไฟถูกติดด้วยเรซินอีพ็อกซี่สีเงินที่แต่ละด้านของขั้วไฟฟ้าเพื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ สุดท้าย ใส่โครงสร้างทั้งหมดเข้าไปในท่อโพลีโอเลฟิน ท่อดังกล่าวถูกติดกาวเข้ากับท่อของเหลวเพื่อให้แน่ใจว่ามีการปิดผนึกที่เหมาะสม สุดท้าย เทอร์โมคัปเปิลชนิด K หนา 0.25 มม. ถูกติดตั้งที่ปลายแต่ละด้านของโครงสร้าง PST-MLC เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของของเหลวขาเข้าและขาออก ในการทำเช่นนี้ ท่อจะต้องถูกเจาะรูเสียก่อน หลังจากติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลแล้ว ให้ใช้กาวชนิดเดียวกับที่ใช้ก่อนหน้านี้ทาลงไประหว่างท่อและสายไฟของเทอร์โมคัปเปิลเพื่อซ่อมแซมการปิดผนึก
มีการสร้างต้นแบบแยกกันแปดชิ้น โดยสี่ชิ้นแรกมี MLC PST หนา 0.5 มม. จำนวน 40 ชิ้น จัดเรียงเป็นแผ่นขนานที่มี 5 คอลัมน์และ 8 แถว และอีกสี่ชิ้นที่เหลือมี MLC PST หนา 1 มม. จำนวน 15 ชิ้นต่อชิ้น ในโครงสร้างแผ่นขนานแบบ 3 คอลัมน์ × 5 แถว จำนวน MLC PST ที่ใช้ทั้งหมดคือ 220 ชิ้น (หนา 0.5 มม. จำนวน 160 ชิ้น และหนา 1 มม. จำนวน 60 ชิ้น) เราเรียกสองหน่วยย่อยนี้ว่า HARV2_160 และ HARV2_60 ช่องว่างของเหลวในต้นแบบ HARV2_160 ประกอบด้วยเทปกาวสองหน้าหนา 0.25 มม. สองแผ่น โดยมีลวดหนา 0.25 มม. อยู่ระหว่างเทปกาวทั้งสอง สำหรับต้นแบบ HARV2_60 เราทำซ้ำขั้นตอนเดียวกัน แต่ใช้ลวดหนา 0.38 มม. เพื่อให้เกิดความสมมาตร HARV2_160 และ HARV2_60 จึงมีวงจรของเหลว ปั๊ม วาล์ว และด้านเย็นเป็นของตัวเอง (หมายเหตุเพิ่มเติม 8) หน่วย HARV2 สองหน่วยใช้ถังเก็บความร้อนร่วมกัน ซึ่งเป็นภาชนะขนาด 3 ลิตร (30 ซม. x 20 ซม. x 5 ซม.) วางอยู่บนแผ่นความร้อนสองแผ่นที่มีแม่เหล็กหมุนได้ ต้นแบบทั้งแปดชิ้นเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าแบบขนาน หน่วยย่อย HARV2_160 และ HARV2_60 ทำงานพร้อมกันในวงจร Olson ส่งผลให้ได้พลังงาน 11.2 จูล
นำแผ่น PST MLC หนา 0.5 มม. สอดเข้าไปในท่อโพลีโอเลฟิน โดยใช้เทปกาวสองหน้าและลวดประกบทั้งสองด้าน เพื่อสร้างช่องว่างให้ของเหลวไหลผ่านได้ เนื่องจากมีขนาดเล็ก ต้นแบบจึงถูกวางไว้ข้างวาล์วของถังเก็บน้ำร้อนหรือน้ำเย็น เพื่อลดเวลาในการทำงานให้น้อยที่สุด
ใน PST MLC นั้น จะมีการใช้สนามไฟฟ้าคงที่โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่ไปยังวงจรทำความร้อน ส่งผลให้เกิดกระแสความร้อนลบและมีการเก็บพลังงานไว้ หลังจากให้ความร้อนแก่ PST MLC แล้ว สนามไฟฟ้าจะถูกถอดออก (V = 0) และพลังงานที่เก็บไว้จะถูกส่งกลับไปยังตัวนับแหล่งจ่าย ซึ่งสอดคล้องกับการนับพลังงานเพิ่มเติมอีกหนึ่งครั้ง สุดท้าย เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า V = 0 แล้ว MLC PST จะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิเริ่มต้นเพื่อให้วงจรสามารถเริ่มต้นใหม่ได้ ในขั้นตอนนี้ จะไม่มีการเก็บพลังงาน เราได้ทำการทดลองวงจร Olsen โดยใช้เครื่องวัดแหล่งจ่าย Keithley 2410 โดยชาร์จ PST MLC จากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าและตั้งค่าการจับคู่กระแสให้มีค่าที่เหมาะสม เพื่อให้ได้จุดข้อมูลเพียงพอในระหว่างขั้นตอนการชาร์จสำหรับการคำนวณพลังงานที่น่าเชื่อถือ
ในวงจรสเตอร์ลิง PST MLC จะถูกชาร์จในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าด้วยค่าสนามไฟฟ้าเริ่มต้น (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) กระแสจำกัดที่ต้องการเพื่อให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และรวบรวมจุดได้เพียงพอสำหรับการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้) และอุณหภูมิต่ำ ในวงจรสเตอร์ลิง PST MLC จะถูกชาร์จในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าด้วยค่าสนามไฟฟ้าเริ่มต้น (แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น Vi > 0) กระแสจำกัดที่ต้องการเพื่อให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และรวบรวมจุดได้เพียงพอสำหรับการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้) และอุณหภูมิต่ำ 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. ในวงจร Stirling PST MLC นั้น จะทำการชาร์จในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันที่ค่าเริ่มต้นของสนามไฟฟ้า (แรงดันเริ่มต้น Vi > 0) กระแสผลผลิตที่ต้องการ เพื่อให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และมีการเก็บรวบรวมจุดข้อมูลจำนวนมากเพียงพอสำหรับการคำนวณพลังงานที่เชื่อถือได้) และที่อุณหภูมิต่ำ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。 ในรอบการทำงานหลัก PST MLC จะถูกชาร์จด้วยค่าสนามไฟฟ้าเริ่มต้น (แรงดันเริ่มต้น Vi > 0) ในโหมดแหล่งจ่ายแรงดัน เพื่อให้กระแสการปฏิบัติตามที่ต้องการใช้เวลาประมาณ 1 วินาทีสำหรับขั้นตอนการชาร์จ (และเราได้รวบรวมจุดข้อมูลเพียงพอที่จะคำนวณพลังงานและอุณหภูมิต่ำได้อย่างน่าเชื่อถือ) 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. ในวัฏจักรสเตอร์ลิง PST MLC จะถูกชาร์จในโหมดแหล่งจ่ายแรงดันด้วยค่าเริ่มต้นของสนามไฟฟ้า (แรงดันเริ่มต้น Vi > 0) กระแสบังคับที่ต้องการมีค่าที่ทำให้ขั้นตอนการชาร์จใช้เวลาประมาณ 1 วินาที (และมีการเก็บรวบรวมจุดจำนวนมากพอที่จะคำนวณพลังงานได้อย่างน่าเชื่อถือ) และอุณหภูมิต่ำก่อนที่ PST MLC จะร้อนขึ้น ให้เปิดวงจรโดยการจ่ายกระแสที่เหมาะสม I = 0 mA (กระแสที่เหมาะสมขั้นต่ำที่แหล่งวัดของเราสามารถรองรับได้คือ 10 nA) ผลที่ได้คือ ประจุจะยังคงอยู่ใน PST ของ MJK และแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเมื่อตัวอย่างร้อนขึ้น ไม่มีพลังงานสะสมในแขน BC เนื่องจาก I = 0 mA หลังจากถึงอุณหภูมิสูง แรงดันไฟฟ้าใน MLT FT จะเพิ่มขึ้น (ในบางกรณีมากกว่า 30 เท่า ดูรูปเพิ่มเติมที่ 7.2) MLK FT จะคายประจุ (V = 0) และพลังงานไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ในนั้นเป็นระยะเวลาเท่ากับประจุเริ่มต้น กระแสที่สอดคล้องกันจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งวัด เนื่องจากการขยายแรงดันไฟฟ้า พลังงานที่เก็บไว้ที่อุณหภูมิสูงจึงสูงกว่าพลังงานที่ป้อนในตอนเริ่มต้นของวงจร ดังนั้นจึงได้พลังงานโดยการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า
เราใช้เครื่องวัดแหล่งจ่ายไฟ Keithley 2410 เพื่อตรวจสอบแรงดันและกระแสที่จ่ายให้กับ PST MLC พลังงานที่สอดคล้องกันคำนวณได้จากการอินทิเกรตผลคูณของแรงดันและกระแสที่อ่านได้จากเครื่องวัดแหล่งจ่ายไฟของ Keithley \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), โดยที่ τ คือคาบของรอบการทำงาน ในกราฟพลังงานของเรา ค่าพลังงานที่เป็นบวกหมายถึงพลังงานที่เราต้องจ่ายให้กับ MLC PST และค่าที่เป็นลบหมายถึงพลังงานที่เราดึงออกมาจาก MLC และดังนั้นจึงเป็นพลังงานที่ได้รับ กำลังสัมพัทธ์สำหรับรอบการเก็บรวบรวมที่กำหนดจะหาได้จากการหารพลังงานที่เก็บรวบรวมได้ด้วยคาบ τ ของรอบการทำงานทั้งหมด
ข้อมูลทั้งหมดได้ถูกนำเสนอไว้ในเนื้อหาหลักหรือในข้อมูลเพิ่มเติมแล้ว จดหมายและคำขอเอกสารควรส่งไปยังแหล่งที่มาของข้อมูล AT หรือ ED ที่ให้ไว้ในบทความนี้
Ando Junior, OH, Maran, ALO และ Henao, NC บทวิจารณ์เกี่ยวกับการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ไมโครเจนเนอเรเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกเพื่อการเก็บเกี่ยวพลังงาน Ando Junior, OH, Maran, ALO และ Henao, NC บทวิจารณ์เกี่ยวกับการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ไมโครเจนเนอเรเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกเพื่อการเก็บเกี่ยวพลังงานอันโด จูเนียร์, โอไฮโอ, มาราน, ALO และ เฮนาโอ, NC ภาพรวมของการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ไมโครเจนเนอเรเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกเพื่อการเก็บเกี่ยวพลังงาน 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 จากโอไฮโอ, Maran จาก ALO และ Henao จากนอร์ทแคโรไลนา กำลังพิจารณาการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กแบบเทอร์โมอิเล็กทริกเพื่อการเก็บเกี่ยวพลังงานประวัติย่อ การสนับสนุน พลังงาน Rev. 91, 376–393 (2018)
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. และ Sinke, WC วัสดุโฟโตโวลตาอิก: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคต Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. และ Sinke, WC วัสดุโฟโตโวลตาอิก: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตPolman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. และ Sinke, VK วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์: 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. และ Sinke, WC วัสดุพลังงานแสงอาทิตย์: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตPolman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. และ Sinke, VK วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์: ประสิทธิภาพในปัจจุบันและความท้าทายในอนาคตวิทยาศาสตร์ 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL และ Yang, Y. ผลกระทบไพโร-เพียโซอิเล็กทริกแบบผสมผสานสำหรับการตรวจวัดอุณหภูมิและความดันพร้อมกันโดยใช้พลังงานตัวเอง Song, K., Zhao, R., Wang, ZL และ Yang, Y. ปรากฏการณ์ไพโร-เพียโซอิเล็กทริกแบบผสมผสานสำหรับการตรวจวัดอุณหภูมิและความดันพร้อมกันโดยใช้พลังงานตัวเองSong K., Zhao R., Wang ZL และ Yan Yu. การประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์ไพโรพีโซอิเล็กทริกเพื่อการวัดอุณหภูมิและความดันพร้อมกันแบบอัตโนมัติ 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。 ซง, เค., จ้าว, อาร์., หวัง, ซีแอล และ หยาง, วาย. เพื่อการผลิตพลังงานด้วยตนเองพร้อมๆ กับการควบคุมอุณหภูมิและความดันSong K., Zhao R., Wang ZL และ Yan Yu. การประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์เทอร์โมเพียโซอิเล็กทริกเพื่อการวัดอุณหภูมิและความดันพร้อมกันแบบอัตโนมัติForward. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. และ Guyomar, D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยอาศัยวงจรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson ในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์ Sebald, G., Pruvost, S. และ Guyomar, D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยอาศัยวงจรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson ในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์Sebald G., Prouvost S. และ Guyomar D. การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยอาศัยวงจร Ericsson แบบไพโรอิเล็กทริกในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์Sebald G., Prouvost S. และ Guyomar D. การเก็บเกี่ยวพลังงานในเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์โดยอาศัยวัฏจักรไพโรอิเล็กทริกของ Ericsson Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW วัสดุอิเล็กโทรแคลอริกและไพโรอิเล็กทริกยุคใหม่สำหรับการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนในสถานะของแข็ง Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW วัสดุอิเล็กโทรแคลอริกและไพโรอิเล็กทริกยุคใหม่สำหรับการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนในสถานะของแข็ง 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. & Whatmore, RW วัสดุอิเล็กโทรแคลอริกและไพโรอิเล็กทริกยุคใหม่สำหรับการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนในสถานะของแข็ง 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. และ Whatmore, RW 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. & Whatmore, RW วัสดุอิเล็กโทรแคลอริกและไพโรอิเล็กทริกยุคใหม่สำหรับการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนในสถานะของแข็งเลดี้บูลล์ 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL และ Yang, Y. มาตรฐานและตัวชี้วัดประสิทธิภาพสำหรับการวัดปริมาณของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานไพโรอิเล็กทริกขนาดนาโน Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL และ Yang, Y. มาตรฐานและตัวชี้วัดประสิทธิภาพสำหรับการวัดปริมาณของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานไพโรอิเล็กทริกขนาดนาโนZhang, K., Wang, Y., Wang, ZL และ Yang, Yu. มาตรฐานและคะแนนคุณภาพสำหรับการวัดประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานไพโรอิเล็กทริกขนาดนาโน 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.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL และ Yang, Yu. เกณฑ์และมาตรวัดประสิทธิภาพสำหรับการวัดประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดนาโนแบบไพโรอิเล็กทริกนาโนเอนเนอร์จี 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าในตะกั่วสแกนเดียมแทนทาเลตพร้อมการสร้างใหม่ที่แท้จริงผ่านการเปลี่ยนแปลงสนาม Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าในตะกั่วสแกนเดียมแทนทาเลตพร้อมการสร้างใหม่ที่แท้จริงผ่านการเปลี่ยนแปลงสนามCrossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. และ Mathur, ND วงจรการทำความเย็นด้วยไฟฟ้าความร้อนในตะกั่ว-สแกนเดียมแทนทาเลตพร้อมการสร้างใหม่ที่แท้จริงโดยการปรับเปลี่ยนสนาม 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 วงจรทำความเย็นด้วยความร้อนไฟฟ้าของสแกนเดียม-ตะกั่วแทนทาเลตเพื่อการสร้างใหม่ที่แท้จริงผ่านการกลับทิศทางสนามฟิสิกส์ Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. และ Mathur, ND วัสดุแคลอรีใกล้การเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิก Moya, X., Kar-Narayan, S. และ Mathur, ND วัสดุแคลอรีใกล้การเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิกMoya, 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. และ Mathur, ND วัสดุความร้อนใกล้โลหะวิทยาเหล็กMoya, X., Kar-Narayan, S. และ Mathur, ND วัสดุความร้อนใกล้การเปลี่ยนเฟสของเหล็กแนท. โรงเรียนเก่า 13, 439–450 (2014)
Moya, X. และ Mathur, ND วัสดุแคลอรีสำหรับการทำความเย็นและการทำความร้อน Moya, X. และ Mathur, ND วัสดุแคลอรีสำหรับการทำความเย็นและการทำความร้อนMoya, X. และ Mathur, ND. วัสดุความร้อนสำหรับการทำความเย็นและการทำความร้อน Moya, X. & Mathur, ND 用于冷和加热的热量材料。 Moya, X. และ Mathur, ND วัสดุความร้อนสำหรับการทำความเย็นและการทำความร้อนMoya X. และ Mathur ND วัสดุความร้อนสำหรับการทำความเย็นและการทำความร้อนวิทยาศาสตร์ 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. เครื่องทำความเย็นแบบไฟฟ้า: บทวิจารณ์ Torelló, A. & Defay, E. เครื่องทำความเย็นแบบไฟฟ้า: บทวิจารณ์Torello, A. และ Defay, E. เครื่องทำความเย็นแบบอิเล็กโทรแคลอริก: 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. เครื่องทำความเย็นแบบอิเล็กโทรเทอร์มอล: บทวิจารณ์ขั้นสูง. อิเล็กทรอนิกส์. สถาบัน. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. และคณะ ประสิทธิภาพพลังงานมหาศาลของวัสดุอิเล็กโทรแคลอริกในสแกนเดียม-สแกนเดียม-ตะกั่วที่มีการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบสูง วารสารการสื่อสารระดับชาติ 12, 3298 (2021)
Nair, B. และคณะ ผลกระทบทางไฟฟ้าความร้อนของตัวเก็บประจุแบบหลายชั้นออกไซด์มีขนาดใหญ่ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง Nature 575, 468–472 (2019)
Torello, A. และคณะ ช่วงอุณหภูมิที่กว้างมากในเครื่องสร้างความร้อนด้วยไฟฟ้า Science 370, 125–129 (2020)
Wang, Y. และคณะ ระบบระบายความร้อนด้วยไฟฟ้าแบบโซลิดสเตทประสิทธิภาพสูง Science 370, 129–133 (2020)
Meng, Y. และคณะ อุปกรณ์ทำความเย็นด้วยไฟฟ้าความร้อนแบบเรียงลำดับสำหรับการเพิ่มอุณหภูมิสูง พลังงานแห่งชาติ 5, 996–1002 (2020)
Olsen, RB & Brown, DD การแปลงความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงที่มีประสิทธิภาพสูง: การวัดทางไพโรอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้อง Olsen, RB & Brown, DD การแปลงความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงที่มีประสิทธิภาพสูง การวัดแบบไพโรอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้องOlsen, RB และ Brown, DD การแปลงความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวัดแบบไพโรอิเล็กทริก Olsen, RB & Brown, DD รับผิดชอบเรื่อง โอลเซ่น, อาร์บี และ บราวน์, ดีดีOlsen, RB และ Brown, DD การแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยตรงอย่างมีประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับการวัดแบบไพโรอิเล็กทริกเฟอร์โรอิเล็กทริกส์ 40, 17–27 (1982)
Pandya, S. และคณะ ความหนาแน่นของพลังงานและกำลังในฟิล์มเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบรีแลกเซอร์บางๆ มหาวิทยาลัยแห่งชาติ https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018)
Smith, AN & Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงลำดับ: การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียทางไฟฟ้า Smith, AN & Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงลำดับ: การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียทางไฟฟ้าSmith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงลำดับ: การเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการเพิ่มประสิทธิภาพการสูญเสียทางไฟฟ้า Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 สมิธ, AN และ แฮนราฮาน, BMSmith, AN และ Hanrahan, BM การแปลงไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงลำดับ: การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟสเฟอร์โรอิเล็กทริกและการสูญเสียทางไฟฟ้าวารสารการประยุกต์ใช้ฟิสิกส์ 128, 24103 (2020)
Hoch, SR การใช้วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า กระบวนการ IEEE 51, 838–845 (1963)
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงลำดับ Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงลำดับOlsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM และ Dullea, J. ตัวแปลงพลังงานไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงลำดับ 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. ตัวแปลงพลังงานไพโรอิเล็กทริกแบบเรียงลำดับเฟอร์โรอิเล็กทริกส์ 59, 205–219 (1984)
เชบานอฟ, แอล. และ บอร์แมน, เค. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งตะกั่ว-สแกนเดียมแทนทาเลตที่มีผลทางอิเล็กโทรแคลอริกสูง เชบานอฟ, แอล. และ บอร์แมน, เค. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งตะกั่ว-สแกนเดียมแทนทาเลตที่มีผลทางอิเล็กโทรแคลอริกสูงเชบานอฟ แอล. และ บอร์แมน เค. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งของตะกั่ว-สแกนเดียมแทนทาเลตที่มีผลทางอิเล็กโทรแคลอริกสูง 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.เชบานอฟ แอล. และ บอร์แมน เค. เกี่ยวกับสารละลายของแข็งสแกนเดียม-ตะกั่ว-สแกนเดียมที่มีผลทางอิเล็กโทรแคลอริกสูงเฟอร์โรอิเล็กทริกส์ 127, 143–148 (1992)
ขอขอบคุณ N. Furusawa, Y. Inoue และ K. Honda สำหรับความช่วยเหลือในการสร้าง MLC ขอขอบคุณ PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB และ ED ที่ให้การสนับสนุนงานวิจัยนี้ผ่านทาง CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay และ BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay
ภาควิจัยวัสดุและเทคโนโลยี สถาบันเทคโนโลยีลักเซมเบิร์ก (LIST) เบลวัวร์ ลักเซมเบิร์ก