지속 가능한 전기 공급원을 제공하는 것은 금세기의 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 에너지 수확 물질의 연구 영역은 열전 전기 1, 광전자 2 및 Thermophotovoltaics3을 포함한 이러한 동기에서 비롯됩니다. 우리는 줄거리에서 에너지를 수확 할 수있는 재료와 장치가 부족하지만, 전기 에너지를 주기적 온도 변화로 변환 할 수있는 파이로 전기 재료는 센서 4 및 에너지 수확기로 간주됩니다. 5,6,7. 여기서 우리는 42 그램의 납 스칸듐 탄탈 레이트로 만든 다층 커패시터 형태로 거시적 열 에너지 수확기를 개발하여 열역학적주기 당 11.2 j의 전기 에너지를 생성했습니다. 각각의 파이어로 모듈은 사이클 당 최대 4.43 j cm-3의 전기 에너지 밀도를 생성 할 수 있습니다. 우리는 또한 0.3g의 무게가 0.3g의 두 모듈이 내장 된 마이크로 컨트롤러 및 온도 센서로 자율 에너지 수확기를 지속적으로 전력하기에 충분하다는 것을 보여줍니다. 마지막으로, 우리는 10K의 온도 범위에서 이러한 다층 커패시터가 40% 카르노 효율에 도달 할 수 있음을 보여줍니다. 이들 특성은 (1) 고효율에 대한 강유전전 상 변화, (2) 손실을 방지하기위한 낮은 누출 전류 및 (3) 높은 파괴 전압으로 인한 것이다. 이러한 거시적, 확장 가능하며 효율적인 파이어로 전력 수확기는 열전 발전을 재구성하고 있습니다.
열전 재료에 필요한 공간 온도 구배와 비교하여 열전 재료의 에너지 수확은 시간이 지남에 따라 온도 사이클링이 필요합니다. 이것은 열역학적주기를 의미하며, 이는 엔트로피 (들)-온도 (t) 다이어그램에 의해 가장 잘 설명된다. 그림 1a는 Scandium 납 탄탈 레이트 (PST)에서 전계 중심의 강유전성 전기 상전 상 전이를 보여주는 비선형 파이로 전기 (NLP) 재료의 전형적인 ST 플롯을 보여줍니다. ST 다이어그램의 사이클의 파란색과 녹색 섹션은 Olson 사이클의 변환 된 전기 에너지 (2 개의 등온 및 2 개의 이소 폴 섹션)에 해당합니다. 여기서는 초기 온도가 다르지만 동일한 전기장 변화 (필드 켜기)와 온도 변화 ΔT로 두주기를 고려합니다. 녹색 사이클은 위상 전이 영역에 있지 않으므로 위상 전이 영역에 위치한 청색주기보다 훨씬 작은 영역을 갖습니다. ST 다이어그램에서는 면적이 클수록 수집 된 에너지가 커집니다. 따라서 위상 전이는 더 많은 에너지를 수집해야합니다. NLP에서 대형 영역 사이클링의 필요성은 전자기구 응용 분야의 필요성과 매우 유사합니다. 9, 10, 11, 12에서 PST 다층 커패시터 (MLC) 및 PVDF 기반 Terpolymers가 최근에 우수한 역 성능을 나타냈다. 주기 13,14,15,16의 냉각 성능 상태. 따라서, 우리는 열 에너지 수확을위한 관심있는 PST MLC를 확인했다. 이들 샘플은 방법에 완전히 기술되었으며 보충 노트 1 (주사 전자 현미경), 2 (X- 선 회절) 및 3 (열량 측정)에 특징이있다.
A, 위상 전이를 나타내는 NLP 재료에 적용되는 전기장을 갖춘 엔트로피 (S)-온도 (T) 플롯의 스케치. 두 개의 에너지 수집주기가 두 개의 다른 온도 영역에 표시됩니다. 파란색과 녹색 사이클은 각각 위상 전이 내부와 외부에서 발생하며 표면의 매우 다른 영역에서 끝납니다. B, 2 개의 DE PST MLC 단위 링, 1mm 두께, 각각 20 ℃ 및 90 ℃에서 0 내지 155kV CM-1 사이, 그리고 상응하는 Olsen 사이클. 문자 ABCD는 Olson주기에서 다른 상태를 나타냅니다. AB : MLC를 20 ℃에서 155kV CM-1로 충전 하였다. BC : MLC를 155kV CM-1로 유지하고 온도를 90 ℃로 상승시켰다. CD : 90 ° C에서 MLC 배출. DA : MLC는 제로 필드에서 20 ° C로 식 었습니다. 파란색 영역은 사이클을 시작하는 데 필요한 입력 전력에 해당합니다. 오렌지 면적은 한 주기로 수집 된 에너지입니다. C, 상단 패널, 전압 (검은 색) 및 전류 (빨간색) 대 시간, 동일한 Olson 사이클 동안 b와 추적됩니다. 두 삽입물은 사이클의 핵심 지점에서 전압 및 전류의 증폭을 나타냅니다. 하단 패널에서, 노란색 및 녹색 곡선은 각각 1mm 두께의 MLC에 대해 해당 온도 및 에너지 곡선을 나타냅니다. 에너지는 상단 패널의 전류 및 전압 곡선에서 계산됩니다. 음의 에너지는 수집 된 에너지에 해당합니다. 4 개의 수치의 대문자에 해당하는 단계는 Olson Cycle과 동일합니다. 사이클 AB'CD는 스털링 사이클에 해당합니다 (추가 주 7).
여기서 E와 D는 각각 전기장과 전기 변위 필드입니다. ND는 DE 회로 (도 1B)로부터 간접적으로 또는 열역학적 사이클을 시작하여 직접 얻을 수있다. 가장 유용한 방법은 Olsen이 1980 년대 17 년에 파이어로 에너지 수집에 대한 개척 작업에서 설명되었습니다.
그림에서 1B는 0 ~ 155kV CM-1 (600V) 범위에 걸쳐 각각 20 ℃ 및 90 ℃에서 조립 된 1mm 두께의 PST-MLC 시편의 2 개의 모노폴라 DE 루프를 보여준다. 이 두 사이클은 그림 1a에 표시된 Olson 사이클에 의해 수집 된 에너지를 간접적으로 계산하는 데 사용될 수 있습니다. 실제로, Olsen주기는 2 개의 Isofield 브랜치 (여기서는 DA 분기의 제로 필드, BC 지점의 155kV CM-1)와 2 개의 등온 분기 (여기서는 20 ° с 및 20 ° с)로 구성됩니다. C CD 분기)주기 동안 수집 된 에너지는 주황색과 청색 영역 (EDD Integral)에 해당합니다. 수집 된 에너지 ND는 입력과 출력 에너지의 차이, 즉 그림의 주황색 영역 만입니다. 1B. 이 특정 Olson 사이클은 ND 에너지 밀도 1.78 j CM-3을 제공합니다. 스털링 사이클은 Olson 사이클의 대안입니다 (보충 노트 7). 일정한 전하 단계 (개방 회로)가 더 쉽게 도달하기 때문에,도 1b (사이클 AB'CD)에서 추출 된 에너지 밀도는 1.25 j cm-3에 도달한다. 이것은 Olson Cycle이 수집 할 수있는 것의 70%에 불과하지만 간단한 수확 장비가 수행합니다.
또한 Linkam 온도 제어 단계 및 소스 미터 (메소드)를 사용하여 PST MLC에 에너지를 공급함으로써 OLSON 사이클 동안 수집 된 에너지를 직접 측정했습니다. 그림 1c 상단과 각 삽입에서 동일한 Olson 사이클을 통과하는 DE 루프와 동일한 1mm 두께의 PST MLC에서 수집 된 전류 (빨간색) 및 전압 (검은 색)을 보여줍니다. 전류 및 전압은 수집 된 에너지를 계산할 수있게하며, 곡선은 그림에 나와 있습니다. 사이클 내내 1c, 바닥 (녹색) 및 온도 (노란색). 문자 ABCD는도 1에서 동일한 Olson 사이클을 나타냅니다. MLC 충전은 AB 다리 동안 발생하며 저 전류 (200 µA)에서 수행되므로 Sourcemeter는 충전을 올바르게 제어 할 수 있습니다. 이 일정한 초기 전류의 결과는 전압 곡선 (검은 색 곡선)이 비선형 전위 변위 필드 D PST로 인해 선형이 아니라는 것입니다 (그림 1C, 상단 삽입). 충전이 끝나면 30mJ의 전기 에너지가 MLC (지점 B)에 저장됩니다. MLC는 가열되고 음의 전류 (및 음의 전류)가 생성되는 동안 전압은 600V로 남아있다. 40 초 후에 온도가 90 ° C의 고원에 도달했을 때,이 전류는 회로에서 생성 된 단계 샘플 이이 ISOFIELD 동안 35 mJ의 전력을 생성했지만 보상되었다 (그림 1C, 상단). 그런 다음 MLC (Branch CD)의 전압이 감소하여 추가로 60mJ의 전기 작업이 발생합니다. 총 출력 에너지는 95 MJ입니다. 수집 된 에너지는 입력과 출력 에너지의 차이로 95 - 30 = 65 MJ를 제공합니다. 이는 1.84 j CM-3의 에너지 밀도에 해당하며, 이는 DE 링에서 추출 된 ND에 매우 가깝습니다. 이 Olson주기의 재현성은 광범위하게 테스트되었습니다 (보충 노트 4). 전압 및 온도를 더욱 증가시킴으로써, 우리는 750V (195 kV cm-1) 및 175 ° C의 온도 범위 (보충 주 5)에서 0.5 mm 두께의 PST MLC에서 Olsen 사이클을 사용하여 4.43 j cm-3을 달성했습니다. 이것은 직접 OLSON 사이클에 대한 문헌에서보고 된 최고의 성능보다 4 배 더 큽니다. PB (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1.06 J CM-3) 18 (CM. 문헌에서 더 많은 값에 대해서는 공급 표 1)의 박막에서 얻어졌다. 이 성능은 이들 MLC의 매우 낮은 누출 전류 (750V 및 180 ° C에서 <10-7A a <10-7 a, 보충 노트 6의 세부 사항 참조) (Smith et al.19에서 언급 한 중요한 점)로 인해 초기 연구 17,20에 사용 된 재료와 대조적으로 도달했습니다. 이 성능은 이들 MLC의 매우 낮은 누출 전류 (750V 및 180 ° C에서 <10-7A a <10-7 a, 보충 노트 6의 세부 사항 참조) (Smith et al.19에서 언급 한 중요한 점)로 인해 초기 연구 17,20에 사용 된 재료와 대조적으로 도달했습니다. эти хтарактеристики б냥 б냥 достигнуты благоря очень низкому 례 утеки 착취 (<10 –7 а а при 750 в 180 ° C, ‰ C. В дополнительном примечании 6) - кри랬던 밑 чес 변태 момент, упомянутый смитом и др. 19 - В отличие от к материалам, использованн 변 족 в боле ранних иссследования х17,20. 이러한 특성은 이들 MLC의 매우 낮은 누출 전류 (750V 및 180 ° C에서 <10-7 A, 자세한 내용은 보충 Note 6 참조)로 인해 달성되었습니다. - Smith et al. 19 - 초기 연구에 사용 된 재료와 달리 17,20.由于这些 MLC c l (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 相比之下, 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细 信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下, 17.20。 поскольку ток 랜 утечки утутих mlc очень низкий (<10–7 а при 750 В и 180 ° C, см. подроби 법적 в допопни но술 ключевоюч момент, упомянутый смитом и дрр. 19 - д넬 я сравнения, 미치는 б냥 достигнуты эти характеристики. 이 MLC의 누출 전류는 매우 낮기 때문에 (750V 및 180 ° C에서 <10–7 A는 자세한 내용은 보충 Note 6을 참조하십시오) - Smith et al. 19 - 비교를 위해 이러한 공연이 달성되었습니다.초기 연구에 사용 된 재료 17,20.
스털링 사이클에 적용되는 동일한 조건 (600 V, 20–90 ° C). DE 사이클의 결과에서 예상 한 바와 같이, 수율은 41.0 mJ였다. 스털링 사이클의 가장 인상적인 특징 중 하나는 열전 효과를 통해 초기 전압을 증폭시키는 능력입니다. 우리는 최대 39의 전압 게인 (15V의 초기 전압에서 최대 590V의 최종 전압까지, 보충 그림 7.2 참조)을 관찰했습니다.
이 MLC의 또 다른 특징은 Joule 범위에서 에너지를 수집하기에 충분히 큰 거시적 물체라는 것입니다. 따라서, 본 발명자들은 Torello et al.14에 의해 기술 된 동일한 평행 판 설계에 따라 28mlc PST 1mm 두께를 사용하여 프로토 타입 수확기 (Harv1)를 구성했다. 그림에 설명 된 Olson주기를 사용하여 최대 3.1 j를 수집하십시오. 도 2A, 10 ℃ 및 125 ℃에서 등온 영역 및 0 및 750 V (195 kV CM-1)에서 이소 필드 영역. 이것은 3.14 j cm-3의 에너지 밀도에 해당합니다. 이 조합을 사용하여 측정은 다양한 조건에서 수행되었습니다 (그림 2b). 1.8 j는 80 ℃의 온도 범위와 600V (155kV CM-1)의 전압에 걸쳐 얻어졌다. 이것은 동일한 조건 (28 × 65 = 1820 mJ)에서 1mm 두께의 PST MLC에 대해 앞에서 언급 한 65 MJ와 잘 일치합니다.
A, Olson Cycles에서 실행되는 28mlc PST 1mm 두께 (4 행 × 7 열)를 기반으로 한 조립 된 Harv1 프로토 타입의 실험 설정. 4 개의 사이클 단계 각각에 대해 온도와 전압이 프로토 타입에 제공됩니다. 컴퓨터는 냉장과 뜨거운 저수지, 2 개의 밸브 및 전원 사이의 유전체 유체를 순환하는 연동 펌프를 구동합니다. 또한 컴퓨터는 열전대를 사용하여 전원 공급 장치에서 프로토 타입 및 조합 온도에 공급되는 전압 및 전류에 대한 데이터를 수집합니다. B, 4 × 7 MLC 프로토 타입 대 온도 범위 (X- 축) 및 전압 (y 축)에 의해 수집 된 에너지 (색).
60 PST MLC 두께 1mm, 160 PST MLC 0.5 mm 두께 (41.7g 활성 파이로 전기 재료)를 갖는 더 큰 버전의 수확기 (Harv2)는 11.2 j (보충 노트 8)를 제공했습니다. 1984 년에 Olsen은 약 150 ° C의 온도에서 6.23 j의 전기를 생성 할 수있는 317g의 주석 도핑 PB (Zr, Ti) O3 화합물을 기반으로 에너지 수확기를 만들었습니다 (참조 21). 이 조합의 경우 Joule 범위에서 사용 가능한 유일한 다른 값입니다. 그것은 우리가 달성 한 가치의 절반 이상과 품질의 거의 7 배를 얻었습니다. 이는 Harv2의 에너지 밀도가 13 배 더 높음을 의미합니다.
Harv1 사이클 기간은 57 초입니다. 이것은 1 mm 두께의 MLC 세트의 7 열의 4 열로 54MW의 전력을 생성했습니다. 한 걸음 더 나아가기 위해, 우리는 0.5mm 두께의 PST MLC와 Harv1 및 Harv2와 유사한 설정으로 세 번째 콤바인 (Harv3)을 구축했습니다 (보충 Note 9). 12.5 초의 열화 시간을 측정했습니다. 이것은 25 초의 사이클 시간에 해당합니다 (보충 그림 9). 수집 된 에너지 (47 MJ)는 MLC 당 1.95MW의 전력을 제공하므로 Harv2가 0.55W (약 1.95mW × 280 PST MLC 0.5 mm 두께)를 생성한다고 상상할 수 있습니다. 또한 Harv1 실험에 해당하는 유한 요소 시뮬레이션 (COMSOL, 보충 노트 10 및 보충 표 2-4)을 사용하여 열 전달을 시뮬레이션했습니다. 유한 요소 모델링을 통해 MLC를 냉각수로 사용하고 매트릭스를 7 행으로 복원하여 MLC를 0.2mm로 얇게하여 동일한 수의 PST 열에 대해 전력 값 (430mW)을 거의 예측할 수있었습니다. × 4 컬럼 (탱크가 결합 옆에있을 때 960 MW가 있었는데, 보충 그림 10b).
이 수집기의 유용성을 입증하기 위해 스털링 사이클은 열 수집기로서 2 개의 0.5mm 두께의 PST MLC, 고전압 스위치, 저장 커패시터가있는 저전압 스위치, DC/DC 컨버터, 저전력 마이크로 컨트롤러, 2 개의 열전대 및 부스트 전환기 (보충 노트 11)로 구성된 독립형 시연기에 적용되었습니다. 회로는 저장 커패시터가 처음에 9V에서 충전 된 다음 자율적으로 작동하는 반면, 두 MLC의 온도는 -5 ° C ~ 85 ° C이며, 여기서는 160 초의 사이클 (여러 사이클은 보충 노트 11에 표시됨). 놀랍게도, 무게가 0.3g에 불과한 2 개의 MLC는이 큰 시스템을 자율적으로 제어 할 수 있습니다. 또 다른 흥미로운 특징은 저전압 변환기가 79% 효율로 400V를 10-15V로 변환 할 수 있다는 것입니다 (보충 Note 11 및 보충 그림 11.3).
마지막으로, 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데있어 이러한 MLC 모듈의 효율을 평가했습니다. 효율의 품질 계수 η는 공급 된 열 진의 밀도에 대한 수집 된 전기 에너지의 밀도의 비율로 정의됩니다 (보충 주석 12) :
도 3A, B는 0.5 mm 두께의 PST MLC의 온도 범위의 함수로서 Olsen 사이클의 효율 η 및 비례 효율 ηr를 각각 보여준다. 두 데이터 세트는 195kV CM-1의 전기장에 대해 제공됩니다. 효율 \ (\ this \)는 1.43%에 도달하며 이는 ηR의 18%에 해당합니다. 그러나, 25 ℃ 내지 35 ℃의 10k의 온도 범위에서, ηr는 최대 40%의 값에 도달한다 (도 3b의 파란색 곡선). 이것은 10K 및 300kV CM-1의 온도 범위에서 PMN-PT 필름 (ηR = 19%)에 기록 된 NLP 재료에 대한 알려진 값의 두 배입니다 (참조 18). PST MLC의 열 히스테리시스는 5 ~ 8 K이기 때문에 10k 미만의 온도 범위는 고려되지 않았다. 효율에 대한 위상 전이의 양성 효과의 인식은 중요하다. 실제로, η 및 ηr의 최적 값은도 1 및도 1의 초기 온도 Ti = 25 ℃에서 얻어진다. 3A, b. 이는 필드가없고 큐리 온도 TC 가이 MLC에서 약 20 ° C 인 경우 근접 위상 전이 때문입니다 (보충 주석 13).
A, B, 효율 η 및 Olson Cycle의 비례 효율은 (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {\ rm {\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot}} {{\ rm {carnot}}} {{\ rm {carnot}}}는 195 KV CM-1 및 다른 초기 온도에 의한 최대 전기에 대한 전기 {carnot}}. }} \, \) (b) 온도 간격 ΔTSPAN에 따라 MPC PST 0.5 mm 두께의 경우.
후자의 관찰은 두 가지 중요한 의미를 갖는다 : (1) 현장에서 유발 된 위상 전이 (paraelectric에서 강유전전으로)가 발생하기 위해 TC 이상의 온도에서 시작해야한다. (2)이 재료는 TC에 가까운 실행 시간에 더 효율적입니다. 우리의 실험에는 대규모 효율성이 표시되지만, 제한된 온도 범위는 카르노트 한계 (\ (\ delta t/t \))로 인해 큰 절대 효율을 달성 할 수 없습니다. 그러나 이러한 PST MLC에 의해 입증 된 우수한 효율은 Olsen을 정당화 할 때“50 ° C에서 250 ° C 사이의 온도에서 작동하는 이상적인 클래스 20 클래스 재생 열전 모터는 30%의 효율을 가질 수 있습니다”17을 정당화합니다. 이러한 값에 도달하고 개념을 테스트하려면 Shebanov와 Borman이 연구 한 것처럼 다른 TCS를 가진 도핑 된 PST를 사용하는 것이 유용합니다. 그들은 PST의 TC가 3 ° C (SB 도핑)에서 33 ° C (TI 도핑)에서 다양 할 수 있음을 보여 주었다. 따라서, 우리는 DOPED PST MLC 또는 강력한 1 차 위상 전환을 갖는 다른 재료를 기반으로 한 차세대 pyroelectric regenerator가 최고의 전력 수확기와 경쟁 할 수 있다고 가정합니다.
이 연구에서 우리는 PST로 만든 MLC를 조사했습니다. 이들 장치는 일련의 PT 및 PST 전극으로 구성되며, 이로 인해 여러 커패시터가 병렬로 연결됩니다. PST는 우수한 EC 재료이므로 잠재적으로 우수한 NLP 재료이기 때문에 선택되었습니다. 그것은 20 ° C 정도의 급격한 1 차 강유전성-전기 전기 상 전이를 나타내며, 이는 엔트로피 변화가도 1에 도시 된 것과 유사하다는 것을 나타낸다. 유사한 MLC가 EC13,14 장치에 대해 완전히 설명되었다. 이 연구에서 우리는 10.4 × 7.2 × 1 mm³ 및 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ mlcs를 사용했습니다. 두께가 1 mm 및 0.5 mm 인 MLC는 각각 두께가 38.6 µm 인 PST의 19 층으로 만들어졌다. 두 경우 모두, 내부 PST 층을 2.05 μm 두께 백금 전극 사이에 놓았다. 이들 MLC의 설계는 PST의 55%가 전극 사이의 부분에 해당하는 활성이라고 가정한다 (보충 주석 1). 활성 전극 영역은 48.7 mm2였다 (보충 표 5). MLC PST는 고체 상 반응 및 주조 방법에 의해 제조되었다. 준비 과정의 세부 사항은 이전 기사 14에 설명되어 있습니다. PST MLC와 이전 기사의 차이점 중 하나는 PST에서 EC의 성능에 큰 영향을 미치는 B- 사이트의 순서입니다. PST MLC의 B- 사이트의 순서는 1400 ° C에서 소결에 이어 1000 ° C에서 수백 시간 길이의 어닐링에 의해 얻어진 0.75 (보충 주 2)이다. PST MLC에 대한 자세한 내용은 보충 노트 1-3 및 보충 표 5를 참조하십시오.
이 연구의 주요 개념은 Olson주기를 기반으로합니다 (그림 1). 이러한주기에는 다양한 MLC 모듈에서 전압 및 전류를 모니터링하고 제어 할 수있는 열과 차가운 저수지와 전원 공급 장치가 필요합니다. 이 직접 사이클은 두 가지 다른 구성, 즉 (1) Keithley 2410 전원에 연결된 하나의 MLC 가열 및 냉각 및 (2) 동일한 소스 에너지와 병렬로 3 개의 프로토 타입 (Harv1, Harv2 및 Harv3)을 사용했습니다. 후자의 경우, 25 ° C에서 5cp의 점도가있는 실리콘 오일, Sigma Aldrich에서 구입)는 ​​두 저수지 (뜨거운 및 냉간)와 MLC 사이의 열 교환에 사용되었습니다. 열 저장소는 유전체 유체로 채워진 유리 용기로 구성되며 열 플레이트 위에 놓습니다. 냉장 저장은 물과 얼음으로 채워진 큰 플라스틱 용기에 유전체 유체를 함유 한 액체 튜브가있는 수조로 구성됩니다. 결합의 각 끝에 두 개의 3 자 핀치 밸브 (바이오 chem 유체에서 구매)를 배치하여 한 저수지에서 다른 저수지로 유체를 올바르게 전환했습니다 (그림 2A). PST-MLC 패키지와 냉각제 사이의 열 평형을 보장하기 위해, 입구 및 출구 열전대 (PST-MLC 패키지에 가능한 한 가깝게)가 동일한 온도를 나타낼 때까지주기 기간이 연장되었습니다. Python 스크립트는 올바른 Olson 사이클을 실행하기 위해 모든 기기 (소스 미터, 펌프, 밸브 및 열전대)를 관리하고 동기화합니다. 즉, 냉각수 루프가 PST 스택을 통해 사이클링을 시작하여 소스 미터가 충전 된 후 주어진 OLSON 사이클에 대해 원하는 적용 전압에서 가열됩니다.
또는 간접적 인 방법으로 수집 된 에너지의 이러한 직접 측정을 확인했습니다. 이러한 간접적 인 방법은 전기 변위 (D) - 전기장 (E) 다른 온도에서 수집 된 전기 고리를 기반으로하며, 두 개의 DE 루프 사이의 영역을 계산함으로써 그림과 같이 수집 할 수있는 에너지를 정확하게 추정 할 수 있습니다. 그림 2. .1b에서. 이 DE 루프는 Keithley 소스 미터를 사용하여 수집됩니다.
27mm 두께의 PST MLC를 기준에 기술 된 설계에 따라 4 열 7 열 평행 플레이트 구조로 조립 하였다. 14. PST-MLC 행 사이의 유체 갭은 0.75mm입니다. 이것은 PST MLC의 가장자리 주위에 액체 스페이서로서 양면 테이프 스트립을 추가함으로써 달성된다. PST MLC는 전극 리드와 접촉하는은 에폭시 브리지와 병렬로 전기적으로 연결됩니다. 그 후, 전원 공급 장치에 연결하기 위해 전극 단자의 각 측면에은 에폭시 수지와 전선을 접착시켰다. 마지막으로 전체 구조를 폴리올레핀 호스에 삽입하십시오. 후자는 유체 튜브에 붙어있어 적절한 밀봉을 보장합니다. 마지막으로, 0.25 mm 두께의 K 형 열전대를 PST-MLC 구조의 각 끝에 내장되어 입구 및 출구 액체 온도를 모니터링했습니다. 이렇게하려면 호스를 먼저 천공해야합니다. 열전대를 설치 한 후, 열전대 호스와 와이어 사이에 이전과 동일한 접착제를 바르고 씰을 복원하십시오.
8 개의 개별 프로토 타입이 구축되었으며, 그 중 4 개는 5 개의 열과 8 개의 행을 갖는 평행 판으로 분포 된 40 0.5 mm 두께의 MLC PST를 가지고 있었고 나머지 4 개는 각각 15 1 mm 두께의 MLC PST를 가졌다. 3 열 × 5 열 평행 플레이트 구조. 사용 된 PST MLC의 총 수는 220 (160 0.5mm 두께, 60 PST MLC 두께)이었다. 이 두 서브 유닛을 Harv2_160과 Harv2_60이라고합니다. 프로토 타입 Harv2_160의 액체 간격은 두께가 0.25mm 두께로 0.25mm 두께의 두 배가 테이프로 구성되어 있습니다. Harv2_60 프로토 타입의 경우 동일한 절차를 반복했지만 0.38mm 두께 와이어를 사용했습니다. 대칭의 경우 Harv2_160 및 Harv2_60에는 자체 유체 회로, 펌프, 밸브 및 콜드 쪽이 있습니다 (보충 주석 8). 2 개의 Harv2 장치는 회전 자석이있는 2 개의 핫 플레이트에 3 리터 컨테이너 (30 cm x 20 cm x 5 cm)를 공유합니다. 8 개의 개별 프로토 타입은 모두 전기적으로 병렬로 연결됩니다. Harv2_160 및 Harv2_60 서브 유닛은 Olson 사이클에서 동시에 작동하여 11.2 J의 에너지 수확을 초래합니다.
두 배의 PST MLC를 양면 테이프와 양쪽에 와이어로 폴리올레핀 호스에 0.5mm 두께를 넣고 액체가 흐르는 공간을 만듭니다. 크기가 작기 때문에 프로토 타입은 핫 저수지 밸브 옆에 배치되어주기 시간을 최소화했습니다.
PST MLC에서, 가열 분지에 일정한 전압을 적용함으로써 일정한 전기장이 적용된다. 결과적으로 음의 열 전류가 생성되고 에너지가 저장됩니다. PST MLC를 가열 한 후, 필드를 제거하고 (v = 0), 저장된 에너지는 소스 카운터로 다시 반환되며, 이는 수집 된 에너지의 하나 이상의 기여에 해당합니다. 마지막으로, 전압 v = 0이 적용되면, MLC PST는 초기 온도로 냉각되어 사이클이 다시 시작될 수 있습니다. 이 단계에서는 에너지가 수집되지 않습니다. Keithley 2410 Sourcemeter를 사용하여 Olsen 사이클을 실행하여 전압 소스에서 PST MLC를 충전하고 현재 일치를 적절한 값으로 설정하여 충전 단계에서 신뢰할 수있는 에너지 계산을 위해 충분한 포인트를 수집 할 수있었습니다.
스털링 사이클에서, PST MLC는 초기 전기장 값 (초기 전압 VI> 0)으로 전압 소스 모드로 충전되었으며, 원하는 규정 준수 전류는 충전 단계가 약 1 초 (그리고 에너지의 신뢰할 수있는 계산을 위해 충분한 포인트가 수집 됨) 및 냉 온도를 수집합니다. 스털링 사이클에서, PST MLC는 초기 전기장 값 (초기 전압 VI> 0)으로 전압 소스 모드로 충전되었으며, 원하는 규정 준수 전류는 충전 단계가 약 1 초 (그리고 에너지의 신뢰할 수있는 계산을 위해 충분한 포인트가 수집 됨) 및 냉 온도를 수집합니다. В цикла일 стирлин악 PST MLC заря я일 ·лис악 в режиме исто짐 ay ¨ника напря일, ния при на но 처 a зчении элеесоос터 덤벌 숭. (налальное напря 빔 vi> 0), желаемом потливом 셨을 때, татак что этап зряки заним 갑광 갑 (и набраебраерарядки · 밑 밑 밑보. достататочное количество то임사 для надежного расчета энергия) и и и и и и 랜스 자기자입니다. 스털링 PST MLC 사이클에서, 전기장의 초기 값 (초기 전압 vi> 0)에서 전압 소스 모드에서 원하는 수율 전류로 충전되어 충전 단계는 약 1 초 (및 신뢰할 수있는 에너지 계산을 위해 충분한 수의 포인트가 수집 됨) 및 콜드 온도를 수집합니다.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 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。 和低温。 마스터 사이클에서 PST MLC는 전압 소스 모드에서 초기 전기장 값 (초기 전압 vi> 0)으로 충전되므로 충전 단계에 필요한 준수 전류가 약 1 초가 걸리고 (에너지) 및 저온을 안정적으로 계산하기에 충분한 지점을 수집했습니다. В цикле стирлинга pst mlc заря 추 추 위치 ay rath rath сежиме истоника напря일 밑 ния с нrальни vачением элекое (¨ол 왜 Â  ¢ Â ¢ Â ¢ Â ¢ Â ¢ Â ¢ · · 밑 a 전 (하십니까). напря 빔 ние vi> 0), небуее은 ток податливости таков, что этап заря я듈새 заним око 울거리 (и набирся я고 갇혀있는 관어 스털링 사이클에서, PST MLC는 전기장의 초기 값 (초기 전압 vi> 0)으로 전압 소스 모드에서 충전되며, 필요한 준수 전류는 충전 단계가 약 1 초 (및 에너지를 안정적으로 계산하기 위해 충분한 수의 포인트를 수집하고, 낮은 온도를 수집하는 것입니다.PST MLC가 가열되기 전에 I = 0 Ma의 일치 전류를 적용하여 회로를 열어줍니다 (측정 소스가 처리 할 수있는 최소 일치 전류는 10 NA). 결과적으로, MJK의 PST에 전하가 남아 있고 샘플이 가열함에 따라 전압이 증가합니다. I = 0 MA이므로 ARM BC에서 에너지가 수집되지 않습니다. 고온에 도달 한 후 MLT FT의 전압이 증가합니다 (경우에 따라 30 회 이상, 추가 그림 7.2 참조), MLK FT가 배출되고 (v = 0), 초기 전하와 동일하게 전기 에너지가 저장됩니다. 동일한 전류 서신이 미터 소스로 반환됩니다. 전압 게인으로 인해 고온에서 저장된 에너지는 사이클 시작시 제공된 것보다 높습니다. 결과적으로, 열을 전기로 변환함으로써 에너지가 얻어진다.
Keithley 2410 Sourcemeter를 사용하여 PST MLC에 적용된 전압 및 전류를 모니터링했습니다. 해당 에너지는 Keithley의 소스 미터에 의해 전압 및 현재 읽은 제품을 통합하여 계산됩니다. τ는 기간의 기간입니다. 우리의 에너지 곡선에서, 양의 에너지 값은 우리가 MLC PST에 제공 해야하는 에너지를 의미하며, 음의 값은 우리가 추출하여 에너지를 의미하며, 따라서받은 에너지를 의미합니다. 주어진 수집주기에 대한 상대적 전력은 수집 된 에너지를 전체 사이클의 기간으로 나누어 결정됩니다.
모든 데이터는 본문 또는 추가 정보로 표시됩니다. 자료에 대한 서신 및 요청은이 기사와 함께 제공된 AT 또는 ED 데이터의 출처로 향해야합니다.
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MLC를 만드는 데 도움을 준 N. Furusawa, Y. Inoue 및 K. Honda에게 감사드립니다. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB 및 ED CAMELHEAT C17/MS/11703691/DEFAY, MASSENA PRIDE/15/10935404/DEFAY- SIEBENTRITT, THERTODIMAT C20/MS/1471807180718071807180718071807180718071/10935404/defay- siebentritt, 브리지 2021/ms/16282302/cecoha/defay.
룩셈부르크 기술 연구소 (Lixembourg, Belvoir, Luxembourg)