지속 가능한 전력 공급원을 제공하는 것은 금세기의 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 에너지 수확 재료의 연구 분야는 열전1, 광전지2 및 열광전지3를 포함하여 이러한 동기에서 비롯됩니다. 줄(Joule) 범위의 에너지를 수확할 수 있는 재료와 장치가 부족하지만 전기 에너지를 주기적인 온도 변화로 변환할 수 있는 초전 재료는 센서4 및 에너지 수확기5,6,7로 간주됩니다. 여기서 우리는 42그램의 납 스칸듐 탄탈레이트로 만들어진 다층 커패시터 형태의 거시적 열 에너지 수확기를 개발하여 열역학적 사이클당 11.2J의 전기 에너지를 생성합니다. 각 초전 모듈은 사이클당 최대 4.43 J cm-3의 전기 에너지 밀도를 생성할 수 있습니다. 또한 우리는 0.3g 무게의 두 모듈이 마이크로 컨트롤러와 온도 센서가 내장된 자율 에너지 수확기에 지속적으로 전력을 공급하기에 충분하다는 것을 보여줍니다. 마지막으로, 우리는 10K의 온도 범위에서 이러한 다층 커패시터가 40% 카르노 효율에 도달할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 특성은 (1) 고효율을 위한 강유전체 상 변화, (2) 손실 방지를 위한 낮은 누설 전류, (3) 높은 항복 전압에 기인합니다. 이 거시적이고 확장 가능하며 효율적인 초전 발전 수확기는 열전 발전을 재창조하고 있습니다.
열전 재료에 필요한 공간적 온도 구배와 비교하여, 열전 재료의 에너지 수확은 시간에 따른 온도 순환이 필요합니다. 이는 엔트로피(S)-온도(T) 다이어그램으로 가장 잘 설명되는 열역학적 사이클을 의미합니다. 그림 1a는 탄탈산 납(PST)에서 필드 구동 강유전성-상전이 상전이를 보여주는 비선형 초전성(NLP) 재료의 일반적인 ST 플롯을 보여줍니다. ST 다이어그램에서 사이클의 파란색과 녹색 부분은 올슨 사이클(두 개의 등온선 부분과 두 개의 등극 부분)에서 변환된 전기 에너지에 해당합니다. 여기서는 비록 초기 온도는 다르지만 동일한 전기장 변화(필드 온 및 오프)와 온도 변화 ΔT를 갖는 두 사이클을 고려합니다. 녹색 주기는 상전이 영역에 위치하지 않으므로 상전이 영역에 위치한 파란색 주기에 비해 면적이 훨씬 작습니다. ST 다이어그램에서 면적이 클수록 수집된 에너지가 커집니다. 따라서 상전이는 더 많은 에너지를 수집해야 합니다. NLP에서 대면적 사이클링에 대한 요구는 PST 다층 커패시터(MLC) 및 PVDF 기반 삼원중합체가 최근 탁월한 역 성능을 보여준 전열 응용 분야에 대한 요구와 매우 유사합니다. 사이클 13,14,15,16의 냉각 성능 상태. 따라서 우리는 열 에너지 수확에 관심 있는 PST MLC를 식별했습니다. 이 샘플은 방법에 자세히 설명되어 있으며 보충 설명 1(주사 전자 현미경), 2(X선 회절) 및 3(열량계)을 특징으로 합니다.
a, 상전이를 보여주는 NLP 물질에 전기장을 켜고 끄는 엔트로피(S)-온도(T) 플롯의 스케치입니다. 두 개의 서로 다른 온도대에서 두 개의 에너지 수집 주기가 표시됩니다. 파란색과 녹색 주기는 각각 상전이 내부와 외부에서 발생하며 표면의 매우 다른 영역에서 끝납니다. b, 20°C와 90°C에서 각각 0~155kV cm-1 사이에서 측정된 1mm 두께의 두 개의 DE PST MLC 단극 링과 해당 Olsen 사이클. 문자 ABCD는 올슨 주기의 여러 상태를 나타냅니다. AB: MLC는 20°C에서 155kV cm-1로 충전되었습니다. BC: MLC를 155 kV cm-1로 유지하고 온도를 90 °C로 높였습니다. CD: MLC는 90°C에서 방전됩니다. DA: 제로 필드에서 20°C로 냉각된 MLC. 파란색 영역은 사이클을 시작하는 데 필요한 입력 전력에 해당합니다. 주황색 영역은 한 사이클에 수집된 에너지입니다. c, 상단 패널, 전압(검은색) 및 전류(빨간색) 대 시간, b와 동일한 올슨 주기 동안 추적됨. 두 개의 삽입은 사이클의 주요 지점에서 전압과 전류의 증폭을 나타냅니다. 하단 패널에서 노란색과 녹색 곡선은 각각 1mm 두께의 MLC에 해당하는 온도 및 에너지 곡선을 나타냅니다. 에너지는 상단 패널의 전류 및 전압 곡선에서 계산됩니다. 음의 에너지는 수집된 에너지에 해당합니다. 네 그림의 대문자에 해당하는 단계는 올슨주기와 동일합니다. 주기 AB'CD는 스털링 주기(추가 설명 7)에 해당합니다.
여기서 E와 D는 각각 전기장과 전기 변위장입니다. Nd는 DE 회로(그림 1b)에서 간접적으로 얻거나 열역학적 사이클을 시작하여 직접 얻을 수 있습니다. 가장 유용한 방법은 Olsen이 1980년대 초전기 에너지 수집에 관한 선구적인 연구에서 설명했습니다17.
그림에. 그림 1b는 0~155kV cm-1(600V) 범위에 걸쳐 각각 20°C와 90°C에서 조립된 1mm 두께 PST-MLC 시편의 두 개의 단극 DE 루프를 보여줍니다. 이 두 사이클은 그림 1a에 표시된 올슨 사이클에 의해 수집된 에너지를 간접적으로 계산하는 데 사용될 수 있습니다. 실제로 올슨 주기는 2개의 등온장 분기(여기서는 DA 분기의 0장, BC 분기의 155kV cm-1)와 2개의 등온 분기(여기서는 AB 분기의 20°С 및 20°С)로 구성됩니다. . CD 분기의 C) 주기 동안 수집된 에너지는 주황색 및 파란색 영역에 해당합니다(EdD 적분). 수집된 에너지 Nd는 입력 에너지와 출력 에너지의 차이입니다. 즉, 그림에서 주황색 영역만 표시됩니다. 1b. 이 특별한 올슨 사이클은 1.78 J cm-3의 Nd 에너지 밀도를 제공합니다. 스털링 사이클은 올슨 사이클(보충 참고 7)의 대안입니다. 일정한 충전 단계(개방 회로)에 더 쉽게 도달하기 때문에 그림 1b(사이클 AB'CD)에서 추출된 에너지 밀도는 1.25 J cm-3에 도달합니다. 이는 올슨 사이클이 수집할 수 있는 것의 70%에 불과하지만 간단한 수확 장비가 이를 수행합니다.
또한 Linkam 온도 제어 단계와 소스 미터(방법)를 사용하여 PST MLC에 전원을 공급하여 Olson 사이클 동안 수집된 에너지를 직접 측정했습니다. 상단과 각 삽입의 그림 1c는 동일한 Olson 사이클을 통과하는 DE 루프와 동일한 1mm 두께 PST MLC에 수집된 전류(빨간색)와 전압(검은색)을 보여줍니다. 전류와 전압을 통해 수집된 에너지를 계산할 수 있으며, 곡선이 그림에 나와 있습니다. 1c, 사이클 전반에 걸쳐 하단(녹색) 및 온도(노란색). 문자 ABCD는 그림 1의 동일한 Olson 사이클을 나타냅니다. MLC 충전은 AB 구간에서 발생하며 낮은 전류(200μA)에서 수행되므로 SourceMeter는 충전을 적절하게 제어할 수 있습니다. 이 일정한 초기 전류의 결과는 비선형 전위 변위 필드 D PST로 인해 전압 곡선(검은색 곡선)이 선형이 아니라는 것입니다(그림 1c, 상단 삽입). 충전이 끝나면 30mJ의 전기 에너지가 MLC(B 지점)에 저장됩니다. 그런 다음 MLC가 가열되고 전압이 600V로 유지되는 동안 음전류(따라서 음전류)가 생성됩니다. 40초 후 온도가 90°C의 안정기에 도달하면 이 전류가 보상되었습니다. 이 등장 동안 회로에서 35mJ의 전력을 생성했습니다(그림 1c의 두 번째 삽입, 상단). 그런 다음 MLC(분기 CD)의 전압이 감소하여 추가로 60mJ의 전기 작업이 발생합니다. 총 출력 에너지는 95mJ입니다. 수집된 에너지는 입력 에너지와 출력 에너지의 차이로 95 – 30 = 65 mJ입니다. 이는 1.84 J cm-3의 에너지 밀도에 해당하며, 이는 DE 고리에서 추출된 Nd에 매우 가깝습니다. 이 Olson주기의 재현성은 광범위하게 테스트되었습니다 (보충 참고 4). 전압과 온도를 더욱 증가시킴으로써 우리는 750V(195kVcm-1) 및 175°C의 온도 범위에 걸쳐 0.5mm 두께의 PST MLC에서 Olsen 사이클을 사용하여 4.43Jcm-3를 달성했습니다(보충 참고 5). 이는 직접적인 Olson 사이클에 대해 문헌에 보고된 최고 성능보다 4배 더 크며 Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3(PMN-PT)(1.06Jcm-3)18(cm2)의 박막에서 얻은 것입니다. 문헌의 더 많은 값은 표 1 참조). 이 성능은 이러한 MLC의 매우 낮은 누설 전류(750V 및 180°C에서 <10−7A, 보충 참고 6의 세부 사항 참조)로 인해 달성되었습니다. 이는 Smith et al.19가 언급한 중요한 점입니다. 이전 연구17,20에서 사용된 재료. 이 성능은 이러한 MLC의 매우 낮은 누설 전류(750V 및 180°C에서 <10−7A, 보충 참고 6의 세부 사항 참조)로 인해 달성되었습니다. 이는 Smith et al.19가 언급한 중요한 점입니다. 이전 연구17,20에서 사용된 재료. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC(<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. в дополнительном примечании 6) — Критический 순간, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. 이러한 특성은 이러한 MLC의 매우 낮은 누설 전류(750V 및 180°C에서 <10-7A, 자세한 내용은 보충 참고 6 참조)로 인해 달성되었습니다. 이는 Smith 등이 언급한 중요한 점입니다. 19 – 이전 연구에서 사용된 재료와 대조17,20.由于这些MLC의 泄漏电流不常低（750V 와 180°C 时<10-7A,请参见补充说明6 中的详细信息）——Smith 等人19 ——상호지하 ，已经达到了这种性能到早期研究中使用 材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 不常 （현재 750V 및 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 上比之下 比저了这种性能到早期研究中使사용용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) — вой момент, упомянутый Смитом и dr. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. 이러한 MLC의 누설 전류는 매우 낮기 때문에(750V 및 180°C에서 <10–7A, 자세한 내용은 보충 참고 6 참조) – Smith 등이 언급한 핵심 사항입니다. 19 - 비교를 위해 이러한 성과를 달성했습니다.이전 연구에서 사용된 재료에 17,20.
스털링 사이클(보충 참고 7)에도 동일한 조건(600V, 20–90°C)이 적용되었습니다. DE 사이클 결과에서 예상한 대로 수율은 41.0mJ였습니다. 스털링 사이클의 가장 눈에 띄는 특징 중 하나는 열전 효과를 통해 초기 전압을 증폭시키는 능력입니다. 우리는 최대 39의 전압 이득을 관찰했습니다 (초기 전압 15V에서 최대 590V의 최종 전압까지, 보충 그림 7.2 참조).
이러한 MLC의 또 다른 특징은 줄 범위의 에너지를 수집할 수 있을 만큼 큰 거시적 물체라는 것입니다. 따라서 우리는 Torello et al.14가 설명한 동일한 평행판 설계에 따라 28 MLC PST 1mm 두께를 사용하여 그림과 같이 7×4 매트릭스에서 프로토타입 수확기(HARV1)를 구성했습니다. 매니폴드는 유체 온도가 일정하게 유지되는 두 저장소 사이의 연동 펌프에 의해 이동됩니다(방법). 그림에 설명된 Olson 사이클을 사용하여 최대 3.1J를 수집합니다. 2a, 10°C 및 125°C의 등온 영역과 0 및 750 V(195 kV cm-1)의 등온 영역. 이는 3.14 J cm-3의 에너지 밀도에 해당합니다. 이 결합을 사용하여 다양한 조건에서 측정을 수행했습니다(그림 2b). 80°C의 온도 범위와 600V(155kV cm-1)의 전압에서 1.8J가 얻어졌습니다. 이는 동일한 조건(28 × 65 = 1820mJ)에서 1mm 두께 PST MLC에 대해 앞서 언급한 65mJ와 잘 일치합니다.
a, Olson 사이클에서 실행되는 1mm 두께(4행 × 7열) 28개의 MLC PST를 기반으로 조립된 HARV1 프로토타입의 실험 설정. 4개 사이클 단계 각각에 대해 온도와 전압이 프로토타입에 제공됩니다. 컴퓨터는 차가운 저장소와 뜨거운 저장소, 두 개의 밸브 및 전원 사이에 유전체 유체를 순환시키는 연동 펌프를 구동합니다. 컴퓨터는 또한 열전대를 사용하여 프로토타입에 공급되는 전압 및 전류와 전원 공급 장치의 콤바인 온도에 대한 데이터를 수집합니다. b, 다양한 실험에서 4×7 MLC 프로토타입에 의해 수집된 에너지(색상) 대 온도 범위(X축) 및 전압(Y축).
60 PST MLC 1mm 두께 및 160 PST MLC 0.5mm 두께(41.7g 활성 초전 물질)를 갖춘 더 큰 버전의 수확기(HARV2)는 11.2J(보충 참고 8)를 제공했습니다. 1984년에 Olsen은 약 150°C의 온도에서 6.23J의 전기를 생성할 수 있는 주석 도핑된 Pb(Zr,Ti)O3 화합물 317g을 기반으로 에너지 수확기를 만들었습니다(참조 21). 이 결합의 경우 이는 줄 범위에서 사용할 수 있는 유일한 다른 값입니다. 우리가 달성한 가치의 절반이 조금 넘고 품질은 거의 7배 향상되었습니다. 이는 HARV2의 에너지 밀도가 13배 더 높다는 것을 의미합니다.
HARV1 주기는 57초입니다. 이는 1mm 두께의 MLC 세트로 구성된 7열의 4행으로 54mW의 전력을 생산했습니다. 한 단계 더 나아가기 위해 우리는 0.5mm 두께의 PST MLC와 HARV1 및 HARV2(보충 참고 9)와 유사한 설정을 갖춘 세 번째 결합(HARV3)을 구축했습니다. 우리는 12.5초의 열화 시간을 측정했습니다. 이는 25초의 사이클 시간에 해당합니다(보조 그림 9). 수집된 에너지(47mJ)는 MLC당 1.95mW의 전력을 제공하므로 HARV2가 0.55W(대략 1.95mW × 280PST MLC 0.5mm 두께)를 생성한다고 상상할 수 있습니다. 또한 HARV1 실험에 해당하는 유한 요소 시뮬레이션(COMSOL, 보충 참고 10 및 보충 표 2-4)을 사용하여 열 전달을 시뮬레이션했습니다. 유한 요소 모델링을 통해 MLC를 0.2mm로 얇게 만들고, 물을 냉각수로 사용하고, 매트릭스를 7행으로 복원하여 동일한 수의 PST 열에 대해 거의 한 자릿수 더 높은(430mW) 전력 값을 예측할 수 있었습니다. . × 4 열 (추가로 탱크가 콤바인 옆에 있을 때 960mW가 있었습니다, 보충 그림 10b).
이 컬렉터의 유용성을 입증하기 위해 열 컬렉터인 0.5mm 두께의 PST MLC 2개, 고전압 스위치, 저장 커패시터가 있는 저전압 스위치, DC/DC 컨버터로 구성된 독립형 시연자에 스털링 사이클을 적용했습니다. , 저전력 마이크로컨트롤러, 2개의 열전대 및 부스트 컨버터(보충 참고 11). 이 회로는 저장 커패시터가 초기에 9V로 충전된 다음 두 MLC의 온도 범위가 -5°C ~ 85°C인 동안 자율적으로 실행되어야 하며 여기서는 160초 주기입니다(여러 주기는 보충 설명 11에 표시됨). . 놀랍게도 무게가 0.3g에 불과한 두 개의 MLC가 이 대형 시스템을 자율적으로 제어할 수 있습니다. 또 다른 흥미로운 특징은 저전압 컨버터가 79% 효율로 400V를 10-15V로 변환할 수 있다는 것입니다(보충 참고 11 및 보충 그림 11.3).
마지막으로 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데 있어 이러한 MLC 모듈의 효율성을 평가했습니다. 효율의 품질 계수 θ는 수집된 전기 에너지 밀도 Nd와 공급된 열 밀도 Qin의 비율로 정의됩니다(보충 설명 12).
그림 3a, b는 각각 0.5mm 두께 PST MLC의 온도 범위에 따른 Olsen 사이클의 효율 θ 및 비례 효율 θr을 보여줍니다. 두 데이터 세트 모두 195 kV cm-1의 전기장에 대해 제공됩니다. 효율 \(\this\)은 1.43%에 도달하며 이는 etar의 18%에 해당합니다. 그러나 25°C ~ 35°C의 10K 온도 범위에서 etar은 최대 40%의 값에 도달합니다(그림 3b의 파란색 곡선). 이는 10K 및 300kV cm-1의 온도 범위에서 PMN-PT 필름(nr = 19%)에 기록된 NLP 재료에 대해 알려진 값의 두 배입니다(참고 18). PST MLC의 열 이력 현상이 5~8K이기 때문에 10K 미만의 온도 범위는 고려되지 않았습니다. 효율에 대한 위상 전이의 긍정적인 영향을 인식하는 것이 중요합니다. 실제로, 그림 1과 2에서 초기 온도 Ti = 25°C에서 eta와 etar의 최적 값은 거의 모두 얻어집니다. 3a,b. 이는 필드가 적용되지 않고 이러한 MLC에서 퀴리 온도 TC가 약 20°C인 경우 가까운 위상 전이로 인해 발생합니다(보충 참고 13).
a,b, 효율 θ 및 올슨 사이클의 비례 효율 (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } 195 kV cm-1 필드와 다양한 초기 온도 Ti에 의한 최대 전기에 대해, }}\,\)(b) MPC PST 0.5mm 두께에 대해 온도 간격 ΔTspan에 따라 달라집니다.
후자의 관찰에는 두 가지 중요한 의미가 있습니다. (1) 필드 유도 상전이(상유전체에서 강유전체로)가 발생하려면 효과적인 사이클링이 TC 이상의 온도에서 시작되어야 합니다. (2) 이러한 재료는 TC에 가까운 실행 시간에서 더 효율적입니다. 실험에서 대규모 효율이 표시되었지만 제한된 온도 범위에서는 카르노 한계(\(\Delta T/T\))로 인해 큰 절대 효율을 달성할 수 없습니다. 그러나 이러한 PST MLC가 입증한 탁월한 효율은 Olsen이 "50°C~250°C의 온도에서 작동하는 이상적인 클래스 20 재생 열전 모터는 30%의 효율을 가질 수 있다"고 언급했을 때 정당화됩니다. 이러한 값에 도달하고 개념을 테스트하려면 Shebanov와 Borman이 연구한 것처럼 다양한 TC와 함께 도핑된 PST를 사용하는 것이 유용할 것입니다. 그들은 PST의 TC가 3°C(Sb 도핑)에서 33°C(Ti 도핑)까지 다양할 수 있음을 보여주었습니다 22 . 따라서 우리는 도핑된 PST MLC 또는 강력한 1차 상전이를 갖는 기타 재료를 기반으로 하는 차세대 초전 재생기가 최고의 전력 수확기와 경쟁할 수 있다고 가정합니다.
본 연구에서는 PST로 만든 MLC를 조사했습니다. 이 장치는 일련의 Pt 및 PST 전극으로 구성되며 여러 커패시터가 병렬로 연결됩니다. PST는 뛰어난 EC 재료이고 따라서 잠재적으로 뛰어난 NLP 재료이기 때문에 선택되었습니다. 이는 20°C 부근에서 날카로운 1차 강유전체-상전이 상전이를 나타내며, 이는 엔트로피 변화가 그림 1에 표시된 것과 유사함을 나타냅니다. 비슷한 MLC가 EC13,14 장치에 대해 완전히 설명되었습니다. 본 연구에서는 10.4 × 7.2 × 1 mm³ 및 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ MLC를 사용했습니다. 1mm와 0.5mm 두께의 MLC는 각각 38.6μm 두께의 19층과 9층의 PST로 만들어졌습니다. 두 경우 모두 내부 PST 층은 2.05μm 두께의 백금 전극 사이에 배치되었습니다. 이러한 MLC의 설계에서는 전극 사이의 부분에 해당하는 PST의 55%가 활성 상태라고 가정합니다(보충 참고 1). 활성 전극 면적은 48.7mm2입니다(보충 표 5). MLC PST는 고상반응 및 주조법으로 제조하였다. 준비 과정에 대한 자세한 내용은 이전 기사14에 설명되어 있습니다. PST MLC와 이전 기사의 차이점 중 하나는 B-사이트의 순서인데, 이는 PST에서 EC의 성능에 큰 영향을 미칩니다. PST MLC의 B-사이트 순서는 1400°C에서 소결한 후 1000°C에서 수백 시간 동안 어닐링하여 얻은 0.75(보충 참고 2)입니다. PST MLC에 대한 자세한 내용은 보충 참고 사항 1-3 및 보충 표 5를 참조하십시오.
본 연구의 주요 개념은 Olson주기(그림 1)를 기반으로 합니다. 이러한 사이클을 위해서는 다양한 MLC 모듈의 전압과 전류를 모니터링하고 제어할 수 있는 온수 및 냉수 저장소와 전원 공급 장치가 필요합니다. 이러한 직접 사이클은 두 가지 다른 구성, 즉 (1) Keithley 2410 전원에 연결된 하나의 MLC를 가열 및 냉각하는 Linkam 모듈과 (2) 동일한 소스 에너지와 병렬로 연결된 3개의 프로토타입(HARV1, HARV2 및 HARV3)을 사용했습니다. 후자의 경우 두 저장소(뜨거운 저장소와 차가운 저장소)와 MLC 사이의 열 교환을 위해 유전체 유체(Sigma Aldrich에서 구입한 25°C에서 점도가 5cP인 실리콘 오일)를 사용했습니다. 열 저장소는 유전체 유체로 채워지고 열판 위에 배치되는 유리 용기로 구성됩니다. 냉장 보관은 물과 얼음으로 채워진 대형 플라스틱 용기에 유전체 유체가 들어 있는 액체 튜브가 있는 수조로 구성됩니다. 2개의 3방향 핀치 밸브(Bio-Chem Fluidics에서 구입)를 콤바인의 각 끝에 배치하여 유체를 한 저장소에서 다른 저장소로 적절하게 전환했습니다(그림 2a). PST-MLC 패키지와 냉각수 사이의 열 평형을 보장하기 위해 입구 및 출구 열전대(PST-MLC 패키지에 최대한 가까운)가 동일한 온도를 나타낼 때까지 사이클 주기를 연장했습니다. Python 스크립트는 올바른 Olson 사이클을 실행하기 위해 모든 기기(소스 미터, 펌프, 밸브 및 열전대)를 관리하고 동기화합니다. 즉, 소스 미터가 충전된 후 냉각수 루프가 PST 스택을 통해 순환을 시작하여 원하는 온도에서 가열됩니다. 주어진 올슨 사이클에 대해 인가 전압.
또는 간접적인 방법을 사용하여 수집된 에너지를 직접 측정하는 방법을 확인했습니다. 이러한 간접법은 서로 다른 온도에서 수집된 전기변위(D) – 전기장(E) 필드 루프를 기반으로 하며, 두 DE 루프 사이의 면적을 계산하면 그림과 같이 얼마나 많은 에너지를 수집할 수 있는지 정확하게 추정할 수 있습니다. . 그림 2. .1b. 이러한 DE 루프는 Keithley 소스 미터를 사용하여 수집됩니다.
28개의 1mm 두께 PST MLC가 참고문헌에 설명된 설계에 따라 4행, 7열 평행 플레이트 구조로 조립되었습니다. 14. PST-MLC 행 사이의 유체 간격은 0.75mm입니다. 이는 PST MLC 가장자리 주위에 액체 스페이서로 양면 테이프 스트립을 추가하여 달성됩니다. PST MLC는 전극 리드와 접촉하는 은 에폭시 브리지와 병렬로 전기적으로 연결됩니다. 그 후, 전원 공급 장치에 연결하기 위해 전극 단자의 양쪽에 은색 에폭시 수지로 와이어를 접착했습니다. 마지막으로 전체 구조물을 폴리올레핀 호스에 삽입합니다. 후자는 적절한 밀봉을 보장하기 위해 유체 튜브에 접착됩니다. 마지막으로 입구 및 출구 액체 온도를 모니터링하기 위해 PST-MLC 구조의 각 끝에 0.25mm 두께의 K형 열전대를 내장했습니다. 이렇게 하려면 먼저 호스에 구멍을 뚫어야 합니다. 열전대를 설치한 후 열전대 호스와 와이어 사이에 이전과 동일한 접착제를 도포하여 씰을 복원합니다.
8개의 개별 프로토타입이 제작되었으며, 그 중 4개에는 5개의 열과 8개의 행이 있는 평행 플레이트로 배포된 40개의 0.5mm 두께의 MLC PST가 있었고 나머지 4개에는 각각 15개의 1mm 두께의 MLC PST가 있었습니다. 3열×5열 평행판 구조로 되어 있습니다. 사용된 PST MLC의 총 개수는 220개(두께 0.5mm 160개, 두께 1mm PST MLC 60개)였습니다. 우리는 이 두 하위 단위를 HARV2_160 및 HARV2_60이라고 부릅니다. 프로토타입 HARV2_160의 액체 갭은 0.25mm 두께의 양면 테이프 2개와 그 사이에 0.25mm 두께의 와이어로 구성됩니다. HARV2_60 프로토타입의 경우 동일한 절차를 반복했지만 0.38mm 두께의 와이어를 사용했습니다. 대칭을 위해 HARV2_160 및 HARV2_60에는 자체 유체 회로, 펌프, 밸브 및 콜드사이드(보충 참고 8)가 있습니다. 2개의 HARV2 장치는 회전하는 자석이 있는 2개의 핫 플레이트 위에 열 저장소인 3리터 용기(30cm x 20cm x 5cm)를 공유합니다. 8개의 개별 프로토타입은 모두 전기적으로 병렬로 연결됩니다. HARV2_160 및 HARV2_60 하위 단위는 Olson 주기에서 동시에 작동하여 11.2J의 에너지 수확량을 생성합니다.
0.5mm 두께의 PST MLC를 양면 테이프와 와이어로 폴리올레핀 호스에 배치하여 액체가 흐를 수 있는 공간을 만듭니다. 크기가 작기 때문에 프로토타입을 온수 또는 저온 저장소 밸브 옆에 배치하여 사이클 시간을 최소화했습니다.
PST MLC에서는 가열 지점에 일정한 전압을 가하여 일정한 전기장이 적용됩니다. 결과적으로 음의 열전류가 생성되고 에너지가 저장됩니다. PST MLC를 가열한 후 필드가 제거되고(V = 0) 여기에 저장된 에너지는 수집된 에너지의 또 다른 기여에 해당하는 소스 카운터로 다시 반환됩니다. 마지막으로 전압 V = 0이 적용되면 MLC PST가 초기 온도로 냉각되어 사이클이 다시 시작될 수 있습니다. 이 단계에서는 에너지가 수집되지 않습니다. 우리는 Keithley 2410 SourceMeter를 사용하여 Olsen 사이클을 실행하고 전압 소스에서 PST MLC를 충전하고 전류 일치를 적절한 값으로 설정하여 안정적인 에너지 계산을 위해 충전 단계에서 충분한 포인트가 수집되도록 했습니다.
스털링 사이클에서 PST MLC는 원하는 준수 전류인 초기 전계 값(초기 전압 Vi > 0)에서 전압 소스 모드로 충전되어 충전 단계에 약 1초가 소요됩니다(신뢰할 수 있는 계산을 위해 충분한 포인트가 수집됨). 에너지) 및 차가운 온도. 스털링 사이클에서 PST MLC는 원하는 준수 전류인 초기 전계 값(초기 전압 Vi > 0)에서 전압 소스 모드로 충전되어 충전 단계에 약 1초가 소요됩니다(신뢰할 수 있는 계산을 위해 충분한 포인트가 수집됨). 에너지) 및 차가운 온도. В циклах Cтирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля(нальноеч напр яжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек я надежного расчета энергия) 및 холодная температура. Stirling PST MLC 사이클에서는 전기장의 초기 값(초기 전압 Vi > 0), 원하는 항복 전류에서 전압 소스 모드로 충전되었으므로 충전 단계에 약 1초가 소요됩니다. 신뢰할 수 있는 에너지 계산을 위해) 및 저온을 위해 포인트가 수집됩니다.현재 PST MLC는 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weight) 및 低温. 마스터 사이클에서는 전압 소스 모드에서 PST MLC가 초기 전계 값(초기 전압 Vi > 0)으로 충전되므로 충전 단계에서 필요한 컴플라이언스 전류는 약 1초가 소요됩니다. (에너지) 및 저온을 안정적으로 계산합니다. 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 колиество ч точек, чтобы надежно рассчитать энергив) 및 низкие температуры . 스털링 사이클에서 PST MLC는 전기장의 초기 값(초기 전압 Vi > 0)으로 전압 소스 모드에서 충전되며, 필요한 규정 준수 전류는 충전 단계에 약 1초가 소요됩니다. 에너지) 및 저온을 안정적으로 계산하기 위해 포인트가 수집됩니다.PST MLC가 가열되기 전에 I = 0mA의 정합 전류를 적용하여 회로를 엽니다(측정 소스가 처리할 수 있는 최소 정합 전류는 10nA입니다). 결과적으로 MJK의 PST에는 전하가 남아 있고 샘플이 가열됨에 따라 전압이 증가합니다. I = 0mA이므로 암 BC에는 에너지가 수집되지 않습니다. 고온에 도달한 후 MLT FT의 전압이 증가하고(어떤 경우에는 30배 이상, 추가 그림 7.2 참조) MLK FT가 방전되고(V = 0) 동일한 목적으로 전기 에너지가 여기에 저장됩니다. 초기 비용이기 때문입니다. 동일한 전류 대응이 미터 소스로 반환됩니다. 전압 이득으로 인해 고온에서 저장된 에너지는 사이클 시작 시 제공된 것보다 높습니다. 결과적으로 열을 전기로 변환하여 에너지를 얻습니다.
우리는 Keithley 2410 SourceMeter를 사용하여 PST MLC에 적용되는 전압과 전류를 모니터링했습니다. 해당 에너지는 Keithley의 소스 미터로 읽은 전압과 전류의 곱을 통합하여 계산됩니다. \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), 여기서 τ는 주기의 주기입니다. 에너지 곡선에서 양의 에너지 값은 MLC PST에 제공해야 하는 에너지를 의미하고, 음의 값은 MLC PST에서 추출하는 에너지, 즉 수신되는 에너지를 의미합니다. 주어진 수집 주기에 대한 상대 전력은 수집된 에너지를 전체 주기의 기간 τ로 나누어 결정됩니다.
모든 데이터는 본문이나 추가 정보로 표시됩니다. 자료에 대한 편지와 요청은 이 기사와 함께 제공된 AT 또는 ED 데이터의 출처로 전달되어야 합니다.
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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-를 통해 이 작업을 지원해 준 룩셈부르크 국립 연구 재단(FNR)에게 감사드립니다. Siebentrit, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay 및 BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
룩셈부르크 벨부아르 소재 룩셈부르크 공과대학(LIST) 재료연구기술부