지속 가능한 전기 공급원을 제공하는 것은 금세기의 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 열전1, 태양광2, 열광전지3를 포함한 에너지 수확 재료 연구 분야는 이러한 동기에서 비롯됩니다. 줄(Joule) 단위의 에너지를 수확할 수 있는 재료와 장치는 부족하지만, 전기 에너지를 주기적인 온도 변화로 변환할 수 있는 초전 재료는 센서4와 에너지 수확기5,6,7로 간주됩니다. 본 연구에서는 42g의 탄탈산납 스칸듐으로 제작된 다층 커패시터 형태의 거시적인 열 에너지 수확기를 개발하여 열역학적 사이클당 11.2J의 전기 에너지를 생산했습니다. 각 초전 모듈은 사이클당 최대 4.43J·cm-3의 전기 에너지 밀도를 생성할 수 있습니다. 또한, 무게가 0.3g인 이러한 모듈 두 개만으로도 마이크로컨트롤러와 온도 센서가 내장된 자율 에너지 수확기에 지속적으로 전력을 공급하기에 충분함을 보였습니다. 마지막으로, 10K의 온도 범위에서 이러한 다층 커패시터가 40%의 카르노 효율에 도달할 수 있음을 보였습니다. 이러한 특성은 (1) 고효율을 위한 강유전체 상변화, (2) 손실 방지를 위한 낮은 누설 전류, 그리고 (3) 높은 항복 전압에 기인합니다. 이러한 거시적이고 확장 가능하며 효율적인 열전 발전 장치는 열전 발전의 새로운 지평을 열고 있습니다.
열전 재료에 필요한 공간적 온도 구배와 비교했을 때, 열전 재료의 에너지 수확에는 시간에 따른 온도 사이클링이 필요합니다. 이는 열역학적 사이클을 의미하며, 이는 엔트로피(S)-온도(T) 다이어그램으로 가장 잘 설명됩니다. 그림 1a는 스칸듐 납 탄탈레이트(PST)에서 전계 구동 강유전성-상유전성 상전이를 보여주는 비선형 초전성(NLP) 재료의 일반적인 ST 플롯을 보여줍니다. ST 다이어그램에서 사이클의 파란색과 녹색 부분은 올슨 사이클에서 변환된 전기 에너지(두 개의 등온 부분과 두 개의 등극 부분)에 해당합니다. 여기서는 초기 온도가 다르지만 동일한 전기장 변화(전기장 켜짐 및 꺼짐)와 온도 변화 ΔT를 갖는 두 사이클을 고려합니다. 녹색 사이클은 상전이 영역에 위치하지 않으므로 상전이 영역에 있는 파란색 사이클보다 면적이 훨씬 작습니다. ST 다이어그램에서 면적이 클수록 수집되는 에너지가 커집니다. 따라서 상전이는 더 많은 에너지를 수집해야 합니다. NLP에서 대면적 사이클링의 필요성은 전열 응용 분야의 필요성과 매우 유사하며,9, 10, 11, 12 이러한 응용 분야에서 PST 다층 커패시터(MLC)와 PVDF 기반 삼원공중합체는 최근 우수한 역방향 성능을 보였습니다. 사이클에서의 냉각 성능 상태는 13, 14, 15, 16과 같습니다. 따라서 열에너지 수확에 적합한 PST MLC를 확인했습니다. 이러한 샘플들은 방법론에 자세히 기술되어 있으며, 보충 노트 1(주사 전자 현미경), 2(X선 회절), 3(열량 측정)에 특성이 기술되어 있습니다.
a, NLP 재료에 전기장을 인가하고 끄는 엔트로피(S)-온도(T) 플롯의 스케치로, 상전이를 보여줍니다. 두 가지 다른 온도 영역에서 두 가지 에너지 수집 사이클이 표시됩니다. 파란색과 녹색 사이클은 각각 상전이 내부와 외부에서 발생하며 표면의 매우 다른 영역에서 끝납니다. b, 두께 1mm의 두 개의 DE PST MLC 단극성 링은 각각 20°C와 90°C에서 0~155 kV cm-1 사이에서 측정되었으며, 해당 올슨 사이클입니다. 문자 ABCD는 올슨 사이클의 다른 상태를 나타냅니다. AB: MLC를 20°C에서 155 kV cm-1로 충전했습니다. BC: MLC를 155 kV cm-1로 유지하고 온도를 90°C로 올렸습니다. CD: MLC가 90°C에서 방전되었습니다. DA: MLC를 제로 필드에서 20°C로 냉각했습니다. 파란색 영역은 사이클을 시작하는 데 필요한 입력 전력에 해당합니다. 주황색 영역은 한 사이클에서 수집된 에너지입니다. 상단 패널 c는 b와 동일한 올슨 사이클 동안 추적된 시간에 따른 전압(검은색)과 전류(빨간색)를 보여줍니다. 두 개의 삽입된 그림은 사이클의 주요 지점에서 전압과 전류의 증폭을 나타냅니다. 하단 패널에서 노란색과 녹색 곡선은 각각 1mm 두께의 MLC에 대한 온도 및 에너지 곡선을 나타냅니다. 에너지는 상단 패널의 전류 및 전압 곡선에서 계산됩니다. 음의 에너지는 수집된 에너지에 해당합니다. 네 그림의 대문자에 해당하는 단계는 올슨 사이클과 동일합니다. AB'CD 사이클은 스털링 사이클에 해당합니다(추가 주석 7).
여기서 E와 D는 각각 전기장과 전기 변위장입니다. Nd는 DE 회로(그림 1b)에서 간접적으로 얻거나 열역학 사이클을 시작하여 직접 얻을 수 있습니다. 가장 유용한 방법들은 Olsen이 1980년대 초전기 에너지 수집에 관한 선구적인 연구에서 제시한 것입니다.
그림 1b는 각각 20°C와 90°C에서 0~155 kV cm-1(600 V)의 범위에서 조립된 1 mm 두께의 PST-MLC 시편의 두 개의 단극성 DE 루프를 보여줍니다. 이 두 사이클은 그림 1a에 표시된 Olson 사이클에서 수집된 에너지를 간접적으로 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 실제로 Olsen 사이클은 두 개의 등장 분기(여기서는 DA 분기의 0장 및 BC 분기의 155 kV cm-1)와 두 개의 등온 분기(여기서는 AB 분기의 20°С 및 20°С)로 구성됩니다. CD 분기의 C) 사이클 동안 수집된 에너지는 주황색과 파란색 영역(EdD 적분)에 해당합니다. 수집된 에너지 Nd는 입력과 출력 에너지의 차이이며, 즉 그림 1b의 주황색 영역만 해당합니다. 이 특정 Olson 사이클은 1.78 J cm-3의 Nd 에너지 밀도를 제공합니다. 스털링 사이클은 올슨 사이클의 대안입니다(보충 자료 7). 정충전 단계(개방 회로)에 더 쉽게 도달할 수 있기 때문에, 그림 1b(사이클 AB'CD)에서 추출된 에너지 밀도는 1.25 J·cm-3에 이릅니다. 이는 올슨 사이클에서 수집할 수 있는 에너지의 70%에 불과하지만, 간단한 수확 장비로도 가능합니다.
또한, Linkam 온도 제어 스테이지와 소스 미터(방법)를 사용하여 PST MLC에 전원을 공급하여 Olson 사이클 동안 수집된 에너지를 직접 측정했습니다.위쪽과 각각의 삽입 그림에서 그림 1c는 동일한 Olson 사이클을 거치는 DE 루프와 동일한 1mm 두께의 PST MLC에서 수집된 전류(빨간색)와 전압(검은색)을 보여줍니다.전류와 전압을 통해 수집된 에너지를 계산할 수 있으며, 곡선은 그림 1c, 아래쪽(녹색) 및 사이클 전체의 온도(노란색)에 나와 있습니다.그림 1에서 문자 ABCD는 동일한 Olson 사이클을 나타냅니다.MLC 충전은 AB 레그 동안 발생하고 낮은 전류(200µA)에서 수행되므로 SourceMeter가 충전을 적절하게 제어할 수 있습니다.이 일정한 초기 전류의 결과로 전압 곡선(검은색 곡선)은 비선형 전위 변위장 D PST(그림 1c, 위쪽 삽입 그림)로 인해 선형이 아닙니다. 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 평탄점에 도달했을 때 이 전류는 보상되었지만, 계단형 샘플은 이 등전위 동안 회로에서 35mJ의 전력을 생성했습니다(그림 1c의 두 번째 삽입 그림, 위). 그런 다음 MLC(CD 분기)의 전압이 감소하여 60mJ의 추가 전기적 일이 발생합니다. 총 출력 에너지는 95mJ입니다. 수집된 에너지는 입력 에너지와 출력 에너지의 차이로 95 - 30 = 65mJ입니다. 이는 1.84 J cm-3의 에너지 밀도에 해당하며, 이는 DE 링에서 추출된 Nd와 매우 유사합니다. 이 올슨 사이클의 재현성은 광범위하게 테스트되었습니다(보충 자료 4). 전압과 온도를 더욱 증가시켜 0.5mm 두께의 PST MLC에서 750V(195kV·cm-1) 및 175°C의 온도 범위에서 올슨 사이클을 사용하여 4.43J·cm-3의 전기적 특성을 달성했습니다(보충 자료 5). 이는 문헌에 보고된 직접 올슨 사이클의 최고 성능보다 4배 더 높은 수치이며, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3(PMN-PT) 박막에서 얻은 값입니다(1.06J·cm-3)18(cm-2). 더 많은 값은 문헌에서 보충 표 1을 참조하십시오. 이러한 성능은 이들 MLC의 매우 낮은 누설 전류(750V 및 180°C에서 <10−7 A, 자세한 내용은 보충 자료 6 참조) 덕분에 달성되었습니다. 이는 Smith et al.19에서 언급한 중요한 사항으로, 이전 연구17,20에서 사용된 재료와 대조적입니다. 이러한 성능은 이들 MLC의 매우 낮은 누설 전류(750V 및 180°C에서 <10−7 A, 자세한 내용은 보충 자료 6 참조) 덕분에 달성되었습니다. 이는 Smith et al.19에서 언급한 중요한 사항으로, 이전 연구17,20에서 사용된 재료와 대조적입니다. 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 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 <10–7 A, 자세한 내용은 보충 자료 6 참조)로 인해 달성되었습니다. 이는 Smith et al.19에서 언급한 중요한 사항으로, 이전 연구17,20에서 사용된 재료와 대조적입니다.由于这些MLC 的泄漏电流不常低（750V 和180°C 时<10-7A，请参见补充说明6 中的详细信息）——Smith 等人19提到的关键点——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 （ 여기 에서 750 V 와 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 交比之下 交比之下 交比之下 交比之下 比之下 比之下 交比之下 交比之下 交比之下 比之下 交比之下 交比之下上比之下 上比之下 了了这种性能到早期研究中使用 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) — клучевой 순간, упомянутый Смитом и dr. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. 이러한 MLC의 누설 전류는 매우 낮기 때문에(750V 및 180°C에서 <10–7 A, 자세한 내용은 보충 자료 6 참조) Smith et al. 19에서 언급한 핵심 사항으로 비교를 위해 이러한 성능이 달성되었습니다.이전 연구에서 사용된 자료 17,20.
동일한 조건(600V, 20–90°C)을 스털링 사이클에 적용했습니다(보충 자료 7). DE 사이클 결과에서 예상한 대로 수율은 41.0mJ였습니다. 스털링 사이클의 가장 두드러진 특징 중 하나는 열전 효과를 통해 초기 전압을 증폭할 수 있다는 것입니다. 최대 39%의 전압 이득을 관찰했습니다(초기 전압 15V에서 최종 전압 590V까지, 보충 그림 7.2 참조).
이러한 MLC의 또 다른 뚜렷한 특징은 줄 범위의 에너지를 수집할 수 있을 만큼 충분히 큰 거시적 물체라는 것입니다.따라서 Torello et al.14에서 설명한 것과 동일한 평행판 설계를 따라 두께 1mm의 MLC PST 28개를 사용하여 그림과 같이 7×4 매트릭스에서 프로토타입 수확기(HARV1)를 제작했습니다.매니폴드의 열을 전달하는 유전체 유체는 유체 온도가 일정하게 유지되는 두 저장소 사이의 연동 펌프에 의해 변위됩니다(방법).그림 2a에 설명된 올슨 사이클을 사용하여 최대 3.1 J까지 수집합니다.등온 영역은 10°C와 125°C이고 등장 영역은 0V와 750V(195 kV cm-1)입니다.이는 3.14 J cm-3의 에너지 밀도에 해당합니다.이 결합기를 사용하여 다양한 조건에서 측정했습니다(그림 2b). 80 °C의 온도 범위와 600 V(155 kV cm-1)의 전압에서 1.8 J이 얻어졌음을 알 수 있습니다. 이는 앞서 언급된 동일 조건에서 1 mm 두께의 PST MLC에 대한 65 mJ(28 × 65 = 1820 mJ)와 잘 일치합니다.
a, 올슨 사이클에서 작동하는 1mm 두께의 MLC PST 28개(4행 7열)를 기반으로 조립된 HARV1 프로토타입의 실험 설정. 4개 사이클 단계 각각에 대한 온도와 전압이 프로토타입에 제공됩니다. 컴퓨터는 저온 및 고온 저장조, 두 개의 밸브, 그리고 전원 사이로 유전체 유체를 순환시키는 연동 펌프를 구동합니다. 또한 컴퓨터는 열전대를 사용하여 프로토타입에 공급되는 전압과 전류, 그리고 전원 공급 장치에서 콤바인 온도에 대한 데이터를 수집합니다. b, 다양한 실험에서 4×7 MLC 프로토타입이 수집한 에너지(색상)를 온도 범위(X축) 및 전압(Y축)에 따라 나타낸 값입니다.
60 PST MLC 1mm 두께와 160 PST MLC 0.5mm 두께(41.7g 활성 초전 재료)를 사용한 더 큰 버전의 수확기(HARV2)는 11.2J의 전기를 생성했습니다(보충 자료 8). 1984년, 올슨은 주석 도핑된 Pb(Zr,Ti)O3 화합물 317g을 기반으로 약 150°C의 온도에서 6.23J의 전기를 생성할 수 있는 에너지 수확기를 개발했습니다(참고 문헌 21). 이 콤바인의 경우, 줄 범위에서 이 값을 얻을 수 있는 유일한 다른 값입니다. 이 값은 우리가 달성한 값의 절반을 약간 넘는 수준이었고 품질은 거의 7배 높았습니다. 이는 HARV2의 에너지 밀도가 13배 더 높다는 것을 의미합니다.
HARV1 사이클 주기는 57초입니다.이것은 1mm 두께의 MLC 세트의 7열 4행으로 54mW의 전력을 생산했습니다.한 단계 더 나아가서 0.5mm 두께의 PST MLC와 HARV1 및 HARV2와 유사한 설정을 갖춘 세 번째 콤바인(HARV3)을 구축했습니다(보충 자료 9).12.5초의 열화 시간을 측정했습니다.이는 25초의 사이클 시간에 해당합니다(보충 자료 그림 9).수집된 에너지(47mJ)는 MLC당 1.95mW의 전력을 제공하며, 이는 HARV2가 0.55W(약 1.95mW × 280 PST MLC 0.5mm 두께)를 생산한다고 가정할 수 있습니다.또한 HARV1 실험에 해당하는 유한 요소 시뮬레이션(COMSOL, 보충 자료 10 및 보충 자료 표 2-4)을 사용하여 열전달을 시뮬레이션했습니다. 유한 요소 모델링을 통해 MLC를 0.2mm로 얇게 만들고, 냉각수로 물을 사용하고, 행렬을 7행으로 복원함으로써 동일한 수의 PST 열에 대해 거의 10배 더 높은 전력 값(430mW)을 예측할 수 있었습니다. × 4 열(탱크가 콤바인 옆에 있을 때 960mW가 있었습니다. 보충 그림 10b).
이 집전기의 유용성을 입증하기 위해, 열 집전기로 사용되는 0.5mm 두께의 PST MLC 두 개, 고전압 스위치, 저장 커패시터가 있는 저전압 스위치, DC/DC 컨버터, 저전력 마이크로컨트롤러, 두 개의 열전대, 부스트 컨버터로 구성된 독립형 데모 장치에 스털링 사이클을 적용했습니다(보충 자료 11). 이 회로는 저장 커패시터가 처음에 9V로 충전된 후 두 MLC의 온도가 -5°C에서 85°C까지 변하는 동안 160초 주기로 자율적으로 작동해야 합니다(여러 사이클은 보충 자료 11에 표시됨). 놀랍게도 무게가 0.3g에 불과한 두 개의 MLC가 이 대형 시스템을 자율적으로 제어할 수 있습니다. 또 다른 흥미로운 특징은 저전압 컨버터가 400V를 79% 효율로 10-15V로 변환할 수 있다는 것입니다(보충 자료 11 및 보충 자료 그림 11.3).
마지막으로, 이러한 MLC 모듈의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 효율을 평가했습니다. 효율의 품질 계수 η는 수집된 전기에너지 밀도 Nd와 공급된 열에너지 밀도 Qin의 비율로 정의됩니다(보충 자료 12).
그림 3a, b는 각각 0.5mm 두께의 PST MLC의 온도 범위에 따른 올슨 사이클의 효율 η와 비례 효율 ηr을 보여줍니다. 두 데이터 세트 모두 195kV cm-1의 전기장에 대해 제공됩니다. 효율은 1.43%에 도달하며, 이는 ηr의 18%에 해당합니다. 그러나 25°C에서 35°C의 10K 온도 범위에서 ηr은 최대 40%의 값에 도달합니다(그림 3b의 파란색 곡선). 이는 10K 및 300kV cm-1의 온도 범위에서 PMN-PT 필름(ηr = 19%)에 기록된 NLP 재료에 대해 알려진 값의 두 배입니다(참고 문헌 18). PST MLC의 열 히스테리시스가 5~8K 사이이므로 10K 미만의 온도 범위는 고려하지 않았습니다. 상전이가 효율에 미치는 긍정적 영향을 파악하는 것이 중요합니다. 실제로, 그림 3a, b에서 η와 ηr의 최적 값은 거의 모두 초기 온도 Ti = 25°C에서 얻어집니다. 이는 이러한 MLC에서 전기장이 인가되지 않고 퀴리 온도 TC가 약 20°C일 때 상전이가 가깝기 때문입니다(보충 자료 13).
a,b, 효율 η 및 Olson 사이클의 비례 효율 (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}}, 195 kV cm-1의 전기장과 다른 초기 온도 Ti, }}\,\)(b) 두께 0.5 mm의 MPC PST에 대해 온도 간격 ΔTspan에 따라 달라집니다.
후자의 관찰은 두 가지 중요한 의미를 갖습니다. (1) 효과적인 사이클링은 전계 유도 상전이(상유전체에서 강유전체로)가 발생하기 위해 TC 이상의 온도에서 시작해야 합니다. (2) 이러한 재료는 TC에 가까운 작동 시간에서 더 효율적입니다. 실험에서 대규모 효율이 나타났지만, 제한된 온도 범위에서는 카르노 한계(\(\Delta T/T\))로 인해 큰 절대 효율을 달성할 수 없습니다. 그러나 이러한 PST MLC에서 입증된 뛰어난 효율은 Olsen이 "50°C와 250°C 사이의 온도에서 작동하는 이상적인 클래스 20 재생 열전 모터는 30%의 효율을 가질 수 있다"17고 언급했을 때 정당성을 입증합니다. 이러한 값에 도달하고 개념을 시험하려면 Shebanov와 Borman이 연구한 것처럼 다른 TC를 갖는 도핑된 PST를 사용하는 것이 유용할 것입니다. 그들은 PST의 TC가 3°C(안티몬 도핑)에서 33°C(티타늄 도핑)까지 변할 수 있음을 보였습니다.22 따라서, 도핑된 PST MLC 또는 강한 1차 상전이를 갖는 다른 재료를 기반으로 하는 차세대 초전 재생기가 기존 전력 수확기와 경쟁할 수 있을 것이라는 가설을 세웠습니다.
이 연구에서는 PST로 만든 MLC를 조사했습니다. 이 장치는 일련의 Pt 및 PST 전극으로 구성되며 여러 커패시터가 병렬로 연결됩니다. PST는 우수한 EC 재료이기 때문에 잠재적으로 우수한 NLP 재료이기 때문에 선택되었습니다. 20 °C 주변에서 급격한 1차 강유전성-상유전성 상전이를 나타내어 엔트로피 변화가 그림 1에 표시된 것과 유사함을 나타냅니다. 유사한 MLC가 EC13,14 장치에 대해 완전히 설명되었습니다. 이 연구에서는 10.4 × 7.2 × 1 mm³ 및 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ MLC를 사용했습니다. 두께가 1mm 및 0.5mm인 MLC는 각각 두께가 38.6µm인 19개 및 9개의 PST 층으로 만들어졌습니다. 두 경우 모두 내부 PST 층은 2.05µm 두께의 백금 전극 사이에 배치되었습니다. 이러한 MLC의 설계는 PST의 55%가 활성 상태이며 전극 사이 부분에 해당한다고 가정합니다(보충 자료 1). 활성 전극 면적은 48.7 mm2입니다(보충 자료 표 5). MLC PST는 고상 반응 및 주조법으로 제조되었습니다. 제조 공정에 대한 자세한 내용은 이전 논문14에 설명되어 있습니다. PST MLC와 이전 논문의 차이점 중 하나는 B-사이트 순서로, 이는 PST에서 EC의 성능에 큰 영향을 미칩니다. PST MLC의 B-사이트 순서는 0.75입니다(보충 자료 2). 이는 1400°C에서 소결한 후 1000°C에서 수백 시간 동안 어닐링하여 얻은 것입니다. PST MLC에 대한 자세한 내용은 보충 자료 1-3 및 보충 자료 표 5를 참조하십시오.
이 연구의 주요 개념은 Olson 사이클(그림 1)에 기반합니다. 이러한 사이클을 위해서는 다양한 MLC 모듈의 전압과 전류를 모니터링하고 제어할 수 있는 뜨겁고 차가운 저장소와 전원 공급 장치가 필요합니다. 이러한 직접 사이클은 두 가지 다른 구성을 사용했습니다. 즉, (1) Keithley 2410 전원에 연결된 하나의 MLC를 가열하고 냉각하는 Linkam 모듈과 (2) 동일한 소스 에너지로 병렬로 연결된 세 개의 프로토타입(HARV1, HARV2 및 HARV3)입니다. 후자의 경우, 두 저장소(뜨겁고 차가운)와 MLC 사이의 열 교환에 유전체 유체(25°C에서 점도 5 cP인 실리콘 오일, Sigma Aldrich에서 구매)를 사용했습니다. 열 저장소는 유전체 유체로 채워진 유리 용기로 구성되고 열판 위에 놓입니다. 저온 저장은 물과 얼음으로 채워진 큰 플라스틱 용기에 유전체 유체가 담긴 액체 튜브가 있는 수조로 구성됩니다. 콤바인 양쪽 끝에 3방향 핀치 밸브 두 개(Bio-Chem Fluidics에서 구매)를 설치하여 유체를 한 저장소에서 다른 저장소로 적절하게 전환했습니다(그림 2a). PST-MLC 패키지와 냉각수 간의 열 평형을 유지하기 위해, 입구 및 출구 열전대(PST-MLC 패키지에 최대한 가까운 위치)의 온도가 동일해질 때까지 사이클 시간을 연장했습니다. Python 스크립트는 모든 계측기(소스 미터, 펌프, 밸브, 열전대)를 관리하고 동기화하여 올바른 올슨 사이클을 실행합니다. 즉, 소스 미터가 충전된 후 냉각수 루프가 PST 스택을 순환하여 주어진 올슨 사이클에 필요한 인가 전압에서 가열되도록 합니다.
또는 간접적인 방법을 통해 수집된 에너지의 직접 측정을 확인했습니다. 이러한 간접적인 방법은 서로 다른 온도에서 수집된 전기 변위(D)-전기장(E) 루프를 기반으로 하며, 두 DE 루프 사이의 면적을 계산함으로써 그림 2.1b와 같이 수집 가능한 에너지량을 정확하게 추정할 수 있습니다. 이러한 DE 루프는 또한 Keithley 소스 미터를 사용하여 수집됩니다.
28개의 1mm 두께 PST MLC를 참고문헌에 설명된 설계에 따라 4열 7열 평행판 구조로 조립했습니다. 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 브리지를 통해 병렬로 전기적으로 연결됩니다. 그 후, 전선을 전극 단자의 양쪽에 은 에폭시 수지로 접착하여 전원 공급 장치에 연결했습니다. 마지막으로 전체 구조를 폴리올레핀 호스에 삽입합니다. 후자는 적절한 밀봉을 위해 유체 튜브에 접착됩니다. 마지막으로 0.25mm 두께의 K형 열전대를 PST-MLC 구조의 각 끝에 내장하여 입구 및 출구 액체 온도를 모니터링합니다. 이를 위해 먼저 호스에 천공을 해야 합니다. 열전대를 설치한 후, 열전대 호스와 전선 사이에 이전과 동일한 접착제를 바르면 밀봉이 복구됩니다.
8개의 개별 프로토타입을 제작하였는데, 그중 4개는 0.5mm 두께의 MLC PST 40개를 5열 8행의 평행판 형태로 배치하였고, 나머지 4개는 각각 1mm 두께의 MLC PST 15개를 3열 × 5행의 평행판 구조로 배치하였다. 사용된 PST MLC의 총 개수는 220개(0.5mm 두께 160개, 1mm 두께의 PST MLC 60개)였다. 이 두 서브유닛을 HARV2_160과 HARV2_60이라고 명명하였다. 프로토타입 HARV2_160의 액상 갭은 0.25mm 두께의 양면 테이프 두 개와 그 사이에 0.25mm 두께의 와이어로 구성되어 있다. HARV2_60 프로토타입의 경우, 동일한 과정을 반복하되 0.38mm 두께의 와이어를 사용하였다. 대칭성을 위해 HARV2_160과 HARV2_60은 자체 유체 회로, 펌프, 밸브 및 냉각 측을 갖추고 있습니다(보충 자료 8). 두 대의 HARV2 유닛은 회전 자석이 있는 두 개의 열판 위에 놓인 3리터 용기(30cm x 20cm x 5cm)인 열 저장고를 공유합니다. 8개의 개별 프로토타입은 모두 전기적으로 병렬로 연결되어 있습니다. HARV2_160과 HARV2_60 서브유닛은 올슨 사이클에서 동시에 작동하여 11.2J의 에너지를 얻습니다.
0.5mm 두께의 PST MLC를 폴리올레핀 호스에 양면 테이프와 와이어를 사용하여 넣어 액체가 흐를 공간을 확보했습니다. 크기가 작기 때문에 이 프로토타입을 온수 또는 냉수 저장 밸브 옆에 배치하여 사이클 시간을 최소화했습니다.
PST MLC에서는 가열 분기에 일정한 전압을 인가하여 일정한 전기장을 인가합니다. 그 결과, 음의 열 전류가 생성되고 에너지가 저장됩니다. PST MLC를 가열한 후, 전기장이 제거되고(V = 0), 저장된 에너지는 소스 카운터로 다시 반환됩니다. 이는 수집된 에너지의 또 다른 기여에 해당합니다. 마지막으로, 전압 V = 0을 인가하면 MLC PST가 초기 온도로 냉각되어 사이클이 다시 시작됩니다. 이 단계에서는 에너지가 수집되지 않습니다. Keithley 2410 SourceMeter를 사용하여 Olsen 사이클을 실행했습니다. 전압 소스에서 PST MLC를 충전하고 전류 정합을 적절한 값으로 설정하여 충전 단계에서 충분한 포인트가 수집되어 신뢰할 수 있는 에너지 계산이 이루어지도록 했습니다.
스털링 사이클에서 PST MLC는 초기 전기장 값(초기 전압 Vi > 0), 충전 단계가 약 1초 걸리도록 하는 원하는 규정 준수 전류(그리고 에너지를 안정적으로 계산할 수 있을 만큼 충분한 포인트가 수집됨) 및 저온에서 전압 소스 모드로 충전되었습니다. 스털링 사이클에서 PST MLC는 초기 전기장 값(초기 전압 Vi > 0), 충전 단계가 약 1초 걸리도록 하는 원하는 규정 준수 전류(그리고 에너지를 안정적으로 계산할 수 있을 만큼 충분한 포인트가 수집됨) 및 저온에서 전압 소스 모드로 충전되었습니다. 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) 및 холодная температура. 스털링 PST MLC 사이클에서는 초기 전기장 값(초기 전압 Vi > 0)과 원하는 수율 전류에서 전압 소스 모드로 충전하여 충전 단계에 약 1초가 걸리고(신뢰할 수 있는 에너지 계산을 위해 충분한 수의 지점이 수집됨) 저온이 유지되도록 했습니다.에서 斯特lin循环中, PST MLC 에서 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 사이클에서 PST MLC는 전압 소스 모드에서 초기 전기장 값(초기 전압 Vi > 0)으로 충전되므로 필요한 규정 준수 전류는 충전 단계에 약 1초가 걸립니다(그리고 (에너지)와 저온을 안정적으로 계산할 수 있을 만큼 충분한 포인트를 수집했습니다). 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 энергив) 및 низкие температуры. 스털링 사이클에서 PST MLC는 초기 전기장 값(초기 전압 Vi > 0)으로 전압 소스 모드에서 충전되고, 필요한 규정 준수 전류는 충전 단계가 약 1초 걸리도록 하고(충분한 수의 지점이 에너지를 안정적으로 계산할 수 있도록 수집됨) 낮은 온도를 유지합니다.PST MLC가 가열되기 전에 I = 0 mA의 매칭 전류를 인가하여 회로를 엽니다(측정 소스가 처리할 수 있는 최소 매칭 전류는 10 nA입니다). 결과적으로 MJK의 PST에 전하가 남아 있으며 샘플이 가열됨에 따라 전압이 증가합니다. I = 0 mA이므로 arm BC에는 에너지가 수집되지 않습니다. 고온에 도달한 후 MLT FT의 전압이 증가합니다(어떤 경우에는 30배 이상, 추가 그림 7.2 참조). MLK FT는 방전되고(V = 0), 초기 전하와 동일한 전기 에너지가 저장됩니다. 동일한 전류 대응이 미터 소스로 반환됩니다. 전압 이득으로 인해 고온에서 저장된 에너지는 사이클 시작 시 제공된 에너지보다 높습니다. 결과적으로 에너지는 열을 전기로 변환하여 얻습니다.
Keithley 2410 SourceMeter를 사용하여 PST MLC에 인가되는 전압과 전류를 모니터링했습니다. 해당 에너지는 Keithley 소스 미터에서 읽은 전압과 전류의 곱을 적분하여 계산합니다. \ (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 추출한 에너지, 즉 수신된 에너지를 의미합니다. 주어진 수집 사이클에 대한 상대 전력은 수집된 에너지를 전체 사이클의 주기 τ로 나누어 결정합니다.
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MLC를 만드는 데 도움을 준 N. Furusawa, Y. Inoue, K. Honda에게 감사드립니다. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB 및 ED CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay 및 BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay를 통해 이 작업을 지원해 준 룩셈부르크 국립 연구 재단(FNR)에 감사드립니다.
룩셈부르크 공과대학(LIST), 재료 연구 및 기술부, 벨부아르, 룩셈부르크