지속 가능한 전력원을 제공하는 것은 이번 세기의 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 이러한 동기에서 열전¹, 광전지² 및 열광전지³를 포함한 에너지 하베스팅 소재 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 줄(Joule) 범위의 에너지를 수확할 수 있는 소재와 장치는 아직 부족하지만, 전기 에너지를 주기적인 온도 변화로 변환할 수 있는 압전 소재는 센서⁴ 및 에너지 하베스터⁵,⁶,⁷로 주목받고 있습니다. 본 연구에서는 42g의 탄탈산납 스칸듐으로 구성된 다층 커패시터 형태의 거시적 열에너지 하베스터를 개발하여 열역학적 사이클당 11.2J의 전기 에너지를 생산했습니다. 각 압전 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 하베스터에 지속적으로 전력을 공급할 수 있음을 보여줍니다. 마지막으로, 10K의 온도 범위에서 이러한 다층 커패시터가 40%의 카르노 효율을 달성할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 특성은 (1) 높은 효율을 위한 강유전성 상변화, (2) 손실을 방지하는 낮은 누설 전류, (3) 높은 항복 전압에 기인합니다. 이러한 거시적이고 확장 가능하며 효율적인 압전 에너지 수확기는 열전 발전의 개념을 새롭게 정의하고 있습니다.
열전 재료에 필요한 공간적 온도 기울기와 달리, 열전 재료의 에너지 수확은 시간에 따른 온도 순환을 필요로 합니다. 이는 열역학적 사이클을 의미하며, 엔트로피(S)-온도(T) 다이어그램으로 가장 잘 설명됩니다. 그림 1a는 스칸듐 납 탄탈레이트(PST)에서 나타나는 비선형 압전(NLP) 재료의 전형적인 온도-온도(ST) 플롯을 보여줍니다. 이 플롯은 전계에 의해 유도되는 강유전성-상유전성 상전이를 나타냅니다. ST 다이어그램에서 파란색과 녹색 부분은 올슨 사이클(두 개의 등온 구간과 두 개의 등극 구간)에서 변환된 전기 에너지에 해당합니다. 여기서는 동일한 전기장 변화(전계 인가 및 소거)와 온도 변화 ΔT를 갖지만 초기 온도는 다른 두 사이클을 고려합니다. 녹색 사이클은 상전이 영역에 위치하지 않으므로 상전이 영역에 위치한 파란색 사이클보다 면적이 훨씬 작습니다. ST 다이어그램에서 면적이 클수록 수집된 에너지가 더 큽니다. 따라서 상전이 과정에서 더 많은 에너지를 수집해야 합니다. NLP에서 넓은 면적의 사이클링에 대한 필요성은 전기열 응용 분야9, 10, 11, 12에서 요구되는 것과 매우 유사하며, 최근 PST 다층 커패시터(MLC)와 PVDF 기반 삼원공중합체가 사이클 13,14,15,16에서 우수한 역냉각 성능을 보여주었습니다. 따라서 우리는 열에너지 수확에 적합한 PST MLC를 선정했습니다. 이 샘플들은 방법론에서 자세히 설명되었으며, 보충 자료 1(주사전자현미경), 2(X선 회절), 3(열량 측정)에서 특성 분석을 수행했습니다.
a. NLP 물질에 전기장을 인가하고 끄면서 엔트로피(S)-온도(T) 변화를 나타낸 그림으로, 상전이를 보여줍니다. 두 개의 에너지 수집 사이클이 서로 다른 온도 영역에서 나타납니다. 파란색 사이클은 상전이 영역 내부에서, 녹색 사이클은 상전이 영역 외부에서 발생하며, 표면의 매우 다른 영역에서 끝납니다. b. 두께 1mm의 DE PST MLC 단극 링 두 개를 20°C와 90°C에서 각각 0~155kV/cm⁻¹의 전압으로 측정하고, 이에 해당하는 올슨 사이클을 나타낸 그림입니다. 문자 ABCD는 올슨 사이클의 서로 다른 상태를 나타냅니다. AB: MLC를 20°C에서 155kV/cm⁻¹까지 충전했습니다. BC: MLC를 155kV/cm⁻¹로 유지하고 온도를 90°C까지 올렸습니다. CD: MLC를 90°C에서 방전했습니다. DA: MLC를 무전기 상태에서 20°C까지 냉각했습니다. 파란색 영역은 사이클을 시작하는 데 필요한 입력 전력을 나타냅니다. 주황색 영역은 한 주기 동안 수집된 에너지입니다. 그림 c는 위쪽 패널로, 그림 b와 동일한 올슨 주기 동안 시간에 따른 전압(검은색)과 전류(빨간색)의 변화를 나타냅니다. 두 개의 삽입 그림은 주기 내 주요 지점에서의 전압과 전류의 증폭을 보여줍니다. 아래쪽 패널에서 노란색과 녹색 곡선은 각각 1mm 두께의 MLC에 대한 온도 및 에너지 곡선을 나타냅니다. 에너지는 위쪽 패널의 전류 및 전압 곡선으로부터 계산됩니다. 음의 에너지는 수집된 에너지를 나타냅니다. 네 개의 그림에서 대문자로 표시된 단계는 올슨 주기와 동일합니다. 주기 AB'CD는 스털링 주기에 해당합니다(추가 참고 7).
여기서 E와 D는 각각 전기장과 전기 변위장을 나타냅니다. Nd는 DE 회로(그림 1b)에서 간접적으로 얻거나 열역학적 사이클을 시작하여 직접 얻을 수 있습니다. 가장 유용한 방법들은 1980년대 Olsen이 초전 에너지 수집에 관한 선구적인 연구에서 설명했습니다.
그림 1b는 20°C와 90°C에서 각각 조립된 1mm 두께의 PST-MLC 시편에 대한 두 개의 단극성 DE 루프를 0~155kV cm⁻¹(600V) 범위에서 보여줍니다. 이 두 사이클을 사용하여 그림 1a에 나타낸 올슨 사이클에서 수집된 에너지를 간접적으로 계산할 수 있습니다. 올슨 사이클은 두 개의 등전위 분기(여기서는 DA 분기에서 0V, BC 분기에서 155kV cm⁻¹)와 두 개의 등온 분기(여기서는 AB 분기에서 20°C, CD 분기에서 20°C)로 구성됩니다. 사이클 동안 수집된 에너지는 주황색과 파란색 영역(EdD 적분)에 해당합니다. 수집된 에너지 Nd는 입력 에너지와 출력 에너지의 차이, 즉 그림 1b의 주황색 영역에 해당합니다. 이 특정 올슨 사이클은 1.78J cm⁻³의 Nd 에너지 밀도를 제공합니다. 스털링 사이클은 올슨 사이클의 대안입니다(보충 설명 7). 정전하 단계(개방 회로)에 더 쉽게 도달할 수 있기 때문에 그림 1b(사이클 AB'CD)에서 추출한 에너지 밀도는 1.25 J cm⁻³에 이릅니다. 이는 올슨 사이클이 수집할 수 있는 에너지의 70%에 불과하지만, 간단한 에너지 수확 장비로도 가능합니다.
또한, Linkam 온도 제어 장치와 소스 미터를 사용하여 PST MLC에 에너지를 공급함으로써 올슨 사이클 동안 수집된 에너지를 직접 측정했습니다(방법). 그림 1c의 상단과 각각의 삽입 그림은 동일한 올슨 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, 그림 1c 하단에 사이클 전체에 걸쳐 전류(녹색)와 온도(노란색) 곡선이 나타나 있습니다. ABCD는 그림 1의 동일한 올슨 사이클을 나타냅니다. MLC 충전은 AB 단계에서 낮은 전류(200µA)로 진행되므로 소스 미터를 사용하여 충전을 적절하게 제어할 수 있습니다. 이러한 일정한 초기 전류로 인해 비선형 전위 변위장 D PST(그림 1c 상단 삽입 그림) 때문에 전압 곡선(검은색 곡선)이 선형이 아닙니다. 충전이 완료되면 MLC에 30mJ의 전기 에너지가 저장됩니다(B 지점). MLC가 가열되면서 전압이 600V로 유지되는 동안 음의 전류(따라서 음의 전류)가 발생합니다. 40초 후 온도가 90°C에서 안정화되면 이 전류는 보상됩니다. 하지만 이 등전위 구간 동안 스텝 샘플은 회로에서 35mJ의 전력을 발생시켰습니다(그림 1c 상단의 두 번째 삽입 그림 참조). 그 후 MLC(분기 CD)의 전압이 감소되어 추가로 60mJ의 전기적 일이 발생합니다. 총 출력 에너지는 95mJ입니다. 수집된 에너지는 입력 에너지와 출력 에너지의 차이로, 95 - 30 = 65mJ입니다. 이는 1.84J cm⁻³의 에너지 밀도에 해당하며, 이는 DE 링에서 추출된 Nd의 값과 매우 유사합니다. 이 올슨 사이클의 재현성은 광범위하게 검증되었습니다(보충 설명 4 참조). 전압과 온도를 더욱 높임으로써, 750V(195kVcm⁻¹) 및 175°C의 온도 범위에서 0.5mm 두께의 PST MLC에서 올슨 사이클을 사용하여 4.43Jcm⁻³의 에너지 밀도를 달성했습니다(보충 설명 5). 이는 문헌에 보고된 직접 올슨 사이클의 최고 성능(Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃(PMN-PT) 박막에서 얻은 1.06Jcm⁻³)¹⁸보다 4배 더 높은 값입니다(문헌의 더 많은 값은 보충 표 1 참조). 이러한 성능은 Smith et al.19가 언급한 중요한 점인 이 MLC의 매우 낮은 누설 전류(750V 및 180°C에서 <10−7 A, 자세한 내용은 보충 노트 6 참조) 덕분에 달성되었습니다. 이는 이전 연구17,20에서 사용된 재료와는 대조적입니다. 이러한 성능은 Smith et al.19가 언급한 중요한 점인 이 MLC의 매우 낮은 누설 전류(750V 및 180°C에서 <10−7 A, 자세한 내용은 보충 노트 6 참조) 덕분에 달성되었습니다. 이는 이전 연구17,20에서 사용된 재료와는 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 이 MLC의 매우 낮은 누설 전류(<10–7 A, 750 V 및 180 °C, 자세한 내용은 보충 노트 6 참조)로 인해 달성되었습니다. 이는 Smith et al. 19가 언급한 중요한 점이며, 이전 연구 17,20에서 사용된 재료와는 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(<10–7 A, 750 V 및 180 °C, 자세한 내용은 보충 노트 6 참조) - Smith et al. 19에서 언급한 핵심 사항 - 비교를 위해 이러한 성능이 달성되었습니다.이전 연구 17,20에서 사용된 재료에 대한 것입니다.
스털링 사이클에도 동일한 조건(600V, 20~90°C)을 적용했습니다(보충 자료 7 참조). DE 사이클 결과에서 예상했던 대로 수율은 41.0mJ였습니다. 스털링 사이클의 가장 두드러진 특징 중 하나는 열전 효과를 통해 초기 전압을 증폭할 수 있다는 점입니다. 초기 전압 15V에서 최종 전압 최대 590V까지 최대 39배의 전압 증가를 관찰했습니다(보충 그림 7.2 참조).
이러한 MLC의 또 다른 특징은 줄(Joule) 범위의 에너지를 수집할 수 있을 만큼 충분히 큰 거시적 물체라는 점입니다. 따라서 우리는 Torello et al.14이 설명한 것과 동일한 평행판 설계를 따라 7×4 매트릭스로 1mm 두께의 MLC PST 28개를 사용하여 프로토타입 에너지 하베스터(HARV1)를 제작했습니다(그림 참조). 매니폴드 내의 열을 전달하는 유전체 유체는 연동 펌프를 통해 두 저장소 사이를 순환하며, 유체 온도는 일정하게 유지됩니다(방법 참조). 그림 2a에 설명된 Olson 사이클을 사용하여 최대 3.1J의 에너지를 수집할 수 있으며, 등온 영역은 10°C와 125°C, 등전위 영역은 0V와 750V(195kV cm⁻¹)입니다. 이는 3.14J cm⁻³의 에너지 밀도에 해당합니다. 이 장치를 사용하여 다양한 조건에서 측정을 수행했습니다(그림 2b). 참고로, 80°C의 온도 범위와 600V(155kVcm⁻¹)의 전압에서 1.8J의 에너지가 얻어졌습니다. 이는 동일 조건에서 1mm 두께의 PST MLC에 대해 이전에 언급된 65mJ의 에너지(28 × 65 = 1820mJ)와 잘 일치합니다.
a. 올슨 사이클로 작동하는 1mm 두께의 MLC PST 28개(4행 × 7열)로 구성된 HARV1 프로토타입 조립 실험 장치. 각 사이클 단계마다 프로토타입에 온도와 전압이 공급됩니다. 컴퓨터는 연동 펌프를 구동하여 냉각 및 가열 저장소, 두 개의 밸브, 그리고 전원 사이에서 유전체 유체를 순환시킵니다. 또한 컴퓨터는 열전대를 사용하여 프로토타입에 공급되는 전압과 전류, 그리고 전원 공급 장치에서 콤바인의 온도 데이터를 수집합니다. b. 다양한 실험에서 4×7 MLC 프로토타입이 수집한 에너지(색상)와 온도 범위(X축) 및 전압(Y축)의 관계를 나타낸 그래프.
1mm 두께의 PST MLC 60개와 0.5mm 두께의 PST MLC 160개(활성 압전 재료 41.7g)로 구성된 더 큰 버전의 에너지 수확기(HARV2)는 11.2J의 에너지를 생성했습니다(보충 설명 8). 1984년 Olsen은 주석이 도핑된 Pb(Zr,Ti)O3 화합물 317g을 기반으로 하는 에너지 수확기를 제작했는데, 이는 약 150°C의 온도에서 6.23J의 전기를 생성할 수 있었습니다(참고문헌 21). 이 조합의 경우, 줄(J) 범위에서 사용 가능한 다른 값은 이것뿐입니다. 이 값은 우리가 달성한 값의 절반을 조금 넘는 수준이지만, 품질은 거의 7배 더 높습니다. 이는 HARV2의 에너지 밀도가 13배 더 높다는 것을 의미합니다.
HARV1의 사이클 주기는 57초입니다. 1mm 두께의 MLC 세트를 4행 7열로 배열했을 때 54mW의 전력이 생산되었습니다. 한 단계 더 나아가, 0.5mm 두께의 PST MLC를 사용하고 HARV1 및 HARV2와 유사한 구조로 세 번째 콤바인(HARV3)을 제작했습니다(보충 설명 9). 열평형 시간은 12.5초로 측정되었으며, 이는 사이클 시간 25초에 해당합니다(보충 그림 9). 수집된 에너지(47mJ)는 MLC당 1.95mW의 전력을 제공하며, 이를 통해 HARV2가 0.55W(약 1.95mW × 280개의 0.5mm 두께 PST MLC)를 생산한다고 추정할 수 있습니다. 또한, HARV1 실험에 해당하는 열 전달을 유한 요소 시뮬레이션(COMSOL, 보충 설명 10 및 보충 표 2~4)을 사용하여 시뮬레이션했습니다. 유한 요소 모델링을 통해 MLC 두께를 0.2mm로 줄이고, 냉각수로 물을 사용하고, 매트릭스를 7행 × 4열로 복원하면 동일한 PST 열 수에 대해 거의 한 자릿수 더 높은(430mW) 전력 값을 예측할 수 있었습니다(탱크가 콤바인 옆에 있을 때는 960mW였습니다. 보충 그림 10b 참조).
이 집열기의 유용성을 입증하기 위해, 0.5mm 두께의 PST MLC 두 개를 열 집열기로 사용하고, 고전압 스위치, 축전기가 있는 저전압 스위치, DC/DC 컨버터, 저전력 마이크로컨트롤러, 열전대 두 개, 그리고 승압 컨버터로 구성된 독립형 실증 장치에 스털링 사이클을 적용했습니다(보충 자료 11 참조). 이 회로는 축전기를 초기 9V로 충전한 후, 두 MLC의 온도가 -5°C에서 85°C까지 변화하는 동안 160초 주기로 자율적으로 작동합니다(보충 자료 11에 몇 가지 사이클 예시가 나와 있습니다). 놀랍게도, 무게가 0.3g에 불과한 두 개의 MLC가 이 대형 시스템을 자율적으로 제어할 수 있습니다. 또 다른 흥미로운 특징은 저전압 컨버터가 400V를 10~15V로 79%의 효율로 변환할 수 있다는 점입니다(보충 자료 11 및 보충 그림 11.3 참조).
마지막으로, 이러한 MLC 모듈이 열에너지를 전기에너지로 변환하는 효율을 평가했습니다. 효율의 품질 계수 η는 수집된 전기에너지 밀도 Nd와 공급된 열 밀도 Qin의 비율로 정의됩니다(보충 설명 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 전기장에서 얻은 결과입니다. 효율 η는 1.43%에 도달하며, 이는 ηr의 18%에 해당합니다. 그러나 25°C에서 35°C까지 10K의 온도 범위에서 ηr은 최대 40%까지 도달합니다(그림 3b의 파란색 곡선). 이는 10K 온도 범위와 300kV cm⁻¹ 전기장에서 PMN-PT 필름에 사용된 NLP 재료의 알려진 값(ηr = 19%)의 두 배에 해당합니다(참고문헌 18). PST MLC의 열 이력 현상이 5~8K 사이에 나타나기 때문에 10K 미만의 온도 범위는 고려하지 않았습니다. 상전이가 효율에 미치는 긍정적인 영향을 인식하는 것은 매우 중요합니다. 실제로 그림 3a,b에서 최적값인 η와 ηr은 초기 온도 Ti = 25°C에서 거의 모두 얻어집니다. 이는 자기장이 인가되지 않았을 때 상전이가 근접하고 이러한 MLC에서 퀴리 온도 TC가 약 20°C이기 때문입니다(보충 설명 13).
a,b, Olson 사이클의 효율 η 및 비례 효율 (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} 195 kV cm-1의 전계와 다양한 초기 온도 Ti에 의한 최대 전기, }}\,\)(b) 0.5 mm 두께의 MPC PST에 대한 온도 간격 ΔTspan에 따른 값.
후자의 관찰은 두 가지 중요한 의미를 갖습니다. (1) 효과적인 사이클링은 전계 유도 상전이(상유전체에서 강유전체로)가 발생하기 위해 TC 이상의 온도에서 시작되어야 합니다. (2) 이러한 재료는 TC에 가까운 작동 시간에서 더 효율적입니다. 우리 실험에서는 대규모 효율이 나타났지만, 제한된 온도 범위로 인해 카르노 한계(ΔT/T) 때문에 높은 절대 효율을 달성할 수는 없습니다. 그러나 이러한 PST MLC가 보여준 탁월한 효율은 Olsen이 "50°C에서 250°C 사이의 온도에서 작동하는 이상적인 20등급 회생 열전 모터는 30%의 효율을 가질 수 있다"고 언급한 것을 뒷받침합니다.17 이러한 값을 달성하고 개념을 검증하기 위해서는 Shebanov와 Borman이 연구한 것처럼 TC가 다른 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 강한 1차 상전이를 나타내는 다른 물질을 기반으로 하는 차세대 압전 재생기가 최고의 에너지 수확기와 경쟁할 수 있을 것이라는 가설을 세웠습니다.
본 연구에서는 PST로 제작된 MLC를 조사했습니다. 이 소자는 Pt와 PST 전극이 직렬로 연결된 구조이며, 여러 개의 커패시터가 병렬로 연결되어 있습니다. PST는 우수한 EC(강유전체) 소재이자 잠재적으로 우수한 NLP(비강유전체) 소재이기 때문에 선택되었습니다. PST는 약 20°C 부근에서 급격한 1차 강유전체-상유전체 상전이를 나타내며, 이는 엔트로피 변화가 그림 1에 나타낸 것과 유사함을 시사합니다. 유사한 MLC는 EC13,14 소자에 대해 이미 자세히 기술되어 있습니다. 본 연구에서는 10.4 × 7.2 × 1 mm³ 및 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ 크기의 MLC를 사용했습니다. 두께가 1 mm와 0.5 mm인 MLC는 각각 두께 38.6 µm의 PST 층을 19층과 9층으로 구성하여 제작했습니다. 두 경우 모두, 내부 PST 층은 두께 2.05 µm의 백금 전극 사이에 배치되었습니다. 이러한 MLC의 설계는 PST의 55%가 활성 상태이며, 이는 전극 사이 부분에 해당한다고 가정합니다(보충 설명 1). 활성 전극 면적은 48.7 mm²였습니다(보충 표 5). MLC PST는 고상 반응 및 주조법으로 제조되었습니다. 제조 과정에 대한 자세한 내용은 이전 논문¹⁴에 설명되어 있습니다. PST MLC와 이전 논문의 차이점 중 하나는 B-사이트의 순서인데, 이는 PST 내 EC 성능에 큰 영향을 미칩니다. PST MLC의 B-사이트 순서는 0.75입니다(보충 설명 2). 이는 1400°C에서 소결한 후 1000°C에서 수백 시간 동안 어닐링하여 얻었습니다. PST MLC에 대한 자세한 내용은 보충 설명 1~3 및 보충 표 5를 참조하십시오.
본 연구의 주요 개념은 올슨 사이클(그림 1)에 기반합니다. 이러한 사이클을 위해서는 고온 및 저온 저장소와 다양한 MLC 모듈의 전압 및 전류를 모니터링하고 제어할 수 있는 전원 공급 장치가 필요합니다. 이러한 직접 사이클은 두 가지 구성으로 구현되었습니다. (1) Keithley 2410 전원에 연결된 하나의 MLC를 가열 및 냉각하는 Linkam 모듈 구성과 (2) 동일한 전원에 병렬로 연결된 세 개의 프로토타입(HARV1, HARV2, HARV3) 구성입니다. 후자의 경우, 두 저장소(고온 및 저온)와 MLC 사이의 열 교환에는 유전체 유체(25°C에서 점도 5 cP의 실리콘 오일, Sigma Aldrich에서 구입)가 사용되었습니다. 고온 저장소는 유전체 유체로 채워진 유리 용기를 열판 위에 놓은 형태입니다. 저온 저장소는 물과 얼음으로 채워진 대형 플라스틱 용기 안에 유전체 유체가 담긴 액체 튜브가 있는 수조로 구성됩니다. 바이오켐 플루이딕스(Bio-Chem Fluidics)에서 구입한 3방향 핀치 밸브 두 개를 콤바인의 양쪽 끝에 설치하여 한 저장소에서 다른 저장소로 유체를 적절하게 전환할 수 있도록 했습니다(그림 2a). PST-MLC 패키지와 냉각수 사이의 열 평형을 확보하기 위해 입구 및 출구 열전대(PST-MLC 패키지에 최대한 가깝게 설치)의 온도가 같아질 때까지 사이클 주기를 연장했습니다. 파이썬 스크립트는 모든 계측기(소스 미터, 펌프, 밸브 및 열전대)를 관리하고 동기화하여 올바른 올슨 사이클을 실행합니다. 즉, 소스 미터가 충전된 후 냉각수 루프가 PST 스택을 통해 순환을 시작하여 주어진 올슨 사이클에 대해 원하는 인가 전압으로 가열되도록 합니다.
또한, 수집된 에너지의 직접 측정값을 간접적인 방법을 통해 확인했습니다. 이러한 간접적인 방법은 서로 다른 온도에서 수집된 전기 변위(D)-전기장(E) 루프를 기반으로 하며, 두 D 루프 사이의 면적을 계산함으로써 그림 2.1b에 나타낸 것처럼 수집 가능한 에너지의 양을 정확하게 추정할 수 있습니다. 이러한 D 루프 역시 Keithley 소스 미터를 사용하여 수집되었습니다.
참고문헌 14에 기술된 설계에 따라 1mm 두께의 PST MLC 28개를 4열 7열 평행판 구조로 조립하였다. PST-MLC 행 사이의 유체 간격은 0.75mm이다. 이는 PST-MLC 가장자리에 양면 테이프를 액체 스페이서로 부착하여 확보하였다. PST-MLC는 전극 리드에 접촉하는 은 에폭시 브리지를 통해 병렬로 전기적으로 연결하였다. 그 후, 전원 공급 장치에 연결하기 위해 전극 단자 양쪽에 은 에폭시 수지를 사용하여 전선을 접착하였다. 마지막으로, 전체 구조를 폴리올레핀 호스에 삽입하고, 호스를 유체 튜브에 접착하여 밀봉을 확보하였다. 마지막으로, 유입 및 유출 액체 온도를 모니터링하기 위해 0.25mm 두께의 K형 열전대를 PST-MLC 구조의 양쪽 끝에 설치하였다. 이를 위해 먼저 호스에 구멍을 뚫어야 한다. 열전대를 설치한 후, 열전대 호스와 전선 사이에 이전과 동일한 접착제를 사용하여 밀봉을 복원하였다.
총 8개의 프로토타입을 제작했는데, 그중 4개는 0.5mm 두께의 MLC PST 40개를 5열 8행의 평행판 구조로 배치했고, 나머지 4개는 각각 1mm 두께의 MLC PST 15개를 3열 5행의 평행판 구조로 배치했습니다. 사용된 PST MLC의 총 개수는 220개(0.5mm 두께 160개, 1mm 두께 60개)입니다. 이 두 서브유닛을 각각 HARV2_160과 HARV2_60이라고 명명했습니다. HARV2_160 프로토타입의 액체 간극은 0.25mm 두께의 양면 테이프 두 장과 그 사이에 0.25mm 두께의 와이어로 구성했습니다. HARV2_60 프로토타입은 동일한 방식으로 제작했지만, 와이어 두께는 0.38mm로 했습니다. 대칭성을 위해 HARV2_160과 HARV2_60은 각각 고유의 유체 회로, 펌프, 밸브 및 냉각부를 갖추고 있습니다(보충 설명 8 참조). 두 개의 HARV2 장치는 회전 자석이 있는 두 개의 가열판 위에 놓인 3리터 용기(30cm x 20cm x 5cm)인 열 저장소를 공유합니다. 8개의 개별 프로토타입은 모두 병렬로 전기적으로 연결되어 있습니다. HARV2_160 및 HARV2_60 하위 장치는 올슨 사이클에서 동시에 작동하여 11.2J의 에너지를 수확합니다.
두께 0.5mm의 PST MLC를 폴리올레핀 호스에 넣고 양면 테이프와 철사를 사용하여 양쪽 끝에 공간을 만들어 액체가 흐를 수 있도록 합니다. 크기가 작기 때문에 시제품을 온수 또는 냉수 저장 밸브 옆에 설치하여 사이클 시간을 최소화했습니다.
PST MLC에서는 가열 분기에 일정한 전압을 인가하여 일정한 전기장을 생성합니다. 그 결과 음의 열전류가 발생하고 에너지가 저장됩니다. PST MLC를 가열한 후 전기장을 제거하면(V = 0), 저장된 에너지가 소스 카운터로 되돌아가며, 이는 수집된 에너지의 추가 기여에 해당합니다. 마지막으로, V = 0의 전압을 인가하여 MLC PST를 초기 온도로 냉각시켜 사이클을 다시 시작할 수 있도록 합니다. 이 단계에서는 에너지가 수집되지 않습니다. 우리는 Keithley 2410 SourceMeter를 사용하여 Olsen 사이클을 실행했으며, 전압 소스에서 PST MLC를 충전하고 전류 매칭을 적절한 값으로 설정하여 충전 단계에서 신뢰할 수 있는 에너지 계산에 필요한 충분한 데이터를 수집했습니다.
스털링 사이클에서 PST MLC는 초기 전기장 값(초기 전압 Vi > 0), 원하는 컴플라이언스 전류(충전 단계가 약 1초가 걸리도록 하여 에너지의 신뢰할 수 있는 계산을 위한 충분한 데이터 포인트가 수집되도록 함), 그리고 저온 조건에서 전압 소스 모드로 충전되었습니다. 스털링 사이클에서 PST MLC는 초기 전기장 값(초기 전압 Vi > 0), 원하는 컴플라이언스 전류(충전 단계가 약 1초가 걸리도록 하여 에너지의 신뢰할 수 있는 계산을 위한 충분한 데이터 포인트가 수집되도록 함), 그리고 저온 조건에서 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 rasчета энергия) 및 холодная температура. 스털링 PST MLC 사이클에서, 이들은 초기 전기장 값(초기 전압 Vi > 0), 원하는 출력 전류에서 전압 소스 모드로 충전되었으며, 충전 단계는 약 1초가 소요되어(신뢰할 수 있는 에너지 계산을 위해 충분한 수의 데이터 포인트가 수집됨) 저온에서 진행되었습니다.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 컴플라이언스 전류를 충전하는 데 약 1초가 소요됩니다(그리고 우리는 에너지와 저온을 안정적으로 계산할 수 있을 만큼 충분한 데이터를 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 충전되며, 필요한 컴플라이언스 전류는 충전 단계가 약 1초가 걸리도록(그리고 에너지를 안정적으로 계산하기에 충분한 수의 지점이 수집되도록) 하고 저온에서 작동합니다.PST MLC가 가열되기 전에, 최소 측정 소스가 처리할 수 있는 최소 매칭 전류인 10nA에 해당하는 I = 0mA의 매칭 전류를 인가하여 회로를 개방합니다. 그 결과, MJK의 PST에 전하가 남아 있게 되고, 시료가 가열됨에 따라 전압이 증가합니다. I = 0mA이므로 BC 암에는 에너지가 수집되지 않습니다. 고온에 도달한 후, MLT FT의 전압이 증가하고(경우에 따라 30배 이상 증가, 추가 그림 7.2 참조), MLK FT는 방전(V = 0)되어 초기 전하량과 동일한 양의 전기 에너지가 저장됩니다. 동일한 전류가 미터 소스로 되돌아갑니다. 전압 이득으로 인해 고온에서 저장된 에너지는 사이클 시작 시 공급된 에너지보다 더 높습니다. 결과적으로 열을 전기로 변환하여 에너지를 얻을 수 있습니다.
우리는 Keithley 2410 SourceMeter를 사용하여 PST MLC에 인가되는 전압과 전류를 모니터링했습니다. 해당 에너지는 Keithley SourceMeter에서 측정된 전압과 전류의 곱을 적분하여 계산합니다. (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), 여기서 τ는 주기입니다. 에너지 곡선에서 양의 에너지 값은 MLC PST에 공급해야 하는 에너지를 의미하고, 음의 값은 MLC에서 추출한 에너지, 즉 수신한 에너지를 의미합니다. 주어진 수집 주기에 대한 상대 전력은 수집된 에너지를 전체 주기의 주기 τ로 나누어 구합니다.
모든 데이터는 본문 또는 추가 정보에 제시되어 있습니다. 자료 요청 및 문의는 본 논문에 제공된 AT 또는 ED 데이터 출처로 직접 보내주시기 바랍니다.
안도 주니어(OH), 마란(ALO), 헤나오(NC) - 에너지 수확을 위한 열전 마이크로 발전기의 개발 및 응용에 대한 고찰. 안도 주니어(OH), 마란(ALO), 헤나오(NC) - 에너지 수확을 위한 열전 마이크로 발전기의 개발 및 응용에 대한 고찰.오하이오주 안도 주니어, 알로에주 마란, 노스캐롤라이나주 헤나오에서 수행된 에너지 수확용 열전 마이크로 발전기의 개발 및 응용에 대한 개요. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC의 데이터는 다음과 같습니다. 안도 주니어, OH, 마란, ALO & 헤나오, NC오하이오주 안도 주니어, 알로에주 마란, 노스캐롤라이나주 헤나오는 에너지 수확을 위한 열전 마이크로 발전기의 개발 및 적용을 검토하고 있습니다.이력서. 지원. 에너지 리뷰 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. 태양광 소재: 현재의 효율성과 미래의 과제. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. 태양광 소재: 현재의 효율성과 미래의 과제.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. 및 Sinke, VK. 태양광 소재: 현재 성능 및 미래 과제. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 태양광 소재: 현재 효율 및 미래 과제.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. 및 Sinke, VK. 태양광 소재: 현재 성능 및 미래 과제.과학 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 자가 전원 공급식 동시 온도 및 압력 감지를 위한 결합된 열-압전 효과. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 자가 전원 공급식 동시 온도 및 압력 감지를 위한 결합 열압전 효과.송 K., 자오 R., 왕 ZL, 얀 위. 온도와 압력을 자율적으로 동시에 측정하기 위한 열압전 효과의 결합. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y.는 서로 다른 방식으로 작동합니다. 송, K., 자오, R., 왕, ZL & 양, Y. 온도 및 압력과 동시에 자체 전력을 공급하기 위해.송 K., 자오 R., 왕 ZL, 얀 위. 온도와 압력을 자율적으로 동시에 측정하기 위한 열압전 효과의 결합.서문. 모교 31, 1902831 (2019).
제발트, G., 프루보스트, S. & 구요마르, D. 완화형 강유전성 세라믹에서 에릭슨 압전 사이클을 기반으로 한 에너지 수확. 제발트, G., 프루보스트, S. & 구요마르, D. 완화형 강유전성 세라믹에서 에릭슨 압전 사이클을 기반으로 한 에너지 수확.제발트 G., 프루보스트 S. 및 구요마르 D. 완화형 강유전성 세라믹에서 압전 에릭슨 사이클에 기반한 에너지 수확.Sebald G., Prouvost S. 및 Guyomar D. Ericsson 열전기 사이클링을 기반으로 하는 완화형 강유전성 세라믹의 에너지 수확. 스마트 알마 마터 구조. 17, 15012(2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 차세대 전기열 및 초전도 재료를 이용한 고체 전기열 에너지 상호 변환. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 차세대 전기열 및 초전도 재료를 이용한 고체 전기열 에너지 상호 변환. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 차세대 고체 전기열 에너지 상호 변환을 위한 전기열 및 초전 재료. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW는 RW에 포함되어 있습니다. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 차세대 고체 전기열 에너지 상호 변환을 위한 전기열 및 초전 재료.레이디 불. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 압전 나노발전기의 성능을 정량화하기 위한 표준 및 성능 지표. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 압전 나노발전기의 성능을 정량화하기 위한 표준 및 성능 지표.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL 및 Yang, Yu. 압전 나노발전기의 성능을 정량화하기 위한 표준 및 품질 점수. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 는 다양한 제품을 사용합니다. 장, K., 왕, Y., 왕, ZL & 양, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL 및 Yang, Yu. 압전 나노발전기의 성능을 정량화하기 위한 기준 및 성능 측정.나노에너지 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. 자계 변화를 통한 진정한 재생이 가능한 납 스칸듐 탄탈레이트의 전기열 냉각 사이클. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. 자계 변화를 통한 진정한 재생이 가능한 납 스칸듐 탄탈레이트의 전기열 냉각 사이클.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. 및 Mathur, ND. 필드 수정을 통한 진정한 재생이 가능한 납-스칸듐 탄탈레이트의 전기열 냉각 사이클. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND는 ND의 저서입니다. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. 탄탈륨은 현재 존재하는 탄탈륨입니다.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. 및 Mathur, ND. 자계 반전을 통한 진정한 재생을 위한 스칸듐-납 탄탈레이트의 전기열 냉각 사이클.물리학 Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 강유전상 전이 근처의 열량 물질. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 강유전상 전이 근처의 열량 물질.Moya, X., Kar-Narayan, S. 및 Mathur, ND는 강자성 상전이 근처의 열량 물질에 대해 연구했습니다. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质信变附近的热weight材料. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 철 야금 근처의 열 재료.Moya, X., Kar-Narayan, S. 및 Mathur, ND는 철 상전이 부근의 열 재료에 대해 연구했습니다.Nat. 모교 13, 439–450(2014).
Moya, X. & Mathur, ND 냉각 및 가열용 열량 재료. Moya, X. & Mathur, ND 냉각 및 가열용 열량 재료.Moya, X. 및 Mathur, ND. 냉난방용 열 재료. Moya, X. & Mathur, ND는 ND를 사용하여 열량을 측정합니다. Moya, X. & Mathur, ND. 냉난방용 열 재료.모야 X.와 마투르 ND는 냉난방용 열 재료에 대해 연구했습니다.과학 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. 전기열량 냉각기: 리뷰. Torelló, A. & Defay, E. 전기열량 냉각기: 리뷰.Torello, A. 및 Defay, E. 전기열 냉각기: 개요. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论.Torello, A. 및 Defay, E. 전기열 냉각기: 개요.고급. 전자. 모교. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. 고도로 정렬된 스칸듐-스칸듐-납의 전기열량 물질의 엄청난 에너지 효율. 국가 통신. 12, 3298(2021).
Nair, B. et al. 산화물 다층 커패시터의 전기열 효과는 넓은 온도 범위에 걸쳐 크다. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. 전기열 재생기의 거대한 온도 범위. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. 고성능 고체 전기열 냉각 시스템. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. 큰 온도 상승을 위한 캐스케이드 전기열 냉각 장치. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD 열을 전기 에너지로 직접 변환하는 고효율 열전기 측정. Olsen, RB & Brown, DD 열을 전기 에너지로 직접 변환하는 고효율 열전기 측정.Olsen, RB 및 Brown, DD는 열전기 측정과 관련된 열을 전기 에너지로 매우 효율적으로 직접 변환하는 기술을 개발했습니다. Olsen, RB & Brown, DD의 높은 수준의 열량. 올슨(RB) & 브라운(DD)Olsen, RB 및 Brown, DD, 열전기 측정과 관련된 효율적인 열을 전기로 직접 변환.강유전체 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. 얇은 완화형 강유전체 필름의 에너지 및 전력 밀도. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM 계단식 초전 변환: 강유전성 상전이 및 전기적 손실 최적화. Smith, AN & Hanrahan, BM 계단식 초전 변환: 강유전성 상전이 및 전기적 손실 최적화.Smith, AN 및 Hanrahan, BM 계단식 초전 변환: 강유전성 상전이 및 전기적 손실 최적화. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电상变和电损耗. Smith, AN & Hanrahan, BMSmith, AN 및 Hanrahan, BM 계단식 초전 변환: 강유전성 상전이 및 전기적 손실 최적화.J. 응용물리학. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR 열에너지를 전기로 변환하기 위한 강유전체 재료의 사용. 프로세스. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 계단식 열전 에너지 변환기. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 계단식 열전 에너지 변환기.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM 및 Dullea, J. 캐스케이드 열전 변환 장치. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM 및 Dullea, J. 계단식 압전 발전 변환기.페로유전체 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. 높은 전기열 효과를 갖는 납-스칸듐 탄탈레이트 고용체에 대하여. Shebanov, L. & Borman, K. 높은 전기열 효과를 갖는 납-스칸듐 탄탈레이트 고용체에 대하여.Shebanov L. 및 Borman K. 높은 전기열 효과를 갖는 납-스칸듐 탄탈레이트 고체 용액에 대하여. Shebanov, L. & Borman, K.는 매우 높은 수준의 정보를 제공합니다. 셰바노프, L. & 보먼, K.Shebanov L. 및 Borman K. 높은 전기열량 효과를 갖는 스칸듐-납-스칸듐 고용체에 대하여.페로유전체 127, 143–148 (1992).
MLC 제작에 도움을 주신 N. Furusawa, Y. Inoue, K. Honda께 감사드립니다. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB, ED께도 감사드립니다. 본 연구는 CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay 및 BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay 과제를 통해 룩셈부르크 국립연구재단(FNR)의 지원을 받았습니다.
룩셈부르크 공과대학교(LIST) 재료 연구 및 기술학과, 벨부아르, 룩셈부르크