बिजली के स्थायी स्रोतों की पेशकश इस सदी की सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियों में से एक है। ऊर्जा कटाई सामग्री में अनुसंधान क्षेत्र इस प्रेरणा से स्टेम, थर्मोइलेक्ट्रिक 1, फोटोवोल्टिक 2 और थर्मोफोटोवोल्टिक्स 3 सहित। यद्यपि हमारे पास जूल रेंज में ऊर्जा की कटाई करने में सक्षम सामग्री और उपकरणों की कमी है, पायरोइलेक्ट्रिक सामग्री जो विद्युत ऊर्जा को आवधिक तापमान परिवर्तनों में परिवर्तित कर सकती है, उन्हें सेंसर 4 और ऊर्जा हार्वेस्टर 5,6,7 माना जाता है। यहां हमने 42 ग्राम लीड स्कैंडियम टैंटलेट से बने एक बहुपरत संधारित्र के रूप में एक मैक्रोस्कोपिक थर्मल एनर्जी हार्वेस्टर विकसित किया है, जो प्रति थर्मोडायनामिक चक्र में 11.2 जे विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करता है। प्रत्येक पायरोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल प्रति चक्र 4.43 जे सेमी -3 तक विद्युत ऊर्जा घनत्व उत्पन्न कर सकता है। हम यह भी दिखाते हैं कि 0.3 ग्राम वजन वाले दो ऐसे मॉड्यूल एम्बेडेड माइक्रोकंट्रोलर और तापमान सेंसर के साथ लगातार स्वायत्त ऊर्जा हार्वेस्टर को बिजली देने के लिए पर्याप्त हैं। अंत में, हम दिखाते हैं कि 10 K की तापमान सीमा के लिए, ये मल्टीलेयर कैपेसिटर 40% कार्नोट दक्षता तक पहुंच सकते हैं। ये गुण उच्च दक्षता के लिए (1) फेरोइलेक्ट्रिक चरण परिवर्तन के कारण हैं, (2) नुकसान को रोकने के लिए कम रिसाव वर्तमान, और (3) उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज। ये मैक्रोस्कोपिक, स्केलेबल और कुशल पायरोइलेक्ट्रिक पावर हार्वेस्टर थर्मोइलेक्ट्रिक पावर जनरेशन को फिर से तैयार कर रहे हैं।
थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के लिए आवश्यक स्थानिक तापमान ढाल की तुलना में, थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री की ऊर्जा कटाई के लिए समय के साथ तापमान साइकिल चलाने की आवश्यकता होती है। इसका अर्थ है एक थर्मोडायनामिक चक्र, जिसे एन्ट्रापी (एस) -टेम्परेचर (टी) आरेख द्वारा सबसे अच्छा वर्णित किया गया है। चित्रा 1 ए एक गैर-रैखिक पाइरोइलेक्ट्रिक (एनएलपी) सामग्री का एक विशिष्ट एसटी प्लॉट दिखाता है जो स्कैंडियम लीड टैंटलेट (पीएसटी) में एक क्षेत्र-संचालित फेरोइलेक्ट्रिक-पेरेलेक्ट्रिक चरण संक्रमण का प्रदर्शन करता है। एसटी आरेख पर चक्र के नीले और हरे रंग के खंड ओल्सन चक्र (दो आइसोथर्मल और दो आइसोपोल वर्गों) में परिवर्तित विद्युत ऊर्जा के अनुरूप हैं। यहां हम एक ही विद्युत क्षेत्र परिवर्तन (फ़ील्ड ऑन और ऑफ) और तापमान परिवर्तन के साथ दो चक्रों पर विचार करते हैं, जो विभिन्न प्रारंभिक तापमानों के साथ, यद्यपि है। हरे रंग का चक्र चरण संक्रमण क्षेत्र में स्थित नहीं है और इस प्रकार चरण संक्रमण क्षेत्र में स्थित नीले चक्र की तुलना में बहुत छोटा क्षेत्र है। एसटी आरेख में, क्षेत्र जितना बड़ा होगा, एकत्रित ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी। इसलिए, चरण संक्रमण को अधिक ऊर्जा एकत्र करना चाहिए। एनएलपी में बड़े क्षेत्र साइकिल चलाने की आवश्यकता इलेक्ट्रोथर्मल एप्लिकेशन 9, 10, 11, 12 की आवश्यकता के समान है, जहां पीएसटी मल्टीलेयर कैपेसिटर (एमएलसी) और पीवीडीएफ-आधारित टेरपोलिमर ने हाल ही में उत्कृष्ट रिवर्स प्रदर्शन दिखाया है। चक्र में कूलिंग प्रदर्शन की स्थिति 13,14,15,16। इसलिए, हमने थर्मल ऊर्जा कटाई के लिए ब्याज के पीएसटी एमएलसी की पहचान की है। इन नमूनों को पूरी तरह से तरीकों में वर्णित किया गया है और पूरक नोट्स 1 (स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी), 2 (एक्स-रे विवर्तन) और 3 (कैलोरीमेट्री) में विशेषता है।
ए, एक एन्ट्रापी का स्केच (एस) -टेम्परेचर (टी) प्लॉट के साथ विद्युत क्षेत्र के साथ और बंद एनएलपी सामग्री पर लागू होता है जो चरण संक्रमण दिखाते हैं। दो ऊर्जा संग्रह चक्र दो अलग -अलग तापमान क्षेत्रों में दिखाए गए हैं। नीले और हरे रंग के चक्र क्रमशः चरण संक्रमण के अंदर और बाहर होते हैं, और सतह के बहुत अलग क्षेत्रों में समाप्त होते हैं। बी, दो डी पीएसटी एमएलसी एकध्रुवीय छल्ले, 1 मिमी मोटी, क्रमशः 0 और 155 केवी सेमी -1 के बीच 20 डिग्री सेल्सियस और 90 डिग्री सेल्सियस पर, और इसी ऑलसेन चक्रों के बीच मापा जाता है। ABCD पत्र ओल्सन चक्र में विभिन्न राज्यों को संदर्भित करते हैं। AB: MLCs को 20 ° C पर 155 kV cm-1 तक चार्ज किया गया था। BC: MLC को 155 kV CM-1 पर बनाए रखा गया था और तापमान 90 ° C तक बढ़ा दिया गया था। सीडी: एमएलसी 90 डिग्री सेल्सियस पर डिस्चार्ज करता है। DA: MLC शून्य क्षेत्र में 20 ° C तक ठंडा करता है। नीला क्षेत्र चक्र शुरू करने के लिए आवश्यक इनपुट शक्ति से मेल खाता है। नारंगी क्षेत्र एक चक्र में एकत्र ऊर्जा है। सी, शीर्ष पैनल, वोल्टेज (काला) और वर्तमान (लाल) बनाम समय, बी के रूप में एक ही ओल्सन चक्र के दौरान ट्रैक किया गया। दो आवेषण चक्र में प्रमुख बिंदुओं पर वोल्टेज और वर्तमान के प्रवर्धन का प्रतिनिधित्व करते हैं। निचले पैनल में, पीले और हरे रंग के घटता क्रमशः 1 मिमी मोटी एमएलसी के लिए इसी तापमान और ऊर्जा घटता का प्रतिनिधित्व करते हैं। ऊर्जा की गणना शीर्ष पैनल पर वर्तमान और वोल्टेज घटता से की जाती है। नकारात्मक ऊर्जा एकत्रित ऊर्जा से मेल खाती है। चार आंकड़ों में बड़े अक्षरों के अनुरूप कदम ओल्सन चक्र के समान हैं। चक्र AB'CD स्टर्लिंग चक्र (अतिरिक्त नोट 7) से मेल खाता है।
जहां ई और डी विद्युत क्षेत्र और विद्युत विस्थापन क्षेत्र हैं, क्रमशः। एनडी को अप्रत्यक्ष रूप से डीई सर्किट (छवि 1 बी) से या सीधे थर्मोडायनामिक चक्र शुरू करके प्राप्त किया जा सकता है। 1980 के दशक में पायरोइलेक्ट्रिक ऊर्जा एकत्र करने पर अपने अग्रणी कार्य में ओल्सेन द्वारा सबसे उपयोगी तरीकों का वर्णन किया गया था।
अंजीर पर। 1 बी दिखाता है कि 1 मिमी मोटी पीएसटी-एमएलसी नमूनों के दो मोनोपोलर डी लूप्स को क्रमशः 20 ° C और 90 ° C पर इकट्ठा किया गया है, क्रमशः 0 से 155 kV CM-1 (600 V) की सीमा से अधिक है। इन दो चक्रों का उपयोग चित्रा 1 ए में दिखाए गए ओल्सन चक्र द्वारा एकत्रित ऊर्जा की अप्रत्यक्ष रूप से गणना करने के लिए किया जा सकता है। वास्तव में, ऑलसेन चक्र में दो आइसोफिल्ड शाखाएं होती हैं (यहां, डीए शाखा में शून्य क्षेत्र और बीसी शाखा में 155 केवी सेमी -1) और दो आइसोथर्मल शाखाएं (यहां, एबी शाखा में 20 ° с और 20 ° с)। सी सीडी शाखा में) चक्र के दौरान एकत्र की गई ऊर्जा नारंगी और नीले क्षेत्रों (EDD इंटीग्रल) से मेल खाती है। एकत्रित ऊर्जा एनडी इनपुट और आउटपुट ऊर्जा के बीच का अंतर है, यानी अंजीर में केवल नारंगी क्षेत्र। 1 बी। यह विशेष रूप से ओल्सन चक्र 1.78 J CM-3 का एनडी ऊर्जा घनत्व देता है। स्टर्लिंग चक्र ओल्सन चक्र (पूरक नोट 7) का एक विकल्प है। क्योंकि निरंतर चार्ज चरण (ओपन सर्किट) अधिक आसानी से पहुंच जाता है, अंजीर से निकाला गया ऊर्जा घनत्व 1 बी (चक्र AB'CD) 1.25 J CM-3 तक पहुंच जाता है। यह केवल 70% है जो ओल्सन चक्र एकत्र कर सकता है, लेकिन सरल कटाई उपकरण यह करता है।
इसके अलावा, हमने सीधे एक लिंकेम तापमान नियंत्रण चरण और एक स्रोत मीटर (विधि) का उपयोग करके पीएसटी एमएलसी को सक्रिय करके ओल्सन चक्र के दौरान एकत्र की गई ऊर्जा को मापा। शीर्ष पर और संबंधित इनसेट में चित्रा 1 सी एक ही 1 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी पर एकत्र किए गए वर्तमान (लाल) और वोल्टेज (काला) को दिखाता है, जैसा कि डी लूप के लिए एक ही ओल्सन चक्र से गुजर रहा है। वर्तमान और वोल्टेज एकत्रित ऊर्जा की गणना करना संभव बनाते हैं, और घटता अंजीर में दिखाया गया है। पूरे चक्र में 1 सी, नीचे (हरा) और तापमान (पीला)। अक्षर ABCD अंजीर में एक ही ओल्सन चक्र का प्रतिनिधित्व करते हैं। 1। MLC चार्जिंग AB लेग के दौरान होता है और इसे कम करंट (200 µA) पर किया जाता है, इसलिए सोर्समीटर ठीक से चार्जिंग को नियंत्रित कर सकता है। इस निरंतर प्रारंभिक वर्तमान का परिणाम यह है कि वोल्टेज वक्र (काला वक्र) गैर-रैखिक संभावित विस्थापन क्षेत्र डी पीएसटी (छवि 1 सी, शीर्ष इनसेट) के कारण रैखिक नहीं है। चार्जिंग के अंत में, 30 एमजे विद्युत ऊर्जा एमएलसी (प्वाइंट बी) में संग्रहीत की जाती है। MLC तब गर्म हो जाता है और एक नकारात्मक वर्तमान (और इसलिए एक नकारात्मक धारा) का उत्पादन किया जाता है, जबकि वोल्टेज 600 V पर रहता है। 40 s के बाद, जब तापमान 90 ° C के एक पठार तक पहुंच गया, तो इस वर्तमान को मुआवजा दिया गया, हालांकि सर्किट में उत्पादित चरण नमूना इस आइसोफिल्ड के दौरान 35 mJ की विद्युत शक्ति (छवि में दूसरा इनसेट) शीर्ष)। MLC (शाखा सीडी) पर वोल्टेज तब कम हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप विद्युत कार्य का अतिरिक्त 60 एमजे होता है। कुल आउटपुट ऊर्जा 95 एमजे है। एकत्रित ऊर्जा इनपुट और आउटपुट ऊर्जा के बीच का अंतर है, जो 95 - 30 = 65 एमजे देता है। यह 1.84 J CM-3 के ऊर्जा घनत्व से मेल खाता है, जो कि डी रिंग से निकाले गए एनडी के बहुत करीब है। इस ओल्सन चक्र की प्रतिलिपि प्रस्तुत करने का बड़े पैमाने पर परीक्षण किया गया है (पूरक नोट 4)। आगे बढ़ते वोल्टेज और तापमान से, हमने 750 वी (195 केवी सेमी -1) और 175 डिग्री सेल्सियस (पूरक नोट 5) के तापमान सीमा पर 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी में ऑलसेन चक्रों का उपयोग करके 4.43 जे सेमी -3 हासिल किया। यह प्रत्यक्ष ओल्सन चक्रों के लिए साहित्य में रिपोर्ट किए गए सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन की तुलना में चार गुना अधिक है और पीबी (एमजी, एनबी) ओ 3-पीबीटीआईओ 3 (पीएमएन-पीटी) (1.06 जे सेमी -3) 18 (सेमी .Supplementary तालिका 1 साहित्य में अधिक मूल्यों के लिए) की पतली फिल्मों पर प्राप्त किया गया था। यह प्रदर्शन इन MLCs के बहुत कम रिसाव वर्तमान (<10−7 A पर 750 V और 180 ° C पर, पूरक नोट 6 में विवरण देखें) - स्मिथ एट अल .19 द्वारा उल्लिखित महत्वपूर्ण बिंदु - पहले के अध्ययनों में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के विपरीत। यह प्रदर्शन इन MLCs के बहुत कम रिसाव वर्तमान (<10−7 A पर 750 V और 180 ° C पर, पूरक नोट 6 में विवरण देखें) - स्मिथ एट अल .19 द्वारा उल्लिखित महत्वपूर्ण बिंदु - पहले के अध्ययनों में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के विपरीत। Эти характеристики ыыли дыли достигнуты благодаря в вополнительном примечании 6) - критический момент, yeаомянутый смитом и др। 19 - отличие от к к материалам, исползованным в более ранних исследованиях17,20। इन विशेषताओं को इन MLCs के बहुत कम रिसाव वर्तमान (<10–7 A पर 750 V और 180 ° C पर, विवरण के लिए पूरक नोट 6 देखें) के कारण प्राप्त किया गया था - स्मिथ एट अल द्वारा उल्लिखित एक महत्वपूर्ण बिंदु। 19 - पहले के अध्ययनों में प्रयुक्त सामग्रियों के विपरीत 17,20।由于这些 MLC 的泄漏电流非常低 （在 在 750 V ° 180 ° C 时 <10-7 A ， ， 6）） —-स्मिथ 等人 19 提到的关键点 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 由于 mlc 的 泄漏 非常 （（在 在 在 750 v 和 180 ° C 时 <10-7 a ， 补充 说明 说明 中 中 信息）））））））） 提到 关键 关键 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 关键 关键 关键 关键 关键 关键 关键 关键 关键））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 п50 п50 и50 и и 180 ° C, с подробности नाश्ता п п поPXKMENTеMьVAVAVER пнPOVAVAVER п пFAVAVERтVAVAVER п пFAVAVERтVAVAVE2 ключевой момент, yaпомянутый смитом и др। 19 - для сравнения, ыыли достигнуты эти характеристики। चूंकि इन MLCs का रिसाव करंट बहुत कम है (<10–7 A 750 V और 180 ° C पर, विवरण के लिए पूरक नोट 6 देखें) - स्मिथ एट अल द्वारा उल्लिखित एक प्रमुख बिंदु। 19 - तुलना के लिए, ये प्रदर्शन हासिल किए गए थे।पहले के अध्ययनों में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के लिए 17,20।
स्टर्लिंग चक्र (पूरक नोट 7) पर लागू समान स्थितियां (600 वी, 20-90 डिग्री सेल्सियस)। जैसा कि डीई चक्र के परिणामों से अपेक्षित था, उपज 41.0 एमजे थी। स्टर्लिंग साइकिल की सबसे हड़ताली विशेषताओं में से एक थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव के माध्यम से प्रारंभिक वोल्टेज को बढ़ाने की उनकी क्षमता है। हमने 39 तक (15 V के प्रारंभिक वोल्टेज से 590 V तक के अंत वोल्टेज तक, अनुपूरक अंजीर देखें। 7.2) का वोल्टेज लाभ देखा।
इन MLCs की एक और विशिष्ट विशेषता यह है कि वे मैक्रोस्कोपिक ऑब्जेक्ट हैं जो जूल रेंज में ऊर्जा एकत्र करने के लिए पर्याप्त हैं। इसलिए, हमने 28 एमएलसी पीएसटी 1 मिमी मोटी का उपयोग करते हुए एक प्रोटोटाइप हार्वेस्टर (हार्व 1) का निर्माण किया, जो कि टॉरेलो एट अल .14 द्वारा वर्णित समान समानांतर प्लेट डिजाइन के बाद, 7 × 4 मैट्रिक्स में जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। कई गुना में गर्मी के ढांकता हुआ ढांकता हुआ तरल पदार्थ को दो जलाशय के बीच विस्थापित किया जाता है। अंजीर में वर्णित ओल्सन चक्र का उपयोग करके 3.1 जे तक इकट्ठा करें। 2 ए, 10 डिग्री सेल्सियस और 125 डिग्री सेल्सियस और आइसोफिल्ड क्षेत्रों में 0 और 750 वी (195 केवी सेमी -1) पर आइसोथर्मल क्षेत्र। यह 3.14 J CM-3 की ऊर्जा घनत्व से मेल खाता है। इस संयोजन का उपयोग करते हुए, माप विभिन्न परिस्थितियों (छवि 2 बी) के तहत लिए गए थे। ध्यान दें कि 1.8 J 80 ° C के तापमान सीमा और 600 V (155 kV cm-1) के वोल्टेज पर प्राप्त किया गया था। यह समान शर्तों (28 × 65 = 1820 एमजे) के तहत 1 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी के लिए पहले उल्लेखित 65 एमजे के साथ अच्छे समझौते में है।
ए, ओल्सन साइकिल पर चल रहे 28 एमएलसी पीएसटी 1 मिमी मोटी (4 पंक्तियों × 7 कॉलम) पर आधारित एक इकट्ठे HAVE1 प्रोटोटाइप का प्रायोगिक सेटअप। चार चक्र चरणों में से प्रत्येक के लिए, प्रोटोटाइप में तापमान और वोल्टेज प्रदान किए जाते हैं। कंप्यूटर एक पेरिस्टाल्टिक पंप को चलाता है जो ठंड और गर्म जलाशयों, दो वाल्वों और एक शक्ति स्रोत के बीच एक ढांकता हुआ तरल पदार्थ को प्रसारित करता है। कंप्यूटर वोल्टेज पर डेटा एकत्र करने के लिए थर्मोकॉउस का उपयोग करता है और प्रोटोटाइप को आपूर्ति की जाती है और बिजली की आपूर्ति से संयोजन के तापमान को आपूर्ति करता है। बी, ऊर्जा (रंग) हमारे 4 × 7 एमएलसी प्रोटोटाइप बनाम तापमान रेंज (एक्स-एक्सिस) और वोल्टेज (वाई-एक्सिस) द्वारा अलग-अलग प्रयोगों में एकत्र किया गया।
60 पीएसटी एमएलसी 1 मिमी मोटी और 160 पीएसटी एमएलसी 0.5 मिमी मोटी (41.7 ग्राम सक्रिय पाइरोइलेक्ट्रिक सामग्री) के साथ हार्वेस्टर (हार्व 2) का एक बड़ा संस्करण 11.2 जे (पूरक नोट 8) दिया। 1984 में, ऑलसेन ने लगभग 150 ° C (Ref। 21) के तापमान पर 6.23 J बिजली पैदा करने में सक्षम एक टिन-डोपेड PB (Zr, Ti) O3 यौगिक के 317 ग्राम पर आधारित एक ऊर्जा हार्वेस्टर बनाया। इस संयोजन के लिए, यह जूल रेंज में उपलब्ध एकमात्र अन्य मूल्य है। यह हमारे द्वारा प्राप्त किए गए मूल्य और गुणवत्ता का लगभग सात गुना अधिक था। इसका मतलब यह है कि हार्व 2 का ऊर्जा घनत्व 13 गुना अधिक है।
हार्ट 1 चक्र अवधि 57 सेकंड है। इसने 1 मिमी मोटी एमएलसी सेट के 7 स्तंभों की 4 पंक्तियों के साथ 54 मेगावाट बिजली का उत्पादन किया। इसे एक कदम आगे ले जाने के लिए, हमने 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी और हार्व 1 और हार्व 2 (सप्लीमेंट्री नोट 9) के लिए इसी तरह के सेटअप के साथ एक तीसरा कॉम्बिनेशन (हार्व 3) बनाया। हमने 12.5 सेकंड के थर्मलिज़ेशन समय को मापा। यह 25 एस (अनुपूरक छवि 9) के चक्र समय से मेल खाता है। एकत्रित ऊर्जा (47 एमजे) 1.95 मेगावाट प्रति एमएलसी की विद्युत शक्ति देती है, जो बदले में हमें यह कल्पना करने की अनुमति देती है कि हार्व 2 0.55 डब्ल्यू (लगभग 1.95 मेगावाट × 280 पीएसटी एमएलसी 0.5 मिमी मोटी) का उत्पादन करता है। इसके अलावा, हमने हार्ट 1 प्रयोगों के अनुरूप परिमित तत्व सिमुलेशन (COMSOL, सप्लीमेंट्री नोट 10 और सप्लीमेंट्री टेबल्स 2-4) का उपयोग करके गर्मी हस्तांतरण का अनुकरण किया। परिमित तत्व मॉडलिंग ने पावर वैल्यू की भविष्यवाणी करना संभव बना दिया, जो कि एमएलसी को 0.2 मिमी तक पतला करके, एक शीतलक के रूप में पानी का उपयोग करके, और मैट्रिक्स को 7 पंक्तियों को बहाल करने के लिए पीएसटी कॉलम की समान संख्या के लिए उच्च परिमाण (430 मेगावाट) का एक क्रम है। × 4 कॉलम (इसके अलावा, 960 मेगावाट थे जब टैंक गठबंधन के बगल में था, अनुपूरक अंजीर। 10 बी)।
इस कलेक्टर की उपयोगिता को प्रदर्शित करने के लिए, एक स्टर्लिंग चक्र को एक स्टैंड-अलोन प्रदर्शनकारी के लिए लागू किया गया था जिसमें हीट कलेक्टरों के रूप में केवल दो 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी, एक उच्च वोल्टेज स्विच, स्टोरेज कैपेसिटर के साथ एक कम वोल्टेज स्विच, एक डीसी/डीसी कनवर्टर, एक कम पावर माइक्रोकंट्रोलर, दो थर्मोकॉर्टर और बोस्ट कन्वर्टर (पूरक और पूरक नोट 11) शामिल थे। सर्किट को स्टोरेज कैपेसिटर को शुरू में 9V पर चार्ज करने की आवश्यकता होती है और फिर स्वायत्त रूप से चलता है, जबकि दो MLCs का तापमान -5 ° C से 85 ° C तक होता है, यहाँ 160 s के चक्रों में (कई चक्रों को पूरक नोट 11 में दिखाया गया है)। उल्लेखनीय रूप से, केवल 0.3g वजन वाले दो MLC इस बड़े सिस्टम को स्वायत्त रूप से नियंत्रित कर सकते हैं। एक और दिलचस्प विशेषता यह है कि कम वोल्टेज कनवर्टर 79% दक्षता (पूरक नोट 11 और पूरक चित्रा 11.3) के साथ 400V को 10-15V में परिवर्तित करने में सक्षम है।
अंत में, हमने थर्मल ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने में इन एमएलसी मॉड्यूल की दक्षता का मूल्यांकन किया। दक्षता के गुणवत्ता कारक को आपूर्ति की गई गर्मी किन (पूरक नोट 12) के घनत्व के लिए एकत्र विद्युत ऊर्जा एनडी के घनत्व के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है:
आंकड़े 3 ए, बी 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी के तापमान सीमा के एक समारोह के रूप में क्रमशः ऑलसेन चक्र की दक्षता η और आनुपातिक दक्षता η आर दिखाते हैं। दोनों डेटा सेट 195 केवी सेमी -1 के विद्युत क्षेत्र के लिए दिए गए हैं। दक्षता \ (\ यह \) 1.43% तक पहुंचती है, जो कि 18% के बराबर है। हालांकि, 25 डिग्री सेल्सियस से 35 डिग्री सेल्सियस तक 10 k की तापमान सीमा के लिए, ηr मान 40% तक (अंजीर में नीला वक्र) तक पहुंचता है। यह 10 k और 300 kV cm-1 (Ref। 18) के तापमान रेंज में PMN-PT फिल्मों (ηr = 19%) में दर्ज किए गए NLP सामग्री के लिए दो बार ज्ञात मूल्य है। 10 K से नीचे के तापमान पर्वतमाला पर विचार नहीं किया गया क्योंकि PST MLC का थर्मल हिस्टैरिसीस 5 से 8 K के बीच है। दक्षता पर चरण संक्रमण के सकारात्मक प्रभाव की मान्यता महत्वपूर्ण है। वास्तव में, η और ηr के इष्टतम मूल्यों को अंजीर में प्रारंभिक तापमान ti = 25 ° C पर लगभग सभी प्राप्त होते हैं। 3 ए, बी। यह एक करीबी चरण संक्रमण के कारण होता है जब कोई क्षेत्र लागू नहीं होता है और क्यूरी तापमान टीसी इन एमएलसी (पूरक नोट 13) में 20 डिग्री सेल्सियस के आसपास होता है।
A, B, दक्षता η और Olson Cycle (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} {{\ _ \ rm {कार्नोट}}} की आनुपातिक दक्षता। }} \, \) (बी) एमपीसी पीएसटी 0.5 मिमी मोटी के लिए, तापमान अंतराल ΔTSPAN के आधार पर।
बाद के अवलोकन के दो महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं: (1) किसी भी प्रभावी साइकिलिंग को एक क्षेत्र-प्रेरित चरण संक्रमण (Paralectric से फेरोइलेक्ट्रिक से फेरोइलेक्ट्रिक तक) के लिए टीसी से ऊपर के तापमान पर शुरू होना चाहिए; (२) ये सामग्री टीसी के करीब रन समय पर अधिक कुशल हैं। यद्यपि बड़े पैमाने पर क्षमता हमारे प्रयोगों में दिखाई जाती है, सीमित तापमान सीमा हमें कार्नोट सीमा (\ (\ delta t/t \)) के कारण बड़ी पूर्ण क्षमता प्राप्त करने की अनुमति नहीं देती है। हालांकि, इन पीएसटी एमएलसी द्वारा प्रदर्शित उत्कृष्ट दक्षता ओल्सेन को सही ठहराता है जब वह उल्लेख करता है कि "एक आदर्श वर्ग 20 पुनर्योजी थर्मोइलेक्ट्रिक मोटर 50 डिग्री सेल्सियस और 250 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान पर संचालित होता है, जिसमें 30%की दक्षता हो सकती है" 17। इन मूल्यों तक पहुंचने और अवधारणा का परीक्षण करने के लिए, यह विभिन्न टीसीएस के साथ डोपेड पीएसटी का उपयोग करना उपयोगी होगा, जैसा कि शीबानोव और बोर्मन द्वारा अध्ययन किया गया है। उन्होंने दिखाया कि पीएसटी में टीसी 3 डिग्री सेल्सियस (एसबी डोपिंग) से 33 डिग्री सेल्सियस (टीआई डोपिंग) 22 तक भिन्न हो सकता है। इसलिए, हम परिकल्पना करते हैं कि अगली पीढ़ी के पाइरोइलेक्ट्रिक रेफेनरेटर्स डोपेड पीएसटी एमएलसी या अन्य सामग्रियों के आधार पर एक मजबूत प्रथम ऑर्डर चरण संक्रमण के साथ सबसे अच्छा पावर हार्वेस्टर के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं।
इस अध्ययन में, हमने पीएसटी से बने एमएलसी की जांच की। इन उपकरणों में पीटी और पीएसटी इलेक्ट्रोड की एक श्रृंखला होती है, जिससे कई कैपेसिटर समानांतर में जुड़े होते हैं। पीएसटी को चुना गया क्योंकि यह एक उत्कृष्ट ईसी सामग्री है और इसलिए एक संभावित उत्कृष्ट एनएलपी सामग्री है। यह 20 डिग्री सेल्सियस के आसपास एक तेज प्रथम-क्रम फेरोइलेक्ट्रिक-पेरेलेक्ट्रिक चरण संक्रमण को प्रदर्शित करता है, यह दर्शाता है कि इसके एन्ट्रापी परिवर्तन अंजीर में दिखाए गए लोगों के समान हैं। 1। इसी तरह के एमएलसी को EC13,14 उपकरणों के लिए पूरी तरह से वर्णित किया गया है। इस अध्ययन में, हमने 10.4 × 7.2 × 1 मिमी और 10.4 × 7.2 × 0.5 मिमी mm mlcs का उपयोग किया। 1 मिमी और 0.5 मिमी की मोटाई के साथ एमएलसी क्रमशः 38.6 माइक्रोन की मोटाई के साथ पीएसटी की 19 और 9 परतों से बनाए गए थे। दोनों ही मामलों में, आंतरिक पीएसटी परत को 2.05 माइक्रोन मोटी प्लैटिनम इलेक्ट्रोड के बीच रखा गया था। इन MLCs का डिज़ाइन मानता है कि 55% PST सक्रिय हैं, जो इलेक्ट्रोड (पूरक नोट 1) के बीच के हिस्से के अनुरूप हैं। सक्रिय इलेक्ट्रोड क्षेत्र 48.7 मिमी 2 (पूरक तालिका 5) था। MLC PST को ठोस चरण प्रतिक्रिया और कास्टिंग विधि द्वारा तैयार किया गया था। तैयारी प्रक्रिया का विवरण पिछले Article14 में वर्णित किया गया है। पीएसटी एमएलसी और पिछले लेख के बीच अंतर में से एक बी-साइटों का क्रम है, जो पीएसटी में ईसी के प्रदर्शन को बहुत प्रभावित करता है। पीएसटी एमएलसी के बी-साइटों का क्रम 0.75 (पूरक नोट 2) है जो 1400 डिग्री सेल्सियस पर सिंटरिंग द्वारा प्राप्त किया गया है, इसके बाद 1000 डिग्री सेल्सियस पर सैकड़ों घंटे लंबे समय तक एनीलिंग है। पीएसटी एमएलसी के बारे में अधिक जानकारी के लिए, पूरक नोट्स 1-3 और पूरक तालिका 5 देखें।
इस अध्ययन की मुख्य अवधारणा ओल्सन चक्र (छवि 1) पर आधारित है। इस तरह के चक्र के लिए, हमें एक गर्म और ठंडे जलाशय और विभिन्न एमएलसी मॉड्यूल में वोल्टेज और वर्तमान को नियंत्रित करने में सक्षम एक गर्म और ठंडे जलाशय और बिजली की आपूर्ति की आवश्यकता है। इन प्रत्यक्ष चक्रों ने दो अलग -अलग कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग किया, अर्थात् (1) लिंम मॉड्यूल एक कीथली 2410 पावर स्रोत से जुड़े एक एमएलसी को हीटिंग और ठंडा करते हुए, और (2) तीन प्रोटोटाइप (हार्व 1, हार्व 2 और हार्व 3) एक ही स्रोत ऊर्जा के साथ समानांतर में। बाद के मामले में, एक ढांकता हुआ द्रव (25 डिग्री सेल्सियस पर 5 सीपी की चिपचिपाहट के साथ सिलिकॉन तेल, सिग्मा एल्ड्रिच से खरीदा गया) का उपयोग दो जलाशयों (गर्म और ठंडे) और एमएलसी के बीच गर्मी विनिमय के लिए किया गया था। थर्मल जलाशय में ढांकता हुआ द्रव से भरा एक ग्लास कंटेनर होता है और थर्मल प्लेट के ऊपर रखा जाता है। कोल्ड स्टोरेज में पानी और बर्फ से भरे एक बड़े प्लास्टिक कंटेनर में ढांकता हुआ तरल पदार्थ वाले तरल ट्यूब के साथ पानी के स्नान होते हैं। दो तीन-तरफ़ा चुटकी वाल्व (बायो-केम फ्लुइडिक्स से खरीदे गए) को गठबंधन के प्रत्येक छोर पर एक जलाशय से दूसरे (चित्रा 2 ए) में तरल पदार्थ को ठीक से स्विच करने के लिए रखा गया था। पीएसटी-एमएलसी पैकेज और कूलेंट के बीच थर्मल संतुलन सुनिश्चित करने के लिए, चक्र की अवधि तब तक बढ़ाई गई थी जब तक कि इनलेट और आउटलेट थर्मोकॉउल (पीएसटी-एमएलसी पैकेज के जितना संभव हो उतना करीब) एक ही तापमान दिखाया गया। पायथन स्क्रिप्ट सही ओल्सन चक्र को चलाने के लिए सभी उपकरणों (स्रोत मीटर, पंप, वाल्व, और थर्मोकॉल्स) को प्रबंधित और सिंक्रनाइज़ करती है, यानी शीतलक लूप स्रोत मीटर के चार्ज होने के बाद पीएसटी स्टैक के माध्यम से साइकिल चलाना शुरू कर देता है ताकि वे दिए गए ओलसन चक्र के लिए वांछित लागू वोल्टेज पर गर्म करें।
वैकल्पिक रूप से, हमने अप्रत्यक्ष तरीकों के साथ एकत्रित ऊर्जा के इन प्रत्यक्ष मापों की पुष्टि की है। ये अप्रत्यक्ष तरीके इलेक्ट्रिक विस्थापन (डी) - इलेक्ट्रिक फील्ड (ई) फील्ड लूप्स पर अलग -अलग तापमानों पर एकत्र किए गए हैं, और दो डी लूप्स के बीच क्षेत्र की गणना करके, कोई भी यह अनुमान लगा सकता है कि कितनी ऊर्जा एकत्र की जा सकती है, जैसा कि आंकड़ा में दिखाया गया है। चित्रा 2 में .1 बी। इन डी लूप्स को कीथली सोर्स मीटर का उपयोग करके भी एकत्र किया जाता है।
अट्ठाईस 1 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी को संदर्भ में वर्णित डिजाइन के अनुसार 4-पंक्ति, 7-कॉलम समानांतर प्लेट संरचना में इकट्ठा किया गया था। 14। PST-MLC पंक्तियों के बीच द्रव अंतर 0.75 मिमी है। यह पीएसटी एमएलसी के किनारों के आसपास तरल स्पेसर्स के रूप में डबल-साइडेड टेप के स्ट्रिप्स को जोड़कर प्राप्त किया जाता है। PST MLC इलेक्ट्रोड लीड के संपर्क में एक चांदी के एपॉक्सी पुल के साथ समानांतर में विद्युत रूप से जुड़ा हुआ है। उसके बाद, बिजली की आपूर्ति के कनेक्शन के लिए इलेक्ट्रोड टर्मिनलों के प्रत्येक तरफ चांदी के एपॉक्सी राल के साथ तारों को चिपकाया गया था। अंत में, पूरी संरचना को पॉलीओलेफिन नली में डालें। उचित सीलिंग सुनिश्चित करने के लिए उत्तरार्द्ध द्रव ट्यूब से चिपके हुए हैं। अंत में, इनलेट और आउटलेट तरल तापमान की निगरानी के लिए पीएसटी-एमएलसी संरचना के प्रत्येक छोर में 0.25 मिमी मोटी के-प्रकार थर्मोकॉल्स बनाए गए थे। ऐसा करने के लिए, नली को पहले छिद्रित किया जाना चाहिए। थर्मोकपल स्थापित करने के बाद, सील को पुनर्स्थापित करने के लिए थर्मोकपल नली और तार के बीच पहले की तरह ही चिपकने वाला लागू करें।
आठ अलग -अलग प्रोटोटाइप बनाए गए थे, जिनमें से चार में 40 0.5 मिमी मोटी एमएलसी पीएसटी में 5 कॉलम और 8 पंक्तियों के साथ समानांतर प्लेटों के रूप में वितरित किया गया था, और शेष चार में प्रत्येक में 15 1 मिमी मोटी एमएलसी पीएसटी थे। 3-कॉलम × 5-पंक्ति समानांतर प्लेट संरचना में। उपयोग किए गए PST MLC की कुल संख्या 220 (160 0.5 मिमी मोटी और 60 PST MLC 1 मिमी मोटी) थी। हम इन दो सबयूनिट्स HEV2_160 और HET2_60 कहते हैं। प्रोटोटाइप हार्व 2_160 में तरल अंतराल में दो डबल-पक्षीय टेप 0.25 मिमी मोटी होते हैं, जिनके बीच एक तार 0.25 मिमी मोटी होती है। HATE2_60 प्रोटोटाइप के लिए, हमने एक ही प्रक्रिया को दोहराया, लेकिन 0.38 मिमी मोटी तार का उपयोग करके। समरूपता के लिए, HUT2_160 और HUT2_60 के अपने स्वयं के द्रव सर्किट, पंप, वाल्व और कोल्ड साइड (पूरक नोट 8) हैं। दो हार्व 2 इकाइयां एक गर्मी जलाशय, एक 3 लीटर कंटेनर (30 सेमी x 20 सेमी x 5 सेमी) को घूर्णन मैग्नेट के साथ दो गर्म प्लेटों पर साझा करती हैं। सभी आठ व्यक्तिगत प्रोटोटाइप विद्युत रूप से समानांतर में जुड़े होते हैं। हार्व 2_160 और हार्व 2_60 सबयूनिट एक साथ ओल्सन चक्र में काम करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप 11.2 जे की ऊर्जा फसल होती है।
तरल के प्रवाह के लिए जगह बनाने के लिए दोनों तरफ से डबल साइडेड टेप और तार के साथ पॉलीओलेफिन नली में 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी रखें। इसके छोटे आकार के कारण, प्रोटोटाइप को एक गर्म या ठंडे जलाशय वाल्व के बगल में रखा गया था, जो चक्र के समय को कम करता है।
पीएसटी एमएलसी में, एक निरंतर विद्युत क्षेत्र को हीटिंग शाखा में एक निरंतर वोल्टेज लागू करके लागू किया जाता है। नतीजतन, एक नकारात्मक थर्मल करंट उत्पन्न होता है और ऊर्जा संग्रहीत होती है। PST MLC को गर्म करने के बाद, फ़ील्ड को हटा दिया जाता है (V = 0), और इसमें संग्रहीत ऊर्जा को स्रोत काउंटर पर वापस लौटा दिया जाता है, जो एकत्रित ऊर्जा के एक और योगदान से मेल खाता है। अंत में, एक वोल्टेज V = 0 लागू होने के साथ, MLC PSTs को उनके प्रारंभिक तापमान पर ठंडा किया जाता है ताकि चक्र फिर से शुरू हो सके। इस स्तर पर, ऊर्जा एकत्र नहीं की जाती है। हमने एक कीथली 2410 सोर्समीटर का उपयोग करके ऑलसेन चक्र चलाया, एक वोल्टेज स्रोत से पीएसटी एमएलसी को चार्ज किया और वर्तमान मैच को उचित मूल्य पर सेट किया ताकि विश्वसनीय ऊर्जा गणना के लिए चार्जिंग चरण के दौरान पर्याप्त अंक एकत्र किए गए।
स्टर्लिंग चक्रों में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में एक प्रारंभिक विद्युत क्षेत्र मूल्य (प्रारंभिक वोल्टेज VI> 0), एक वांछित अनुपालन वर्तमान में चार्ज किया गया था ताकि चार्जिंग कदम लगभग 1 एस (और पर्याप्त अंक ऊर्जा की विश्वसनीय गणना के लिए एकत्रित हो) और ठंडे तापमान पर ले जाता है। स्टर्लिंग चक्रों में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में एक प्रारंभिक विद्युत क्षेत्र मूल्य (प्रारंभिक वोल्टेज VI> 0), एक वांछित अनुपालन वर्तमान में चार्ज किया गया था ताकि चार्जिंग कदम लगभग 1 एस (और पर्याप्त अंक ऊर्जा की विश्वसनीय गणना के लिए एकत्रित हो) और ठंडे तापमान पर ले जाता है। В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля । достаточное количество точек нля надежного расчета энергия) и иолодная толодная температура। स्टर्लिंग पीएसटी एमएलसी चक्रों में, उन्हें इलेक्ट्रिक फील्ड (प्रारंभिक वोल्टेज VI> 0), वांछित उपज वर्तमान के प्रारंभिक मूल्य पर वोल्टेज स्रोत मोड में चार्ज किया गया था, ताकि चार्जिंग चरण लगभग 1 एस (और एक विश्वसनीय ऊर्जा गणना के लिए पर्याप्त संख्या में अंक एकत्र किया जाता है) और ठंडा तापमान।। मास्टर चक्र में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में प्रारंभिक विद्युत क्षेत्र मूल्य (प्रारंभिक वोल्टेज VI> 0) पर चार्ज किया जाता है, ताकि चार्जिंग स्टेप के लिए आवश्यक अनुपालन करंट लगभग 1 सेकंड का समय ले (और हमने मज़बूती से (ऊर्जा) और कम तापमान की गणना करने के लिए पर्याप्त अंक एकत्र किए। В цикле стирлинга pst mlc еаряжается р режиме иииме источника напряжения н начальным зна सिर्फ энач ही эзэ ही эзз ही напряжение vi> 0), требуемый тодатливости так, количество точек, чтобы надежно расчитать энергию) н н низкие температуры। स्टर्लिंग चक्र में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में विद्युत क्षेत्र (प्रारंभिक वोल्टेज VI> 0) के प्रारंभिक मूल्य के साथ चार्ज किया जाता है, आवश्यक अनुपालन वर्तमान ऐसा है कि चार्जिंग चरण लगभग 1 एस लेता है (और पर्याप्त संख्या में अंक एकत्र किए जाते हैं ताकि विश्वसनीय रूप से ऊर्जा की गणना की जा सके) और कम तापमान।PST MLC गर्म होने से पहले, I = 0 Ma (न्यूनतम मिलान करंट जो हमारे मापने का स्रोत संभाल सकता है, 10 NA है) का मिलान करंट लगाकर सर्किट को खोलें। नतीजतन, एमजेके के पीएसटी में एक चार्ज रहता है, और नमूना गर्म होने के साथ वोल्टेज बढ़ता है। कोई ऊर्जा एआरएम बीसी में एकत्र नहीं की जाती है क्योंकि मैं = 0 मा। एक उच्च तापमान तक पहुंचने के बाद, MLT FT में वोल्टेज बढ़ता है (कुछ मामलों में 30 से अधिक बार, अतिरिक्त अंजीर देखें। 7.2), MLK FT को डिस्चार्ज किया जाता है (v = 0), और विद्युत ऊर्जा को उनमें उसी के लिए संग्रहीत किया जाता है जैसे वे प्रारंभिक चार्ज होते हैं। एक ही वर्तमान पत्राचार को मीटर-स्रोत पर लौटा दिया जाता है। वोल्टेज लाभ के कारण, उच्च तापमान पर संग्रहीत ऊर्जा चक्र की शुरुआत में जो प्रदान की गई थी, उससे अधिक है। नतीजतन, ऊर्जा को बिजली में गर्मी को परिवर्तित करके प्राप्त किया जाता है।
हमने पीएसटी एमएलसी पर लागू वोल्टेज और करंट की निगरानी के लिए एक कीथली 2410 सोर्समीटर का उपयोग किया। इसी ऊर्जा की गणना वोल्टेज के उत्पाद को एकीकृत करके की जाती है और कीथली के स्रोत मीटर, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i}} _ ({\ rm {meas)) द्वारा पढ़ी गई है। τ अवधि की अवधि है। हमारी ऊर्जा वक्र पर, सकारात्मक ऊर्जा मूल्यों का अर्थ है कि हमें एमएलसी पीएसटी को देने वाली ऊर्जा है, और नकारात्मक मूल्यों का अर्थ है कि हम उन ऊर्जा को निकालते हैं जो हम उनसे निकालते हैं और इसलिए प्राप्त ऊर्जा। किसी दिए गए संग्रह चक्र के लिए सापेक्ष शक्ति पूरे चक्र की अवधि के द्वारा एकत्रित ऊर्जा को विभाजित करके निर्धारित की जाती है।
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हम MLC बनाने में उनकी मदद के लिए N. Furusawa, Y. Inoue, और K. Honda को धन्यवाद देते हैं। Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay- siebentritt, थर्मोडिमैट C20/147180718071807180718071807180718071807180718 BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY।
सामग्री अनुसंधान और प्रौद्योगिकी विभाग, लक्समबर्ग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (सूची), बेल्वोइर, लक्जमबर्ग