सतत विद्युत स्रोत उपलब्ध कराना इस सदी की सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियों में से एक है। ऊर्जा संचयन सामग्री के अनुसंधान क्षेत्र, जिनमें थर्मोइलेक्ट्रिक¹, फोटोवोल्टाइक² और थर्मोफोटोवोल्टाइक³ शामिल हैं, इसी प्रेरणा से उत्पन्न हुए हैं। हालांकि हमारे पास जूल श्रेणी में ऊर्जा संचयन करने में सक्षम सामग्री और उपकरण नहीं हैं, फिर भी विद्युत ऊर्जा को आवधिक तापमान परिवर्तन में परिवर्तित करने वाली पायरोइलेक्ट्रिक सामग्री को सेंसर⁴ और ऊर्जा संग्राहक⁵,⁶,⁷ माना जाता है। यहां हमने 42 ग्राम लेड स्कैंडियम टैंटलेट से बने एक बहुपरत संधारित्र के रूप में एक स्थूल तापीय ऊर्जा संग्राहक विकसित किया है, जो प्रति ऊष्मागतिक चक्र 11.2 जूल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करता है। प्रत्येक पायरोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल प्रति चक्र 4.43 जूल सेमी⁻³ तक विद्युत ऊर्जा घनत्व उत्पन्न कर सकता है। हमने यह भी दिखाया है कि 0.3 ग्राम वजन वाले ऐसे दो मॉड्यूल अंतर्निहित माइक्रोकंट्रोलर और तापमान सेंसर वाले स्वायत्त ऊर्जा संग्राहकों को निरंतर शक्ति प्रदान करने के लिए पर्याप्त हैं। अंत में, हमने दिखाया है कि 10 के तापमान सीमा के लिए, ये बहुपरत संधारित्र 40% कार्नोट दक्षता तक पहुंच सकते हैं। ये गुण (1) उच्च दक्षता के लिए फेरोइलेक्ट्रिक चरण परिवर्तन, (2) हानि को रोकने के लिए कम रिसाव धारा, और (3) उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज के कारण हैं। ये स्थूल, मापनीय और कुशल पायरोइलेक्ट्रिक ऊर्जा संग्राहक, थर्मोइलेक्ट्रिक ऊर्जा उत्पादन की अवधारणा को नया रूप दे रहे हैं।
थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थों के लिए आवश्यक स्थानिक तापमान प्रवणता की तुलना में, थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थों की ऊर्जा संचयन के लिए समय के साथ तापमान चक्रण की आवश्यकता होती है। इसका अर्थ है एक थर्मोडायनामिक चक्र, जिसे एन्ट्रॉपी (S)-तापमान (T) आरेख द्वारा सर्वोत्तम रूप से वर्णित किया जा सकता है। चित्र 1a एक गैर-रेखीय पायरोइलेक्ट्रिक (NLP) पदार्थ का एक विशिष्ट ST प्लॉट दर्शाता है, जो स्कैंडियम लेड टैंटलेट (PST) में क्षेत्र-चालित फेरोइलेक्ट्रिक-पैराइलेक्ट्रिक चरण संक्रमण को प्रदर्शित करता है। ST आरेख पर चक्र के नीले और हरे भाग ओलसन चक्र में परिवर्तित विद्युत ऊर्जा के अनुरूप हैं (दो समतापी और दो समध्रुवीय भाग)। यहाँ हम समान विद्युत क्षेत्र परिवर्तन (क्षेत्र चालू और बंद) और तापमान परिवर्तन ΔT वाले दो चक्रों पर विचार करते हैं, यद्यपि उनके प्रारंभिक तापमान भिन्न-भिन्न हैं। हरा चक्र चरण संक्रमण क्षेत्र में स्थित नहीं है और इसलिए इसका क्षेत्रफल चरण संक्रमण क्षेत्र में स्थित नीले चक्र की तुलना में बहुत छोटा है। ST आरेख में, क्षेत्रफल जितना बड़ा होगा, एकत्रित ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी। इसलिए, चरण संक्रमण को अधिक ऊर्जा एकत्रित करनी होगी। एनएलपी में बड़े क्षेत्र में साइक्लिंग की आवश्यकता इलेक्ट्रोथर्मल अनुप्रयोगों9, 10, 11, 12 की आवश्यकता के समान है, जहां पीएसटी मल्टीलेयर कैपेसिटर (एमएलसी) और पीवीडीएफ-आधारित टेरपॉलिमर ने हाल ही में चक्र 13,14,15,16 में उत्कृष्ट रिवर्स कूलिंग प्रदर्शन दिखाया है। इसलिए, हमने थर्मल ऊर्जा संचयन के लिए रुचि के पीएसटी एमएलसी की पहचान की है। इन नमूनों का विधि अनुभाग में पूर्ण विवरण दिया गया है और पूरक नोट्स 1 (स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी), 2 (एक्स-रे विवर्तन) और 3 (कैलोरीमेट्री) में इनका लक्षण वर्णन किया गया है।
a) चरण संक्रमण दर्शाने वाले एनएलपी पदार्थों पर विद्युत क्षेत्र के चालू और बंद होने की स्थिति में एन्ट्रॉपी (S)-तापमान (T) प्लॉट का रेखाचित्र। दो अलग-अलग तापमान क्षेत्रों में दो ऊर्जा संग्रहण चक्र दिखाए गए हैं। नीले और हरे चक्र क्रमशः चरण संक्रमण के अंदर और बाहर घटित होते हैं और सतह के बहुत अलग-अलग क्षेत्रों में समाप्त होते हैं। b) दो डीई पीएसटी एमएलसी एकध्रुवीय वलय, 1 मिमी मोटे, क्रमशः 20°C और 90°C पर 0 और 155 kV cm⁻¹ के बीच मापे गए, और संबंधित ओल्सन चक्र। अक्षर ABCD ओल्सन चक्र में विभिन्न अवस्थाओं को दर्शाते हैं। AB: एमएलसी को 20°C पर 155 kV cm⁻¹ तक आवेशित किया गया। BC: एमएलसी को 155 kV cm⁻¹ पर बनाए रखा गया और तापमान को 90°C तक बढ़ाया गया। CD: एमएलसी 90°C पर डिस्चार्ज होता है। DA: एमएलसी को शून्य क्षेत्र में 20°C तक ठंडा किया गया। नीला क्षेत्र चक्र शुरू करने के लिए आवश्यक इनपुट शक्ति को दर्शाता है। नारंगी क्षेत्र एक चक्र में एकत्रित ऊर्जा को दर्शाता है। चित्र c, ऊपरी पैनल, वोल्टेज (काला) और धारा (लाल) बनाम समय, उसी ओल्सन चक्र के दौरान ट्रैक किया गया जैसा कि चित्र b में है। दो इंसर्ट चक्र के प्रमुख बिंदुओं पर वोल्टेज और धारा के प्रवर्धन को दर्शाते हैं। निचले पैनल में, पीले और हरे वक्र क्रमशः 1 मिमी मोटी MLC के लिए संबंधित तापमान और ऊर्जा वक्रों को दर्शाते हैं। ऊर्जा की गणना ऊपरी पैनल पर धारा और वोल्टेज वक्रों से की जाती है। ऋणात्मक ऊर्जा एकत्रित ऊर्जा को दर्शाती है। चारों चित्रों में बड़े अक्षरों से संबंधित चरण ओल्सन चक्र के समान हैं। चक्र AB'CD स्टर्लिंग चक्र के अनुरूप है (अतिरिक्त नोट 7)।
जहां E और D क्रमशः विद्युत क्षेत्र और विद्युत विस्थापन क्षेत्र हैं। Nd को DE परिपथ (चित्र 1b) से अप्रत्यक्ष रूप से या ऊष्मागतिक चक्र शुरू करके प्रत्यक्ष रूप से प्राप्त किया जा सकता है। 1980 के दशक में पायरोइलेक्ट्रिक ऊर्जा के संग्रहण पर अपने अग्रणी कार्य में ओल्सन द्वारा सबसे उपयोगी विधियों का वर्णन किया गया था।
चित्र 1b में 1 मिमी मोटाई वाले PST-MLC नमूनों के दो मोनोपोलर DE लूप दिखाए गए हैं, जिन्हें क्रमशः 20°C और 90°C पर 0 से 155 kV cm⁻¹ (600 V) की रेंज में असेंबल किया गया है। इन दो चक्रों का उपयोग चित्र 1a में दर्शाए गए ओल्सन चक्र द्वारा एकत्रित ऊर्जा की अप्रत्यक्ष गणना के लिए किया जा सकता है। वास्तव में, ओल्सन चक्र में दो आइसोफील्ड शाखाएँ (यहाँ, DA शाखा में शून्य क्षेत्र और BC शाखा में 155 kV cm⁻¹) और दो आइसोथर्मल शाखाएँ (यहाँ, AB शाखा में 20°C और CD शाखा में 20°C) होती हैं। चक्र के दौरान एकत्रित ऊर्जा नारंगी और नीले क्षेत्रों (EdD इंटीग्रल) के अनुरूप है। एकत्रित ऊर्जा Nd इनपुट और आउटपुट ऊर्जा का अंतर है, यानी चित्र 1b में केवल नारंगी क्षेत्र। यह विशेष ओल्सन चक्र 1.78 J cm⁻³ का Nd ऊर्जा घनत्व देता है। स्टर्लिंग चक्र, ऑलसन चक्र का एक विकल्प है (पूरक टिप्पणी 7)। चूंकि स्थिर आवेश अवस्था (खुला परिपथ) तक आसानी से पहुंचा जा सकता है, इसलिए चित्र 1b (चक्र AB'CD) से प्राप्त ऊर्जा घनत्व 1.25 J cm⁻³ तक पहुंच जाता है। यह ऑलसन चक्र द्वारा एकत्रित की जा सकने वाली ऊर्जा का केवल 70% है, लेकिन साधारण ऊर्जा संचयन उपकरण इसे भी कर सकते हैं।
इसके अतिरिक्त, हमने लिंकम तापमान नियंत्रण स्टेज और सोर्स मीटर (विधि) का उपयोग करके पीएसटी एमएलसी को ऊर्जा प्रदान करके ओलसन चक्र के दौरान एकत्रित ऊर्जा को सीधे मापा। चित्र 1सी के शीर्ष भाग और संबंधित इनसेट में, उसी 1 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी पर एकत्रित धारा (लाल) और वोल्टेज (काला) को दर्शाया गया है, जैसा कि उसी ओलसन चक्र से गुजरने वाले डीई लूप के लिए है। धारा और वोल्टेज की सहायता से एकत्रित ऊर्जा की गणना की जा सकती है, और वक्र चित्र 1सी के निचले भाग (हरा) और तापमान (पीला) में पूरे चक्र के दौरान दर्शाए गए हैं। अक्षर एबीसीडी चित्र 1 में उसी ओलसन चक्र को दर्शाते हैं। एमएलसी चार्जिंग एबी चरण के दौरान होती है और कम धारा (200 µA) पर की जाती है, इसलिए सोर्समीटर चार्जिंग को ठीक से नियंत्रित कर सकता है। इस स्थिर प्रारंभिक धारा का परिणाम यह है कि वोल्टेज वक्र (काला वक्र) गैर-रैखिक विभव विस्थापन क्षेत्र डी पीएसटी (चित्र 1सी, शीर्ष इनसेट) के कारण रैखिक नहीं है। चार्जिंग के अंत में, एमएलसी में 30 मिली विद्युत ऊर्जा संग्रहित होती है (बिंदु बी)। इसके बाद MLC गर्म हो जाता है और एक ऋणात्मक धारा (और इसलिए एक ऋणात्मक धारा) उत्पन्न होती है, जबकि वोल्टेज 600 V पर स्थिर रहता है। 40 सेकंड के बाद, जब तापमान 90 °C के पठार पर पहुँच जाता है, तो यह धारा संतुलित हो जाती है, हालाँकि इस आइसोफील्ड के दौरान परिपथ में चरण नमूने द्वारा 35 mJ की विद्युत शक्ति उत्पन्न होती है (चित्र 1c, शीर्ष में दूसरा इनसेट)। फिर MLC (शाखा CD) पर वोल्टेज कम हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप 60 mJ का अतिरिक्त विद्युत कार्य होता है। कुल आउटपुट ऊर्जा 95 mJ है। एकत्रित ऊर्जा इनपुट और आउटपुट ऊर्जा का अंतर है, जो 95 – 30 = 65 mJ है। यह 1.84 J cm⁻³ के ऊर्जा घनत्व के बराबर है, जो DE रिंग से निकाले गए Nd के बहुत करीब है। इस ओलसन चक्र की पुनरुत्पादकता का व्यापक रूप से परीक्षण किया गया है (पूरक नोट 4)। वोल्टेज और तापमान को और बढ़ाकर, हमने 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी में 750 वी (195 केवी सेमी-1) और 175 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज में ओल्सन चक्रों का उपयोग करके 4.43 जूल सेमी-3 ऊर्जा प्राप्त की (पूरक नोट 5)। यह प्रत्यक्ष ओल्सन चक्रों के लिए साहित्य में रिपोर्ट किए गए सर्वोत्तम प्रदर्शन से चार गुना अधिक है और इसे Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) की पतली फिल्मों पर प्राप्त किया गया था (1.06 जूल सेमी-3)18 (सेमी. अधिक मानों के लिए साहित्य में पूरक तालिका 1 देखें)। यह प्रदर्शन इन एमएलसी के बहुत कम रिसाव धारा (<10−7 ए 750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस पर, पूरक नोट 6 में विवरण देखें) के कारण प्राप्त किया गया है - स्मिथ एट अल.19 द्वारा उल्लिखित एक महत्वपूर्ण बिंदु - पहले के अध्ययनों17,20 में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के विपरीत। यह प्रदर्शन इन एमएलसी के बहुत कम रिसाव धारा (<10−7 ए 750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस पर, पूरक नोट 6 में विवरण देखें) के कारण प्राप्त किया गया है - स्मिथ एट अल.19 द्वारा उल्लिखित एक महत्वपूर्ण बिंदु - पहले के अध्ययनों17,20 में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के विपरीत। यह एक अतिरिक्त उत्पाद है утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 डिग्री सेल्सियस, см. подробности в дополнительном उदाहरण 6) - क्रेडिट कार्ड, मेमोरी कार्ड और अन्य। 19 - в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. ये विशेषताएँ इन एमएलसी के बहुत कम रिसाव धारा (<10–7 ए 750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस पर, विवरण के लिए पूरक नोट 6 देखें) के कारण प्राप्त की गईं - स्मिथ एट अल द्वारा उल्लिखित एक महत्वपूर्ण बिंदु। 19 - पहले के अध्ययनों में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के विपरीत17,20।एमएलसी का तापमान 750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस 10-7 ए, 6 डिग्री सेल्सियस कम है उत्तर: स्मिथ वर्ष 19 अधिक जानकारी प्राप्त करने के लिए - 17,20 वर्ष की आयु प्राप्त करने के लिए 17,20% की छूट प्राप्त करें।एमएलसी की आपूर्ति （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细信息）））））） — 19 मार्च 2019 मेरा मतलब है 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 सितंबर, 2019 को, हमने 17.20 को पोस्ट किया था। Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном примечании 6) - ключевой момент, упомянутый Смитом और др. 19 - для сравнения, были достигнуты эти характеристики. चूंकि इन एमएलसी का रिसाव करंट बहुत कम है (<10–7 ए 750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस पर, विवरण के लिए पूरक नोट 6 देखें) - स्मिथ एट अल द्वारा उल्लिखित एक महत्वपूर्ण बिंदु। 19 - तुलना के लिए, ये प्रदर्शन हासिल किए गए।पहले के अध्ययनों में प्रयुक्त सामग्री 17,20.
स्टर्लिंग चक्र पर भी वही स्थितियाँ (600 V, 20–90 °C) लागू की गईं (पूरक नोट 7)। डीई चक्र के परिणामों के अनुसार, अपेक्षित उपज 41.0 मिलीजूल थी। स्टर्लिंग चक्रों की सबसे उल्लेखनीय विशेषताओं में से एक ऊष्माविद्युत प्रभाव के माध्यम से प्रारंभिक वोल्टेज को बढ़ाने की उनकी क्षमता है। हमने 39 तक का वोल्टेज लाभ देखा (प्रारंभिक वोल्टेज 15 V से अंतिम वोल्टेज 590 V तक, पूरक चित्र 7.2 देखें)।
इन एमएलसी की एक और विशिष्ट विशेषता यह है कि ये जूल रेंज में ऊर्जा एकत्रित करने के लिए पर्याप्त बड़े स्थूल पिंड हैं। इसलिए, हमने टोरेलो एट अल.14 द्वारा वर्णित समान समानांतर प्लेट डिज़ाइन का अनुसरण करते हुए, 1 मिमी मोटी 28 एमएलसी पीएसटी का उपयोग करके एक प्रोटोटाइप हार्वेस्टर (HARV1) का निर्माण किया, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, एक 7×4 मैट्रिक्स में। मैनिफोल्ड में ऊष्मा-वाहक परावैद्युत द्रव को एक पेरिस्टाल्टिक पंप द्वारा दो जलाशयों के बीच विस्थापित किया जाता है जहाँ द्रव का तापमान स्थिर रखा जाता है (विधि)। चित्र 2a में वर्णित ओलसन चक्र, 10°C और 125°C पर समतापी क्षेत्रों और 0 और 750 V (195 kV cm-1) पर समक्षेत्र क्षेत्रों का उपयोग करके 3.1 J तक ऊर्जा एकत्रित की गई। यह 3.14 J cm-3 के ऊर्जा घनत्व के बराबर है। इस संयोजन का उपयोग करके, विभिन्न परिस्थितियों में माप लिए गए (चित्र 2b)। ध्यान दें कि 80°C के तापमान और 600 V (155 kV cm-1) के वोल्टेज पर 1.8 J ऊर्जा प्राप्त हुई। यह समान परिस्थितियों में 1 mm मोटी PST MLC के लिए पहले बताए गए 65 mJ (28 × 65 = 1820 mJ) के साथ अच्छी तरह मेल खाता है।
a) 1 मिमी मोटाई (4 पंक्तियाँ × 7 स्तंभ) वाले 28 MLC PST पर आधारित एक असेंबल किए गए HARV1 प्रोटोटाइप का प्रायोगिक सेटअप, जो ओल्सन चक्रों पर चलता है। चक्र के प्रत्येक चार चरणों के लिए, प्रोटोटाइप में तापमान और वोल्टेज प्रदान किए जाते हैं। कंप्यूटर एक पेरिस्टाल्टिक पंप को संचालित करता है जो ठंडे और गर्म जलाशयों, दो वाल्वों और एक विद्युत स्रोत के बीच एक परावैद्युत द्रव को प्रसारित करता है। कंप्यूटर विद्युत आपूर्ति से प्रोटोटाइप को आपूर्ति किए गए वोल्टेज और धारा तथा कंबाइन के तापमान पर डेटा एकत्र करने के लिए थर्मोकपल का भी उपयोग करता है। b) विभिन्न प्रयोगों में हमारे 4×7 MLC प्रोटोटाइप द्वारा एकत्रित ऊर्जा (रंग) बनाम तापमान सीमा (X-अक्ष) और वोल्टेज (Y-अक्ष)।
हार्वेस्टर (HARV2) का एक बड़ा संस्करण, जिसमें 60 PST MLC 1 मिमी और 160 PST MLC 0.5 मिमी (41.7 ग्राम सक्रिय पायरोइलेक्ट्रिक सामग्री) का उपयोग किया गया था, ने 11.2 जूल ऊर्जा उत्पन्न की (पूरक नोट 8)। 1984 में, ओल्सन ने 317 ग्राम टिन-मिश्रित Pb(Zr,Ti)O3 यौगिक पर आधारित एक ऊर्जा हार्वेस्टर बनाया, जो लगभग 150 डिग्री सेल्सियस तापमान पर 6.23 जूल बिजली उत्पन्न करने में सक्षम था (संदर्भ 21)। इस संयोजन के लिए, जूल श्रेणी में यही एकमात्र अन्य मान उपलब्ध है। इसने हमारे द्वारा प्राप्त मान का लगभग आधा और गुणवत्ता लगभग सात गुना अधिक प्राप्त की। इसका अर्थ है कि HARV2 की ऊर्जा घनत्व 13 गुना अधिक है।
HARV1 चक्र अवधि 57 सेकंड है। इससे 1 मिमी मोटाई वाले MLC सेट की 7 स्तंभों की 4 पंक्तियों के साथ 54 मेगावाट बिजली उत्पन्न हुई। इसे एक कदम आगे ले जाने के लिए, हमने 0.5 मिमी मोटाई वाले PST MLC और HARV1 और HARV2 के समान सेटअप के साथ एक तीसरा संयोजन (HARV3) बनाया (पूरक नोट 9)। हमने 12.5 सेकंड का ऊष्मीकरण समय मापा। यह 25 सेकंड के चक्र समय के बराबर है (पूरक चित्र 9)। एकत्रित ऊर्जा (47 मिलीजूल) प्रति MLC 1.95 मेगावाट की विद्युत शक्ति प्रदान करती है, जिससे हम यह अनुमान लगा सकते हैं कि HARV2 लगभग 0.55 W (लगभग 1.95 मेगावाट × 280 PST MLC 0.5 मिमी मोटाई) उत्पन्न करता है। इसके अतिरिक्त, हमने HARV1 प्रयोगों के अनुरूप परिमित तत्व सिमुलेशन (COMSOL, पूरक नोट 10 और पूरक सारणी 2-4) का उपयोग करके ऊष्मा स्थानांतरण का अनुकरण किया। परिमित तत्व मॉडलिंग ने एमएलसी को 0.2 मिमी तक पतला करके, शीतलक के रूप में पानी का उपयोग करके और मैट्रिक्स को 7 पंक्तियों × 4 कॉलम में पुनर्स्थापित करके, समान संख्या में पीएसटी कॉलम के लिए बिजली मूल्यों का लगभग एक परिमाण क्रम अधिक (430 मेगावाट) भविष्यवाणी करना संभव बनाया (इसके अतिरिक्त, जब टैंक कंबाइन के बगल में था, तब 960 मेगावाट था, अनुपूरक चित्र 10बी)।
इस कलेक्टर की उपयोगिता प्रदर्शित करने के लिए, स्टर्लिंग चक्र को एक स्टैंड-अलोन डेमोंस्ट्रेटर पर लागू किया गया, जिसमें केवल दो 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी (ऊष्मा संग्राहक के रूप में), एक उच्च वोल्टेज स्विच, स्टोरेज कैपेसिटर के साथ एक निम्न वोल्टेज स्विच, एक डीसी/डीसी कनवर्टर, एक कम पावर माइक्रोकंट्रोलर, दो थर्मोकपल और बूस्ट कनवर्टर शामिल थे (पूरक नोट 11)। सर्किट के लिए स्टोरेज कैपेसिटर को प्रारंभ में 9V पर चार्ज करना आवश्यक है और फिर यह स्वचालित रूप से तब तक चलता है जब तक कि दोनों एमएलसी का तापमान -5°C से 85°C तक नहीं पहुंच जाता, यहां 160 सेकंड के चक्रों में (कई चक्र पूरक नोट 11 में दिखाए गए हैं)। उल्लेखनीय रूप से, केवल 0.3 ग्राम वजन वाले दो एमएलसी इस विशाल प्रणाली को स्वचालित रूप से नियंत्रित कर सकते हैं। एक अन्य रोचक विशेषता यह है कि निम्न वोल्टेज कनवर्टर 79% दक्षता के साथ 400V को 10-15V में परिवर्तित करने में सक्षम है (पूरक नोट 11 और पूरक चित्र 11.3)।
अंत में, हमने ऊष्मीय ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने में इन एमएलसी मॉड्यूल की दक्षता का मूल्यांकन किया। दक्षता का गुणवत्ता कारक η, एकत्रित विद्युत ऊर्जा के घनत्व Nd और आपूर्ति की गई ऊष्मा के घनत्व Qin के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है (पूरक नोट 12):
चित्र 3a और 3b क्रमशः 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी के तापमान सीमा के फलन के रूप में ओल्सन चक्र की दक्षता η और आनुपातिक दक्षता ηr दर्शाते हैं। दोनों डेटा सेट 195 kV cm⁻¹ के विद्युत क्षेत्र के लिए दिए गए हैं। दक्षता 1.43% तक पहुँच जाती है, जो ηr के 18% के बराबर है। हालांकि, 25°C से 35°C तक के 10 K के तापमान सीमा के लिए, ηr का मान 40% तक पहुँच जाता है (चित्र 3b में नीला वक्र)। यह PMN-PT फिल्मों में दर्ज NLP सामग्रियों के ज्ञात मान (ηr = 19%) का दोगुना है, जो 10 K के तापमान सीमा और 300 kV cm⁻¹ पर दर्ज किया गया है (संदर्भ 18)। 10 K से नीचे के तापमान स्तरों पर विचार नहीं किया गया क्योंकि PST MLC का तापीय हिस्टैरेसिस 5 और 8 K के बीच होता है। दक्षता पर चरण संक्रमणों के सकारात्मक प्रभाव को पहचानना महत्वपूर्ण है। वास्तव में, चित्र 3a,b में η और ηr के इष्टतम मान लगभग सभी प्रारंभिक तापमान Ti = 25°C पर प्राप्त होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि जब कोई क्षेत्र लागू नहीं होता है तो चरण संक्रमण लगभग 20°C के आसपास होता है (पूरक टिप्पणी 13)।
a, b, दक्षता η और ओलसन चक्र की आनुपातिक दक्षता (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} अधिकतम विद्युत के लिए 195 kV cm-1 के क्षेत्र और विभिन्न प्रारंभिक तापमान Ti द्वारा, }}\,\)(b) एमपीसी पीएसटी 0.5 मिमी मोटाई के लिए, तापमान अंतराल ΔTspan पर निर्भर।
बाद वाले अवलोकन के दो महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं: (1) किसी भी प्रभावी चक्रण की शुरुआत TC से ऊपर के तापमान पर होनी चाहिए ताकि क्षेत्र-प्रेरित चरण संक्रमण (पैराइलेक्ट्रिक से फेरोइलेक्ट्रिक में) हो सके; (2) ये सामग्रियां TC के निकट चलने के समय में अधिक कुशल होती हैं। यद्यपि हमारे प्रयोगों में बड़े पैमाने पर दक्षताएँ दिखाई गई हैं, सीमित तापमान सीमा हमें कार्नोट सीमा (ΔT/T) के कारण उच्च निरपेक्ष दक्षता प्राप्त करने की अनुमति नहीं देती है। हालांकि, इन PST MLCs द्वारा प्रदर्शित उत्कृष्ट दक्षता ओल्सन के इस कथन को सही ठहराती है कि "50°C और 250°C के बीच तापमान पर चलने वाली एक आदर्श श्रेणी 20 पुनर्योजी थर्मोइलेक्ट्रिक मोटर की दक्षता 30% हो सकती है"17। इन मूल्यों तक पहुँचने और अवधारणा का परीक्षण करने के लिए, शेबानोव और बोरमैन द्वारा किए गए अध्ययन के अनुसार, विभिन्न TC वाले डोप्ड PST का उपयोग करना उपयोगी होगा। उन्होंने दिखाया कि पीएसटी में टीसी 3°C (एसबी डोपिंग) से 33°C (टीआई डोपिंग) 22 तक भिन्न हो सकता है। इसलिए, हम यह परिकल्पना करते हैं कि डोप्ड पीएसटी एमएलसी या मजबूत प्रथम क्रम चरण संक्रमण वाले अन्य सामग्रियों पर आधारित अगली पीढ़ी के पायरोइलेक्ट्रिक रीजनरेटर सर्वश्रेष्ठ पावर हार्वेस्टर के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं।
इस अध्ययन में, हमने PST से निर्मित MLCs का अध्ययन किया। इन उपकरणों में Pt और PST इलेक्ट्रोड की एक श्रृंखला होती है, जिसमें कई संधारित्र समानांतर क्रम में जुड़े होते हैं। PST को इसलिए चुना गया क्योंकि यह एक उत्कृष्ट EC सामग्री है और इसलिए एक संभावित रूप से उत्कृष्ट NLP सामग्री है। यह लगभग 20 °C पर एक तीव्र प्रथम-क्रम फेरोइलेक्ट्रिक-पैराइलेक्ट्रिक चरण संक्रमण प्रदर्शित करता है, जो दर्शाता है कि इसके एन्ट्रॉपी परिवर्तन चित्र 1 में दर्शाए गए परिवर्तनों के समान हैं। EC13,14 उपकरणों के लिए समान MLCs का पूर्णतः वर्णन किया गया है। इस अध्ययन में, हमने 10.4 × 7.2 × 1 mm³ और 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ MLCs का उपयोग किया। 1 mm और 0.5 mm मोटाई वाले MLCs को क्रमशः 38.6 µm मोटाई की PST की 19 और 9 परतों से बनाया गया था। दोनों ही मामलों में, आंतरिक PST परत को 2.05 µm मोटी प्लैटिनम इलेक्ट्रोड के बीच रखा गया था। इन MLC के डिज़ाइन में यह माना गया है कि 55% PST सक्रिय हैं, जो इलेक्ट्रोड के बीच के भाग के अनुरूप है (पूरक नोट 1)। सक्रिय इलेक्ट्रोड क्षेत्र 48.7 mm² था (पूरक तालिका 5)। MLC PST को ठोस चरण अभिक्रिया और ढलाई विधि द्वारा तैयार किया गया था। तैयारी प्रक्रिया का विवरण पिछले लेख¹⁴ में दिया गया है। PST MLC और पिछले लेख के बीच एक अंतर B-साइटों का क्रम है, जो PST में EC के प्रदर्शन को बहुत प्रभावित करता है। PST MLC की B-साइटों का क्रम 0.75 है (पूरक नोट 2), जो 1400°C पर सिंटरिंग और उसके बाद 1000°C पर सैकड़ों घंटों तक एनीलिंग द्वारा प्राप्त किया गया है। PST MLC के बारे में अधिक जानकारी के लिए, पूरक नोट 1-3 और पूरक तालिका 5 देखें।
इस अध्ययन की मुख्य अवधारणा ऑलसन चक्र (चित्र 1) पर आधारित है। ऐसे चक्र के लिए, हमें एक गर्म और एक ठंडा जलाशय और विभिन्न MLC मॉड्यूल में वोल्टेज और करंट की निगरानी और नियंत्रण करने में सक्षम एक विद्युत आपूर्ति की आवश्यकता होती है। इन प्रत्यक्ष चक्रों में दो अलग-अलग विन्यासों का उपयोग किया गया, अर्थात् (1) लिंकम मॉड्यूल द्वारा कीथली 2410 विद्युत स्रोत से जुड़े एक MLC को गर्म और ठंडा करना, और (2) समान ऊर्जा स्रोत के साथ समानांतर में तीन प्रोटोटाइप (HARV1, HARV2 और HARV3)। बाद वाले मामले में, दो जलाशयों (गर्म और ठंडा) और MLC के बीच ऊष्मा विनिमय के लिए एक परावैद्युत द्रव (25°C पर 5 cP श्यानता वाला सिलिकॉन तेल, सिग्मा एल्ड्रिच से खरीदा गया) का उपयोग किया गया। ऊष्मीय जलाशय में परावैद्युत द्रव से भरा एक कांच का पात्र होता है जिसे ऊष्मीय प्लेट के ऊपर रखा जाता है। ठंडे भंडारण में एक जल स्नान होता है जिसमें पानी और बर्फ से भरे एक बड़े प्लास्टिक कंटेनर में परावैद्युत द्रव युक्त तरल नलिकाएँ होती हैं। कंबाइन के प्रत्येक सिरे पर दो थ्री-वे पिंच वाल्व (बायो-केम फ्लूइडिक्स से खरीदे गए) लगाए गए थे ताकि एक जलाशय से दूसरे जलाशय में द्रव का उचित स्थानांतरण हो सके (चित्र 2a)। पीएसटी-एमएलसी पैकेज और शीतलक के बीच ऊष्मीय संतुलन सुनिश्चित करने के लिए, चक्र अवधि को तब तक बढ़ाया गया जब तक कि इनलेट और आउटलेट थर्मोकपल (पीएसटी-एमएलसी पैकेज के यथासंभव निकट) एक ही तापमान न दर्शाएं। पाइथन स्क्रिप्ट सभी उपकरणों (स्रोत मीटर, पंप, वाल्व और थर्मोकपल) को प्रबंधित और सिंक्रनाइज़ करती है ताकि सही ओलसन चक्र चले, अर्थात् स्रोत मीटर के चार्ज होने के बाद शीतलक लूप पीएसटी स्टैक के माध्यम से चक्रित होना शुरू हो जाता है ताकि वे दिए गए ओलसन चक्र के लिए वांछित अनुप्रयुक्त वोल्टेज पर गर्म हो सकें।
इसके अलावा, हमने एकत्रित ऊर्जा के इन प्रत्यक्ष मापों की पुष्टि अप्रत्यक्ष विधियों से भी की है। ये अप्रत्यक्ष विधियाँ विभिन्न तापमानों पर एकत्रित विद्युत विस्थापन (D) – विद्युत क्षेत्र (E) लूपों पर आधारित हैं, और दो DE लूपों के बीच के क्षेत्रफल की गणना करके, यह सटीक रूप से अनुमान लगाया जा सकता है कि कितनी ऊर्जा एकत्रित की जा सकती है, जैसा कि चित्र 2.1b में दिखाया गया है। इन DE लूपों को कीथली स्रोत मीटरों का उपयोग करके भी एकत्रित किया गया है।
संदर्भ 14 में वर्णित डिज़ाइन के अनुसार, 28 1 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी को 4-पंक्ति, 7-स्तंभ समानांतर प्लेट संरचना में असेंबल किया गया। पीएसटी-एमएलसी पंक्तियों के बीच द्रव अंतराल 0.75 मिमी है। यह पीएसटी एमएलसी के किनारों के चारों ओर तरल स्पेसर के रूप में डबल-साइडेड टेप की पट्टियाँ लगाकर प्राप्त किया गया है। पीएसटी एमएलसी को इलेक्ट्रोड लीड के संपर्क में सिल्वर एपॉक्सी ब्रिज के साथ समानांतर में विद्युत रूप से जोड़ा गया है। इसके बाद, बिजली आपूर्ति से कनेक्शन के लिए इलेक्ट्रोड टर्मिनलों के प्रत्येक तरफ सिल्वर एपॉक्सी रेज़िन से तार चिपकाए गए। अंत में, पूरी संरचना को पॉलीओलेफिन नली में डाला गया। उचित सीलिंग सुनिश्चित करने के लिए नली को द्रव नली से चिपकाया गया। अंत में, इनलेट और आउटलेट तरल तापमान की निगरानी के लिए पीएसटी-एमएलसी संरचना के प्रत्येक सिरे पर 0.25 मिमी मोटे के-प्रकार के थर्मोकपल लगाए गए। ऐसा करने के लिए, नली को पहले छिद्रित करना आवश्यक है। थर्मोकपल लगाने के बाद, सील को बहाल करने के लिए थर्मोकपल नली और तार के बीच पहले की तरह ही चिपकने वाला पदार्थ लगाएं।
आठ अलग-अलग प्रोटोटाइप बनाए गए, जिनमें से चार में 40 0.5 मिमी मोटी MLC PSTs को 5 कॉलम और 8 पंक्तियों वाली समानांतर प्लेटों के रूप में वितरित किया गया था, और शेष चार में 15 1 मिमी मोटी MLC PSTs को 3-कॉलम × 5-पंक्ति समानांतर प्लेट संरचना में रखा गया था। उपयोग किए गए PST MLC की कुल संख्या 220 थी (160 0.5 मिमी मोटी और 60 1 मिमी मोटी PST MLC)। हम इन दो उप-इकाइयों को HARV2_160 और HARV2_60 कहते हैं। प्रोटोटाइप HARV2_160 में तरल अंतराल में दो 0.25 मिमी मोटी दोहरी पट्टियाँ होती हैं जिनके बीच 0.25 मिमी मोटा तार होता है। HARV2_60 प्रोटोटाइप के लिए, हमने उसी प्रक्रिया को दोहराया, लेकिन 0.38 मिमी मोटे तार का उपयोग किया। समरूपता के लिए, HARV2_160 और HARV2_60 में अपने-अपने द्रव परिपथ, पंप, वाल्व और शीत पक्ष (पूरक नोट 8) हैं। दो HARV2 इकाइयाँ एक ऊष्मा भंडार साझा करती हैं, जो घूर्णनशील चुंबकों वाली दो गर्म प्लेटों पर रखा 3 लीटर का एक कंटेनर (30 सेमी x 20 सेमी x 5 सेमी) है। सभी आठ अलग-अलग प्रोटोटाइप विद्युत रूप से समानांतर क्रम में जुड़े हुए हैं। HARV2_160 और HARV2_60 उप-इकाइयाँ एक साथ ओलसन चक्र में कार्य करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप 11.2 जूल ऊर्जा प्राप्त होती है।
0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी को पॉलीओलेफिन नली में दोनों तरफ डबल साइडेड टेप और तार से इस तरह लगाएं कि तरल पदार्थ के प्रवाह के लिए जगह बन सके। इसके छोटे आकार के कारण, प्रोटोटाइप को गर्म या ठंडे जलाशय वाल्व के पास रखा गया, जिससे चक्र समय कम हो गया।
पीएसटी एमएलसी में, हीटिंग शाखा पर स्थिर वोल्टेज लगाकर एक स्थिर विद्युत क्षेत्र उत्पन्न किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप, एक ऋणात्मक ऊष्मीय धारा उत्पन्न होती है और ऊर्जा संग्रहित होती है। पीएसटी एमएलसी को गर्म करने के बाद, क्षेत्र हटा दिया जाता है (V = 0), और इसमें संग्रहित ऊर्जा स्रोत काउंटर को वापस कर दी जाती है, जो एकत्रित ऊर्जा में एक और योगदान के बराबर होती है। अंत में, V = 0 वोल्टेज लगाकर, एमएलसी पीएसटी को उनके प्रारंभिक तापमान तक ठंडा किया जाता है ताकि चक्र पुनः शुरू हो सके। इस चरण में, ऊर्जा एकत्रित नहीं की जाती है। हमने कीथली 2410 सोर्समीटर का उपयोग करके ओल्सन चक्र चलाया, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत से चार्ज किया और करंट मैच को उचित मान पर सेट किया ताकि विश्वसनीय ऊर्जा गणना के लिए चार्जिंग चरण के दौरान पर्याप्त बिंदु एकत्रित किए जा सकें।
स्टर्लिंग चक्रों में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में एक प्रारंभिक विद्युत क्षेत्र मान (प्रारंभिक वोल्टेज Vi > 0), एक वांछित अनुपालन धारा पर चार्ज किया गया था ताकि चार्जिंग चरण में लगभग 1 सेकंड का समय लगे (और ऊर्जा की विश्वसनीय गणना के लिए पर्याप्त बिंदु एकत्र किए जा सकें) और कम तापमान पर। स्टर्लिंग चक्रों में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में एक प्रारंभिक विद्युत क्षेत्र मान (प्रारंभिक वोल्टेज Vi > 0), एक वांछित अनुपालन धारा पर चार्ज किया गया था ताकि चार्जिंग चरण में लगभग 1 सेकंड का समय लगे (और ऊर्जा की विश्वसनीय गणना के लिए पर्याप्त बिंदु एकत्र किए जा सकें) और कम तापमान पर। 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 अन्य उत्पाद विवरण इनेरेगोइ) और सोलो टेम्पेरिआ। स्टर्लिंग पीएसटी एमएलसी चक्रों में, उन्हें विद्युत क्षेत्र के प्रारंभिक मान (प्रारंभिक वोल्टेज Vi > 0), वांछित उपज धारा पर वोल्टेज स्रोत मोड में चार्ज किया गया था, ताकि चार्जिंग चरण में लगभग 1 सेकंड लगे (और विश्वसनीय ऊर्जा गणना के लिए पर्याप्त संख्या में बिंदु एकत्र किए जाएं) और कम तापमान हो।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,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。 मास्टर चक्र में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में प्रारंभिक विद्युत क्षेत्र मान (प्रारंभिक वोल्टेज Vi > 0) पर चार्ज किया जाता है, ताकि आवश्यक अनुपालन धारा चार्जिंग चरण के लिए लगभग 1 सेकंड का समय ले (और हमने (ऊर्जा) और कम तापमान की विश्वसनीय गणना के लिए पर्याप्त बिंदु एकत्र किए)। 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 अन्य जानकारी धन्यवाद। स्टर्लिंग चक्र में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में विद्युत क्षेत्र के प्रारंभिक मान (प्रारंभिक वोल्टेज Vi > 0) के साथ चार्ज किया जाता है, आवश्यक अनुपालन धारा ऐसी होती है कि चार्जिंग चरण में लगभग 1 सेकंड लगता है (और ऊर्जा की विश्वसनीय गणना के लिए पर्याप्त संख्या में बिंदु एकत्र किए जाते हैं) और कम तापमान होते हैं।PST MLC के गर्म होने से पहले, I = 0 mA की समतुल्य धारा लगाकर परिपथ को खोलें (हमारे मापन स्रोत द्वारा सहन की जा सकने वाली न्यूनतम समतुल्य धारा 10 nA है)। परिणामस्वरूप, MJK के PST में आवेश बना रहता है, और नमूने के गर्म होने पर वोल्टेज बढ़ता है। भुजा BC में कोई ऊर्जा एकत्रित नहीं होती क्योंकि I = 0 mA है। उच्च तापमान पर पहुँचने के बाद, MLT FT में वोल्टेज बढ़ता है (कुछ मामलों में 30 गुना से अधिक, अतिरिक्त चित्र 7.2 देखें), MLK FT डिस्चार्ज हो जाता है (V = 0), और उनमें उतनी ही विद्युत ऊर्जा संग्रहित हो जाती है जितनी उनकी प्रारंभिक आवेश थी। मीटर स्रोत को समान धारा वापस मिलती है। वोल्टेज में वृद्धि के कारण, उच्च तापमान पर संग्रहित ऊर्जा चक्र की शुरुआत में प्रदान की गई ऊर्जा से अधिक होती है। फलस्वरूप, ऊष्मा को विद्युत में परिवर्तित करके ऊर्जा प्राप्त की जाती है।
हमने PST MLC पर लगाए गए वोल्टेज और करंट की निगरानी के लिए कीथली 2410 सोर्समीटर का उपयोग किया। संबंधित ऊर्जा की गणना कीथली के सोर्समीटर द्वारा मापे गए वोल्टेज और करंट के गुणनफल को समाकलित करके की जाती है, (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), जहाँ τ आवर्तकाल है। हमारे ऊर्जा वक्र पर, धनात्मक ऊर्जा मान MLC PST को दी जाने वाली ऊर्जा को दर्शाते हैं, और ऋणात्मक मान उनसे प्राप्त ऊर्जा को दर्शाते हैं। किसी दिए गए संग्रहण चक्र के लिए सापेक्ष शक्ति, एकत्रित ऊर्जा को पूरे चक्र के आवर्तकाल τ से विभाजित करके निर्धारित की जाती है।
सभी आंकड़े मुख्य पाठ या अतिरिक्त जानकारी में प्रस्तुत किए गए हैं। पत्रों और सामग्री के लिए अनुरोध इस लेख के साथ दिए गए एटी या ईडी डेटा के स्रोत को भेजे जाने चाहिए।
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एमएलसी के निर्माण में सहयोग के लिए हम एन. फुरुसावा, वाई. इनौए और के. होंडा को धन्यवाद देते हैं। पीएल, एटी, वाईएन, एए, जेएल, यूपी, वीके, ओबी और ईडी लक्ज़मबर्ग नेशनल रिसर्च फाउंडेशन (एफएनआर) को CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay और BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay के माध्यम से इस कार्य का समर्थन करने के लिए धन्यवाद देते हैं।
लक्ज़मबर्ग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (LIST), बेलवोइर, लक्ज़मबर्ग में सामग्री अनुसंधान और प्रौद्योगिकी विभाग