बिजली के स्थायी स्रोत उपलब्ध कराना इस सदी की सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियों में से एक है।ऊर्जा संचयन सामग्री में अनुसंधान क्षेत्र इस प्रेरणा से उत्पन्न होते हैं, जिनमें थर्मोइलेक्ट्रिक1, फोटोवोल्टिक2 और थर्मोफोटोवोल्टिक3 शामिल हैं।यद्यपि हमारे पास जूल रेंज में ऊर्जा संचयन करने में सक्षम सामग्रियों और उपकरणों की कमी है, पायरोइलेक्ट्रिक सामग्री जो विद्युत ऊर्जा को आवधिक तापमान परिवर्तनों में परिवर्तित कर सकती है, उन्हें सेंसर4 और ऊर्जा हार्वेस्टर5,6,7 माना जाता है।यहां हमने 42 ग्राम लेड स्कैंडियम टैंटलेट से बने मल्टीलेयर कैपेसिटर के रूप में एक मैक्रोस्कोपिक थर्मल एनर्जी हार्वेस्टर विकसित किया है, जो प्रति थर्मोडायनामिक चक्र में 11.2 J 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 स्वायत्त ऊर्जा हार्वेस्टर को लगातार 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 (1) उच्च दक्षता के लिए फेरोइलेक्ट्रिक चरण परिवर्तन, (2) नुकसान को रोकने के लिए कम रिसाव धारा, और (3) उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज के कारण हैं।ये मैक्रोस्कोपिक, स्केलेबल और कुशल पायरोइलेक्ट्रिक पावर हार्वेस्टर थर्मोइलेक्ट्रिक पावर उत्पादन की फिर से कल्पना कर रहे हैं।
थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के लिए आवश्यक स्थानिक तापमान प्रवणता की तुलना में, थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की ऊर्जा संचयन के लिए समय के साथ तापमान चक्रण की आवश्यकता होती है।इसका मतलब एक थर्मोडायनामिक चक्र है, जिसे एन्ट्रापी (एस)-तापमान (टी) आरेख द्वारा सबसे अच्छा वर्णित किया गया है।चित्र 1ए एक गैर-रेखीय पायरोइलेक्ट्रिक (एनएलपी) सामग्री का एक विशिष्ट एसटी प्लॉट दिखाता है जो स्कैंडियम लेड टैंटलेट (पीएसटी) में क्षेत्र-संचालित फेरोइलेक्ट्रिक-पैराइलेक्ट्रिक चरण संक्रमण को प्रदर्शित करता है।एसटी आरेख पर चक्र के नीले और हरे खंड ओल्सन चक्र (दो आइसोथर्मल और दो आइसोपोल खंड) में परिवर्तित विद्युत ऊर्जा के अनुरूप हैं।यहां हम समान विद्युत क्षेत्र परिवर्तन (क्षेत्र चालू और बंद) और तापमान परिवर्तन ΔT के साथ दो चक्रों पर विचार करते हैं, हालांकि अलग-अलग प्रारंभिक तापमान के साथ।हरा चक्र चरण संक्रमण क्षेत्र में स्थित नहीं है और इस प्रकार चरण संक्रमण क्षेत्र में स्थित नीले चक्र की तुलना में इसका क्षेत्र बहुत छोटा है।एसटी 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 की साइकिलिंग की आवश्यकता इलेक्ट्रोथर्मल अनुप्रयोगों9, 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 13,14,15,16 में शीतलन प्रदर्शन स्थिति।इसलिए, हमने थर्मल ऊर्जा संचयन के लिए रुचि के पीएसटी एमएलसी की पहचान की है।इन नमूनों को पूरी तरह से तरीकों में वर्णित किया गया है और पूरक नोट 1 (स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी), 2 (एक्स-रे विवर्तन) और 3 (कैलोरीमेट्री) में वर्णित किया गया है।
ए, चरण संक्रमण दिखाने वाले एनएलपी सामग्रियों पर लागू विद्युत क्षेत्र के साथ एन्ट्रॉपी (एस) -तापमान (टी) प्लॉट का स्केच।दो अलग-अलग तापमान क्षेत्रों में दो ऊर्जा संग्रह चक्र 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 डीई पीएसटी एमएलसी एकध्रुवीय रिंग, 1 मिमी मोटी, क्रमशः 20 डिग्री सेल्सियस और 90 डिग्री सेल्सियस पर 0 और 155 केवी सेमी-1 के बीच मापा जाता है, और संबंधित ऑलसेन चक्र।एबीसीडी अक्षर ओल्सन चक्र में विभिन्न अवस्थाओं को दर्शाते हैं।एबी: एमएलसी को 20 डिग्री सेल्सियस पर 155 केवी सेमी-1 पर चार्ज किया गया था।बीसी: एमएलसी को 155 केवी सेमी-1 पर बनाए रखा गया और तापमान 90 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाया गया।सीडी: एमएलसी 90 डिग्री सेल्सियस पर डिस्चार्ज होता है।डीए: एमएलसी को शून्य क्षेत्र में 20 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा किया गया।नीला क्षेत्र चक्र शुरू करने के लिए आवश्यक इनपुट शक्ति से मेल खाता है।नारंगी क्षेत्र एक चक्र में एकत्रित ऊर्जा है।सी, शीर्ष पैनल, वोल्टेज (काला) और वर्तमान (लाल) बनाम समय, बी के समान ओल्सन चक्र के दौरान ट्रैक किया गया।दो आवेषण चक्र में प्रमुख बिंदुओं पर वोल्टेज और करंट के प्रवर्धन का प्रतिनिधित्व करते हैं।निचले पैनल में, पीले और हरे रंग के वक्र 1 मिमी मोटे एमएलसी के लिए क्रमशः संबंधित तापमान और ऊर्जा वक्र का प्रतिनिधित्व करते हैं।ऊर्जा की गणना शीर्ष पैनल पर वर्तमान और वोल्टेज वक्रों से की जाती है।नकारात्मक ऊर्जा एकत्रित ऊर्जा से मेल खाती है।चार अंकों में बड़े अक्षरों के अनुरूप चरण ओल्सन चक्र के समान हैं।चक्र AB'CD स्टर्लिंग चक्र (अतिरिक्त नोट 7) से मेल खाता है।
जहाँ E और D क्रमशः विद्युत क्षेत्र और विद्युत विस्थापन क्षेत्र हैं।एनडी को अप्रत्यक्ष रूप से डीई सर्किट (छवि 1 बी) से या सीधे थर्मोडायनामिक चक्र शुरू करके प्राप्त किया जा सकता है।सबसे उपयोगी तरीकों का वर्णन ऑलसेन ने 1980 के दशक17 में पायरोइलेक्ट्रिक ऊर्जा एकत्र करने के अपने अग्रणी कार्य में किया था।
अंजीर पर.1बी 0 से 155 केवी सेमी-1 (600 वी) की सीमा पर क्रमशः 20 डिग्री सेल्सियस और 90 डिग्री सेल्सियस पर इकट्ठे किए गए 1 मिमी मोटे पीएसटी-एमएलसी नमूनों के दो मोनोपोलर डीई लूप दिखाता है।इन दो चक्रों का उपयोग अप्रत्यक्ष रूप से चित्र 1ए में दिखाए गए ओल्सन चक्र द्वारा एकत्र की गई ऊर्जा की गणना करने के लिए किया जा सकता है।वास्तव में, ऑलसेन चक्र में दो आइसोफील्ड शाखाएं (यहां, डीए शाखा में शून्य क्षेत्र और बीसी शाखा में 155 केवी सेमी-1) और दो इज़ोटेर्मल शाखाएं (यहां, एबी शाखा में 20°С और 20°С) शामिल हैं। .सीडी शाखा में सी) चक्र के दौरान एकत्रित ऊर्जा नारंगी और नीले क्षेत्रों (ईडीडी इंटीग्रल) से मेल खाती है।एकत्रित ऊर्जा एनडी इनपुट और आउटपुट ऊर्जा के बीच का अंतर है, यानी अंजीर में केवल नारंगी क्षेत्र।1बी.यह विशेष ओल्सन चक्र 1.78 जे सेमी-3 का एनडी ऊर्जा घनत्व देता है।स्टर्लिंग चक्र ओल्सन चक्र (अनुपूरक नोट 7) का एक विकल्प है।क्योंकि स्थिर चार्ज चरण (ओपन सर्किट) तक अधिक आसानी से पहुंचा जा सकता है, चित्र 1बी (चक्र एबी'सीडी) से निकाला गया ऊर्जा घनत्व 1.25 जे सेमी-3 तक पहुंच जाता है।यह ओल्सन चक्र द्वारा एकत्र की जा सकने वाली मात्रा का केवल 70% है, लेकिन साधारण कटाई उपकरण यह काम करते हैं।
इसके अलावा, हमने लिंकम तापमान नियंत्रण चरण और एक स्रोत मीटर (विधि) का उपयोग करके पीएसटी एमएलसी को सक्रिय करके ओल्सन चक्र के दौरान एकत्रित ऊर्जा को सीधे मापा।शीर्ष पर और संबंधित इनसेट में चित्र 1सी समान ओल्सन चक्र से गुजरने वाले डीई लूप के लिए समान 1 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी पर एकत्रित वर्तमान (लाल) और वोल्टेज (काला) दिखाता है।वर्तमान और वोल्टेज एकत्रित ऊर्जा की गणना करना संभव बनाते हैं, और वक्र चित्र में दिखाए गए हैं।पूरे चक्र में 1c, निचला (हरा) और तापमान (पीला)।एबीसीडी अक्षर चित्र 1 में उसी ओल्सन चक्र का प्रतिनिधित्व करते हैं। एमएलसी चार्जिंग एबी लेग के दौरान होती है और कम करंट (200 μA) पर की जाती है, इसलिए सोर्समीटर चार्जिंग को ठीक से नियंत्रित कर सकता है।इस निरंतर प्रारंभिक धारा 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 (बिंदु बी) में संग्रहीत होती है।एमएलसी तब गर्म हो जाता है और एक नकारात्मक धारा (और इसलिए एक नकारात्मक धारा) उत्पन्न होती है जबकि वोल्टेज 600 वी पर रहता है। 40 एस के बाद, जब तापमान 90 डिग्री सेल्सियस के पठार तक पहुंच गया, तो इस धारा की भरपाई की गई, हालांकि चरण नमूना इस आइसोफील्ड के दौरान सर्किट में 35 mJ की विद्युत शक्ति उत्पन्न होती है (चित्र 1c में दूसरा इनसेट, शीर्ष)।फिर एमएलसी (शाखा सीडी) पर वोल्टेज कम हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप अतिरिक्त 60 एमजे विद्युत कार्य होता है।कुल आउटपुट ऊर्जा 95 mJ है।एकत्रित ऊर्जा इनपुट और आउटपुट ऊर्जा के बीच का अंतर है, जो 95 - 30 = 65 mJ देता है।यह 1.84 जे सेमी-3 के ऊर्जा घनत्व से मेल खाता है, जो डीई रिंग से निकाले गए एनडी के बहुत करीब है।इस ओल्सन चक्र की प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता का बड़े पैमाने पर परीक्षण किया गया है (पूरक नोट 4)।वोल्टेज और तापमान को और बढ़ाकर, हमने 750 वी (195 केवी सेमी-1) और 175 डिग्री सेल्सियस (पूरक नोट 5) की तापमान सीमा पर 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी में ऑलसेन चक्र का उपयोग करके 4.43 जे सेमी-3 हासिल किया।यह प्रत्यक्ष ओल्सन चक्रों के लिए साहित्य में बताए गए सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन से चार गुना अधिक है और इसे Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J सेमी-3)18 (सेमी) की पतली फिल्मों पर प्राप्त किया गया था। अनुपूरक साहित्य में अधिक मूल्यों के लिए तालिका 1)। यह प्रदर्शन इन एमएलसी के बहुत कम लीकेज करंट (750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस पर <10−7 ए, पूरक नोट 6 में विवरण देखें) के कारण पहुंचा है - इसके विपरीत स्मिथ एट अल.19 द्वारा उल्लिखित एक महत्वपूर्ण बिंदु पहले के अध्ययनों में प्रयुक्त सामग्री17,20। यह प्रदर्शन इन एमएलसी के बहुत कम लीकेज करंट (750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस पर <10−7 ए, पूरक नोट 6 में विवरण देखें) के कारण पहुंचा है - इसके विपरीत स्मिथ एट अल.19 द्वारा उल्लिखित एक महत्वपूर्ण बिंदु पहले के अध्ययनों में प्रयुक्त सामग्री17,20। यह एक अच्छा विकल्प है यह MLC (<10–7 А при 750 В и 180 डिग्री सेल्सियस, см. подробности в дополнительном примечании 6) — к ритический момент, упомянутый Смитом और др.19 - в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях1 7,20. इन विशेषताओं को इन एमएलसी के बहुत कम लीकेज करंट (750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस पर <10-7 ए, विवरण के लिए अनुपूरक नोट 6 देखें) के कारण हासिल किया गया था - स्मिथ एट अल द्वारा उल्लिखित एक महत्वपूर्ण बिंदु।19 - पहले के अध्ययनों17,20 में प्रयुक्त सामग्रियों के विपरीत।एमएलसी का उपयोग 750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस के तापमान को कम करने के लिए किया जा सकता है<10-7 ए, 6 डिग्री सेल्सियस तक का तापमान--स्मिथ等人19 提到的关键点——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。एमएलसी की आपूर्ति （在 在 在 750 V और 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 相比之下 相比कोई भी व्यक्ति किसी भी प्रकार की समस्या का सामना नहीं कर सकता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, 已经达到了这种性能到17.20 को एक और पोस्ट अपलोड किया गया। Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробнос और पढ़ें पी.आर.19 - для сравнения, были достигнуты эти характеристики. चूँकि इन एमएलसी का लीकेज करंट बहुत कम है (<10-7 ए 750 वी और 180 डिग्री सेल्सियस पर, विवरण के लिए अनुपूरक नोट 6 देखें) - स्मिथ एट अल द्वारा उल्लिखित एक प्रमुख बिंदु।19 - तुलना के लिए, ये प्रदर्शन हासिल किए गए।पहले के अध्ययनों में प्रयुक्त सामग्री 17,20।
वही स्थितियाँ (600 वी, 20-90 डिग्री सेल्सियस) स्टर्लिंग चक्र पर लागू होती हैं (पूरक नोट 7)।जैसा कि डीई चक्र के परिणामों से अपेक्षित था, उपज 41.0 एमजे थी।स्टर्लिंग चक्रों की सबसे खास विशेषताओं में से एक थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव के माध्यम से प्रारंभिक वोल्टेज को बढ़ाने की उनकी क्षमता है।हमने 39 तक का वोल्टेज लाभ देखा (15 वी के प्रारंभिक वोल्टेज से 590 वी तक के अंतिम वोल्टेज तक, पूरक चित्र 7.2 देखें)।
इन एमएलसी की एक और विशिष्ट विशेषता यह है कि वे जूल रेंज में ऊर्जा एकत्र करने के लिए पर्याप्त बड़ी स्थूल वस्तुएं हैं।इसलिए, हमने 28 एमएलसी पीएसटी 1 मिमी मोटी का उपयोग करके एक प्रोटोटाइप हार्वेस्टर (HARV1) का निर्माण किया, टोरेलो एट अल.14 द्वारा वर्णित समान समानांतर प्लेट डिजाइन का पालन करते हुए, 7×4 मैट्रिक्स में जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। गर्मी ले जाने वाला ढांकता हुआ तरल पदार्थ मैनिफोल्ड को दो जलाशयों के बीच एक पेरिस्टाल्टिक पंप द्वारा विस्थापित किया जाता है जहां द्रव का तापमान स्थिर रखा जाता है (विधि)।अंजीर में वर्णित ओल्सन चक्र का उपयोग करके 3.1 जे तक एकत्र करें।2a, 10°C और 125°C पर आइसोथर्मल क्षेत्र और 0 और 750 V (195 kV सेमी-1) पर आइसोफील्ड क्षेत्र।यह 3.14 J सेमी-3 के ऊर्जा घनत्व से मेल खाता है।इस कंबाइन का उपयोग करके, विभिन्न परिस्थितियों में माप लिए गए (चित्र 2बी)।ध्यान दें कि 1.8 जे 80 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज और 600 वी (155 केवी सेमी-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 उल्लिखित 65 एमजे के साथ अच्छे समझौते में है।
ए, ओल्सन चक्र पर चलने वाले 1 मिमी मोटे (4 पंक्तियाँ × 7 कॉलम) 28 एमएलसी पीएसटी पर आधारित एक इकट्ठे HARV1 प्रोटोटाइप का प्रायोगिक सेटअप।चार चक्र चरणों में से प्रत्येक के लिए, तापमान और वोल्टेज प्रोटोटाइप में प्रदान किए जाते हैं।कंप्यूटर एक क्रमिक वृत्तों में सिकुड़नेवाला पंप चलाता है जो ठंडे और गर्म जलाशयों, दो वाल्वों और एक बिजली स्रोत के बीच एक ढांकता हुआ तरल पदार्थ प्रसारित करता है।कंप्यूटर प्रोटोटाइप को आपूर्ति किए गए वोल्टेज और करंट और बिजली आपूर्ति से कंबाइन के तापमान पर डेटा एकत्र करने के लिए थर्मोकपल का भी उपयोग करता है।बी, विभिन्न प्रयोगों में हमारे 4×7 एमएलसी प्रोटोटाइप बनाम तापमान रेंज (एक्स-अक्ष) और वोल्टेज (वाई-अक्ष) द्वारा एकत्रित ऊर्जा (रंग)।
60 पीएसटी एमएलसी 1 मिमी मोटी और 160 पीएसटी एमएलसी 0.5 मिमी मोटी (41.7 ग्राम सक्रिय पायरोइलेक्ट्रिक सामग्री) के साथ हार्वेस्टर (HARV2) का एक बड़ा संस्करण 11.2 जे (पूरक नोट 8) देता है।1984 में, ऑलसेन ने 317 ग्राम टिन-डोप्ड Pb(Zr,Ti)O3 यौगिक पर आधारित एक ऊर्जा हार्वेस्टर बनाया, जो लगभग 150 डिग्री सेल्सियस (संदर्भ 21) के तापमान पर 6.23 J बिजली पैदा करने में सक्षम था।इस संयोजन के लिए, जूल श्रेणी में यह एकमात्र अन्य मूल्य उपलब्ध है।इसे हमारी तुलना में आधे से अधिक मूल्य और लगभग सात गुना गुणवत्ता प्राप्त हुई।इसका मतलब है कि HARV2 का ऊर्जा घनत्व 13 गुना अधिक है।
HARV1 चक्र अवधि 57 सेकंड है।इससे 1 मिमी मोटे एमएलसी सेट के 7 स्तंभों की 4 पंक्तियों के साथ 54 मेगावाट बिजली का उत्पादन हुआ।इसे एक कदम आगे ले जाने के लिए, हमने 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी और HARV1 और HARV2 (पूरक नोट 9) के समान सेटअप के साथ एक तीसरा कंबाइन (HARV3) बनाया।हमने 12.5 सेकंड का थर्मलाइजेशन समय मापा।यह 25 सेकेंड के चक्र समय के अनुरूप है (पूरक चित्र 9)।एकत्रित ऊर्जा (47 एमजे) 1.95 मेगावाट प्रति एमएलसी की विद्युत शक्ति देती है, जो बदले में हमें कल्पना करने की अनुमति देती है कि एचएआरवी2 0.55 डब्ल्यू (लगभग 1.95 मेगावाट × 280 पीएसटी एमएलसी 0.5 मिमी मोटी) का उत्पादन करता है।इसके अलावा, हमने HARV1 प्रयोगों के अनुरूप परिमित तत्व सिमुलेशन (COMSOL, अनुपूरक नोट 10 और अनुपूरक तालिका 2-4) का उपयोग करके गर्मी हस्तांतरण 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 में पुनर्स्थापित करके पीएसटी कॉलम की समान संख्या के लिए लगभग परिमाण के उच्च क्रम (430 मेगावाट) के बिजली मूल्यों की भविष्यवाणी करना संभव बना दिया। .× 4 कॉलम (इसके अलावा, जब टैंक कंबाइन के बगल में था, तब 960 मेगावाट थे, अनुपूरक चित्र 10बी)।
इस कलेक्टर की उपयोगिता प्रदर्शित करने के लिए, एक स्टर्लिंग चक्र को एक स्टैंड-अलोन प्रदर्शनकर्ता पर लागू किया गया था जिसमें हीट कलेक्टर 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 शामिल था। , एक कम पावर माइक्रोकंट्रोलर, दो थर्मोकपल और बूस्ट कनवर्टर (पूरक नोट 11)।सर्किट के लिए स्टोरेज कैपेसिटर को शुरू में 9V पर चार्ज करने की आवश्यकता होती है और फिर स्वायत्त रूप से चलता है जबकि दो MLC का तापमान -5°C से 85°C तक होता है, यहां 160 s के चक्र में (कई चक्र अनुपूरक नोट 11 में दिखाए गए हैं) .उल्लेखनीय रूप से, केवल 0.3 ग्राम वजन वाले दो एमएलसी 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 चित्र 11.3) के साथ 400V को 10-15V में परिवर्तित करने में सक्षम है।
अंत में, हमने तापीय ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने में इन एमएलसी मॉड्यूल की दक्षता का मूल्यांकन किया।दक्षता के गुणवत्ता कारक को एकत्रित विद्युत ऊर्जा एनडी के घनत्व और आपूर्ति की गई गर्मी क्यूएन के घनत्व के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है (पूरक नोट 12):
आंकड़े 3ए,बी क्रमशः 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी की तापमान सीमा के एक फ़ंक्शन के रूप में, ऑलसेन चक्र की दक्षता η और आनुपातिक दक्षता ηr दिखाते हैं।दोनों डेटा सेट 195 kV सेमी-1 के विद्युत क्षेत्र के लिए दिए गए हैं।दक्षता \(\यह\) 1.43% तक पहुंचती है, जो ηr के 18% के बराबर है।हालाँकि, 25 डिग्री सेल्सियस से 35 डिग्री सेल्सियस तक 10 K के तापमान रेंज के लिए, ηr 40% तक मान तक पहुँच जाता है (चित्र 3बी में नीला वक्र)।यह 10 K और 300 kV सेमी-1 (संदर्भ 18) के तापमान रेंज में PMN-PT फिल्मों (ηr = 19%) में दर्ज एनएलपी सामग्रियों के ज्ञात मूल्य से दोगुना है।10 K से नीचे के तापमान रेंज पर विचार नहीं किया गया क्योंकि PST MLC का थर्मल हिस्टैरिसीस 5 और 8 K के बीच है। दक्षता पर चरण संक्रमण के सकारात्मक प्रभाव की पहचान महत्वपूर्ण है।वास्तव में, η और ηr के इष्टतम मान लगभग सभी अंजीर में प्रारंभिक तापमान Ti = 25°C पर प्राप्त होते हैं।3ए,बी.यह एक करीबी चरण संक्रमण के कारण होता है जब कोई फ़ील्ड लागू नहीं होता है और इन एमएलसी में क्यूरी तापमान टीसी लगभग 20 डिग्री सेल्सियस होता है (पूरक नोट 13)।
a,b, दक्षता η और ओल्सन चक्र की आनुपातिक दक्षता (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } 195 केवी सेमी-1 के क्षेत्र द्वारा अधिकतम विद्युत के लिए और तापमान अंतराल ΔTspan के आधार पर एमपीसी पीएसटी 0.5 मिमी मोटी के लिए विभिन्न प्रारंभिक तापमान Ti, }}\,\)(b)।
बाद के अवलोकन के दो महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं: (1) क्षेत्र-प्रेरित चरण संक्रमण (पैराइलेक्ट्रिक से फेरोइलेक्ट्रिक तक) होने के लिए किसी भी प्रभावी साइकिलिंग को टीसी से ऊपर के तापमान पर शुरू करना चाहिए;(2) ये सामग्रियां टीसी के निकट रन टाइम पर अधिक कुशल हैं।यद्यपि हमारे प्रयोगों में बड़े पैमाने पर दक्षताएं दिखाई गई हैं, सीमित तापमान सीमा हमें कार्नोट सीमा (\(\डेल्टा टी/टी\)) के कारण बड़ी पूर्ण दक्षता प्राप्त करने की अनुमति नहीं देती है।हालाँकि, इन पीएसटी एमएलसी द्वारा प्रदर्शित उत्कृष्ट दक्षता ऑलसेन को उचित ठहराती है जब वह उल्लेख करता है कि "50 डिग्री सेल्सियस और 250 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान पर चलने वाली एक आदर्श कक्षा 20 पुनर्योजी थर्मोइलेक्ट्रिक मोटर की दक्षता 30% हो सकती है"17।इन मूल्यों तक पहुंचने और अवधारणा का परीक्षण करने के लिए, विभिन्न टीसी के साथ डोप्ड पीएसटी का उपयोग करना उपयोगी होगा, जैसा कि शेबानोव और बोर्मन द्वारा अध्ययन किया गया है।उन्होंने दिखाया कि पीएसटी में टीसी 3°C (Sb डोपिंग) से 33°C (Ti डोपिंग) 22 तक भिन्न हो सकती है।इसलिए, हम परिकल्पना करते हैं कि मजबूत प्रथम क्रम चरण संक्रमण के साथ डोप्ड पीएसटी एमएलसी या अन्य सामग्रियों पर आधारित अगली पीढ़ी के पायरोइलेक्ट्रिक रीजेनरेटर सर्वोत्तम 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 इसलिए चुना गया क्योंकि यह एक उत्कृष्ट ईसी सामग्री है और इसलिए संभावित रूप से उत्कृष्ट एनएलपी सामग्री है।यह 20 डिग्री सेल्सियस के आसपास एक तेज प्रथम-क्रम फेरोइलेक्ट्रिक-पैराइलेक्ट्रिक चरण संक्रमण प्रदर्शित करता है, जो दर्शाता है कि इसके एन्ट्रापी परिवर्तन चित्र 1 में दिखाए गए समान हैं। इसी तरह के एमएलसी को ईसी 13,14 उपकरणों के लिए पूरी तरह से वर्णित किया गया है।इस अध्ययन में, हमने 10.4 × 7.2 × 1 मिमी³ और 10.4 × 7.2 × 0.5 मिमी³ एमएलसी का उपयोग किया।1 मिमी और 0.5 मिमी की मोटाई वाले एमएलसी क्रमशः 38.6 µm की मोटाई के साथ पीएसटी की 19 और 9 परतों से बनाए गए थे।दोनों ही मामलों में, आंतरिक पीएसटी परत को 2.05 µm मोटे प्लैटिनम इलेक्ट्रोड के बीच रखा गया था।इन एमएलसी का डिज़ाइन मानता है कि 55% पीएसटी सक्रिय हैं, जो इलेक्ट्रोड के बीच के हिस्से के अनुरूप हैं (पूरक नोट 1)।सक्रिय इलेक्ट्रोड क्षेत्र 48.7 मिमी2 (पूरक तालिका 5) था।एमएलसी पीएसटी ठोस चरण प्रतिक्रिया और कास्टिंग विधि द्वारा तैयार किया गया था।तैयारी प्रक्रिया का विवरण पिछले आलेख14 में वर्णित किया गया है।पीएसटी एमएलसी और पिछले लेख के बीच एक अंतर बी-साइट्स का क्रम है, जो पीएसटी में ईसी के प्रदर्शन को बहुत प्रभावित करता है।पीएसटी एमएलसी की बी-साइटों का क्रम 0.75 (अनुपूरक नोट 2) है जो 1400 डिग्री सेल्सियस पर सिंटरिंग और उसके बाद 1000 डिग्री सेल्सियस पर सैकड़ों घंटे लंबे एनीलिंग द्वारा प्राप्त किया जाता है।पीएसटी एमएलसी पर अधिक जानकारी के लिए, अनुपूरक नोट 1-3 और अनुपूरक तालिका 5 देखें।
इस अध्ययन की मुख्य अवधारणा ओल्सन चक्र (चित्र 1) पर आधारित है।ऐसे चक्र के लिए, हमें एक गर्म और ठंडे जलाशय और विभिन्न एमएलसी मॉड्यूल में वोल्टेज और करंट की निगरानी और नियंत्रण करने में सक्षम बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है।इन प्रत्यक्ष चक्रों में दो अलग-अलग कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग किया गया, अर्थात् (1) लिंकम मॉड्यूल कीथली 2410 पावर स्रोत से जुड़े एक एमएलसी को गर्म और ठंडा करना, और (2) एक ही स्रोत ऊर्जा के समानांतर तीन प्रोटोटाइप (HARV1, HARV2 और HARV3)।बाद के मामले में, दो जलाशयों (गर्म और ठंडे) और एमएलसी के बीच गर्मी विनिमय के लिए एक ढांकता हुआ तरल पदार्थ (25 डिग्री सेल्सियस पर 5 सीपी की चिपचिपाहट वाला सिलिकॉन तेल, सिग्मा एल्ड्रिच से खरीदा गया) का उपयोग किया गया था।थर्मल जलाशय में एक ग्लास कंटेनर होता है जो ढांकता हुआ तरल पदार्थ से भरा 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 युक्त तरल ट्यूबों के साथ पानी का स्नान होता है।तरल पदार्थ को एक जलाशय से दूसरे जलाशय में ठीक से स्विच करने के लिए कंबाइन के प्रत्येक छोर पर दो तीन-तरफा पिंच वाल्व (बायो-केम फ्लुइडिक्स से खरीदे गए) लगाए गए थे (चित्रा 2 ए)।पीएसटी-एमएलसी पैकेज और शीतलक के बीच थर्मल संतुलन सुनिश्चित करने के लिए, चक्र अवधि को तब तक बढ़ाया गया जब तक कि इनलेट और आउटलेट थर्मोकपल (पीएसटी-एमएलसी पैकेज के जितना करीब संभव हो) ने समान तापमान नहीं दिखाया।पायथन स्क्रिप्ट सही ओल्सन चक्र को चलाने के लिए सभी उपकरणों (स्रोत मीटर, पंप, वाल्व और थर्मोकपल) को प्रबंधित और सिंक्रनाइज़ करती है, यानी स्रोत मीटर चार्ज होने के बाद कूलेंट लूप पीएसटी स्टैक के माध्यम से साइकिल चलाना शुरू कर देता है ताकि वे वांछित तापमान पर गर्म हो जाएं। दिए गए ओल्सन चक्र के लिए लागू वोल्टेज।
वैकल्पिक रूप से, हमने अप्रत्यक्ष तरीकों से एकत्रित ऊर्जा के इन प्रत्यक्ष मापों की पुष्टि की है।ये अप्रत्यक्ष विधियां विभिन्न तापमानों पर एकत्रित विद्युत विस्थापन (डी) - विद्युत क्षेत्र (ई) फ़ील्ड लूप पर आधारित हैं, और दो डीई लूप के बीच के क्षेत्र की गणना करके, कोई सटीक अनुमान लगा सकता है कि कितनी ऊर्जा एकत्र की जा सकती है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है .चित्र 2. .1बी में।ये डीई लूप कीथली स्रोत मीटर का उपयोग करके भी एकत्र किए जाते हैं।
संदर्भ में वर्णित डिज़ाइन के अनुसार अट्ठाईस 1 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी को 4-पंक्ति, 7-स्तंभ समानांतर प्लेट संरचना में इकट्ठा किया गया था।14. पीएसटी-एमएलसी पंक्तियों के बीच द्रव अंतर 0.75 मिमी है।यह पीएसटी एमएलसी के किनारों के चारों ओर तरल स्पेसर के रूप में दो तरफा टेप की स्ट्रिप्स जोड़कर हासिल किया जाता है।पीएसटी एमएलसी इलेक्ट्रोड लीड के संपर्क में सिल्वर एपॉक्सी ब्रिज के समानांतर विद्युत रूप से जुड़ा हुआ है।उसके बाद, बिजली आपूर्ति के कनेक्शन के लिए इलेक्ट्रोड टर्मिनलों के प्रत्येक तरफ तारों को सिल्वर एपॉक्सी राल से चिपका दिया गया।अंत में, पूरी संरचना को पॉलीओलेफ़िन नली में डालें।उचित सीलिंग सुनिश्चित करने के लिए बाद वाले को द्रव ट्यूब से चिपका दिया जाता है।अंत में, इनलेट और आउटलेट तरल तापमान की निगरानी के लिए पीएसटी-एमएलसी संरचना के प्रत्येक छोर में 0.25 मिमी मोटे के-प्रकार थर्मोकपल बनाए गए।ऐसा करने के लिए, नली को पहले छिद्रित किया जाना चाहिए।थर्मोकपल स्थापित करने के बाद, सील को बहाल करने के लिए थर्मोकपल नली और तार के बीच पहले जैसा ही चिपकने वाला लगाएं।
आठ अलग-अलग प्रोटोटाइप बनाए गए, जिनमें से चार में 40 0.5 मिमी मोटे एमएलसी पीएसटी थे जो 5 कॉलम और 8 पंक्तियों के साथ समानांतर प्लेटों के रूप में वितरित थे, और शेष चार में 15 1 मिमी मोटे एमएलसी पीएसटी थे।3-स्तंभ × 5-पंक्ति समानांतर प्लेट संरचना में।उपयोग किए गए पीएसटी एमएलसी की कुल संख्या 220 (160 0.5 मिमी मोटी और 60 पीएसटी एमएलसी 1 मिमी मोटी) थी।हम इन दो उपइकाइयों को HARV2_160 और HARV2_60 कहते हैं।प्रोटोटाइप HARV2_160 में तरल गैप में 0.25 मिमी मोटे दो दो तरफा टेप होते हैं और उनके बीच 0.25 मिमी मोटा तार होता है।HARV2_60 प्रोटोटाइप के लिए, हमने वही प्रक्रिया दोहराई, लेकिन 0.38 मिमी मोटे तार का उपयोग किया।समरूपता के लिए, HARV2_160 और HARV2_60 के अपने स्वयं के द्रव सर्किट, पंप, वाल्व और कोल्ड साइड हैं (पूरक नोट 8)।दो HARV2 इकाइयाँ एक ताप भंडार, एक 3 लीटर कंटेनर (30 सेमी x 20 सेमी x 5 सेमी) को घूमने वाले चुंबकों के साथ दो गर्म प्लेटों पर साझा करती हैं।सभी आठ व्यक्तिगत प्रोटोटाइप समानांतर में विद्युत रूप से जुड़े हुए हैं।HARV2_160 और HARV2_60 सबयूनिट ओल्सन चक्र में एक साथ काम करते हैं जिसके परिणामस्वरूप 11.2 J की ऊर्जा प्राप्त होती है।
तरल के प्रवाह के लिए जगह बनाने के लिए दोनों तरफ दो तरफा टेप और तार के साथ 0.5 मिमी मोटी पीएसटी एमएलसी को पॉलीओलेफ़िन नली में रखें।अपने छोटे आकार के कारण, प्रोटोटाइप को गर्म या ठंडे जलाशय वाल्व के बगल में रखा गया था, जिससे चक्र का समय कम हो गया।
पीएसटी एमएलसी में, हीटिंग शाखा पर एक निरंतर वोल्टेज लागू करके एक निरंतर विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है।परिणामस्वरूप, एक नकारात्मक तापीय धारा उत्पन्न होती है और ऊर्जा संग्रहीत होती है।पीएसटी एमएलसी को गर्म करने के बाद, क्षेत्र को हटा दिया जाता है (वी = 0), और इसमें संग्रहीत ऊर्जा वापस स्रोत काउंटर पर लौटा दी जाती है, जो एकत्रित ऊर्जा के एक और योगदान से मेल खाती है।अंत में, वोल्टेज वी = 0 लागू करने पर, एमएलसी पीएसटी को उनके प्रारंभिक तापमान तक ठंडा कर दिया जाता है ताकि चक्र फिर से शुरू हो सके।इस अवस्था में ऊर्जा एकत्रित नहीं होती है।हमने कीथली 2410 सोर्समीटर का उपयोग करके ऑलसेन चक्र चलाया, एक वोल्टेज स्रोत से पीएसटी एमएलसी को चार्ज किया और वर्तमान मिलान को उचित मूल्य पर सेट किया ताकि विश्वसनीय ऊर्जा गणना के लिए चार्जिंग चरण के दौरान पर्याप्त अंक एकत्र किए जा सकें।
स्टर्लिंग चक्रों में, पीएसटी एमएलसी को प्रारंभिक विद्युत क्षेत्र मान (प्रारंभिक वोल्टेज Vi> 0) पर वोल्टेज स्रोत मोड में चार्ज किया गया था, एक वांछित अनुपालन धारा ताकि चार्जिंग चरण लगभग 1 एस लगे (और विश्वसनीय गणना के लिए पर्याप्त अंक एकत्र किए जाएं) ऊर्जा) और ठंडा तापमान। स्टर्लिंग चक्रों में, पीएसटी एमएलसी को प्रारंभिक विद्युत क्षेत्र मान (प्रारंभिक वोल्टेज Vi> 0) पर वोल्टेज स्रोत मोड में चार्ज किया गया था, एक वांछित अनुपालन धारा ताकि चार्जिंग चरण लगभग 1 एस लगे (और विश्वसनीय गणना के लिए पर्याप्त अंक एकत्र किए जाएं) ऊर्जा) और ठंडा तापमान। В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начал ьном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податл ивом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное кол यह एक छोटा सा प्लास्टिक बैग है) और एक छोटा सा टुकड़ा। स्टर्लिंग पीएसटी एमएलसी चक्रों में, उन्हें वोल्टेज स्रोत मोड में विद्युत क्षेत्र के प्रारंभिक मूल्य (प्रारंभिक वोल्टेज Vi > 0), वांछित उपज धारा पर चार्ज किया गया था, ताकि चार्जिंग चरण में लगभग 1 सेकंड (और पर्याप्त संख्या) लगे विश्वसनीय ऊर्जा गणना) और ठंडे तापमान के लिए अंक एकत्र किए जाते हैं।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）और 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 को चार्जिंग चरण के लिए लगभग 1 सेकंड का समय लगे (और हमने पर्याप्त अंक एकत्र किए हैं) विश्वसनीय रूप से (ऊर्जा) और कम तापमान की गणना करें। Вцикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальн ым значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток п अतिरिक्त भुगतान के लिए, इस राशि का भुगतान 1 वर्ष (1 वर्ष से अधिक) के लिए किया जाता है और एक छोटा सा टुकड़ा, एक छोटा सा टुकड़ा इनरनेट) और एक छोटा सा टुकड़ा ы . स्टर्लिंग चक्र में, पीएसटी एमएलसी को वोल्टेज स्रोत मोड में विद्युत क्षेत्र के प्रारंभिक मूल्य (प्रारंभिक वोल्टेज Vi > 0) के साथ चार्ज किया जाता है, आवश्यक अनुपालन धारा ऐसी होती है कि चार्जिंग चरण में लगभग 1 सेकंड (और पर्याप्त संख्या) लगता है ऊर्जा) और कम तापमान की विश्वसनीय गणना करने के लिए अंक एकत्र किए जाते हैं।पीएसटी एमएलसी के गर्म होने से पहले, I = 0 mA का मैचिंग करंट लगाकर सर्किट खोलें (न्यूनतम मैचिंग करंट जिसे हमारा मापने वाला स्रोत संभाल सकता है वह 10 nA है)।परिणामस्वरूप, एमजेके के पीएसटी में एक चार्ज बना रहता है, और नमूना गर्म होने पर वोल्टेज बढ़ जाता है।भुजा BC में कोई ऊर्जा एकत्र नहीं होती क्योंकि I = 0 mA।उच्च तापमान पर पहुंचने के बाद, एमएलटी एफटी में वोल्टेज बढ़ जाता है (कुछ मामलों में 30 गुना से अधिक, अतिरिक्त चित्र 7.2 देखें), एमएलके एफटी डिस्चार्ज हो जाता है (वी = 0), और विद्युत ऊर्जा उसी के लिए उनमें संग्रहीत होती है चूँकि वे प्रारंभिक प्रभार हैं।वही वर्तमान पत्राचार मीटर-स्रोत पर वापस कर दिया जाता है।वोल्टेज लाभ के कारण, उच्च तापमान पर संग्रहीत ऊर्जा चक्र की शुरुआत में प्रदान की गई ऊर्जा से अधिक है।परिणामस्वरूप, ऊष्मा को बिजली में परिवर्तित करके ऊर्जा प्राप्त की जाती है।
पीएसटी एमएलसी पर लागू वोल्टेज और करंट की निगरानी के लिए हमने कीथली 2410 सोर्समीटर का उपयोग किया।संबंधित ऊर्जा की गणना कीथली के स्रोत मीटर द्वारा पढ़े गए वोल्टेज और करंट के उत्पाद को एकीकृत करके की जाती है, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ बाएँ(t\ दाएँ){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), जहाँ τ आवर्त की अवधि है।हमारे ऊर्जा वक्र पर, सकारात्मक ऊर्जा मूल्यों का मतलब वह ऊर्जा है जो हमें एमएलसी पीएसटी को देनी है, और नकारात्मक मूल्यों का मतलब वह ऊर्जा है जो हम उनसे निकालते हैं और इसलिए प्राप्त ऊर्जा।किसी दिए गए संग्रह चक्र की सापेक्ष शक्ति एकत्रित ऊर्जा को पूरे चक्र की अवधि τ से विभाजित करके निर्धारित की जाती है।
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हम एमएलसी बनाने में उनकी मदद के लिए एन. फुरुसावा, वाई. इनौए और के. होंडा को धन्यवाद देते हैं।PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB और ED CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- के माध्यम से इस काम का समर्थन करने के लिए लक्ज़मबर्ग नेशनल रिसर्च फाउंडेशन (FNR) को धन्यवाद। सीबेंट्रिट, थर्मोडिमैट C20/MS/14718071/Defay और BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay।
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