持続可能な電力源を提供することは、今世紀の最も重要な課題の 1 つです。熱電1、太陽光発電2、熱光起電力3など、エネルギーハーベスティング材料の研究分野はこの動機から生まれています。ジュール範囲のエネルギーを収集できる材料やデバイスはありませんが、電気エネルギーを周期的な温度変化に変換できる焦電材料は、センサー 4 およびエネルギー収集装置 5、6、7 と考えられています。ここで我々は、熱力学的サイクルごとに 11.2 J の電気エネルギーを生成する、42 グラムのタンタル酸スカンジウム鉛で作られた多層コンデンサの形をした巨視的な熱エネルギーハーベスターを開発しました。各焦電モジュールは、サイクルごとに最大 4.43 J cm-3 の電気エネルギー密度を生成できます。また、マイクロコントローラーと温度センサーが組み込まれた自律型エネルギーハーベスターに継続的に電力を供給するには、重さ 0.3 g のこのようなモジュール 2 つで十分であることも示します。最後に、10 K の温度範囲で、これらの多層コンデンサが 40% のカルノー効率に達できることを示します。これらの特性は、(1) 高効率を実現する強誘電体相変化、(2) 損失を防ぐ低リーク電流、および (3) 高い降伏電圧によるものです。これらの巨視的でスケーラブルで効率的な焦電発電ハーベスタは、熱電発電を再考しています。
熱電材料に必要な空間温度勾配と比較して、熱電材料のエネルギーハーベスティングには時間の経過に伴う温度サイクルが必要です。これは熱力学サイクルを意味し、エントロピー (S) と温度 (T) の図で最もよく説明されます。図 1a は、タンタル酸スカンジウム鉛 (PST) における電場駆動の強誘電体 - 常誘電体相転移を示す非線形焦電 (NLP) 材料の典型的な ST プロットを示しています。ST ダイアグラム上のサイクルの青と緑のセクションは、オルソン サイクルで変換された電気エネルギーに対応します (2 つの等温セクションと 2 つの等極セクション)。ここでは、初期温度は異なるものの、同じ電場の変化 (場のオンとオフ) と温度変化 ΔT が変化する 2 つのサイクルを考えます。緑色のサイクルは相転移領域に位置しないため、相転移領域に位置する青色のサイクルよりも面積がはるかに小さくなります。ST 線図では、面積が大きいほど、収集されるエネルギーが大きくなります。したがって、相転移ではより多くのエネルギーを収集する必要があります。NLP における大面積サイクリングのニーズは、PST 多層コンデンサ (MLC) と PVDF ベースのターポリマーが最近優れた逆性能を示している電熱用途のニーズと非常に似ています 9、10、11、12。サイクル 13、14、15、16 の冷却性能ステータス。したがって、熱エネルギーハーベスティングに関心のある PST MLC を特定しました。これらのサンプルについては、補足説明 1 (走査型電子顕微鏡)、2 (X 線回折)、および 3 (熱量測定) でメソッドと特徴付けが詳しく説明されています。
a、相転移を示す NLP 材料に電場をオンおよびオフで適用した場合のエントロピー (S) と温度 (T) プロットのスケッチ。2 つの異なる温度ゾーンでの 2 つのエネルギー収集サイクルが示されています。青と緑のサイクルは、それぞれ相転移の内側と外側で発生し、表面のまったく異なる領域で終了します。b、20 °C および 90 °C でそれぞれ 0 ～ 155 kV cm-1 の間で測定された厚さ 1 mm の 2 つの DE PST MLC 単極リング、および対応するオルセン サイクル。文字 ABCD は、オルソン サイクルのさまざまな状態を指します。AB: MLC を 20°C で 155 kV cm-1 まで充電しました。BC: MLC を 155 kV cm-1 に維持し、温度を 90 °C に上昇させました。CD: MLC は 90°C で放電します。DA: ゼロ磁場で 20°C に冷却された MLC。青色の領域は、サイクルを開始するために必要な入力電力に対応します。オレンジ色の領域は 1 サイクルで収集されたエネルギーです。c、上部パネル、電圧 (黒) と電流 (赤) 対時間、b と同じオルソン サイクル中に追跡。2 つの挿入は、サイクルの重要なポイントでの電圧と電流の増幅を表します。下のパネルでは、黄色と緑色の曲線が、それぞれ厚さ 1 mm の MLC の対応する温度とエネルギー曲線を表しています。エネルギーは、上部パネルの電流と電圧の曲線から計算されます。負のエネルギーは集められたエネルギーに対応します。4 つの図の大文字に対応するステップは、オルソン サイクルと同じです。サイクルAB'CDはスターリングサイクルに相当します（追記7）。
ここで、E と D はそれぞれ電場と電気変位場です。Nd は、DE 回路から間接的に (図 1b)、または熱力学サイクルを開始することによって直接取得できます。最も有用な方法は、1980 年代の焦電エネルギーの収集に関するオルセンの先駆的な研究の中で説明されています17。
図上。図1bは、0〜155 kV cm-1 (600 V)の範囲にわたって、それぞれ20℃および90℃で組み立てられた厚さ1 mmのPST-MLC試験片の2つの単極DEループを示しています。これら 2 つのサイクルを使用して、図 1a に示すオルソン サイクルによって収集されるエネルギーを間接的に計算できます。実際、オルセンサイクルは 2 つの等磁場ブランチ (ここでは、DA ブランチのゼロ磁場と BC ブランチの 155 kV cm-1) と 2 つの等温ブランチ (ここでは、AB ブランチの 20°С と 20°С) で構成されています。 。CD ブランチの C) サイクル中に収集されたエネルギーは、オレンジ色と青色の領域に対応します (EdD 積分)。収集されたエネルギー Nd は、入力エネルギーと出力エネルギーの差、つまり図のオレンジ色の領域のみです。1b.この特定のオルソン サイクルでは、1.78 J cm-3 の Nd エネルギー密度が得られます。スターリング サイクルはオルソン サイクルの代替です (補足 7)。定充電段階 (開回路) に容易に到達できるため、図 1b (サイクル AB'CD) から抽出されるエネルギー密度は 1.25 J cm-3 に達します。これはオルソンサイクルで収集できるものの 70% にすぎませんが、単純な収集装置でそれを実現します。
さらに、Linkam 温度制御ステージとソース メーター (方法) を使用して PST MLC に通電することにより、オルソン サイクル中に収集されたエネルギーを直接測定しました。図 1c の上部とそれぞれの挿入図は、同じオルソン サイクルを通過する DE ループと同じ厚さ 1 mm の PST MLC 上で収集された電流 (赤) と電圧 (黒) を示しています。電流と電圧により、収集されたエネルギーを計算できます。曲線は図に示されています。1c、サイクル全体の底部 (緑色) と温度 (黄色)。文字 ABCD は、図 1 の同じオルソン サイクルを表します。MLC 充電は AB レッグ中に発生し、低電流 (200 µA) で実行されるため、SourceMeter は充電を適切に制御できます。この一定の初期電流の結果、非線形の電位変位場 D PST により電圧曲線 (黒い曲線) が線形ではなくなります (図 1c、上部挿入図)。充電終了時、30 mJ の電気エネルギーが MLC に蓄積されます (ポイント B)。次に、MLC が加熱し、電圧が 600 V に保たれている間、負の電流 (したがって、負の電流) が生成されます。40 秒後、温度が 90 °C のプラトーに達すると、この電流は補償されますが、ステップ サンプルはこの等磁場中に回路内で 35 mJ の電力が生成されます (図 1c の 2 番目の挿入図、上)。次に、MLC (分岐 CD) の電圧が低下し、追加の 60 mJ の電気仕事が発生します。総出力エネルギーは 95 mJ です。収集されたエネルギーは入力エネルギーと出力エネルギーの差であり、95 – 30 = 65 mJ となります。これは 1.84 J cm-3 のエネルギー密度に相当し、DE リングから抽出された Nd に非常に近い値です。このオルソンサイクルの再現性は広範囲にテストされています（補足注4）。電圧と温度をさらに高めることにより、厚さ0.5 mmのPST MLCでオルセンサイクルを使用し、750 V（195 kV cm-1）および175 °Cの温度範囲にわたって4.43 J cm-3を達成しました（補足注5）。これは、文献で報告されている直接オルソンサイクルの最高性能の 4 倍であり、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1.06 J cm-3)18 (cm ) の薄膜で得られました。文献内のその他の値については表 1 を参照してください)。 この性能は、これらの MLC の非常に低い漏れ電流 (750 V および 180 °C で <10−7 A、詳細は補足ノート 6 を参照) によって達成されました。これは、Smith ら 19 によって言及された重要な点です。以前の研究で使用された資料17、20。 この性能は、これらの MLC の非常に低い漏れ電流 (750 V および 180 °C で <10−7 A、詳細は補足ノート 6 を参照) によって達成されました。これは、Smith ら 19 によって言及された重要な点です。以前の研究で使用された資料17、20。 Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подро) 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др.19 — Потличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. これらの特性は、これらの MLC の非常に低い漏れ電流 (750 V および 180 °C で <10–7 A、詳細については補足ノート 6 を参照) によって達成されました。これは、Smith et al. が言及した重要な点です。19 – 以前の研究で使用された材料とは対照的です17、20。これらの MLC の漏れ電流は非常に低いため (750 V および 180 °C で <10-7 A、充電説明 6 中の詳細情報を参照) ——Smith ら 19 が指摘した重要点 —— 比較以下このような性能を実現するために、初期の研究で使用される材料が開発されている17,20。これらのmlcの漏洩は非常に大きいため（750 Vおよび180 °Cでの場合<10-7 A、詳細説明6の中間情報を参照））））） — 等 19 指摘点 相比以下相比次下 相比下下 相比之下 相比下下 相比下下 相比下下 相比之下 相比下下 相比下下 相比下下 相比下下 相比下下 相比之下相比以下 相比以下 相比以下 相比以下 相比以下 相比以下 初期の研究で使用された材料 17.20 でこのような性能が達成されました。 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 и др.19 — 日、日、日。 これらの MLC の漏れ電流は非常に低いため (750 V、180 °C で <10–7 A、詳細については補足注 6 を参照)、Smith et al. が言及した重要な点です。19 – 比較のために、これらのパフォーマンスは達成されました。以前の研究で使用された資料17、20。
同じ条件 (600 V、20 ～ 90 °C) がスターリング サイクルに適用されました (補足注 7)。DE サイクルの結果から予想されるように、収量は 41.0 mJ でした。スターリング サイクルの最も顕著な特徴の 1 つは、熱電効果によって初期電圧を増幅する能力です。最大 39 の電圧ゲインが観察されました (15 V の初期電圧から最大 590 V の終了電圧まで、補足図 7.2 を参照)。
これらの MLC のもう 1 つの際立った特徴は、それらがジュール範囲のエネルギーを収集するのに十分な大きさの巨視的物体であることです。したがって、我々は、図に示すように、Torello et al.14 によって説明されているのと同じ平行プレート設計に従って、厚さ 1 mm の 28 個の MLC PST を使用して 7×4 マトリックスでプロトタイプハーベスター (HARV1) を構築しました。マニホールドは、流体温度が一定に保たれる 2 つのリザーバーの間で蠕動ポンプによって移動されます (方法)。図 1 に示すオルソン サイクルを使用して、最大 3.1 J を収集します。図２ａは、１０℃および１２５℃の等温領域と、０Ｖおよび７５０Ｖ（１９５ｋＶｃｍ−１）の等電界領域である。これは、3.14 J cm-3 のエネルギー密度に相当します。このコンバインを使用して、さまざまな条件で測定を行いました（図2b）。80 °C の温度範囲および 600 V (155 kV cm-1) の電圧で 1.8 J が得られたことに注意してください。これは、同じ条件 (28 × 65 = 1820 mJ) での厚さ 1 mm の PST MLC の前述の 65 mJ とよく一致しています。
a、オルソンサイクルで実行される厚さ1mmの28個のMLC PST（4行×7列）に基づく組み立てられたHARV1プロトタイプの実験セットアップ。4 つのサイクル ステップのそれぞれについて、温度と電圧がプロトタイプに提供されます。コンピューターは、低温リザーバーと高温リザーバー、2 つのバルブ、および電源の間で誘電性流体を循環させる蠕動ポンプを駆動します。また、コンピューターは熱電対を使用して、プロトタイプに供給される電圧と電流、および電源からコンバインの温度に関するデータを収集します。b. 4×7 MLC プロトタイプによって収集されたエネルギー (色) と、さまざまな実験における温度範囲 (X 軸) および電圧 (Y 軸) の関係。
厚さ1 mmの60 PST MLCおよび厚さ0.5 mmの160 PST MLC（活性焦電材料41.7 g）を備えた大型バージョンのハーベスター（HARV2）では、11.2 Jが得られました（補足注8）。1984 年、オルセンは、約 150 °C の温度で 6.23 J の電気を生成できる、スズドープ Pb(Zr,Ti)O3 化合物 317 g をベースにしたエネルギーハーベスタを製造しました (参考文献 21)。この組み合わせでは、ジュール範囲で使用できる他の値はこれだけです。私たちが達成した価値の半分強、品質はほぼ 7 倍になりました。これは、HARV2 のエネルギー密度が 13 倍高いことを意味します。
HARV1 サイクル期間は 57 秒です。これにより、厚さ 1 mm の MLC セットの 4 行 7 列で 54 mW の電力が生成されました。さらに一歩進めるために、厚さ0.5mmのPST MLCとHARV1およびHARV2と同様のセットアップを備えた3番目のコンバイン（HARV3）を構築しました（補足注9）。熱処理時間は 12.5 秒と測定されました。これは、25 秒のサイクル時間に相当します (補足図 9)。収集されたエネルギー (47 mJ) は、MLC あたり 1.95 mW の電力を与えます。これにより、HARV2 は 0.55 W (約 1.95 mW × 280 PST MLC、厚さ 0.5 mm) を生成すると想像できます。さらに、HARV1 実験に対応する有限要素シミュレーション (COMSOL、補足ノート 10 および補足表 2 ～ 4) を使用して熱伝達をシミュレーションしました。有限要素モデリングにより、MLC を 0.2 mm に薄くし、水を冷却剤として使用し、マトリックスを 7 列に戻すことで、同じ数の PST 列に対してほぼ 1 桁高い電力値 (430 mW) を予測することが可能になりました。 。× 4 列（ に加えて、タンクがコンバインの隣にあるときは 960 mW がありました、補足図 10b）。
このコレクタの有用性を実証するために、熱コレクタとして厚さ 0.5 mm の PST MLC を 2 つだけ備えたスタンドアロン デモンストレータ、高電圧スイッチ、蓄電コンデンサ付きの低電圧スイッチ、DC/DC コンバータにスターリング サイクルが適用されました。 、低電力マイクロコントローラー、2 つの熱電対、および昇圧コンバーター (補足注 11)。この回路では、ストレージコンデンサが最初に9Vで充電され、その後2つのMLCの温度が-5°Cから85°Cの範囲である間、ここでは160秒のサイクルで自律的に動作する必要があります（いくつかのサイクルは補足ノート11に示されています）。 。驚くべきことに、重量わずか 0.3g の 2 つの MLC がこの大規模システムを自律的に制御できます。もう 1 つの興味深い特徴は、低電圧コンバータが 79% の効率で 400V を 10 ～ 15V に変換できることです (補足ノート 11 および補足図 11.3)。
最後に、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する際のこれらの MLC モジュールの効率を評価しました。効率の品質係数 η は、収集された電気エネルギーの密度 Nd と供給される熱の密度 Qin の比として定義されます (補足 12)。
図3a、bは、それぞれオルセンサイクルの効率ηと比例効率ηrを、厚さ0.5mmのPST MLCの温度範囲の関数として示しています。両方のデータセットは、195 kV cm-1 の電場に対して与えられています。効率 \(\this\) は 1.43% に達します。これは ηr の 18% に相当します。ただし、25℃から35℃までの10Kの温度範囲では、ηrは最大40％の値に達します（図3bの青い曲線）。これは、10 K および 300 kV cm-1 の温度範囲で PMN-PT フィルムに記録された NLP 材料の既知の値 (ηr = 19%) の 2 倍です (参考文献 18)。PST MLC の熱ヒステリシスは 5 ～ 8 K であるため、10 K 未満の温度範囲は考慮されていません。効率に対する相転移のプラスの効果を認識することが重要です。実際、図 1 と図 2 では、η と ηr の最適値はほぼすべて初期温度 Ti = 25°C で得られます。3a、b。これは、磁場が印加されていないときの相転移が近く、これらの MLC ではキュリー温度 TC が約 20 °C であるためです (補足 13)。
a、b、効率 η およびオルソン サイクルの比例効率 (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}温度間隔ΔTspanに応じて、厚さ0.5 mmのMPC PSTの場合、195 kV cm-1の磁場およびさまざまな初期温度Ti、}}\,\)(b)による最大電力の場合。
後者の観察には 2 つの重要な意味があります。(1) 電場誘起相転移 (常誘電体から強誘電体) が起こるには、効果的なサイクリングは TC を超える温度で開始する必要があります。(2) これらの材料は、TC に近い実行時間でより効率的です。私たちの実験では大規模な効率が示されていますが、カルノー限界 (\(\Delta T/T\)) により、限られた温度範囲では大きな絶対効率を達成することはできません。しかし、これらの PST MLC によって実証された優れた効率は、オルセン氏が「50 °C ～ 250 °C の温度で動作する理想的なクラス 20 回生熱電モーターは 30% の効率を実現できる」と述べ、正当化します 17。これらの値に到達してコンセプトをテストするには、Shebanov と Borman が研究したように、さまざまな TC を含むドープ PST を使用すると便利です。彼らは、PST の TC が 3℃ (Sb ドーピング) から 33℃ (Ti ドーピング) まで変化し得ることを示しました 22 。したがって、ドープされた PST MLC または強力な一次相転移を有するその他の材料をベースにした次世代焦電再生装置は、最高のパワーハーベスターと競合できると仮説を立てています。
この研究では、PST から作られた MLC を調査しました。これらのデバイスは一連の Pt 電極と PST 電極で構成されており、複数のコンデンサが並列に接続されています。PST が選択されたのは、PST が優れた EC 材料であり、したがって潜在的に優れた NLP 材料であるためです。この MLC は、20 °C 付近で鋭い一次強誘電体 - 常誘電体相転移を示し、そのエントロピー変化が図 1 に示すものと同様であることを示しています。同様の MLC は、EC13、14 デバイスについて詳しく説明されています。この研究では、10.4 × 7.2 × 1 mm³ および 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ の MLC を使用しました。厚さ 1 mm と 0.5 mm の MLC は、それぞれ厚さ 38.6 μm の 19 層と 9 層の PST から作られました。どちらの場合も、内側の PST 層は厚さ 2.05 μm の白金電極の間に配置されました。これらの MLC の設計では、電極間の部分に対応する PST の 55% がアクティブであると想定しています (補足注 1)。活性電極面積は 48.7 mm2 でした (補足表 5)。MLC PSTは固相反応およびキャスティング法により製造されました。準備プロセスの詳細は以前の記事で説明されています14。PST MLC と前回の記事の違いの 1 つは、PST における EC のパフォーマンスに大きな影響を与える B サイトの順序です。PST MLC の B サイトの次数は 0.75 (補足注 2) であり、1400 °C で焼結し、その後 1000 °C で数百時間のアニーリングを行うことによって得られます。PST MLC の詳細については、補足ノート 1 ～ 3 および補足表 5 を参照してください。
この研究の主な概念はオルソンサイクルに基づいています（図1）。このようなサイクルでは、高温および低温のリザーバーと、さまざまな MLC モジュールの電圧と電流を監視および制御できる電源が必要です。これらの直接サイクルでは、2 つの異なる構成が使用されました。つまり、(1) Keithley 2410 電源に接続された 1 つの MLC を加熱および冷却する Linkam モジュールと、(2) 同じ電源エネルギーで並列に接続された 3 つのプロトタイプ (HARV1、HARV2、および HARV3) です。後者の場合、誘電性流体 (25℃で粘度 5 cP のシリコーン オイル、Sigma Aldrich から購入) を 2 つのリザーバー (高温および低温) と MLC の間の熱交換に使用しました。熱リザーバは、誘電性流体で満たされ、サーマル プレートの上に置かれたガラス容器で構成されています。冷蔵倉庫は、水と氷で満たされた大きなプラスチック容器内に誘電性流体を含む液体チューブを備えたウォーターバスで構成されます。2 つの 3 方向ピンチ バルブ (Bio-Chem Fluidics から購入) をコンバインの両端に配置し、流体を 1 つのリザーバーから別のリザーバーに適切に切り替えました (図 2a)。PST-MLC パッケージと冷却剤の間の熱平衡を確保するために、入口熱電対と出口熱電対 (PST-MLC パッケージにできるだけ近い) が同じ温度を示すまでサイクル期間を延長しました。Python スクリプトは、すべての機器 (ソース メーター、ポンプ、バルブ、熱電対) を管理および同期して、正しいオルソン サイクルを実行します。つまり、ソース メーターが充電された後、冷却剤ループが PST スタックを介して循環を開始し、希望の温度で加熱されます。与えられたオルソンサイクルに対する印加電圧。
あるいは、収集されたエネルギーのこれらの直接測定を間接的な方法で確認しました。これらの間接的な方法は、異なる温度で収集された電気変位 (D) – 電場 (E) フィールド ループに基づいており、2 つの DE ループ間の面積を計算することで、図に示すように収集できるエネルギー量を正確に推定できます。 。図2.1b。これらの DE ループも Keithley ソースメーターを使用して収集されます。
参考文献に記載されている設計に従って、28 個の 1 mm 厚の PST MLC を 4 行 7 列の平行プレート構造に組み立てました。14. PST-MLC 列間の流体ギャップは 0.75mm です。これは、PST MLC の端の周りに液体スペーサーとして両面テープのストリップを追加することで実現されます。PST MLC は、電極リード線と接触する銀エポキシ ブリッジと電気的に並列に接続されています。その後、電源に接続するための電極端子の両側にワイヤーを銀エポキシ樹脂で接着しました。最後に、構造全体をポリオレフィン ホースに挿入します。後者は適切なシールを確保するために流体チューブに接着されています。最後に、厚さ 0.25 mm の K 型熱電対を PST-MLC 構造の各端に組み込み、入口と出口の液体温度を監視しました。これを行うには、まずホースに穴を開ける必要があります。熱電対を取り付けた後、熱電対ホースとワイヤの間に以前と同じ接着剤を塗布し、シールを回復します。
8 つの別々のプロトタイプが構築され、そのうち 4 つは 5 列 8 行の平行プレートとして配置された 0.5 mm 厚の MLC PST 40 枚を備え、残りの 4 つはそれぞれ 15 枚の 1 mm 厚 MLC PST を備えていました。3列×5列の平行平板構造。使用した PST MLC の総数は 220 (厚さ 0.5 mm の PST MLC 160 個と厚さ 1 mm の PST MLC 60 個) でした。これら 2 つのサブユニットを HARV2_160 および HARV2_60 と呼びます。プロトタイプ HARV2_160 の液体ギャップは、厚さ 0.25 mm の 2 枚の両面テープとそれらの間にある厚さ 0.25 mm の両面テープで構成されています。HARV2_60 プロトタイプでは、同じ手順を繰り返しましたが、厚さ 0.38 mm のワイヤを使用しました。対称性を保つために、HARV2_160 と HARV2_60 には独自の流体回路、ポンプ、バルブ、コールド側があります (補足注 8)。2 台の HARV2 ユニットは、回転磁石を備えた 2 つのホットプレート上の 3 リットル容器 (30 cm x 20 cm x 5 cm) である蓄熱器を共有します。8 つの個別のプロトタイプはすべて電気的に並列接続されています。HARV2_160 および HARV2_60 サブユニットはオルソン サイクルで同時に動作し、11.2 J のエネルギー ハーベスティングをもたらします。
厚さ 0.5 mm の PST MLC を両面テープとワイヤーでポリオレフィン ホースに配置し、液体が流れるスペースを作ります。サイズが小さいため、プロトタイプはホットまたはコールド リザーバー バルブの隣に配置され、サイクル タイムが最小限に抑えられました。
PST MLC では、加熱ブランチに一定の電圧を印加することによって一定の電場が適用されます。その結果、負の熱流が発生し、エネルギーが蓄えられます。PST MLC を加熱した後、場が除去され (V = 0)、そこに蓄積されたエネルギーがソース カウンタに戻されます。これは、収集されたエネルギーのもう 1 つの寄与に相当します。最後に、電圧 V = 0 を印加すると、MLC PST は初期温度まで冷却され、サイクルが再開できるようになります。この段階では、エネルギーは収集されません。Keithley 2410 SourceMeter を使用して Olsen サイクルを実行し、PST MLC を電圧源から充電し、電流一致を適切な値に設定して、信頼性の高いエネルギー計算のために充電段階で十分なポイントが収集されるようにしました。
スターリング サイクルでは、充電ステップに約 1 秒かかるように、PST MLC を電圧源モードで初期電界値 (初期電圧 Vi > 0)、所望のコンプライアンス電流で充電しました (そして、信頼性の高い計算に十分なポイントが収集されました)エネルギー）と低温。 スターリング サイクルでは、充電ステップに約 1 秒かかるように、PST MLC を電圧源モードで初期電界値 (初期電圧 Vi > 0)、所望のコンプライアンス電流で充電しました (そして、信頼性の高い計算に十分なポイントが収集されました)エネルギー）と低温。 В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (нач) альное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное коли) чество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура. スターリング PST MLC サイクルでは、電界の初期値 (初期電圧 Vi > 0)、所望の降伏電流で電圧源モードで充電されたため、充電段階には約 1 秒 (および十分な時間がかかります)信頼性の高いエネルギー計算のためにポイントの数が収集されます）と低温。イエス・キリストのサイクルでは、PST MLC が電源モードで初期電圧値 (初期電圧 Vi > 0) で充電され、必要な充電電流によって充電ステップに約 1 秒かかります (また、適切に計算できるように十分なポイントが収集されています)。エネルギー）と低温。 マスターサイクルでは、PST MLC は電圧源モードの初期電界値 (初期電圧 Vi > 0) で充電されるため、必要なコンプライアンス電流は充電ステップに約 1 秒かかります (そして、十分なポイントを収集しました) （エネルギー）と低温を確実に計算します。 В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (началь) ное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное коли) чество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие температуры 。 スターリング サイクルでは、PST MLC は、電界の初期値 (初期電圧 Vi > 0) を使用して電圧源モードで充電されます。必要なコンプライアンス電流は、充電段階に約 1 秒 (および十分な秒数) かかるようなものです。エネルギーを確実に計算するためにポイントの数が収集されます）と低温。PST MLC が加熱する前に、I = 0 mA のマッチング電流を適用して回路を開きます (測定源が処理できる最小マッチング電流は 10 nA)。その結果、MJK の PST に電荷が残り、サンプルが加熱されると電圧が増加します。I = 0 mA であるため、アーム BC にはエネルギーが収集されません。高温に達すると、MLT FT の電圧が増加し (場合によっては 30 倍以上、追加の図 7.2 を参照)、MLK FT が放電され (V = 0)、電気エネルギーがそれらに蓄積されます。初期料金となりますので。同じ現在の対応がメーターソースに返されます。電圧利得により、高温での蓄積エネルギーはサイクルの開始時に供給されたエネルギーよりも高くなります。したがって、熱を電気に変換することでエネルギーが得られます。
Keithley 2410 SourceMeter を使用して、PST MLC に印加される電圧と電流を監視しました。対応するエネルギーは、ケースレーのソースメーターで読み取った電圧と電流の積を積分することで計算されます、\ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\)、ここで τ は周期です。エネルギー曲線では、正のエネルギー値は MLC PST に与えなければならないエネルギーを意味し、負の値は MLC PST から抽出するエネルギー、つまり受信したエネルギーを意味します。特定の収集サイクルの相対電力は、収集されたエネルギーをサイクル全体の期間 τ で割ることによって決定されます。
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Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EC、Ehrler, B. & Sinke, WC 太陽光発電材料: 現在の効率と将来の課題。 Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EC、Ehrler, B. & Sinke, WC 太陽光発電材料: 現在の効率と将来の課題。Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EK、Ehrler, B.、および Sinke, VK 太陽光発電材料: 現在のパフォーマンスと将来の課題。 Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EC、Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料：現在の効率と将来の挑戦。 Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EC、Ehrler, B. & Sinke, WC 太陽電池材料: 現在の効率と将来の課題。Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EK、Ehrler, B.、および Sinke, VK 太陽光発電材料: 現在のパフォーマンスと将来の課題。サイエンス 352、aad4424 (2016)。
Song, K.、Zhao, R.、Wang, ZL & Yang, Y. 自己給電による温度と圧力の同時検出のための結合焦電圧電効果。 Song, K.、Zhao, R.、Wang, ZL & Yang, Y. 自己給電による温度と圧力の同時検出のための結合焦電圧電効果。Song K.、Zhao R.、Wang ZL、Yan Yu。熱圧電効果を組み合わせて、温度と圧力を自律的に同時に測定します。 Song, K.、Zhao, R.、Wang, ZL、Yang, Y. は、温度と圧力を同時に伝達する結合熱圧力効果を研究しました。 Song, K.、Zhao, R.、Wang, ZL & Yang, Y. 温度と圧力と同時に自己発電する場合。Song K.、Zhao R.、Wang ZL、Yan Yu。熱圧電効果を組み合わせて、温度と圧力を自律的に同時に測定します。フォワード。母校 31、1902831 (2019)。
Sebald, G.、Pruvost, S.、Guyomar, D. リラクサー強誘電セラミックにおけるエリクソン焦電サイクルに基づくエネルギーハーベスティング。 Sebald, G.、Pruvost, S.、Guyomar, D. リラクサー強誘電セラミックにおけるエリクソン焦電サイクルに基づくエネルギーハーベスティング。Sebald G.、Prouvost S.、および Guyomar D. リラクサー強誘電セラミックスの焦電エリクソン サイクルに基づくエネルギー ハーベスティング。Sebald G.、Prouvost S.、および Guyomar D. エリクソン焦電サイクルに基づくリラクサー強誘電体セラミックにおけるエネルギー収集。賢い母校。構造。17、15012 (2007)。
Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q. & Whatmore, RW 固体電熱エネルギー相互変換のための次世代電気熱量材料および焦電材料。 Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q. & Whatmore, RW 固体電熱エネルギー相互変換のための次世代電気熱量材料および焦電材料。 アルペイ、SP、マンティース、J.、トロリエ・マッキンストリー、S.、チャン、Q. & ワットモア、RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимног о преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q. & Whatmore, RW 固体電熱エネルギー相互変換のための次世代電気熱量材料および焦電材料。 Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q. & Whatmore, RW は、相互変換可能な固体電気熱および熱伝導性材料に使用されました。 アルペイ、SP、マンテーゼ、J.、トロリエ・マッキンストリー、S.、チャン、Q.、ワットモア、RW アルペイ、SP、マンティース、J.、トロリエ・マッキンストリー、S.、チャン、Q. & ワットモア、RW Электрокалорические и пироэлектрические материалы следующего поколения для взаимног о преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q. & Whatmore, RW 固体電熱エネルギー相互変換のための次世代電気熱量材料および焦電材料。レディ・ブル。39、1099–1109 (2014)。
Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL & Yang, Y. 焦電ナノ発電機の性能を定量化するための標準および性能指数。 Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL & Yang, Y. 焦電ナノ発電機の性能を定量化するための標準および性能指数。Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL、Yang, Yu。焦電ナノ発電機の性能を定量化するための標準および品質スコア。 Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL、Yang, Y. は、ホットエレクトロニクス発電機の性能の基準と品目を数値化するために使用しました。 Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL、Yang, Y.Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL、Yang, Yu。焦電ナノ発電機の性能を定量化するための基準と性能尺度。ナノエネルギー 55、534–540 (2019)。
Crossley, S.、Nair, B.、Whatmore, RW、Moya, X. & Mathur, ND 場の変化による真の再生を伴うタンタル酸スカンジウム鉛の電気熱量冷却サイクル。 Crossley, S.、Nair, B.、Whatmore, RW、Moya, X. & Mathur, ND 場の変化による真の再生を伴うタンタル酸スカンジウム鉛の電気熱量冷却サイクル。Crossley, S.、Nair, B.、Watmore, RW、Moya, X.、Mathur, ND フィールド修飾による真の再生を伴うタンタル酸鉛スカンジウムの電気熱量冷却サイクル。 Crossley, S.、Nair, B.、Whatmore, RW、Moya, X. & Mathur, ND の钽酸钪铅の電気熱冷却サイクルは、現場での変換によって真正な再生を実現します。 Crossley, S.、Nair, B.、Whatmore, RW、Moya, X.、Mathur, ND。タンタル酸塩の電気は、セルの水、水、水、ガスをオンラインで要求します。Crossley, S.、Nair, B.、Watmore, RW、Moya, X.、Mathur, ND 磁場反転による真の再生のためのタンタル酸スカンジウム鉛の電熱冷却サイクル。物理学 Rev. X 9、41002 (2019)。
Moya, X.、Kar-Narayan, S. & Mathur, ND フェロイック相転移に近いカロリー物質。 Moya, X.、Kar-Narayan, S. & Mathur, ND フェロイック相転移に近いカロリー物質。Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND フェロイド相転移に近いカロリー物質。 Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND の近傍の熱材料。 Moya, X.、Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 鉄冶金に近い熱材料。Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND 鉄の相転移に近い熱材料。ナット。母校 13、439–450 (2014)。
Moya, X. & Mathur, ND 冷却と加熱のためのカロリー物質。 Moya, X. & Mathur, ND 冷却と加熱のためのカロリー物質。Moya, X. および Mathur, ND 冷却および加熱用の熱材料。 Moya, X.およびMathur, NDは、冷却および加熱するための熱材料を使用した。 Moya, X. & Mathur, ND 冷却および加熱用の熱材料。Moya X. および Mathur ND 冷却および加熱用の熱材料。サイエンス 370、797–803 (2020)。
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Olsen, RB & Brown, DD 熱を電気エネルギーに直接変換する高効率の焦電測定。 Olsen, RB & Brown, DD 熱から電気エネルギーへの高効率直接変換関連の焦電測定。Olsen, RB および Brown, DD 焦電測定に関連した熱の電気エネルギーへの高効率な直接変換。 Olsen, RB および Brown, DD は、熱量を電気エネルギーに関連する熱電圧に直接変換しました。 RB オルセン & DD ブラウンOlsen, RB および Brown, DD 焦電測定に関連した熱から電気への効率的な直接変換。強誘電体 40、17–27 (1982)。
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Smith, AN & Hanrahan, BM カスケード焦電変換: 強誘電体相転移と電気損失の最適化。 Smith, AN & Hanrahan, BM カスケード焦電変換: 強誘電体相転移と電気損失の最適化。Smith, AN および Hanrahan, BM カスケード焦電変換: 強誘電体相転移と電気損失の最適化。 Smith, AN と Hanrahan, BM は、熱電変換​​: 電気相と電力消費を促進します。 AN スミス & BM ハンラハンSmith, AN および Hanrahan, BM カスケード焦電変換: 強誘電体相転移と電気損失の最適化。J. アプリケーション。物理。128、24103 (2020)。
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MLC の作成にご協力いただいた古澤直樹氏、井上祐貴氏、本田圭佑氏に感謝いたします。PL、AT、YN、AA、JL、UP、VK、OB、ED CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay、MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- を通じてこの研究を支援してくださったルクセンブルク国立研究財団 (FNR) に感謝します。 Siebentritt、THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay および BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay。
ルクセンブルク工科大学材料研究技術部 (LIST)、ルクセンブルク、ベルボア