پیش‌نویس:تبدیل انرژی پیروالکتریک:

رویکرد جدید برای برداشت انرژی گرمایی 

مقدمه:

برداشت انرژی پیروالکتریک به چه چیزی نیاز دارد؟ 

برداشت گرمای هدر رفته برای مقاصد مفید یک جزء ضروری برای بهبود کارایی استفاده از انرژی اولیه است. امروزه رویکردهایی مانند تبدیل انرژی پیروالکتریک به دلیل توانایی خود در تبدیل انرژی هدر رفته به انرژی مفید مورد توجه مجدد قرار گرفته اند. از این منظر، نیاز به این رویکردها، مکانیسم‌ها و فرآیندهای اساسی زیربنای عملکرد آنها، و الزامات مواد و دستگاه‌های پشت تبدیل انرژی پیروالکتریک مورد بررسی قرار می‌گیرد و پتانسیل پیشرفت در این زمینه نیز مورد بحث قرار می‌گیرد.

فرآیندهای تولید برق با ناکارآمدی مواجه هستند و تقریباً دو سوم انرژی اولیه تولید شده به عنوان گرمای اتلاف را رد می کنند. بخش قابل توجهی از این ضایعات گرمای کم درجه (معمولاً زیر 100 تا 230 درجه سانتیگراد) است که هم در همه جا وجود دارد و هم کم استفاده می شود. با این حال، بازیابی این گرمای اتلاف برای تولید انرژی به دلیل راندمان ضعیف سیستم‌های برداشت انرژی که با تفاوت‌های دمایی کوچک که بسیار کمتر از حد اصلی کارنو هستند، محدود است. رویکردهای حالت جامد برای برداشت این انرژی، مانند thermoelectrics 2، عموماً توسط ارقام نسبتاً پایین شایستگی (FoM) برای تبدیل انرژی زیر 100 درجه سانتیگراد محدود می‌شوند. نشان داده شده است که چرخه های رانکین آلی مبتنی بر بخار (ORC) در مقیاس بزرگ مقرون به صرفه هستند، اما در توان های پایین به دلیل ناکارآمدی توربین، هزینه بالایی دارند. به نوبه خود، تحقیق به دلیل نیاز به توسعه تکنیک هایی است که گرمای اتلاف کم درجه را با کسرهای بالای کارایی کارنو تبدیل می کند. در اینجا، ما یک رویکرد برای انجام این کار را مورد بحث قرار می دهیم - تبدیل انرژی پیروالکتریک (PEC).
پیروالکتریک ها کلاسی از بلورهای قطبی غیرمتقارن را تشکیل می دهند که یک جفت ذاتی بین قطبش الکتریکی P را نشان می دهند.

و دمای T، به طوری که تغییر دما منجر به تغییر در گشتاور دوقطبی الکتریکی یا یک اثر پیروالکتریک (PE) می شود (شکل 1a)، که به طور کمی با ضریب پیروالکتریک، π=(∂P∂T) توصیف می شود.

. از آنجایی که پلی اتیلن به صورت یک تغییر وابسته به دما در چگالی بار سطحی ظاهر می شود، پلی اتیلن همچنین می تواند از طریق وابستگی به دما گذردهی دی الکتریک، کرنش ناشی از حرارت در مواد پیزوالکتریک و اثرات فلکسو الکتریک 7 از گرادیان های حرارتی در همه مواد تولید شود. 

فروالکتریک ها زیرمجموعه ای از پیرالکتریک ها هستند که می توانند قطبش را تحت یک میدان الکتریکی اعمال شده تغییر دهند و برخی از بزرگترین PE را در نزدیکی دمای انتقال فاز خود نشان دهند، بنابراین اغلب اساس دستگاه های PEC مدرن را تشکیل می دهند.
شماتیکی که اثر پیروالکتریک را به عنوان تغییر در قطبش با دما نشان می دهد. قطبش در مقابل مسیرهای میدان الکتریکی برای چرخه های b Carnot، C Stirling، d Brayton و e Ericsson (اولسن)است.

برخلاف ترموالکتریک‌ها که از گرادیان دمای مکانی استفاده می‌کنند، PEC به یک تغییر زمانی در دما نیاز دارد (∂T∂t) که باعث می شود که PEC در مواردی که ایجاد گرادیان دما دشوار است یا دمای منبع گرما در نوسان است بسیار مطلوب باشد. این تغییرات دما منجر به یک جریان پیرالکتریک ip=πAdTdt می شود، جایی که A مساحت دستگاه است، که به معنای مقیاس عملکرد با مساحت، نه حجم، یک ماده است. این واقعیت منجر به تعدادی از مزایای بالقوه برای دستگاه های مبتنی بر لایه نازک می شود و بنابراین انگیزه تمرکز ما را بر روی مواد در چنین هندسه هایی در اینجا ایجاد می کند. برای جمع آوری گرمای هدر رفته، یک دستگاه PEC از موتور حرارتی ترمودینامیکی تقلید می کند. قطبش مشابه حجم است و میدان الکتریکی مشابه فشار سیال عامل است. چرخه‌های ترمودینامیکی مختلفی برای PEC پیشنهاد شده‌اند و با مسیرهای قطبش در مقابل میدان الکتریکی

(P-E) متمایز می‌شوند. در حالی که می توان یک چرخه کارنو را متصور شد (به عنوان مثال، دو فرآیند آدیاباتیک (2→3، 4→1) و دو فرآیند همدما (1→2، 3→4)، شکل 1b)، تحقق پردازش آدیاباتیک در فروالکتریک است. دشوار است و این چرخه ها را غیرعملی می کند. استرلینگ (به عنوان مثال، دو فرآیند همدما (2→3، 4→1) و دو فرآیند همدما (1→2، 3→4)، شکل 1c)، برایتون (یعنی دو ایزوالکتریک (2→3، 4→1) و دو آدیاباتیک (1 → 2، 3 → 4)

فرآیندها، شکل 1d)، و چرخه های اریکسون (یا اولسن) (یعنی دو فرآیند همدما و ایزوالکتریک، شکل 1e)، بسته به هندسه نمونه و منبع حرارت، در موقعیت های مختلف استفاده می شوند. چرخه اولسن به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است و نشان داده شده است که برخی از بالاترین راندمان PEC را تولید می کند که به صورت زیر تعریف شده است:

η=∮EdP∫THTLC(T)dT+QECE≅∮EdP∫THTLC(T)dT

جایی که سی(T) ظرفیت گرمایی، TH (TL) دمای منبع گرما (هیت سینک)، ∮EdP کار الکتریکی خالص انجام شده (WE) و QECE کار الکتروکالری است. از آنجایی که تغییر آنتروپی ارتعاشی (مرتبط با ظرفیت گرمایی) معمولاً بسیار بزرگتر از تغییر آنتروپی دوقطبی است، کار الکتروکالری را می توان در مخرج معادله نادیده گرفت. (1)، که نشان دهنده گرمای ورودی است. بنابراین FoM برای PEC11 FoMPEC=π2TCε0εr است. بنابراین، یک راندمان بزرگ PEC مستلزم افزایش مستقل π و کاهش گذردهی دی الکتریک εr است.
مشتقات مرتبه دوم انرژی آزاد معمولاً در مجاورت انتقال فاز واگرا می شوند. بنابراین، قرار دادن مواد در آستانه انتقال فاز فروالکتریک به پاراالکتریک (دمای کوری، TC) به عنوان مسیری برای افزایش π ذاتی عمل می کند.

. در نتیجه، تلاش قابل توجهی بر روی تنظیم TC از طریق شیمی 12، فشار هیدرواستاتیکی 13، یا کرنش اپیتاکسیال 14 در مورد لایه های نازک متمرکز شده است. علاوه بر این، انتقال بین فازهای فروالکتریک مختلف می تواند منجر به چرخش پلاریزاسیون شود (به عنوان مثال، در نزدیکی مرز فاز مورفوتروپیک) که می تواند منجر به واگرایی در چگالی بار سطحی شود. ترتیب این انتقال فاز مهم است. انتقال‌های مرتبه اول، علی‌رغم داشتن یک تغییر شدید در قطبش نسبت به دما (π بزرگ)، با یک پسماند دمایی بیهوده همراه هستند که رژیم دمای عملیاتی را محدود می‌کند. انتقال‌های مرتبه دوم (معمولاً تحت یک بزرگ است

میدان الکتریکی و برای لایه‌های نازک گیره‌دار، پسماند حرارتی را دور می‌زنند، اما با قدر نسبتاً کمتری از π همراه هستند، و انتخاب نهایی مواد (اول در مقابل مرتبه دوم) را به طور مشترک با محدوده دمای عملیاتی بهینه می‌کنند. افزایش ثابت دی الکتریک و گرمای ویژه در اطراف انتقال فاز می تواند مزیت کلی هر گونه افزایش در π ذاتی را کاهش دهد.

همانطور که در معادله FoMPEC مشاهده می شود. افزایش چگالی توان دستگاه اغلب به استفاده از میدان های الکتریکی بالا نیاز دارد که همچنین تمایل دارند انتقال های مرتبه اول را کاهش دهند. اندازه‌گیری‌های مستقیم PE همچنین کاهش PEC را در میدان‌های الکتریکی پایین برای لایه‌های نازک چند دامنه‌ای نشان داده‌اند و اثرات غیر ذاتی می‌توانند همان مرتبه بزرگی اثرات ذاتی را داشته باشند.

اغتشاشات دما ساختار/نظم قطبی را نه تنها در سطح سلول واحد (یعنی پاسخ ذاتی) بلکه در سطح مزوسکوپیک (مانند ساختارهای دامنه) تغییر می دهد. کار قبلی روی لایه‌های نازک فروالکتریک چند دامنه‌ای نشان داده است که حرکت وابسته به دما حوزه‌های فروالاستیک می‌تواند منجر به افزایش PE از طریق به اصطلاح مشارکت‌های بیرونی شود. به نوبه خود، تحقیقات بر شناسایی سیستم‌هایی با ناپایداری‌های فاز ساختاری بزرگ و مهندسی ساختارهای حوزه جدید که به طور چشمگیری به دما پاسخ می‌دهند، متمرکز است. برای مثال، رقابت ناشی از دما بین فازهای گرداب قطبی فروالکتریک کلاسیک و حلقوی در ابرشبکه‌های PbTiO3/SrTiO318 و ساختارهای حوزه سلسله مراتبی فاز مختلط در PbZr1-xTixO319 چهارضلعی فرصت‌های هیجان‌انگیزی را برای افزایش مشارکت‌های بیرونی ارائه می‌دهد. لایه‌های نازک نیز به‌طور مکانیکی به زیرلایه‌شان چسبیده می‌شوند و عدم تطابق انبساط حرارتی بین لایه و زیرلایه منجر به کمک‌های ثانویه به PE می‌شود که توسط پیزوالکتریک واسطه می‌شوند. برخلاف سهم ذاتی، سهم ثانویه ممکن است منفی یا مثبت باشد، که PE را در مورد اول افزایش می‌دهد و در مورد دوم آن را سرکوب می‌کند. بر این اساس، استفاده از

معماری‌های ریز ساخته شده یا مستقل «بدون گیره» می‌تواند امکانات جدیدی را برای یک π بزرگ ارائه دهد.

همانطور که اشاره شد، PEC نیاز به اجرای چرخه های ترمودینامیکی با استفاده از یک دستگاه حالت جامد دارد. این دستگاه ها به طور کلی در اطراف یک خازن پیروالکتریک با ساختارهای کمکی اختصاص داده شده به مدیریت حرارتی/الکتریکی ساخته شده اند. ماده فعال در یک دستگاه PEC به شکل موج های الکتریکی و حرارتی جفت می شود و در نتیجه چرخه های شارژ  گرما    تخلیه  چرخه های خنک کننده که تولید کار الکتریکی برای هر چرخه ای (شکل 1b-e)، چرخه میدان الکتریکی با قدر زیاد به راحتی در دستگاه های لایه نازک به دست می آید و عمدتاً توسط تلفات الکتریکی شارژ-تخلیه محدود می شود که با فرکانس چرخه، مماس تلفات، دی الکتریک مقیاس می شود. تلفات الکتریکی ثابت و DC20. با این حال، تولید نوسانات دما چالش جالب تری را ارائه می دهد. این منجر به این می شود که دستگاه های PEC بر اساس ماهیت منابع حرارتی موجود به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: آنهایی که گرمایش دوره ای را از دو مخزن دمای ساکن القا می کنند (شکل 2a, b) و آنهایی که به یک منبع حرارتی منفرد و با زمان متغیر متصل می شوند. (شکل 2c). در هر دو مورد، دستگاه PEC را می توان برای حداکثر بازده، چگالی انرژی یا چگالی توان بهینه کرد. استفاده از میدان های الکتریکی بزرگ منجر به چگالی و بازده انرژی بالا می شود که همیشه توسط ηCarnot محدود می شود.

. با این حال، چگالی توان توسط ثابت ترکیبی الکتریکی و زمان حرارتی، τ، دستگاه PEC کنترل می‌شود، که در آن حداکثر توان Pmax=WEfmax=WE/τ و fmax حداکثر فرکانس چرخه است. ثابت زمان حرارتی می تواند بسیار بزرگتر از ثابت زمان الکتریکی باشد و بنابراین عامل محدود کننده در دستیابی به چگالی توان بزرگ است. نادیده گرفتن مقاومت تماس بین منبع گرما و دستگاه PEC، τthermal=L2/α، که در آن L و α به ترتیب ضخامت و انتشار حرارتی دستگاه هستند. نتیجه این است که Pmax=WE/τthermal∝1/L2

و بنابراین، دستگاه‌های لایه نازک21 ذاتاً چگالی توان بهتری نسبت به دستگاه‌های حجیم دارند. این اخیراً نشان داده شد، جایی که فروالکتریک های شل کننده لایه نازک 21 به چگالی توانی دست یافتند که 3 مرتبه بزرگتر از نسخه های حجیم22 است، علیرغم داشتن چگالی انرژی که تنها یک مرتبه بزرگتر است. با نگاه به آینده، به نظر می رسد که هندسه لایه نازک برای طراحی دستگاه PEC آینده امیدوار کننده است.
شکل 2: استراتژی های مختلف برای چرخه یک دستگاه تبدیل انرژی پیروالکتریک (PEC) بین منابع حرارتی:

یک دستگاه PEC که به طور مکانیکی بین منبع گرما و سینک چرخش می‌کند تا یک چرخه اریکسون را پیاده‌سازی کند. ب همین سیکل ترمودینامیکی را می توان با استفاده از کلیدهای حرارتی برای پمپ/تخلیه گرما به دستگاه PEC به دست آورد. c یک دستگاه PEC همراه با یک منبع حرارتی یک طرفه با دمای متناوب متغیر است.

علیرغم پیشرفت در چگالی انرژی و توان، کارهای زیادی باید انجام شود تا کارایی فرآیند PEC افزایش یابد. گرمای ویژه بالای مواد پیروالکتریک باعث جذب انرژی گرمایی بیشتری نسبت به انرژی دوقطبی الکتریکی می شود. اگرچه شبکه همیشه بر فیزیک تبدیل PEC غالب است، طرح‌های احیاکننده با استفاده از مخازن حرارتی چند مرحله‌ای برای کاهش کل گرمای ورودی و در نتیجه افزایش بازده پیشنهاد شده‌اند. با این حال، این دستگاه باید به صورت شبه کار کند. بنابراین، چگالی توان (و مطلوبیت) آسیب می بیند. بنابراین، محققان به جای جستجوی دستگاه‌های برگشت‌پذیر، بر چرخه‌های مختلف برداشت انرژی (به عنوان مثال، اریکسون و برایتون) تمرکز کرده‌اند تا عملکرد را به حداکثر برسانند. با این حال، تلاش‌های اخیر با در نظر گرفتن چرخه‌های ترکیبی حتی فراتر رفته است. با این روحیه، دستگاه‌های ترکیبی پیزو/پیروالکتریک حداکثر ولتاژ خروجی 23، 24، 25 بیشتری را نشان داده‌اند و برخی دیگر حتی لایه‌های نازکی ساخته‌اند که قادر به برداشت انرژی‌های خورشیدی، حرارتی و مکانیکی هستند.

چرخه های ترکیبی فرو-/ضد فروالکتریک در یک دستگاه واحد، با بهره گیری از ماهیت دو طرفه ضریب پیروالکتریک در این مواد، تحقق یافته اند. هدف این ژنراتورهای هیبریدی افزایش عملکرد دستگاه با یکپارچه‌سازی سیستم‌ها برای به حداکثر رساندن انرژی قابل استخراج بین دو درجه حرارت است. در رویکرد مرسوم PEC، چندین فرصت برای بهبود عملکرد وجود دارد. حداقل نیاز به طراحی هدفمند از مواد متناسب با یک منبع گرمای اتلاف خاص وجود دارد. فراتر از این، می توان تلفات حرارتی به سازه های کمکی را به حداقل رساند (به عنوان مثال، از طریق استفاده از فیلم های ایستاده آزاد) یا ترکیب اثرات مربوطه ناشی از پیرومغناطیس (از طریق مواد مولتی فروئیک و مغناطیس الکتریک) برای افزایش عملکرد کلی.

در نهایت، توسعه مواد و دستگاه های PEC مدرن برای یک رنسانس آماده است. پیشرفت در توانایی ما برای اندازه گیری دقیق مواد27، تمرکز بر طراحی پیرو الکتریک با کارایی بالا، و تولید ساختارهای دستگاه در مقیاس نانو، دسترسی بی سابقه ای به نوآوری ارائه می دهد. این پیشرفت‌ها سرمایه‌گذاری بیشتر در زمینه‌های رو به رشد، تشکیل یک جامعه تحقیقاتی قوی، و تلاش‌های تحقیقاتی پایدار مانند آنچه در ترموالکتریک دیده می‌شود را ممکن می‌سازد. امروز آغاز زمان توسعه بزرگ مواد پیروالکتریک و کاربرد آنها در زمینه PEC است.

-منابع:

 https://www.nature.com/articles/s41427-019-0125-y