RU219474U1 - Pyroelectric converter of thermal energy into electrical energy - Google Patents
Pyroelectric converter of thermal energy into electrical energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU219474U1 RU219474U1 RU2023109250U RU2023109250U RU219474U1 RU 219474 U1 RU219474 U1 RU 219474U1 RU 2023109250 U RU2023109250 U RU 2023109250U RU 2023109250 U RU2023109250 U RU 2023109250U RU 219474 U1 RU219474 U1 RU 219474U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pyroelectric material
- pyroelectric
- energy
- thickness
- electrical energy
- Prior art date
Links
Abstract
Полезная модель относится к устройствам для генерации электрической энергии и ее конвертации из других видов энергии и может использоваться в системах конвертации и накопления энергии, основанных на использовании различных источников тепла, а также для питания и подзарядки маломощных устройств в условиях дефицита электроэнергии и при периодической модуляции температуры окружающей среды. Конвертер тепловой энергии в электрическую содержит пироэлектрический материал, который выполнен в виде пластины, поперечные размеры которой больше ее толщины, токопроводящие электроды расположены на противоположных полярных поверхностях пироэлектрического материала. С одной из сторон пироэлектрического материала к токопроводящему электроду прикреплен термоэлектрический модуль, площадь которого равна площади пироэлектрического материала и токопроводящего электрода, кроме того, максимальная амплитуда генерируемого тока обеспечивается сочетанием толщины пироэлектрического материала и частоты периодического варьирования температуры пироэлектрического материала. The utility model relates to devices for generating electrical energy and converting it from other types of energy and can be used in energy conversion and storage systems based on the use of various heat sources, as well as for powering and recharging low-power devices in conditions of power shortage and with periodic modulation of ambient temperature. The converter of thermal energy into electrical energy contains a pyroelectric material, which is made in the form of a plate, the transverse dimensions of which are greater than its thickness, the conductive electrodes are located on opposite polar surfaces of the pyroelectric material. On one side of the pyroelectric material, a thermoelectric module is attached to the conductive electrode, the area of which is equal to the area of the pyroelectric material and the conductive electrode, in addition, the maximum amplitude of the generated current is provided by a combination of the thickness of the pyroelectric material and the frequency of periodic temperature variation of the pyroelectric material.
Description
Полезная модель относится к устройствам для генерации электрической энергии и ее конвертации из других видов энергии и может использоваться в системах конвертации и накопления энергии, основанных на использовании различных источников тепла, а также для питания и подзарядки маломощных устройств в условиях дефицита электроэнергии и при периодической модуляции температуры окружающей среды.The utility model relates to devices for generating electrical energy and converting it from other types of energy and can be used in energy conversion and storage systems based on the use of various heat sources, as well as for powering and recharging low-power devices in conditions of power shortage and with periodic modulation of ambient temperature.
Одним из физических явлений, позволяющих производить конвертацию тепловой энергии в электрическую, является пироэлектрический эффект. Это явление электризации определенных поверхностей пироэлектрических материалов при изменении их температуры. Как правило, электризуются поверхности, расположенные друг на против друга зарядом разного знака, что позволяет при подключении их в единую цепь наблюдать электрический ток, который можно считать током разрядки конденсатора. Подключение в данную цепь дополнительных элементов (например, других конденсаторов) позволяет осуществлять накопление и использование электрической энергии, высвободившейся в результате термического воздействия на пироэлектрический материал. Таким образом, имеется довольно простая в техническом исполнении возможность создания источников электричества, основанных на пироэлектрическом эффекте.One of the physical phenomena that make it possible to convert thermal energy into electrical energy is the pyroelectric effect. This is the phenomenon of electrification of certain surfaces of pyroelectric materials when their temperature changes. As a rule, surfaces located opposite each other with a charge of a different sign are electrified, which makes it possible, when connected to a single circuit, to observe an electric current, which can be considered the discharge current of a capacitor. Connecting additional elements (for example, other capacitors) to this circuit allows the accumulation and use of electrical energy released as a result of thermal action on the pyroelectric material. Thus, there is a rather simple in technical execution the possibility of creating sources of electricity based on the pyroelectric effect.
Известно устройство для конвертации энергии в электрическую «Пьезопироэлектрический преобразователь энергии» (US №5644184 A, публ. 01.07.1997), в котором применяется в том числе и пироэлектрический эффект для конвертации в электрическую энергию. Устройство содержит одну или несколько пластин пироэлектрического материала, теплопроводящие электроды, горячий и холодный радиаторы, дополнительную цепь с конденсатором для сбора заряда и передачи ее потребителю, а также дополнительную цепь для приложения к пластинам электрического поля определенной частоты (для дополнительной электризации за счет пьезоэлектрического эффекта). Контакт сборки пластин с теплопроводящими электродами попеременно с горячим и холодным радиатором приводит к зарядке сборки пластин при охлаждении и разрядке во внешнюю цепь при нагреве. Абсолютное большинство подобных устройств имеют схожую структуру, основные различия сводятся к различию к методике изменения температуры пироэлектрического материала, а также к уточнению устройства цепи для сбора заряда.A device for converting energy into electrical energy "Piezo-pyroelectric energy converter" (US No. 5644184 A, publ. 07/01/1997) is known, in which the pyroelectric effect is also used for converting into electrical energy. The device contains one or more plates of pyroelectric material, heat-conducting electrodes, hot and cold radiators, an additional circuit with a capacitor for collecting charge and transferring it to the consumer, as well as an additional circuit for applying an electric field of a certain frequency to the plates (for additional electrization due to the piezoelectric effect). The contact of the assembly of plates with heat-conducting electrodes alternately with a hot and cold radiator leads to the charging of the assembly of plates when cooling and discharging into an external circuit when heated. The vast majority of such devices have a similar structure, the main differences are the difference in the method of changing the temperature of the pyroelectric material, as well as the refinement of the design of the circuit for collecting the charge.
В устройстве «Система пироэлектрического преобразования» (US № 6528898, публ. 04.03.2003) предлагается использование потоков горячих и холодных жидкостей вместо твердотельных радиаторов. Бесконтактное изменение температуры пироэлектрического материала реализовано в устройстве под названием «Применение низкотемпературного и твердотельного пироэлектрического преобразователя энергии» (US № 7034411, публ. 16.12.2004). Устройство включает в себя пироэлектрический материал и диск, расположенный напротив него, который отражает тепловое излучение в сторону пироэлектрического материала. Стоит отметить, что в обоих устройствах способ сбора заряда с пироэлектрических материалов не конкретизируется. Устройство дополнительной цепи для сбора заряда с пироэлектрического материала и передачи его внешнему потребителю более конкретизировано в устройстве «Пироэлектрический преобразователь энергии» (US № 4647836, публ. 03.03. 1987).The device "Pyroelectric conversion system" (US No. 6528898, publ. 03/04/2003) proposes the use of hot and cold liquid flows instead of solid-state radiators. A non-contact change in the temperature of a pyroelectric material is implemented in a device called "Application of a low-temperature and solid-state pyroelectric energy converter" (US No. 7034411, publ. 12/16/2004). The device includes a pyroelectric material and a disk located opposite it, which reflects thermal radiation towards the pyroelectric material. It should be noted that in both devices, the method of collecting charge from pyroelectric materials is not specified. An additional circuit device for collecting a charge from a pyroelectric material and transferring it to an external consumer is more specific in the device "Pyroelectric energy converter" (US No. 4647836, published on 03.03.1987).
В изобретении «Способ получения электричества при обтекании нагретого тела за счет пироэлектрического преобразования тепла в вихревом следе» (RU № 2702982, публ. 14.10.2019) предлагается альтернативный способ бесконтактной передачи тепла пироэлектрическому материалу, за счет помещения его в вихревой след потока газа или жидкости, который образуется при обтекании газом или жидкостью нагретого или охлаждаемого тела.The invention "Method for generating electricity when flowing around a heated body due to pyroelectric heat conversion in a vortex wake" (RU No. 2702982, published on October 14, 2019) proposes an alternative method for non-contact heat transfer to a pyroelectric material by placing it in a vortex wake of a gas or liquid flow, which is formed when a gas or liquid flows around a heated or cooled body.
Известно устройство «Емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию» (RU № 2227947, публ. 20.03.2004) в котором используется схожий принцип для генерации дополнительной электроэнергии, заключающийся в том, что пироэлектрический материал используется как изолятор в конденсаторе. Сборка конденсаторов заряжается и разряжается с определенной частотой, зависящей от общей емкости и генерируемое при протекании тока тепло конвертируется в дополнительную электроэнергию.Known is the device "Capacitive converter of environmental heat into electricity" (RU No. 2227947, publ. 03/20/2004) which uses a similar principle to generate additional electricity, which consists in the fact that the pyroelectric material is used as an insulator in the capacitor. The capacitor bank is charged and discharged at a certain frequency, depending on the total capacitance, and the heat generated by the current flow is converted into additional electricity.
При протекании электрического тока через пироэлектрический материал имеет место и обратный пироэлектрический эффект, т.е. дополнительное выделение или поглощение тепла. Благодаря этому пироэлектрический конвертер может использоваться и как средство для отвода и поглощения излишней тепловой энергии в силовых электрических цепях. Известно устройство «Пироэлектрический преобразователь наведенных (выделившихся) энергий и токов в опасных цепях технических средств (ППНЭТ) с регулируемой чувствительностью» (RU № 190523, публ. 04.07.2019), которое включает в себя металлический корпус, к которому через изолирующую втулку прикреплен пироэлектрический материал, схемы усиления и фильтрации гальванически несвязанные с корпусом, но соединенные через переходной диск с пироэлектрическим материалом для передачи тепла во время протекания тока.When an electric current flows through a pyroelectric material, the reverse pyroelectric effect also takes place, i.e. additional release or absorption of heat. Due to this, the pyroelectric converter can also be used as a means for removing and absorbing excess thermal energy in power electrical circuits. It is known the device "Pyroelectric converter of induced (released) energies and currents in hazardous circuits of technical means (PPNET) with adjustable sensitivity" (RU No. 190523, publ. electrical material to transfer heat while current is flowing.
Также пироэлектрический конвертер может использоваться и как средство измерения параметров электрического тока. Известно устройство «Пироэлектрический преобразователь энергии одиночных импульсов тока» (RU № 2223472, публ. 10.02.2004), которое рассматривается как средство измерения энергии одиночных импульсов тока. Устройство включает в себя металлический корпус, пироэлектрический материал с двумя электродами, нить накаливания, схему усиления. Нить накаливания имеет тепловой контакт (но не электрический) с одним из электродов пироэлектрического материала. При прохождении импульса тока через нить, соответствующий тепловой импульс передается пироэлектрическому материалу, а преобразованный из тепла электрический сигнал проходит через схему усиления и считывается. Таким образом удается идентифицировать импульсы тока микро- и наносекундной длительности с энергией импульса от 1 мкДж.Also, the pyroelectric converter can be used as a means of measuring the parameters of the electric current. Known device "Pyroelectric energy converter of single current pulses" (RU No. 2223472, publ. 10.02.2004), which is considered as a means of measuring the energy of single current pulses. The device includes a metal case, a pyroelectric material with two electrodes, a filament, an amplification circuit. The filament is in thermal contact (but not electrical) with one of the electrodes of the pyroelectric material. When a current pulse passes through the filament, the corresponding thermal pulse is transferred to the pyroelectric material, and the electrical signal converted from heat is passed through the amplification circuit and read out. Thus, it is possible to identify current pulses of micro- and nanosecond duration with a pulse energy of 1 μJ.
Как правило, в пироэлектрических конвертерах используются объемные монокристаллические образцы, имеющие пироэлектрические свойства, однако в последнее время с развитием технологии получения материалов, получают развитие двумерные и наноструктурированные пироэлектрические материалы. Так, например, в устройстве «Чувствительный элемент пироэлектрического преобразователя» (RU № 123221, публ. 20.12.2012) в качестве пироэлектрического элемента используется пленочный нанокомпозитный материал толщиной до 500 мкм, в котором сделана сетка равномерных отверстии диаметром до 1 мкм, заполненных другим пироэлектрическим материалом. Преимуществом такой композиции является повышенная чувствительность на очень слабые потоки тепла. Другой пример, в работе Pandya, S., Wilbur, J., Kim, J. et al. Pyroelectric energy conversion with large energy and power density in relaxor ferroelectric thin films. Nature Mater 17, 432-438, 2018 представлена пироэлектрическая пленка толщиной 150 нм с рекордными значениями плотности конвертируемой энергии и коэффициента полезного действия, однако технологическая сложность массового изготовления таких образцов пока затрудняет распространение таких пироэлектрических материалов.As a rule, bulk single-crystal samples with pyroelectric properties are used in pyroelectric converters, but recently, with the development of materials production technology, two-dimensional and nanostructured pyroelectric materials are being developed. For example, in the device “Sensitive element of a pyroelectric transducer” (RU No. 123221, published on December 20, 2012), a film nanocomposite material up to 500 µm thick is used as a pyroelectric element, in which a grid of uniform holes with a diameter of up to 1 µm is made, filled with another pyroelectric material. The advantage of such a composition is the increased sensitivity to very weak heat fluxes. For another example, Pandya, S., Wilbur, J., Kim, J. et al. Pyroelectric energy conversion with large energy and power density in relaxor ferroelectric thin films. Nature Mater 17, 432-438, 2018 presents a 150-nm-thick pyroelectric film with record values of convertible energy density and efficiency, but the technological complexity of mass production of such samples still hinders the distribution of such pyroelectric materials.
Общим недостатком всех известных устройств является отсутствие в геометрии устройства учета наиболее оптимальных режимов изменения температуры, при которых генерируемый пироэлектрический ток будет максимален. По сути, в предлагаемых устройствах используется только общий принцип пироэлектрического эффекта, без привязки к конкретному закону изменения температуры, что не позволяет быть предлагаемым устройствам максимально эффективными.A common disadvantage of all known devices is the absence in the geometry of the device accounting for the most optimal modes of temperature change, in which the generated pyroelectric current will be maximum. In fact, the proposed devices use only the general principle of the pyroelectric effect, without reference to a specific law of temperature change, which does not allow the proposed devices to be as efficient as possible.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Пьезопироэлектрический преобразователь энергии» (US № 5644184, публ. 01.07.1997). Данное устройство включает в себя: пластины пироэлектрического материала, термо- и электропроводящие электроды, расположенных на заряжающихся поверхностях пироэлектрического материала, холодный и горячий радиатор с возможностью теплового контакта с электродами, конденсатор для сбора заряда с цепи и разрядки во внешнюю цепь потребления. Дополнительно для инициации пьезоэлектрического эффекта устройство может быть дополнено электрической цепью для приложения к пластинам электрического поля определенной частоты. Генерация электрического заряда осуществляется за счет контакта электродов попеременно с холодным и горячим радиатором, что приводит к изменению температуры пироэлектрического материала и к пироэлектрическому эффекту. Индукция заряда на противоположных поверхностях приводит к току в цепи и зарядке конденсатора. Смена направления изменения температуры приводит к изменению направления тока и постепенной разрядке конденсатора во внешнюю цепь, затем конденсатор снова начинает заряжаться.Closest to the proposed device is "Piezo-pyroelectric energy converter" (US No. 5644184, publ. 07/01/1997). This device includes: plates of pyroelectric material, thermal and electrically conductive electrodes located on the charging surfaces of the pyroelectric material, a cold and hot radiator with the possibility of thermal contact with the electrodes, a capacitor for collecting charge from the circuit and discharging it into an external consumption circuit. Additionally, to initiate the piezoelectric effect, the device can be supplemented with an electrical circuit for applying an electric field of a certain frequency to the plates. The generation of electric charge is carried out due to the contact of the electrodes alternately with a cold and hot radiator, which leads to a change in the temperature of the pyroelectric material and to the pyroelectric effect. Charge induction on opposite surfaces results in current in the circuit and charging of the capacitor. A change in the direction of temperature change leads to a change in the direction of the current and a gradual discharge of the capacitor into the external circuit, then the capacitor starts charging again.
Недостатками данного устройства является отсутствие конкретного закона изменения температуры пироэлектрического материала, необходимость передвижения холодного и горячего радиаторов от и к электродам, что усложняет работу устройства.The disadvantages of this device is the absence of a specific law of change in the temperature of the pyroelectric material, the need to move cold and hot radiators from and to the electrodes, which complicates the operation of the device.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание устройства, которое позволяет конвертировать тепловой поток, подводимый к пироэлектрическому материалу, в электричество с максимальной эффективностью.The task to be solved by the proposed technical solution is to create a device that allows you to convert the heat flux supplied to the pyroelectric material into electricity with maximum efficiency.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства в котором пироэлектрический материал выполнен в виде пластины, поперечные размеры которой больше ее толщины, токопроводящие электроды расположены на противоположных полярных поверхностях пироэлектрического материала, с одной из сторон пироэлектрического материала к токопроводящему электроду прикреплен термоэлектрический модуль площадь которого равна площади пироэлектрического материала и токопроводящего электрода, кроме того, максимальная амплитуда генерируемого тока обеспечивается сочетанием толщины пироэлектрического материала и частоты периодического варьирования температуры пироэлектрического материала.The problem is solved using the proposed device in which the pyroelectric material is made in the form of a plate, the transverse dimensions of which are greater than its thickness, the conductive electrodes are located on opposite polar surfaces of the pyroelectric material, on one side of the pyroelectric material, a thermoelectric module is attached to the conductive electrode, the area of which is equal to the area of the pyroelectric material and the conductive electrode, in addition, the maximum amplitude of the generated current is provided by a combination of the thickness of the pyroelectric material and the frequency of periodic temperature variation of the pyroelectric material.
Указанная совокупность существенных признаков обеспечивает решение поставленной задачи таким образом, что при периодическом варьировании температуры пироэлектрического кристалла с определенной частотой в каждой термической фазе (нагрев или охлаждение) осуществляется генерация электрического тока, при помощи которого осуществляется зарядка внешнего конденсатора в течение каждой из фаз, а при смене фаз (когда пироэлектрический ток равен нулю или очень мал) или параллельно с зарядкой происходит разрядка конденсатора во внешнюю цепь, в которой накопленная электрическая энергия используется в зависимости от поставленной задачи.The specified set of essential features provides a solution to the problem in such a way that when the temperature of the pyroelectric crystal is periodically varied with a certain frequency in each thermal phase (heating or cooling), an electric current is generated, with the help of which the external capacitor is charged during each of the phases, and when the phases change (when the pyroelectric current is zero or very small) or in parallel with charging, the capacitor is discharged into an external circuit, in which the accumulated electrical energy is used depending on the task.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа (US № 5644184, публ. 01.07.1997) тем, что используется единый термоэлектрический модуль, который закреплен на одной из сторон пироэлектрического материала к электроду, вместо пары радиаторов через тепловой контакт с которыми и осуществляется изменение температуры в прототипе. Кроме того, толщина пироэлектрического материала и частота периодического варьирования сочетается таким образом, чтобы амплитуда генерируемого тока была максимальна. Тем самым обеспечивается наиболее эффективное использование пироэлектрического эффекта для генерации электричества.The proposed device differs from the prototype (US No. 5644184, publ. 07/01/1997) in that a single thermoelectric module is used, which is fixed on one side of the pyroelectric material to the electrode, instead of a pair of radiators through thermal contact with which the temperature is changed in the prototype. In addition, the thickness of the pyroelectric material and the frequency of periodic variation are combined in such a way that the amplitude of the generated current is maximum. This ensures the most efficient use of the pyroelectric effect for generating electricity.
Преимущество предлагаемого устройства заключается в генерации пироэлектрического тока максимальной амплитуды за счет строго определенного закона варьирования температуры пироэлектрического материала и за счет подбора толщины материала под частоту варьирования температуры.The advantage of the proposed device lies in the generation of a pyroelectric current of maximum amplitude due to a strictly defined law of temperature variation of the pyroelectric material and due to the selection of the material thickness for the frequency of temperature variation.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в максимально эффективной генерации электрического тока за счет использования эффекта максимума амплитуды пироэлектрического тока при оптимальной частоте варьирования температуры для выбранной толщины пироэлектрического материала.The technical result of the proposed utility model is the most efficient generation of electric current by using the effect of the maximum amplitude of the pyroelectric current at the optimum frequency of temperature variation for the selected thickness of the pyroelectric material.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
Фиг. 1 - общий вид устройства.Fig. 1 - general view of the device.
Фиг. 2 - соотношение оптимальной частоты варьирования и толщины пироэлектрического материала (ниобат лития) для использования в устройстве.Fig. 2 - the ratio of the optimal frequency of variation and the thickness of the pyroelectric material (lithium niobate) for use in the device.
Предлагаемое устройство состоит из пироэлектрического материала 1, токопроводящих электродов 2, термоэлектрического модуля 3 и конденсатора для сбора заряда и разрядки во внешнюю цепь 4.The proposed device consists of a pyroelectric material 1, conductive electrodes 2, a thermoelectric module 3 and a capacitor for collecting charge and discharging into an external circuit 4.
Пироэлектрический материал 1 (например, ниобат лития, LiNbO3), исполненный в виде пластины, где его поперечные размеры намного больше его толщины, имеет два токопроводящих электрода 2, которые могут быть исполнены в виде металлической фольги или в виде напыленной пленки (предпочтительный материал - алюминий или медь) и покрывают две противоположные полярные поверхности пироэлектрического материала. С одной из сторон пироэлектрического материала к токопроводящему электроду прикреплен термоэлектрический модуль 3 (например, элемент Пельтье) площадь которого равна площади пироэлектрического материала и токопроводящего электрода. (На Фиг. 1 площадь токопроводящих электродов больше для наглядности.) Термоэлектрический модуль способен нагревать и охлаждать пироэлектрический материал по периодическому закону варьирования температуры с заданной амплитудой и частотой варьирования по формуле:The pyroelectric material 1 (for example, lithium niobate, LiNbO 3 ), made in the form of a plate, where its transverse dimensions are much larger than its thickness, has two conductive electrodes 2, which can be made in the form of a metal foil or in the form of a deposited film (the preferred material is aluminum or copper) and cover two opposite polar surfaces of the pyroelectric material. On one side of the pyroelectric material, a thermoelectric module 3 (for example, a Peltier element) is attached to the conductive electrode, the area of which is equal to the area of the pyroelectric material and the conductive electrode. (In Fig. 1, the area of the conductive electrodes is larger for clarity.) The thermoelectric module is able to heat and cool the pyroelectric material according to the periodic law of temperature variation with a given amplitude and variation frequency according to the formula:
где T0 - начальная температура, T1 - амплитуда варьирования температуры, ν - частота варьирования температуры. В ходе изменения температуры в каждую термическую фазу (нагрев или охлаждение) происходит генерация разноименного заряда на двух противоположных поверхностях пироэлектрического материала. Подключение двух токопроводящих электродов в единую цепь с конденсатором 4 позволяет осуществлять зарядку конденсатора за счет пироэлектрического тока. Когда происходит смена термических фаз, генерация пироэлектрического тока становится пренебрежимо малой и происходит разрядка конденсатора 4 только во внешнюю цепь, за счет того, что сопротивление в цепи пироэлектрического материала и токопроводящих электродов очень велико (минимум 1010 Ом) по сравнению со сопротивлением внешней цепи. В следующей термической фазе снова происходит зарядка конденсатора, который разряжается во внешнюю цепь при следующей смене термической фазы. Таким образом происходит генерация электрической энергии в предлагаемом устройстве. Возможен вариант, когда зарядка и разрядка конденсатора происходит одновременно, данный процесс может регулироваться потребностями внешней цепи.where T 0 is the initial temperature, T 1 is the amplitude of temperature variation, ν is the frequency of temperature variation. In the course of temperature change in each thermal phase (heating or cooling), opposite charges are generated on two opposite surfaces of the pyroelectric material. Connecting two conductive electrodes in a single circuit with the capacitor 4 allows charging the capacitor due to the pyroelectric current. When there is a change in thermal phases, the generation of pyroelectric current becomes negligible and the capacitor 4 is discharged only into the external circuit, due to the fact that the resistance in the circuit of the pyroelectric material and the conductive electrodes is very high (at least 10 10 Ohm) compared to the resistance of the external circuit. In the next thermal phase, the capacitor is charged again, which is discharged into an external circuit during the next change in the thermal phase. Thus, the generation of electrical energy in the proposed device. It is possible that the charging and discharging of the capacitor occurs simultaneously, this process can be controlled by the needs of the external circuit.
Возможно масштабируемое исполнение устройства, при котором на одном термоэлектрическом модуле большой площади располагается множество пироэлектрических материалов, которые могут быть соединены в единую цепь с внешним конденсатором (системой конденсаторов) для получения большего количества электрической энергии.A scalable version of the device is possible, in which a large number of pyroelectric materials are located on one thermoelectric module of a large area, which can be connected in a single circuit with an external capacitor (capacitor system) to obtain more electrical energy.
Стоит отметить, что толщина пироэлектрического материала и частота варьирования температуры подбираются заранее, чтобы обеспечить максимально эффективную конверсию подводимого тепла в электричества (благодаря эффекту максимальной амплитуды пироэлектрического тока в определенном диапазоне частот варьирования температуры, описанном теоретически и экспериментально в работе A. Oleinik, M. Gilts, P. Karataev, et al., J. Appl. Phys. 132, 204101 (2022)). Соотношение между оптимальной частотой и толщиной материала можно определить как:It should be noted that the thickness of the pyroelectric material and the frequency of temperature variation are selected in advance to ensure the most efficient conversion of the input heat into electricity (due to the effect of the maximum amplitude of the pyroelectric current in a certain range of temperature variation frequencies, described theoretically and experimentally in A. Oleinik, M. Gilts, P. Karataev, et al., J. Appl. Phys. 132, 204101 (2022)). The ratio between the optimal frequency and material thickness can be defined as:
где и - константы, имеющие размерности обратную времени и длины, соответственно, и зависящие от коэффициента температуропроводности материала. На Фиг. 2 представлена данная зависимость для монокристалла ниобата лития (LiNbO3), производства Кольского научного центра РАН (Россия).Where And - constants having dimensions reciprocal of time and length, respectively, and depending on the coefficient of thermal diffusivity of the material. On FIG. Figure 2 shows this dependence for a single crystal of lithium niobate (LiNbO 3 ), produced by the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (Russia).
Пример конкретного использования: для осуществления работы устройства используется монокристалл ниобата лития толщиной 1 мм в качестве пироэлектрического материала. Соответствующая частота варьирования температуры - 13 мГц (согласно Фиг. 2). Габариты полярных поверхностей пироэлектрического материала - 20×20 мм. Вся площадь полярных поверхностей покрыта токопроводящими электродами из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм и такой же площади, как у полярных поверхностей пироэлектрического материала. К одной из сторон к пироэлектрическому материалу и токопроводящему электроду приклеен термоэлектрический модуль, который запрограммирован на изменение выделяемой и поглощаемой мощности с амплитудой 1 Вт и частотой 13 мГц (что приводит к варьированию температуры пироэлектрического материала с размахом амплитуды около 20°С). Конденсатор емкостью 600 нФ подключен к токопроводящим электродам и к внешней цепи потребления, которая включает в себя микроконтроллер nanoWatt XLP с ультрамалым потреблением энергии, который может основой преобразователя сигналов от различных сенсоров (например температуры, состава газа и т.д.). Предлагаемое устройство может обеспечить передачу энергии с мощностью до 30 нВт в режиме одновременной зарядки-разрядки конденсатора, что достаточно для питания микроконтроллера.Example of specific use: for the implementation of the operation of the device, a single crystal of lithium niobate with a thickness of 1 mm is used as a pyroelectric material. The corresponding temperature variation frequency is 13 MHz (according to Fig. 2). The dimensions of the polar surfaces of the pyroelectric material are 20×20 mm. The entire area of the polar surfaces is covered with conductive electrodes made of aluminum foil with a thickness of 50 μm and the same area as the polar surfaces of the pyroelectric material. A thermoelectric module is glued to one of the sides to the pyroelectric material and the conductive electrode, which is programmed to change the emitted and absorbed power with an amplitude of 1 W and a frequency of 13 MHz (which leads to a temperature variation of the pyroelectric material with an amplitude swing of about 20°C). A 600 nF capacitor is connected to conductive electrodes and to an external consumption circuit, which includes an ultra-low power nanoWatt XLP microcontroller, which can be the basis for the signal converter from various sensors (for example, temperature, gas composition, etc.). The proposed device can provide energy transfer with a power of up to 30 nW in the mode of simultaneous charging and discharging of the capacitor, which is enough to power the microcontroller.
Еще один пример конкретного осуществления, для осуществления работы используется монокристалл ниобата лития толщиной 4 мм в качестве пироэлектрического материала. Соответствующая частота варьирования температуры - 10 мГц (согласно Фиг. 2). Габариты полярных поверхностей пироэлектрического материала - 40×40 мм. Вся площадь полярных поверхностей покрыта токопроводящими электродами из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм и такой же площади, как у полярных поверхностей пироэлектрического материала. К одной из сторон к пироэлектрическому материалу и токопроводящему электроду приклеен термоэлектрический модуль, который запрограммирован на изменение выделяемой и поглощаемой мощности с амплитудой 3 Вт и частотой 10 мГц (что приводит к варьированию температуры пироэлектрического материала с размахом амплитуды около 14°С). Вместо конденсатора в цепи используется батарея LiPo 081831 c емкостью 8 мА×ч (которая как правило используется для питания автономных и малоразмерных (100-1000 мкм) сенсоров. При потреблении мощности 200 нВт, предлагаемое устройство будет поддерживать постоянную емкость батареи без необходимости ее замены.Another example of a specific implementation, for the implementation of the work, a single crystal of lithium niobate with a thickness of 4 mm is used as a pyroelectric material. The corresponding temperature variation frequency is 10 MHz (according to Fig. 2). The dimensions of the polar surfaces of the pyroelectric material are 40×40 mm. The entire area of the polar surfaces is covered with conductive electrodes made of aluminum foil with a thickness of 50 μm and the same area as the polar surfaces of the pyroelectric material. A thermoelectric module is glued to one of the sides to the pyroelectric material and the conductive electrode, which is programmed to change the emitted and absorbed power with an amplitude of 3 W and a frequency of 10 MHz (which leads to a temperature variation of the pyroelectric material with an amplitude swing of about 14°C). Instead of a capacitor, the circuit uses a LiPo 081831 battery with a capacity of 8 mAh (which is usually used to power autonomous and small-sized (100-1000 microns) sensors. With a power consumption of 200 nW, the proposed device will maintain a constant battery capacity without the need to replace it.
Предлагаемое устройство найдет применение для генерации электрической энергии и конверсии тепловой энергии в электрическую в качестве зарядного устройства для батарей малой емкости (менее 10 мА×ч) или в качестве источника питания ультрамаломощных устройств (менее 1 мкВт) в условиях дефицита сетевой электроэнергии, ограниченной доступности электроэнергии, а также в условиях периодических температурных модуляции окружающей среды.The proposed device will find application for generating electrical energy and converting thermal energy into electrical energy as a charger for low-capacity batteries (less than 10 mAh) or as a power source for ultra-low-power devices (less than 1 μW) in conditions of a shortage of network electricity, limited availability of electricity, as well as in conditions of periodic temperature modulation of the environment.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU219474U1 true RU219474U1 (en) | 2023-07-19 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5644184A (en) * | 1996-02-15 | 1997-07-01 | Thermodyne, Inc. | Piezo-pyroelectric energy converter and method |
| GB2330456B (en) * | 1997-10-14 | 2002-07-24 | Thomas Sebald | Apparatus for producing high voltage for the ionisation of gases |
| RU2223472C1 (en) * | 2002-06-11 | 2004-02-10 | Центральный физико-технический институт Министерства обороны Российской Федерации | Pyroelectric converter of energy of single current pulses |
| RU184642U1 (en) * | 2018-06-20 | 2018-11-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Pyroelectric X-ray Source |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5644184A (en) * | 1996-02-15 | 1997-07-01 | Thermodyne, Inc. | Piezo-pyroelectric energy converter and method |
| GB2330456B (en) * | 1997-10-14 | 2002-07-24 | Thomas Sebald | Apparatus for producing high voltage for the ionisation of gases |
| RU2223472C1 (en) * | 2002-06-11 | 2004-02-10 | Центральный физико-технический институт Министерства обороны Российской Федерации | Pyroelectric converter of energy of single current pulses |
| RU184642U1 (en) * | 2018-06-20 | 2018-11-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Pyroelectric X-ray Source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liang et al. | Spherical triboelectric nanogenerator integrated with power management module for harvesting multidirectional water wave energy | |
| Feng et al. | Cylindrical triboelectric nanogenerator based on swing structure for efficient harvesting of ultra-low-frequency water wave energy | |
| Leng et al. | Harvesting heat energy from hot/cold water with a pyroelectric generator | |
| Olsen | Ferroelectric conversion of heat to electrical energyA demonstration | |
| US10707267B2 (en) | Energy harvesting components and devices | |
| Cuadras et al. | Thermal energy harvesting through pyroelectricity | |
| US20220310696A1 (en) | Devices and systems incorporating energy harvesting components/devices as autonomous energy sources and as energy supplementation, and methods for producing devices and systems incorporating energy harvesting components/devices | |
| EP2430433B1 (en) | Apparatus and method for ferroelectric conversion of heat to electrical energy | |
| Becker et al. | Autonomous sensor nodes for aircraft structural health monitoring | |
| Xie et al. | Performance of thin piezoelectric materials for pyroelectric energy harvesting | |
| US3243687A (en) | Energy converter | |
| Liang et al. | Self‐powered intelligent buoy based on triboelectric nanogenerator for water level alarming | |
| WO2013178123A1 (en) | Device for improving endurance of terminal and terminal thereof | |
| Zabek et al. | A novel pyroelectric generator utilising naturally driven temperature fluctuations from oscillating heat pipes for waste heat recovery and thermal energy harvesting | |
| WO2007142934A2 (en) | Thermoelectric generator with micro-electrostatic energy converter | |
| US20090195961A1 (en) | Method and device for storing electricity in quantum batteries | |
| Singh et al. | A synchronous piezoelectric–triboelectric–electromagnetic hybrid generator for harvesting vibration energy | |
| CN103368470A (en) | Waste heat recovery device | |
| GB2555408A (en) | Interconnection | |
| RU219474U1 (en) | Pyroelectric converter of thermal energy into electrical energy | |
| Liu et al. | Design and study of a combining energy harvesting system based on thermoelectric and flapping triboelectric nanogenerator | |
| Liu et al. | A Dual‐Mode Triboelectric Nanogenerator for Efficiently Harvesting Droplet Energy | |
| US20100011768A1 (en) | Pyrodielectrophoretic Heat Engine And Method Of Energy Conversion | |
| Saravanan et al. | An Overview of Energy Harvesting Techniques for Future Internet of Things Applications | |
| Yadav et al. | Experimental analysis of power generation for ultra-low power wireless sensor nodes using various coatings on thermoelectric energy harvester |