熱から0.3W/cm3の発電力ってどうなんだろう

Thermal-to-electric energy conversion using ferroelectric film capacitors

温度の変化によって引き起こされる非線形静電容量の変化を通じて電気エネルギーを収集する容量性強誘電性熱電変換器が分析されます。使用した強誘電体材料は、薄い（0.5μm）Ba0.3Sr0.7TiO3フィルムでした。 80 V /μmまでのさまざまな電界下での100Kから350Kの範囲の温度に対する強誘電体膜誘電率の実験的依存性に基づいて、エネルギーハーベスティング最適化のための動作温度と電界の最適値を決定しました。室温付近の+/- 15Kの温度振動と約40 V / mu mの電界では、収穫エネルギーは30 mJ / cm（3）と推定されました。温度に対する急速な静電容量変化のための強誘電体薄膜の使用と高速温度変調のための微小電気機械システムの使用が、ポータブル電子機器用の小電力スケール発電機の作成に関連するソリューションであり得ることが示される。（C）2014 AIP Publishing LLC。

。前書き
この作業は、熱エネルギーを電気デバイスに直接変換できる新しいクラスの強誘電体デバイスの開発に費やされています。熱から電気へのエネルギー変換器は、人工エネルギーまたは自然環境からの廃熱を利用して電気エネルギーを生成できます。ポータブルエレクトロニクスとワイヤレスセンサーの絶え間ない進歩により、周囲の熱エネルギーから電気エネルギーを収集する目的は、完全に自律的なシステムの低エネルギーエレクトロニクスをサポートするのに十分な電力を供給することです。エネルギーハーベスティングは、一次電源（バッテリー）を補完し、その信頼性を高める代替エネルギー源にもなり得ます。
過去数十年、定常状態の温度差を電気エネルギーに変換するゼーベック効果に基づく熱電デバイスと、焦電効果を使用して時間依存の温度振動を電気に変換する焦電デバイスが注目されました。 5熱電デバイスの性能は、r•S2T / jとして定義される材料の性能指数（ZT）に依存します。ここで、rは導電率、Sはゼーベック係数、jは熱伝導率です。材料の延性、およびTは絶対温度です。
主に使用される熱電材料（Bi2Te3の合金など）は、室温付近でZT 1ドルです。
熱電材料の性能の向上（ZT> 1）がいくつかのグループによって報告されていますが2、これらの材料は現在入手可能な市販の熱電装置では使用されていません。熱電変換効率（生成された電力を高温の貯留層から低温の貯留層への熱流の電力で割ったものとして定義されます）は、ZT値と温度空間勾配に依存します。さらに、電流とペルチェ効果に関連する熱の流れにより効率が低下します。6結果として、室温付近で約（10-20）Kの熱電チップの温度差で効率は（0.5–1）％に達します。
焦電コンバータの効率は、無次元数（k2）（p2T /（e e0Cv）で定量化されます。ここで、pは焦電係数、Tは絶対温度、eは比誘電率、e0は真空誘電率、 Cvは体積比熱）であり、焦電素子の温度振動の値に比例します。7一般的な材料（チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）セラミックやリラクサー単結晶など）のk2の値は約10-3– 10À2.7,8焦電変換効率は、室温付近で（10–20）Kの温度振動で（0.03–0.06）％に達します。
熱電発電機と焦電変換器の効率が比較的低いため、効率が主な考慮事項ではない特別な用途に使用が制限されています：熱電発電機は、バターの使用が不便なシステムに電力を供給しますまたは高価。焦電効果は、主に焦電赤外線センサーに使用されます。
そのため、エネルギー変換への新しいアプローチとコンバーター用の新しい効率的な材料の必要性が生じます。

熱エネルギーを電気に変換する有望な方法の1つは、容量性エネルギー変換です。可変コンデンサーの使用による熱エネルギーの電気エネルギーへの変換は、次の原理に基づいています：キャパシタンスCmaxのコンデンサーがQの電荷まで充電された場合、キャパシタンスCmaxは、 T1からT2までの温度（図1を参照）、熱仕事が行われ、式DW 1⁄4 0.5Q2（1 / Cmin–1 / Cmax）に従って追加の電気エネルギー（DW）が生成されます。
温度による静電容量の変化は、温度に依存する誘電率を持つ誘電体材料（たとえば、強誘電体）を使用することで実現できます。
強誘電体相の強誘電体の焦電特性を利用する強誘電体コンバーター（温度変化に応じた分極反転）とは異なり、容量性エネルギー変換に基づくデバイスは、材料の温度依存性の非線形性（誘導される誘電率の変化）を利用します強誘電相および常誘電相の両方での温度変化）。
単結晶、9セラミック、10および厚膜（$ 20 lm）のサンプルを含む容量性熱電変換器への応用の点で、多くの強誘電体材料が調査されました強誘電体材料に基づく容量性熱電変換器の一般的なデメリットは、温度依存容量の遅い熱応答と、熱流の変調に必要な比較的長い時間であると述べられました。これらの要因により、有用な電力の低レベルが決まります。
現在の作業では、温度振動に対して高速の熱応答を提供できる薄膜（0.5 lm）フィルム強誘電体コンデンサが、以下の点で検討されています。
（i）温度振動の最大周波数
（ii）熱電変換サイクルごとに収穫される電気エネルギーの量。

II。容量性熱電変換器の分析
強誘電性フィルムコンデンサの温度振動の周波数は、強誘電性フィルムの熱時定数と熱変調器のスイッチング時間の両方によって決まります。したがって、熱を電気エネルギーに変換するための装置と方法は、（i）熱流を変調するための温度依存容量の急速な熱応答、および（ii）熱流の高速変調を提供する必要があります。

熱時定数は強誘電体材料の厚さの2乗に比例し、厚さ0.1〜0.4 mmの強誘電体サンプルの熱時定数は2番目のスケールであることが示されました10,12。これらの結果から、マイクロ秒オンの熱時定数で高速の熱伝達を行うには、より薄い（1 lm未満）強誘電体を使用する必要があるという結論に至ります。
熱流の高速変調は、数マイクロ秒のスイッチング時間を有する微小電気機械システム（MEMS）を使用することで実現できます。13最近、容量性熱電エネルギー変換に適したいくつかのMEMS構造が提案されました。これらの構造では、MEMSの可動電極が熱スイッチとして動作し、容量性金属-絶縁体-金属強誘電体構造の周期的な加熱と冷却を可能にします。
厚さ1 lmの強誘電体膜を組み込んだこれらの構造の熱プロセスのダイナミクスの分析により、強誘電体膜の加熱と冷却に必要な時間は1〜5 lsのオーダーであることが示されました16。熱エネルギーから電気エネルギーへの変換の温度サイクルは約10 lsです（つまり、変換サイクルの周波数は約100 kHzです）。 J.Appl.Phys.116,164111（2014）のさらなる増加は、「強誘電体膜キャパシタ/基板」構造の熱慣性によって熱サイクル周波数が制限されます。
コンバーターのパフォーマンスに影響するもう1つの要因は、熱電変換サイクルごとに収集される電気エネルギーの量です。容量性エネルギー変換のための最も単純な電気回路（図2）は、負荷抵抗、スイッチ、および理想的なバッテリー（Cbatt）と直列の可変コンデンサー（Cvar）で構成されています。熱電変換器では、Cvarは、強誘電体材料を周期的に加熱および冷却することにより変化する温度依存性の静電容量を有する強誘電体コンデンサです。
最初に、CvarとCbattは等しい電圧まで充電され、負荷抵抗に電流は流れません。 Qの電荷まで充電されたCvarの変動により、Cvarの両端の電圧UがU 1⁄4 Q / Cvarとして変動し、負荷抵抗を流れる電流が生成されます。 Cvar変動中のQ 1⁄4 Constの値が想定されます。これは、しきい値電圧を持つスイッチ要素またはデバイスを使用することで実現できます。
回路を考慮すると、CvarをCmaxからCminに、またはその逆にCvarを変化させることにより負荷に供給される電気エネルギーは次のようになります。

II。結果と考察
強誘電体を使用した容量性熱電変換器によって生成される電気エネルギーを推定するために、サンドイッチ（金属-強誘電体膜-金属）構造の強誘電体Ba0.3Sr0.7TiO3（BSTO）薄膜（0.5 lm）フィルムコンデンサを作成し、静電容量の温度依存性を作成しました最大80 V / lmのさまざまな電界下で、100 Kから350 Kの広い温度範囲でコンデンサを測定しました。次に、強誘電体膜の誘電率の値は、コンデンサの形状を考慮して抽出されました。得られたデータは、図3に示されています。
実験データを使用して、温度と比誘電率の最大変化に対応する温度（異なる電界の場合）を定義しました。熱電変換器の最適な動作温度を図4に示します。
収集される電気エネルギーの量に影響するもう1つの要因は、強誘電体の電界強度です。式（7）によれば、電界の大きさは、生成される電気エネルギーの密度を増加させます。
しかし、図3に見られるように、電界の増加に伴い、強誘電体膜の誘電率と温度による誘電率の相対的変化が減少します。
実験データ（図3）と式を使用します。（6）および（7）、DT 1⁄4 30 Kでの最適動作温度（図4）での印加電界に対する収穫された電気エネルギー密度の依存性が定義されました（図5）。図5に示すように、電界に対する収穫エネルギーは、30〜40 V / lmの電界で最大値が約30 mJ / cm3の非単調な依存性を持ちます。これらの電界の値について、最適な動作温度は室温に近いことに注意してください（図4を参照）。
式に基づいて推定された収穫された電気エネルギーの値。（6）および（7）は実験的に検証されました。
この目標のために、図2に示す電気回路を使用しました。
Cvarは、上記の誘電特性を備えた薄膜強誘電体コンデンサでした（図3を参照）。コンデンサーの温度は、T1 1/4 280 KからT2 1⁄4 310 Kまで、およびその逆に変化しました。温度変化の間、電気回路はスイッチによって切断されました（「オフ」状態）。温度T1およびT2では、スイッチは「オン」状態でした。
負荷抵抗器を流れる電流をオシロスコープで監視しました。
オシロスコープで観測されるパルスは、時間依存指数関数によってU（t）1⁄4 U（0）exp（Àt/ s）として記述できます。ここで、U（0）は、負荷抵抗の両端の電圧降下です。パルスの開始点とsは指数関数的減衰の時定数です。パルスのパラメーター（U（0）およびs）は、モデルによって予測されたパラメーターとよく一致しています。
（i）T1からT2に温度を上げた後、Cvar 1⁄4 CminでU（0）1⁄4 U1（k-1）およびs 1⁄4 RCmin（Cvar 1⁄でのCvar両端の電圧に注意） 4 Cmaxは、U1 1⁄4 20 V、つまりE 1⁄4 40 V / lmとして選択され、（ii）U（0）1⁄4 U1（k-1）kÀ1およびs 1⁄4 RCmax at Cvar 1 T2からT1への温度変化後の⁄4 Cmax。したがって、全温度サイクルごとに収穫された電気エネルギーの計算値は、実験データによって確認されました。
MEMS熱変調器と薄い（1 lmまで）強誘電体フィルムコンデンサを使用すると、100 kHzのオーダーの温度振動の周波数を実現できることが上で述べられました。したがって、０．３Ｗ／ｃｍ 2のオーダーの電力を生成する容量性熱電変換器を実現することができた。
変換プロセスの効率は、次の方法で取得できます

温度の最適値（T1％300 K、DT 1⁄4 30 K）および電界E 1⁄4 40 V / lmの実験データ（図3）によると、デバイスの効率の値は0.4％、カルノー効率は9％です。これらのデータは、単結晶チタン酸バリウム様材料の理論的に予測された値とよく一致していることに注意してください。9容量性熱電変換器の推定効率は、焦電変換器の効率に近いです。周波数温度振動（MEMSを使用）、強誘電体薄膜をベースにした容量性および焦電性コンバーターは、ポータブルエレクトロニクス用の小さな電力スケールの発電機として使用できます。
容量性エネルギー変換効率を高める方法の1つは、より高い誘電率を持つ強誘電体材料の使用です。いくつかの研究18、19は、強誘電体材料が数105までの誘電定数を示すことを実証しています。残念ながら、そのような材料にe（E）依存性がないため、エネルギー変換効率の推定はできませんが、これらの材料は、コンバーターにとって魅力的であると思われます。

IV。結論
この研究の目的は、強誘電体フィルムの温度変化による非線形静電容量の変動による電気エネルギー収集のために、強誘電体フィルムコンデンサを使用した容量性熱電変換器の調査です。
このようなエネルギー収穫には、一時的な温度変化が必要です。マイクロ秒スケールの熱時定数を有する薄い（1 lm未満）強誘電体膜と熱流の高速変調用の微小電気機械システムの使用により、最大100 kHzの変換サイクルの周波数を実現し、電力。
コンバーターによって熱電変換サイクルごとに収集される電気エネルギーの量を推定するために、最大80 V / lmまでの異なる電界下での100 Kから350 Kの範囲の温度に対する強誘電体膜の誘電率の実験的依存性を使用しました。収集されたエネルギーと電界の関係は、30〜40 V / lmの電界で最大値が約30 mJ / cm3の非単調な依存性があることがわかりました。高周波熱サイクル（100 kHz）では、熱電変換器は最大0.3 W / cm2の電力を生成できます。コンバーターの温度サイクルでの効率は約0.4％で、カルノーの効率は9％です。著しく高い誘電率を有する強誘電体膜を使用することにより、変換器効率の改善が可能である。