برداشت هایبریدی انرژی از مواد پیروالکتریک و مگنتوکالریک بر اساس سیکل های ترمودینامیکی

چکیده امروزه سیستم های تولید توان قابل حمل و کوچک بهعلت کاربرد روزافزون در وسایل الکترونیکی شخصی و ارتباطی در بازارهای تجاری مورد توجه هستند و جایگزین مناسبی برای باتری های غیرقابل شارژ که محدودیت اندازه و زیست محیطی دارند، محسوب می شوند. اکثر این سیستم ها انرژی مورد نیاز خود را از محیط اطراف تامین می کنند. نوسانات دمایی از جمله منابع انرژی نامحدود هستند، که همواره در اطراف ما وجود دارد. این پروژه به بررسی برداشت انرژی از این منبع انرژی می پردازد. مواد پیروالکتریک و مگنتوکالریک وقتی تحت نوسانات دمایی قرار می گیرند به ترتیب ولتاژ و میدان مغناطیسی تولید می کنند، عکس این خاصیت نیز در این مواد برقرار است، از این رو کاربردهای گرمایشی و سرمایشی و قابلیت تولید توان الکتریکی جهت استفاده در سنسورها و وسایل الکترونیکی را دارند. مونو کریستال pzn-4.5ptماده ی پیروالکتریک وgd5si2ge2 ماده ی مگنتوکالریک مورد استفاده در این تحقیق هستند.انرژی برداشتی هریک از مواد پیروالکتریک و مگنتوکالریک با استفاده از سیکلهای ترمودینامیکی کارنو، اریکسون، استرلینگ، اتو، دیزل و برایتون مورد بررسی قرار می گیرد، همچنین پارامترهای نسبت انرژی و راندمان به منظور مقایسه ی میزان کارایی سیکلهای ترمودینامیکی مورد بررسی است. سپس با ترکیب هایبریدی این مواد، گستره دمایی برداشت انرژی افزایش می یابد. در این بررسی میدان الکتریکی اعمالی به ماده ی پیروالکتریک و میدان مغناطیسی اعمالی به ماده ی مگنتوکالریک تحت سیکلهای ترمودینامیکی به ترتیب برابر 2kv.mm-1 و 50koe است. در ابتدا معادلات حاکم بر مواد پیروالکتریک به صورت خطی در نظر گرفته می شوند با این فرض محدوده ی دمایی بهینه نیز در سیکلهای استرلینگ، اتو و دیزل مشخص می گردد. سپس با در نظر گرفتن معادلات پیروالکتریکی به صورت غیرخطی و استفاده از دیتاهای تجربی پلاریزاسیون- میدان الکتریکی، رابطه ی پلاریزاسیون خطوط انتروپی ثابت مشخص می شود. در ماده ی مگنتوکالریک با استفاده از دیتاهای تجربی مغناطیس شوندگی- میدان مغناطیسی نشان خواهیم داد که مغناطیس شوندگی خطوط انتروپی ثابت و دما ثابت در میدان های مغناطیسی یکسان بر هم منطبق هستند. ماکزیمم انرژی بدست آمده توسط این مواد مربوط به سیکل اریکسون است. با اعمال گرادیان دمایی 5°c به ماده ی پیروالکتریک در سیکل اریکسون انرژی برداشتی برابر35.47mj.cm-3بدست آمد و با اعمال سیکل اریکسون تحت همین شرایط به ماده ی مگنتوکالریک انرژی برداشتی برابر 1.04j.cm-3بدست آمد.همچنین به منظور افزایش انرژی برداشتی، سیکل های دو مرحله ایی اریکسون واسترلینگ مورد بررسی قرار گرفته است، در سیکل های دو مرحله ای با افزایش گرادیان دمایی سیکلهای یک مرحله ایی به میزان 4°c انرژی برداشتی نسبت به سیکل یک مرحله ایی افزایش می یابد، سیکل های دو مرحله ایی اریکسون و استرلینگ انرژی برداشتی در ماده ی پیروالکتریک را بهترتیب به میزان 40% و 43.56%افزایش می دهد، این افزایش در ماده ی مگنتوکالریک به ترتیب برابر 13.46% و 30.1%است. ماده ی مگنتوکالریک در دماهای پایین قابلیت خوبی در برداشت انرژی از خود نشان می دهند از این رو در محیط هایی با دمای نزدیک به صفر درجه ی سیلسیوس نظیر سفینه های فضایی کاربرد دارد. در حالی که ماده ی پیروالکتریک در دماهای بالا عملکرد خوبی دارد، از این رو در محیط هایی با دمای بالا نظیر موتور ماشین قابل استفاده است. همچنین ترکیب هایبریدی این مواد در محیط هایی با نوسانات دمایی شدید قابل استفاده است. کلید واژه: سیکل های ترمودینامیکی؛ برداشت انرژی؛ پیرو الکتریک؛ مگنتو کالریک