Oferir fonts d'electricitat sostenibles és un dels reptes més importants d'aquest segle. Les àrees de recerca en materials de recol·lecció d'energia sorgeixen d'aquesta motivació, incloent-hi la termoelèctrica1, la fotovoltaica2 i la termofotovoltaica3. Tot i que ens manquen materials i dispositius capaços de recol·lectar energia en el rang de Joule, els materials piroelèctrics que poden convertir l'energia elèctrica en canvis periòdics de temperatura es consideren sensors4 i recol·lectors d'energia5,6,7. Aquí hem desenvolupat un recol·lector d'energia tèrmica macroscòpic en forma de condensador multicapa fet de 42 grams de tantalat de plom i escandi, que produeix 11,2 J d'energia elèctrica per cicle termodinàmic. Cada mòdul piroelèctric pot generar una densitat d'energia elèctrica de fins a 4,43 J cm-3 per cicle. També mostrem que dos mòduls d'aquest tipus que pesen 0,3 g són suficients per alimentar contínuament recol·lectors d'energia autònoms amb microcontroladors i sensors de temperatura integrats. Finalment, mostrem que per a un rang de temperatura de 10 K, aquests condensadors multicapa poden assolir una eficiència de Carnot del 40%. Aquestes propietats es deuen a (1) el canvi de fase ferroelèctrica per a una alta eficiència, (2) el baix corrent de fuita per evitar pèrdues i (3) l'alta tensió de ruptura. Aquests captadors d'energia piroelèctrica macroscòpics, escalables i eficients estan reinventant la generació d'energia termoelèctrica.
En comparació amb el gradient de temperatura espacial necessari per als materials termoelèctrics, la recol·lecció d'energia dels materials termoelèctrics requereix cicles de temperatura al llarg del temps. Això significa un cicle termodinàmic, que es descriu millor amb el diagrama d'entropia (S)-temperatura (T). La figura 1a mostra un gràfic ST típic d'un material piroelèctric no lineal (NLP) que demostra una transició de fase ferroelèctrica-paraelèctrica impulsada per camp en tantalat de plom i escandi (PST). Les seccions blava i verda del cicle al diagrama ST corresponen a l'energia elèctrica convertida al cicle d'Olson (dues seccions isotermes i dues isopolars). Aquí considerem dos cicles amb el mateix canvi de camp elèctric (camp activat i desactivat) i canvi de temperatura ΔT, tot i que amb temperatures inicials diferents. El cicle verd no es troba a la regió de transició de fase i, per tant, té una àrea molt més petita que el cicle blau situat a la regió de transició de fase. Al diagrama ST, com més gran és l'àrea, més gran és l'energia recollida. Per tant, la transició de fase ha de recollir més energia. La necessitat de ciclatge de gran àrea en NLP és molt similar a la necessitat d'aplicacions electrotèrmiques9, 10, 11, 12 on els condensadors multicapa PST (MLC) i els terpolímers basats en PVDF han demostrat recentment un excel·lent rendiment invers. estat de rendiment de refrigeració en el cicle 13,14,15,16. Per tant, hem identificat MLC PST d'interès per a la captació d'energia tèrmica. Aquestes mostres s'han descrit completament en els mètodes i s'han caracteritzat a les notes suplementàries 1 (microscòpia electrònica de rastreig), 2 (difracció de raigs X) i 3 (calorimetria).
a, Esbós d'un gràfic d'entropia (S)-temperatura (T) amb camp elèctric activat i desactivat aplicat a materials NLP que mostra transicions de fase. Es mostren dos cicles de recollida d'energia en dues zones de temperatura diferents. Els cicles blau i verd es produeixen dins i fora de la transició de fase, respectivament, i acaben en regions molt diferents de la superfície. b, dos anells unipolars DE PST MLC, d'1 mm de gruix, mesurats entre 0 i 155 kV cm-1 a 20 °C i 90 °C, respectivament, i els cicles d'Olsen corresponents. Les lletres ABCD fan referència a diferents estats del cicle d'Olson. AB: Els MLC es van carregar a 155 kV cm-1 a 20 °C. BC: El MLC es va mantenir a 155 kV cm-1 i la temperatura es va augmentar a 90 °C. CD: El MLC es descarrega a 90 °C. DA: MLC refredat a 20 °C en camp zero. L'àrea blava correspon a la potència d'entrada necessària per iniciar el cicle. L'àrea taronja és l'energia recollida en un cicle. c, panell superior, voltatge (negre) i corrent (vermell) en funció del temps, seguits durant el mateix cicle d'Olson que b. Els dos inserts representen l'amplificació del voltatge i el corrent en punts clau del cicle. Al panell inferior, les corbes groga i verda representen les corbes de temperatura i energia corresponents, respectivament, per a un MLC d'1 mm de gruix. L'energia es calcula a partir de les corbes de corrent i voltatge del panell superior. L'energia negativa correspon a l'energia recollida. Els passos corresponents a les majúscules de les quatre xifres són els mateixos que al cicle d'Olson. El cicle AB'CD correspon al cicle de Stirling (nota addicional 7).
on E i D són el camp elèctric i el camp de desplaçament elèctric, respectivament. Nd es pot obtenir indirectament del circuit DE (Fig. 1b) o directament iniciant un cicle termodinàmic. Els mètodes més útils van ser descrits per Olsen en el seu treball pioner sobre la recollida d'energia piroelèctrica a la dècada del 198017.
A la figura 1b es mostren dos bucles DE monopolars de mostres PST-MLC d'1 mm de gruix muntades a 20 °C i 90 °C, respectivament, en un rang de 0 a 155 kV cm-1 (600 V). Aquests dos cicles es poden utilitzar per calcular indirectament l'energia recollida pel cicle d'Olson que es mostra a la figura 1a. De fet, el cicle d'Olsen consta de dues branques d'isocamp (aquí, camp zero a la branca DA i 155 kV cm-1 a la branca BC) i dues branques isotermes (aquí, 20 °C i 20 °C a la branca AB). (C a la branca CD) L'energia recollida durant el cicle correspon a les regions taronja i blava (integral EdD). L'energia recollida Nd és la diferència entre l'energia d'entrada i la de sortida, és a dir, només l'àrea taronja de la figura 1b. Aquest cicle d'Olson en particular dóna una densitat d'energia Nd d'1,78 J cm-3. El cicle de Stirling és una alternativa al cicle d'Olson (Nota suplementària 7). Com que l'etapa de càrrega constant (circuit obert) s'assoleix més fàcilment, la densitat d'energia extreta de la figura 1b (cicle AB'CD) arriba a 1,25 J cm-3. Això és només el 70% del que pot recollir el cicle d'Olson, però ho fa un equip de recol·lecció senzill.
A més, vam mesurar directament l'energia recollida durant el cicle d'Olson energitzant el PST MLC mitjançant una etapa de control de temperatura Linkam i un mesurador de font (mètode). La figura 1c a la part superior i als respectius requadres mostra el corrent (vermell) i el voltatge (negre) recollits al mateix PST MLC d'1 mm de gruix que per al bucle DE que passa pel mateix cicle d'Olson. El corrent i el voltatge permeten calcular l'energia recollida, i les corbes es mostren a la figura 1c, a la part inferior (verd) i la temperatura (groc) al llarg del cicle. Les lletres ABCD representen el mateix cicle d'Olson a la figura 1. La càrrega del MLC es produeix durant el tram AB i es duu a terme a un corrent baix (200 µA), de manera que SourceMeter pot controlar correctament la càrrega. La conseqüència d'aquest corrent inicial constant és que la corba de voltatge (corba negra) no és lineal a causa del camp de desplaçament de potencial no lineal D PST (figura 1c, requadre superior). Al final de la càrrega, s'emmagatzemen 30 mJ d'energia elèctrica al MLC (punt B). El MLC s'escalfa i es produeix un corrent negatiu (i per tant un corrent negatiu) mentre el voltatge es manté a 600 V. Després de 40 s, quan la temperatura va assolir un altiplà de 90 °C, aquest corrent es va compensar, tot i que la mostra de pas va produir al circuit una potència elèctrica de 35 mJ durant aquest isocamp (segona inserció a la Fig. 1c, superior). El voltatge al MLC (branca CD) es redueix, donant lloc a 60 mJ addicionals de treball elèctric. L'energia total de sortida és de 95 mJ. L'energia recollida és la diferència entre l'energia d'entrada i la de sortida, que dóna 95 – 30 = 65 mJ. Això correspon a una densitat d'energia d'1,84 J cm-3, que és molt propera al Nd extret de l'anell DE. La reproductibilitat d'aquest cicle d'Olson s'ha provat àmpliament (Nota suplementària 4). En augmentar encara més el voltatge i la temperatura, vam aconseguir 4,43 J cm-3 utilitzant cicles d'Olsen en un MLC PST de 0,5 mm de gruix en un rang de temperatura de 750 V (195 kV cm-1) i 175 °C (Nota suplementària 5). Això és quatre vegades més gran que el millor rendiment reportat a la literatura per a cicles d'Olson directes i es va obtenir en pel·lícules primes de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm. Taula suplementària 1 per a més valors a la literatura). Aquest rendiment s'ha aconseguit gràcies al corrent de fuita molt baix d'aquests MLC (<10−7 A a 750 V i 180 °C, vegeu els detalls a la Nota Suplementària 6), un punt crucial esmentat per Smith et al.19, en contrast amb els materials utilitzats en estudis anteriors17,20. Aquest rendiment s'ha aconseguit gràcies al corrent de fuita molt baix d'aquests MLC (<10−7 A a 750 V i 180 °C, vegeu els detalls a la Nota Suplementària 6), un punt crucial esmentat per Smith et al.19, en contrast amb els materials utilitzats en estudis anteriors17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 °C, А75пи см. подробности в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и дритом. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Aquestes característiques es van aconseguir gràcies al corrent de fuita molt baix d'aquests MLC (<10–7 A a 750 V i 180 °C, vegeu la Nota Suplementària 6 per a més detalls) –un punt crític esmentat per Smith et al. 19– en contrast amb els materials utilitzats en estudis anteriors 17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明6中的详细信息）——Smith 等人19提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说縻 说慅 说信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下比之下比之相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比下 相比之比 相比下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробностепо лобностпи в примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Com que el corrent de fuita d'aquests MLC és molt baix (<10–7 A a 750 V i 180 °C, vegeu la Nota Suplementària 6 per a més detalls) –un punt clau esmentat per Smith et al. 19– a tall de comparació, es van aconseguir aquests rendiments.als materials utilitzats en estudis anteriors 17,20.
Les mateixes condicions (600 V, 20–90 °C) es van aplicar al cicle Stirling (nota suplementària 7). Tal com s'esperava dels resultats del cicle DE, el rendiment va ser de 41,0 mJ. Una de les característiques més destacades dels cicles Stirling és la seva capacitat d'amplificar el voltatge inicial mitjançant l'efecte termoelèctric. Vam observar un guany de voltatge de fins a 39 (des d'un voltatge inicial de 15 V fins a un voltatge final de fins a 590 V, vegeu la figura suplementària 7.2).
Una altra característica distintiva d'aquests MLC és que són objectes macroscòpics prou grans per recollir energia en el rang de joules. Per tant, vam construir un prototip de recol·lector (HARV1) utilitzant 28 MLC PST d'1 mm de gruix, seguint el mateix disseny de plaques paral·leles descrit per Torello et al.14, en una matriu de 7×4 com es mostra a la Fig. El fluid dielèctric portador de calor al col·lector es desplaça mitjançant una bomba peristàltica entre dos dipòsits on la temperatura del fluid es manté constant (mètode). Recollir fins a 3,1 J utilitzant el cicle d'Olson descrit a la fig. 2a, regions isotermes a 10°C i 125°C i regions d'isocamp a 0 i 750 V (195 kV cm-1). Això correspon a una densitat d'energia de 3,14 J cm-3. Utilitzant aquesta recol·lectora, es van prendre mesures en diverses condicions (Fig. 2b). Cal tenir en compte que es van obtenir 1,8 J en un interval de temperatura de 80 °C i un voltatge de 600 V (155 kV cm-1). Això concorda amb els 65 mJ esmentats anteriorment per a un MLC PST d'1 mm de gruix en les mateixes condicions (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configuració experimental d'un prototip HARV1 muntat basat en 28 PST MLC d'1 mm de gruix (4 files × 7 columnes) que funcionen en cicles d'Olson. Per a cadascun dels quatre passos del cicle, el prototip proporciona la temperatura i el voltatge. L'ordinador acciona una bomba peristàltica que fa circular un fluid dielèctric entre els dipòsits fred i calent, dues vàlvules i una font d'alimentació. L'ordinador també utilitza termoparells per recopilar dades sobre el voltatge i el corrent subministrats al prototip i la temperatura de la recol·lectora des de la font d'alimentació. b, Energia (color) recollida pel nostre prototip MLC 4×7 en funció del rang de temperatura (eix X) i el voltatge (eix Y) en diferents experiments.
Una versió més gran del recol·lector (HARV2) amb 60 PST MLC d'1 mm de gruix i 160 PST MLC de 0,5 mm de gruix (41,7 g de material piroelèctric actiu) va donar 11,2 J (Nota suplementària 8). El 1984, Olsen va fabricar un recol·lector d'energia basat en 317 g d'un compost Pb(Zr,Ti)O3 dopat amb estany capaç de generar 6,23 J d'electricitat a una temperatura d'uns 150 °C (ref. 21). Per a aquesta recol·lectora, aquest és l'únic altre valor disponible en el rang de joules. Va obtenir una mica més de la meitat del valor que vam aconseguir i gairebé set vegades la qualitat. Això significa que la densitat d'energia de HARV2 és 13 vegades més alta.
El període del cicle HARV1 és de 57 segons. Això va produir 54 mW de potència amb 4 files de 7 columnes de conjunts MLC d'1 mm de gruix. Per anar un pas més enllà, vam construir una tercera combinadora (HARV3) amb un MLC PST de 0,5 mm de gruix i una configuració similar a HARV1 i HARV2 (Nota suplementària 9). Vam mesurar un temps de termalització de 12,5 segons. Això correspon a un temps de cicle de 25 s (Fig. suplementària 9). L'energia recollida (47 mJ) dóna una potència elèctrica d'1,95 mW per MLC, cosa que al seu torn ens permet imaginar que HARV2 produeix 0,55 W (aproximadament 1,95 mW × 280 PST MLC de 0,5 mm de gruix). A més, vam simular la transferència de calor mitjançant la simulació d'elements finits (COMSOL, Nota suplementària 10 i Taules suplementàries 2-4) corresponents als experiments HARV1. El modelatge d'elements finits va permetre predir valors de potència gairebé un ordre de magnitud superiors (430 mW) per al mateix nombre de columnes PST aprimant el MLC a 0,2 mm, utilitzant aigua com a refrigerant i restaurant la matriu a 7 files × 4 columnes (a més de , hi havia 960 mW quan el tanc era al costat de la recol·lectora, figura suplementària 10b).
Per demostrar la utilitat d'aquest col·lector, es va aplicar un cicle Stirling a un demostrador autònom que constava de només dos MLC PST de 0,5 mm de gruix com a col·lectors de calor, un interruptor d'alta tensió, un interruptor de baixa tensió amb condensador d'emmagatzematge, un convertidor CC/CC, un microcontrolador de baixa potència, dos termoparells i un convertidor elevador (Nota suplementària 11). El circuit requereix que el condensador d'emmagatzematge es carregui inicialment a 9 V i després funcioni de forma autònoma mentre la temperatura dels dos MLC oscil·la entre -5 °C i 85 °C, aquí en cicles de 160 s (es mostren diversos cicles a la Nota suplementària 11). Sorprenentment, dos MLC que pesen només 0,3 g poden controlar de forma autònoma aquest gran sistema. Una altra característica interessant és que el convertidor de baixa tensió és capaç de convertir 400 V a 10-15 V amb una eficiència del 79 % (Nota suplementària 11 i Figura suplementària 11.3).
Finalment, vam avaluar l'eficiència d'aquests mòduls MLC en la conversió d'energia tèrmica en energia elèctrica. El factor de qualitat η de l'eficiència es defineix com la relació entre la densitat de l'energia elèctrica recollida Nd i la densitat de la calor subministrada Qin (nota suplementària 12):
Les figures 3a i 3b mostren l'eficiència η i l'eficiència proporcional ηr del cicle d'Olsen, respectivament, en funció del rang de temperatura d'un MLC PST de 0,5 mm de gruix. Ambdós conjunts de dades es donen per a un camp elèctric de 195 kV cm-1. L'eficiència \(\this\) arriba a l'1,43%, que equival al 18% de ηr. Tanmateix, per a un rang de temperatura de 10 K, de 25 °C a 35 °C, ηr arriba a valors de fins al 40% (corba blava a la figura 3b). Això és el doble del valor conegut per als materials NLP enregistrats en pel·lícules PMN-PT (ηr = 19%) en el rang de temperatura de 10 K i 300 kV cm-1 (Ref. 18). No es van considerar els rangs de temperatura inferiors a 10 K perquè la histèresi tèrmica del MLC PST és d'entre 5 i 8 K. El reconeixement de l'efecte positiu de les transicions de fase sobre l'eficiència és crític. De fet, els valors òptims de η i ηr s'obtenen gairebé tots a la temperatura inicial Ti = 25 °C a les figures 3a i b. Això es deu a una transició de fase propera quan no s'aplica cap camp i la temperatura de Curie TC és d'uns 20 °C en aquests MLC (nota suplementària 13).
a,b, l'eficiència η i l'eficiència proporcional del cicle d'Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} per a la màxima electricitat per un camp de 195 kV cm-1 i diferents temperatures inicials Ti, }}\,\)(b) per al MPC PST de 0,5 mm de gruix, depenent de l'interval de temperatura ΔTspan.
Aquesta última observació té dues implicacions importants: (1) qualsevol ciclatge eficaç ha de començar a temperatures superiors a TC perquè es produeixi una transició de fase induïda per camp (de paraelèctric a ferroelèctric); (2) aquests materials són més eficients en temps d'execució propers a TC. Tot i que els nostres experiments mostren eficiències a gran escala, el rang de temperatura limitat no ens permet aconseguir grans eficiències absolutes a causa del límit de Carnot (\(\Delta T/T\)). Tanmateix, l'excel·lent eficiència demostrada per aquests MLC PST justifica Olsen quan esmenta que "un motor termoelèctric regeneratiu de classe 20 ideal que funciona a temperatures entre 50 °C i 250 °C pot tenir una eficiència del 30%"17. Per assolir aquests valors i provar el concepte, seria útil utilitzar PST dopats amb diferents TC, tal com van estudiar Shebanov i Borman. Van demostrar que la TC en PST pot variar de 3 °C (dopatge de Sb) a 33 °C (dopatge de Ti) 22. Per tant, la nostra hipòtesi és que els regeneradors piroelèctrics de nova generació basats en MLC PST dopats o altres materials amb una forta transició de fase de primer ordre poden competir amb els millors recol·lectors d'energia.
En aquest estudi, hem investigat els MLC fets de PST. Aquests dispositius consten d'una sèrie d'elèctrodes de Pt i PST, on diversos condensadors estan connectats en paral·lel. Es va escollir el PST perquè és un material EC excel·lent i, per tant, un material NLP potencialment excel·lent. Presenta una transició de fase ferroelèctrica-paraelèctrica de primer ordre pronunciada al voltant dels 20 °C, cosa que indica que els seus canvis d'entropia són similars als que es mostren a la figura 1. S'han descrit completament MLC similars per a dispositius EC13,14. En aquest estudi, hem utilitzat MLC de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Els MLC amb un gruix d'1 mm i 0,5 mm es van fer a partir de 19 i 9 capes de PST amb un gruix de 38,6 µm, respectivament. En ambdós casos, la capa interior de PST es va col·locar entre elèctrodes de platí de 2,05 µm de gruix. El disseny d'aquests MLC assumeix que el 55% dels PST són actius, corresponent a la part entre els elèctrodes (Nota suplementària 1). L'àrea de l'elèctrode actiu era de 48,7 mm2 (Taula suplementària 5). El PST de MLC es va preparar mitjançant el mètode de reacció en fase sòlida i colada. Els detalls del procés de preparació s'han descrit en un article anterior14. Una de les diferències entre el PST MLC i l'article anterior és l'ordre dels llocs B, que afecta en gran mesura el rendiment de l'EC en el PST. L'ordre dels llocs B del PST MLC és 0,75 (Nota suplementària 2) obtingut per sinterització a 1400 °C seguit d'un recuit de centenars d'hores a 1000 °C. Per obtenir més informació sobre el PST MLC, vegeu les notes suplementàries 1-3 i la taula suplementària 5.
El concepte principal d'aquest estudi es basa en el cicle d'Olson (Fig. 1). Per a un cicle d'aquest tipus, necessitem un reservori calent i fred i una font d'alimentació capaç de monitoritzar i controlar el voltatge i el corrent en els diversos mòduls MLC. Aquests cicles directes utilitzaven dues configuracions diferents, concretament (1) mòduls Linkam que escalfen i refreden un MLC connectat a una font d'alimentació Keithley 2410, i (2) tres prototips (HARV1, HARV2 i HARV3) en paral·lel amb la mateixa font d'energia. En aquest darrer cas, es va utilitzar un fluid dielèctric (oli de silicona amb una viscositat de 5 cP a 25 °C, comprat a Sigma Aldrich) per a l'intercanvi de calor entre els dos reservoris (calent i fred) i el MLC. El reservori tèrmic consisteix en un recipient de vidre ple de fluid dielèctric i col·locat a sobre de la placa tèrmica. L'emmagatzematge en fred consisteix en un bany d'aigua amb tubs de líquid que contenen fluid dielèctric en un recipient de plàstic gran ple d'aigua i gel. Es van col·locar dues vàlvules de pinça de tres vies (adquirides a Bio-Chem Fluidics) a cada extrem de la recol·lectora per canviar correctament el fluid d'un dipòsit a un altre (Figura 2a). Per garantir l'equilibri tèrmic entre el paquet PST-MLC i el refrigerant, el període del cicle es va allargar fins que els termoparells d'entrada i sortida (el més a prop possible del paquet PST-MLC) mostressin la mateixa temperatura. L'script de Python gestiona i sincronitza tots els instruments (mesuradors de font, bombes, vàlvules i termoparells) per executar el cicle d'Olson correcte, és a dir, el bucle de refrigerant comença a circular per la pila PST després que el mesurador de font es carregui perquè s'escalfin a la tensió aplicada desitjada per a un cicle d'Olson determinat.
Alternativament, hem confirmat aquestes mesures directes de l'energia recollida amb mètodes indirectes. Aquests mètodes indirectes es basen en bucles de desplaçament elèctric (D) - camp elèctric (E) recollits a diferents temperatures, i calculant l'àrea entre dos bucles DE, es pot estimar amb precisió quanta energia es pot recollir, tal com es mostra a la figura 2.1b. Aquests bucles DE també es recullen mitjançant mesuradors de font Keithley.
Es van muntar vint-i-vuit MLC PST d'1 mm de gruix en una estructura de plaques paral·leles de 4 files i 7 columnes segons el disseny descrit a la referència. 14. L'espai de fluid entre les files de PST-MLC és de 0,75 mm. Això s'aconsegueix afegint tires de cinta adhesiva de doble cara com a separadors de líquid al voltant de les vores del MLC PST. El MLC PST està connectat elèctricament en paral·lel amb un pont d'epoxi de plata en contacte amb els cables de l'elèctrode. Després d'això, es van enganxar els cables amb resina epoxi de plata a cada costat dels terminals de l'elèctrode per a la connexió a la font d'alimentació. Finalment, s'insereix tota l'estructura a la mànega de poliolefina. Aquesta última està enganxada al tub de fluid per garantir un segellat correcte. Finalment, es van integrar termoparells de tipus K de 0,25 mm de gruix a cada extrem de l'estructura PST-MLC per controlar les temperatures del líquid d'entrada i sortida. Per fer-ho, primer s'ha de perforar la mànega. Després d'instal·lar el termoparell, apliqueu el mateix adhesiu que abans entre la mànega del termoparell i el cable per restaurar el segellat.
Es van construir vuit prototips separats, quatre dels quals tenien 40 PST MLC de 0,5 mm de gruix distribuïts com a plaques paral·leles amb 5 columnes i 8 files, i els quatre restants tenien 15 PST MLC d'1 mm de gruix cadascun en una estructura de plaques paral·leles de 3 columnes × 5 files. El nombre total de PST MLC utilitzats va ser de 220 (160 de 0,5 mm de gruix i 60 PST MLC d'1 mm de gruix). Anomenem aquestes dues subunitats HARV2_160 i HARV2_60. L'espai de líquid del prototip HARV2_160 consisteix en dues cintes de doble cara de 0,25 mm de gruix amb un cable de 0,25 mm de gruix entre elles. Per al prototip HARV2_60, vam repetir el mateix procediment, però utilitzant un cable de 0,38 mm de gruix. Per simetria, HARV2_160 i HARV2_60 tenen els seus propis circuits de fluid, bombes, vàlvules i costat fred (Nota suplementària 8). Dues unitats HARV2 comparteixen un dipòsit de calor, un recipient de 3 litres (30 cm x 20 cm x 5 cm) sobre dues plaques calentes amb imants giratoris. Els vuit prototips individuals estan connectats elèctricament en paral·lel. Les subunitats HARV2_160 i HARV2_60 funcionen simultàniament en el cicle d'Olson, cosa que resulta en una captació d'energia d'11,2 J.
Col·loqueu un MLC PST de 0,5 mm de gruix en una mànega de poliolefina amb cinta adhesiva de doble cara i filferro a banda i banda per crear espai perquè el líquid flueixi. A causa de la seva petita mida, el prototip es va col·locar al costat d'una vàlvula de dipòsit d'aigua calenta o freda, minimitzant així els temps de cicle.
En un PST MLC, s'aplica un camp elèctric constant aplicant un voltatge constant a la branca de calefacció. Com a resultat, es genera un corrent tèrmic negatiu i s'emmagatzema energia. Després d'escalfar el PST MLC, el camp s'elimina (V = 0) i l'energia que hi ha emmagatzemada es retorna al comptador de la font, cosa que correspon a una contribució més de l'energia recollida. Finalment, amb un voltatge V = 0 aplicat, els PST MLC es refreden a la seva temperatura inicial perquè el cicle pugui tornar a començar. En aquesta etapa, no es recull energia. Vam executar el cicle d'Olsen utilitzant un Keithley 2410 SourceMeter, carregant el PST MLC des d'una font de voltatge i configurant la coincidència de corrent al valor adequat perquè es recoltessin prou punts durant la fase de càrrega per a càlculs d'energia fiables.
En cicles Stirling, els MLC PST es van carregar en mode font de tensió a un valor de camp elèctric inicial (tensió inicial Vi > 0), un corrent de compliment desitjat de manera que el pas de càrrega triga aproximadament 1 s (i es recopilen prou punts per a un càlcul fiable de l'energia) i temperatura freda. En cicles Stirling, els MLC PST es van carregar en mode font de tensió a un valor de camp elèctric inicial (tensió inicial Vi > 0), un corrent de compliment desitjat de manera que el pas de càrrega triga aproximadament 1 s (i es recopilen prou punts per a un càlcul fiable de l'energia) i temperatura freda. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном знач электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этатап ки этатап залояп заливом поля 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) i холодная temperatura. En els cicles MLC Stirling PST, es van carregar en el mode de font de tensió al valor inicial del camp elèctric (tensió inicial Vi > 0), el corrent de rendiment desitjat, de manera que l'etapa de càrrega dura aproximadament 1 s (i es recull un nombre suficient de punts per a un càlcul d'energia fiable) i a temperatura freda.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）充电，所需的顺应电流使得充电步骤大约需要1秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 En el cicle mestre, el PST MLC es carrega al valor inicial del camp elèctric (tensió inicial Vi > 0) en el mode de font de tensió, de manera que el corrent de compliment requerit triga aproximadament 1 segon per al pas de càrrega (i hem recollit prou punts per calcular de manera fiable (energia) i baixa temperatura. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значальным значальным значается источника поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки зарядки золетан има набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) i низкие temperatures. En el cicle Stirling, el PST MLC es carrega en el mode de font de tensió amb un valor inicial del camp elèctric (tensió inicial Vi > 0), el corrent de compliment requerit és tal que l'etapa de càrrega triga aproximadament 1 s (i es recull un nombre suficient de punts per calcular l'energia de manera fiable) i temperatures baixes.Abans que el PST MLC s'escalfi, obriu el circuit aplicant un corrent d'adaptació d'I = 0 mA (el corrent d'adaptació mínim que la nostra font de mesura pot suportar és de 10 nA). Com a resultat, queda una càrrega al PST de l'MJK i el voltatge augmenta a mesura que la mostra s'escalfa. No es recull energia al braç BC perquè I = 0 mA. Després d'assolir una temperatura alta, el voltatge al MLT FT augmenta (en alguns casos més de 30 vegades, vegeu la figura addicional 7.2), el MLK FT es descarrega (V = 0) i s'hi emmagatzema energia elèctrica durant el mateix temps que la càrrega inicial. La mateixa correspondència de corrent es retorna a la font-mesura. A causa del guany de voltatge, l'energia emmagatzemada a alta temperatura és superior a la que es va proporcionar al principi del cicle. En conseqüència, l'energia s'obté convertint la calor en electricitat.
Vam utilitzar un SourceMeter Keithley 2410 per monitoritzar el voltatge i el corrent aplicats al PST MLC. L'energia corresponent es calcula integrant el producte del voltatge i el corrent llegit pel font-mesurador de Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), on τ és el període del període. A la nostra corba d'energia, els valors d'energia positius signifiquen l'energia que hem de donar al PST del MLC, i els valors negatius signifiquen l'energia que n'extraiem i, per tant, l'energia rebuda. La potència relativa per a un cicle de recollida determinat es determina dividint l'energia recollida pel període τ de tot el cicle.
Totes les dades es presenten al text principal o en informació addicional. Les cartes i les sol·licituds de materials s'han d'adreçar a la font de les dades AT o ED proporcionades amb aquest article.
Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NC Una revisió del desenvolupament i les aplicacions dels microgeneradors termoelèctrics per a la captació d'energia. Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NC Una revisió del desenvolupament i les aplicacions dels microgeneradors termoelèctrics per a la captació d'energia.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO i Henao, NC. Visió general del desenvolupament i l'aplicació de microgeneradors termoelèctrics per a la captació d'energia. Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO i Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO, i Henao, Carolina del Nord estan considerant el desenvolupament i l'aplicació de microgeneradors termoelèctrics per a la captació d'energia.currículum. suport. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. i Sinke, WC Materials fotovoltaics: eficiències presents i reptes futurs. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. i Sinke, WC Materials fotovoltaics: eficiències presents i reptes futurs.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK Materials fotovoltaics: rendiment actual i reptes futurs. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. i Sinke, WC 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. i Sinke, WC Materials solars: eficiència actual i reptes futurs.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. i Sinke, VK Materials fotovoltaics: rendiment actual i reptes futurs.Ciència 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Efecte piropiezoelèctric conjunt per a la detecció simultània de temperatura i pressió autoalimentada. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Efecte piropiezoelèctric conjunt per a la detecció simultània de temperatura i pressió autoalimentada.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Efecte piropiezoelèctric combinat per a la mesura simultània autònoma de temperatura i pressió. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL i Yang, Y. Per a l'autoalimentació al mateix temps que la temperatura i la pressió.Song K., Zhao R., Wang ZL i Yan Yu. Efecte termopiezoelèctric combinat per a la mesura simultània autònoma de temperatura i pressió.Endavant. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. i Guyomar, D. Recol·lecció d'energia basada en cicles piroelèctrics d'Ericsson en una ceràmica ferroelèctrica relaxor. Sebald, G., Pruvost, S. i Guyomar, D. Recol·lecció d'energia basada en cicles piroelèctrics d'Ericsson en una ceràmica ferroelèctrica relaxor.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Recol·lecció d'energia basada en cicles piroelèctrics d'Ericsson en ceràmiques ferroelèctriques relaxors.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Recollida d'energia en ceràmiques ferroelèctriques relaxor basades en el cicle piroelèctric d'Ericsson. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Materials electrocalòrics i piroelèctrics de nova generació per a la interconversió d'energia electrotèrmica en estat sòlid. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Materials electrocalòrics i piroelèctrics de nova generació per a la interconversió d'energia electrotèrmica en estat sòlid. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Materials electrocalòrics i piroelèctrics de nova generació per a la interconversió d'energia electrotèrmica en estat sòlid. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. взаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Materials electrocalòrics i piroelèctrics de nova generació per a la interconversió d'energia electrotèrmica en estat sòlid.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. Estàndard i xifra de mèrit per quantificar el rendiment dels nanogeneradors piroelèctrics. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. Estàndard i xifra de mèrit per quantificar el rendiment dels nanogeneradors piroelèctrics.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Un estàndard i una puntuació de qualitat per quantificar el rendiment dels nanogeneradors piroelèctrics. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL i Yang, Yu. Criteris i mesures de rendiment per quantificar el rendiment d'un nanogenerador piroelèctric.Nanoenergia 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND. Cicles de refredament electrocalòric en tantalat d'escandi de plom amb regeneració real mitjançant variació de camp. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND. Cicles de refredament electrocalòric en tantalat d'escandi de plom amb regeneració real mitjançant variació de camp.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND. Cicles de refredament electrocalòric en tantalat de plom-escandi amb regeneració real mitjançant modificació de camp. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环，通过场变化实现真正的倂 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND. Tàntal酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, ND. Un cicle de refredament electrotèrmic de tantalat d'escandi-plom per a una veritable regeneració mitjançant la inversió del camp.física Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials calòrics propers a transicions de fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials calòrics propers a transicions de fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials calòrics propers a transicions de fase ferroide. Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials tèrmics propers a la metal·lúrgia ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, ND Materials tèrmics propers a les transicions de fase de ferro.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. i Mathur, ND Materials calòrics per a refrigeració i calefacció. Moya, X. i Mathur, ND Materials calòrics per a refrigeració i calefacció.Moya, X. i Mathur, ND Materials tèrmics per a refrigeració i calefacció. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. i Mathur, ND Materials tèrmics per a refrigeració i calefacció.Moya X. i Mathur ND Materials tèrmics per a refrigeració i calefacció.Ciència 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Coolers electrocalòrics: una ressenya. Torelló, A. & Defay, E. Coolers electrocalòrics: una ressenya.Torello, A. i Defay, E. Refrigeradors electrocalòrics: una revisió. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. i Defay, E. Refrigeradors electrotèrmics: una revisió.Electrònica avançada. Alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme eficiència energètica de material electrocalòric en escandi-escandi-plom altament ordenat. National communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. L'efecte electrotèrmic dels condensadors multicapa d'òxid és important en un ampli rang de temperatures. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Gran rang de temperatura en regeneradors electrotèrmics. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistema de refrigeració electrotèrmica d'estat sòlid d'alt rendiment. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Dispositiu de refrigeració electrotèrmica en cascada per a un gran augment de temperatura. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB i Brown, DD. Conversió directa d'alta eficiència de calor a energia elèctrica. Mesures piroelèctriques relacionades. Olsen, RB i Brown, DD. Conversió directa d'alta eficiència de calor a energia elèctrica. Mesures piroelèctriques relacionades.Olsen, RB i Brown, DD Conversió directa altament eficient de calor en energia elèctrica associada a mesures piroelèctriques. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB i Brown, DDOlsen, RB i Brown, DD Conversió directa eficient de calor a electricitat associada amb mesures piroelèctriques.Ferroelèctrica 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Densitat d'energia i potència en pel·lícules ferroelèctriques relaxores primes. National Alma Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN i Hanrahan, BM Conversió piroelèctrica en cascada: optimització de la transició de fase ferroelèctrica i les pèrdues elèctriques. Smith, AN i Hanrahan, BM Conversió piroelèctrica en cascada: optimització de la transició de fase ferroelèctrica i les pèrdues elèctriques.Smith, AN i Hanrahan, BM Conversió piroelèctrica en cascada: transició de fase ferroelèctrica i optimització de pèrdues elèctriques. Smith, AN i Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN i Hanrahan, BMSmith, AN i Hanrahan, BM Conversió piroelèctrica en cascada: optimització de les transicions de fase ferroelèctriques i les pèrdues elèctriques.J. Aplicació. Física. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR. L'ús de materials ferroelèctrics per convertir l'energia tèrmica en electricitat. procés. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Convertidor d'energia piroelèctrica en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Convertidor d'energia piroelèctrica en cascada.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Convertidor de potència piroelèctrica en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Convertidors de potència piroelèctrics en cascada.Ferroelèctrica 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. i Borman, K. Sobre solucions sòlides de tantalat de plom-escandi amb un alt efecte electrocalòric. Shebanov, L. i Borman, K. Sobre solucions sòlides de tantalat de plom-escandi amb un alt efecte electrocalòric.Shebanov L. i Borman K. Sobre solucions sòlides de tantalat de plom-escandi amb un alt efecte electrocalòric. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. i Borman, K.Shebanov L. i Borman K. Sobre solucions sòlides d'escandi-plom-escandi amb un alt efecte electrocalòric.Ferroelèctrica 127, 143–148 (1992).
Agraïm a N. Furusawa, Y. Inoue i K. Honda la seva ajuda en la creació del MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB i ED. Agraïm a la Fundació Nacional de Recerca de Luxemburg (FNR) el suport a aquest treball a través de CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay i BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departament de Recerca i Tecnologia de Materials, Institut Tecnològic de Luxemburg (LIST), Belvoir, Luxemburg