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 provenen d’aquesta motivació, inclosos Thermoelèctric1, Photovoltaic2 i Thermophotovoltaics3. Tot i que ens manquen de materials i dispositius capaços de collir energia en el rang de Joule, els materials piroelèctrics que poden convertir l’energia elèctrica en canvis de temperatura periòdics es consideren sensors4 i recol·lectors d’energia5,6,7. Aquí hem desenvolupat un recol·lector d'energia tèrmica macroscòpica en forma de condensador multicapa fabricat en 42 grams de tàntalar de scandium de plom, produint 11,2 J d'energia elèctrica per cicle termodinàmic. Cada mòdul piroelèctric pot generar una densitat d’energia elèctrica fins a 4,43 J CM-3 per cicle. També mostrem que dos mòduls que pesen 0,3 g són suficients per alimentar contínuament recol·lectors d’energia autònoma amb microcontroladors incrustats i sensors de temperatura. Finalment, mostrem que per a un rang de temperatura de 10 K, aquests condensadors multicapa poden arribar a un 40% d’eficiència de Carnot. Aquestes propietats es deuen a (1) canvi de fase ferroelèctrica per alta eficiència, (2) corrent de fuites baixes per evitar pèrdues i (3) altes tensió de desglossament. Aquests recol·lectors de potència piroelèctrica macroscòpica, escalables i eficients estan reimaginant la generació d’energia termoelèctrica.
En comparació amb el gradient de temperatura espacial necessari per als materials termoelèctrics, la recol·lecció d’energia de materials termoelèctrics requereix el ciclisme de temperatura amb el pas del temps. Això significa un cicle termodinàmic, que es descriu millor pel diagrama d’entropia (s)-temperatura (t). La figura 1a mostra una trama ST típica d’un material piroelèctric no lineal (NLP) que demostra una transició de fase ferroelèctrica-parelèctrica basada en el camp en el tànlate de plom d’escandium (PST). Les seccions blaves i verdes del cicle del diagrama ST corresponen a l’energia elèctrica convertida en el cicle Olson (dues seccions isotèrmiques i dues isòpoles). Aquí considerem dos cicles amb el mateix canvi de camp elèctric (camp activat i desactivat) i el canvi de temperatura ΔT, tot i que amb diferents temperatures inicials. El cicle verd no es troba a la regió de transició de fase i, per tant, té una àrea molt menor que el cicle blau situat a la regió de transició de fase. Al diagrama ST, com més gran sigui l’àrea, més gran serà l’energia recollida. Per tant, la transició de fase ha de recollir més energia. La necessitat de ciclisme d’àrea gran en PNL és molt similar a la necessitat d’aplicacions electrotèrmiques9, 10, 11, 12 on recentment els condensadors multicapa PST (MLCs) i els terpolímers basats en PVDF han mostrat recentment un excel·lent rendiment invers. Estat de rendiment de refrigeració al cicle 13,14,15,16. Per tant, hem identificat PST MLCs d’interès per a la recol·lecció d’energia tèrmica. Aquestes mostres s’han descrit completament en els mètodes i es caracteritzen a les notes suplementàries 1 (microscòpia electrònica d’escaneig), 2 (difracció de raigs X) i 3 (calorimetria).
A, esbós d’una trama d’entropia (s)-temperatura (t) amb camp elèctric a l’interior i desactivat aplicat a materials NLP que mostren transicions de fase. Es mostren dos cicles de recollida d’energia en dues zones de temperatura diferents. Els cicles blaus i verds 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, 1 mm de gruix, es van mesurar entre 0 i 155 kV cm-1 a 20 ° C i 90 ° C, respectivament, i els cicles OLSEN corresponents. Les lletres ABCD fan referència a diferents estats del cicle Olson. AB: Les MLC es van carregar a 155 kV cm-1 a 20 ° C. BC: MLC es va mantenir a 155 kV cm-1 i la temperatura es va elevar a 90 ° C. CD: MLC es descarrega a 90 ° C. DA: MLC es va refredar 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, tensió (negre) i corrent (vermell) enfront del temps, rastrejat durant el mateix cicle Olson que b. Les dues insercions representen l'amplificació de la tensió i el corrent en punts clau del cicle. Al panell inferior, les corbes grogues i verdes representen les corbes de temperatura i energia corresponents, respectivament, per a un MLC d’1 mm de gruix. L’energia es calcula a partir del corrent i les corbes de tensió 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 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 a partir 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 de l'energia piroelèctrica a la dècada de 198017.
A la fig. 1B mostra dos bucles monopolars de 1 mm de gruix PST-MLC exemplars muntats 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 Olson mostrat a la figura 1A. De fet, el cicle Olsen consta de dues branques isofield (aquí, camp zero a la branca DA i 155 kV cm-1 a la branca BC) i dues branques isotèrmiques (aquí, 20 ° с i 20 ° с a la branca AB). C a la branca CD) L’energia recollida durant el cicle correspon a les regions taronja i blava (EDD Integral). L’energia recollida ND és la diferència entre l’energia d’entrada i la sortida, és a dir, només l’àrea taronja de la Fig. 1B. Aquest cicle particular d’Olson proporciona una densitat d’energia ND d’1,78 J CM-3. El cicle de Stirling és una alternativa al cicle 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 només és el 70% del que pot recopilar el cicle Olson, però els equips de recol·lecció simples ho fan.
A més, es va mesurar directament l’energia recollida durant el cicle Olson energitzant el PST MLC mitjançant una etapa de control de temperatura de LinkAM i un mesurador de font (mètode). La figura 1C a la part superior i als plats respectius mostra el corrent (vermell) i la tensió (negre) recollit al mateix PST de 1 mm de gruix que per al bucle de la del mateix cicle Olson. El corrent i la tensió permeten calcular l’energia recollida i les corbes es mostren a la Fig. 1c, inferior (verd) i temperatura (groc) durant tot el cicle. Les lletres ABCD representen el mateix cicle Olson a la Fig. La conseqüència d’aquest corrent inicial constant és que la corba de tensió (corba negra) no és lineal a causa del camp de desplaçament potencial no lineal D PST (Fig. 1C, Inset superior). Al final de la càrrega, es guarden 30 mJ d’energia elèctrica al MLC (punt B). A continuació, el MLC s’escalfa i es produeix un corrent negatiu (i per tant un corrent negatiu) mentre que la tensió 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 produïda al circuit una potència elèctrica de 35 MJ durant aquest isofield (segon inserció a la Fig. 1c, superior). A continuació, es redueix la tensió del MLC (branca CD), donant lloc a 60 mJ addicionals de treball elèctric. L’energia de producció total és de 95 MJ. L’energia recollida és la diferència entre l’energia d’entrada i la sortida, cosa que dóna 95 - 30 = 65 MJ. Això correspon a una densitat d’energia d’1,84 J CM-3, que està molt a prop de la ND extreta de l’anell DE. La reproductibilitat d’aquest cicle Olson s’ha provat àmpliament (nota suplementària 4). Al augmentar la tensió i la temperatura, vam aconseguir 4,43 J CM-3 mitjançant cicles OLSEN en un PST MLC 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 directes d’Olson i es va obtenir en pel·lícules primes de Pb (Mg, Nb) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (cm. Supplementària Taula 1 per a més valors a la literatura). Aquest rendiment s’ha assolit a causa del corrent de fuites molt baix d’aquests MLC (<10–7 A a 750 V i 180 ° C, vegeu 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 assolit a causa del corrent de fuites molt baix d’aquests MLC (<10–7 A a 750 V i 180 ° C, vegeu 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 дли достигнуты благодаря очень низком току эч mlc (<10–7 а пр 750 и 180 ° C, д дополнительном примечании 6) - критический момент, у пbiннутый смитом и д д. 19 - о отличие о к м материicte, исползованны в более ранних исследованих17,20. Aquestes característiques es van aconseguir a causa del corrent de fuita molt baix d’aquests MLCs (<10–7 A a 750 V i 180 ° C, vegeu la nota suplementària 6 per a detalls) - un punt crític esmentat per Smith et al. 19 - En contrast amb els materials utilitzats en estudis anteriors17,20.由于这些 MLC 的泄漏电流非常低 （在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 请参见补充说明 6 中的详细信息） —） 等人 19 提到的关键点 提到的关键点 提到的关键点 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 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细 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 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 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17.20。 Поскольку ток течки этих mlc очень низкий (<10–7 а при 750 и 180 ° c, с. ключевой момент, у п agvioнтый сиито и д. 19 - для сравнения, ыли достигнуты эти характеристики. Com que el corrent de fuites d’aquests MLC és molt baix (<10–7 A a 750 V i 180 ° C, vegeu la nota suplementària 6 per a detalls) - un punt clau esmentat per Smith et al. 19 - Per a la seva comparació, es van aconseguir aquestes actuacions.als materials utilitzats en estudis anteriors 17,20.
Les mateixes condicions (600 V, 20–90 ° C) s’apliquen al cicle de Stirling (nota suplementària 7). Com s’esperava dels resultats del cicle DE, el rendiment va ser de 41,0 MJ. Una de les característiques més sorprenents dels cicles Stirling és la seva capacitat per amplificar la tensió inicial a través de l'efecte termoelèctric. Es va observar un guany de tensió de fins a 39 (des d’una tensió inicial de 15 V fins a una tensió final de fins a 590 V, vegeu Fig. 7.2 suplementari).
Una altra característica distintiva d’aquests MLC és que són objectes macroscòpics prou grans per recollir energia en el rang Joule. Per tant, es va construir un prototip de recol·lector (HARV1) amb 28 mlc PST 1 mm de gruix, seguint el mateix disseny de plaques paral·leles descrit per Torello et al.14, en una matriu 7 × 4 tal com es mostra a la Fig. El líquid dielèctric que porta la calor que porta la calor en el col·lector està desplaçada per una bomba peristals entre dos reservats on la temperatura del fluid es manté constant (mètode). Recolliu fins a 3,1 J mitjançant el cicle Olson descrit a la Fig. 2A, regions isotèrmiques a 10 ° C i 125 ° C i regions Isofield a 0 i 750 V (195 kV CM-1). Això correspon a una densitat d’energia de 3,14 J CM-3. Utilitzant aquesta combinació, es van prendre mesures en diverses condicions (Fig. 2B). Tingueu en compte que 1,8 J es va obtenir en un rang de temperatura de 80 ° C i una tensió de 600 V (155 kV cm-1). Això està d’acord amb els 65 MJ esmentats anteriorment per a 1 mm de PST MLC de gruix en les mateixes condicions (28 × 65 = 1820 MJ).
A, configuració experimental d’un prototip HARV1 muntat basat en 28 mlc PSTs d’1 mm de gruix (4 files × 7 columnes) que funcionen en cicles d’Olson. Per a cadascun dels quatre passos del cicle, la temperatura i la tensió es proporcionen al prototip. L’ordinador condueix una bomba peristàltica que circula un líquid dielèctric entre els embassaments freds i calents, dues vàlvules i una font d’alimentació. L’ordinador també utilitza termoparells per recopilar dades sobre la tensió i el corrent subministrat al prototip i la temperatura de la combinació de l’alimentació. B, energia (color) recollida pel nostre prototip de 4 × 7 mlc versus rang de temperatura (eix x) i tensió (eix y) en diferents experiments.
Una versió més gran de la recol·lectora (HARV2) amb 60 PST MLC de 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 fer un recol·lector energètic basat en 317 g d’un compost PB dopat amb llauna (Zr, Ti) O3 capaç de generar 6,23 J d’electricitat a una temperatura d’uns 150 ° C (Ref. 21). Per a aquesta combinació, aquest és l’únic altre valor disponible a la gamma Joule. Va obtenir poc més de la meitat del valor que vam aconseguir i gairebé set vegades la qualitat. Això significa que la densitat energètica de HARV2 és 13 vegades superior.
El període de cicle HARV1 és de 57 segons. Això va produir 54 MW de potència amb 4 files de 7 columnes de conjunts de MLC d'1 mm de gruix. Per fer un pas més, vam crear una tercera combinació (HARV3) amb un PST MLC de 0,5 mm de gruix i una configuració similar a HARV1 i HARV2 (nota suplementària 9). Es va mesurar un temps de termalització de 12,5 segons. Això correspon a un temps de cicle de 25 s (Fig. 9 suplementari). L’energia recollida (47 MJ) dóna una potència elèctrica d’1,95 MW per mLC, que al seu torn ens permet imaginar que HARV2 produeix 0,55 W (aproximadament 1,95 MW × 280 PST MLC 0,5 mm de gruix). A més, es va simular la transferència de calor mitjançant la simulació d’elements finits (Comsol, Nota suplementària 10 i les taules suplementàries 2-4) corresponents als experiments HARV1. El modelat d’elements finits va permetre predir els valors de potència gairebé un ordre de magnitud superior (430 MW) per al mateix nombre de columnes PST aprimant el MLC a 0,2 mm, utilitzant l’aigua com a refrigerant i restablint la matriu a 7 files. × 4 columnes (a més, hi havia 960 MW quan el dipòsit es trobava al costat de la combinació, Fig. 10b suplementària).
Per demostrar la utilitat d’aquest col·lector, es va aplicar un cicle Stirling a un demostrador autònom format per només dos MLC PST de 0,5 mm de gruix com a col·leccionistes de calor, un interruptor d’alta tensió, un interruptor de baixa tensió amb condensador d’emmagatzematge, un convertidor DC/CC, un microcontrolador de baixa potència, dos termoparells i augmentar el convertidor (suplementari 11). El circuit requereix que el condensador d’emmagatzematge es carregui inicialment a 9V i després s’executa de forma autònoma, mentre que la temperatura dels dos MLCs oscil·la entre -5 ° C a 85 ° C, aquí en cicles de 160 s (diversos cicles es mostren a la nota suplementària 11). Notablement, 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 400V a 10-15V amb un 79% d’eficiència (nota suplementària 11 i la figura suplementària 11.3).
Finalment, es va avaluar l’eficiència d’aquests mòduls MLC en convertir l’energia tèrmica en energia elèctrica. El factor de qualitat η de l'eficiència es defineix com la relació de la densitat de l'energia elèctrica recollida i amb la densitat de la calor subministrada (nota suplementària 12):
Les figures 3a, b mostren l'eficiència η i l'eficiència proporcional ηr del cicle Olsen, respectivament, en funció del rang de temperatura d'un PST MLC de 0,5 mm de gruix. Els dos conjunts de dades es donen per a un camp elèctric de 195 KV CM-1. L’eficiència \ (\ this \) arriba a un 1,43%, que equival al 18% de ηr. No obstant això, per a un rang de temperatura de 10 K de 25 ° C a 35 ° C, ηr arriba a valors fins al 40% (corba blava a la Fig. 3B). Aquest és el doble del valor conegut per als materials de NLP registrats en pel·lícules PMN-PT (ηr = 19%) en el rang de temperatura de 10 k i 300 kV cm-1 (ref. 18). Els intervals de temperatura inferiors a 10 K no es van considerar perquè la histèresi tèrmica del PST MLC és entre 5 i 8 K. El reconeixement de l'efecte positiu de les transicions de fase sobre l'eficiència és fonamental. De fet, els valors òptims de η i ηr s’obtenen gairebé tots a la temperatura inicial Ti = 25 ° C a les Figs. 3a, 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 Olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ \ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ _ {\ \ rm {carnot}} per al màxim elèctric per un camp de 195 kV cm-1 i diferents temperatures inicials }} \, \) (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 ciclisme efectiu ha de començar a temperatures per sobre de TC per a una transició de fase induïda per camp (de paraelèctrica a ferroelèctrica) que es produeix; (2) Aquests materials són més eficients en els moments d'execució propers a TC. Tot i que en els nostres experiments es mostren les eficiències a gran escala, el rang de temperatura limitat no ens permet assolir grans eficiències absolutes a causa del límit de Carnot (\ (\ delta t/t \)). No obstant això, l'excel·lent eficiència demostrada per aquests PST MLCs 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, segons estudia Shebanov i Borman. Van demostrar que TC en PST pot variar de 3 ° C (dopatge SB) a 33 ° C (dopatge TI) 22. Per tant, hipotetitzem que els regeneradors piroelèctrics de propera generació basats en MLC PST dopades o altres materials amb una forta transició de fase de primer ordre pot competir amb els millors recol·lectors de potència.
En aquest estudi, es van investigar les MLC fetes a partir de PST. Aquests dispositius consisteixen en una sèrie d’elèctrodes PT i PST, pels quals diversos condensadors es connecten en paral·lel. El PST es va triar perquè és un material excel·lent de la CE i, per tant, un material NLP potencialment excel·lent. Presenta una forta transició de fase ferroelèctrica-parelèctrica de primer ordre al voltant de 20 ° C, cosa que indica que els seus canvis d’entropia són similars als que es mostren a la Fig. 1. S’han descrit completament les MLC similars per als dispositius EC13,14. En aquest estudi, hem utilitzat 10,4 × 7,2 × 1 mm³ i 10,4 × 7,2 × 0,5 mm mLCs. Les 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, es va col·locar la capa PST interior entre els elèctrodes de platí de 2,05 µm de gruix. El disseny d’aquests MLC suposa que el 55% dels PST estan actius, corresponent a la part entre els elèctrodes (nota suplementària 1). L’àrea d’elèctrodes actius era de 48,7 mm2 (taula suplementària 5). El PST MLC es va preparar mitjançant una reacció de fase sòlida i un mètode de colada. Els detalls del procés de preparació s’han descrit en un article anterior 14. Una de les diferències entre PST MLC i l’article anterior és l’ordre de B-Sites, que afecta molt el rendiment de la CE en PST. L’ordre de B-Sites de PST MLC és de 0,75 (nota suplementària 2) obtinguda per sinterització a 1400 ° C seguit de centenars d’hores de recuit de durada a 1000 ° C. Per obtenir més informació sobre PST MLC, vegeu les notes suplementàries 1-3 i la taula suplementària 5.
El concepte principal d’aquest estudi es basa en el cicle Olson (Fig. 1). Per a aquest cicle, necessitem un dipòsit calent i fred i una font d’alimentació capaç de controlar i controlar la tensió i el corrent en els diversos mòduls MLC. Aquests cicles directes van utilitzar dues configuracions diferents, a saber (1) Mòduls LinkAM escalfant i refrigerant un MLC connectat a una font de potència Keithley 2410 i (2) tres prototips (HARV1, HARV2 i HARV3) en paral·lel amb la mateixa energia font. En aquest darrer cas, es va utilitzar un fluid dielèctric (oli de silicona amb viscositat de 5 cp a 25 ° C, comprat a Sigma Aldrich) per a l’intercanvi de calor entre els dos dipòsits (calent i fred) i el MLC. El dipòsit tèrmic consisteix en un recipient de vidre ple de líquid dielèctric i situat a la part superior de la placa tèrmica. L’emmagatzematge en fred consisteix en un bany d’aigua amb tubs líquids que contenen líquid dielèctric en un gran recipient de plàstic farcit d’aigua i gel. Es van col·locar dues vàlvules de tres vies (comprades a Bio-Chem Fluidics) a cada extrem de la combinació per canviar correctament el líquid d’un dipòsit a un altre (figura 2a). Per assegurar l’equilibri tèrmic entre el paquet PST-MLC i el refrigerant, el període de cicle es va allargar fins que els termoparells d’entrada i sortida (el més a prop possible del paquet PST-MLC) van mostrar la mateixa temperatura. El script Python gestiona i sincronitza tots els instruments (comptadors de font, bombes, vàlvules i termoparells) per executar el cicle Olson correcte, és a dir, el bucle del refrigerant comença a anar en bicicleta per la pila PST després que es carregui el mesurador de la font de manera que s’escalfin a la tensió aplicada desitjada per al cicle Olson donat.
Alternativament, hem confirmat aquestes mesures directes de l’energia recollida amb mètodes indirectes. Aquests mètodes indirectes es basen en desplaçament elèctric (D) - Camp elèctric (E) bucles de camp recollits a diferents temperatures i, calculant l’àrea entre dos bucles de DE, es pot estimar amb precisió la quantitat d’energia que es pot recollir, tal com es mostra a la figura. a la figura 2 .1b. Aquests bucles DE també es recullen mitjançant comptadors de fonts de Keithley.
Els MLC PST de vint-i-vuit mm de gruix es van muntar en una estructura de plaques paral·leles de 4 files de 7 columnes segons el disseny descrit a la referència. 14. La bretxa de fluids entre les files PST-MLC és de 0,75 mm. Això s’aconsegueix afegint tires de cinta a doble cara com a espaciadors líquids al voltant de les vores del PST MLC. El PST MLC està connectat elèctricament en paral·lel amb un pont epoxi de plata en contacte amb els cables de l'elèctrode. Després d'això, els cables es van enganxar amb resina epoxi de plata a cada costat dels terminals d'elèctrodes per a la connexió amb la font d'alimentació. Finalment, inseriu tota l'estructura a la mànega de poliolefina. Aquest últim està enganxat al tub de fluid per assegurar un segellat adequat. Finalment, es van incorporar 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 termopar, apliqueu el mateix adhesiu que abans entre la mànega de termopar i el fil per restaurar el segell.
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 les quatre restants tenien PST de 15 mm de gruix cadascuna. En l'estructura de plaques paral·leles de 3 columnes × 5 files. El nombre total de MLC PST utilitzats va ser de 220 (160 0,5 mm de gruix i 60 PST MLC 1 mm de gruix). Anomenem aquestes dues subunitats HARV2_160 i HARV2_60. La bretxa líquida del prototip HARV2_160 consta de dues cintes a doble cara de 0,25 mm de gruix amb un filferro de 0,25 mm de gruix entre elles. Per al prototip HARV2_60, vam repetir el mateix procediment, però utilitzant filferro de 0,38 mm de gruix. Per a la simetria, HARV2_160 i HARV2_60 tenen els seus propis circuits de fluids, 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) en dues plaques calentes amb imants rotatius. Els vuit prototips individuals estan connectats elèctricament en paral·lel. Les subunitats HARV2_160 i HARV2_60 funcionen simultàniament al cicle Olson, donant lloc a una collita energètica de 11,2 J.
Col·loqueu MLC PST de 0,5 mm de gruix a la mànega de poliolefina amb cinta 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 d'embassament calent o freda, minimitzant els temps de cicle.
A PST MLC, s’aplica un camp elèctric constant aplicant una tensió 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, s’elimina el camp (V = 0) i l’energia emmagatzemada en ell es torna al comptador d’origen, que correspon a una contribució més de l’energia recollida. Finalment, amb una tensió V = 0 aplicada, els PST MLC es refreden a la temperatura inicial de manera que el cicle pugui tornar a començar. En aquesta etapa, l’energia no es recopila. Vam executar el cicle Olsen mitjançant un subministrament Keithley 2410, carregant el PST MLC des d’una font de tensió i configurant la coincidència actual al valor adequat de manera que es van recollir prou punts durant la fase de càrrega per a càlculs d’energia fiables.
En els cicles de Stirling, les MLC de PST es carreguen en mode font de tensió amb un valor inicial del camp elèctric (tensió inicial VI> 0), un corrent de compliment desitjat de manera que el pas de càrrega triga aproximadament 1 s (i es recullen punts suficients per a un càlcul fiable de l’energia) i la temperatura del fred. En els cicles de Stirling, les MLC de PST es carreguen en mode font de tensió amb un valor inicial del camp elèctric (tensió inicial VI> 0), un corrent de compliment desitjat de manera que el pas de càrrega triga aproximadament 1 s (i es recullen punts suficients per a un càlcul fiable de l’energia) i la temperatura del fred. Виклах стирлинга pst mlc заржжались р режим источнита (I количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура. En els cicles PST de Stirling MLC, es carregaven en el mode de font de tensió al valor inicial del camp elèctric (voltatge inicial VI> 0), el corrent de rendiment desitjat, de manera que l’etapa de càrrega pren aproximadament 1 s (i un nombre suficient de punts es recullen per a un càlcul d’energia fiable) i la temperatura del fred.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 ， 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 del camp elèctric inicial (tensió inicial VI> 0) en el mode de font de tensió, de manera que el corrent de compliment requerit triga aproximadament un segon per al pas de càrrega (i vam recollir prou punts per calcular de forma fiable (energia) i baixa temperatura. Викле стирлинга pst mlc зарun наржение vi> 0), треыйый ток податливости таков, что этап зар després количество точек, чтоы надежно расчитать энергию) и низкие температуры. En el cicle de Stirling, el PST MLC es carrega en el mode 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 un nombre suficient de punts es recullen per calcular de forma fiable l’energia) i les temperatures baixes.Abans que el PST MLC s’escalfi, obriu el circuit aplicant un corrent coincident d’i = 0 mA (el corrent mínim que coincideix amb la nostra font de mesura és de 10 NA). Com a resultat, es manté una càrrega a la PST del MJK i la tensió augmenta a mesura que la mostra s’escalfa. No es recopila energia al braç BC perquè i = 0 mA. Després d’arribar a una temperatura alta, la tensió a la MLT FT augmenta (en alguns casos més de 30 vegades, vegeu Fig. La mateixa correspondència actual es retorna a la font del comptador. A causa del guany de tensió, l’energia emmagatzemada a alta temperatura és superior a la que es proporcionava al començament del cicle. En conseqüència, l’energia s’obté convertint la calor en electricitat.
Hem utilitzat un sourcemeter Keithley 2410 per controlar la tensió i el corrent aplicat al PST MLC. L’energia corresponent es calcula integrant el producte de la tensió i el corrent llegit pel mesurador font de Keithley, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {mes))} \ left (t \ dreta) {v} _ {{\ rm {mes) τ és el període del període. A la nostra corba energètica, els valors d’energia positius signifiquen l’energia que hem de donar al PST MLC, i els valors negatius signifiquen l’energia que extre que extreguem i, per tant, l’energia rebuda. La potència relativa d’un determinat cicle de recollida 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 de dirigir a la font de les dades AT o ED proporcionades a aquest article.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC, una revisió del desenvolupament i les aplicacions dels microgeneradors termoelèctrics per a la recol·lecció d’energia. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC, una revisió del desenvolupament i les aplicacions dels microgeneradors termoelèctrics per a la recol·lecció d’energia.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo i Henao, visió general del desenvolupament i aplicació de microgeneradors termoelèctrics per a la recol·lecció d’energia. Ando Junior, Oh, Maran, Alo & 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 & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO i Henao, NC, consideren el desenvolupament i l’aplicació de microgeneradors termoelèctrics per a la recol·lecció d’energia.reprendre. suport. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. i Sinke, WC Photovoltaic Materials: Eficiències actuals i reptes futurs. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. i Sinke, WC Photovoltaic Materials: Eficiències actuals 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. & 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 Solar Materials: Eficiència actual i reptes futurs.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. i Sinke, VK Materials fotovoltaics: rendiment actual i reptes futurs.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl i Yang, Y. Efecte piro-piezoelèctric conjuntat per a la temperatura simultània i la detecció de pressió autònoma. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl i Yang, Y. Conjunt Efecte piro-piezoelèctric per a la temperatura simultània i la detecció de pressió autònoma.Song K., Zhao R., Wang Zl i Yan Yu. Efecte piropiezoelèctric combinat per a la mesura simultània autònoma de la temperatura i la pressió. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & 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 auto-potenciació alhora 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 la temperatura i la pressió.Endavant. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. i Guyomar, D. Recollida d’energia basada en cicles piroelèctrics d’Ericsson en una ceràmica ferroelèctrica de relaxor. Sebald, G., Pruvost, S. i Guyomar, D. Recollida d’energia basada en cicles piroelèctrics d’Ericsson en una ceràmica ferroelèctrica de relaxor.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Energy Recollida basada en cicles piroelèctrics Ericsson en ceràmica ferroelèctrica de relaxor.Sebald G., Prouvost S. i Guyomar D. Energia de recol·lecció en ceràmica ferroelèctrica de relaxor basada en el ciclisme piroelèctric Ericsson. Smart Alma Mater. estructura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materials electrocòriques i piroelèctriques de nova generació per a la interconversió energètica electrotèrmica en estat sòlid. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materials electrocòriques i piroelèctriques de nova generació per a la interconversió energètica electrotèrmica en estat sòlid. Alpay, Sp, Mantese, J., TRolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокалолорические и пироэлектрические матuar заинного преобразования теердотельной электротермической энерги. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Materials electrocòriques i piroelèctriques de propera generació per a la interconversió energètica electrotèrmica d’estat sòlid. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, Sp, Mantese, J., TRolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокалолорические и пироэлектрические матuar заинного преобразования теердотельной электротермической энерги. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. i Whatmore, RW Materials electrocòriques i piroelèctriques de propera generació per a la interconversió energètica electrotèrmica d’estat sòlid.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl i Yang, Y. estàndard i figura de merit per quantificar el rendiment de nanogeneradors piroelèctrics. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl i Yang, Y. estàndard i figura de merit per quantificar el rendiment de nanogeneradors piroelèctrics.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl i Yang, Yu. Una puntuació estàndard i de qualitat per quantificar el rendiment dels nanogeneradors piroelèctrics. Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl & 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 & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, Zl i Yang, Yu. Criteris i mesures de rendiment per quantificar el rendiment d’un nanogenerador piroelèctric.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, Nd Cicles de refrigeració electrocalòrics en el lideratge de l'escandium amb la regeneració veritable mitjançant la variació del camp. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. i Mathur, Nd Cicles de refrigeració electrocalòrics en el lideratge de l'escandium amb la regeneració veritable mitjançant la variació del camp.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. i Mathur, Nd Cicles de refrigeració electrocalòrics en el cap de plom-escandi amb la veritable regeneració mitjançant la modificació del camp. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, Nd 钽酸钪铅的电热冷却循环 ， 通过场变化实现真正的再生。 通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & 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, un cicle de refrigeració electrotèrmica de Tantale-Lead Scandium per a una veritable regeneració mitjançant la reversió del camp.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, Nd Materials calòrics a prop de transicions de fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, Nd Materials calòrics a prop de transicions de fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, Nd Materials calòrics a prop de transicions de fase de ferroid. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, nd Materials tèrmics a prop de la metal·lúrgia ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. i Mathur, Nd Materials tèrmics a prop de transicions en fase de ferro.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. i Mathur, ND Materials calòrics per refrigerar i calefacció. Moya, X. i Mathur, ND Materials calòrics per refrigerar i calefacció.Moya, X. i Mathur, Nd Materials tèrmics per refredar i calefacció. Moya, X. i Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. i Mathur, Nd Materials tèrmics per refredar i calefacció.Moya X. i Mathur nd Materials tèrmics per refredar i calefacció.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. i Defay, E. Els refrigeradors electrocalòrics: una revisió. Torelló, A. i Defay, E. Els refrigeradors electrocalòrics: una revisió.Torello, A. i Defay, E. Chillers electrocalòrics: una revisió. Torelló, A. i Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 Torelló, A. i Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。Torello, A. i Defay, E. Els refrigeradors electrotèrmics: una revisió.Avançat. Electrònica. Alma Mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme eficiència energètica del material electrocalòric en el lideratge d’escandi altament ordenat. Comunicar -se nacional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. L’efecte electrotèrmic dels condensadors multicapa d’òxid és gran en un ampli rang de temperatura. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enorme 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 augmentar la temperatura gran. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB i Brown, DD, conversió directa de la calor de la calor a les mesures piroelèctriques relacionades amb l’energia elèctrica. Olsen, RB i Brown, DD Conversió directa de calor a la calor a les mesures piroelèctriques relacionades amb l’energia elèctrica.Olsen, RB i Brown, DD Conversió directa altament eficient de la calor en energia elèctrica associada a les mesures piroelèctriques. Olsen, RB i 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 la calor a l’electricitat associada a les mesures piroelèctriques.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Densitat d’energia i energia en pel·lícules ferroelèctriques de relaxor prim. Alma Mater National. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, BM en cascada conversió piroelèctrica: optimització de la transició de fase ferroelèctrica i les pèrdues elèctriques. Smith, An & Hanrahan, BM en cascada conversió piroelèctrica: optimització de la transició de fase ferroelèctrica i les pèrdues elèctriques.Smith, An i Hanrahan, conversió piroelèctrica en cascada de BM: transició de fase ferroelèctrica i optimització de pèrdues elèctriques. Smith, An & Hanrahan, BM 级联热释电转换 ： 优化铁电相变和电损耗。 Smith, An & Hanrahan, BMSmith, An i Hanrahan, conversió piroelèctrica en cascada de BM: optimització de transicions de fase ferroelèctrica i 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. Converter energètic piroelèctric en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Converter energètic piroelèctric en cascada.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM i Dullea, J. Cascade Pyroelèctric Converter Power. 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 piroelèctrica en cascada.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
SHEBANOV, L. i Borman, K. Sobre solucions sòlides de TANTALATE SCANDIUM amb alt efecte electrocalòric. SHEBANOV, L. i Borman, K. Sobre solucions sòlides de TANTALATE SCANDIUM amb alt efecte electrocalòric.SHEBANOV L. i Borman K. Sobre solucions sòlides de tàntalar de plom-escandi amb un efecte electrocalòric elevat. Shebanov, L. i 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 de Scandium-Lead-Scandium amb un efecte electrocalòric elevat.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Agraïm a N. Furusawa, Y. Inoue i K. Honda la seva ajuda per crear el MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB i ED gràcies a la Luxemburg National Research Foundation (FNR) per donar suport a aquest treball a través de Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Pride/15/10935404/Defay- Siebentritt, Thermodimat C20/MS/14718071/Defay i Defay i Defay i Defay i Defay i Defay i Defay Bridges2021/MS/16282302/Cecoha/Defay.
Departament de Tecnologia del Departament de Materials, Institut de Tecnologia de Luxemburg (llista), Belvoir, Luxemburg