Ofrecer fontes sostibles de electricidade é un dos desafíos máis importantes deste século. As áreas de investigación en materiais de captación de enerxía derivan desta motivación, incluíndo a termoeléctrica1, a fotovoltaica2 e a termofotovoltaica3. Aínda que carecemos de materiais e dispositivos capaces de captar enerxía no rango de Joule, os materiais piroeléctricos que poden converter a enerxía eléctrica en cambios periódicos de temperatura considéranse sensores4 e captadores de enerxía5,6,7. Aquí desenvolvemos un captador de enerxía térmica macroscópico en forma de condensador multicapa feito de 42 gramos de tantalato de escandio de chumbo, que produce 11,2 J de enerxía eléctrica por ciclo termodinámico. Cada módulo piroeléctrico pode xerar unha densidade de enerxía eléctrica de ata 4,43 J cm-3 por ciclo. Tamén mostramos que dous módulos deste tipo que pesan 0,3 g son suficientes para alimentar continuamente captadores de enerxía autónomos con microcontroladores e sensores de temperatura integrados. Finalmente, mostramos que para un rango de temperatura de 10 K, estes condensadores multicapa poden alcanzar unha eficiencia de Carnot do 40 %. Estas propiedades débense a (1) o cambio de fase ferroeléctrica para unha alta eficiencia, (2) a baixa corrente de fuga para evitar perdas e (3) a alta tensión de ruptura. Estes captadores de enerxía piroeléctrica macroscópicos, escalables e eficientes están a reimaxinar a xeración de enerxía termoeléctrica.
En comparación co gradiente de temperatura espacial requirido para os materiais termoeléctricos, a captación de enerxía dos materiais termoeléctricos require ciclos de temperatura ao longo do tempo. Isto significa un ciclo termodinámico, que se describe mellor co diagrama de entropía (S)-temperatura (T). A figura 1a mostra unha gráfica ST típica dun material piroeléctrico non lineal (NLP) que demostra unha transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica impulsada por campo en tantalato de chumbo e escandio (PST). As seccións azul e verde do ciclo no diagrama ST corresponden á enerxía eléctrica convertida no ciclo de Olson (dúas seccións isotérmicas e dúas isopolares). Aquí consideramos dous ciclos co mesmo cambio de campo eléctrico (campo activado e desactivado) e cambio de temperatura ΔT, aínda que con diferentes temperaturas iniciais. O ciclo verde non está situado na rexión de transición de fase e, polo tanto, ten unha área moito menor que o ciclo azul situado na rexión de transición de fase. No diagrama ST, canto maior sexa a área, maior será a enerxía recollida. Polo tanto, a transición de fase debe recoller máis enerxía. A necesidade de ciclaxe de gran área en NLP é moi similar á necesidade de aplicacións electrotérmicas9, 10, 11, 12 onde os condensadores multicapa (MLC) PST e os terpolímeros baseados en PVDF demostraron recentemente un excelente rendemento de refrixeración inversa. estado de rendemento de refrixeración no ciclo 13, 14, 15, 16. Polo tanto, identificamos MLC PST de interese para a captación de enerxía térmica. Estas mostras foron descritas completamente nos métodos e caracterizadas nas notas complementarias 1 (microscopia electrónica de varrido), 2 (difracción de raios X) e 3 (calorimetría).
a, Esbozo dun gráfico de entropía (S)-temperatura (T) con campo eléctrico activado e desactivado aplicado a materiais NLP que mostran transicións de fase. Móstranse dous ciclos de recollida de enerxía en dúas zonas de temperatura diferentes. Os ciclos azul e verde ocorren dentro e fóra da transición de fase, respectivamente, e rematan en rexións moi diferentes da superficie. b, dous aneis unipolares DE PST MLC, de 1 mm de grosor, medidos entre 0 e 155 kV cm-1 a 20 °C e 90 °C, respectivamente, e os ciclos de Olsen correspondentes. As letras ABCD refírense a diferentes estados no ciclo de Olson. AB: Os MLC cargáronse a 155 kV cm-1 a 20 °C. BC: O MLC mantívose a 155 kV cm-1 e a temperatura elevouse a 90 °C. CD: O MLC descárgase a 90 °C. DA: MLC arrefriado a 20 °C en campo cero. A área azul corresponde á potencia de entrada necesaria para iniciar o ciclo. A área laranxa é a enerxía recollida nun ciclo. c, panel superior, tensión (negro) e corrente (vermello) fronte ao tempo, rexistradas durante o mesmo ciclo de Olson que b. As dúas insercións representan a amplificación da tensión e a corrente en puntos clave do ciclo. No panel inferior, as curvas amarela e verde representan as curvas de temperatura e enerxía correspondentes, respectivamente, para un MLC de 1 mm de grosor. A enerxía calcúlase a partir das curvas de corrente e tensión do panel superior. A enerxía negativa corresponde á enerxía recollida. Os pasos correspondentes ás maiúsculas das catro figuras son os mesmos que no ciclo de Olson. O ciclo AB'CD corresponde ao ciclo de Stirling (nota adicional 7).
onde E e D son o campo eléctrico e o campo de desprazamento eléctrico, respectivamente. Nd pódese obter indirectamente do circuíto DE (Fig. 1b) ou directamente iniciando un ciclo termodinámico. Os métodos máis útiles foron descritos por Olsen no seu traballo pioneiro sobre a recollida de enerxía piroeléctrica na década de 198017.
Na figura 1b móstranse dous bucles DE monopolares de mostras PST-MLC de 1 mm de grosor ensambladas a 20 °C e 90 °C, respectivamente, nun rango de 0 a 155 kV cm-1 (600 V). Estes dous ciclos pódense usar para calcular indirectamente a enerxía recollida polo ciclo de Olson mostrado na figura 1a. De feito, o ciclo de Olsen consta de dúas ramas de isocampo (aquí, campo cero na rama DA e 155 kV cm-1 na rama BC) e dúas ramas isotérmicas (aquí, 20 °C e 20 °C na rama AB). (C na rama CD) A enerxía recollida durante o ciclo corresponde ás rexións laranxa e azul (integral EdD). A enerxía recollida Nd é a diferenza entre a enerxía de entrada e a de saída, é dicir, só a área laranxa na figura 1b. Este ciclo de Olson en particular dá unha densidade de enerxía Nd de 1,78 J cm-3. O ciclo de Stirling é unha alternativa ao ciclo de Olson (Nota suplementaria 7). Dado que a fase de carga constante (circuíto aberto) se alcanza máis facilmente, a densidade de enerxía extraída da figura 1b (ciclo AB'CD) alcanza os 1,25 J cm-3. Isto é só o 70 % do que pode recoller o ciclo de Olson, pero conséguese cun equipo de recolección sinxelo.
Ademais, medimos directamente a enerxía recollida durante o ciclo de Olson alimentando o MLC PST usando unha etapa de control de temperatura Linkam e un medidor de fonte (método). A figura 1c na parte superior e nos respectivos recadros mostra a corrente (vermello) e a tensión (negro) recollidas no mesmo MLC PST de 1 mm de grosor que para o bucle DE que pasa polo mesmo ciclo de Olson. A corrente e a tensión permiten calcular a enerxía recollida, e as curvas móstranse na figura 1c, na parte inferior (verde) e a temperatura (amarelo) ao longo do ciclo. As letras ABCD representan o mesmo ciclo de Olson na figura 1. A carga do MLC ocorre durante o tramo AB e lévase a cabo a unha corrente baixa (200 µA), polo que SourceMeter pode controlar correctamente a carga. A consecuencia desta corrente inicial constante é que a curva de tensión (curva negra) non é lineal debido ao campo de desprazamento de potencial non lineal D PST (figura 1c, recadro superior). Ao final da carga, almacénanse 30 mJ de enerxía eléctrica no MLC (punto B). O MLC quéntase entón e prodúcese unha corrente negativa (e, polo tanto, unha corrente negativa) mentres a tensión permanece en 600 V. Despois de 40 s, cando a temperatura alcanzou unha meseta de 90 °C, esta corrente compensouse, aínda que a mostra escalonada produciu no circuíto unha potencia eléctrica de 35 mJ durante este isocampo (segundo recadro na Fig. 1c, superior). A tensión no MLC (rama CD) redúcese entón, o que resulta en 60 mJ adicionais de traballo eléctrico. A enerxía total de saída é de 95 mJ. A enerxía recollida é a diferenza entre a enerxía de entrada e a de saída, o que dá 95 – 30 = 65 mJ. Isto corresponde a unha densidade de enerxía de 1,84 J cm-3, que é moi próxima ao Nd extraído do anel DE. A reproducibilidade deste ciclo de Olson foi probada amplamente (Nota suplementaria 4). Ao aumentar aínda máis a voltaxe e a temperatura, acadamos 4,43 J cm-3 usando ciclos de Olsen nun MLC PST de 0,5 mm de espesor nun rango de temperatura de 750 V (195 kV cm-1) e 175 °C (Nota suplementaria 5). Isto é catro veces maior que o mellor rendemento reportado na literatura para ciclos de Olson directos e obtívose en películas delgadas de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm. Táboa suplementaria 1 para máis valores na literatura). Este rendemento alcanzouse debido á moi baixa corrente de fuga destes MLC (<10−7 A a 750 V e 180 °C, véxanse os detalles na Nota Suplementaria 6), un punto crucial mencionado por Smith et al.19, en contraste cos materiais empregados en estudos anteriores17,20. Este rendemento alcanzouse debido á moi baixa corrente de fuga destes MLC (<10−7 A a 750 V e 180 °C, véxanse os detalles na Nota Suplementaria 6), un punto crucial mencionado por Smith et al.19, en contraste cos materiais empregados en estudos anteriores17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 °C А75 и 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. Estas características conseguíronse debido á moi baixa corrente de fuga destes MLC (<10–7 A a 750 V e 180 °C, véxase a Nota Suplementaria 6 para máis detalles) –un punto crítico mencionado por Smith et al.19– en contraste cos materiais empregados en estudos anteriores17,20.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 说昸歅 说縻信息）））））） — 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 之下 下 下 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 лобности в примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Dado que a corrente de fuga destes MLC é moi baixa (<10–7 A a 750 V e 180 °C, véxase a Nota complementaria 6 para máis detalles) (un punto clave mencionado por Smith et al. 19) a modo de comparación, conseguíronse estes rendementos.aos materiais empregados en estudos anteriores 17,20.
As mesmas condicións (600 V, 20–90 °C) aplicáronse ao ciclo Stirling (nota suplementaria 7). Como se esperaba dos resultados do ciclo DE, o rendemento foi de 41,0 mJ. Unha das características máis rechamantes dos ciclos Stirling é a súa capacidade para amplificar a tensión inicial mediante o efecto termoeléctrico. Observamos unha ganancia de tensión de ata 39 (desde unha tensión inicial de 15 V ata unha tensión final de ata 590 V, véxase a figura suplementaria 7.2).
Outra característica distintiva destes MLC é que son obxectos macroscópicos o suficientemente grandes como para recoller enerxía no rango de joules. Polo tanto, construímos un prototipo de colleitador (HARV1) usando 28 MLC PST de 1 mm de grosor, seguindo o mesmo deseño de placas paralelas descrito por Torello et al.14, nunha matriz de 7×4 como se mostra na Fig. O fluído dieléctrico transportador de calor no colector é desprazado por unha bomba peristáltica entre dous depósitos onde a temperatura do fluído se mantén constante (método). Recolle ata 3,1 J usando o ciclo de Olson descrito na fig. 2a, rexións isotérmicas a 10 °C e 125 °C e rexións de isocampo a 0 e 750 V (195 kV cm-1). Isto corresponde a unha densidade de enerxía de 3,14 J cm-3. Usando esta colleitadora, realizáronse medicións en diversas condicións (Fig. 2b). Nótese que se obtiveron 1,8 J nun rango de temperatura de 80 °C e unha voltaxe de 600 V (155 kV cm-1). Isto concorda cos 65 mJ mencionados anteriormente para MLC PST de 1 mm de espesor nas mesmas condicións (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configuración experimental dun prototipo HARV1 ensamblado baseado en 28 PST MLC de 1 mm de grosor (4 filas × 7 columnas) que funcionan con ciclos de Olson. Para cada un dos catro pasos do ciclo, a temperatura e a tensión ofrécense no prototipo. O computador acciona unha bomba peristáltica que fai circular un fluído dieléctrico entre os depósitos frío e quente, dúas válvulas e unha fonte de alimentación. O computador tamén usa termopares para recoller datos sobre a tensión e a corrente subministradas ao prototipo e a temperatura da cosechadora desde a fonte de alimentación. b, Enerxía (cor) recollida polo noso prototipo MLC 4×7 fronte ao rango de temperatura (eixe X) e a tensión (eixe Y) en diferentes experimentos.
Unha versión máis grande do captador (HARV2) con 60 PST MLC de 1 mm de grosor e 160 PST MLC de 0,5 mm de grosor (41,7 g de material piroeléctrico activo) deu 11,2 J (Nota suplementaria 8). En 1984, Olsen fabricou un captador de enerxía baseado en 317 g dun composto de Pb(Zr,Ti)O3 dopado con estaño capaz de xerar 6,23 J de electricidade a unha temperatura duns 150 °C (ref. 21). Para esta colleitadora, este é o único outro valor dispoñible no rango de joules. Obtivo algo máis da metade do valor que acadamos e case sete veces a calidade. Isto significa que a densidade de enerxía do HARV2 é 13 veces maior.
O período de ciclo de HARV1 é de 57 segundos. Isto produciu 54 mW de potencia con 4 filas de 7 columnas de conxuntos MLC de 1 mm de grosor. Para ir un paso máis alá, construímos unha terceira combinadora (HARV3) cun MLC PST de 0,5 mm de grosor e unha configuración similar a HARV1 e HARV2 (Nota suplementaria 9). Medimos un tempo de termalización de 12,5 segundos. Isto corresponde a un tempo de ciclo de 25 s (Fig. suplementaria 9). A enerxía recollida (47 mJ) proporciona unha potencia eléctrica de 1,95 mW por MLC, o que á súa vez nos permite imaxinar que HARV2 produce 0,55 W (aproximadamente 1,95 mW × 280 PST MLC de 0,5 mm de grosor). Ademais, simulamos a transferencia de calor usando a simulación de elementos finitos (COMSOL, Nota suplementaria 10 e Táboas suplementarias 2-4) correspondente aos experimentos HARV1. A modelización por elementos finitos permitiu predicir valores de potencia case unha orde de magnitude superiores (430 mW) para o mesmo número de columnas PST adelgazando o MLC a 0,2 mm, usando auga como refrixerante e restaurando a matriz a 7 filas × 4 columnas (ademais de , había 960 mW cando o tanque estaba ao lado da cosechadora, figura suplementaria 10b).
Para demostrar a utilidade deste colector, aplicouse un ciclo Stirling a un demostrador independente que constaba de só dous MLC PST de 0,5 mm de grosor como colectores de calor, un interruptor de alta tensión, un interruptor de baixa tensión con condensador de almacenamento, un conversor CC/CC, un microcontrolador de baixa potencia, dous termopares e un conversor elevador (Nota suplementaria 11). O circuíto require que o condensador de almacenamento se cargue inicialmente a 9 V e despois funcione de forma autónoma mentres a temperatura dos dous MLC oscila entre -5 °C e 85 °C, aquí en ciclos de 160 s (móstranse varios ciclos na Nota suplementaria 11). Sorprendentemente, dous MLC que pesan só 0,3 g poden controlar de forma autónoma este gran sistema. Outra característica interesante é que o conversor de baixa tensión é capaz de converter 400 V a 10-15 V cunha eficiencia do 79 % (Nota suplementaria 11 e Figura suplementaria 11.3).
Finalmente, avaliamos a eficiencia destes módulos MLC na conversión de enerxía térmica en enerxía eléctrica. O factor de calidade η da eficiencia defínese como a relación entre a densidade da enerxía eléctrica recollida Nd e a densidade da calor subministrada Qin (nota complementaria 12):
As figuras 3a e 3b mostran a eficiencia η e a eficiencia proporcional ηr do ciclo de Olsen, respectivamente, en función do rango de temperatura dun MLC PST de 0,5 mm de espesor. Ambos conxuntos de datos danse para un campo eléctrico de 195 kV cm-1. A eficiencia \(\this\) alcanza o 1,43 %, o que equivale ao 18 % de ηr. Non obstante, para un rango de temperatura de 10 K de 25 °C a 35 °C, ηr alcanza valores de ata o 40 % (curva azul na figura 3b). Este é o dobre do valor coñecido para os materiais NLP rexistrados en películas PMN-PT (ηr = 19 %) no rango de temperatura de 10 K e 300 kV cm-1 (ref. 18). Non se consideraron rangos de temperatura inferiores a 10 K porque a histérese térmica do MLC PST está entre 5 e 8 K. É fundamental recoñecer o efecto positivo das transicións de fase na eficiencia. De feito, os valores óptimos de η e ηr obtéñense case todos á temperatura inicial Ti = 25 °C nas figuras 3a e b. Isto débese a unha transición de fase estreita cando non se aplica ningún campo e a temperatura de Curie TC é de arredor de 20 °C nestes MLC (nota complementaria 13).
a,b, a eficiencia η e a eficiencia proporcional do ciclo de Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} para a máxima electricidade por un campo de 195 kV cm-1 e diferentes temperaturas iniciais Ti, }}\,\)(b) para o MPC PST de 0,5 mm de espesor, dependendo do intervalo de temperatura ΔTspan.
Esta última observación ten dúas implicacións importantes: (1) calquera ciclado efectivo debe comezar a temperaturas superiores a TC para que se produza unha transición de fase inducida por campo (de paraeléctrico a ferroeléctrico); (2) estes materiais son máis eficientes en tempos de execución próximos a TC. Aínda que nos nosos experimentos se mostran eficiencias a grande escala, o rango de temperatura limitado non nos permite alcanzar grandes eficiencias absolutas debido ao límite de Carnot (\(\Delta T/T\)). Non obstante, a excelente eficiencia demostrada por estes MLC PST xustifica a Olsen cando menciona que "un motor termoeléctrico rexenerativo de clase 20 ideal que funciona a temperaturas entre 50 °C e 250 °C pode ter unha eficiencia do 30 %"17. Para alcanzar estes valores e probar o concepto, sería útil usar PST dopados con diferentes TC, como o estudaron Shebanov e Borman. Demostraron que a TC no PST pode variar de 3 °C (dopado de Sb) a 33 °C (dopado de Ti) 22. Polo tanto, a nosa hipótese é que os rexeneradores piroeléctricos de próxima xeración baseados en MLC PST dopados ou outros materiais cunha forte transición de fase de primeira orde poden competir cos mellores captadores de enerxía.
Neste estudo, investigamos os MLC feitos de PST. Estes dispositivos constan dunha serie de eléctrodos de Pt e PST, nos que varios condensadores están conectados en paralelo. Escolleuse o PST porque é un excelente material de electróns e, polo tanto, un material de procesamento de líquidos non ferroeléctricos (PNL) potencialmente excelente. Presenta unha transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica de primeira orde pronunciada ao redor dos 20 °C, o que indica que os seus cambios de entropía son similares aos mostrados na figura 1. Describíronse completamente MLC similares para dispositivos EC13,14. Neste estudo, empregamos MLC de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ e 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Os MLC cun grosor de 1 mm e 0,5 mm fabricáronse a partir de 19 e 9 capas de PST cun grosor de 38,6 µm, respectivamente. En ambos os casos, a capa interna de PST colocouse entre eléctrodos de platino de 2,05 µm de grosor. O deseño destes MLC asume que o 55 % dos PST están activos, o que corresponde á parte entre os eléctrodos (Nota suplementaria 1). A área do eléctrodo activo era de 48,7 mm2 (Táboa suplementaria 5). O PST de MLC preparouse mediante reacción en fase sólida e método de fundición. Os detalles do proceso de preparación describíronse nun artigo anterior14. Unha das diferenzas entre o MLC de PST e o artigo anterior é a orde dos sitios B, que afecta en gran medida o rendemento do EC no PST. A orde dos sitios B do MLC de PST é 0,75 (Nota suplementaria 2), obtido por sinterización a 1400 °C seguida de centos de horas de recocido a 1000 °C. Para obter máis información sobre o MLC de PST, consulte as notas suplementarias 1-3 e a táboa suplementaria 5.
O concepto principal deste estudo baséase no ciclo de Olson (Fig. 1). Para un ciclo deste tipo, necesitamos un depósito de quente e outro de frío e unha fonte de alimentación capaz de monitorizar e controlar a tensión e a corrente nos distintos módulos MLC. Estes ciclos directos empregaron dúas configuracións diferentes, concretamente (1) módulos Linkam que quentaban e arrefriaban un MLC conectado a unha fonte de alimentación Keithley 2410 e (2) tres prototipos (HARV1, HARV2 e HARV3) en paralelo coa mesma fonte de enerxía. Neste último caso, utilizouse un fluído dieléctrico (aceite de silicona cunha viscosidade de 5 cP a 25 °C, adquirido a Sigma Aldrich) para o intercambio de calor entre os dous depósitos (quente e frío) e o MLC. O depósito térmico consiste nun recipiente de vidro cheo de fluído dieléctrico e colocado enriba da placa térmica. O almacenamento en frío consiste nun baño de auga con tubos de líquido que conteñen fluído dieléctrico nun gran recipiente de plástico cheo de auga e xeo. Colocáronse dúas válvulas de pinza de tres vías (adquiridas a Bio-Chem Fluidics) en cada extremo da cosechadora para cambiar correctamente o fluído dun depósito a outro (Figura 2a). Para garantir o equilibrio térmico entre o paquete PST-MLC e o refrixerante, o período do ciclo ampliouse ata que os termopares de entrada e saída (o máis preto posible do paquete PST-MLC) mostrasen a mesma temperatura. O script de Python xestiona e sincroniza todos os instrumentos (medidores de fonte, bombas, válvulas e termopares) para executar o ciclo Olson correcto, é dicir, o bucle de refrixerante comeza a percorrer a pila PST despois de que o medidor de fonte se cargue para que se quenten á tensión aplicada desexada para o ciclo Olson dado.
Alternativamente, confirmamos estas medicións directas da enerxía recollida con métodos indirectos. Estes métodos indirectos baséanse en bucles de desprazamento eléctrico (D) - campo eléctrico (E) recollidos a diferentes temperaturas e, ao calcular a área entre dous bucles DE, pódese estimar con precisión canta enerxía se pode recoller, como se mostra na figura 2.1b. Estes bucles DE tamén se recollen utilizando medidores de fonte Keithley.
Montáronse vinte e oito MLC PST de 1 mm de grosor nunha estrutura de placas paralelas de 4 filas e 7 columnas segundo o deseño descrito na referencia. 14. O espazo de fluído entre as filas de PST-MLC é de 0,75 mm. Isto conséguese engadindo tiras de cinta adhesiva de dobre cara como espazadores de líquido arredor dos bordos do MLC PST. O MLC PST está conectado electricamente en paralelo cunha ponte de epoxi de prata en contacto cos cables dos eléctrodos. Despois diso, pegáronse os fíos con resina epoxi de prata a cada lado dos terminais dos eléctrodos para a conexión á fonte de alimentación. Finalmente, insírese toda a estrutura na mangueira de poliolefina. Esta última está pegada ao tubo de fluído para garantir un selado adecuado. Finalmente, incorporáronse termopares de tipo K de 0,25 mm de grosor en cada extremo da estrutura PST-MLC para controlar as temperaturas do líquido de entrada e saída. Para iso, primeiro débese perforar a mangueira. Despois de instalar o termopar, aplique o mesmo adhesivo que antes entre a mangueira do termopar e o fío para restaurar o selado.
Construíronse oito prototipos separados, catro dos cales tiñan 40 PST MLC de 0,5 mm de grosor distribuídos como placas paralelas con 5 columnas e 8 filas, e os catro restantes tiñan 15 PST MLC de 1 mm de grosor cada un nunha estrutura de placas paralelas de 3 columnas × 5 filas. O número total de PST MLC utilizados foi de 220 (160 de 0,5 mm de grosor e 60 PST MLC de 1 mm de grosor). Chamamos a estas dúas subunidades HARV2_160 e HARV2_60. O espazo de líquido no prototipo HARV2_160 consiste en dúas cintas de dobre cara de 0,25 mm de grosor cun arame de 0,25 mm de grosor entre elas. Para o prototipo HARV2_60, repetimos o mesmo procedemento, pero usando arame de 0,38 mm de grosor. Para a simetría, HARV2_160 e HARV2_60 teñen os seus propios circuítos de fluído, bombas, válvulas e lado frío (Nota suplementaria 8). Dúas unidades HARV2 comparten un depósito de calor, un recipiente de 3 litros (30 cm x 20 cm x 5 cm) sobre dúas placas quentes con imáns rotatorios. Os oito prototipos individuais están conectados electricamente en paralelo. As subunidades HARV2_160 e HARV2_60 funcionan simultaneamente no ciclo de Olson, o que resulta nunha colleita de enerxía de 11,2 J.
Coloque un MLC PST de 0,5 mm de grosor nunha mangueira de poliolefina con cinta adhesiva de dobre cara e arame en ambos os lados para crear espazo para que o líquido flúa. Debido ao seu pequeno tamaño, o prototipo colocouse xunto a unha válvula de depósito de auga quente ou fría, minimizando os tempos de ciclo.
No PST MLC, aplícase un campo eléctrico constante aplicando unha tensión constante á rama de calefacción. Como resultado, xérase unha corrente térmica negativa e almacénase enerxía. Despois de quentar o PST MLC, o campo elimínase (V = 0) e a enerxía almacenada nel devólvese ao contador da fonte, o que corresponde a unha contribución máis da enerxía recollida. Finalmente, cunha tensión V = 0 aplicada, os PST do MLC arrefríanse á súa temperatura inicial para que o ciclo poida comezar de novo. Nesta fase, non se recolle enerxía. Executamos o ciclo Olsen usando un Keithley 2410 SourceMeter, cargando o PST MLC desde unha fonte de tensión e axustando a coincidencia de corrente ao valor axeitado para que se recollesen suficientes puntos durante a fase de carga para realizar cálculos de enerxía fiables.
Nos ciclos Stirling, os MLC PST cargáronse en modo fonte de tensión a un valor de campo eléctrico inicial (tensión inicial Vi > 0), unha corrente de compliance desexada para que o paso de carga leve arredor de 1 s (e se recollan puntos suficientes para un cálculo fiable da enerxía) e a baixa temperatura. Nos ciclos Stirling, os MLC PST cargáronse en modo fonte de tensión a un valor de campo eléctrico inicial (tensión inicial Vi > 0), unha corrente de compliance desexada para que o paso de carga leve arredor de 1 s (e se recollan puntos suficientes para un cálculo fiable da enerxía) e a baixa temperatura. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном знач электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этатанд и этароя заливом токе 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) e холодная temperatura. Nos ciclos MLC de Stirling PST, cargáronse no modo fonte de tensión ao valor inicial do campo eléctrico (tensión inicial Vi > 0), a corrente de rendemento desexada, de xeito que a etapa de carga leva aproximadamente 1 s (e se recolle un número suficiente de puntos para un cálculo de enerxía fiable) e a baixa temperatura.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。 No ciclo mestre, o MLC PST cárgase ao valor inicial do campo eléctrico (tensión inicial Vi > 0) no modo fonte de tensión, de xeito que a corrente de conformidade requirida leva aproximadamente 1 segundo para o paso de carga (e recompilamos puntos suficientes para calcular de forma fiable a (enerxía) e a baixa temperatura). В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значальным значальным значальным значальным значается в режиме источника поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки зарядки зарядки зое1 ник набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) e низкие temperaturas. No ciclo Stirling, o MLC PST cárgase no modo de fonte de tensión cun valor inicial do campo eléctrico (tensión inicial Vi > 0), a corrente de conformidade requirida é tal que a etapa de carga tarda aproximadamente 1 s (e recóllese un número suficiente de puntos para calcular a enerxía de forma fiable) e baixas temperaturas.Antes de que o PST MLC se quente, abra o circuíto aplicando unha corrente de adaptación de I = 0 mA (a corrente de adaptación mínima que a nosa fonte de medición pode manexar é de 10 nA). Como resultado, queda unha carga no PST do MJK e a tensión aumenta a medida que a mostra se quenta. Non se recolle enerxía no brazo BC porque I = 0 mA. Despois de alcanzar unha temperatura alta, a tensión no MLT FT aumenta (nalgúns casos máis de 30 veces, véxase a figura adicional 7.2), o MLK FT descárgase (V = 0) e a enerxía eléctrica almacénase neles polo mesmo tempo que a carga inicial. A mesma correspondencia de corrente devolve á fonte-medidor. Debido á ganancia de tensión, a enerxía almacenada a alta temperatura é maior que a que se proporcionou ao comezo do ciclo. En consecuencia, a enerxía obtense convertendo a calor en electricidade.
Empregamos un SourceMeter Keithley 2410 para monitorizar a tensión e a corrente aplicadas ao PST MLC. A enerxía correspondente calcúlase integrando o produto da tensión e a corrente lidas polo medidor de fonte de Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), onde τ é o período do período. Na nosa curva de enerxía, os valores de enerxía positivos significan a enerxía que temos que dar ao PST do MLC, e os valores negativos significan a enerxía que extraemos deles e, polo tanto, a enerxía recibida. A potencia relativa para un ciclo de recollida determinado determínase dividindo a enerxía recollida polo período τ de todo o ciclo.
Todos os datos preséntanse no texto principal ou en información adicional. As cartas e as solicitudes de materiais deben dirixirse á fonte dos datos AT ou ED proporcionados con este artigo.
Ando Junior, OH, Maran, ALO e Henao, NC Unha revisión do desenvolvemento e as aplicacións de microxeradores termoeléctricos para a captación de enerxía. Ando Junior, OH, Maran, ALO e Henao, NC Unha revisión do desenvolvemento e as aplicacións de microxeradores termoeléctricos para a captación de enerxía.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO e Henao, Carolina do Norte. Visión xeral do desenvolvemento e a aplicación de microxeradores termoeléctricos para a captación de enerxía. 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 e Henao, NCAndo Junior, en Ohio, Maran, en ALO, e Henao, en Carolina do Norte, están a considerar o desenvolvemento e a aplicación de microxeradores termoeléctricos para a captación de enerxía.currículo. apoio. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. e Sinke, WC. Materiais fotovoltaicos: eficiencias actuais e desafíos futuros. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. e Sinke, WC. Materiais fotovoltaicos: eficiencias actuais e desafíos futuros.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. e Sinke, VK Materiais fotovoltaicos: rendemento actual e retos futuros. 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. e Sinke, WC Materiais solares: eficiencia actual e retos futuros.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. e Sinke, VK Materiais fotovoltaicos: rendemento actual e retos futuros.Ciencia 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL e Yang, Y. Efecto piropiezoeléctrico conxunto para a detección simultánea de temperatura e presión autoalimentada. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL e Yang, Y. Efecto piropiezoeléctrico conxunto para a detección simultánea de temperatura e presión autoalimentada.Song K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Efecto piropiezoeléctrico combinado para a medición simultánea e autónoma de temperatura e presión. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL e 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 e Yang, Y. Para a autoalimentación ao mesmo tempo que a temperatura e a presión.Song K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Efecto termopiezoeléctrico combinado para a medición simultánea e autónoma de temperatura e presión.Adiante. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. e Guyomar, D. Recollida de enerxía baseada en ciclos piroeléctricos de Ericsson nunha cerámica ferroeléctrica relaxora. Sebald, G., Pruvost, S. e Guyomar, D. Recollida de enerxía baseada en ciclos piroeléctricos de Ericsson nunha cerámica ferroeléctrica relaxora.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Recollida de enerxía baseada en ciclos piroeléctricos de Ericsson en cerámicas ferroeléctricas de relaxor.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Recollida de enerxía en cerámicas ferroeléctricas relaxoras baseadas no ciclo piroeléctrico de Ericsson. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. e Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de nova xeración para a interconversión de enerxía electrotérmica en estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. e Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de nova xeración para a interconversión de enerxía electrotérmica en estado sólido. 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. e Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de nova xeración para a interconversión de enerxía electrotérmica en estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. e 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. e Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de nova xeración para a interconversión de enerxía electrotérmica en estado sólido.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Y. Estándar e cifra de mérito para cuantificar o rendemento dos nanoxeradores piroeléctricos. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Y. Estándar e cifra de mérito para cuantificar o rendemento dos nanoxeradores piroeléctricos.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Yu. Un estándar e unha puntuación de calidade para cuantificar o rendemento dos nanoxeradores piroeléctricos. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e 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 e Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Yu. Criterios e medidas de rendemento para cuantificar o rendemento dun nanoxerador piroeléctrico.Nanoenerxía 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND. Ciclos de arrefriamento electrocalórico en tantalato de escandio e chumbo con rexeneración real mediante variación de campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND. Ciclos de arrefriamento electrocalórico en tantalato de escandio e chumbo con rexeneración real mediante variación de campo.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND. Ciclos de arrefriamento electrocalórico en tantalato de chumbo-escandio con rexeneración verdadeira mediante modificación de campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantalum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. e Mathur, ND. Un ciclo de arrefriamento electrotérmico de tantalato de escandio-chumbo para unha rexeneración verdadeira mediante inversión de campo.física Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais calóricos preto de transicións de fase ferroicas. Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais calóricos preto de transicións de fase ferroicas.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais calóricos preto de transicións de fase ferroide. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais térmicos preto da metalurxia ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais térmicos preto das transicións de fase de ferro.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. e Mathur, ND Materiais calóricos para refrixeración e calefacción. Moya, X. e Mathur, ND Materiais calóricos para refrixeración e calefacción.Moya, X. e Mathur, ND Materiais térmicos para refrixeración e calefacción. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. e Mathur, ND Materiais térmicos para refrixeración e calefacción.Moya X. e Mathur ND Materiais térmicos para refrixeración e calefacción.Ciencia 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Enfriadores electrocalóricos: revisión. Torelló, A. & Defay, E. Enfriadores electrocalóricos: revisión.Torello, A. e Defay, E. Refrixeradores electrocalóricos: unha revisión. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. e Defay, E. Refrixeradores electrotérmicos: unha revisión.Electrónica avanzada. Alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme eficiencia enerxética de material electrocalórico en escandio-escandio-chumbo altamente ordenado. National communication. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. O efecto electrotérmico dos condensadores multicapa de óxido é grande nun amplo rango de temperaturas. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enorme rango de temperatura en rexeneradores electrotérmicos. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistema de refrixeración electrotérmica de estado sólido de alto rendemento. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Dispositivo de refrixeración electrotérmica en cascada para grandes aumentos de temperatura. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB e Brown, DD. Conversión directa de alta eficiencia de calor a enerxía eléctrica. Medicións piroeléctricas relacionadas. Olsen, RB e Brown, DD. Conversión directa de alta eficiencia de calor a enerxía eléctrica. Medicións piroeléctricas relacionadas.Olsen, RB e Brown, DD Conversión directa altamente eficiente de calor en enerxía eléctrica asociada a medicións piroeléctricas. 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 e Brown, DDOlsen, RB e Brown, DD Conversión directa eficiente de calor en electricidade asociada a medicións piroeléctricas.Ferroeléctrica 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Densidade de enerxía e potencia en películas ferroeléctricas relaxoras finas. Alma mater nacional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN e Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimización da transición de fase ferroeléctrica e as perdas eléctricas. Smith, AN e Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimización da transición de fase ferroeléctrica e as perdas eléctricas.Smith, AN e Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: transición de fase ferroeléctrica e optimización de perdas eléctricas. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN e Hanrahan, BMSmith, AN e Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimización das transicións de fase ferroeléctricas e as perdas eléctricas.J. Física de aplicacións. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR. O uso de materiais ferroeléctricos para converter a enerxía térmica en electricidade. proceso. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J. Conversor de enerxía piroeléctrica en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J. Conversor de enerxía piroeléctrica en cascada.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J. Convertidor de enerxía piroeléctrica 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 e Dullea, J. Convertidores de enerxía piroeléctricos en cascada.Ferroeléctrica 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. e Borman, K. Sobre solucións sólidas de tantalato de chumbo-escandio con alto efecto electrocalórico. Shebanov, L. e Borman, K. Sobre solucións sólidas de tantalato de chumbo-escandio con alto efecto electrocalórico.Shebanov L. e Borman K. Sobre solucións sólidas de tantalato de chumbo-escandio cun alto efecto electrocalórico. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. e Borman, K.Shebanov L. e Borman K. Sobre solucións sólidas de escandio-chumbo-escandio cun alto efecto electrocalórico.Ferroeléctrica 127, 143–148 (1992).
Agradecemos a N. Furusawa, Y. Inoue e K. Honda a súa axuda na creación do MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB e ED. Grazas á Fundación Nacional de Investigación de Luxemburgo (FNR) por apoiar este traballo a través de CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay e BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departamento de Investigación e Tecnoloxía de Materiais, Instituto Tecnolóxico de Luxemburgo (LIST), Belvoir, Luxemburgo