Ofrecer fontes de electricidade sostibles é un dos retos máis importantes deste século. Desta motivación parten áreas de investigación en materiais de captación de enerxía, incluíndo termoeléctrica1, fotovoltaica2 e termofotovoltaica3. Aínda que carecemos de materiais e dispositivos capaces de recoller enerxía no rango Joule, os materiais piroeléctricos que poden converter a enerxía eléctrica en cambios periódicos de temperatura considéranse sensores4 e recolledores de enerxía5,6,7. Aquí desenvolvemos un colector de enerxía térmica macroscópica en forma de condensador multicapa feito de 42 gramos de tantalato de chumbo escandio, 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 destes módulos con un peso de 0,3 g son suficientes para alimentar continuamente colleitadoras de enerxía autónomas con microcontroladores e sensores de temperatura integrados. Finalmente, mostramos que para un rango de temperatura de 10 K, estes capacitores multicapa poden alcanzar o 40% de eficiencia de Carnot. Estas propiedades débense a (1) cambio de fase ferroeléctrico para unha alta eficiencia, (2) baixa corrente de fuga para evitar perdas e (3) alta tensión de avaría. Estas cosechadoras de enerxía piroeléctrica macroscópicas, escalables e eficientes están reimaxinando a xeración de enerxía termoeléctrica.
En comparación co gradiente de temperatura espacial necesario para os materiais termoeléctricos, a recollida de enerxía dos materiais termoeléctricos require un ciclo de temperatura ao longo do tempo. Isto significa un ciclo termodinámico, que se describe mellor polo diagrama de entropía (S)-temperatura (T). A figura 1a mostra un gráfico ST típico dun material piroeléctrico non lineal (NLP) que demostra unha transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica impulsada por campo no tantalato de chumbo de 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 apagado) e cambio de temperatura ΔT, aínda que con temperaturas iniciais diferentes. 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 ciclos de gran área na PNL é moi semellante á necesidade de aplicacións electrotérmicas9, 10, 11, 12 onde os capacitores multicapa (MLC) PST e os terpolímeros baseados en PVDF mostraron recentemente un excelente rendemento inverso. Estado de rendemento de refrixeración no ciclo 13,14,15,16. Polo tanto, identificamos MLC PST de interese para a recollida de enerxía térmica. Estas mostras foron totalmente descritas nos métodos e caracterizadas nas notas complementarias 1 (microscopía electrónica de barrido), 2 (difracción de raios X) e 3 (calorimetría).
a, Esbozo dunha gráfica de entropía (S)-temperatura (T) con campo eléctrico activado e desactivado aplicado a materiais de PNL que mostra 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 espesor, 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 do ciclo de Olson. AB: os MLC cargáronse a 155 kV cm-1 a 20 °C. BC: MLC mantívose a 155 kV cm-1 e a temperatura elevouse a 90 °C. CD: MLC descarga a 90 °C. DA: MLC arrefriado a 20 °C en campo cero. A zona 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) en función do tempo, seguidos durante o mesmo ciclo de Olson que b. As dúas insercións representan a amplificación da tensión e da 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 espesor. 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 cifras 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. O Nd pódese obter indirectamente a partir 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.
Sobre a fig. A figura 1b mostra dous bucles DE monopolares de especímenes PST-MLC de 1 mm de espesor ensamblados 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 que se mostra na Figura 1a. De feito, o ciclo de Olsen consta de dúas ramas isotérmicas (aquí, campo cero na rama DA e 155 kV cm-1 na rama BC) e dúas ramas isotérmicas (aquí, 20 °С e 20 °С 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 de saída, é dicir, só a zona laranxa da fig. 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 complementaria 7). Debido a que a fase de carga constante (circuíto aberto) se alcanza máis facilmente, a densidade de enerxía extraída da figura 1b (ciclo AB'CD) alcanza 1,25 J cm-3. Isto é só o 70% do que pode recoller o ciclo de Olson, pero o equipo de colleita simple faino.
Ademais, medimos directamente a enerxía recollida durante o ciclo de Olson energizando o PST MLC usando unha etapa de control de temperatura Linkam e un medidor de fonte (método). A figura 1c na parte superior e nos recuadros respectivos mostra a corrente (vermello) e a tensión (negro) recollidas no mesmo PST MLC de 1 mm de espesor que para o bucle DE que atravesa o mesmo ciclo de Olson. A corrente e a tensión permiten calcular a enerxía recollida, e as curvas móstranse na fig. 1c, fondo (verde) e temperatura (amarelo) durante todo o ciclo. As letras ABCD representan o mesmo ciclo de Olson na figura 1. A carga MLC prodúcese durante o tramo AB e realízase 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 (Fig. 1c, recuadro superior). Ao final da carga, 30 mJ de enerxía eléctrica almacénanse no MLC (punto B). A continuación, o MLC quéntase 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 foi compensada, aínda que o paso mostra produciu no circuíto unha potencia eléctrica de 35 mJ durante este isocampo (segundo recuadro na figura 1c, arriba). A tensión no MLC (rama CD) redúcese, o que resulta en 60 mJ adicionais de traballo eléctrico. A enerxía de saída total é de 95 mJ. A enerxía recollida é a diferenza entre a enerxía de entrada e de saída, o que dá 95 – 30 = 65 mJ. Isto correspóndese cunha densidade de enerxía de 1,84 J cm-3, que está moi preto do Nd extraído do anel DE. Probouse amplamente a reproducibilidade deste ciclo de Olson (Nota complementaria 4). Ao aumentar aínda máis a tensión e a temperatura, conseguimos 4,43 J cm-3 utilizando ciclos 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 complementaria 5). Este é catro veces maior que o mellor rendemento informado na literatura para os ciclos directos de Olson e obtívose en películas finas de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm. Suplementario). Táboa 1 para máis valores na literatura). Este rendemento alcanzouse debido á baixa corrente de fuga destes MLC (<10−7 A a 750 V e 180 °C, ver detalles na nota complementaria 6) -un punto crucial mencionado por Smith et al.19- en cambio. aos materiais empregados en estudos anteriores17,20. Este rendemento alcanzouse debido á baixa corrente de fuga destes MLC (<10−7 A a 750 V e 180 °C, ver detalles na nota complementaria 6) -un punto crucial mencionado por Smith et al.19- en cambio. aos materiais empregados en estudos anteriores17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 °C А70 пи одробности в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Estas características conseguíronse debido á baixa corrente de fuga destes MLC (<10-7 A a 750 V e 180 ° C, consulte a Nota complementaria 6 para máis detalles) - un punto crítico mencionado por Smith et al. 19 – en contraste cos materiais utilizados 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，请参见补充说昸低（在由于玆时<10-7 A，请参见补充说昸低（在6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 见 补充 说翘歅 说渻）））） — 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 之下 繋比之下下 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 相比之下下 相比之下下 相比之下，比之下，膍忲经胍比之下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. подробнтости подробности подробности подробностеп ии 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, consulte a Nota complementaria 6 para obter máis detalles), un punto clave mencionado por Smith et al. 19 - a modo de comparación, conseguíronse estas actuacións.aos materiais utilizados en estudos anteriores 17,20.
As mesmas condicións (600 V, 20–90 °C) aplicadas ao ciclo de Stirling (nota complementaria 7). Como era de esperar dos resultados do ciclo DE, o rendemento foi de 41,0 mJ. Unha das características máis sorprendentes dos ciclos de 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, consulte a figura complementaria 7.2).
Outra característica distintiva destes MLC é que son obxectos macroscópicos o suficientemente grandes como para recoller enerxía no rango de joule. Polo tanto, construímos un prototipo de colleitadora (HARV1) usando 28 MLC PST de 1 mm de espesor, seguindo o mesmo deseño de placas paralelas descrito por Torello et al.14, nunha matriz de 7×4 como se mostra na figura. O fluído dieléctrico que transporta calor o colector é desprazado por unha bomba peristáltica entre dous depósitos onde a temperatura do fluído se mantén constante (método). Recolle ata 3,1 J utilizando 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 cosechadora, realizáronse medicións en varias condicións (Fig. 2b). Nótese que se obtiveron 1,8 J nun rango de temperatura de 80 °C e unha tensión de 600 V (155 kV cm-1). Isto concorda cos 65 mJ anteriormente mencionados para PST MLC 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 espesor (4 filas × 7 columnas) que se executan en ciclos Olson. Para cada un dos catro pasos do ciclo, a temperatura e a tensión son proporcionados no prototipo. O ordenador acciona unha bomba peristáltica que fai circular un fluído dieléctrico entre os depósitos frío e quente, dúas válvulas e unha fonte de enerxía. O ordenador tamén utiliza termopares para recoller datos sobre a tensión e a corrente que se subministran ao prototipo e a temperatura da cosechadora da fonte de alimentación. b, Enerxía (cor) recollida polo noso prototipo MLC 4 × 7 fronte ao rango de temperatura (eixe X) e tensión (eixe Y) en diferentes experimentos.
Unha versión máis grande da colleitadora (HARV2) con 60 PST MLC de 1 mm de espesor e 160 PST MLC de 0,5 mm de grosor (41,7 g de material piroeléctrico activo) deu 11,2 J (Nota complementaria 8). En 1984, Olsen fixo unha recollida de enerxía baseada 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 cosechadora, este é o único outro valor dispoñible no rango de joule. Obtivo algo máis da metade do valor que conseguimos e case sete veces a calidade. Isto significa que a densidade de enerxía de HARV2 é 13 veces maior.
O período do ciclo HARV1 é de 57 segundos. Isto produciu 54 mW de potencia con 4 filas de 7 columnas de conxuntos MLC de 1 mm de espesor. Para dar un paso máis, construímos unha terceira cosechadora (HARV3) cun PST MLC de 0,5 mm de espesor e unha configuración similar a HARV1 e HARV2 (Nota complementaria 9). Medimos un tempo de termalización de 12,5 segundos. Isto corresponde a un tempo de ciclo de 25 s (figura complementaria 9). A enerxía recollida (47 mJ) dá unha potencia eléctrica de 1,95 mW por MLC, o que á súa vez permite imaxinar que HARV2 produce 0,55 W (aproximadamente 1,95 mW × 280 PST MLC de 0,5 mm de espesor). Ademais, simulamos a transferencia de calor mediante a simulación de elementos finitos (COMSOL, nota complementaria 10 e táboas complementarias 2-4) correspondentes aos experimentos HARV1. O modelado de elementos finitos permitiu predecir valores de potencia case unha orde de magnitude superiores (430 mW) para o mesmo número de columnas PST diluíndo 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 xunto á cosechadora, figura complementaria 10b).
Para demostrar a utilidade deste colector, aplicouse un ciclo de Stirling a un demostrador autónomo composto por só dous MLC PST de 0,5 mm de espesor como colectores de calor, un interruptor de alta tensión, un interruptor de baixa tensión con condensador de almacenamento, un conversor DC/DC. , un microcontrolador de baixa potencia, dous termopares e un conversor de impulso (Nota complementaria 11). O circuíto require que o capacitor 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 (varios ciclos móstranse na Nota complementaria 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 400V en 10-15V cunha eficiencia do 79% (Nota complementaria 11 e figura complementaria 11.3).
Finalmente, avaliouse a eficiencia destes módulos MLC na conversión de enerxía térmica en enerxía eléctrica. O factor de calidade η de 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,b 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 intervalo 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 materiais NLP rexistrados en películas PMN-PT (ηr = 19%) no intervalo de temperatura de 10 K e 300 kV cm-1 (Ref. 18). Non se consideraron intervalos de temperatura inferiores a 10 K porque a histérese térmica do PST MLC está entre 5 e 8 K. O recoñecemento do efecto positivo das transicións de fase na eficiencia é fundamental. De feito, os valores óptimos de η e ηr obtéñense case todos á temperatura inicial Ti = 25 °C nas Figs. 3a,b. Isto débese a unha transición de fase pechada cando non se aplica ningún campo e a temperatura de Curie TC é duns 20 ° C nestes MLC (nota complementaria 13).
a,b, a eficiencia η e a eficiencia proporcional do ciclo de Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } para o máximo eléctrico por un campo de 195 kV cm-1 e diferentes temperaturas iniciais Ti, }}\,\)(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 ciclo efectivo debe comezar a temperaturas superiores a TC para que se produza unha transición de fase inducida polo campo (de paraeléctrico a ferroeléctrico); (2) estes materiais son máis eficientes en tempos de execución próximos ao TC. Aínda que nos nosos experimentos se mostran eficiencias a gran escala, o limitado rango de temperatura non nos permite acadar 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 funcione 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 utilizar PST dopados con diferentes TC, como estudaron Shebanov e Borman. Demostraron que o TC en PST pode variar de 3 °C (dopaxe Sb) a 33 °C (dopaxe Ti) 22 . Polo tanto, a hipótese de 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 coas mellores colleitadoras de enerxía.
Neste estudo, investigamos os MLC feitos a partir de PST. Estes dispositivos consisten nunha serie de electrodos Pt e PST, polo que varios capacitores están conectados en paralelo. Elixiuse PST porque é un excelente material EC e, polo tanto, un material PNL potencialmente excelente. Presenta unha nítida transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica de primeira orde ao redor dos 20 °C, o que indica que os seus cambios de entropía son similares aos mostrados na figura 1. MLCs similares foron completamente descritos para os dispositivos EC13,14. Neste estudo, utilizamos MLC de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ e 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Os MLC cun espesor de 1 mm e 0,5 mm fixéronse a partir de 19 e 9 capas de PST cun espesor de 38,6 µm, respectivamente. En ambos os casos, a capa interna de PST colocouse entre electrodos de platino de 2,05 µm de espesor. O deseño destes MLC supón que o 55% dos PST están activos, correspondente á parte entre os electrodos (Nota complementaria 1). A área do electrodo activo era de 48,7 mm2 (Táboa complementaria 5). MLC PST preparouse por reacción en fase sólida e método de fundición. Os detalles do proceso de elaboración foron descritos nun artigo anterior14. Unha das diferenzas entre PST MLC e o artigo anterior é a orde dos sitios B, que afecta moito ao rendemento de EC en PST. A orde dos sitios B de PST MLC é de 0,75 (Nota complementaria 2) obtida por sinterización a 1400 °C seguida de centos de horas de recocido a 1000 °C. Para obter máis información sobre PST MLC, consulte as notas complementarias 1-3 e a táboa complementaria 5.
O concepto principal deste estudo baséase no ciclo de Olson (Fig. 1). Para tal ciclo, necesitamos un depósito frío e quente e unha fonte de alimentación capaz de supervisar e controlar a tensión e a corrente nos distintos módulos MLC. Estes ciclos directos utilizaron dúas configuracións diferentes, a saber, (1) módulos Linkam que quentan e refrixeran un MLC conectado a unha fonte de enerxía 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 encima da placa térmica. O almacenamento frigorífico consiste nun baño de auga con tubos líquidos que conteñen fluído dieléctrico nun gran recipiente de plástico cheo de auga e xeo. Colocáronse dúas válvulas de presión de tres vías (compradas 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 de ciclo ampliouse ata que os termopares de entrada e saída (o máis preto posible do paquete PST-MLC) mostraron a mesma temperatura. O script de Python xestiona e sincroniza todos os instrumentos (medidores de orixe, bombas, válvulas e termopares) para executar o ciclo de Olson correcto, é dicir, o ciclo de refrixerante comeza a circular pola pila PST despois de que se cargue o medidor de orixe para que se quenten ao desexado. tensión aplicada para un ciclo de Olson dado.
Alternativamente, confirmamos estas medicións directas da enerxía recollida con métodos indirectos. Estes métodos indirectos baséanse en bucles de campo de desprazamento eléctrico (D) - campo eléctrico (E) recollidos a diferentes temperaturas e, calculando a área entre dous bucles DE, pódese estimar con precisión canta enerxía se pode recoller, como se mostra na figura. . na figura 2. .1b. Estes bucles DE tamén se recollen mediante medidores de fonte Keithley.
Ensamblaron vinte e oito MLC PST de 1 mm de espesor nunha estrutura de placas paralelas de 4 filas e 7 columnas segundo o deseño descrito na referencia. 14. O espazo fluído entre as filas PST-MLC é de 0,75 mm. Isto conséguese engadindo tiras de cinta de dobre cara como separadores líquidos ao redor dos bordos do PST MLC. O PST MLC está conectado eléctricamente en paralelo cunha ponte epoxi de prata en contacto cos cables do electrodo. Despois diso, os fíos foron pegados con resina epoxi prata a cada lado dos terminais dos electrodos para a conexión á fonte de alimentación. Finalmente, introduza toda a estrutura na mangueira de poliolefina. Este último está pegado ao tubo de fluído para garantir a correcta estanqueidade. Finalmente, construíronse termopares tipo K de 0,25 mm de espesor en cada extremo da estrutura PST-MLC para controlar as temperaturas dos líquidos de entrada e saída. Para iso, primeiro debe perforarse 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 espesor distribuídos como placas paralelas con 5 columnas e 8 filas, e os catro restantes tiñan PST MLC de 15 1 mm de espesor cada un. en estrutura de placas paralelas de 3 columnas × 5 filas. O número total de MLC PST utilizados foi de 220 (160 0,5 mm de espesor e 60 PST MLC 1 mm de espesor). Chamamos a estas dúas subunidades HARV2_160 e HARV2_60. O espazo líquido do prototipo HARV2_160 consta de dúas cintas de dobre cara de 0,25 mm de espesor cun fío de 0,25 mm de espesor entre elas. Para o prototipo HARV2_60, repetimos o mesmo procedemento, pero usando un fío de 0,38 mm de grosor. Para a simetría, HARV2_160 e HARV2_60 teñen os seus propios circuítos de fluídos, bombas, válvulas e lado frío (Nota complementaria 8). Dúas unidades HARV2 comparten un depósito de calor, un recipiente de 3 litros (30 cm x 20 cm x 5 cm) en dúas placas quentes con imáns xiratorios. Os oito prototipos individuais están conectados eléctricamente en paralelo. As subunidades HARV2_160 e HARV2_60 funcionan simultáneamente no ciclo de Olson, obtendo unha colleita de enerxía de 11,2 J.
Coloque PST MLC de 0,5 mm de espesor nunha mangueira de poliolefina con cinta adhesiva de dobre cara e cable a ambos os dous lados para crear espazo para que o líquido flúe. Debido ao seu pequeno tamaño, o prototipo colocouse xunto a unha válvula de depósito quente ou frío, minimizando os tempos de ciclo.
En 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 MLC arrefríanse ata a súa temperatura inicial para que o ciclo poida comezar de novo. Nesta fase, a enerxía non se recolle. Realizamos o ciclo Olsen usando un Keithley 2410 SourceMeter, cargando o PST MLC desde unha fonte de tensión e configurando a coincidencia actual co valor apropiado para que se recollesen suficientes puntos durante a fase de carga para realizar cálculos fiables de enerxía.
Nos ciclos de Stirling, os MLC PST cargáronse en modo de fonte de tensión cun valor inicial de campo eléctrico (tensión inicial Vi > 0), unha corrente de conformidade desexada de xeito que o paso de carga leva ao redor de 1 s (e reúnense puntos suficientes para un cálculo fiable de a enerxía) e a temperatura fría. Nos ciclos de Stirling, os MLC PST cargáronse en modo de fonte de tensión cun valor inicial de campo eléctrico (tensión inicial Vi > 0), unha corrente de conformidade desexada de xeito que o paso de carga leva ao redor de 1 s (e reúnense puntos suficientes para un cálculo fiable de a enerxía) e a temperatura fría. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном заряжались зальника (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает занимает окол тет оком ное количество точек для надежного расчета энергия) e холодная температура. Nos ciclos Stirling PST MLC, cargáronse no modo fonte de tensión co 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 un número suficiente). de puntos recóllense para un cálculo fiable de enerxía) e temperatura fría.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）压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）压源模式林循环中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 PST MLC cárgase co valor inicial do campo eléctrico (tensión inicial Vi > 0) no modo de fonte de tensión, de xeito que a corrente de conformidade requirida leva aproximadamente 1 segundo para o paso de carga (e recollemos puntos suficientes para calcular de forma fiable (enerxía) e baixa temperatura. В цикле стирлинeg PST MLC заржжается в режиме источника напржжения с альыызззениржения нч fasноыоллчччени зч эчыоооллллллллллллллллоооооллллолллллллллллллллллллллллллллллылылылылылылылылылы злзь ение vi> 0), трееее ток податливостixe таков, что этап зарядки занимает ооло 1. оы надежно рассчитать энергando) и и низкие темерат Si . No ciclo de Stirling, o PST MLC cárgase no modo 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 leva aproximadamente 1 s (e un número suficiente). de puntos recóllense para calcular de forma fiable a enerxía) e as baixas temperaturas .Antes de que o PST MLC se quente, abra o circuíto aplicando unha corrente de coincidencia de I = 0 mA (a corrente de coincidencia mínima que pode manexar a nosa fonte de medición é de 10 nA). Como resultado, unha carga permanece 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 elevada, a tensión no MLT FT aumenta (nalgúns casos máis de 30 veces, ver a figura adicional 7.2), o MLK FT descárgase (V = 0) e a enerxía eléctrica almacénase neles para o mesmo tempo. xa que son a carga inicial. A mesma correspondencia actual devólvese ao contador-fonte. Debido á ganancia de tensión, a enerxía almacenada a altas temperaturas é superior á proporcionada ao comezo do ciclo. En consecuencia, a enerxía obtense transformando a calor en electricidade.
Usamos un Keithley 2410 SourceMeter para controlar a tensión e a corrente aplicadas ao PST MLC. A enerxía correspondente calcúlase integrando o produto de tensión e corrente lido 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 positivas significan a enerxía que temos que dar ao MLC PST, e os valores negativos significan a enerxía que extraemos deles e, polo tanto, a enerxía recibida. A potencia relativa para un ciclo de recollida dado 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 aplicacións de microxeradores termoeléctricos para a recollida de enerxía. Ando Junior, OH, Maran, ALO e Henao, NC Unha revisión do desenvolvemento e aplicacións de microxeradores termoeléctricos para a recollida de enerxía.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO e Henao, NC Visión xeral do desenvolvemento e aplicación de microxeradores termoeléctricos para a recollida 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, Ohio, Maran, ALO e Henao, NC están considerando o desenvolvemento e aplicación de microxeradores termoeléctricos para a recollida de enerxía.currículo. apoio. Energy Rev. 91, 376-393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiais fotovoltaicos: eficiencias presentes e retos futuros. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiais fotovoltaicos: eficiencias presentes e retos 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. & Sinke, WC Materiais solares: eficiencia actual e desafíos futuros.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. e Sinke, VK Materiais fotovoltaicos: rendemento actual e retos futuros.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efecto piro-piezoeléctrico conxunto para a detección simultánea de temperatura e presión autoalimentada. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efecto piro-piezoeléctrico conxunto para a detección simultánea de temperatura e presión autoalimentada.Song K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Efecto piropiezoeléctrico combinado para medición autónoma simultánea 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 & Yang, Y. Para autoalimentarse ao mesmo tempo que temperatura e presión.Song K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Efecto termopiezoeléctrico combinado para medición simultánea autónoma de temperatura y presión.Adiante. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energy harvesting based on Ericsson pyroelectric cycles in a relaxor ferroelectric ceramic. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Energy harvesting based on Ericsson pyroelectric cycles in a relaxor ferroelectric ceramic.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Energy harvesting based on pyroelectric Ericsson cycles in relaxor ferroelectric ceramics.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Energy harvesting in relaxor ferroelectric ceramics based on Ericsson pyroelectric cycling. Alma mater intelixente. estrutura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & 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 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 го преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de próxima 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. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW го преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de próxima 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 figura de mérito para cuantificar o rendemento dos nanoxeradores piroeléctricos. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Y. Estándar e figura 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.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Ciclos de arrefriamento electrocalórico en tantalato de chumbo escandio con rexeneración verdadeira mediante variación de campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Ciclos de arrefriamento electrocalórico en tantalato de chumbo escandio con rexeneración verdadeira mediante variación de campo.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND Ciclos de refrixeración electrocalórica en tantalato de chumbo-escandio con verdadeira rexeneración 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 refrixeración electrotérmica de tantalato de chumbo de escandio para a verdadeira rexeneración mediante a inversión de campo.física Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiais calóricos próximos ás transicións de fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiais calóricos próximos ás transicións de fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais calóricos próximos ás 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. & Mathur, ND Materiais térmicos preto da metalurxia ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais térmicos próximos ás transicións de fase de ferro.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Materiais calóricos para refrixeración e calefacción. Moya, X. & 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. & Mathur, ND Materiais térmicos para refrixeración e calefacción.Moya X. e Mathur ND Materiais térmicos para refrixeración e calefacción.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Enfriadores electrocalóricos: revisión. Torelló, A. & Defay, E. Enfriadores electrocalóricos: revisión.Torello, A. e Defay, E. Electrocaloric chillers: a review. 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. Enfriadores electrotérmicos: unha revisión.Avanzado. electrónico. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme eficiencia enerxética do material electrocalórico en escandio-escandio-plomo altamente ordenado. Comunicación nacional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. O efecto electrotérmico dos capacitores multicapa de óxido é grande nun amplo rango de temperaturas. Natureza 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Amplio 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 un gran aumento de temperatura. Enerxía Nacional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Conversión directa de alta eficiencia de calor a medicións piroeléctricas relacionadas coa enerxía eléctrica. Olsen, RB & Brown, DD Conversión directa de alta eficiencia de calor a medicións piroeléctricas relacionadas coa enerxía eléctrica.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 & Brown, DDOlsen, RB e Brown, DD Conversión directa eficiente de calor en electricidade asociada a medicións piroeléctricas.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Enerxía e densidade de potencia en finas películas ferroeléctricas relaxantes. alma mater nacional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimizando a transición de fase ferroeléctrica e as perdas eléctricas. Smith, AN & Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimizando a 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 & Hanrahan, BMSmith, AN e Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimización de transicións de fase ferroeléctrica e perdas eléctricas.J. Aplicación. física. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR O uso de materiais ferroeléctricos para converter enerxía térmica en electricidade. proceso. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Convertidor de enerxía piroeléctrica en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Convertidor de enerxía piroeléctrica en cascada.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. 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. Conversores de enerxía piroeléctrica en cascada.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. En solucións sólidas de tantalato de chumbo-escandio con alto efecto electrocalórico. Shebanov, L. & Borman, K. En 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. & Borman, K.Shebanov L. e Borman K. Sobre solucións sólidas de escandio-chumbo-escandio cun alto efecto electrocalórico.Ferroelectrics 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