Ofrecer fontes sostibles de electricidade é un dos retos máis importantes deste século. As áreas de investigación en materiais de colleita de enerxía derivan desta motivación, incluíndo Thermoelectric1, Photovoltaic2 e Thermofotovoltaics3. Aínda que carecemos de materiais e dispositivos capaces de recoller enerxía na gama Joule, considéranse sensores4 e colleitadores de enerxía 5,6,6. Aquí desenvolvemos unha colleita de enerxía térmica macroscópica en forma de condensador multicapa feita de 42 gramos de tantalato de escandio de chumbo, producindo 11,2 J de enerxía eléctrica por ciclo termodinámico. Cada módulo piroeléctrico pode xerar densidade de enerxía eléctrica ata 4,43 J CM-3 por ciclo. Tamén mostramos que dous módulos que pesan 0,3 g son suficientes para alimentar continuamente os colleitadores de enerxía autónoma con microcontroladores incrustados e sensores de temperatura. Finalmente, mostramos que para un rango de temperatura de 10 K, estes condensadores multicapa poden alcanzar o 40% de eficiencia Carnot. Estas propiedades débense a (1) cambio de fase ferroeléctrica para unha alta eficiencia, (2) corrente de fuga baixa para evitar perdas e (3) alta tensión de desglose. Estes colleitadores de potencia piroeléctricos macroscópicos, escalables e eficientes están reimaginando a xeración de enerxía termoeléctrica.
En comparación co gradiente de temperatura espacial necesario para materiais termoeléctricos, a recolección de enerxía de materiais termoeléctricos require ciclismo de temperatura co paso do tempo. Isto significa un ciclo termodinámico, que é mellor descrito polo diagrama de entropía (S) -temperatura (T). A figura 1a mostra unha trama típica dun material piroeléctrico non lineal (NLP) que demostra un transición de fase ferroeléctrica-pareléctrica de campo en feroeléctrico orientada ao campo no tantalato de chumbo de escandio (PST). As seccións azuis e verdes do ciclo no diagrama ST corresponden á enerxía eléctrica convertida no ciclo de Olson (dúas seccións isotérmicas e dúas isópolas). 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 ten así unha área moito máis pequena 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 ciclismo de gran área en NLP é moi similar á necesidade de aplicacións electrotérmicas9, 10, 11, 12 onde os condensadores multicapa PST (MLCs) e os terpolímeros baseados en PVDF demostraron recentemente un excelente rendemento inverso. Estado de rendemento de refrixeración no ciclo 13,14,15,16. Polo tanto, identificamos MLCs de interese PST para a recolección de enerxía térmica. Estas mostras foron descritas completamente nos métodos e caracterizáronse nas notas complementarias 1 (microscopía electrónica de dixitalización), 2 (difracción de raios X) e 3 (calorimetría).
A, bosquexo dunha entropía (s) -temperatura (t) trama con campo eléctrico activado e desactivado a materiais NLP que mostran transicións de fase. Dous ciclos de recollida de enerxía móstranse en dúas zonas de temperatura diferentes. Os ciclos azuis e verdes prodúcense dentro e fóra da transición de fase, respectivamente, e rematan en rexións moi diferentes da superficie. B, dous aneis unipolares de Pst MLC, 1 mm de grosor, medidos entre 0 e 155 kV CM-1 a 20 ° C e 90 ° C, respectivamente, e os correspondentes ciclos Olsen. As letras ABCD refírense a diferentes estados do ciclo de Olson. AB: MLCs foron cargados 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 área azul corresponde á potencia de entrada necesaria para iniciar o ciclo. A área laranxa é a enerxía recollida nun só ciclo. C, panel superior, tensión (negro) e corrente (vermello) fronte ao tempo, rastrexado durante o mesmo ciclo Olson que B. As dúas insercións representan a amplificación de tensión e corrente en puntos clave do ciclo. No panel inferior, as curvas amarelas e verdes representan as correspondentes curvas de temperatura e enerxía, respectivamente, para un MLC de 1 mm de grosor. A enerxía calcúlase a partir das curvas de corrente e tensión no 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 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. Olsen describiu os métodos máis útiles no seu traballo pioneiro na recollida de enerxía piroeléctrica nos anos 8017.
Na fig. 1B mostra dous bucles monopolares de 1 mm de espesor PST-MLC montados 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 Olson mostrado na figura 1a. De feito, o ciclo de Olsen consta de dúas ramas isofield (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 de CD) A enerxía recollida durante o ciclo corresponde ás rexións laranxas e azuis (EDD integral). A enerxía recollida ND é a diferenza entre a enerxía de entrada e a saída, é dicir, só a área laranxa na fig. 1b. Este ciclo de Olson 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) é máis facilmente alcanzada, a densidade de enerxía extraída da figura 1b (ciclo AB'CD) alcanza 1,25 J CM-3. Este é só o 70% do que o ciclo de Olson pode recoller, pero o simple equipo de colleita faino.
Ademais, medimos directamente a enerxía recollida durante o ciclo de Olson dinamizando o PST MLC usando unha etapa de control de temperatura Linkam e un contador de fontes (método). A figura 1C na parte superior e nas respectivas insercións mostra a corrente (vermella) e a tensión (negra) recollida no mesmo PST de 1 mm de grosor MLC que para o bucle de que atravesa o mesmo ciclo Olson. A corrente e a tensión permiten calcular a enerxía recollida e as curvas móstranse na fig. 1C, inferior (verde) e temperatura (amarelo) ao longo do ciclo. As letras ABCD representan o mesmo ciclo de Olson na figura. 1. A carga de MLC prodúcese durante a perna AB e realízase a unha corrente baixa (200 µA), polo que o 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 potencial non lineal D PST (Fig. 1C, inserción superior). Ao final da carga, almacénanse 30 MJ de enerxía eléctrica na MLC (punto B). A MLC quéntase entón e prodúcese unha corrente negativa (e polo tanto unha corrente negativa) mentres a tensión permanece a 600 V. Despois de 40 s, cando a temperatura alcanzou unha meseta de 90 ° C, esta corrente foi compensada, aínda que a mostra de paso producida no circuíto unha potencia eléctrica de 35 MJ durante este isofield (segunda inserción na figura 1C, top). A tensión do MLC (CD de rama) redúcese entón, obtendo 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 a saída, que dá 95 - 30 = 65 mJ. Isto corresponde a unha densidade de enerxía de 1,84 J CM-3, que está moi preto do ND extraído do anel de De. A reproducibilidade deste ciclo de Olson foi probada extensivamente (nota complementaria 4). Ao aumentar a tensión e a temperatura aumentando, conseguimos 4,43 J CM-3 usando os ciclos Olsen nun PST PST de 0,5 mm de grosor sobre un rango de temperatura de 750 V (195 kV CM-1) e 175 ° C (nota complementaria 5). Isto é catro veces maior que a mellor actuación informada na literatura para ciclos directos de Olson e obtívose en películas finas de PB (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (CM. Supplementario Táboa 1 para máis valores na literatura). Este rendemento alcanzouse debido á corrente de fuga moi baixa 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 contraste cos materiais empregados en estudos anteriores17,20. Este rendemento alcanzouse debido á corrente de fuga moi baixa 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 contraste cos materiais empregados en estudos anteriores17,20. Эти характеристики ыыли достzamento в дополнительном примечании) - крelos 19 - в отличие от к катериалам, исползоlor Estas características conseguíronse debido á corrente de fuga moi baixa 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 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 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 等 人 相比之下 关键 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 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17.20。 Поскольlor ток уечки этих MLC очень низкий (<10–7 а п п 750 в 180 ° C, с. Подобоботт вâополantos помомобобоомооооооомооооооооооооооооооооооооонннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннннISчннISчISчISчнIS ключевой момент, eder уомour 19 - для сравнения, ыыли достиг Tesты 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 6 complementaria para máis detalles) - un punto clave mencionado por Smith et al. 19 - Para comparación, conseguíronse estas actuacións.a materiais empregados en estudos anteriores 17.20.
As mesmas condicións (600 V, 20-90 ° C) aplicáronse ao ciclo de Stirling (nota complementaria 7). Como se esperaba dos resultados do ciclo DE, o rendemento foi de 41,0 MJ. Unha das características máis rechamantes dos ciclos de Stirling é a súa capacidade para amplificar a tensión inicial a través do 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, ver Fig. 7.2 complementarias).
Outra característica distintiva destes MLC é que son obxectos macroscópicos o suficientemente grandes como para recoller enerxía na gama Joule. Polo tanto, construímos un prototipo colleitador (harv1) usando 28 mlc PST 1 mm de grosor, seguindo o mesmo deseño de placas paralelas descrito por Torello et al.14, nunha matriz 7 × 4 como se mostra na figura. A bomba dieléctrica que ten un fluído de fluído onde se atopa o manofold. Recoller ata 3.1 J usando o ciclo Olson descrito na fig. 2a, rexións isotérmicas a 10 ° C e 125 ° C e rexións isofield a 0 e 750 V (195 kV CM-1). Isto corresponde a unha densidade de enerxía de 3,14 J CM-3. Usando esta combinación, tomáronse medicións en varias condicións (Fig. 2b). Teña en conta que se obtivo 1,8 J nun intervalo de temperatura de 80 ° C e unha tensión de 600 V (155 kV CM-1). Isto está de bo acordo cos 65 mJ mencionados anteriormente para MLC PST de 1 mm de grosor nas mesmas condicións (28 × 65 = 1820 MJ).
A, Configuración experimental dun prototipo Harv1 ensamblado baseado en 28 MLC PSTs de 1 mm de grosor (4 filas × 7 columnas) que funcionan nos ciclos Olson. Para cada un dos catro pasos do ciclo, no prototipo inclúense a temperatura e a tensión. A computadora conduce unha bomba peristáltica que circula un fluído dieléctrico entre os encoros fríos e quentes, dúas válvulas e unha fonte de enerxía. O ordenador tamén usa termocopias para recoller datos sobre a tensión e a corrente subministrada ao prototipo e a temperatura da combinación da fonte de alimentación. B, enerxía (cor) recollida polo noso prototipo de 4 × 7 MLC fronte ao rango de temperatura (eixe X) e a tensión (eixo Y) en diferentes experimentos.
Unha versión máis grande do Harvester (Harv2) con 60 PST MLC 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 complementaria 8). En 1984, Olsen realizou un colleitador de enerxía baseado en 317 g dun composto PB (ZR, TI) dopado por estaño capaz de xerar 6,23 J de electricidade a unha temperatura de aproximadamente 150 ° C (Ref. 21). Para esta combinación, este é o único outro valor dispoñible na gama Joule. Conseguiu 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 de MLC de 1 mm de grosor. Para dar un paso máis, construímos unha terceira combinación (HARV3) cun PST MLC de 0,5 mm de grosor e 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 (Fig. Fig. 9). A enerxía recollida (47 MJ) dá 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 mediante simulación de elementos finitos (COMSOL, nota complementaria 10 e táboas complementarias 2-4) correspondentes aos experimentos de Harv1. O modelo de elementos finitos permitiu predecir os valores de potencia case unha orde de magnitude superior (430 mW) para o mesmo número de columnas PST ao adelgazar o MLC a 0,2 mm, usando a auga como refrixerante e restaurar a matriz a 7 filas. × 4 columnas (ademais de, había 960 mW cando o tanque estaba xunto á combinación, figura suplementaria 10b).
Para demostrar a utilidade deste coleccionista, aplicouse un ciclo de Stirling a un demostrador autónomo composto por 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 convertedor DC/DC, un microcontrol de baixo potencia, dous termocuples e impulsar o convertedor (11). O circuíto require que o condensador de almacenamento sexa cargado inicialmente a 9V e logo corre de forma autónoma mentres que a temperatura dos dous MLC oscila entre -5 ° C e 85 ° C, aquí en ciclos de 160 s (móstranse varios ciclos na nota complementaria 11). Notablemente, dous MLC que pesan só 0,3G poden controlar de forma autónoma este gran sistema. Outra característica interesante é que o convertedor de baixa tensión é capaz de converter 400V a 10-15V cun 79% de eficiencia (nota complementaria 11 e figura complementaria 11.3).
Finalmente, evaluamos a eficiencia destes módulos MLC na conversión da enerxía térmica en enerxía eléctrica. O factor de calidade η de eficiencia defínese como a relación entre a densidade da enerxía eléctrica recollida 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 PST PST de 0,5 mm de grosor. Os dous 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 os valores ata o 40% (curva azul na figura 3b). Este é o dobre de 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 os intervalos de temperatura inferiores a 10 K porque a histéresis térmica do PST MLC está entre 5 e 8 K. O recoñecemento do efecto positivo das transicións de fase sobre a eficiencia é fundamental. De feito, os valores óptimos de η e ηr son case todos obtidos na temperatura inicial TI = 25 ° C nas figs. 3a, b. Isto débese a unha transición de fase próxima cando non se aplica ningún campo e a temperatura Curie TC está ao redor de 20 ° C nestes MLC (nota complementaria 13).
a, b, a eficiencia η e a eficiencia proporcional do ciclo Olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{{\ rm {Carnot}} para o máximo eléctrico por un campo de 195 Kv cm-1 e diferentes iniciais e diferentes }} \, \) (b) para o MPC PST 0,5 mm de grosor, dependendo do intervalo de temperatura Δtspan.
Esta última observación ten dúas implicacións importantes: (1) Calquera ciclismo efectivo debe comezar a temperaturas por encima do TC para que se produza unha transición de fase inducida polo campo (de paraeléctrica a ferroeléctrica); (2) Estes materiais son máis eficientes nos tempos de execución próximos a TC. Aínda que nos nosos experimentos móstranse eficiencias a gran escala, o rango de temperatura limitado non nos permite conseguir grandes eficiencias absolutas debido ao límite de Carnot (\ (\ delta T/T \)). Non obstante, a excelente eficiencia demostrada por estes PST MLCs xustifica a Olsen cando menciona que "un motor termoeléctrico rexenerativo de clase 20 ideal que opera 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 estudou Shebanov e Borman. Demostraron que o TC en PST pode variar de 3 ° C (dopaxe SB) a 33 ° C (TI Doping) 22. Polo tanto, hipotetizamos que os rexeneradores piroeléctricos de próxima xeración baseados en MLCs PST dopados ou outros materiais cunha forte transición en fase de primeira orde poden competir cos mellores colleitadores de potencia.
Neste estudo, investigamos as MLC feitas a partir de PST. Estes dispositivos consisten nunha serie de electrodos PT e PST, polo que varios condensadores están conectados en paralelo. O PST foi elixido porque é un excelente material CE e, polo tanto, un material PNL potencialmente excelente. Presenta unha forte transición de fase ferroeléctrica-pareléctrica de primeira orde ao redor de 20 ° C, o que indica que os seus cambios de entropía son similares aos mostrados na Fig. 1. As MLC similares foron descritas completamente para dispositivos EC13,14. Neste estudo, empregamos 10,4 × 7,2 × 1 mm³ e 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLCs. Os MLC cun grosor de 1 mm e 0,5 mm realizáronse a partir de 19 e 9 capas de PST cun grosor de 38,6 µm, respectivamente. Nos dous casos, a capa PST interna situouse entre electrodos de platino de 2,05 µm de grosor. O deseño destes MLC supón que o 55% dos PST están activos, correspondentes á parte entre os electrodos (nota complementaria 1). A área de electrodos activo foi de 48,7 mm2 (táboa complementaria 5). MLC PST preparouse mediante un método de reacción e fundición en fase sólida. Os detalles do proceso de preparación foron descritos nun artigo anterior14. Unha das diferenzas entre PST MLC e o artigo anterior é a orde dos sitios B, que afecta enormemente o rendemento da CE na PST. A orde de sitios B de PST MLC é de 0,75 (nota complementaria 2) obtida por sinterización a 1400 ° C seguida de centos de recocido a 1000 ° C. Para obter máis información sobre PST MLC, consulte Notas complementarias 1-3 e Táboa complementaria 5.
O concepto principal deste estudo está baseado no ciclo de Olson (Fig. 1). Para este ciclo, necesitamos un depósito quente e frío e unha fonte de alimentación capaz de controlar e controlar a tensión e a corrente nos distintos módulos MLC. Estes ciclos directos usaron dúas configuracións diferentes, concretamente (1) módulos Linkam Calefacción e refrixeración Un MLC conectado a unha fonte de enerxía Keithley 2410 e (2) tres prototipos (Harv1, Harv2 e Harv3) en paralelo coa mesma enerxía. Neste último caso, utilizouse un líquido dieléctrico (aceite de silicona cunha viscosidade de 5 cp a 25 ° C, comprado en Sigma Aldrich) para o intercambio de calor entre os dous encoros (quente e frío) e o MLC. O depósito térmico consta dun recipiente de vidro cheo de fluído dieléctrico e colocado encima da placa térmica. O almacenamento en frío 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 pinch de tres vías (compradas en fluídos bio-chem) en cada extremo da combinación 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 estendeuse ata que as termocopias de entrada e saída (o máis preto posible do paquete PST-MLC) mostraron a mesma temperatura. O script Python xestiona e sincroniza todos os instrumentos (contadores de orixe, bombas, válvulas e termocopias) para executar o ciclo correcto de Olson, é dicir, o bucle de refrixerante comeza a percorrer a pila PST despois de que se cargue o contador de orixe de xeito que se quenten na tensión aplicada desexada durante o ciclo Olson.
Alternativamente, confirmamos estas medicións directas de enerxía recollida con métodos indirectos. Estes métodos indirectos baséanse no desprazamento eléctrico (D) - Loops de campo eléctrico (E) recollidos a diferentes temperaturas e, calculando a área entre dous bucles de DE, pódese estimar con precisión a cantidade de enerxía que se pode recoller, como se mostra na figura. Na figura 2 .1b. Estes bucles tamén se recollen mediante contadores de orixe de Keithley.
Os MLC PST de vinte e oito mm de grosor montáronse nunha estrutura de placa paralela de 4 filas de 7 filas segundo o deseño descrito na referencia. 14. A fenda de fluído entre as filas PST-MLC é de 0,75 mm. Isto conséguese engadindo tiras de cinta a dúas caras como espaciadores líquidos ao redor dos bordos do PST MLC. O PST MLC está conectado eléctricamente en paralelo cunha ponte epoxi de prata en contacto cos líderes do electrodo. Despois diso, os fíos estaban pegados con resina epoxi de prata a cada lado dos terminais dos electrodos para a conexión coa fonte de alimentación. Finalmente, insira toda a estrutura na mangueira da poliolefina. Este último está pegado ao tubo de fluído para asegurar o selado adecuado. Finalmente, as termocopias de tipo K de 0,25 mm de grosor foron construídas en cada extremo da estrutura PST-MLC para controlar as temperaturas líquidas de entrada e saída. Para iso, a mangueira debe ser perforada. Despois de instalar o termopar, aplique o mesmo adhesivo que antes entre a mangueira de termopar e o fío para restaurar o selo.
Construíronse oito prototipos separados, catro dos cales tiñan 40 PSTs MLC de 0,5 mm de grosor distribuídos como placas paralelas con 5 columnas e 8 filas, e os catro restantes tiñan PSTs MLC de 15 mm de grosor cada un. na estrutura de placas paralelas de 3 columnas × 5 filas. O número total de MLC PST usados ​​foi de 220 (160 0,5 mm de grosor e 60 PST MLC 1 mm de grosor). Chamamos a estas dúas subunidades harv2_160 e harv2_60. A brecha líquida no prototipo Harv2_160 consta de dúas cintas de dobre cara de 0,25 mm de grosor cun fío de 0,25 mm de grosor entre elas. Para o prototipo Harv2_60, repetimos o mesmo procedemento, pero empregando fío de 0,38 mm de grosor. Para simetría, Harv2_160 e Harv2_60 teñen os seus propios circuítos de fluído, 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 simultaneamente no ciclo de Olson, obtendo unha colleita de enerxía de 11.2 J.
Coloque MLC PST de 0,5 mm de grosor en mangueira de poliolefina con cinta e fío dobre cara a ambos os dous lados para crear espazo para que o líquido flúa. Debido ao seu pequeno tamaño, o prototipo colocouse xunto a unha válvula de depósito quente ou frío, minimizando os tempos do 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, elimínase o campo (v = 0) e a enerxía almacenada nel é devolta ao contador de orixe, o que corresponde a unha contribución máis da enerxía recollida. Finalmente, cunha tensión v = 0 aplicada, os PST MLC son arrefriados á súa temperatura inicial para que o ciclo poida comezar de novo. Nesta fase, a enerxía non se recolle. Fixemos o ciclo de Olsen usando un Sourcemetro Keithley 2410, cargando o PST MLC desde unha fonte de tensión e fixando a coincidencia actual ao valor adecuado para que se recollasen suficientes puntos durante a fase de carga para cálculos de enerxía fiable.
Nos ciclos de Stirling, os PST MLC foron cargados en modo fonte de tensión cun valor inicial do campo eléctrico (tensión inicial VI> 0), unha corrente de cumprimento desexada para que o paso de carga tome aproximadamente 1 s (e se recollan suficientes puntos para un cálculo fiable da enerxía) e a temperatura fría. Nos ciclos de Stirling, os PST MLC foron cargados en modo fonte de tensión cun valor inicial do campo eléctrico (tensión inicial VI> 0), unha corrente de cumprimento desexada para que o paso de carga tome aproximadamente 1 s (e se recollan suficientes puntos para un cálculo fiable da enerxía) e a temperatura fría. В циклах стирлинeg PST MLC заржались в режиме источника напржжения пр нчальолззнапения ээчесоormонззззченчения эβчччонннззчччеormн Pero (начальное напржение Vi> 0), желаемом податливом токе, та .... количество точек для надежного расчета энерortия) и холодная терерат Tes. Nos ciclos PST MLC de Stirling, 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 fase de carga leva aproximadamente 1 s (e recóllense un número suficiente de puntos para un cálculo de enerxía fiable) e a 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） 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 PST MLC está cargado co valor inicial do campo eléctrico (tensión inicial VI> 0) no modo fonte de tensión, de xeito que a corrente de cumprimento 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 заржается в режиме источника напржения счальныызззениениеormнэечогооыззччениениеorminaria напржение vi> 0), т тº ток подат Th - количество точек, чтоы надежно рассчитать энерг ю) и и низкие тперат Tes. No ciclo de Stirling, o PST MLC está cargado no modo fonte de tensión cun valor inicial do campo eléctrico (tensión inicial VI> 0), a corrente de cumprimento requirida é tal que a fase 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 correspondente de I = 0 Ma (a corrente de correspondencia mínima que a nosa fonte de medida pode manexar 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 alta temperatura, a tensión no mlt ft aumenta (nalgúns casos máis de 30 veces, consulte a figura 7.2 adicional), o MLK FT é descargado (v = 0) e a enerxía eléctrica almacénase neles polo mesmo que son a carga inicial. A mesma correspondencia actual é devolta á fonte do contador. Debido á ganancia de tensión, a enerxía almacenada a alta temperatura é superior á que se proporcionou ao comezo do ciclo. Por conseguinte, a enerxía obtense convertendo a calor en electricidade.
Utilizamos un Sourcemetro Keithley 2410 para controlar a tensión e a corrente aplicadas ao PST MLC. A enerxía correspondente calcúlase integrando o produto da tensión e a corrente lida polo medidor de orixe de Keithley, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {{{}} \ med (t \ i {t) {{{{\ rm) 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 MLC, e os valores negativos significan a enerxía que extraemos deles e, polo tanto, a enerxía recibida. A potencia relativa para un determinado ciclo de recollida determínase dividindo a enerxía recollida polo período τ de todo o ciclo.
Todos os datos preséntanse no texto principal ou con información adicional. As cartas e solicitudes de materiais deberán dirixirse á fonte dos datos AT ou ED proporcionados con este artigo.
Ando Junior, Oh, Maran, Alo & Henao, NC Unha revisión do desenvolvemento e aplicacións de microgeneradores termoeléctricos para a colleita de enerxía. Ando Junior, Oh, Maran, Alo & Henao, NC Unha revisión do desenvolvemento e aplicacións de microgeneradores termoeléctricos para a colleita de enerxía.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo e Henao, NC Visión xeral do desenvolvemento e aplicación de microgeneradores termoeléctricos para a recolección 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 & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, Alo e Henao, NC están a considerar o desenvolvemento e aplicación de microgeneradores termoeléctricos para a recolección de enerxía.currículo. soporte. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, CE, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiais fotovoltaicos: eficiencia presente e retos futuros. Polman, A., Knight, M., Garnett, CE, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiais fotovoltaicos: eficiencia presente 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 Solar Materials: 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 & Yang, Y. Efecto piezoeléctrico conxuncado para a temperatura simultánea e a detección de presión simultáneas. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Conxunct Efecto piezoeléctrico para a temperatura simultánea e a presión simultánea.Song K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Efecto piropiezoeléctrico combinado para a medición simultánea autónoma da temperatura e da presión. 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 & Yang, Y. Por auto-potencia 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 autónoma da temperatura e da presión.Adiante. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Colestación de enerxía baseada en ciclos piroeléctricos de Ericsson nunha cerámica ferroeléctrica relaxante. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Colestación de enerxía baseada en ciclos piroeléctricos de Ericsson nunha cerámica ferroeléctrica relaxante.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Recolección de enerxía baseada en ciclos piroeléctricos Ericsson en cerámica ferroeléctrica relaxante.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Recolección de enerxía en cerámica ferroeléctrica relaxante baseada no ciclismo piroeléctrico de Ericsson. Alma Mater intelixente. estrutura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de última xeración para a interconversión de enerxía electrotermal en estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de última xeración para a interconversión de enerxía electrotermal en estado sólido. Alpay, sp, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокалорические и пироэлектрические мериаéliras взаимного преобазования тердотельной электротермической энергииr. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de seguinte xeración para a interconversión de enerxía electrotérmica en estado sólido. 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 электрокалорические и пироэлектрические мериаéliras взаимного преобазования тердотельной электротермической энергииr. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais electrocalóricos e piroeléctricos de seguinte xeración para a interconversión de enerxía electrotérmica en estado sólido.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard and Figura-of-Merit para cuantificar o rendemento dos nanoxeneradores piroeléctricos. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard and Figura-of-Merit para cuantificar o rendemento dos nanoxeneradores piroeléctricos.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Yu. Unha puntuación estándar e de calidade para cuantificar o rendemento dos nanoxeneradores piroeléctricos. 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 e Yang, Yu. Criterios e medidas de rendemento para cuantificar o rendemento dun nanogenerador piroeléctrico.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Ciclos de refrixeración electrocalórica en tantalato de escándio de chumbo con verdadeira rexeneración mediante variación de campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Ciclos de refrixeración electrocalórica en tantalato de escándio de chumbo con verdadeira rexeneración mediante variación de campo.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND Ciclos de refrixeración electrocalórica en tantalato de escandio de chumbo con verdadeira rexeneración mediante a modificación do campo. 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。 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 electrotermal de tantalato de chumbo de escandio para a verdadeira rexeneración mediante a reversión do campo.Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiais calóricos preto das transicións en fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiais calóricos preto das transicións en fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais calóricos preto das transicións en fase de ferroides. 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 férrica.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais térmicos preto das transicións en fase de ferro.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. e Mathur, ND Materiais calóricos para arrefriamento e calefacción. Moya, X. e Mathur, ND Materiais calóricos para arrefriamento e calefacción.Moya, X. e Mathur, nd materiais térmicos para arrefriamento e calefacción. Moya, X. e Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. e Mathur, ND Materiais térmicos para arrefriamento e calefacción.Moya X. e Mathur nd materiais térmicos para arrefriamento e calefacción.Ciencia 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & DeFay, E. Coolers electrocalóricos: unha revisión. Torelló, A. & DeFay, E. Coolers electrocalóricos: unha revisión.Torello, A. e DeFay, E. Chillers 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. Coolers electrotermais: unha revisión.Avanzado. electrónica. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enormemente eficiencia enerxética do material electrocalórico en chumbo de escandio de escandio moi ordenado. Comunique nacional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. O efecto electrotérmico dos condensadores multicapa de óxido é grande nun amplo intervalo de temperatura. Natureza 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enorme intervalo de temperatura en rexeneradores electrotermais. Ciencia 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistema de refrixeración electrotermal de alto estado sólido. Ciencia 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Dispositivo de refrixeración electrotermal en cascada para un gran aumento da temperatura. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD High Efficieincy Conversión directa de calor a medidas piroeléctricas relacionadas coa enerxía eléctrica. Olsen, RB & Brown, DD de alta eficiencia Conversión directa de calor en medidas piroeléctricas relacionadas coa enerxía eléctrica.Olsen, RB e Brown, DD conversión directa de calor altamente eficiente en enerxía eléctrica asociada a medidas 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 medidas piroeléctricas.Ferroeléctrica 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Densidade de enerxía e potencia en películas ferroeléctricas finas relaxantes. National Alma Mater. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, An & Hanrahan, conversión piroeléctrica en cascada en cascada: optimizar a transición de fase ferroeléctrica e as perdas eléctricas. Smith, An & Hanrahan, conversión piroeléctrica en cascada en cascada: optimizar a transición de fase ferroeléctrica e as perdas eléctricas.Smith, An e Hanrahan, conversión piroeléctrica en cascada 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, conversión piroeléctrica en cascada 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 a enerxía térmica en electricidade. proceso. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Converter de enerxía piroeléctrica en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Converter 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. Cascaded Pyroelectric Power Converters.Ferroeléctrica 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. e Borman, K. Sobre solucións sólidas de tantalato de escandio con alto efecto electrocalórico. Shebanov, L. e Borman, K. Sobre solucións sólidas de tantalato de escandio con alto efecto electrocalórico.Shebanov L. e Borman K. sobre solucións sólidas de tantalato de escandio de chumbo 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-scandium-scandium cun alto efecto eléctrico.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 National Research Luxemburgo (FNR) por apoiar este traballo a través de Camelheat C17/MS/11703691/DeFay, Massena Pride/15/10935404/DeFay-SiBAY e THERMODIMAT C20/14718041/DeFay-SIEBENTITT, THERMODIMAT C20/14718041/SIEBAY Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY.
Departamento de Investigación e Tecnoloxía de Materiais, Instituto de Tecnoloxía de Luxemburgo (LIST), Belvoir, Luxemburgo