Oferirea de surse sustenabile de electricitate este una dintre cele mai importante provocări ale acestui secol. Domeniile de cercetare în domeniul materialelor de captare a energiei provin din această motivație, inclusiv termoelectricul1, fotovoltaicul2 și termofotovoltaica3. Deși ne lipsesc materiale și dispozitive capabile să capteze energie în domeniul Joule, materialele piroelectrice care pot converti energia electrică în schimbări periodice de temperatură sunt considerate senzori4 și dispozitive de captare a energiei5,6,7. Aici am dezvoltat un dispozitiv macroscopic de captare a energiei termice sub forma unui condensator multistrat realizat din 42 de grame de tantalat de scandiu cu plumb, producând 11,2 J de energie electrică per ciclu termodinamic. Fiecare modul piroelectric poate genera o densitate de energie electrică de până la 4,43 J cm-3 per ciclu. De asemenea, arătăm că două astfel de module cu o greutate de 0,3 g sunt suficiente pentru a alimenta continuu dispozitive autonome de captare a energiei cu microcontrolere și senzori de temperatură încorporați. În cele din urmă, arătăm că, pentru un interval de temperatură de 10 K, aceste condensatoare multistrat pot atinge o eficiență Carnot de 40%. Aceste proprietăți se datorează (1) schimbării de fază feroelectrică pentru o eficiență ridicată, (2) curentului de scurgere redus pentru a preveni pierderile și (3) tensiunii de străpungere ridicate. Aceste dispozitive macroscopice, scalabile și eficiente de colectare a energiei piroelectrice reimaginează generarea de energie termoelectrică.
Comparativ cu gradientul spațial de temperatură necesar pentru materialele termoelectrice, colectarea de energie a materialelor termoelectrice necesită cicluri de temperatură în timp. Aceasta înseamnă un ciclu termodinamic, care este cel mai bine descris de diagrama entropie (S)-temperatură (T). Figura 1a prezintă o diagramă ST tipică a unui material piroelectric neliniar (NLP) care demonstrează o tranziție de fază feroelectric-paraelectrică condusă de câmp în tantalatul de scandiu-plumb (PST). Secțiunile albastră și verde ale ciclului de pe diagrama ST corespund energiei electrice convertite în ciclul Olson (două secțiuni izoterme și două secțiuni izopolare). Aici considerăm două cicluri cu aceeași modificare a câmpului electric (câmp activat și dezactivat) și modificare a temperaturii ΔT, deși cu temperaturi inițiale diferite. Ciclul verde nu este situat în regiunea de tranziție de fază și, prin urmare, are o suprafață mult mai mică decât ciclul albastru situat în regiunea de tranziție de fază. În diagrama ST, cu cât suprafața este mai mare, cu atât energia colectată este mai mare. Prin urmare, tranziția de fază trebuie să colecteze mai multă energie. Necesitatea ciclării pe suprafețe mari în NLP este foarte similară cu necesitatea aplicațiilor electrotermice9, 10, 11, 12, unde condensatoarele multistrat PST (MLC) și terpolimerii pe bază de PVDF au demonstrat recent performanțe excelente de răcire inversă. starea performanței de răcire în ciclurile 13,14,15,16. Prin urmare, am identificat MLC-uri PST de interes pentru captarea energiei termice. Aceste probe au fost descrise complet în metode și caracterizate în notele suplimentare 1 (microscopie electronică cu scanare), 2 (difracție de raze X) și 3 (calorimetrie).
a, Schiță a unei curbe entropie (S)-temperatură (T) cu câmp electric activ și dezactivat aplicat materialelor NLP, arătând tranziții de fază. Două cicluri de colectare a energiei sunt prezentate în două zone de temperatură diferite. Ciclurile albastru și verde apar în interiorul și respectiv în afara tranziției de fază și se termină în regiuni foarte diferite ale suprafeței. b, două inele unipolare DE PST MLC, cu grosimea de 1 mm, măsurate între 0 și 155 kV cm-1 la 20 °C și respectiv 90 °C, și ciclurile Olsen corespunzătoare. Literele ABCD se referă la stări diferite din ciclul Olson. AB: MLC-urile au fost încărcate la 155 kV cm-1 la 20 °C. BC: MLC-ul a fost menținut la 155 kV cm-1, iar temperatura a fost ridicată la 90 °C. CD: MLC se descarcă la 90 °C. DA: MLC răcit la 20 °C în câmp zero. Zona albastră corespunde puterii de intrare necesare pentru a porni ciclul. Zona portocalie reprezintă energia colectată într-un ciclu. c, panoul superior, tensiune (negru) și curent (roșu) în funcție de timp, urmărite în timpul aceluiași ciclu Olson ca și b. Cele două inserții reprezintă amplificarea tensiunii și curentului în puncte cheie ale ciclului. În panoul inferior, curbele galbenă și verde reprezintă curbele corespunzătoare de temperatură și energie, respectiv, pentru un MLC cu grosimea de 1 mm. Energia este calculată din curbele de curent și tensiune de pe panoul superior. Energia negativă corespunde energiei colectate. Pașii corespunzători literelor majuscule din cele patru cifre sunt aceiași ca în ciclul Olson. Ciclul AB'CD corespunde ciclului Stirling (nota suplimentară 7).
unde E și D sunt câmpul electric și, respectiv, câmpul electric de deplasare. Nd poate fi obținut indirect din circuitul DE (Fig. 1b) sau direct prin pornirea unui ciclu termodinamic. Cele mai utile metode au fost descrise de Olsen în lucrarea sa de pionierat privind colectarea energiei piroelectrice în anii 198017.
În fig. 1b sunt prezentate două bucle DE monopolare ale unor specimene PST-MLC cu grosimea de 1 mm, asamblate la 20 °C și respectiv 90 °C, pe un interval de la 0 la 155 kV cm-1 (600 V). Aceste două cicluri pot fi utilizate pentru a calcula indirect energia colectată de ciclul Olson prezentat în Figura 1a. De fapt, ciclul Olsen constă din două ramuri izocâmp (aici, câmp zero în ramura DA și 155 kV cm-1 în ramura BC) și două ramuri izoterme (aici, 20°С și 20°С în ramura AB). (C în ramura CD) Energia colectată în timpul ciclului corespunde regiunilor portocalie și albastră (integrala EdD). Energia colectată Nd este diferența dintre energia de intrare și cea de ieșire, adică doar zona portocalie din fig. 1b. Acest ciclu Olson particular dă o densitate de energie Nd de 1,78 J cm-3. Ciclul Stirling este o alternativă la ciclul Olson (Nota suplimentară 7). Deoarece stadiul de încărcare constantă (circuit deschis) este atins mai ușor, densitatea de energie extrasă din Fig. 1b (ciclul AB'CD) atinge 1,25 J cm-3. Aceasta reprezintă doar 70% din ceea ce poate colecta ciclul Olson, dar un echipament simplu de recoltare face acest lucru.
În plus, am măsurat direct energia colectată în timpul ciclului Olson prin energizarea MLC-ului PST folosind o etapă de control al temperaturii Linkam și un contor de sursă (metodă). Figura 1c din partea de sus și din inserțiile respective arată curentul (roșu) și tensiunea (negru) colectate pe același MLC PST cu grosimea de 1 mm ca și pentru bucla DE care trece prin același ciclu Olson. Curentul și tensiunea permit calcularea energiei colectate, iar curbele sunt prezentate în fig. 1c, partea de jos (verde) și temperatura (galben) pe tot parcursul ciclului. Literele ABCD reprezintă același ciclu Olson din Fig. 1. Încărcarea MLC are loc în timpul etapei AB și se efectuează la un curent scăzut (200 µA), astfel încât SourceMeter poate controla corect încărcarea. Consecința acestui curent inițial constant este că curba de tensiune (curba neagră) nu este liniară din cauza câmpului de deplasare potențial neliniar D PST (Fig. 1c, inserție de sus). La sfârșitul încărcării, 30 mJ de energie electrică sunt stocați în MLC (punctul B). MLC-ul se încălzește apoi și se produce un curent negativ (și, prin urmare, un curent negativ), în timp ce tensiunea rămâne la 600 V. După 40 s, când temperatura a atins un platou de 90 °C, acest curent a fost compensat, deși eșantionul în trepte a produs în circuit o putere electrică de 35 mJ în timpul acestui izocâmp (a doua inserție din Fig. 1c, sus). Tensiunea pe MLC (ramura CD) este apoi redusă, rezultând un lucru electric suplimentar de 60 mJ. Energia totală de ieșire este de 95 mJ. Energia colectată este diferența dintre energia de intrare și cea de ieșire, ceea ce dă 95 – 30 = 65 mJ. Aceasta corespunde unei densități de energie de 1,84 J cm-3, care este foarte apropiată de Nd extras din inelul DE. Reproductibilitatea acestui ciclu Olson a fost testată pe larg (Nota suplimentară 4). Prin creșterea suplimentară a tensiunii și temperaturii, am obținut 4,43 J cm-3 folosind cicluri Olsen într-un MLC PST cu grosimea de 0,5 mm pe un interval de temperatură de 750 V (195 kV cm-1) și 175 °C (Nota suplimentară 5). Aceasta este de patru ori mai mare decât cea mai bună performanță raportată în literatura de specialitate pentru cicluri Olson directe și a fost obținută pe pelicule subțiri de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm. Tabelul suplimentar 1 pentru mai multe valori din literatura de specialitate). Această performanță a fost atinsă datorită curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC-uri (<10−7 A la 750 V și 180 °C, vezi detaliile în Nota suplimentară 6) - un punct crucial menționat de Smith și colab.19 - în contrast cu materialele utilizate în studiile anterioare17,20. Această performanță a fost atinsă datorită curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC-uri (<10−7 A la 750 V și 180 °C, vezi detaliile în Nota suplimentară 6) - un punct crucial menționat de Smith și colab.19 - în contrast cu materialele utilizate în studiile anterioare17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 °C А75 пи см. подробности в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и дритом. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Aceste caracteristici au fost obținute datorită curentului de scurgere foarte scăzut al acestor MLC-uri (<10–7 A la 750 V și 180 °C, vezi Nota suplimentară 6 pentru detalii) – un punct critic menționat de Smith și colab. 19 – în contrast cu materialele utilizate în studiile anterioare 17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明6中的详细信息）——Smith 等人19提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说昅 说昭信息）））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下下比之下比之相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比下 相比之相比之下 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. подробносте подробностпи влобносто примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Întrucât curentul de scurgere al acestor MLC-uri este foarte scăzut (<10–7 A la 750 V și 180 °C, vezi Nota suplimentară 6 pentru detalii) – un punct cheie menționat de Smith și colab. 19 – pentru comparație, aceste performanțe au fost atinse.la materialele utilizate în studiile anterioare 17,20.
Aceleași condiții (600 V, 20–90 °C) s-au aplicat ciclului Stirling (nota suplimentară 7). Așa cum era de așteptat din rezultatele ciclului DE, randamentul a fost de 41,0 mJ. Una dintre cele mai remarcabile caracteristici ale ciclurilor Stirling este capacitatea lor de a amplifica tensiunea inițială prin efectul termoelectric. Am observat un câștig de tensiune de până la 39 (de la o tensiune inițială de 15 V la o tensiune finală de până la 590 V, vezi Fig. suplimentară 7.2).
O altă caracteristică distinctivă a acestor MLC-uri este aceea că sunt obiecte macroscopice suficient de mari pentru a colecta energie în domeniul joulelor. Prin urmare, am construit un prototip de colector (HARV1) folosind 28 de MLC PST cu grosimea de 1 mm, urmând același design cu plăci paralele descris de Torello și colab.14, într-o matrice de 7×4, așa cum se arată în Fig. Fluidul dielectric purtător de căldură din distribuitor este deplasat de o pompă peristaltică între două rezervoare unde temperatura fluidului este menținută constantă (metodă). Se colectează până la 3,1 J folosind ciclul Olson descris în fig. 2a, regiuni izoterme la 10°C și 125°C și regiuni izocâmp la 0 și 750 V (195 kV cm-1). Aceasta corespunde unei densități de energie de 3,14 J cm-3. Folosind această combină, s-au efectuat măsurători în diverse condiții (Fig. 2b). Rețineți că s-au obținut 1,8 J pe un interval de temperatură de 80 °C și o tensiune de 600 V (155 kV cm-1). Aceasta este în bună concordanță cu valoarea de 65 mJ menționată anterior pentru PST MLC cu grosimea de 1 mm în aceleași condiții (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configurația experimentală a unui prototip HARV1 asamblat, bazat pe 28 de PST-uri MLC cu grosimea de 1 mm (4 rânduri × 7 coloane) care rulează pe cicluri Olson. Pentru fiecare dintre cele patru etape ale ciclului, temperatura și tensiunea sunt furnizate în prototip. Calculatorul acționează o pompă peristaltică care circulă un fluid dielectric între rezervoarele rece și cald, două valve și o sursă de alimentare. Calculatorul utilizează, de asemenea, termocupluri pentru a colecta date despre tensiunea și curentul furnizate prototipului și temperatura combinei de la sursa de alimentare. b, Energia (culoarea) colectată de prototipul nostru MLC 4×7 în funcție de intervalul de temperatură (axa X) și tensiunea (axa Y) în diferite experimente.
O versiune mai mare a dispozitivului de recoltare (HARV2) cu 60 PST MLC de 1 mm grosime și 160 PST MLC de 0,5 mm grosime (41,7 g material piroelectric activ) a produs 11,2 J (Nota suplimentară 8). În 1984, Olsen a realizat un dispozitiv de recoltare a energiei bazat pe 317 g de compus Pb(Zr,Ti)O3 dopat cu staniu, capabil să genereze 6,23 J de electricitate la o temperatură de aproximativ 150 °C (ref. 21). Pentru această combină, aceasta este singura altă valoare disponibilă în intervalul jouli. A obținut puțin peste jumătate din valoarea obținută de noi și o calitate de aproape șapte ori mai bună. Aceasta înseamnă că densitatea energetică a HARV2 este de 13 ori mai mare.
Perioada ciclului HARV1 este de 57 de secunde. Aceasta a produs 54 mW de putere cu 4 rânduri de 7 coloane de seturi MLC cu grosimea de 1 mm. Pentru a merge mai departe, am construit o a treia combinație (HARV3) cu un MLC PST cu grosimea de 0,5 mm și o configurație similară cu HARV1 și HARV2 (Nota suplimentară 9). Am măsurat un timp de termalizare de 12,5 secunde. Aceasta corespunde unui timp de ciclu de 25 s (Fig. suplimentară 9). Energia colectată (47 mJ) oferă o putere electrică de 1,95 mW per MLC, ceea ce ne permite să ne imaginăm că HARV2 produce 0,55 W (aproximativ 1,95 mW × 280 PST MLC cu grosimea de 0,5 mm). În plus, am simulat transferul de căldură folosind simularea cu elemente finite (COMSOL, Nota suplimentară 10 și tabelele suplimentare 2-4) corespunzătoare experimentelor HARV1. Modelarea cu elemente finite a făcut posibilă prezicerea unor valori de putere cu aproape un ordin de mărime mai mari (430 mW) pentru același număr de coloane PST prin subțierea MLC la 0,2 mm, utilizarea apei ca agent de răcire și restaurarea matricei la 7 rânduri × 4 coloane (pe lângă , existau 960 mW când rezervorul era lângă combină, Fig. suplimentară 10b).
Pentru a demonstra utilitatea acestui colector, s-a aplicat un ciclu Stirling unui demonstrator independent, format din doar două MLC-uri PST cu grosimea de 0,5 mm ca colectoare de căldură, un comutator de înaltă tensiune, un comutator de joasă tensiune cu condensator de stocare, un convertor DC/DC, un microcontroler de mică putere, două termocupluri și un convertor boost (Nota suplimentară 11). Circuitul necesită ca condensatorul de stocare să fie încărcat inițial la 9V și apoi să funcționeze autonom în timp ce temperatura celor două MLC-uri variază de la -5°C la 85°C, aici în cicluri de 160 s (mai multe cicluri sunt prezentate în Nota suplimentară 11). În mod remarcabil, două MLC-uri cu o greutate de doar 0,3 g pot controla autonom acest sistem mare. O altă caracteristică interesantă este că convertorul de joasă tensiune este capabil să convertească 400V la 10-15V cu o eficiență de 79% (Nota suplimentară 11 și Figura suplimentară 11.3).
În final, am evaluat eficiența acestor module MLC în convertirea energiei termice în energie electrică. Factorul de calitate η al eficienței este definit ca raportul dintre densitatea energiei electrice colectate Nd și densitatea căldurii furnizate Qin (Nota suplimentară 12):
Figurile 3a și 3b prezintă eficiența η și respectiv eficiența proporțională ηr a ciclului Olsen, în funcție de intervalul de temperatură al unui MLC PST cu grosimea de 0,5 mm. Ambele seturi de date sunt date pentru un câmp electric de 195 kV cm-1. Eficiența \(\this\) atinge 1,43%, ceea ce este echivalent cu 18% din ηr. Cu toate acestea, pentru un interval de temperatură de 10 K de la 25 °C la 35 °C, ηr atinge valori de până la 40% (curba albastră în Fig. 3b). Aceasta este dublul valorii cunoscute pentru materialele NLP înregistrate în pelicule PMN-PT (ηr = 19%) în intervalul de temperatură de 10 K și 300 kV cm-1 (Ref. 18). Intervalele de temperatură sub 10 K nu au fost luate în considerare deoarece histerezisul termic al MLC PST este între 5 și 8 K. Recunoașterea efectului pozitiv al tranzițiilor de fază asupra eficienței este esențială. De fapt, valorile optime ale lui η și ηr sunt obținute aproape toate la temperatura inițială Ti = 25°C în Fig. 3a,b. Acest lucru se datorează unei tranziții de fază strânse atunci când nu se aplică niciun câmp, iar temperatura Curie TC este în jur de 20°C în aceste MLC-uri (Nota suplimentară 13).
a,b, randamentul η și randamentul proporțional al ciclului Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} pentru curentul electric maxim produs de un câmp de 195 kV cm-1 și diferite temperaturi inițiale Ti, }}\,\)(b) pentru un strat protector de suprafață cu straturi de etanșare (PST) cu grosimea de 0,5 mm, în funcție de intervalul de temperatură ΔTspan.
Ultima observație are două implicații importante: (1) orice ciclu eficient trebuie să înceapă la temperaturi peste TC pentru ca o tranziție de fază indusă de câmp (de la paraelectric la feroelectric); (2) aceste materiale sunt mai eficiente la timpi de funcționare apropiați de TC. Deși în experimentele noastre sunt demonstrate eficiențe la scară largă, intervalul de temperatură limitat nu ne permite să obținem eficiențe absolute mari datorită limitei Carnot (\(\Delta T/T\)). Cu toate acestea, eficiența excelentă demonstrată de aceste MLC-uri PST îl justifică pe Olsen atunci când menționează că „un motor termoelectric regenerativ ideal de clasa 20 care funcționează la temperaturi între 50 °C și 250 °C poate avea o eficiență de 30%”17. Pentru a atinge aceste valori și a testa conceptul, ar fi util să se utilizeze PST-uri dopate cu TC-uri diferite, așa cum au fost studiate de Shebanov și Borman. Aceștia au arătat că TC în PST poate varia de la 3°C (dopare cu Sb) la 33°C (dopare cu Ti)22. Prin urmare, emitem ipoteza că regeneratoarele piroelectrice de generație următoare, bazate pe MLC-uri PST dopate sau alte materiale cu o tranziție de fază puternică de ordinul întâi, pot concura cu cele mai bune sisteme de recoltare a energiei.
În acest studiu, am investigat circuitele combinate de nivel mediu (MLC) realizate din PST. Aceste dispozitive constau dintr-o serie de electrozi de Pt și PST, prin care mai mulți condensatori sunt conectați în paralel. PST a fost ales deoarece este un material EC excelent și, prin urmare, un material NLP potențial excelent. Acesta prezintă o tranziție de fază feroelectric-paraelectrică de ordinul întâi bruscă în jurul valorii de 20 °C, indicând faptul că modificările sale de entropie sunt similare cu cele prezentate în Fig. 1. MLC-uri similare au fost descrise complet pentru dispozitivele EC13,14. În acest studiu, am utilizat MLC-uri de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ și 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC-urile cu o grosime de 1 mm și 0,5 mm au fost realizate din 19 și, respectiv, 9 straturi de PST cu o grosime de 38,6 µm. În ambele cazuri, stratul interior de PST a fost plasat între electrozi de platină cu grosimea de 2,05 µm. Proiectarea acestor MLC-uri presupune că 55% din PST-uri sunt active, corespunzând părții dintre electrozi (Nota suplimentară 1). Suprafața electrodului activ a fost de 48,7 mm2 (Tabelul suplimentar 5). MLC PST a fost preparat prin reacție în fază solidă și metoda de turnare. Detaliile procesului de preparare au fost descrise într-un articol anterior14. Una dintre diferențele dintre PST MLC și articolul anterior este ordinea situsurilor B, care afectează în mare măsură performanța EC în PST. Ordinea situsurilor B ale PST MLC este 0,75 (Nota suplimentară 2), obținută prin sinterizare la 1400°C, urmată de recoacere de sute de ore la 1000°C. Pentru mai multe informații despre PST MLC, consultați Notele suplimentare 1-3 și Tabelul suplimentar 5.
Conceptul principal al acestui studiu se bazează pe ciclul Olson (Fig. 1). Pentru un astfel de ciclu, avem nevoie de un rezervor cald și unul rece și de o sursă de alimentare capabilă să monitorizeze și să controleze tensiunea și curentul în diferitele module MLC. Aceste cicluri directe au folosit două configurații diferite, și anume (1) module Linkam care încălzesc și răcesc un MLC conectat la o sursă de alimentare Keithley 2410 și (2) trei prototipuri (HARV1, HARV2 și HARV3) în paralel cu aceeași sursă de energie. În acest ultim caz, un fluid dielectric (ulei siliconic cu o vâscozitate de 5 cP la 25°C, achiziționat de la Sigma Aldrich) a fost utilizat pentru schimbul de căldură între cele două rezervoare (cald și rece) și MLC. Rezervorul termic constă dintr-un recipient de sticlă umplut cu fluid dielectric și plasat deasupra plăcii termice. Depozitarea la rece constă dintr-o baie de apă cu tuburi de lichid care conțin fluid dielectric într-un recipient mare de plastic umplut cu apă și gheață. Două valve de efilare cu trei căi (achiziționate de la Bio-Chem Fluidics) au fost plasate la fiecare capăt al combinei pentru a comuta corect fluidul dintr-un rezervor în altul (Figura 2a). Pentru a asigura echilibrul termic între pachetul PST-MLC și agentul de răcire, perioada ciclului a fost extinsă până când termocuplurile de intrare și ieșire (cât mai aproape posibil de pachetul PST-MLC) au arătat aceeași temperatură. Scriptul Python gestionează și sincronizează toate instrumentele (contoare sursă, pompe, valve și termocuple) pentru a rula ciclul Olson corect, adică bucla agentului de răcire începe să parcurgă ciclul prin stiva PST după ce contorul sursă este încărcat, astfel încât acestea să se încălzească la tensiunea aplicată dorită pentru ciclul Olson dat.
Alternativ, am confirmat aceste măsurători directe ale energiei colectate cu metode indirecte. Aceste metode indirecte se bazează pe bucle de câmp electric (D) – câmp electric (E) colectate la temperaturi diferite, iar prin calcularea ariei dintre două bucle DE, se poate estima cu precizie câtă energie poate fi colectată, așa cum se arată în figura 2. .1b. Aceste bucle DE sunt, de asemenea, colectate folosind contoare Keithley.
Douăzeci și opt de MLC-uri PST cu grosimea de 1 mm au fost asamblate într-o structură cu plăci paralele cu 4 rânduri și 7 coloane, conform designului descris în referință. 14. Distanța dintre rândurile de PST-MLC este de 0,75 mm. Acest lucru se realizează prin adăugarea de benzi de bandă dublu adezivă ca distanțiere pentru lichide în jurul marginilor MLC-ului PST. MLC-ul PST este conectat electric în paralel cu o punte epoxidică din argint, în contact cu electrozii. După aceea, firele au fost lipite cu rășină epoxidică din argint pe fiecare parte a terminalelor electrodului pentru conectarea la sursa de alimentare. În cele din urmă, se introduce întreaga structură în furtunul de poliolefină. Acesta din urmă este lipit de tubul de fluid pentru a asigura o etanșare corectă. În cele din urmă, în fiecare capăt al structurii PST-MLC au fost încorporate termocupluri de tip K cu grosimea de 0,25 mm pentru a monitoriza temperaturile lichidului de intrare și ieșire. Pentru a face acest lucru, furtunul trebuie mai întâi perforat. După instalarea termocuplului, se aplică același adeziv ca înainte între furtunul termocuplului și fir pentru a restabili etanșarea.
Au fost construite opt prototipuri separate, dintre care patru aveau 40 de PST-uri MLC cu grosimea de 0,5 mm, distribuite sub formă de plăci paralele cu 5 coloane și 8 rânduri, iar celelalte patru aveau câte 15 PST-uri MLC cu grosimea de 1 mm fiecare, într-o structură de plăci paralele cu 3 coloane × 5 rânduri. Numărul total de PST MLC-uri utilizate a fost de 220 (160 cu grosimea de 0,5 mm și 60 PST MLC cu grosimea de 1 mm). Numim aceste două subunități HARV2_160 și HARV2_60. Spațiul de lichid din prototipul HARV2_160 constă din două benzi dublu-adezive cu grosimea de 0,25 mm, cu un fir cu grosimea de 0,25 mm între ele. Pentru prototipul HARV2_60, am repetat aceeași procedură, dar folosind un fir cu grosimea de 0,38 mm. Pentru simetrie, HARV2_160 și HARV2_60 au propriile circuite de fluid, pompe, valve și parte rece (Nota suplimentară 8). Două unități HARV2 împart un rezervor de căldură, un recipient de 3 litri (30 cm x 20 cm x 5 cm) așezat pe două plăci încălzitoare cu magneți rotativi. Toate cele opt prototipuri individuale sunt conectate electric în paralel. Subunitățile HARV2_160 și HARV2_60 funcționează simultan în ciclul Olson, rezultând o recoltă de energie de 11,2 J.
Introduceți PST MLC cu grosimea de 0,5 mm într-un furtun de poliolefină, lipit cu bandă dublu adezivă și sârmă pe ambele părți, pentru a crea spațiu pentru curgerea lichidului. Datorită dimensiunilor sale reduse, prototipul a fost plasat lângă o supapă de rezervor caldă sau rece, reducând la minimum timpii de ciclu.
În PST MLC, se aplică un câmp electric constant prin aplicarea unei tensiuni constante pe ramura de încălzire. Drept urmare, se generează un curent termic negativ și energia este stocată. După încălzirea PST MLC, câmpul este îndepărtat (V = 0), iar energia stocată în acesta este returnată înapoi la contorul sursei, ceea ce corespunde unei contribuții suplimentare a energiei colectate. În final, odată cu aplicarea unei tensiuni V = 0, PST-urile MLC sunt răcite la temperatura lor inițială, astfel încât ciclul să poată reîncepe. În această etapă, energia nu este colectată. Am rulat ciclul Olsen folosind un Keithley 2410 SourceMeter, încărcând PST MLC de la o sursă de tensiune și setând potrivirea curentului la valoarea corespunzătoare, astfel încât să fie colectate suficiente puncte în timpul fazei de încărcare pentru calcule energetice fiabile.
În ciclurile Stirling, circuitele MLC PST au fost încărcate în modul sursă de tensiune la o valoare inițială a câmpului electric (tensiune inițială Vi > 0), un curent de complianță dorit astfel încât etapa de încărcare să dureze aproximativ 1 secundă (și să fie adunate suficiente puncte pentru un calcul fiabil al energiei) și la temperatură scăzută. În ciclurile Stirling, circuitele MLC PST au fost încărcate în modul sursă de tensiune la o valoare inițială a câmpului electric (tensiune inițială Vi > 0), un curent de complianță dorit astfel încât etapa de încărcare să dureze aproximativ 1 secundă (și să fie adunate suficiente puncte pentru un calcul fiabil al energiei) și la temperatură scăzută. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном знач электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этранд и этарояп заление 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) și холодная temperatură. În ciclurile Stirling PST MLC, acestea au fost încărcate în modul sursă de tensiune la valoarea inițială a câmpului electric (tensiunea inițială Vi > 0), curentul de randament dorit, astfel încât etapa de încărcare durează aproximativ 1 secundă (și este colectat un număr suficient de puncte pentru un calcul fiabil al energiei) și la temperatură scăzută.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。 În ciclul principal, PST MLC este încărcat la valoarea inițială a câmpului electric (tensiunea inițială Vi > 0) în modul sursă de tensiune, astfel încât curentul de conformitate necesar durează aproximativ 1 secundă pentru etapa de încărcare (și am colectat suficiente puncte pentru a calcula în mod fiabil (energia) și temperatura scăzută. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значальным значальным значается источника поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки зарядки золетан им набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие temperaturi. În ciclul Stirling, PST MLC este încărcat în modul sursă de tensiune cu o valoare inițială a câmpului electric (tensiune inițială Vi > 0), curentul de complianță necesar este astfel încât etapa de încărcare durează aproximativ 1 secundă (și un număr suficient de puncte sunt colectate pentru a calcula fiabil energia) și temperaturi scăzute.Înainte ca PST MLC să se încălzească, deschideți circuitul aplicând un curent de adaptare de I = 0 mA (curentul minim de adaptare pe care îl poate suporta sursa noastră de măsurare este de 10 nA). Drept urmare, o sarcină rămâne în PST al MJK, iar tensiunea crește pe măsură ce proba se încălzește. Nu se colectează energie în brațul BC deoarece I = 0 mA. După atingerea unei temperaturi ridicate, tensiunea din MLT FT crește (în unele cazuri de mai mult de 30 de ori, vezi fig. suplimentară 7.2), MLK FT se descarcă (V = 0), iar energia electrică este stocată în acestea pentru aceeași perioadă ca și sarcina inițială. Aceeași corespondență de curent este returnată contorului-sursă. Datorită câștigului de tensiune, energia stocată la temperatură ridicată este mai mare decât cea furnizată la începutul ciclului. În consecință, energia se obține prin transformarea căldurii în electricitate.
Am folosit un SourceMeter Keithley 2410 pentru a monitoriza tensiunea și curentul aplicate la PST MLC. Energia corespunzătoare este calculată prin integrarea produsului dintre tensiune și curent citit de sursa de contor Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), unde τ este perioada perioadei. Pe curba noastră energetică, valorile pozitive ale energiei reprezintă energia pe care trebuie să o dăm la MLC PST, iar valorile negative reprezintă energia pe care o extragem din acestea și, prin urmare, energia primită. Puterea relativă pentru un anumit ciclu de colectare este determinată prin împărțirea energiei colectate la perioada τ a întregului ciclu.
Toate datele sunt prezentate în textul principal sau în informații suplimentare. Scrisorile și solicitările de materiale trebuie adresate sursei datelor AT sau ED furnizate împreună cu acest articol.
Ando Junior, OH, Maran, ALO și Henao, NC O trecere în revistă a dezvoltării și aplicațiilor microgeneratoarelor termoelectrice pentru captarea energiei. Ando Junior, OH, Maran, ALO și Henao, NC O trecere în revistă a dezvoltării și aplicațiilor microgeneratoarelor termoelectrice pentru captarea energiei.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO și Henao, NC. Prezentare generală a dezvoltării și aplicării microgeneratoarelor termoelectrice pentru captarea energiei. 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 și Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO și Henao, NC iau în considerare dezvoltarea și aplicarea microgeneratoarelor termoelectrice pentru captarea energiei.CV. Suport. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. și Sinke, WC Materiale fotovoltaice: eficiență actuală și provocări viitoare. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. și Sinke, WC Materiale fotovoltaice: eficiență actuală și provocări viitoare.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. și Sinke, VK Materiale fotovoltaice: performanță actuală și provocări viitoare. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. și 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. și Sinke, WC Materiale solare: eficiență actuală și provocări viitoare.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. și Sinke, VK Materiale fotovoltaice: performanță actuală și provocări viitoare.Știință 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL și Yang, Y. Efect piro-piezoelectric conjunct pentru detectarea simultană a temperaturii și presiunii, cu alimentare proprie. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL și Yang, Y. Efect piro-piezoelectric combinat pentru detectarea simultană a temperaturii și presiunii, cu alimentare proprie.Song K., Zhao R., Wang ZL și Yan Yu. Efect piropiezoelectric combinat pentru măsurarea simultană autonomă a temperaturii și presiunii. 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 și Yang, Y. Pentru autoalimentare în același timp cu temperatura și presiunea.Song K., Zhao R., Wang ZL și Yan Yu. Efect termopiezoelectric combinat pentru măsurarea simultană autonomă a temperaturii și presiunii.Înainte. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. și Guyomar, D. Recoltarea energiei bazată pe cicluri piroelectrice Ericsson într-o ceramică feroelectrică relaxor. Sebald, G., Pruvost, S. și Guyomar, D. Recoltarea energiei bazată pe cicluri piroelectrice Ericsson într-o ceramică feroelectrică relaxor.Sebald G., Prouvost S. și Guyomar D. Recoltarea energiei bazată pe cicluri piroelectrice Ericsson în ceramici feroelectrice relaxoare.Sebald G., Prouvost S. și Guyomar D. Recoltarea energiei în ceramici feroelectrice relaxoare bazate pe cicluri piroelectrice Ericsson. Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. și Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de generație următoare pentru interconversia energiei electrotermale în stare solidă. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. și Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de generație următoare pentru interconversia energiei electrotermale în stare solidă. 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. și Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de generație următoare pentru interconversia energiei electrotermale în stare solidă. 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攵挭释攙 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. și 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. și Whatmore, RW Materiale electrocalorice și piroelectrice de generație următoare pentru interconversia energiei electrotermale în stare solidă.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și Yang, Y. Standard și cifră de merit pentru cuantificarea performanței nanogeneratoarelor piroelectrice. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și Yang, Y. Standard și cifră de merit pentru cuantificarea performanței nanogeneratoarelor piroelectrice.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și Yang, Yu. Un standard și un scor de calitate pentru cuantificarea performanței nanogeneratoarelor piroelectrice. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și 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 și Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL și Yang, Yu. Criterii și măsuri de performanță pentru cuantificarea performanței unui nanogenerator piroelectric.NanoEnergie 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Cicluri de răcire electrocalorică în tantalat de scandiu cu plumb cu regenerare reală prin variație de câmp. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Cicluri de răcire electrocalorică în tantalat de scandiu cu plumb cu regenerare reală prin variație de câmp.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND. Cicluri de răcire electrocalorică în tantalat de plumb-scandiu cu regenerare reală prin modificarea câmpului. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. și Mathur, ND. Tantal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. și Mathur, ND. Un ciclu de răcire electrotermică a tantalatului de scandiu-plumb pentru o regenerare reală prin inversarea câmpului.fizică Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază feroice. Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază feroice.Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale calorice în apropierea tranzițiilor de fază feroide. Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale termice în apropierea metalurgiei feroase.Moya, X., Kar-Narayan, S. și Mathur, ND Materiale termice în apropierea tranzițiilor de fază ale fierului.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. și Mathur, ND Materiale calorice pentru răcire și încălzire. Moya, X. și Mathur, ND Materiale calorice pentru răcire și încălzire.Moya, X. și Mathur, ND Materiale termice pentru răcire și încălzire. Moya, X. și Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. și Mathur, ND Materiale termice pentru răcire și încălzire.Moya X. și Mathur ND Materiale termice pentru răcire și încălzire.Știință 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Răcitoare electrocalorice: o recenzie. Torelló, A. & Defay, E. Răcitoare electrocalorice: o recenzie.Torello, A. și Defay, E. Chillere electrocalorice: o trecere în revistă. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. și Defay, E. Răcitoare electrotermice: o trecere în revistă.Electronică avansată. Alma Mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. și colab. Eficiență energetică enormă a materialului electrocaloric în scandiu-scandiu-plumb cu ordonare înaltă. National Communications. 12, 3298 (2021).
Nair, B. și colab. Efectul electrotermic al condensatoarelor multistrat cu oxid este mare pe o gamă largă de temperaturi. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. și colab. Interval imens de temperatură în regeneratoarele electrotermice. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. și colab. Sistem de răcire electrotermică în stare solidă de înaltă performanță. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. și colab. Dispozitiv de răcire electrotermică în cascadă pentru creștere mare a temperaturii. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB și Brown, DD. Conversie directă de înaltă eficiență a căldurii în energie electrică. Măsurători piroelectrice legate de energie. Olsen, RB și Brown, DD. Conversie directă de înaltă eficiență a căldurii în energie electrică. Măsurători piroelectrice legate de energie.Olsen, RB și Brown, DD Conversie directă de înaltă eficiență a căldurii în energie electrică asociată cu măsurători piroelectrice. 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 și Brown, DDOlsen, RB și Brown, DD Conversie directă eficientă a căldurii în electricitate asociată cu măsurători piroelectrice.Feroelectrică 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. și colab. Densitate de energie și putere în pelicule subțiri de relaxor feroelectric. Alma mater națională. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN și Hanrahan, BM Conversie piroelectrică în cascadă: optimizarea tranziției de fază feroelectrică și a pierderilor electrice. Smith, AN și Hanrahan, BM Conversie piroelectrică în cascadă: optimizarea tranziției de fază feroelectrică și a pierderilor electrice.Smith, AN și Hanrahan, BM Conversie piroelectrică în cascadă: tranziție de fază feroelectrică și optimizare a pierderilor electrice. Smith, AN și Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN și Hanrahan, BMSmith, AN și Hanrahan, BM Conversie piroelectrică în cascadă: optimizarea tranzițiilor de fază feroelectrice și a pierderilor electrice.J. Aplicații. fizică. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Utilizarea materialelor feroelectrice pentru convertirea energiei termice în electricitate. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM și Dullea, J. Convertor piroelectric de energie în cascadă. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM și Dullea, J. Convertor piroelectric de energie în cascadă.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM și Dullea, J. Convertor piroelectric de putere în cascadă. 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 și Dullea, J. Convertoare piroelectrice de putere în cascadă.Feroelectrică 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. și Borman, K. Asupra soluțiilor solide de tantalat de plumb-scandiu cu efect electrocaloric ridicat. Shebanov, L. și Borman, K. Asupra soluțiilor solide de tantalat de plumb-scandiu cu efect electrocaloric ridicat.Shebanov L. și Borman K. Asupra soluțiilor solide de tantalat de plumb-scandiu cu efect electrocaloric ridicat. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Șebanov, L. și Borman, K.Shebanov L. și Borman K. Despre soluțiile solide scandiu-plumb-scandiu cu efect electrocaloric ridicat.Feroelectrică 127, 143–148 (1992).
Le mulțumim lui N. Furusawa, Y. Inoue și K. Honda pentru ajutorul acordat în crearea MLC, PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB și ED. Mulțumim Fundației Naționale de Cercetare din Luxemburg (FNR) pentru sprijinirea acestei lucrări prin CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay și BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departamentul de Cercetare și Tehnologie a Materialelor, Institutul de Tehnologie din Luxemburg (LIST), Belvoir, Luxemburg