Offrire fonti di energia elettrica sostenibili è una delle sfide più importanti di questo secolo. Da questa motivazione nascono aree di ricerca sui materiali per la raccolta di energia, tra cui il termoelettrico1, il fotovoltaico2 e il termofotovoltaico3. Sebbene manchino materiali e dispositivi in ​​grado di raccogliere energia nella gamma Joule, i materiali piroelettrici in grado di convertire l’energia elettrica in cambiamenti periodici di temperatura sono considerati sensori4 e raccoglitori di energia5,6,7. Qui abbiamo sviluppato un raccoglitore di energia termica macroscopico sotto forma di un condensatore multistrato composto da 42 grammi di tantalato di piombo e scandio, che produce 11,2 J di energia elettrica per ciclo termodinamico. Ciascun modulo piroelettrico può generare una densità di energia elettrica fino a 4,43 J cm-3 per ciclo. Mostriamo anche che due di questi moduli del peso di 0,3 g sono sufficienti per alimentare continuamente raccoglitori di energia autonomi con microcontrollori e sensori di temperatura incorporati. Infine, mostriamo che per un intervallo di temperatura di 10 K, questi condensatori multistrato possono raggiungere un'efficienza di Carnot del 40%. Queste proprietà sono dovute a (1) cambiamento di fase ferroelettrico per un'elevata efficienza, (2) bassa corrente di dispersione per prevenire perdite e (3) elevata tensione di rottura. Questi raccoglitori di energia piroelettrica macroscopici, scalabili ed efficienti stanno reinventando la generazione di energia termoelettrica.
Rispetto al gradiente di temperatura spaziale richiesto per i materiali termoelettrici, la raccolta di energia dei materiali termoelettrici richiede cicli di temperatura nel tempo. Ciò significa un ciclo termodinamico, che è meglio descritto dal diagramma entropia (S)-temperatura (T). La Figura 1a mostra un tipico grafico ST di un materiale piroelettrico non lineare (NLP) che dimostra una transizione di fase ferroelettrico-paraelettrica guidata dal campo nel tantalato di piombo e scandio (PST). Le sezioni blu e verde del ciclo sul diagramma ST corrispondono all'energia elettrica convertita nel ciclo Olson (due sezioni isotermiche e due isopole). Qui consideriamo due cicli con la stessa variazione di campo elettrico (campo acceso e spento) e variazione di temperatura ΔT, anche se con temperature iniziali diverse. Il ciclo verde non si trova nella regione di transizione di fase e quindi ha un'area molto più piccola del ciclo blu situato nella regione di transizione di fase. Nel diagramma ST, maggiore è l'area, maggiore è l'energia raccolta. Pertanto, la transizione di fase deve raccogliere più energia. La necessità di cicli su vasta area nella PNL è molto simile alla necessità di applicazioni elettrotermiche9, 10, 11, 12 dove i condensatori multistrato PST (MLC) e i terpolimeri basati su PVDF hanno recentemente mostrato eccellenti prestazioni inverse. stato delle prestazioni di raffreddamento nel ciclo 13,14,15,16. Pertanto, abbiamo identificato MLC PST di interesse per la raccolta di energia termica. Questi campioni sono stati completamente descritti nei metodi e caratterizzati nelle note supplementari 1 (microscopia elettronica a scansione), 2 (diffrazione di raggi X) e 3 (calorimetria).
a, Schizzo di un grafico entropia (S)-temperatura (T) con campo elettrico attivato e disattivato applicato a materiali PNL che mostrano transizioni di fase. Sono mostrati due cicli di raccolta dell'energia in due diverse zone di temperatura. I cicli blu e verde si verificano rispettivamente all'interno e all'esterno della transizione di fase e terminano in regioni molto diverse della superficie. b, due anelli unipolari DE PST MLC, spessi 1 mm, misurati tra 0 e 155 kV cm-1 a 20 °C e 90 °C, rispettivamente, e i corrispondenti cicli Olsen. Le lettere ABCD si riferiscono a diversi stati del ciclo Olson. AB: Gli MLC sono stati caricati a 155 kV cm-1 a 20°C. BC: MLC è stata mantenuta a 155 kV cm-1 e la temperatura è stata aumentata a 90 °C. CD: l'MLC scarica a 90°C. DA: MLC refrigerato a 20°C in campo zero. L'area blu corrisponde alla potenza in ingresso richiesta per avviare il ciclo. L'area arancione rappresenta l'energia raccolta in un ciclo. c, pannello superiore, tensione (nero) e corrente (rossa) in funzione del tempo, monitorati durante lo stesso ciclo Olson di b. I due inserti rappresentano l'amplificazione della tensione e della corrente nei punti chiave del ciclo. Nel pannello inferiore, le curve gialla e verde rappresentano rispettivamente le corrispondenti curve di temperatura ed energia per un MLC spesso 1 mm. L'energia viene calcolata dalle curve di corrente e tensione sul pannello superiore. L'energia negativa corrisponde all'energia raccolta. I passaggi corrispondenti alle lettere maiuscole nelle quattro figure sono gli stessi del ciclo Olson. Il ciclo AB'CD corrisponde al ciclo Stirling (nota integrativa 7).
dove E e D sono rispettivamente il campo elettrico e il campo elettrico di spostamento. Nd può essere ottenuto indirettamente dal circuito DE (Fig. 1b) o direttamente avviando un ciclo termodinamico. I metodi più utili furono descritti da Olsen nel suo lavoro pionieristico sulla raccolta dell'energia piroelettrica negli anni '8017.
Nella fig. 1b mostra due circuiti DE monopolari di campioni PST-MLC spessi 1 mm assemblati rispettivamente a 20 °C e 90 °C, in un intervallo compreso tra 0 e 155 kV cm-1 (600 V). Questi due cicli possono essere utilizzati per calcolare indirettamente l'energia raccolta dal ciclo Olson mostrato nella Figura 1a. Infatti, il ciclo Olsen è composto da due rami isocampo (qui campo zero nel ramo DA e 155 kV cm-1 nel ramo BC) e due rami isotermici (qui 20°С e 20°С nel ramo AB) . C nel ramo CD) L'energia raccolta durante il ciclo corrisponde alle regioni arancione e blu (integrale EdD). L'energia raccolta Nd è la differenza tra energia in ingresso e in uscita, cioè solo l'area arancione in fig. 1b. Questo particolare ciclo di Olson fornisce una densità di energia Nd di 1,78 J cm-3. Il ciclo Stirling è un'alternativa al ciclo Olson (Nota integrativa 7). Poiché lo stadio di carica costante (circuito aperto) è raggiunto più facilmente, la densità di energia estratta dalla Fig. 1b (ciclo AB'CD) raggiunge 1,25 J cm-3. Questo è solo il 70% di ciò che il ciclo Olson può raccogliere, ma le semplici attrezzature di raccolta riescono a farlo.
Inoltre, abbiamo misurato direttamente l'energia raccolta durante il ciclo Olson energizzando il PST MLC utilizzando uno stadio di controllo della temperatura Linkam e un misuratore della sorgente (metodo). La Figura 1c in alto e nei rispettivi riquadri mostra la corrente (rossa) e la tensione (nera) raccolte sullo stesso PST MLC spesso 1 mm del circuito DE che attraversa lo stesso ciclo Olson. La corrente e la tensione permettono di calcolare l'energia raccolta e le curve sono mostrate in fig. 1c, fondo (verde) e temperatura (giallo) durante tutto il ciclo. Le lettere ABCD rappresentano lo stesso ciclo Olson in Fig. 1. La carica MLC avviene durante la fase AB e viene eseguita a bassa corrente (200 µA), quindi SourceMeter può controllare adeguatamente la carica. La conseguenza di questa corrente iniziale costante è che la curva di tensione (curva nera) non è lineare a causa del campo di spostamento potenziale non lineare D PST (Fig. 1c, riquadro in alto). Al termine della ricarica, nell'MLC (punto B) vengono immagazzinati 30 mJ di energia elettrica. L'MLC si riscalda e viene prodotta una corrente negativa (e quindi una corrente negativa) mentre la tensione rimane a 600 V. Dopo 40 s, quando la temperatura ha raggiunto un plateau di 90 °C, questa corrente è stata compensata, sebbene il campione ha prodotto nel circuito una potenza elettrica di 35 mJ durante questo isocampo (secondo riquadro in Fig. 1c, in alto). La tensione sull'MLC (ramo CD) viene quindi ridotta, risultando in ulteriori 60 mJ di lavoro elettrico. L'energia totale in uscita è 95 mJ. L'energia raccolta è la differenza tra l'energia in ingresso e quella in uscita, che dà 95 – 30 = 65 mJ. Ciò corrisponde ad una densità di energia di 1,84 J cm-3, che è molto vicina al Nd estratto dall'anello DE. La riproducibilità di questo ciclo Olson è stata ampiamente testata (nota integrativa 4). Aumentando ulteriormente la tensione e la temperatura, abbiamo raggiunto 4,43 J cm-3 utilizzando cicli Olsen in un MLC PST di 0,5 mm di spessore su un intervallo di temperature di 750 V (195 kV cm-1) e 175 ° C (Nota integrativa 5). Questa è quattro volte maggiore della migliore prestazione riportata in letteratura per i cicli Olson diretti ed è stata ottenuta su film sottili di Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Supplementare Tabella 1 per ulteriori valori in letteratura). Questa prestazione è stata raggiunta grazie alla corrente di dispersione molto bassa di questi MLC (<10−7 A a 750 V e 180 °C, vedere i dettagli nella nota supplementare 6) - un punto cruciale menzionato da Smith et al.19 - al contrario ai materiali utilizzati negli studi precedenti17,20. Questa prestazione è stata raggiunta grazie alla corrente di dispersione molto bassa di questi MLC (<10−7 A a 750 V e 180 °C, vedere i dettagli nella nota supplementare 6) - un punto cruciale menzionato da Smith et al.19 - al contrario ai materiali utilizzati negli studi precedenti17,20. Queste caratteristiche sono necessarie per l'installazione di questi dispositivi MLC (<10–7 A a 750 °C e 180 °C, oltre 750 °C e 180 °C). дробности в дополнительном примечании 6) — momento critico, упомянутый Смитом и dр. 19 — indipendentemente dal materiale utilizzato in grandi quantità 17,20. Queste caratteristiche sono state ottenute grazie alla corrente di dispersione molto bassa di questi MLC (<10–7 A a 750 V e 180 °C, vedere la nota supplementare 6 per i dettagli) - un punto critico menzionato da Smith et al. 19 – in contrasto con i materiali utilizzati negli studi precedenti17,20.由于这些MLC alimentatore di rete 750 V e 180 °C <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 说明 6 中 详细 信息）） ））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比相比之下 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. Se l'unità MLC è troppo calda (<10–7 A a 750 °C e 180 °C, in base alle condizioni indicate). e 6) — momento chiave, упомянутый Смитом e др. 19 — per la sicurezza, hai fornito queste caratteristiche. Poiché la corrente di dispersione di questi MLC è molto bassa (<10–7 A a 750 V e 180 °C, vedere la nota supplementare 6 per i dettagli) – un punto chiave menzionato da Smith et al. 19 – per confronto, queste prestazioni sono state raggiunte.ai materiali utilizzati negli studi precedenti 17,20.
Le stesse condizioni (600 V, 20–90 ° C) si applicavano al ciclo Stirling (nota integrativa 7). Come previsto dai risultati del ciclo DE, la resa è stata di 41,0 mJ. Una delle caratteristiche più sorprendenti dei cicli Stirling è la loro capacità di amplificare la tensione iniziale attraverso l'effetto termoelettrico. Abbiamo osservato un guadagno di tensione fino a 39 (da una tensione iniziale di 15 V a una tensione finale fino a 590 V, vedere la Figura 7.2 supplementare).
Un'altra caratteristica distintiva di questi MLC è che sono oggetti macroscopici abbastanza grandi da raccogliere energia nell'ordine dei joule. Pertanto, abbiamo costruito un prototipo di Harvester (HARV1) utilizzando 28 MLC PST di 1 mm di spessore, seguendo lo stesso design a piastre parallele descritto da Torello et al.14, in una matrice 7×4 come mostrato in Fig. Il fluido dielettrico che trasporta calore in il collettore viene spostato da una pompa peristaltica tra due serbatoi dove la temperatura del fluido viene mantenuta costante (metodo). Raccogliere fino a 3,1 J utilizzando il ciclo Olson descritto in fig. 2a, regioni isotermiche a 10°C e 125°C e regioni isocampo a 0 e 750 V (195 kV cm-1). Ciò corrisponde ad una densità di energia di 3,14 J cm-3. Utilizzando questa mietitrebbia, le misurazioni sono state effettuate in varie condizioni (Fig. 2b). Si noti che 1,8 J sono stati ottenuti in un intervallo di temperatura di 80 °C e una tensione di 600 V (155 kV cm-1). Ciò è in buon accordo con i 65 mJ precedentemente menzionati per PST MLC di 1 mm di spessore nelle stesse condizioni (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configurazione sperimentale di un prototipo HARV1 assemblato basato su 28 PST MLC di 1 mm di spessore (4 righe × 7 colonne) in esecuzione su cicli Olson. Per ciascuna delle quattro fasi del ciclo, nel prototipo vengono fornite temperatura e tensione. Il computer aziona una pompa peristaltica che fa circolare un fluido dielettrico tra i serbatoi freddo e caldo, due valvole e una fonte di alimentazione. Il computer utilizza anche termocoppie per raccogliere dati sulla tensione e la corrente fornite al prototipo e sulla temperatura della mietitrebbia dall'alimentatore. b, Energia (colore) raccolta dal nostro prototipo MLC 4×7 rispetto all'intervallo di temperatura (asse X) e alla tensione (asse Y) in diversi esperimenti.
Una versione più grande dell'harvester (HARV2) con 60 PST MLC di 1 mm di spessore e 160 PST MLC di 0,5 mm di spessore (41,7 g di materiale piroelettrico attivo) ha fornito 11,2 J (Nota integrativa 8). Nel 1984, Olsen realizzò un raccoglitore di energia basato su 317 g di un composto Pb(Zr,Ti)O3 drogato con stagno in grado di generare 6,23 J di elettricità ad una temperatura di circa 150 °C (rif. 21). Per questa mietitrebbia, questo è l'unico altro valore disponibile nell'intervallo joule. Ha ottenuto poco più della metà del valore che abbiamo ottenuto e quasi sette volte la qualità. Ciò significa che la densità energetica di HARV2 è 13 volte superiore.
Il periodo del ciclo HARV1 è di 57 secondi. Ciò ha prodotto 54 mW di potenza con 4 file di 7 colonne di set MLC spessi 1 mm. Per fare un ulteriore passo avanti, abbiamo costruito una terza mietitrebbia (HARV3) con un MLC PST di 0,5 mm di spessore e una configurazione simile a HARV1 e HARV2 (Nota integrativa 9). Abbiamo misurato un tempo di termalizzazione di 12,5 secondi. Ciò corrisponde a un tempo di ciclo di 25 s (Figura 9 supplementare). L'energia raccolta (47 mJ) fornisce una potenza elettrica di 1,95 mW per MLC, il che a sua volta ci permette di immaginare che HARV2 produca 0,55 W (circa 1,95 mW × 280 PST MLC di 0,5 mm di spessore). Inoltre, abbiamo simulato il trasferimento di calore utilizzando la simulazione degli elementi finiti (COMSOL, nota supplementare 10 e tabelle supplementari 2–4) corrispondenti agli esperimenti HARV1. La modellazione agli elementi finiti ha consentito di prevedere valori di potenza quasi un ordine di grandezza superiori (430 mW) per lo stesso numero di colonne PST assottigliando l'MLC a 0,2 mm, utilizzando acqua come refrigerante e ripristinando la matrice a 7 righe . × 4 colonne (oltre a , c'erano 960 mW quando il serbatoio era accanto alla mietitrebbia, Figura 10b supplementare).
Per dimostrare l'utilità di questo collettore, è stato applicato un ciclo Stirling a un dimostratore autonomo costituito da soli due MLC PST spessi 0,5 mm come collettori di calore, un interruttore ad alta tensione, un interruttore a bassa tensione con condensatore di accumulo, un convertitore CC/CC , un microcontrollore a bassa potenza, due termocoppie e un convertitore boost (nota integrativa 11). Il circuito richiede che il condensatore di accumulo venga inizialmente caricato a 9 V e quindi funzioni in modo autonomo mentre la temperatura dei due MLC varia da -5°C a 85°C, qui in cicli di 160 s (diversi cicli sono mostrati nella nota integrativa 11) . Sorprendentemente, due MLC che pesano solo 0,3 g possono controllare autonomamente questo grande sistema. Un'altra caratteristica interessante è che il convertitore a bassa tensione è in grado di convertire 400 V in 10-15 V con un'efficienza del 79% (Nota integrativa 11 e Figura integrativa 11.3).
Infine, abbiamo valutato l'efficienza di questi moduli MLC nel convertire l'energia termica in energia elettrica. Il fattore di qualità η dell'efficienza è definito come il rapporto tra la densità dell'energia elettrica raccolta Nd e la densità del calore fornito Qin (Nota integrativa 12):
Le figure 3a,b mostrano rispettivamente l'efficienza η e l'efficienza proporzionale ηr del ciclo Olsen in funzione dell'intervallo di temperatura di un MLC PST di 0,5 mm di spessore. Entrambi i set di dati sono forniti per un campo elettrico di 195 kV cm-1. L'efficienza \(\this\) raggiunge l'1,43%, che equivale al 18% di ηr. Tuttavia, per un intervallo di temperatura di 10 K da 25 °C a 35 °C, ηr raggiunge valori fino al 40% (curva blu nella figura 3b). Questo è il doppio del valore noto per i materiali NLP registrati nei film PMN-PT (ηr = 19%) nell'intervallo di temperature di 10 K e 300 kV cm-1 (Rif. 18). Gli intervalli di temperatura inferiori a 10 K non sono stati considerati perché l'isteresi termica del PST MLC è compresa tra 5 e 8 K. Il riconoscimento dell'effetto positivo delle transizioni di fase sull'efficienza è fondamentale. Infatti i valori ottimali di η e ηr sono quasi tutti ottenuti alla temperatura iniziale Ti = 25°C nelle Figg. 3a,b. Ciò è dovuto a una transizione di fase ravvicinata quando non viene applicato alcun campo e la temperatura di Curie TC è di circa 20 °C in questi MLC (nota integrativa 13).
a,b, l'efficienza η e l'efficienza proporzionale del ciclo di Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } per il massimo elettrico con un campo di 195 kV cm-1 e diverse temperature iniziali Ti, }}\,\)(b) per MPC PST di 0,5 mm di spessore, a seconda dell'intervallo di temperatura ΔTspan.
Quest'ultima osservazione ha due importanti implicazioni: (1) qualsiasi ciclo efficace deve iniziare a temperature superiori a TC affinché avvenga una transizione di fase indotta dal campo (da paraelettrico a ferroelettrico); (2) questi materiali sono più efficienti con tempi di esecuzione prossimi al TC. Sebbene nei nostri esperimenti siano mostrate efficienze su larga scala, l'intervallo di temperatura limitato non ci consente di raggiungere grandi efficienze assolute a causa del limite di Carnot (\(\Delta T/T\)). Tuttavia, l’eccellente efficienza dimostrata da questi MLC PST giustifica Olsen quando afferma che “un motore termoelettrico rigenerativo di classe 20 ideale che funziona a temperature comprese tra 50 °C e 250 °C può avere un’efficienza del 30%”17. Per raggiungere questi valori e testare il concetto, sarebbe utile utilizzare PST drogati con diversi TC, come studiato da Shebanov e Borman. Hanno dimostrato che la TC nel PST può variare da 3°C (doping con Sb) a 33°C (doping con Ti) 22 . Pertanto, ipotizziamo che i rigeneratori piroelettrici di prossima generazione basati su MLC PST drogati o altri materiali con una forte transizione di fase del primo ordine possano competere con i migliori power Harvester.
In questo studio, abbiamo studiato gli MLC realizzati con PST. Questi dispositivi sono costituiti da una serie di elettrodi Pt e PST, in cui diversi condensatori sono collegati in parallelo. Il PST è stato scelto perché è un eccellente materiale EC e quindi un materiale PNL potenzialmente eccellente. Presenta una netta transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica del primo ordine intorno a 20 ° C, indicando che i suoi cambiamenti di entropia sono simili a quelli mostrati in Fig. 1. MLC simili sono stati completamente descritti per i dispositivi EC13,14. In questo studio abbiamo utilizzato MLC da 10,4 × 7,2 × 1 mm³ e 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Gli MLC con uno spessore di 1 mm e 0,5 mm sono stati realizzati rispettivamente con 19 e 9 strati di PST con uno spessore di 38,6 µm. In entrambi i casi, lo strato PST interno è stato posizionato tra elettrodi di platino spessi 2,05 µm. La progettazione di questi MLC presuppone che il 55% dei PST sia attivo, corrispondente alla parte tra gli elettrodi (Nota integrativa 1). L'area dell'elettrodo attivo era 48,7 mm2 (Tabella supplementare 5). MLC PST è stato preparato mediante reazione in fase solida e metodo di colata. I dettagli del processo di preparazione sono stati descritti in un precedente articolo14. Una delle differenze tra PST MLC e l'articolo precedente è l'ordine dei siti B, che influisce notevolmente sulle prestazioni di EC in PST. L'ordine dei siti B di PST MLC è 0,75 (Nota integrativa 2) ottenuto mediante sinterizzazione a 1400°C seguita da ricottura di centinaia di ore a 1000°C. Per ulteriori informazioni su PST MLC, vedere le note supplementari 1-3 e la tabella supplementare 5.
Il concetto principale di questo studio si basa sul ciclo Olson (Fig. 1). Per tale ciclo abbiamo bisogno di un serbatoio caldo e freddo e di un alimentatore in grado di monitorare e controllare la tensione e la corrente nei vari moduli MLC. Questi cicli diretti utilizzavano due diverse configurazioni, vale a dire (1) moduli Linkam che riscaldavano e raffreddavano un MLC collegato a una fonte di alimentazione Keithley 2410 e (2) tre prototipi (HARV1, HARV2 e HARV3) in parallelo con la stessa fonte di energia. In quest'ultimo caso è stato utilizzato un fluido dielettrico (olio siliconico con viscosità di 5 cP a 25°C, acquistato da Sigma Aldrich) per lo scambio termico tra i due serbatoi (caldo e freddo) e l'MLC. Il serbatoio termico è costituito da un contenitore di vetro riempito di fluido dielettrico e posto sopra la piastra termica. La cella frigorifera consiste in un bagno d'acqua con tubi liquidi contenenti fluido dielettrico in un grande contenitore di plastica riempito con acqua e ghiaccio. Due valvole a manicotto a tre vie (acquistate da Bio-Chem Fluidics) sono state posizionate a ciascuna estremità della mietitrebbia per trasferire correttamente il fluido da un serbatoio all'altro (Figura 2a). Per garantire l'equilibrio termico tra il pacchetto PST-MLC e il refrigerante, il periodo del ciclo è stato prolungato finché le termocoppie di ingresso e uscita (il più vicino possibile al pacchetto PST-MLC) hanno mostrato la stessa temperatura. Lo script Python gestisce e sincronizza tutti gli strumenti (misuratori della sorgente, pompe, valvole e termocoppie) per eseguire il ciclo Olson corretto, ovvero il circuito del refrigerante inizia a scorrere attraverso lo stack PST dopo che il misuratore della sorgente è stato caricato in modo che si riscaldino alla temperatura desiderata. tensione applicata per un dato ciclo Olson.
In alternativa, abbiamo confermato queste misurazioni dirette dell'energia raccolta con metodi indiretti. Questi metodi indiretti si basano sullo spostamento elettrico (D) – circuiti di campo elettrici (E) raccolti a diverse temperature e, calcolando l'area tra due circuiti DE, è possibile stimare con precisione quanta energia può essere raccolta, come mostrato nella figura . nella figura 2. .1b. Questi loop DE vengono raccolti anche utilizzando i misuratori della sorgente Keithley.
Ventotto MLC PST spessi 1 mm sono stati assemblati in una struttura a piastre parallele a 4 file e 7 colonne secondo il progetto descritto nel riferimento. 14. La distanza del fluido tra le file PST-MLC è 0,75 mm. Ciò si ottiene aggiungendo strisce di nastro biadesivo come distanziatori liquidi attorno ai bordi del PST MLC. Il PST MLC è collegato elettricamente in parallelo con un ponte epossidico argentato a contatto con i conduttori degli elettrodi. Successivamente, i fili sono stati incollati con resina epossidica argentata su ciascun lato dei terminali degli elettrodi per il collegamento all'alimentazione. Infine inserire l'intera struttura nel tubo in poliolefina. Quest'ultimo è incollato al tubo del fluido per garantirne la corretta tenuta. Infine, in ciascuna estremità della struttura PST-MLC sono state integrate termocoppie di tipo K spesse 0,25 mm per monitorare le temperature del liquido in ingresso e in uscita. Per fare ciò, il tubo deve prima essere perforato. Dopo aver installato la termocoppia, applicare lo stesso adesivo di prima tra il tubo della termocoppia e il filo per ripristinare la tenuta.
Sono stati costruiti otto prototipi separati, quattro dei quali avevano 40 PST MLC spessi 0,5 mm distribuiti come piastre parallele con 5 colonne e 8 righe, e i restanti quattro avevano PST MLC spessi 15 1 mm ciascuno. in struttura a piastre parallele a 3 colonne × 5 file. Il numero totale di PST MLC utilizzati è stato 220 (160 PST MLC con spessore di 0,5 mm e 60 PST MLC con spessore di 1 mm). Chiamiamo queste due subunità HARV2_160 e HARV2_60. L'intercapedine liquida nel prototipo HARV2_160 è costituita da due nastri biadesivi spessi 0,25 mm con un filo spesso 0,25 mm tra di loro. Per il prototipo HARV2_60 abbiamo ripetuto la stessa procedura, ma utilizzando filo di spessore 0,38 mm. Per simmetria, HARV2_160 e HARV2_60 hanno i propri circuiti del fluido, pompe, valvole e lato freddo (nota integrativa 8). Due unità HARV2 condividono un serbatoio di calore, un contenitore da 3 litri (30 cm x 20 cm x 5 cm) su due piastre riscaldanti con magneti rotanti. Tutti gli otto prototipi individuali sono collegati elettricamente in parallelo. Le subunità HARV2_160 e HARV2_60 lavorano simultaneamente nel ciclo Olson risultando in una raccolta di energia di 11,2 J.
Posizionare il PST MLC da 0,5 mm di spessore nel tubo in poliolefina con nastro biadesivo e filo su entrambi i lati per creare spazio per il flusso del liquido. Date le sue dimensioni ridotte, il prototipo è stato posizionato accanto a una valvola del serbatoio caldo o freddo, riducendo al minimo i tempi di ciclo.
Nel PST MLC viene applicato un campo elettrico costante applicando una tensione costante al ramo di riscaldamento. Di conseguenza, viene generata una corrente termica negativa e l'energia viene immagazzinata. Dopo aver riscaldato il PST MLC, il campo viene rimosso (V = 0) e l'energia immagazzinata in esso viene restituita al contatore della sorgente, che corrisponde a un ulteriore contributo dell'energia raccolta. Infine, con una tensione V = 0 applicata, i PST dell'MLC vengono raffreddati alla loro temperatura iniziale in modo che il ciclo possa ricominciare. In questa fase l'energia non viene raccolta. Abbiamo eseguito il ciclo Olsen utilizzando un Keithley 2410 SourceMeter, caricando il PST MLC da una fonte di tensione e impostando la corrispondenza della corrente sul valore appropriato in modo che durante la fase di carica venissero raccolti abbastanza punti per calcoli energetici affidabili.
Nei cicli Stirling, gli MLC PST sono stati caricati in modalità sorgente di tensione a un valore di campo elettrico iniziale (tensione iniziale Vi > 0), una corrente di conformità desiderata in modo che la fase di carica richieda circa 1 s (e vengono raccolti abbastanza punti per un calcolo affidabile di l'energia) e la temperatura fredda. Nei cicli Stirling, gli MLC PST sono stati caricati in modalità sorgente di tensione a un valore di campo elettrico iniziale (tensione iniziale Vi > 0), una corrente di conformità desiderata in modo che la fase di carica richieda circa 1 s (e vengono raccolti abbastanza punti per un calcolo affidabile di l'energia) e la temperatura fredda. В циклах стирлинга pst mlc заряжались в ржиме итчччч нап9 яжение vi> 0), желаемом подативоtal ток, так что ээа зар rusta " Nei cicli Stirling PST MLC, sono stati caricati in modalità generatore di tensione al valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale Vi > 0), la corrente di rendimento desiderata, in modo che la fase di carica richieda circa 1 s (e un numero sufficiente di punti vengono raccolti per un calcolo energetico affidabile) e la temperatura fredda.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）e低温. Nel ciclo master, l'MLC PST viene caricato al valore del campo elettrico iniziale (tensione iniziale Vi > 0) nella modalità sorgente di tensione, in modo che la corrente di conformità richiesta impieghi circa 1 secondo per la fase di carica (e abbiamo raccolto abbastanza punti per calcolare in modo affidabile (energia) e bassa temperatura. В цикле стирлинга pst mlc заряжается в ржиме иттччч на ение vi> 0), треемый то подативости таков, что ээа зар ruba тобы надежно расчитать энергию) и низкие темературы . Nel ciclo Stirling, il PST MLC viene caricato in modalità sorgente di tensione con un valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale Vi > 0), la corrente di conformità richiesta è tale che la fase di carica dura circa 1 s (e un numero sufficiente di punti vengono raccolti per calcolare in modo affidabile l'energia) e le basse temperature.Prima che il PST MLC si riscaldi, aprire il circuito applicando una corrente di adattamento di I = 0 mA (la corrente di adattamento minima che la nostra sorgente di misurazione può gestire è 10 nA). Di conseguenza, nel PST dell'MJK rimane una carica e la tensione aumenta man mano che il campione si riscalda. Nessuna energia viene raccolta nel braccio BC perché I = 0 mA. Dopo aver raggiunto una temperatura elevata, la tensione nell'MLK FT aumenta (in alcuni casi più di 30 volte, vedere la figura aggiuntiva 7.2), l'MLK FT si scarica (V = 0) e l'energia elettrica viene immagazzinata in essi per la stessa durata poiché rappresentano l'addebito iniziale. La stessa corrispondenza attuale viene restituita al contatore-sorgente. A causa del guadagno di tensione, l'energia immagazzinata ad alta temperatura è superiore a quella fornita all'inizio del ciclo. Di conseguenza, l’energia si ottiene convertendo il calore in elettricità.
Abbiamo utilizzato un SourceMeter Keithley 2410 per monitorare la tensione e la corrente applicate al PST MLC. L'energia corrispondente viene calcolata integrando il prodotto di tensione e corrente letta dal misuratore di Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), dove τ è il periodo del periodo. Sulla nostra curva di energia, valori di energia positivi indicano l'energia che dobbiamo dare al PST MLC, e valori negativi indicano l'energia che ne estraiamo e quindi l'energia ricevuta. La potenza relativa per un dato ciclo di raccolta viene determinata dividendo l'energia raccolta per il periodo τ dell'intero ciclo.
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Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Effetto piro-piezoelettrico congiunto per il rilevamento simultaneo autoalimentato di temperatura e pressione. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Effetto piro-piezoelettrico congiunto per il rilevamento simultaneo autoalimentato di temperatura e pressione.Canzone K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Effetto piropiezoelettrico combinato per la misurazione simultanea autonoma di temperatura e pressione. 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. Per l'autoalimentazione contemporaneamente alla temperatura e alla pressione.Canzone K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Effetto termopiezoelettrico combinato per la misurazione simultanea autonoma di temperatura e pressione.Inoltrare. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Raccolta di energia basata su cicli piroelettrici Ericsson in una ceramica ferroelettrica rilassante. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Raccolta di energia basata su cicli piroelettrici Ericsson in una ceramica ferroelettrica rilassante.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Raccolta di energia basata su cicli piroelettrici Ericsson in ceramiche ferroelettriche rilassanti.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Raccolta di energia in ceramiche ferroelettriche rilassanti basate sul ciclismo piroelettrico Ericsson. Alma mater intelligente. struttura. 17, 15012 (2007).
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Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard e figura di merito per quantificare le prestazioni dei nanogeneratori piroelettrici. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard e figura di merito per quantificare le prestazioni dei nanogeneratori piroelettrici.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Yu. Un punteggio standard e di qualità per quantificare le prestazioni dei nanogeneratori piroelettrici. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Y. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Yu. Criteri e misure di prestazione per quantificare le prestazioni di un nanogeneratore piroelettrico.Nanoenergia 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Cicli di raffreddamento elettrocalorici nel tantalato di piombo e scandio con vera rigenerazione tramite variazione di campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Cicli di raffreddamento elettrocalorici nel tantalato di piombo e scandio con vera rigenerazione tramite variazione di campo.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND Cicli di raffreddamento elettrocalorici nel tantalato di piombo-scandio con vera rigenerazione mediante modifica del campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Quantità di tantalioCrossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND Un ciclo di raffreddamento elettrotermico del tantalato di piombo e scandio per una vera rigenerazione attraverso l'inversione del campo.fisica Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiali calorici vicino alle transizioni di fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiali calorici vicino alle transizioni di fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiali calorici vicino alle transizioni di 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 Materiali termici vicino alla metallurgia ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiali termici vicino alle transizioni di fase del ferro.Naz. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Materiali calorici per il raffreddamento e il riscaldamento. Moya, X. & Mathur, ND Materiali calorici per il raffreddamento e il riscaldamento.Moya, X. e Mathur, ND Materiali termici per il raffreddamento e il riscaldamento. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料. Moya, X. & Mathur, ND Materiali termici per il raffreddamento e il riscaldamento.Moya X. e Mathur ND Materiali termici per il raffreddamento e il riscaldamento.Scienza 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Raffreddatori elettrocalorici: una recensione. Torelló, A. & Defay, E. Raffreddatori elettrocalorici: una recensione.Torello, A. e Defay, E. refrigeratori elettrocalorici: una recensione. 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. Raffreddatori elettrotermici: una recensione.Avanzato. elettronico. alma mater. 8.2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme efficienza energetica del materiale elettrocalorico nello scandio-scandio-piombo altamente ordinato. Comunicare nazionale. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. L'effetto elettrotermico dei condensatori multistrato all'ossido è ampio in un ampio intervallo di temperature. Natura 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enorme intervallo di temperature nei rigeneratori elettrotermici. Scienza 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistema di raffreddamento elettrotermico a stato solido ad alte prestazioni. Scienza 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Dispositivo di raffreddamento elettrotermico a cascata per un ampio aumento della temperatura. Energia nazionale 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Conversione diretta ad alta efficienza del calore in misurazioni piroelettriche legate all'energia elettrica. Olsen, RB & Brown, DD Conversione diretta ad alta efficienza del calore in misurazioni piroelettriche legate all'energia elettrica.Olsen, RB e Brown, DD Conversione diretta altamente efficiente del calore in energia elettrica associata alle misurazioni piroelettriche. 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 Conversione diretta efficiente del calore in elettricità associata alle misurazioni piroelettriche.Ferroelettrico 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Densità di energia e potenza in film ferroelettrici rilassanti sottili. Alma mater nazionale. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Conversione piroelettrica in cascata: ottimizzazione della transizione di fase ferroelettrica e delle perdite elettriche. Smith, AN & Hanrahan, BM Conversione piroelettrica in cascata: ottimizzazione della transizione di fase ferroelettrica e delle perdite elettriche.Smith, AN e Hanrahan, BM Conversione piroelettrica in cascata: transizione di fase ferroelettrica e ottimizzazione delle perdite elettriche. Smith, AN e Hanrahan, BM 级联热释电转换:优化铁电相变和电损耗. Smith, AN e Hanrahan, BMSmith, AN e Hanrahan, BM Conversione piroelettrica in cascata: ottimizzazione delle transizioni di fase ferroelettriche e delle perdite elettriche.J. Applicazione. fisica. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR L'uso di materiali ferroelettrici per convertire l'energia termica in elettricità. processo. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Convertitore di energia piroelettrica a cascata. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Convertitore di energia piroelettrica a cascata.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J. Cascade Convertitore di potenza piroelettrica. 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. Convertitori di potenza piroelettrica a cascata.Ferroelettrico 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Sulle soluzioni solide di tantalato di piombo-scandio con elevato effetto elettrocalorico. Shebanov, L. & Borman, K. Sulle soluzioni solide di tantalato di piombo-scandio con elevato effetto elettrocalorico.Shebanov L. e Borman K. Su soluzioni solide di tantalato di piombo-scandio con un elevato effetto elettrocalorico. 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. Su soluzioni solide di scandio-piombo-scandio con un elevato effetto elettrocalorico.Ferroelettrico 127, 143–148 (1992).
Ringraziamo N. Furusawa, Y. Inoue e K. Honda per il loro aiuto nella creazione dell'MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB e ED Grazie alla Fondazione nazionale di ricerca lussemburghese (FNR) per aver supportato questo lavoro attraverso CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay e BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Dipartimento di ricerca e tecnologia dei materiali, Istituto di tecnologia lussemburghese (LIST), Belvoir, Lussemburgo