Offrire fonti sostenibili di elettricità è una delle sfide più importanti di questo secolo. Le aree di ricerca nei materiali di raccolta di energia derivano da questa motivazione, tra cui Thermoelectric1, Photovoltaic2 e Thermofotovoltaics3. Sebbene ci mancano materiali e dispositivi in ​​grado di raccogliere energia nell'intervallo di Joule, i materiali piroelettrici che possono convertire l'energia elettrica in variazioni di temperatura periodica sono considerati sensori4 e raccoglie di energia 5,6,7. Qui abbiamo sviluppato un mietitore di energia termica macroscopica sotto forma di un condensatore multistrato realizzato in 42 grammi di tantalato di scandium di piombo, producendo 11,2 J di energia elettrica per ciclo termodinamico. Ogni modulo piroelettrico può generare densità di energia elettrica fino a 4,43 J CM-3 per ciclo. Mostriamo anche che due di questi moduli che pesano 0,3 g sono sufficienti per alimentare continuamente i raccoglitori di energia autonome con microcontrollori e sensori di temperatura incorporati. Infine, mostriamo che per un intervallo di temperatura di 10 K, questi condensatori a multistrato possono raggiungere l'efficienza del 40% di Carnot. Queste proprietà sono dovute a (1) variazione di fase ferroelettrica per elevata efficienza, (2) corrente di perdita bassa per prevenire perdite e (3) alta tensione di rottura. Questi raccoglitori di potenza piroelettrica macroscopica, 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 il ciclo della temperatura nel tempo. Ciò significa un ciclo termodinamico, che è meglio descritto dal diagramma dell'entropia (S)-temperatura (T). La Figura 1A mostra un tipico diagramma di ST di un materiale piroelettrico non lineare (NLP) che mostra una transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica guidata dal campo nel tantalato di cavi scandium (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 lo stesso cambio di campo elettrico (campo acceso e spento) e variazione di temperatura Δt, sebbene con temperature iniziali diverse. Il ciclo verde non si trova nella regione di transizione di fase e quindi ha un'area molto più piccola rispetto al 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 un ciclo di grandi aree nella PNL è molto simile alla necessità di applicazioni elettrotermiche9, 10, 11, 12 in cui i condensatori multistrato PST (MLC) e i terpolimeri a base di 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 dei raggi X) e 3 (calorimetria).
A, schizzo di un diagramma di entropia (S)-temperatura (T) con campo elettrico acceso e spento applicato ai materiali NLP che mostrano transizioni di fase. Due cicli di raccolta di energia sono mostrati in due diverse zone di temperatura. I cicli blu e verdi si verificano all'interno e all'esterno della transizione di fase, rispettivamente, e finiscono in regioni molto diverse della superficie. B, due anelli unipolari MLC DE PST, spesso 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 nel ciclo di Olson. AB: gli MLC sono stati caricati a 155 kV cm-1 a 20 ° C. BC: MLC è stato mantenuto a 155 kV cm-1 e la temperatura è stata aumentata a 90 ° C. CD: scarichi MLC a 90 ° C. DA: MLC refrigerato a 20 ° C in campo zero. L'area blu corrisponde alla potenza di input richiesta per avviare il ciclo. L'area arancione è l'energia raccolta in un ciclo. C, pannello superiore, tensione (nero) e corrente (rosso) rispetto al tempo, monitorato durante lo stesso ciclo Olson di b. I due inserti rappresentano l'amplificazione della tensione e della corrente nei punti chiave nel ciclo. Nel pannello inferiore, le curve gialle e verdi rappresentano le corrispondenti curve di temperatura e energia, rispettivamente, per un MLC spesso 1 mm. L'energia viene calcolata dalla corrente e dalle curve di 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 di Olson. Il ciclo AB'CD corrisponde al ciclo Stirling (nota aggiuntiva 7).
dove E e D sono il campo elettrico e il campo di spostamento elettrico, rispettivamente. ND può essere ottenuto indirettamente dal circuito DE (Fig. 1B) o direttamente avviando un ciclo termodinamico. I metodi più utili sono stati descritti da Olsen nel suo lavoro pionieristico sulla raccolta di energia piroelettrica negli anni '8017.
Su Fig. 1B mostra due anelli di DE monopolari di campioni PST-MLC di spessore 1 mm assemblati a 20 ° C e 90 ° C, rispettivamente, su un intervallo da 0 a 155 kV cm-1 (600 V). Questi due cicli possono essere usati per calcolare indirettamente l'energia raccolta dal ciclo Olson mostrato nella Figura 1A. In effetti, il ciclo Olsen è costituito da due rami isofield (qui, zero campo 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 (EDD integrale). L'energia raccolta ND è la differenza tra energia di input e 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 supplementare 7). Poiché lo stadio di carica costante (circuito aperto) è più facilmente raggiungibile, la densità di energia estratta dalla Fig. 1B (Cycle AB'CD) raggiunge 1,25 J CM-3. Questo è solo il 70% di ciò che il ciclo Olson può raccogliere, ma lo fa semplici attrezzature per la raccolta.
Inoltre, abbiamo misurato direttamente l'energia raccolta durante il ciclo OLSON energizzando il PST MLC usando una fase di controllo della temperatura Linkam e un misuratore di sorgente (metodo). La Figura 1C nella parte superiore e nei rispettivi inserti mostra la corrente (rossa) e la tensione (nero) raccolte sullo stesso PST MLC spesso 1 mm come per il ciclo de loop che attraversa lo stesso ciclo di Olson. La corrente e la tensione consentono di calcolare l'energia raccolta e le curve sono mostrate in FIG. 1C, fondo (verde) e temperatura (giallo) per tutto il ciclo. Le lettere ABCD rappresentano lo stesso ciclo di Olson in Fig. 1. La ricarica di MLC si verifica durante la gamba AB e viene eseguita a una corrente bassa (200 µA), quindi Sourcemeter può controllare correttamente la carica. La conseguenza di questa costante corrente iniziale è che la curva di tensione (curva nera) non è lineare a causa del campo di spostamento del potenziale non lineare D PST (Fig. 1C, inserto superiore). Alla fine della ricarica, 30 MJ di energia elettrica sono conservati nel MLC (punto B). Il MLC quindi si riscalda e una corrente negativa (e quindi una corrente negativa) viene prodotta 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 di gradino prodotto nel circuito una potenza elettrica di 35 mj durante questo Iofield (secondo inserto in Fig. 1C, in top). La tensione su MLC (Branch CD) viene quindi ridotta, con conseguente ulteriore 60 MJ di lavoro elettrico. L'energia di produzione totale è di 95 MJ. L'energia raccolta è la differenza tra l'energia di ingresso e output, che fornisce 95-30 = 65 mj. Ciò corrisponde a una densità di energia di 1,84 J CM-3, che è molto vicino al ND estratto dall'anello di de. La riproducibilità di questo ciclo Olson è stata ampiamente testata (Nota Supplementare 4). Aumentando ulteriormente la tensione e la temperatura, abbiamo ottenuto 4,43 J CM-3 usando cicli OLSEN in un PST di 0,5 mm di spessore MLC su un intervallo di temperatura di 750 V (195 kV cm-1) e 175 ° C (Nota supplementare 5). Questo è quattro volte maggiore delle migliori prestazioni riportate in letteratura per i cicli diretti di Olson ed è stato ottenuto su film sottili di Pb (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (CM. Tabella 1 per i valori per più valori in letteratura). Questa prestazione è stata raggiunta a causa della corrente di perdita molto bassa di questi MLC (<10−7 A a 750 V e 180 ° C, vedere i dettagli nella nota 6 supplementare) - un punto cruciale menzionato da Smith et al.19 - in contrasto con i materiali utilizzati negli studi precedenti17,20. Questa prestazione è stata raggiunta a causa della corrente di perdita molto bassa di questi MLC (<10−7 A a 750 V e 180 ° C, vedere i dettagli nella nota 6 supplementare) - un punto cruciale menzionato da Smith et al.19 - in contrasto con i materiali utilizzati negli studi precedenti17,20. Эти характериellente ы ы ы достигты блоодаря чень низкому то утечки эээ ээ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ сэ с9 в дополнительном примечани и 6) - к китеский момент, уппотый смитом д дrs д. 19 - о отличие о к к материалам, исполззованны в боле ранних ислоованиях17,20. Queste caratteristiche sono state raggiunte a causa della corrente di perdita molto bassa di questi MLC (<10–7 A a 750 V e 180 ° C, vedere Nota supplementare 6 per i dettagli) - Un punto critico menzionato da Smith et al. 19 - Contrariamente ai materiali utilizzati negli studi precedenti17,20.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） 中的详细信息） 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 说明 6 中 详细 信息）））））-等 19 提到 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 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 相比之下 tivamente Поскольк ток утечки этих mlc чень низкий (<10–7 а п п 750 в 180 с. ключевой момент, упомянутый смитом и др. 19 - для срав situazione Poiché la corrente di perdita di questi MLC è molto bassa (<10–7 A a 750 V e 180 ° C, vedere Nota supplementare 6 per i dettagli) - Un punto chiave menzionato da Smith et al. 19 - Per confronto, queste esibizioni sono state raggiunte.ai materiali utilizzati negli studi precedenti 17,20.
Le stesse condizioni (600 V, 20-90 ° C) applicate al ciclo Stirling (Nota supplementare 7). Come previsto dai risultati del ciclo DE, la resa era 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 Fig. 7.2 supplementare).
Un'altra caratteristica distintiva di questi MLC è che sono oggetti macroscopici abbastanza grandi da raccogliere energia nella gamma Joule. Pertanto, abbiamo costruito un prototipo di mietitore (Harv1) usando 28 mlc di 1 mm di spessore 1 mm, seguendo lo stesso design della piastra parallela descritta da Torello et al.14, in una matrice 7 × 4 come mostrato in Fig. Il fluido dielettrico che trasporta il calore nel collettore. Raccogli fino a 3.1 J usando il ciclo Olson descritto in Fig. 2A, regioni isotermiche a 10 ° C e 125 ° C e regioni isofield a 0 e 750 V (195 kV cm-1). Ciò corrisponde a una densità di energia di 3,14 J CM-3. Usando questa combinazione, le misurazioni sono state prese in varie condizioni (Fig. 2B). Si noti che 1,8 J è stato ottenuto 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 1 mm di PST di spessore 1 mm nelle stesse condizioni (28 × 65 = 1820 MJ).
A, configurazione sperimentale di un prototipo di Harv1 assemblato basato su 28 mlc PST 1 mm di spessore (colonne 4 righe × 7) in esecuzione su cicli Olson. Per ciascuna delle quattro fasi del ciclo, la temperatura e la tensione sono fornite nel prototipo. Il computer guida una pompa peristaltica che fa circolare un fluido dielettrico tra serbatoi freddi e caldi, due valvole e una fonte di alimentazione. Il computer utilizza anche le termocoppie per raccogliere dati sulla tensione e la corrente forniti al prototipo e sulla temperatura della combinazione dall'alimentazione. B, energia (colore) raccolta dal nostro prototipo 4 × 7 mlc rispetto a intervallo di temperatura (asse X) e tensione (asse y) in diversi esperimenti.
Una versione più grande del mietitore (Harv2) con 60 pst MLC 1 mm di spessore e 160 PST MLC di 0,5 mm di spessore (41,7 g di materiale piroelettrico attivo) ha dato 11,2 J (Nota supplementare 8). Nel 1984, Olsen fece un mietitore di energia basato su 317 g di un composto O3 drogato in stagno (ZR, TI) O3 in grado di generare 6,23 J di elettricità a una temperatura di circa 150 ° C (rif. 21). Per questa combinazione, questo è l'unico altro valore disponibile nella gamma Joule. Ha ottenuto poco più della metà del valore che abbiamo raggiunto e quasi sette volte la qualità. Ciò significa che la densità di energia di Harv2 è 13 volte superiore.
Il periodo del ciclo di Harv1 è di 57 secondi. Ciò ha prodotto 54 MW di potenza con 4 file di 7 colonne di set MLC di spessore 1 mm. Per fare un ulteriore passo avanti, abbiamo costruito una terza combinazione (Harv3) con un MLC PST di spessore 0,5 mm e una configurazione simile a Harv1 e Harv2 (Nota supplementare 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, che a sua volta ci consente di immaginare che Harv2 produca 0,55 W (circa 1,95 MW × 280 PST MLC di spessore 0,5 mm). Inoltre, abbiamo simulato il trasferimento di calore utilizzando una simulazione a elementi finiti (COMSOL, Nota supplementare 10 e Tabelle supplementari 2–4) corrispondenti agli esperimenti Harv1. La modellazione di elementi finiti ha permesso di prevedere i valori di potenza quasi un ordine di grandezza più alto (430 MW) per lo stesso numero di colonne PST di difettando il MLC a 0,2 mm, usando l'acqua come refrigerante e ripristinando la matrice a 7 file. Le colonne × 4 (oltre a, c'erano 960 MW quando il serbatoio era accanto alla combinazione, Fig. 10B supplementare).
Per dimostrare l'utilità di questo collezionista, è stato applicato un ciclo Stirling a un dimostratore autonomo costituito da soli due MLC PST di spessore 0,5 mm come collezionisti di calore, un interruttore ad alta tensione, un interruttore a bassa tensione con il condensatore di stoccaggio, un convertitore DC/DC, un microcontrollore a bassa potenza, due termocontrolli di caduta (convertitore di detenzione (convertitore di detenzione). Il circuito richiede che il condensatore di stoccaggio venga inizialmente caricato a 9 V e quindi funziona 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 supplementare 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 a 10-15 V con efficienza del 79% (Nota supplementare 11 e Figura 11.3 supplementare).
Infine, abbiamo valutato l'efficienza di questi moduli MLC nella conversione dell'energia termica in energia elettrica. Il fattore di qualità η di efficienza è definito come il rapporto tra la densità dell'energia elettrica raccolta e la densità del Qin di calore fornito (Nota supplementare 12):
Le figure 3A, B mostrano l'efficienza η e l'efficienza proporzionale ηR del ciclo Olsen, rispettivamente, in funzione dell'intervallo di temperatura di un MLC PST spesso 0,5 mm. Entrambi i set di dati sono riportati 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 in Fig. 3B). Questo è il doppio del valore noto per i materiali NLP registrato nei film PMN-PT (ηr = 19%) nell'intervallo di temperatura 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. In effetti, i valori ottimali di η e ηr sono quasi tutti ottenuti alla temperatura iniziale Ti = 25 ° C nelle figure. 3a, b. Ciò è dovuto a una transizione di fase ravvicinata quando non viene applicato alcun campo e la temperatura Curie TC è di circa 20 ° C in questi MLC (Nota supplementare 13).
A, B, l'efficienza η e l'efficienza proporzionale del ciclo Olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {\ rm {carnot}} per l'elettrico massimo da un campo di 195 kv cm-1 e diversi temperature e diversi }} \, \) (b) per lo spessore MPC PST 0,5 mm, a seconda dell'intervallo di temperatura ΔTSPan.
Quest'ultima osservazione ha due importanti implicazioni: (1) qualsiasi ciclo efficace deve iniziare a temperature superiori al TC per una transizione di fase indotta dal campo (dal paraelettrico a ferroelettrico) per verificarsi; (2) Questi materiali sono più efficienti nei tempi di corsa vicino a TC. Sebbene nei nostri esperimenti siano mostrati su larga scala, l'intervallo di temperatura limitato non ci consente di ottenere grandi efficienze assolute a causa del limite di Carnot (\ (\ Delta t/t \)). Tuttavia, l'eccellente efficienza dimostrata da questi MLC PST giustifica Olsen quando menziona che "un motore termoelettrico rigenerativo di classe 20 ideale che opera a temperature 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 TC diversi, come studiato da Shebanov e Borman. Hanno dimostrato che il TC in PST può variare da 3 ° C (doping SB) a 33 ° C (doping 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 di primo ordine possano competere con i migliori raccoglitori di potenza.
In questo studio, abbiamo studiato gli MLC realizzati da PST. Questi dispositivi sono costituiti da una serie di elettrodi PT e PST, per cui diversi condensatori sono collegati in parallelo. Il PST è stato scelto perché è un materiale EC eccellente e quindi un materiale PNL potenzialmente eccellente. Presenta una netta transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica del primo ordine intorno a 20 ° C, indicando che le sue variazioni di entropia sono simili a quelle mostrate in Fig. 1. MLC simili sono stati completamente descritti per i dispositivi EC13,14. In questo studio, abbiamo usato MLC 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 da 19 e 9 strati di PST con uno spessore di 38,6 µm, rispettivamente. In entrambi i casi, lo strato PST interno è stato posizionato tra elettrodi di platino di spessore 2,05 µm. La progettazione di questi MLC presuppone che il 55% dei PST sia attivo, corrispondente alla parte tra gli elettrodi (Nota supplementare 1). L'area dell'elettrodo attivo era di 48,7 mm2 (Tabella supplementare 5). MLC PST è stato preparato mediante reazione di fase solida e metodo di fusione. 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 supplementare 2) ottenuta mediante sinterizzazione a 1400 ° C seguita da una ricottura di centinaia di ore a 1000 ° C. Per ulteriori informazioni su PST MLC, consultare Note supplementari 1-3 e Tabella supplementare 5.
Il concetto principale di questo studio si basa sul ciclo Olson (Fig. 1). Per un tale ciclo, abbiamo bisogno di un serbatoio a freddo e a freddo e un alimentatore in grado di monitorare e controllare la tensione e la corrente nei vari moduli MLC. Questi cicli diretti hanno utilizzato due diverse configurazioni, vale a dire (1) moduli Linkam che riscaldano e raffreddamento di un MLC collegato a una fonte di alimentazione Keithley 2410 e (2) tre prototipi (Harv1, Harv2 e Harv3) in parallelo con la stessa energia della sorgente. In quest'ultimo caso, un fluido dielettrico (olio di silicone con una viscosità di 5 cp a 25 ° C, acquistato da Sigma Aldrich) è stato utilizzato per lo scambio di calore tra i due bacini idrici (caldo e freddo) e MLC. Il serbatoio termico è costituito da un contenitore di vetro pieno di fluido dielettrico e posizionato sopra la piastra termica. La conservazione a freddo è costituita da un bagno d'acqua con tubi liquidi contenenti fluido dielettrico in un grande contenitore di plastica pieno di acqua e ghiaccio. Due valvole di pizzico a tre vie (acquistate da fluidiche bio-chem) sono state posizionate su ciascuna estremità della combinazione per cambiare correttamente il fluido da un serbatoio all'altro (Figura 2A). Per garantire l'equilibrio termico tra il pacchetto PST-MLC e il liquido di raffreddamento, il periodo di ciclo è stato esteso fino a quando 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 di origine, pompe, valvole e termocoppie) per eseguire il ciclo Olson corretto, cioè il ciclo del refrigerante inizia a pedalare attraverso lo stack PST dopo che il misuratore di origine è stato caricato in modo da riscaldarsi alla tensione applicata desiderata per il ciclo Olson dato.
In alternativa, abbiamo confermato queste misurazioni dirette dell'energia raccolta con metodi indiretti. Questi metodi indiretti si basano sullo spostamento elettrico (D) - Field elettrico (E) Loop di campo raccolti a temperature diverse e calcolando l'area tra due Loop DE, si può stimare accuratamente quanta energia può essere raccolta, come mostrato nella figura. Nella Figura 2. .1b. Questi loop di De vengono anche raccolti utilizzando i contatori di origine Keithley.
MLC PST di spessore di ventotto 1 mm di spessore sono stati assemblati in una struttura a piastra paralleli a 4 file a 7 colonne secondo il design descritto nel riferimento. 14. Il divario fluido tra le file PST-MLC è 0,75 mm. Ciò si ottiene aggiungendo strisce di nastro a doppia faccia come distanziali liquidi attorno ai bordi del PST MLC. Il PST MLC è collegato elettricamente in parallelo con un ponte epossidico d'argento a contatto con i cavi dell'elettrodo. Successivamente, i fili sono stati incollati con resina epossidica d'argento 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 garantire una corretta sigillatura. Infine, le termocoppie di tipo K di spessore K di 0,25 mm sono state integrate in ciascuna estremità della struttura PST-MLC per monitorare le temperature liquide di ingresso e uscita. Per fare ciò, il tubo deve essere prima perforato. Dopo aver installato la termocoppia, applicare lo stesso adesivo di prima tra il tubo della termocoppia e il filo per ripristinare la guarnizione.
Sono stati costruiti otto prototipi separati, quattro dei quali avevano PST MLC di spessore 40 0,5 mm distribuiti come piastre parallele con 5 colonne e 8 file e i restanti quattro avevano PST MLC spesso 15 mm ciascuno. in struttura a piastra parallela a 3 colonne × 5 file. Il numero totale di MLC PST utilizzati era di 220 (160 0,5 mm di spessore e 60 PST MLC 1 mm di spessore). Chiamiamo queste due subunità Harv2_160 e Harv2_60. Lo spazio liquido nel prototipo Harv2_160 è costituito da due nastri a doppia faccia di spessore 0,25 mm con un filo di 0,25 mm di spessore tra loro. Per il prototipo Harv2_60, abbiamo ripetuto la stessa procedura, ma usando un filo spesso 0,38 mm. Per la simmetria, Harv2_160 e Harv2_60 hanno i propri circuiti di fluido, pompe, valvole e lato freddo (Nota supplementare 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 calde con magneti rotanti. Tutti e otto i prototipi individuali sono collegati elettricamente in parallelo. Le subunità Harv2_160 e Harv2_60 funzionano contemporaneamente nel ciclo Olson con conseguente raccolta di energia di 11,2 J.
Posizionare MLC PST di spessore 0,5 mm nel tubo in poliolefina con nastro a doppia faccia e filo su entrambi i lati per creare spazio per il flusso di liquidi. A causa delle sue dimensioni ridotte, il prototipo è stato posizionato accanto a una valvola del serbatoio a freddo o a freddo, minimizzando i tempi di ciclo.
In 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 viene immagazzinata energia. 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 altro contributo dell'energia raccolta. Infine, con una tensione v = 0 applicata, i PST 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 sourcemeter Keithley 2410, caricando il PST MLC da una fonte di tensione e impostando la corrispondenza di corrente al valore appropriato in modo che siano stati raccolti abbastanza punti durante la fase di ricarica per calcoli energetici affidabili.
Nei cicli di Stirling, i MLC PST sono stati caricati in modalità sorgente di tensione a un valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale VI> 0), una corrente di conformità desiderata in modo che la fase di ricarica prenda circa 1 s (e i punti sufficienti sono raccolti per un calcolo affidabile dell'energia) e la temperatura a freddo. Nei cicli di Stirling, i MLC PST sono stati caricati in modalità sorgente di tensione a un valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale VI> 0), una corrente di conformità desiderata in modo che la fase di ricarica prenda circa 1 s (e i punti sufficienti sono raccolti per un calcolo affidabile dell'energia) e la temperatura a freddo. В циклах стирлинга pst mlc заряжались в режиме иточника напряжения пч начачач ieri но но зо зо зечеч sull'ithч (начальное напряжение vi> 0), желаемом податривом токе, так ччч ээ зэ ззд зарк заниет tiva a 1 с (иббтт зап здд зани заниет tiva a 1 с (иббтя достаточное количество точек для надежного раета энергия) и холодная те rsa темература. Nei cicli di Stirling PST MLC, sono stati caricati nella modalità di origine della tensione al valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale VI> 0), la corrente di resa desiderata, in modo che la fase di ricarica prenda circa 1 s (e un numero sufficiente di punti viene raccolto per un calcolo dell'energia affidabile) e la temperatura a freddo.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。 Nel ciclo principale, il PST MLC viene caricato al valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale VI> 0) nella modalità di sorgente di tensione, in modo che la corrente di conformità richiesta richieda circa 1 secondo per la fase di ricarica (e abbiamo raccolto abbastanza punti per calcolare in modo affidabile (energia) e bassa temperatura. В цикле стирлинга pst mlc заряжается в рж жиме иттччч на на на на на на с с сч ((налч ((начч ((начч (((начч ((нisce (нisce (нisce (ittiva напряжение vi> 0), требуемый то подативооmis e таков, ччо эээ зарядки заниеrsa количество точек, чтобы надежж р расчитать энергию) и низкие темемератут. Nel ciclo Stirling, il PST MLC viene caricato nella modalità di origine della tensione con un valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale VI> 0), la corrente di conformità richiesta è tale che la fase di ricarica assume circa 1 s (e un numero sufficiente di punti viene raccolto per calcolare in modo affidabile l'energia) e basse temperature.Prima che il PST MLC si riscalda, apri il circuito applicando una corrente di corrispondenza di I = 0 mA (la corrente di corrispondenza minima che la nostra fonte di misurazione può gestire è 10 Na). Di conseguenza, una carica rimane nel PST del MJK 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 un'alta temperatura, la tensione nell'MLT FT aumenta (in alcuni casi più di 30 volte, vedere ulteriori Fig. 7.2), il MLK FT viene scaricato (v = 0) e l'energia elettrica viene immagazzinata per lo stesso di essere la carica iniziale. La stessa corrispondenza attuale viene restituita alla fonte del misuratore. 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 usato un sourcemeter Keithley 2410 per monitorare la tensione e la corrente applicata al PST MLC. L'energia corrispondente viene calcolata integrando il prodotto della tensione e della corrente letta dal misuratore di origine di Keithley, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {Meas))} \ a sinistra (t \ a destra) {v} _ {{\ rm {misura Sulla nostra curva energetica, i valori di energia positivi indicano l'energia che dobbiamo dare al PST MLC e valori negativi indicano l'energia che estraggiamo da esse e quindi l'energia ricevuta. La potenza relativa per un determinato ciclo di raccolta viene determinata dividendo l'energia raccolta entro il periodo τ dell'intero ciclo.
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Ringraziamo N. Furusawa, Y. Inoue e K. Honda per il loro aiuto nella creazione del MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB ed ED grazie alla Lussemburgo National Research Foundation (FNR) per sostenere 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, Lussemburgo Institute of Technology (List), Belvoir, Lussemburgo