Offrire fonti di energia elettrica sostenibili è una delle sfide più importanti di questo secolo. Da questa motivazione nascono aree di ricerca nei materiali per la raccolta di energia, tra cui la termoelettrica1, il fotovoltaico2 e il termofotovoltaico3. Sebbene non disponiamo di materiali e dispositivi in ​​grado di raccogliere energia nell'ordine di Joule, i materiali piroelettrici in grado di convertire l'energia elettrica in variazioni periodiche di temperatura sono considerati sensori4 e raccoglitori di energia5,6,7. In questo articolo 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. Ogni modulo piroelettrico può generare una densità di energia elettrica fino a 4,43 J cm-3 per ciclo. Dimostriamo inoltre che due di questi moduli del peso di 0,3 g sono sufficienti per alimentare in modo continuativo raccoglitori di energia autonomi con microcontrollori e sensori di temperatura integrati. Infine, dimostriamo 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 dispositivi di raccolta 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, l'accumulo di energia nei 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 mostra una transizione di fase ferroelettrica-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 di Olson (due sezioni isoterme e due isopolari). Qui consideriamo due cicli con la stessa variazione 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 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 di raffreddamento su ampia area nell'NLP è molto simile a quella delle applicazioni elettrotermiche9, 10, 11, 12, dove i condensatori multistrato (MLC) in PST e i terpolimeri a base di PVDF hanno recentemente mostrato eccellenti prestazioni di raffreddamento inverso nei cicli 13, 14, 15, 16. Pertanto, abbiamo identificato MLC in PST di interesse per la raccolta di energia termica. Questi campioni sono stati ampiamente descritti nei metodi e caratterizzati nelle note supplementari 1 (microscopia elettronica a scansione), 2 (diffrazione dei raggi X) e 3 (calorimetria).
a, Schema di un grafico entropia (S)-temperatura (T) con campo elettrico attivo e disattivo applicato a materiali NLP che mostrano transizioni di fase. Sono mostrati due cicli di raccolta di 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 rispettivamente a 20 °C e 90 °C, e i corrispondenti cicli di Olsen. Le lettere ABCD si riferiscono ai diversi stati del ciclo di Olson. AB: gli MLC sono stati caricati a 155 kV cm-1 a 20 °C. BC: l'MLC è stato mantenuto a 155 kV cm-1 e la temperatura è stata aumentata a 90 °C. CD: l'MLC si scarica a 90 °C. DA: l'MLC è stato raffreddato a 20 °C in campo nullo. 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 (nera) e corrente (rossa) in funzione del tempo, monitorate durante lo stesso ciclo di Olson di b. I due inserti rappresentano l'amplificazione di tensione e 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 di 1 mm di spessore. 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 di Olson. Il ciclo AB'CD corrisponde al ciclo di Stirling (nota aggiuntiva 7).
dove E e D sono rispettivamente il campo elettrico e il campo di spostamento elettrico. 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.
La figura 1b mostra due loop DE monopolari di campioni PST-MLC spessi 1 mm, assemblati rispettivamente a 20 °C e 90 °C, in un intervallo da 0 a 155 kV cm-1 (600 V). Questi due cicli possono essere utilizzati per calcolare indirettamente l'energia raccolta dal ciclo di Olson mostrato in Figura 1a. Infatti, il ciclo di Olsen è costituito da due rami isotermici (qui, campo nullo nel ramo DA e 155 kV cm-1 nel ramo BC) e due rami isotermici (qui, 20 °C e 20 °C 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 l'energia in ingresso e in uscita, ovvero solo l'area arancione in figura 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 la fase di carica costante (circuito aperto) è più facilmente raggiungibile, la densità di energia estratta dalla Figura 1b (ciclo AB'CD) raggiunge 1,25 J cm-3. Questo rappresenta solo il 70% di ciò che il ciclo Olson può raccogliere, ma è sufficiente una semplice apparecchiatura di raccolta.
Inoltre, abbiamo misurato direttamente l'energia accumulata durante il ciclo di Olson energizzando il PST MLC utilizzando uno stadio di controllo della temperatura Linkam e un SourceMeter (metodo). La Figura 1c in alto e nei rispettivi riquadri mostra la corrente (rosso) e la tensione (nero) accumulate sullo stesso PST MLC da 1 mm di spessore del loop DE che attraversa lo stesso ciclo di Olson. La corrente e la tensione consentono di calcolare l'energia accumulata e le curve sono mostrate in Fig. 1c, in basso (verde) e temperatura (giallo) durante l'intero ciclo. Le lettere ABCD rappresentano lo stesso ciclo di Olson in Fig. 1. La carica del MLC avviene durante la gamba AB e viene eseguita a bassa corrente (200 µA), quindi SourceMeter può controllare correttamente la carica. La conseguenza di questa corrente iniziale costante è che la curva della tensione (curva nera) non è lineare a causa del campo di spostamento di potenziale non lineare D PST (Fig. 1c, riquadro in alto). Al termine della carica, 30 mJ di energia elettrica vengono immagazzinati nell'MLC (punto B). 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 a gradino abbia 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, con conseguente lavoro elettrico aggiuntivo di 60 mJ. L'energia totale in uscita è di 95 mJ. L'energia accumulata è la differenza tra l'energia in ingresso e quella in uscita, che dà 95 – 30 = 65 mJ. Ciò corrisponde a una densità di energia di 1,84 J cm-3, molto vicina al Nd estratto dall'anello DE. La riproducibilità di questo ciclo di Olson è stata ampiamente testata (Nota integrativa 4). Aumentando ulteriormente tensione e temperatura, abbiamo ottenuto 4,43 J cm-3 utilizzando cicli Olsen in un MLC PST da 0,5 mm di spessore in un intervallo di temperatura di 750 V (195 kV cm-1) e 175 °C (Nota integrativa 5). Questo valore è quattro volte superiore alle migliori prestazioni riportate in letteratura per cicli Olson diretti ed è stato ottenuto su film sottili di Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm . Tabella integrativa 1 per ulteriori valori in letteratura). Questa prestazione è stata raggiunta grazie alla bassissima corrente di dispersione di questi MLC (<10−7 A a 750 V e 180 °C, vedere i dettagli nella Nota integrativa 6) – un punto cruciale menzionato da Smith et al.19 – in contrasto con i materiali utilizzati in studi precedenti17,20. Questa prestazione è stata raggiunta grazie alla bassissima corrente di dispersione di questi MLC (<10−7 A a 750 V e 180 °C, vedere i dettagli nella Nota integrativa 6) – un punto cruciale menzionato da Smith et al.19 – in contrasto con i materiali utilizzati in studi precedenti17,20. Queste caratteristiche sono state causate dal consumo di energia MLC (<10–7 A a 750 B e 180 °C, см. introduzione 6) — momento critico, упомянутый Смитом e Dr. 19 — indipendentemente dal materiale utilizzato in grandi quantità 17,20. Queste caratteristiche sono state ottenute grazie alla bassissima corrente di dispersione di questi MLC (<10–7 A a 750 V e 180 °C, vedere la Nota integrativa 6 per i dettagli) – un punto critico menzionato da Smith et al. 19 – in contrasto con i materiali utilizzati in studi precedenti17,20.Caratteristiche del prodotto MLC 750 V e 180 °C <10-7 A, 750 V e 180 °C <10-7 A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 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下,已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20. L'uso di questi dispositivi MLC è spesso intenso (<10–7 A su 750 °C e 180 °C, grazie al supporto Esempio 6) — momento chiave, упомянутый Смитом и 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 integrativa 6 per i dettagli) – un punto chiave menzionato da Smith et al. 19 – a scopo di confronto, sono state raggiunte queste prestazioni.ai materiali utilizzati negli studi precedenti 17,20.
Le stesse condizioni (600 V, 20–90 °C) sono state applicate 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 integrativa 7.2).
Un'altra caratteristica distintiva di questi MLC è che sono oggetti macroscopici sufficientemente grandi da raccogliere energia nell'ordine dei joule. Pertanto, abbiamo costruito un prototipo di raccoglitore (HARV1) utilizzando 28 MLC PST di 1 mm di spessore, seguendo lo stesso schema a piastre parallele descritto da Torello et al.14, in una matrice 7x4 come mostrato in Fig. 2. Il fluido dielettrico termovettore nel collettore viene spostato da una pompa peristaltica tra due serbatoi dove la temperatura del fluido viene mantenuta costante (metodo). Raccogli fino a 3,1 J utilizzando il ciclo di Olson descritto in Fig. 2a, regioni isoterme 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. Utilizzando questa combinazione, 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). Questo valore è in buon accordo con i 65 mJ precedentemente menzionati per un MLC PST da 1 mm di spessore nelle stesse condizioni (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configurazione sperimentale di un prototipo HARV1 assemblato basato su 28 PST MLC da 1 mm di spessore (4 righe × 7 colonne) eseguiti con cicli di Olson. Per ciascuna delle quattro fasi del ciclo, il prototipo fornisce 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 sulla corrente fornite al prototipo e sulla temperatura della mietitrebbia dall'alimentatore. b, Energia (colore) raccolta dal nostro prototipo MLC 4×7 in funzione dell'intervallo di temperatura (asse X) e della tensione (asse Y) in diversi esperimenti.
Una versione più grande del raccoglitore (HARV2) con 60 PST MLC da 1 mm di spessore e 160 PST MLC da 0,5 mm di spessore (41,7 g di materiale piroelettrico attivo) ha prodotto 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 a una temperatura di circa 150 °C (rif. 21). Per questa mietitrebbia, questo è l'unico altro valore disponibile nell'intervallo di joule. Ha ottenuto poco più della metà del valore da noi ottenuto e quasi sette volte la qualità. Ciò significa che la densità energetica di HARV2 è 13 volte superiore.
Il periodo di ciclo di HARV1 è di 57 secondi. Questo ha prodotto 54 mW di potenza con 4 file di 7 colonne di set MLC da 1 mm di spessore. Per fare un ulteriore passo avanti, abbiamo costruito una terza mietitrebbia (HARV3) con un MLC PST da 0,5 mm di spessore e una configurazione simile a quella di 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 integrativa 9). 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 MLC PST da 0,5 mm di spessore). Inoltre, abbiamo simulato il trasferimento di calore utilizzando la simulazione agli elementi finiti (COMSOL, Nota integrativa 10 e Tabelle integrative 2–4) corrispondente agli esperimenti HARV1. La modellazione agli elementi finiti ha permesso di prevedere valori di potenza quasi di 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 supplementare 10b).
Per dimostrare l'utilità di questo collettore, è stato applicato un ciclo Stirling a un dimostratore autonomo costituito da soli due MLC PST da 0,5 mm di spessore 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 Supplementare 11). Il circuito richiede che il condensatore di accumulo sia inizialmente caricato a 9 V e poi funzioni autonomamente 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). È interessante notare che due MLC del peso di soli 0,3 g possono controllare autonomamente questo sistema di grandi dimensioni. 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 Supplementare 11 e Figura Supplementare 11.3).
Infine, abbiamo valutato l'efficienza di questi moduli MLC nella conversione dell'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 e 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%, equivalente 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 registrati in 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 poiché l'isteresi termica del MLC PST 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 Figure 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 supplementare 13).
a,b, l'efficienza η e l'efficienza proporzionale del ciclo Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} per la massima elettricità da un campo di 195 kV cm-1 e diverse temperature iniziali Ti, }}\,\)(b) per il PST MPC 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 si verifichi una transizione di fase indotta dal campo (da paraelettrico a ferroelettrico); (2) questi materiali sono più efficienti a tempi di esecuzione prossimi a TC. Sebbene i nostri esperimenti mostrino efficienze su larga scala, il limitato intervallo di temperatura 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 ideale di classe 20 che opera 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. Essi hanno dimostrato che il TC nei PST può variare da 3 °C (drogaggio Sb) a 33 °C (drogaggio 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 MLC realizzati in PST. Questi dispositivi sono costituiti da una serie di elettrodi di Pt e PST, in cui diversi condensatori sono collegati in parallelo. Il PST è stato scelto perché è un eccellente materiale per la conversione elettrochimica (EC) e quindi un potenziale materiale eccellente per la conversione NLP (Near-Layer-Low-Layer). Presenta una netta transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica del primo ordine intorno ai 20 °C, indicando che le sue variazioni di entropia sono simili a quelle mostrate in Figura 1. MLC simili sono stati ampiamente descritti per dispositivi EC13,14. In questo studio, abbiamo utilizzato MLC da 10,4 × 7,2 × 1 mm³ e 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC con uno spessore di 1 mm e 0,5 mm sono stati realizzati rispettivamente da 19 e 9 strati di PST con uno spessore di 38,6 µm. In entrambi i casi, lo strato interno di PST è stato posizionato tra elettrodi di platino spessi 2,05 µm. Il progetto di questi MLC presuppone che il 55% dei PST sia attivo, corrispondente alla parte compresa tra gli elettrodi (Nota Supplementare 1). L'area dell'elettrodo attivo era di 48,7 mm2 (Tabella Supplementare 5). Il PST MLC è stato preparato mediante reazione in fase solida e metodo di fusione. I dettagli del processo di preparazione sono stati descritti in un articolo precedente14. Una delle differenze tra il PST MLC e l'articolo precedente è l'ordine dei siti B, che influisce notevolmente sulle prestazioni dell'EC nel PST. L'ordine dei siti B del PST MLC è 0,75 (Nota Supplementare 2), ottenuto mediante sinterizzazione a 1400 °C seguita da centinaia di ore di ricottura a 1000 °C. Per ulteriori informazioni sul PST MLC, vedere le Note Supplementari 1-3 e la Tabella Supplementare 5.
Il concetto principale di questo studio si basa sul ciclo di Olson (Fig. 1). Per un tale ciclo, sono necessari un serbatoio caldo e uno freddo e un alimentatore in grado di monitorare e controllare la tensione e la corrente nei vari moduli MLC. Questi cicli diretti utilizzavano due diverse configurazioni, ovvero (1) moduli Linkam che riscaldavano e raffreddavano un MLC collegato a una sorgente di alimentazione Keithley 2410 e (2) tre prototipi (HARV1, HARV2 e HARV3) in parallelo con la stessa sorgente di energia. In quest'ultimo caso, un fluido dielettrico (olio siliconico con una viscosità di 5 cP a 25 °C, acquistato da Sigma Aldrich) è stato utilizzato 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 posizionato sopra la piastra termica. La cella frigorifera è costituita da un bagno d'acqua con tubi di liquido contenenti fluido dielettrico in un grande contenitore di plastica riempito con acqua e ghiaccio. Due valvole a pinza a tre vie (acquistate da Bio-Chem Fluidics) sono state posizionate a ciascuna estremità della mietitrebbia per commutare 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 esteso fino a quando le termocoppie di ingresso e uscita (il più vicino possibile al pacchetto PST-MLC) non hanno mostrato la stessa temperatura. Lo script Python gestisce e sincronizza tutti gli strumenti (misuratori di sorgente, pompe, valvole e termocoppie) per eseguire il corretto ciclo di Olson, ovvero il circuito del refrigerante inizia a scorrere attraverso lo stack PST dopo che il misuratore di sorgente è stato caricato, in modo che si riscaldi alla tensione applicata desiderata per un dato ciclo di Olson.
In alternativa, abbiamo confermato queste misurazioni dirette dell'energia raccolta con metodi indiretti. Questi metodi indiretti si basano su circuiti di spostamento elettrico (D) – campo elettrico (E) raccolti a diverse temperature e, calcolando l'area tra due circuiti DE, è possibile stimare con precisione la quantità di energia che può essere raccolta, come mostrato nella figura 2.1b. Anche questi circuiti DE vengono raccolti utilizzando misuratori di sorgente Keithley.
Ventotto MLC PST da 1 mm di spessore sono stati assemblati in una struttura a piastre parallele a 4 file e 7 colonne secondo il progetto descritto nel riferimento. 14. L'intercapedine tra le file di PST-MLC è di 0,75 mm. Questo si ottiene aggiungendo strisce di nastro biadesivo come distanziatori per il liquido attorno ai bordi del PST-MLC. Il PST-MLC è collegato elettricamente in parallelo con un ponte epossidico argentato a contatto con i terminali degli elettrodi. Successivamente, i fili sono stati incollati con resina epossidica argentata su ciascun lato dei terminali degli elettrodi per il collegamento all'alimentatore. Infine, l'intera struttura è stata inserita nel tubo flessibile in poliolefina. Quest'ultimo è stato incollato al tubo del fluido per garantire una corretta tenuta. Infine, sono state integrate termocoppie di tipo K da 0,25 mm di spessore in ciascuna estremità della struttura PST-MLC per monitorare le temperature del liquido in ingresso e in uscita. Per fare ciò, il tubo flessibile deve essere prima perforato. Dopo aver installato la termocoppia, applicare lo stesso adesivo di prima tra il tubo flessibile della termocoppia e il filo per ripristinare la tenuta.
Sono stati costruiti otto prototipi separati, quattro dei quali avevano 40 PST MLC da 0,5 mm di spessore distribuiti come piastre parallele con 5 colonne e 8 righe, e i restanti quattro avevano 15 PST MLC da 1 mm di spessore ciascuno, in una struttura a piastre parallele a 3 colonne × 5 righe. Il numero totale di MLC PST utilizzati era 220 (160 da 0,5 mm di spessore e 60 MLC PST da 1 mm di spessore). Chiamiamo queste due subunità HARV2_160 e HARV2_60. L'intercapedine del liquido nel prototipo HARV2_160 è costituita da due nastri biadesivi da 0,25 mm di spessore con un filo da 0,25 mm di spessore tra di essi. Per il prototipo HARV2_60, abbiamo ripetuto la stessa procedura, ma utilizzando un filo da 0,38 mm di spessore. 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 funzionano simultaneamente nel ciclo di Olson, con un conseguente accumulo di energia di 11,2 J.
Posizionare il PST MLC da 0,5 mm di spessore in un tubo in poliolefina con nastro biadesivo e filo metallico su entrambi i lati per creare spazio per il flusso del liquido. Grazie alle sue dimensioni ridotte, il prototipo è stato posizionato accanto a una valvola di serbatoio caldo o freddo, riducendo al minimo i tempi di ciclo.
Nel PST MLC, un campo elettrico costante viene applicato 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 viene restituita al contatore della sorgente, che corrisponde a un ulteriore 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 Keithley 2410 SourceMeter, caricando il PST MLC da una sorgente di tensione e impostando la corrente di adattamento al valore appropriato in modo che durante la fase di carica venissero raccolti punti sufficienti per calcoli di energia affidabili.
Nei cicli Stirling, gli 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 carica duri circa 1 s (e vengano raccolti punti sufficienti per un calcolo affidabile dell'energia) e una temperatura fredda. Nei cicli Stirling, gli 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 carica duri circa 1 s (e vengano raccolti punti sufficienti per un calcolo affidabile dell'energia) e una temperatura fredda. Nel ciclo Stirling PST MLC si carica nel sistema di alimentazione elettrica di serie поля (difetto Vi > 0), lo faremo così, quindi questo passo si spegnerà 1 secondo (e sarà disponibile una quantità sufficiente di biancheria per lavoro corretto energia) e temperatura calda. Nei cicli Stirling PST MLC, sono stati caricati in modalità sorgente di tensione al valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale Vi > 0), alla corrente di uscita desiderata, in modo che la fase di carica duri circa 1 s (e venga raccolto un numero sufficiente di punti per un calcolo affidabile dell'energia) e a bassa temperatura.Per favore, 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, il PST MLC viene caricato al valore iniziale del campo elettrico (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 punti sufficienti per calcolare in modo affidabile (energia) e bassa temperatura. Nel ciclo Stirling PST MLC si avvia nel sistema di alimentazione elettrica con la potenza elettrica nominale (impostazione predefinita Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 s (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно ridurre l'energia) e la temperatura ridotta. 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 impiega circa 1 s (e viene raccolto un numero sufficiente di punti per calcolare in modo affidabile l'energia) e basse temperature.Prima che il PST MLC si riscaldi, apriamo il circuito applicando una corrente di adattamento di I = 0 mA (la corrente di adattamento minima che la nostra sorgente di misura può gestire è 10 nA). Di conseguenza, una carica rimane nel PST del MJK e la tensione aumenta con il riscaldamento del campione. Nessuna energia viene accumulata nel braccio BC perché I = 0 mA. Dopo aver raggiunto un'elevata temperatura, la tensione nel MLT FT aumenta (in alcuni casi più di 30 volte, vedere la figura 7.2 aggiuntiva), il MLK FT si scarica (V = 0) e l'energia elettrica viene immagazzinata in essi per un valore pari alla carica iniziale. La stessa corrente viene restituita al contatore-sorgente. A causa del guadagno di tensione, l'energia immagazzinata ad alta temperatura è maggiore di quella fornita all'inizio del ciclo. Di conseguenza, l'energia viene ottenuta 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 letto dal source meter 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, i valori di energia positivi indicano l'energia che dobbiamo fornire al PST MLC, mentre i 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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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 per la ricerca del Lussemburgo (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 del Lussemburgo (LIST), Belvoir, Lussemburgo