Offrire fonti di elettricità sostenibili è una delle sfide più importanti di questo secolo. Da questa motivazione nascono le aree di ricerca sui materiali per la raccolta di energia, tra cui la termoelettricità¹, il fotovoltaico² e il termofotovoltaico³. Sebbene manchino materiali e dispositivi in ​​grado di raccogliere energia nell'ordine dei Joule, i materiali piroelettrici che possono convertire l'energia elettrica in variazioni periodiche di temperatura sono considerati sensori⁴ e raccoglitori di energia⁵,⁶,⁷. In questo lavoro abbiamo sviluppato un raccoglitore di energia termica macroscopico sotto forma di condensatore multistrato composto da 42 grammi di tantalato di piombo e scandio, in grado di produrre 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. Dimostriamo inoltre 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 integrati. 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 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, la raccolta di energia da questi materiali richiede cicli di temperatura nel tempo. Ciò implica un ciclo termodinamico, che è meglio descritto dal diagramma entropia (S)-temperatura (T). La Figura 1a mostra un tipico diagramma ST di un materiale piroelettrico non lineare (NLP) che dimostra una transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica indotta dal campo nel tantalato di scandio e piombo (PST). Le sezioni blu e verdi del ciclo sul diagramma ST corrispondono all'energia elettrica convertita nel ciclo di Olson (due sezioni isotermiche e due sezioni isopolari). Qui consideriamo due cicli con la stessa variazione del 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 che si trova 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 larga scala in NLP è molto simile alla necessità di applicazioni elettrotermiche9, 10, 11, 12 dove i condensatori multistrato (MLC) in PST 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 in PST di interesse per la raccolta di energia termica. Questi campioni sono stati descritti in dettaglio nei metodi e caratterizzati nelle note supplementari 1 (microscopia elettronica a scansione), 2 (diffrazione di raggi X) e 3 (calorimetria).
a, Schema di un grafico entropia (S)-temperatura (T) con campo elettrico acceso e spento applicato a materiali NLP che mostra transizioni di fase. Sono mostrati due cicli di raccolta di energia in due diverse zone di temperatura. I cicli blu e verdi si verificano rispettivamente all'interno e all'esterno della transizione di fase e terminano in regioni molto diverse della superficie. b, Due anelli unipolari MLC DE PST, 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 nel ciclo Olsen. AB: MLC caricati a 155 kV cm-1 a 20 °C. BC: MLC mantenuto a 155 kV cm-1 e la temperatura è stata aumentata a 90 °C. CD: MLC scaricato a 90 °C. DA: MLC raffreddato a 20 °C in campo zero. L'area blu corrisponde alla potenza in ingresso necessaria 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, tracciate durante lo stesso ciclo Olson di b. I due inserti rappresentano l'amplificazione di tensione e corrente in 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 a partire dalle curve di corrente e tensione nel 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 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 cicli DE monopolari di campioni PST-MLC di 1 mm di spessore 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 Olson mostrato in Figura 1a. Infatti, il ciclo Olson è costituito da due rami a campo costante (in questo caso, campo zero nel ramo DA e 155 kV cm-1 nel ramo BC) e due rami isotermici (in questo caso, 20 °C e 20 °C nel ramo AB). 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 quella in uscita, ovvero solo l'area arancione in figura 1b. Questo particolare ciclo Olson fornisce una densità di energia Nd di 1,78 J cm-3. Il ciclo Stirling rappresenta un'alternativa al ciclo Olson (Nota supplementare 7). Poiché la fase di carica costante (circuito aperto) è più facilmente raggiungibile, la densità di energia estratta dalla Fig. 1b (ciclo AB'CD) raggiunge 1,25 J cm⁻³. Questo valore è solo il 70% di quello che il ciclo Olson può raccogliere, ma è comunque possibile ottenerlo con semplici apparecchiature di raccolta.
Inoltre, abbiamo misurato direttamente l'energia raccolta durante il ciclo Olson alimentando il MLC PST utilizzando uno stadio di controllo della temperatura Linkam e un misuratore di sorgente (metodo). La Figura 1c in alto e nei rispettivi riquadri mostra la corrente (rosso) e la tensione (nero) raccolte sullo stesso MLC PST di 1 mm di spessore come per il circuito DE che attraversa lo stesso ciclo Olson. La corrente e la tensione consentono di calcolare l'energia raccolta e le curve sono mostrate nella Fig. 1c, in basso (verde) e la temperatura (giallo) durante tutto il ciclo. Le lettere ABCD rappresentano lo stesso ciclo Olson della Fig. 1. La carica del MLC avviene durante la gamba AB ed è effettuata a bassa corrente (200 µA), in modo che SourceMeter possa controllare correttamente 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 del potenziale non lineare D PST (Fig. 1c, riquadro in alto). Al termine della carica, 30 mJ di energia elettrica sono immagazzinati nel MLC (punto B). Il 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 nella Fig. 1c, in alto). La tensione sul MLC (ramo CD) viene quindi ridotta, con conseguente ulteriore lavoro elettrico di 60 mJ. L'energia totale in uscita è di 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 a 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 supplementare 4). Aumentando ulteriormente la tensione e la temperatura, abbiamo ottenuto 4,43 J cm-3 utilizzando cicli Olsen in un MLC PST spesso 0,5 mm in un intervallo di temperatura di 750 V (195 kV cm-1) e 175 °C (Nota supplementare 5). Questo è quattro volte maggiore della migliore prestazione riportata in letteratura per cicli Olsen diretti ed è stata ottenuta su film sottili di Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Vedi Tabella supplementare 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, vedi dettagli nella Nota supplementare 6), un punto cruciale menzionato da Smith et al.19, in contrasto con i materiali utilizzati negli 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, vedi dettagli nella Nota supplementare 6), un punto cruciale menzionato da Smith et al.19, in contrasto con i materiali utilizzati negli 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 supplementare 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 introduzione 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, sono state ottenute queste prestazioni.ai materiali utilizzati in studi precedenti 17,20.
Le stesse condizioni (600 V, 20–90 °C) sono state applicate al ciclo Stirling (Nota supplementare 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 Figura supplementare 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 design a piastre parallele descritto da Torello et al.14, in una matrice 7×4 come mostrato in Fig. Il fluido dielettrico termovettore nel collettore viene spostato da una pompa peristaltica tra due serbatoi dove la temperatura del fluido è mantenuta costante (metodo). Raccogli 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 a una densità di energia di 3,14 J cm-3. Utilizzando questa combinazione, sono state effettuate misurazioni 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 è in buon accordo con i 65 mJ precedentemente menzionati per un MLC PST di 1 mm di spessore nelle stesse condizioni (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configurazione sperimentale di un prototipo HARV1 assemblato, basato su 28 MLC PST di 1 mm di spessore (4 file × 7 colonne) funzionanti secondo cicli Olson. Per ciascuna delle quattro fasi del ciclo, temperatura e tensione vengono fornite al prototipo. Il computer controlla 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 del sistema combinato 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 di energia (HARV2) con 60 MLC PST di 1 mm di spessore e 160 MLC PST di 0,5 mm di spessore (41,7 g di materiale piroelettrico attivo) ha prodotto 11,2 J (Nota supplementare 8). Nel 1984, Olsen realizzò un raccoglitore di energia basato su 317 g di un composto di 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 combinazione, questo è l'unico altro valore disponibile nell'ordine dei joule. Ha ottenuto poco più della metà del valore da noi raggiunto 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 una potenza di 54 mW con 4 file di 7 colonne di set MLC di 1 mm di spessore. Per andare oltre, abbiamo costruito un terzo combinato (HARV3) con un MLC PST di 0,5 mm di spessore 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 supplementare 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 di 0,5 mm di spessore). Inoltre, abbiamo simulato il trasferimento di calore utilizzando la simulazione agli elementi finiti (COMSOL, Nota supplementare 10 e Tabelle supplementari 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 file × 4 colonne (in aggiunta 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 in PST di 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 DC/DC, un microcontrollore a basso consumo, due termocoppie e un convertitore boost (Nota supplementare 11). Il circuito richiede che il condensatore di accumulo venga inizialmente caricato a 9 V e quindi funziona autonomamente mentre la temperatura dei due MLC varia da -5 °C a 85 °C, in questo caso in cicli di 160 s (diversi cicli sono mostrati nella Nota supplementare 11). Sorprendentemente, due MLC del peso di soli 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 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 supplementare 12):
Le figure 3a e 3b 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 è 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 registrato in film PMN-PT (ηr = 19%) nell'intervallo di temperatura di 10 K e 300 kV cm-1 (Rif. 18). Non sono stati presi in considerazione intervalli di temperatura inferiori a 10 K 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 si ottengono quasi tutti 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 intorno ai 20 °C in questi MLC (Nota supplementare 13).
a,b, l'efficienza η e l'efficienza proporzionale del ciclo Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} per il massimo campo elettrico di 195 kV cm-1 e diverse temperature iniziali Ti, }}\,\)(b) per l'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 si verifichi una transizione di fase indotta dal campo (da paraelettrico a ferroelettrico); (2) questi materiali sono più efficienti a tempi di funzionamento prossimi a TC. Sebbene nei nostri esperimenti siano state dimostrate 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 in 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 TC nel PST può variare da 3 °C (drogaggio con Sb) a 33 °C (drogaggio con Ti) 22. Pertanto, ipotizziamo che i rigeneratori piroelettrici di prossima generazione basati su MLC di PST drogati o altri materiali con una forte transizione di fase del primo ordine possano competere con i migliori dispositivi di raccolta di energia.
In questo studio, abbiamo analizzato i MLC realizzati in PST. Questi dispositivi sono costituiti da una serie di elettrodi in Pt e PST, in cui diversi condensatori sono collegati in parallelo. Il PST è stato scelto perché è un eccellente materiale elettrocalorico (EC) e quindi potenzialmente un eccellente materiale NLP (non lineare). Presenta una transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica del primo ordine ben definita intorno ai 20 °C, il che indica che le sue variazioni di entropia sono simili a quelle mostrate in Fig. 1. MLC simili sono stati descritti in dettaglio per i dispositivi EC13,14. In questo studio, abbiamo utilizzato MLC di dimensioni 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 interno di PST è stato posizionato tra elettrodi di platino di 2,05 µm di spessore. La progettazione di questi MLC presuppone che il 55% dei PST sia attivo, corrispondente alla parte tra gli elettrodi (Nota supplementare 1). L'area attiva dell'elettrodo era di 48,7 mm2 (Tabella supplementare 5). Il PST dell'MLC 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 il PST MLC e l'articolo precedente è l'ordine dei siti B, che influenza notevolmente le 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 Olson (Fig. 1). Per un ciclo di questo tipo, 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 hanno utilizzato due diverse configurazioni, ovvero (1) moduli Linkam che riscaldano e raffreddano un MLC collegato a un alimentatore Keithley 2410 e (2) tre prototipi (HARV1, HARV2 e HARV3) in parallelo con la stessa fonte di energia. In quest'ultimo caso, per lo scambio termico tra i due serbatoi (caldo e freddo) e l'MLC è stato utilizzato un fluido dielettrico (olio di silicone con una viscosità di 5 cP a 25 °C, acquistato da Sigma Aldrich). Il serbatoio termico è costituito da un contenitore di vetro riempito con fluido dielettrico e posizionato sopra la piastra termica. Il serbatoio del freddo è costituito da un bagno d'acqua con tubi contenenti fluido dielettrico in un grande contenitore di plastica riempito di acqua e ghiaccio. Due valvole a pinza a tre vie (acquistate da Bio-Chem Fluidics) sono state posizionate a ciascuna estremità del sistema combinato 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 di 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 ciclo Olson corretto, ovvero il circuito del refrigerante inizia a circolare 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 Olson.
In alternativa, abbiamo confermato queste misurazioni dirette dell'energia raccolta con metodi indiretti. Questi metodi indiretti si basano su cicli di spostamento elettrico (D) - campo elettrico (E) raccolti a diverse temperature e, calcolando l'area tra due cicli DE, è possibile stimare con precisione quanta energia può essere raccolta, come mostrato nella figura 2.1b. Anche questi cicli DE vengono raccolti utilizzando misuratori di sorgente Keithley.
Ventotto MLC in PST dello spessore di 1 mm sono stati assemblati in una struttura a piastre parallele a 4 file e 7 colonne secondo il progetto descritto nel riferimento 14. Lo spazio per il fluido tra le file di MLC in PST è di 0,75 mm. Ciò si ottiene aggiungendo strisce di nastro biadesivo come distanziatori per il liquido attorno ai bordi dell'MLC in PST. L'MLC in PST è collegato elettricamente in parallelo con un ponte in resina epossidica argentata 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'alimentatore. Infine, l'intera struttura è stata inserita nel tubo in poliolefina. Quest'ultimo è stato incollato al tubo del fluido per garantire una tenuta adeguata. Infine, termocoppie di tipo K dello spessore di 0,25 mm sono state integrate a ciascuna estremità della struttura dell'MLC in PST per monitorare le temperature del liquido in ingresso e in uscita. A tale scopo, il tubo deve essere prima perforato. Dopo aver installato la termocoppia, applicare lo stesso adesivo utilizzato in precedenza 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 di 0,5 mm di spessore distribuiti come piastre parallele con 5 colonne e 8 file, e i restanti quattro avevano 15 PST MLC di 1 mm di spessore ciascuno in una struttura a piastre parallele a 3 colonne × 5 file. Il numero totale di PST MLC utilizzati era 220 (160 di 0,5 mm di spessore e 60 PST MLC di 1 mm di spessore). Chiamiamo queste due subunità HARV2_160 e HARV2_60. L'intercapedine liquida nel prototipo HARV2_160 è costituita da due nastri biadesivi di 0,25 mm di spessore con un filo di 0,25 mm di spessore tra di essi. Per il prototipo HARV2_60, abbiamo ripetuto la stessa procedura, ma utilizzando un filo di 0,38 mm di spessore. Per simmetria, HARV2_160 e HARV2_60 hanno i propri circuiti fluidici, 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) posto 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, generando un raccolto di energia di 11,2 J.
Inserire un tubo flessibile in poliolefina PST MLC dello spessore di 0,5 mm all'interno di un tubo in poliolefina, fissandolo con nastro biadesivo e filo metallico su entrambe le estremità per creare spazio per il flusso del liquido. Grazie alle sue dimensioni ridotte, il prototipo è stato posizionato accanto a una valvola di un serbatoio di acqua calda o fredda, minimizzando i tempi di ciclo.
Nel PST MLC, un campo elettrico costante viene applicato applicando una tensione costante al ramo di riscaldamento. Di conseguenza, si genera una corrente termica negativa e l'energia viene immagazzinata. Dopo il riscaldamento del PST MLC, il campo viene rimosso (V = 0) e l'energia immagazzinata viene restituita al contatore di sorgente, il che corrisponde a un ulteriore contributo dell'energia raccolta. Infine, applicando una tensione V = 0, i PST MLC vengono raffreddati alla loro temperatura iniziale in modo che il ciclo possa ricominciare. In questa fase, non viene raccolta energia. Abbiamo eseguito il ciclo Olsen utilizzando un SourceMeter Keithley 2410, caricando il PST MLC da una sorgente di tensione e impostando l'adattamento di corrente al valore appropriato in modo da raccogliere un numero sufficiente di punti durante la fase di carica per calcoli energetici affidabili.
Nei cicli 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 compliance desiderata in modo che la fase di carica duri circa 1 s (e vengano raccolti punti sufficienti per un calcolo affidabile dell'energia) e a bassa temperatura. Nei cicli 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 compliance desiderata in modo che la fase di carica duri circa 1 s (e vengano raccolti punti sufficienti per un calcolo affidabile dell'energia) e a bassa temperatura. 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 MLC Stirling PST, sono stati caricati in modalità sorgente di tensione al valore iniziale del campo elettrico (tensione iniziale Vi > 0), la corrente di rendimento desiderata, in modo che la fase di carica duri circa 1 s (e venga raccolto un numero sufficiente di punti per un calcolo energetico affidabile) 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) in modalità sorgente di tensione, in modo che la corrente di compliance 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 compliance richiesta è tale che la fase di carica richiede 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, si apre 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 di 10 nA). Di conseguenza, una carica rimane nel PST del MJK e la tensione aumenta man mano che il campione si riscalda. Non viene raccolta energia nel braccio BC perché I = 0 mA. Dopo aver raggiunto un'alta 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 la stessa quantità della carica iniziale. La stessa corrispondenza di corrente viene restituita alla sorgente di misura. Grazie al guadagno di tensione, l'energia immagazzinata ad alta temperatura è maggiore di quella fornita all'inizio del ciclo. Di conseguenza, si ottiene energia convertendo il calore in elettricità.
Abbiamo utilizzato un misuratore di sorgente Keithley 2410 per monitorare la tensione e la corrente applicate al PST MLC. L'energia corrispondente viene calcolata integrando il prodotto della tensione e della corrente lette dal misuratore di sorgente Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {misura))}\left(t\ right){V}_{{\rm{misura}}}(t)\), dove τ è il periodo. Sulla nostra curva energetica, i valori positivi dell'energia indicano l'energia che dobbiamo fornire al MLC PST, mentre i valori negativi indicano l'energia che estraiamo da esso e quindi l'energia ricevuta. La potenza relativa per un dato ciclo di raccolta è determinata dividendo l'energia raccolta per il periodo τ dell'intero ciclo.
Tutti i dati sono presentati nel testo principale o nelle informazioni supplementari. Lettere e richieste di materiale devono essere indirizzate alla fonte dei dati AT o ED indicati con questo articolo.
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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. Ringraziamo la Fondazione Nazionale per la Ricerca del Lussemburgo (FNR) per il supporto fornito a questo lavoro tramite 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 Tecnologico del Lussemburgo (LIST), Belvoir, Lussemburgo