Oferecer fontes sustentáveis ​​de eletricidade é um dos desafios mais importantes deste século. As áreas de pesquisa em materiais de colheita de energia decorrem dessa motivação, incluindo Thermoelétrico1, Photovoltaic2 e Thermofotoltaics3. Embora não tenhamos materiais e dispositivos capazes de colher energia na faixa de joule, os materiais piroelétricos que podem converter energia elétrica em alterações periódicos de temperatura são considerados sensores4 e colheitadeiras de energia5,6,7. Aqui, desenvolvemos uma colheitadeira macroscópica de energia térmica na forma de um capacitor multicamada feito de 42 gramas de tantalato de escândio de chumbo, produzindo 11,2 J de energia elétrica por ciclo termodinâmico. Cada módulo piroelétrico pode gerar densidade de energia elétrica de até 4,43 J cm-3 por ciclo. Também mostramos que dois desses módulos que pesam 0,3 g são suficientes para alimentar contínuo colheitadeira de energia autônoma com microcontroladores incorporados e sensores de temperatura. Finalmente, mostramos que, por uma faixa de temperatura de 10 K, esses capacitores multicamadas podem atingir 40% de eficiência do Carnot. Essas propriedades são devidas à (1) mudança de fase ferroelétrica para alta eficiência, (2) corrente de baixo vazamento para evitar perdas e (3) alta tensão de ruptura. Esses colhedores de energia piroelétricos macroscópicos, escaláveis ​​e eficientes estão reimaginando a geração de energia termoelétrica.
Comparado ao gradiente de temperatura espacial necessário para materiais termoelétricos, a colheita de energia de materiais termoelétricos requer ciclo de temperatura ao longo do tempo. Isso significa um ciclo termodinâmico, que é melhor descrito pelo diagrama (s) da entropia (s). A Figura 1A mostra um gráfico de ST típico de um material piroelétrico não linear (NLP) demonstrando uma transição de fase ferroelétrica-paelétrica acionada por campo no tantalato de chumbo de escândio (PST). As seções azuis e verdes do ciclo no diagrama ST correspondem à energia elétrica convertida no ciclo Olson (duas seções isotérmicas e duas isópolas). Aqui, consideramos dois ciclos com a mesma mudança de campo elétrico (campo ligado e desligado) e mudança de temperatura ΔT, embora com diferentes temperaturas iniciais. O ciclo verde não está localizado na região de transição de fase e, portanto, possui uma área muito menor que o ciclo azul localizado na região de transição de fase. No diagrama ST, quanto maior a área, maior a energia coletada. Portanto, a transição de fase deve coletar mais energia. A necessidade de ciclismo de grande área na PNL é muito semelhante à necessidade de aplicações eletrotérmicas9, 10, 11, 12, onde os capacitores multicamadas PST (MLCs) e os terpolímeros baseados em PVDF mostraram recentemente excelente desempenho reverso. Status de desempenho de resfriamento no ciclo 13,14,15,16. Portanto, identificamos MLCs de interesse PST para a colheita de energia térmica. Essas amostras foram totalmente descritas nos métodos e caracterizadas nas notas suplementares 1 (microscopia eletrônica de varredura), 2 (difração de raios X) e 3 (calorimetria).
A, esboço de uma plotagem (s) de entropia (s) (t) com campo elétrico ligado e desligado aplicado a materiais de PNL mostrando transições de fase. Dois ciclos de coleta de energia são mostrados em duas zonas de temperatura diferentes. Os ciclos azuis e verdes ocorrem dentro e fora da transição de fase, respectivamente, e terminam em regiões muito diferentes da superfície. B, dois anéis unipolares de MLC de PST, 1 mm de espessura, medidos entre 0 e 155 kV cm-1 a 20 ° C e 90 ° C, respectivamente, e os ciclos de Olsen correspondentes. As cartas ABCD se referem a diferentes estados no ciclo Olson. AB: MLCs foram cobrados de 155 kV cm-1 a 20 ° C. BC: MLC foi mantido a 155 kV cm-1 e a temperatura foi aumentada para 90 ° C. CD: MLC descarrega a 90 ° C. DA: MLC resfriado a 20 ° C no campo zero. A área azul corresponde à energia de entrada necessária para iniciar o ciclo. A área laranja é a energia coletada em um ciclo. C, painel superior, tensão (preto) e corrente (vermelha) versus tempo, rastreados durante o mesmo ciclo Olson que b. As duas inserções representam a amplificação de tensão e corrente nos pontos -chave do ciclo. No painel inferior, as curvas amarelas e verdes representam as curvas de temperatura e energia correspondentes, respectivamente, para um MLC de 1 mm de espessura. A energia é calculada a partir das curvas de corrente e tensão no painel superior. A energia negativa corresponde à energia coletada. As etapas correspondentes às letras maiúsculas nas quatro figuras são as mesmas do ciclo de Olson. O ciclo AB'CD corresponde ao ciclo Stirling (nota 7 adicional).
onde E e D são o campo elétrico e o campo de deslocamento elétrico, respectivamente. O ND pode ser obtido indiretamente do circuito DE (Fig. 1b) ou diretamente iniciando um ciclo termodinâmico. Os métodos mais úteis foram descritos por Olsen em seu trabalho pioneiro na coleta de energia piroelétrica na década de 198017.
Na fig. 1b mostra duas amostras monopolares de 1 mm de espessura de 1 mm de espessura montadas a 20 ° C e 90 ° C, respectivamente, em uma faixa de 0 a 155 kV cm-1 (600 V). Esses dois ciclos podem ser usados ​​para calcular indiretamente a energia coletada pelo ciclo Olson mostrado na Figura 1A. De fato, o ciclo OLSEN consiste em dois ramos isofield (aqui, campo zero no ramo DA e 155 kV cm-1 no ramo BC) e dois ramos isotérmicos (aqui, 20 ° C e 20 ° с no ramo AB). C no ramo de CD) A energia coletada durante o ciclo corresponde às regiões laranja e azul (EDD integral). A energia coletada ND é a diferença entre energia de entrada e saída, ou seja, apenas a área laranja da FIG. 1b. Este ciclo Olson em particular fornece uma densidade de energia e 1,78 J CM-3. O ciclo Stirling é uma alternativa ao ciclo Olson (nota 7 suplementar). Como o estágio de carga constante (circuito aberto) é atingido mais facilmente, a densidade de energia extraída da Fig. 1b (ciclo AB'CD) atinge 1,25 J CM-3. Isso representa apenas 70% do que o ciclo Olson pode coletar, mas o equipamento simples de colheita faz.
Além disso, medimos diretamente a energia coletada durante o ciclo Olson, energizando o PST MLC usando um estágio de controle de temperatura Linkam e um medidor de origem (método). A Figura 1C na parte superior e nas respectivas inserções mostra a corrente (vermelha) e a tensão (preta) coletadas no mesmo PST de 1 mm de espessura MLC quanto para o loop de que passa pelo mesmo ciclo Olson. A corrente e a tensão possibilitam calcular a energia coletada e as curvas são mostradas na FIG. 1C, inferior (verde) e temperatura (amarelo) ao longo do ciclo. As letras ABCD representam o mesmo ciclo de Olson na Fig. 1. O carregamento do MLC ocorre durante a perna AB e é realizado em uma corrente baixa (200 µA), para que o Meter OrceMeter possa controlar adequadamente o carregamento. A conseqüência dessa corrente inicial constante é que a curva de tensão (curva preta) não é linear devido ao campo de deslocamento de potencial não linear D PST (Fig. 1C, inserção superior). No final do carregamento, 30 MJ de energia elétrica são armazenados no MLC (ponto B). O MLC aquece e uma corrente negativa (e, portanto, uma corrente negativa) é produzida enquanto a tensão permanece em 600 V. após 40 s, quando a temperatura atingiu um platô de 90 ° C, essa corrente foi compensada, embora a amostra de etapa tenha produzido no circuito uma potência elétrica de 35 MJ durante esse campo (segundo inset na Fig. A tensão no MLC (CD da filial) é então reduzida, resultando em 60 MJ adicionais de trabalho elétrico. A energia total de saída é 95 MJ. A energia coletada é a diferença entre a energia de entrada e saída, que fornece 95 - 30 = 65 mJ. Isso corresponde a uma densidade de energia de 1,84 J CM-3, que é muito próxima do ND extraído do anel DE. A reprodutibilidade desse ciclo Olson foi extensivamente testada (nota 4 suplementar). Ao aumentar ainda mais a tensão e a temperatura, alcançamos 4,43 J CM-3 usando ciclos OLSEN em um MLC PST de 0,5 mm de espessura em uma faixa de temperatura de 750 V (195 kV cm-1) e 175 ° C (Nota Suplementar 5). Isso é quatro vezes maior que o melhor desempenho relatado na literatura para ciclos diretos de Olson e foi obtido em filmes finos de Pb (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (cm. Suplementário Tabela 1 para mais valores na literatura). Esse desempenho foi atingido devido à corrente de vazamento muito baixa desses MLCs (<10−7 A a 750 V e 180 ° C, consulte Detalhes no Nota Suplementar 6) - um ponto crucial mencionado por Smith et al.19 - em contraste com os materiais utilizados em estudos anteriores17,20. Esse desempenho foi atingido devido à corrente de vazamento muito baixa desses MLCs (<10−7 A a 750 V e 180 ° C, consulte Detalhes no Nota Suplementar 6) - um ponto crucial mencionado por Smith et al.19 - em contraste com os materiais utilizados em estudos anteriores17,20. Ээи ххарарара Shт ínter ыыхххх sentido. в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Essas características foram alcançadas devido à corrente de vazamento muito baixa desses MLCs (<10–7 A a 750 V e 180 ° C, consulte a Nota Suplementar 6 para obter detalhes) - um ponto crítico mencionado por Smith et al. 19 - Em contraste com os materiais utilizados em estudos anteriores17,20.由于这些 mlc 的泄漏电流非常低 （在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 请参见补充说明 6 中的详细信息）） —— Smith 等人 19 提到的关键点-相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 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。 Пооо поосоitivamente то поиих Mlc ччень низth (<10–7 а пр 750 и 180 ° C, с. кючÉI й моменntos, по de janeiro с сpress и и. 19 - дb срннения, ыыыыses дооfia. Como a corrente de vazamento desses MLCs é muito baixa (<10–7 A a 750 V e 180 ° C, consulte a Nota Suplementar 6 para obter detalhes) - um ponto -chave mencionado por Smith et al. 19 - Para comparação, essas performances foram alcançadas.para materiais utilizados em estudos anteriores 17,20.
As mesmas condições (600 V, 20-90 ° C) são aplicadas ao ciclo Stirling (nota 7 suplementar). Como esperado a partir dos resultados do ciclo DE, o rendimento foi de 41,0 MJ. Uma das características mais impressionantes dos ciclos Stirling é a capacidade de amplificar a tensão inicial através do efeito termoelétrico. Observamos um ganho de tensão de até 39 (de uma tensão inicial de 15 V a uma tensão final de até 590 V, consulte a Fig. 7.2 suplementar).
Outra característica distintiva desses MLCs é que eles são objetos macroscópicos grandes o suficiente para coletar energia na faixa Joule. Portanto, construímos um colheitade de protótipo (HARV1) usando 28 mlc PST com 1 mm de espessura, seguindo o mesmo projeto de placa paralela descrito por Torello et al.14, em uma matriz 7 × 4, como mostrado na Fig. O método de portador de calor. Colete até 3,1 J usando o ciclo Olson descrito na FIG. 2a, regiões isotérmicas a 10 ° C e 125 ° C e regiões isofield a 0 e 750 V (195 kV cm-1). Isso corresponde a uma densidade de energia de 3,14 J CM-3. Usando essa combinação, foram realizadas medições sob várias condições (Fig. 2b). Observe que 1,8 J foi obtido em uma faixa de temperatura de 80 ° C e uma tensão de 600 V (155 kV cm-1). Isso está de acordo com os 65 mJ mencionados anteriormente para MLC de 1 mm de espessura nas mesmas condições (28 × 65 = 1820 mJ).
A, Configuração experimental de um protótipo de Harv1 montado baseado em 28 MLC PSTs com 1 mm de espessura (4 linhas × 7 colunas) em execução em ciclos Olson. Para cada uma das quatro etapas do ciclo, a temperatura e a tensão são fornecidas no protótipo. O computador aciona uma bomba peristáltica que circula um líquido dielétrico entre os reservatórios frios e quentes, duas válvulas e uma fonte de energia. O computador também usa termopares para coletar dados sobre a tensão e a corrente fornecida ao protótipo e à temperatura da combinação da fonte de alimentação. B, energia (cor) coletada pelo nosso protótipo 4 × 7 MLC versus faixa de temperatura (eixo x) e tensão (eixo y) em diferentes experimentos.
Uma versão maior do coletor (Harv2) com 60 PST MLC de 1 mm de espessura e 160 PST mlc 0,5 mm de espessura (41,7 g de material piroelétrico ativo) deu 11,2 J (nota 8 suplementar). Em 1984, a Olsen fez um coletor de energia com base em 317 g de um composto Pb (Zr, Ti) dopado com estanho, capaz de gerar 6,23 J de eletricidade a uma temperatura de cerca de 150 ° C (Ref. 21). Para esta combinação, este é o único outro valor disponível na linha Joule. Ele obteve pouco mais da metade do valor que alcançamos e quase sete vezes a qualidade. Isso significa que a densidade energética do HARV2 é 13 vezes maior.
O período do ciclo de Harv1 é de 57 segundos. Isso produziu 54 MW de potência com 4 linhas de 7 colunas de conjuntos de MLC de 1 mm de espessura. Para dar um passo adiante, construímos uma terceira combinação (HARV3) com um MLC PST de 0,5 mm de espessura e uma configuração semelhante a Harv1 e Harv2 (Nota Suplementar 9). Medimos um tempo de termalização de 12,5 segundos. Isso corresponde a um tempo de ciclo de 25 s (Fig. 9). A energia coletada (47 MJ) fornece uma potência elétrica de 1,95 MW por MLC, o que, por sua vez, nos permite imaginar que Harv2 produz 0,55 W (aproximadamente 1,95 MW × 280 PST MLC 0,5 mm de espessura). Além disso, simulamos a transferência de calor usando simulação de elementos finitos (COMSOL, Nota Suplementar 10 e Tabelas Suplementares 2–4) correspondentes às experiências HARV1. A modelagem de elementos finitos tornou possível prever os valores de potência quase uma ordem de magnitude mais alta (430 MW) para o mesmo número de colunas PST diminuindo o MLC a 0,2 mm, usando água como líquido de arrefecimento e restaurando a matriz a 7 linhas. × 4 colunas (além de, havia 960 MW quando o tanque estava próximo à Fig. 10b suplementar).
Para demonstrar a utilidade desse coletor, um ciclo Stirling foi aplicado a um demonstrador independente que consiste em apenas dois MLCs de PST de 0,5 mm de espessura como colecionadores de calor, um interruptor de alta tensão, um interruptor de baixa tensão com o Capacitor de armazenamento, um conversor DC/DC, um Microcontrolador de Power 11) e um conversor de término e um conversor de DC (DC (DC, um conversor de energia (DC, um conversor de energia (DC Suplentor (Suplentor Inverster (Suplem Microcontroller de Microcontrolador de Potência, dois térmicos e um conversor de estéral e um conversor em termos de térmicos (DC Blocation (DC conversor (DC conversor (Suplentor conversor (Suplem Microcontroller de Power). O circuito exige que o capacitor de armazenamento seja carregado inicialmente em 9V e depois executa autonomamente, enquanto a temperatura dos dois MLCs varia de -5 ° C a 85 ° C, aqui em ciclos de 160 s (vários ciclos são mostrados na Nota Suplementar 11). Notavelmente, dois MLCs pesando apenas 0,3g podem controlar autonomamente esse grande sistema. Outra característica interessante é que o conversor de baixa tensão é capaz de converter 400V a 10-15V com 79% de eficiência (nota 11 suplementar e Figura Suplementar 11.3).
Finalmente, avaliamos a eficiência desses módulos MLC na conversão de energia térmica em energia elétrica. O fator de qualidade η da eficiência é definido como a razão entre a densidade da energia elétrica coletada e a densidade do Qin de calor fornecido (nota suplementar 12):
As Figuras 3a, B mostram a eficiência η e a eficiência proporcional ηr do ciclo OLSEN, respectivamente, em função da faixa de temperatura de um MLC PST de 0,5 mm de espessura. Ambos os conjuntos de dados são fornecidos para um campo elétrico de 195 kV CM-1. A eficiência \ (\ this \) atinge 1,43%, o que é equivalente a 18% de ηr. No entanto, para uma faixa de temperatura de 10 K de 25 ° C a 35 ° C, ηr atinge valores de até 40% (curva azul na Fig. 3b). Isso é o dobro do valor conhecido dos materiais PNL registrados em filmes PMN-PT (ηr = 19%) na faixa de temperatura de 10 K e 300 kV cm-1 (Ref. 18). As faixas de temperatura abaixo de 10 K não foram consideradas porque a histerese térmica do PST MLC está entre 5 e 8 K. O reconhecimento do efeito positivo das transições de fase na eficiência é crítico. De fato, os valores ótimos de η e ηr são quase todos obtidos na temperatura inicial Ti = 25 ° C nas Figs. 3a, b. Isso se deve a uma transição de fase próxima quando nenhum campo é aplicado e a temperatura Curie TC é de cerca de 20 ° C nesses MLCs (nota 13 suplementar).
a, b, a eficiência η e a eficiência proporcional do ciclo olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot}} para o máximo elétrico por meio de um field de ax. }} \, \) (b) para o MPC PST 0,5 mm de espessura, dependendo do intervalo de temperatura ΔTSPAN.
A última observação tem duas implicações importantes: (1) qualquer ciclismo efetivo deve começar em temperaturas acima da TC para ocorrer uma transição de fase induzida por campo (de paraelétrica para ferroelétrica); (2) Esses materiais são mais eficientes nos horários de execução próximos ao TC. Embora as eficiências em larga escala sejam mostradas em nossos experimentos, a faixa de temperatura limitada não nos permite obter grandes eficiências absolutas devido ao limite de carnot (\ (\ delta t/t \)). No entanto, a excelente eficiência demonstrada por esses MLCs PST justifica Olsen quando ele menciona que “um motor termoelétrico regenerativo da classe 20 ideal operando a temperaturas entre 50 ° C e 250 ° C pode ter uma eficiência de 30%” 17. Para alcançar esses valores e testar o conceito, seria útil usar PSTs dopados com diferentes TCs, conforme estudado por Shebanov e Borman. Eles mostraram que o TC no PST pode variar de 3 ° C (doping Sb) a 33 ° C (doping Ti) 22. Portanto, levantamos a hipótese de que os regeneradores piroelétricos da próxima geração com base em MLCs do PST dopados ou outros materiais com uma forte transição de fase de primeira ordem podem competir com os melhores colheitadeiras de energia.
Neste estudo, investigamos os MLCs feitos a partir de PST. Esses dispositivos consistem em uma série de eletrodos PT e PST, pelo qual vários capacitores são conectados em paralelo. O PST foi escolhido porque é um excelente material da CE e, portanto, um material de PNL potencialmente excelente. Ele exibe uma transição de fase ferroelétrica-paelétrica nítida de primeira ordem em torno de 20 ° C, indicando que suas alterações de entropia são semelhantes às mostradas na Fig. 1. MLCs semelhantes foram totalmente descritas para os dispositivos EC13,14. Neste estudo, usamos 10,4 × 7,2 × 1 mm³ e 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLCs. MLCs com espessura de 1 mm e 0,5 mm foram feitos de 19 e 9 camadas de PST com uma espessura de 38,6 µm, respectivamente. Nos dois casos, a camada PST interna foi colocada entre eletrodos de platina de 2,05 µm de espessura. O design desses MLCs pressupõe que 55% dos PSTs estão ativos, correspondendo à peça entre os eletrodos (nota 1 suplementar 1). A área do eletrodo ativo foi de 48,7 mm2 (Tabela Suplementar 5). O MLC PST foi preparado por reação de fase sólida e método de fundição. Os detalhes do processo de preparação foram descritos em um artigo 14 anterior. Uma das diferenças entre o PST MLC e o artigo anterior é a ordem dos sites B, que afeta bastante o desempenho da CE no PST. A ordem dos sítios B do PST MLC é de 0,75 (nota suplementar 2) obtida por sinterização a 1400 ° C, seguida por centenas de horas de recozimento de 1000 ° C. Para obter mais informações sobre o PST MLC, consulte Notas Suplementares 1-3 e Tabela Suplementar 5.
O principal conceito deste estudo é baseado no ciclo Olson (Fig. 1). Para esse ciclo, precisamos de um reservatório quente e frio e uma fonte de alimentação capaz de monitorar e controlar a tensão e a corrente nos vários módulos MLC. Esses ciclos diretos usaram duas configurações diferentes, a saber (1) módulos de linkam aquecimento e resfriamento de um MLC conectado a uma fonte de alimentação Keithley 2410 e (2) três protótipos (Harv1, Harv2 e Harv3) em paralelo com a mesma energia de fonte. Neste último caso, um líquido dielétrico (óleo de silicone com viscosidade de 5 cp a 25 ° C, adquirido da Sigma Aldrich) foi usado para troca de calor entre os dois reservatórios (quentes e frios) e o MLC. O reservatório térmico consiste em um recipiente de vidro cheio de fluido dielétrico e colocado em cima da placa térmica. O armazenamento a frio consiste em um banho de água com tubos líquidos contendo líquido dielétrico em um grande recipiente de plástico cheio de água e gelo. Duas válvulas de pitada de três vias (compradas da Bio-Chem Fluidics) foram colocadas em cada extremidade da combinação para alternar adequadamente o fluido de um reservatório para outro (Figura 2A). Para garantir o equilíbrio térmico entre o pacote PST-MLC e o líquido de arrefecimento, o período do ciclo foi estendido até que os termopares de entrada e saída (o mais próximo possível do pacote PST-MLC) mostrassem a mesma temperatura. O script python gerencia e sincroniza todos os instrumentos (medidores de origem, bombas, válvulas e termopares) para executar o ciclo Olson correto, ou seja, o loop do líquido de arrefecimento começa a andar de bicicleta pela pilha PST após o carregamento do medidor de origem para que eles aqueçam a tensão aplicada desejada para a dada o ciclo Olson.
Como alternativa, confirmamos essas medições diretas de energia coletada com métodos indiretos. Esses métodos indiretos são baseados no deslocamento elétrico (D) - o campo elétrico (E) Loops de campo coletados em diferentes temperaturas e, calculando a área entre dois loops de De -Loops, pode -se estimar com precisão a quantidade de energia que pode ser coletada, conforme mostrado na figura. Na Figura 2. .1b. Esses loops também são coletados usando medidores de origem Keithley.
Vinte e oito MLCs PST de 1 mm de espessura foram montados em uma estrutura de placa paralela de 4 fileiras e 7 colunas, de acordo com o projeto descrito na referência. 14. O espaço fluido entre as linhas PST-MLC é de 0,75 mm. Isso é conseguido adicionando tiras de fita dupla face como espaçadores líquidos ao redor das bordas do PST MLC. O PST MLC é conectado eletricamente em paralelo a uma ponte epóxi prateada em contato com os cabos do eletrodo. Depois disso, os fios foram colados com resina epóxi de prata em cada lado dos terminais do eletrodo para conexão com a fonte de alimentação. Finalmente, insira toda a estrutura na mangueira de poliolefina. Este último é colado ao tubo fluido para garantir a vedação adequada. Finalmente, os termopares do tipo K de 0,25 mm de espessura foram embutidos em cada extremidade da estrutura PST-MLC para monitorar as temperaturas de entrada e saída do líquido. Para fazer isso, a mangueira deve primeiro ser perfurada. Depois de instalar o termopar, aplique o mesmo adesivo de antes entre a mangueira do termopar e o fio para restaurar a vedação.
Oito protótipos separados foram construídos, quatro dos quais tinham 40 PSTs de MLC de 0,5 mm de espessura distribuídos como placas paralelas com 5 colunas e 8 linhas, e os quatro restantes tinham 15 ml de espessura de 1 mM cada. na estrutura de placa paralela de 3 colunas × 5 linhas. O número total de MLCs PST utilizados foi de 220 (160 0,5 mm de espessura e 60 MLC de 1 mm de espessura). Chamamos essas duas subunidades HARV2_160 e HARV2_60. A lacuna líquida no protótipo HARV2_160 consiste em duas fitas duplas de lados com 0,25 mm de espessura com um fio de 0,25 mm de espessura entre eles. Para o protótipo HARV2_60, repetimos o mesmo procedimento, mas usando um fio de 0,38 mm de espessura. Para simetria, Harv2_160 e Harv2_60 têm seus próprios circuitos de fluido, bombas, válvulas e lado frio (nota 8 suplementar). Duas unidades HARV2 compartilham um reservatório de calor, um recipiente de 3 litros (30 cm x 20 cm x 5 cm) em duas placas quentes com ímãs rotativos. Todos os oito protótipos individuais são conectados eletricamente em paralelo. As subunidades HARV2_160 e HARV2_60 funcionam simultaneamente no ciclo Olson, resultando em uma colheita de energia de 11.2 J.
Coloque o MLC PST de 0,5 mm de espessura na mangueira de poliolefina com fita dupla face e fio nos dois lados para criar espaço para o líquido fluir. Devido ao seu tamanho pequeno, o protótipo foi colocado ao lado de uma válvula de reservatório quente ou fria, minimizando os tempos de ciclo.
No PST MLC, um campo elétrico constante é aplicado aplicando uma tensão constante ao ramo de aquecimento. Como resultado, uma corrente térmica negativa é gerada e a energia é armazenada. Após o aquecimento do PST MLC, o campo é removido (v = 0), e a energia armazenada nele é devolvida ao contador de origem, o que corresponde a mais uma contribuição da energia coletada. Finalmente, com uma tensão v = 0 aplicada, os PSTs do MLC são resfriados na sua temperatura inicial para que o ciclo possa começar novamente. Nesta fase, a energia não é coletada. Executamos o ciclo OLSEN usando um Keithley 2410 SourCemeter, carregando o PST MLC de uma fonte de tensão e definindo a correspondência atual no valor apropriado para que pontos suficientes fossem coletados durante a fase de carregamento para cálculos confiáveis ​​de energia.
Nos ciclos de Stirling, os MLCs PST foram carregados no modo de fonte de tensão em um valor inicial do campo elétrico (tensão inicial VI> 0), uma corrente de conformidade desejada para que a etapa de carregamento leve cerca de 1 s (e pontos suficientes sejam coletados para um cálculo confiável da energia) e a temperatura fria. Nos ciclos de Stirling, os MLCs PST foram carregados no modo de fonte de tensão em um valor inicial do campo elétrico (tensão inicial VI> 0), uma corrente de conformidade desejada para que a etapa de carregamento leve cerca de 1 s (e pontos suficientes sejam coletados para um cálculo confiável da energia) e a temperatura fria. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (началнное нétua VI> 0), жжжлло подаатом о жжо жом подаатом то пчччfia зэззз тчрссс па ж pas дотаточное колесеitivamente точеth дл нжежного тччча энергия) и иоднаяяч тодная тª тоднн тоднн тодна тª. Nos ciclos de MLC de Stirling PST, eles foram carregados no modo de fonte de tensão no valor inicial do campo elétrico (tensão inicial VI> 0), a corrente de rendimento desejada, de modo que o estágio de carregamento leva cerca de 1 s (e um número suficiente de pontos é coletado para um cálculo de energia confiável) e a temperatura a frio.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。 和低温。 No ciclo mestre, o PST MLC é carregado no valor inicial do campo elétrico (tensão inicial VI> 0) no modo de fonte de tensão, para que a corrente de conformidade necessária leve cerca de 1 segundo para a etapa de carregamento (e coletamos pontos suficientes para calcular de forma confiável (energia) e baixa temperatura. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное нрржение v VI> 0), трбiый то поаа Estácio, ччэап зззиананitivamente чч зэи ти та тч н una) колечutos точutos, ччоыы нежно рчитата энеергежно изизит э ннеюию). No ciclo Stirling, o PST MLC é carregado no modo de fonte de tensão com um valor inicial do campo elétrico (tensão inicial VI> 0), a corrente de conformidade necessária é tal que o estágio de carregamento leva cerca de 1 s (e um número suficiente de pontos é coletado para calcular de forma confiável a energia) e a temperatura baixa.Antes de aquecer o PST MLC, abra o circuito aplicando uma corrente correspondente de i = 0 mA (a corrente mínima de correspondência que nossa fonte de medição pode manusear é 10 na). Como resultado, permanece uma carga no PST do MJK e a tensão aumenta à medida que a amostra esquenta. Nenhuma energia é coletada no braço BC porque i = 0 mA. Depois de atingir uma alta temperatura, a tensão no MLT ft aumenta (em alguns casos mais de 30 vezes, ver Fig. 7.2 adicional), o MLK ft é descarregado (v = 0) e a energia elétrica é armazenada neles para a mesma carga. A mesma correspondência atual é devolvida à fonte do medidor. Devido ao ganho de tensão, a energia armazenada em alta temperatura é maior do que a fornecida no início do ciclo. Consequentemente, a energia é obtida convertendo o calor em eletricidade.
Utilizamos um MEURECEMETRO DE SOURCELA KEITHLEY 2410 para monitorar a tensão e a corrente aplicada ao PST MLC. The corresponding energy is calculated by integrating the product of voltage and current read by Keithley's source meter, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), where τ é o período do período. Em nossa curva de energia, valores de energia positiva significam a energia que temos para dar ao MLC PST e valores negativos significam a energia que extraímos deles e, portanto, a energia recebida. O poder relativo de um determinado ciclo de coleta é determinado dividindo a energia coletada pelo período τ de todo o ciclo.
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Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Uma revisão do desenvolvimento e aplicações de microgeradores termoelétricos para a colheita de energia. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Uma revisão do desenvolvimento e aplicações de microgeradores termoelétricos para a colheita de energia.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo e Henao, NC Visão geral do desenvolvimento e aplicação de microgeradores termoelétricos para a colheita de energia. Ando Junior, Oh, Maran, Alo & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, Oh, Maran, Alo & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, Alo e Henao, NC estão considerando o desenvolvimento e a aplicação de microgeradores termoelétricos para a colheita de energia.retomar. apoiar. Energy Rev. 91, 376-393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, materiais fotovoltaicos da WC: Apresentar eficiências e desafios futuros. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, materiais fotovoltaicos da WC: Apresentar eficiências e desafios futuros.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. e Sinke, VK Materiais fotovoltaicos: desempenho atual e desafios futuros. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料 ： 目前的效率和未来的挑战。 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, Materiais solares da WC: eficiência atual e desafios futuros.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. e Sinke, VK Materiais fotovoltaicos: desempenho atual e desafios futuros.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Efeito piroelétrico em conjunto para a temperatura simultânea auto-alimentada e a detecção de pressão. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Efeito piroelétrico em conjunto para a temperatura simultânea auto-alimentada e a detecção de pressão.Song K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Efeito piropiezoelétrico combinado para medição simultânea autônoma da temperatura e pressão. Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, Zl & Yang, Y. Para auto-energia ao mesmo tempo que a temperatura e a pressão.Song K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Efeito termopiezoelétrico combinado para medição simultânea autônoma de temperatura e pressão.Avançar. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Colheita de energia com base nos ciclos piroelétricos de Ericsson em um cerâmico ferroelétrico relaxador. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Colheita de energia com base nos ciclos piroelétricos de Ericsson em um cerâmico ferroelétrico relaxador.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. colheita de energia com base em ciclos pyroelétricos de Ericsson em cerâmica ferroelétrica relaxadora.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Colheita de energia em cerâmica ferroelétrica relaxora com base no ciclo piroelétrico Ericsson. Alma Mater. estrutura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais eletrocalóricos e piroelétricos da RW para interconversão de energia eletrotérmica de estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais eletrocalóricos e piroelétricos da RW para interconversão de energia eletrotérmica de estado sólido. ALPAY, SP, MANTESE, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эээ sentido заимного преобразоéri Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais eletrocalóricos e piroelétricos da RW da próxima geração para interconversão de energia eletrotérmica de estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW ALPAY, SP, MANTESE, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW эээ sentido заимного преобразоéri Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais eletrocalóricos e piroelétricos da RW da próxima geração para interconversão de energia eletrotérmica de estado sólido.Lady Bull. 39, 1099-1109 (2014).
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Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, e materiais calóricos ND perto de transições de fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, e materiais calóricos ND perto de transições de fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, materiais calóricos e transições de fase do ferroid. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, Nd Materiais Térmicos perto de Metalurgia Ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, materiais térmicos ND perto de transições de fase de ferro.Nat. Alma Mater 13, 439-450 (2014).
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Agradecemos a N. Furusawa, Y. Inoue e K. Honda por sua ajuda na criação do MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB e Edu BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY.
Departamento de Pesquisa e Tecnologia do Departamento de Materiais, Instituto de Tecnologia Luxemburgo (Lista), Belvoir, Luxemburgo