Oferecer fontes sustentáveis ​​de eletricidade é um dos desafios mais importantes deste século. Dessa motivação decorrem áreas de pesquisa em materiais de captação de energia, incluindo termoelétrica1, fotovoltaica2 e termofotovoltaica3. Embora não tenhamos materiais e dispositivos capazes de coletar energia na faixa Joule, os materiais piroelétricos que podem converter energia elétrica em mudanças periódicas de temperatura são considerados sensores4 e coletores de energia5,6,7. Aqui desenvolvemos um coletor macroscópico de energia térmica na forma de um capacitor multicamadas feito de 42 gramas de tantalato de escândio e 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. Mostramos também que dois desses módulos pesando 0,3 g são suficientes para alimentar continuamente coletores de energia autônomos com microcontroladores incorporados e sensores de temperatura. Finalmente, mostramos que para uma faixa de temperatura de 10 K, esses capacitores multicamadas podem atingir 40% de eficiência de Carnot. Essas propriedades são devidas a (1) mudança de fase ferroelétrica para alta eficiência, (2) baixa corrente de fuga para evitar perdas e (3) alta tensão de ruptura. Essas colheitadeiras de energia piroelétrica macroscópicas, escaláveis ​​e eficientes estão reimaginando a geração de energia termoelétrica.
Em comparação com o gradiente de temperatura espacial necessário para materiais termoelétricos, a captação de energia de materiais termoelétricos requer ciclos de temperatura ao longo do tempo. Isso significa um ciclo termodinâmico, que é melhor descrito pelo diagrama entropia (S)-temperatura (T). A Figura 1a mostra um gráfico ST típico de um material piroelétrico não linear (PNL), demonstrando uma transição de fase ferroelétrica-paraelétrica acionada por campo em tantalato de chumbo e escândio (PST). As seções azul e verde do ciclo no diagrama ST correspondem à energia elétrica convertida no ciclo de Olson (duas seções isotérmicas e duas isopolo). Aqui consideramos dois ciclos com a mesma mudança de campo elétrico (campo ligado e desligado) e mudança de temperatura ΔT, embora com temperaturas iniciais diferentes. 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 será a energia coletada. Portanto, a transição de fase deve coletar mais energia. A necessidade de ciclagem de grandes áreas em PNL é muito semelhante à necessidade de aplicações eletrotérmicas onde capacitores multicamadas PST (MLCs) e terpolímeros baseados em PVDF mostraram recentemente excelente desempenho reverso. status de desempenho de resfriamento no ciclo 13,14,15,16. Portanto, identificamos MLCs PST de interesse para captação de energia térmica. Estas amostras foram descritas na íntegra nos métodos e caracterizadas nas notas complementares 1 (microscopia eletrônica de varredura), 2 (difração de raios X) e 3 (calorimetria).
a, Esboço de um gráfico de entropia (S)-temperatura (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 azul e verde ocorrem dentro e fora da transição de fase, respectivamente, e terminam em regiões muito diferentes da superfície. b, dois anéis unipolares DE PST MLC, com 1 mm de espessura, medidos entre 0 e 155 kV cm-1 a 20 °C e 90 °C, respectivamente, e os correspondentes ciclos de Olsen. As letras ABCD referem-se a diferentes estados do ciclo de Olson. AB: As MLCs foram carregadas a 155 kV cm-1 a 20°C. BC: A MLC foi mantida a 155 kV cm-1 e a temperatura foi elevada para 90°C. CD: MLC descarrega a 90°C. DA: MLC resfriado a 20°C em campo zero. A área azul corresponde à potência de entrada necessária para iniciar o ciclo. A área laranja é a energia coletada em um ciclo. c, painel superior, tensão (preto) e corrente (vermelho) versus tempo, rastreados durante o mesmo ciclo de Olson que b. As duas inserções representam a amplificação de tensão e corrente em pontos-chave do ciclo. No painel inferior, as curvas amarela e verde representam as curvas correspondentes de temperatura e energia, 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 adicional 7).
onde E e D são o campo elétrico e o campo de deslocamento elétrico, respectivamente. O Nd pode ser obtido indiretamente a partir do circuito DE (Fig. 1b) ou diretamente iniciando um ciclo termodinâmico. Os métodos mais úteis foram descritos por Olsen no seu trabalho pioneiro sobre recolha de energia piroeléctrica na década de 198017.
Na fig. 1b mostra dois loops DE monopolares de amostras PST-MLC 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 de Olson mostrado na Figura 1a. Na verdade, o ciclo de Olsen consiste em dois ramos isotérmicos (aqui, campo zero no ramo DA e 155 kV cm-1 no ramo BC) e dois ramos isotérmicos (aqui, 20°С e 20°С no ramo AB). . C no ramo CD) A energia coletada durante o ciclo corresponde às regiões laranja e azul (integral EdD). A energia coletada Nd é a diferença entre a energia de entrada e de saída, ou seja, apenas a área laranja na fig. 1b. Este ciclo de Olson específico fornece uma densidade de energia Nd de 1,78 J cm-3. O ciclo Stirling é uma alternativa ao ciclo Olson (Nota Complementar 7). Como o estágio de carga constante (circuito aberto) é mais facilmente alcançado, a densidade de energia extraída da Fig. 1b (ciclo AB'CD) atinge 1,25 J cm-3. Isto representa apenas 70% do que o ciclo Olson pode coletar, mas um simples equipamento de colheita consegue.
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 fonte (método). A Figura 1c na parte superior e nas respectivas inserções mostra a corrente (vermelho) e a tensão (preto) coletadas no mesmo PST MLC de 1 mm de espessura que para o loop DE passando pelo mesmo ciclo de Olson. A corrente e a tensão permitem calcular a energia coletada, e as curvas são mostradas na fig. 1c, fundo (verde) e temperatura (amarelo) durante todo o 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 baixa corrente (200 µA), para que o SourceMeter possa controlar adequadamente o carregamento. A consequência desta corrente inicial constante é que a curva de tensão (curva preta) não é linear devido ao campo de deslocamento potencial não linear D PST (Fig. 1c, inserção superior). Ao final da carga, 30 mJ de energia elétrica são armazenados no MLC (ponto B). O MLC então 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 patamar de 90 °C, esta corrente foi compensada, embora a amostra escalonada produziu no circuito uma potência elétrica de 35 mJ durante este isocampo (segunda inserção na Fig. 1c, topo). A tensão no MLC (ramo CD) é então reduzida, resultando em 60 mJ adicionais de trabalho elétrico. A energia total de saída é de 95 mJ. A energia coletada é a diferença entre a energia de entrada e de saída, o que dá 95 – 30 = 65 mJ. Isto corresponde a uma densidade de energia de 1,84 J cm-3, muito próxima do Nd extraído do anel DE. A reprodutibilidade deste ciclo de Olson foi extensivamente testada (Nota Complementar 4). Aumentando ainda mais a tensão e a temperatura, alcançamos 4, 43 J cm-3 usando ciclos Olsen em um PST MLC de 0, 5 mm de espessura em uma faixa de temperatura de 750 V (195 kV cm-1) e 175 ° C (Nota Complementar 5). Isto 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 . Suplemento Tabela 1 para mais valores na literatura). Este desempenho foi alcançado devido à corrente de fuga muito baixa destes MLCs (<10-7 A a 750 V e 180 °C, ver detalhes na Nota Suplementar 6) - um ponto crucial mencionado por Smith et al.19 - em contraste aos materiais utilizados em estudos anteriores17,20. Este desempenho foi alcançado devido à corrente de fuga muito baixa destes MLCs (<10-7 A a 750 V e 180 °C, ver detalhes na Nota Suplementar 6) - um ponto crucial mencionado por Smith et al.19 - em contraste aos materiais utilizados em estudos anteriores17,20. Esta característica é necessária para que o MLC (<10–7 por 750 V e 180 °C, sm. подробности в дополнительном примечании 6) — momento crítico, упомянутый Смитом и др. 19 — na remoção do material, usado na melhor versão 17,20. Essas características foram alcançadas devido à corrente de fuga muito baixa desses MLCs (<10–7 A a 750 V e 180 °C, ver Nota Complementar 6 para detalhes) - um ponto crítico mencionado por Smith et al. 19 – em contraste com 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 e 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 17h20. Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном ии 6) — momento certo, упомянутый Смитом и др. 19 — para a verdade, você fornece essas características. Como a corrente de fuga desses MLCs é muito baixa (<10–7 A a 750 V e 180 °C, consulte a Nota Complementar 6 para obter detalhes) – um ponto-chave mencionado por Smith et al. 19 – para efeito de comparação, esses desempenhos foram alcançados.aos materiais utilizados em estudos anteriores 17,20.
As mesmas condições (600 V, 20–90 ° C) aplicadas ao ciclo Stirling (Nota complementar 7). Como esperado a partir dos resultados do ciclo DE, o rendimento foi de 41,0 mJ. Uma das características mais marcantes dos ciclos Stirling é a sua 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 até uma tensão final de até 590 V, ver Figura Complementar 7.2).
Outra característica distintiva destes MLCs é que eles são objetos macroscópicos grandes o suficiente para coletar energia na faixa do joule. Portanto, construímos um protótipo de colheitadeira (HARV1) utilizando 28 MLC PST de 1 mm de espessura, seguindo o mesmo desenho de placas paralelas descrito por Torello et al.14, em uma matriz 7×4 conforme mostrado na Fig. o coletor é deslocado por uma bomba peristáltica entre dois reservatórios onde a temperatura do fluido é mantida constante (método). Colete até 3,1 J usando o ciclo de Olson descrito na fig. 2a, regiões isotérmicas a 10°C e 125°C e regiões de isocampos a 0 e 750 V (195 kV cm-1). Isto corresponde a uma densidade de energia de 3,14 J cm-3. Usando esta colheitadeira, as medições foram feitas sob várias condições (Fig. 2b). Observe que 1,8 J foi obtido em uma faixa de temperatura de 80 °C e tensão de 600 V (155 kV cm-1). Isto está de acordo com os 65 mJ mencionados anteriormente para PST MLC de 1 mm de espessura nas mesmas condições (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configuração experimental de um protótipo HARV1 montado baseado em 28 MLC PSTs de 1 mm de espessura (4 linhas x 7 colunas) rodando 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 fluido dielétrico entre os reservatórios frio e quente, duas válvulas e uma fonte de energia. O computador também utiliza termopares para coletar dados sobre a tensão e a corrente fornecidas ao protótipo e a temperatura da colheitadeira a partir da fonte de alimentação. b, Energia (cor) coletada pelo nosso protótipo MLC 4×7 versus faixa de temperatura (eixo X) e tensão (eixo Y) em diferentes experimentos.
Uma versão maior da colheitadeira (HARV2) com 60 PST MLC de 1 mm de espessura e 160 PST MLC de 0,5 mm de espessura (41,7 g de material piroelétrico ativo) deu 11,2 J (Nota Complementar 8). Em 1984, Olsen fez um coletor de energia baseado em 317 g de um composto Pb(Zr,Ti)O3 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 faixa de joule. Obteve pouco mais da metade do valor que alcançamos e quase sete vezes a qualidade. Isto significa que a densidade de energia do HARV2 é 13 vezes maior.
O período do ciclo HARV1 é de 57 segundos. Isto produziu 54 mW de potência com 4 fileiras de 7 colunas de conjuntos MLC de 1 mm de espessura. Para dar um passo adiante, construímos uma terceira colheitadeira (HARV3) com um PST MLC de 0,5 mm de espessura e configuração semelhante a HARV1 e HARV2 (Nota Complementar 9). Medimos um tempo de termalização de 12,5 segundos. Isto corresponde a um tempo de ciclo de 25 s (Fig. Complementar 9). A energia coletada (47 mJ) dá uma potência elétrica de 1,95 mW por MLC, o que por sua vez nos permite imaginar que o HARV2 produz 0,55 W (aproximadamente 1,95 mW × 280 PST MLC com 0,5 mm de espessura). Além disso, simulamos a transferência de calor usando Simulação de Elementos Finitos (COMSOL, Nota Complementar 10 e Tabelas Suplementares 2–4) correspondentes aos experimentos HARV1. A modelagem de elementos finitos tornou possível prever valores de potência quase uma ordem de grandeza maiores (430 mW) para o mesmo número de colunas PST, diminuindo o MLC para 0,2 mm, usando água como refrigerante e restaurando a matriz para 7 linhas . × 4 colunas (além de , havia 960 mW quando o tanque estava próximo à colheitadeira, Figura Complementar 10b).
Para demonstrar a utilidade deste coletor, um ciclo Stirling foi aplicado a um demonstrador independente que consiste em apenas dois MLCs PST de 0,5 mm de espessura como coletores de calor, um interruptor de alta tensão, um interruptor de baixa tensão com capacitor de armazenamento, um conversor DC/DC. , um microcontrolador de baixa potência, dois termopares e conversor boost (Nota Complementar 11). O circuito requer que o capacitor de armazenamento seja inicialmente carregado a 9V e depois funcione de forma autônoma 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 Complementar 11) . Notavelmente, dois MLCs pesando apenas 0,3g podem controlar autonomamente este grande sistema. Outra característica interessante é que o conversor de baixa tensão é capaz de converter 400V em 10-15V com eficiência de 79% (Nota Complementar 11 e Figura Complementar 11.3).
Por fim, avaliamos a eficiência destes módulos MLC na conversão de energia térmica em energia elétrica. O fator de qualidade η de eficiência é definido como a razão entre a densidade da energia elétrica coletada Nd e a densidade do calor fornecido Qin (Nota complementar 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 PST MLC de 0,5 mm de espessura. Ambos os conjuntos de dados são fornecidos para um campo elétrico de 195 kV cm-1. A eficiência \(\this\) chega a 1,43%, o que equivale a 18% de ηr. Porém, 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). Este é o dobro do valor conhecido para materiais de PNL registrados em filmes PMN-PT (ηr = 19%) na faixa de temperatura de 10 K e 300 kV cm-1 (Ref. 18). 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. Na verdade, os valores ótimos de η e ηr são quase todos obtidos na temperatura inicial Ti = 25°C nas Figs. 3a,b. Isto se deve a uma transição de fase próxima quando nenhum campo é aplicado e a temperatura Curie TC está em torno de 20 ° C nesses MLCs (Nota complementar 13).
a,b, a eficiência η e a eficiência proporcional do ciclo de Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } para o máximo elétrico por um campo de 195 kV cm-1 e diferentes temperaturas iniciais Ti, }}\,\)(b) para o MPC PST com 0,5 mm de espessura, dependendo do intervalo de temperatura ΔTspan.
A última observação tem duas implicações importantes: (1) qualquer ciclagem eficaz deve começar em temperaturas acima de TC para que ocorra uma transição de fase induzida por campo (de paraelétrico para ferroelétrico); (2) estes materiais são mais eficientes em tempos de execução próximos ao TC. Embora eficiências em larga escala sejam mostradas em nossos experimentos, a faixa limitada de temperatura não nos permite alcançar grandes eficiências absolutas devido ao limite de Carnot (\(\Delta T/T\)). Contudo, a excelente eficiência demonstrada por estes MLCs PST justifica Olsen quando menciona que “um motor termoelétrico regenerativo classe 20 ideal operando em temperaturas entre 50 °C e 250 °C pode ter uma eficiência de 30%”17. Para chegar a esses valores e testar o conceito, seria útil utilizar PSTs dopados com TCs diferentes, conforme estudado por Shebanov e Borman. Eles mostraram que a CT no PST pode variar de 3°C (dopagem com Sb) a 33°C (dopagem com Ti) 22 . Portanto, levantamos a hipótese de que os regeneradores piroelétricos de próxima geração baseados em MLCs PST dopados ou outros materiais com uma forte transição de fase de primeira ordem podem competir com os melhores coletores de energia.
Neste estudo, investigamos MLCs feitos de PST. Esses dispositivos consistem em uma série de eletrodos Pt e PST, onde vários capacitores são conectados em paralelo. O PST foi escolhido porque é um excelente material de CE e, portanto, um material de PNL potencialmente excelente. Ele exibe uma transição de fase ferroelétrica-paraelétrica de primeira ordem acentuada em torno de 20 ° C, indicando que suas alterações de entropia são semelhantes às mostradas na Fig. 1. MLCs semelhantes foram totalmente descritos para dispositivos EC13,14. Neste estudo, utilizamos MLCs de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ e 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLCs com espessura de 1 mm e 0,5 mm foram confeccionados com 19 e 9 camadas de PST com espessura de 38,6 µm, respectivamente. Em ambos os casos, a camada interna de PST foi colocada entre eletrodos de platina com 2,05 µm de espessura. O desenho destes MLCs pressupõe que 55% dos PSTs estejam ativos, correspondendo à parte entre os eletrodos (Nota Complementar 1). A área ativa do eletrodo foi de 48,7 mm2 (Tabela Suplementar 5). MLC PST foi preparado por reação em fase sólida e método de fundição. Os detalhes do processo de preparação foram descritos em artigo anterior14. Uma das diferenças entre o PST MLC e o artigo anterior é a ordem dos sites B, que afeta muito o desempenho do EC no PST. A ordem dos locais B do PST MLC é 0,75 (Nota Complementar 2) obtida por sinterização a 1400°C seguida de recozimento de centenas de horas a 1000°C. Para obter mais informações sobre PST MLC, consulte Notas Suplementares 1-3 e Tabela Suplementar 5.
O conceito principal deste estudo é baseado no ciclo de Olson (Fig. 1). Para tal ciclo, necessitamos de um reservatório quente e frio e de uma fonte de alimentação capaz de monitorar e controlar a tensão e a corrente nos diversos módulos MLC. Estes ciclos diretos utilizaram duas configurações diferentes, nomeadamente (1) módulos Linkam aquecendo e resfriando um MLC conectado a uma fonte de energia Keithley 2410, e (2) três protótipos (HARV1, HARV2 e HARV3) em paralelo com a mesma fonte de energia. Neste último caso, um fluido dielétrico (óleo de silicone com viscosidade de 5 cP a 25°C, adquirido da Sigma Aldrich) foi utilizado para troca de calor entre os dois reservatórios (quente e frio) e o MLC. O reservatório térmico consiste em um recipiente de vidro preenchido com fluido dielétrico e colocado no topo da placa térmica. O armazenamento refrigerado consiste em um banho-maria com tubos líquidos contendo fluido dielétrico em um grande recipiente plástico cheio de água e gelo. Duas válvulas de mangote de três vias (adquiridas da Bio-Chem Fluidics) foram colocadas em cada extremidade da colheitadeira para alternar adequadamente o fluido de um reservatório para outro (Figura 2a). Para garantir o equilíbrio térmico entre o pacote PST-MLC e o refrigerante, o período do ciclo foi estendido até que os termopares de entrada e saída (o mais próximo possível do pacote PST-MLC) apresentassem a mesma temperatura. O script Python gerencia e sincroniza todos os instrumentos (medidores de fonte, bombas, válvulas e termopares) para executar o ciclo Olson correto, ou seja, o circuito de refrigeração começa a circular pela pilha PST depois que o medidor de fonte é carregado para que eles aqueçam no nível desejado tensão aplicada para um determinado ciclo de Olson.
Alternativamente, confirmamos estas medições diretas de energia coletada com métodos indiretos. Esses métodos indiretos são baseados em loops de campo de deslocamento elétrico (D) – campo elétrico (E) coletados em diferentes temperaturas, e calculando a área entre dois loops DE, pode-se estimar com precisão quanta energia pode ser coletada, conforme mostrado na figura . na figura 2. .1b. Esses loops DE também são coletados usando medidores de fonte Keithley.
Vinte e oito MLCs PST de 1 mm de espessura foram montados em uma estrutura de placas paralelas de 4 fileiras e 7 colunas de acordo com o projeto descrito na referência. 14. A folga de fluido entre as linhas PST-MLC é de 0,75 mm. Isto 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 com uma ponte epóxi prateada em contato com os cabos do eletrodo. Em seguida, foram colados fios com resina epóxi prateada em cada lado dos terminais do eletrodo para conexão à fonte de alimentação. Por fim, insira toda a estrutura na mangueira de poliolefina. Este último é colado ao tubo do fluido para garantir uma vedação adequada. Finalmente, termopares tipo K com 0,25 mm de espessura foram construídos em cada extremidade da estrutura PST-MLC para monitorar as temperaturas do líquido de entrada e saída. Para fazer isso, a mangueira deve primeiro ser perfurada. Depois de instalar o termopar, aplique o mesmo adesivo entre a mangueira e o fio do termopar para restaurar a vedação.
Oito protótipos separados foram construídos, quatro dos quais tinham 40 PSTs MLC de 0,5 mm de espessura distribuídos como placas paralelas com 5 colunas e 8 linhas, e os quatro restantes tinham 15 PSTs MLC de 1 mm de espessura cada. em estrutura de placa paralela de 3 colunas x 5 linhas. O número total de MLCs PST utilizados foi 220 (160 MLCs de 0,5 mm de espessura e 60 MLCs PST de 1 mm de espessura). Chamamos essas duas subunidades de HARV2_160 e HARV2_60. A lacuna líquida no protótipo HARV2_160 consiste em duas fitas dupla-face de 0,25 mm de espessura com um fio de 0,25 mm de espessura entre elas. Para o protótipo HARV2_60 repetimos o mesmo procedimento, mas utilizando fio de 0,38 mm de espessura. Por simetria, HARV2_160 e HARV2_60 possuem circuitos de fluidos, bombas, válvulas e lado frio próprios (Nota Complementar 8). Duas unidades HARV2 partilham um reservatório de calor, um recipiente de 3 litros (30 cm x 20 cm x 5 cm) sobre duas placas quentes com ímanes rotativos. Todos os oito protótipos individuais estão eletricamente conectados 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 PST MLC de 0,5 mm de espessura na mangueira de poliolefina com fita dupla face e arame em ambos os lados para criar espaço para o líquido fluir. Devido ao seu pequeno tamanho, o protótipo foi colocado próximo a uma válvula de reservatório quente ou frio, 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 retirado (V = 0), e a energia nele armazenada é devolvida ao contador fonte, o que corresponde a mais uma contribuição da energia coletada. Finalmente, com uma tensão V = 0 aplicada, os PSTs do MLC são resfriados até sua temperatura inicial para que o ciclo possa recomeçar. Nesta fase, a energia não é coletada. Executamos o ciclo Olsen usando um SourceMeter Keithley 2410, carregando o PST MLC de uma fonte de tensão e definindo a correspondência de corrente para o valor apropriado para que pontos suficientes fossem coletados durante a fase de carregamento para cálculos de energia confiáveis.
Nos ciclos Stirling, os MLCs PST foram carregados no modo fonte de tensão em um valor de campo elétrico inicial (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 de a energia) e temperatura fria. Nos ciclos Stirling, os MLCs PST foram carregados no modo fonte de tensão em um valor de campo elétrico inicial (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 de a energia) e temperatura fria. No ciclo Стирлинга PST MLC, você pode usar o histórico de configuração de uma fonte de alimentação elétrica (para чальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (e набирается достаточное ко temperatura ideal para aumentar a energia) e a temperatura ambiente. Nos ciclos Stirling PST MLC, eles foram carregados no modo 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 são coletados para um cálculo confiável de energia) e temperatura fria.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。 No ciclo mestre, o PST MLC é carregado no valor inicial do campo elétrico (tensão inicial Vi > 0) no modo fonte de tensão, de modo que a corrente de conformidade necessária leva cerca de 1 segundo para a etapa de carregamento (e coletamos pontos suficientes para calcular de forma confiável (energia) e baixa temperatura. No ciclo Стирлинга PST MLC, você pode usar a configuração histórica do programa com uma fonte de alimentação elétrica ьное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (e набирается достаточное к оличество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие температуры . No ciclo Stirling, o PST MLC é carregado no modo 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 são coletados para calcular com segurança a energia) e baixas temperaturas.Antes do PST MLC aquecer, abra o circuito aplicando uma corrente correspondente de I = 0 mA (a corrente mínima correspondente que nossa fonte de medição pode suportar é 10 nA). Como resultado, uma carga permanece no PST do MJK e a tensão aumenta à medida que a amostra aquece. 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 o mesmo como eles são a carga inicial. A mesma correspondência atual é devolvida à fonte do medidor. Devido ao ganho de tensão, a energia armazenada em alta temperatura é superior à fornecida no início do ciclo. Consequentemente, a energia é obtida através da conversão de calor em eletricidade.
Usamos um SourceMeter Keithley 2410 para monitorar a tensão e a corrente aplicadas ao PST MLC. A energia correspondente é calculada integrando o produto da tensão e da corrente lida pelo medidor de fonte de Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), onde τ é o período do período. Na nossa curva de energia, os valores de energia positivos significam a energia que temos que dar ao MLC PST, e os valores negativos significam a energia que extraímos deles e, portanto, a energia recebida. A potência relativa para um determinado ciclo de coleta é determinada 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 captação de energia. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Uma revisão do desenvolvimento e aplicações de microgeradores termoelétricos para captação de energia.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO e Henao, NC Visão geral do desenvolvimento e aplicação de microgeradores termoelétricos para captação de energia. Ando Junior, OH, Maran, ALO e Henao, NC. Ando Junior, OH, Maran, ALO e Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO e Henao, NC estão considerando o desenvolvimento e aplicação de microgeradores termoelétricos para captação de energia.retomar. apoiar. Energia Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiais fotovoltaicos: eficiências atuais e desafios futuros. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiais fotovoltaicos: eficiências atuais 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. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiais solares: eficiência atual e desafios futuros.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. e Sinke, VK Materiais fotovoltaicos: desempenho atual e desafios futuros.Ciência 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efeito piro-piezoelétrico conjunto para detecção simultânea de temperatura e pressão com alimentação própria. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Efeito piro-piezoelétrico conjunto para detecção simultânea de temperatura e pressão com alimentação própria.Canção K., Zhao R., Wang ZL e Yan Yu. Efeito piropiezoelétrico combinado para medição simultânea autônoma de temperatura e pressão. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL e Yang, Y. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Para autoalimentação ao mesmo tempo que temperatura e pressão.Canção 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. Coleta de energia baseada em ciclos piroelétricos Ericsson em uma cerâmica ferroelétrica relaxante. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Coleta de energia baseada em ciclos piroelétricos Ericsson em uma cerâmica ferroelétrica relaxante.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Captação de energia baseada em ciclos piroelétricos Ericsson em cerâmica ferroelétrica relaxante.Sebald G., Prouvost S. e Guyomar D. Captação de energia em cerâmica ferroelétrica relaxante baseada na ciclagem piroelétrica Ericsson. Alma mater inteligente. estrutura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais eletrocalóricos e piroelétricos de última geração para interconversão de energia eletrotérmica de estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais eletrocalóricos e piroelétricos de última geração para interconversão de energia eletrotérmica de estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais elétricos e piroelétricos para uso ou use energia elétrica. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais eletrocalóricos e piroelétricos de próxima geração para interconversão de energia eletrotérmica de estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. e Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais elétricos e piroelétricos para uso ou use energia elétrica. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiais eletrocalóricos e piroelétricos de próxima geração para interconversão de energia eletrotérmica de estado sólido.Senhora Touro. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Padrão e figura de mérito para quantificar o desempenho de nanogeradores piroelétricos. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Padrão e figura de mérito para quantificar o desempenho de nanogeradores piroelétricos.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Yu. Uma pontuação padrão e de qualidade para quantificar o desempenho de nanogeradores piroelétricos. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Y. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL e Yang, Yu. Critérios e medidas de desempenho para quantificar o desempenho de um nanogerador piroelétrico.Nano Energia 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Ciclos de resfriamento eletrocalórico em tantalato de escândio de chumbo com verdadeira regeneração via variação de campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Ciclos de resfriamento eletrocalórico em tantalato de escândio de chumbo com verdadeira regeneração via variação de campo.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND Ciclos de resfriamento eletrocalórico em tantalato de chumbo-escândio com verdadeira regeneração por meio de modificação de campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tântalo.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. e Mathur, ND Um ciclo de resfriamento eletrotérmico de tantalato de escândio-chumbo para verdadeira regeneração por meio de reversão de campo.física Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiais calóricos próximos às transições de fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiais calóricos próximos às transições de fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais calóricos próximos às transições de fase ferroide. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Materiais térmicos próximos à metalurgia ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. e Mathur, ND Materiais térmicos próximos às transições de fase de ferro.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Materiais calóricos para resfriamento e aquecimento. Moya, X. & Mathur, ND Materiais calóricos para resfriamento e aquecimento.Moya, X. e Mathur, ND Materiais térmicos para resfriamento e aquecimento. Moya, X. & Mathur, ND. Moya, X. & Mathur, ND Materiais térmicos para resfriamento e aquecimento.Moya X. e Mathur ND Materiais térmicos para resfriamento e aquecimento.Ciência 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Refrigeradores eletrocalóricos: uma revisão. Torelló, A. & Defay, E. Refrigeradores eletrocalóricos: uma revisão.Torello, A. e Defay, E. Resfriadores eletrocalóricos: uma revisão. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器:评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器:评论。Torello, A. e Defay, E. Resfriadores eletrotérmicos: uma revisão.Avançado. eletrônico. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme eficiência energética de material eletrocalórico em escândio-escândio-chumbo altamente ordenado. Comunicação nacional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. et al. O efeito eletrotérmico dos capacitores multicamadas de óxido é grande em uma ampla faixa de temperatura. Natureza 575, 468–472 (2019).
Torello, A. et al. Enorme faixa de temperatura em regeneradores eletrotérmicos. Ciência 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistema de resfriamento eletrotérmico de estado sólido de alto desempenho. Ciência 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. et al. Dispositivo de resfriamento eletrotérmico em cascata para grande aumento de temperatura. Energia Nacional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Conversão direta de alta eficiência de calor em medições piroelétricas relacionadas à energia elétrica. Olsen, RB & Brown, DD Conversão direta de alta eficiência de calor em medições piroelétricas relacionadas à energia elétrica.Olsen, RB e Brown, DD Conversão direta altamente eficiente de calor em energia elétrica associada a medições piroelétricas. Olsen, RB & Brown, DD. Olsen, RB e Brown, DDOlsen, RB e Brown, DD Conversão direta eficiente de calor em eletricidade associada a medições piroelétricas.Ferroelétricos 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. et al. Energia e densidade de potência em filmes finos ferroelétricos relaxantes. Alma mater nacional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Conversão piroelétrica em cascata: otimizando a transição de fase ferroelétrica e perdas elétricas. Smith, AN & Hanrahan, BM Conversão piroelétrica em cascata: otimizando a transição de fase ferroelétrica e perdas elétricas.Smith, AN e Hanrahan, BM Conversão piroelétrica em cascata: transição de fase ferroelétrica e otimização de perdas elétricas. Smith, AN e Hanrahan, BM. Smith, AN e Hanrahan, BMSmith, AN e Hanrahan, BM Conversão piroelétrica em cascata: otimização de transições de fase ferroelétricas e perdas elétricas.J. Aplicação. física. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR O uso de materiais ferroelétricos para converter energia térmica em eletricidade. processo. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Conversor de energia piroelétrica em cascata. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Conversor de energia piroelétrica em cascata.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J. Conversor de energia piroelétrica em cascata. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM e Dullea, J. Conversores piroelétricos em cascata.Ferroelétricos 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Em soluções sólidas de tantalato de chumbo-escândio com alto efeito eletrocalórico. Shebanov, L. & Borman, K. Em soluções sólidas de tantalato de chumbo-escândio com alto efeito eletrocalórico.Shebanov L. e Borman K. Sobre soluções sólidas de tantalato de chumbo-escândio com alto efeito eletrocalórico. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. e Borman, K.Shebanov L. e Borman K. Sobre soluções sólidas de escândio-chumbo-escândio com alto efeito eletrocalórico.Ferroelétricos 127, 143–148 (1992).
Agradecemos a N. Furusawa, Y. Inoue e K. Honda pela ajuda na criação do MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB e ED Agradecimentos à Fundação Nacional de Pesquisa de Luxemburgo (FNR) por apoiar este trabalho através de CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay e BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departamento de Pesquisa e Tecnologia de Materiais, Instituto de Tecnologia de Luxemburgo (LIST), Belvoir, Luxemburgo