Oferecer fontes sustentáveis ​​de eletricidade é um dos desafios mais importantes deste século. As áreas de pesquisa em materiais para coleta de energia derivam dessa motivação, incluindo termoelétricas1, fotovoltaicas2 e termofotovoltaicas3. Embora não tenhamos materiais e dispositivos capazes de coletar energia na faixa de Joule, 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 de energia térmica macroscópico na forma de um capacitor multicamadas feito de 42 gramas de tantalato de chumbo e escândio, 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 pesando 0,3 g são suficientes para alimentar continuamente coletores de energia autônomos com microcontroladores e sensores de temperatura embarcados. Finalmente, mostramos que, para uma faixa de temperatura de 10 K, esses capacitores multicamadas podem atingir 40% de eficiência de Carnot. Essas propriedades se devem a (1) mudança de fase ferroelétrica para alta eficiência, (2) baixa corrente de fuga para evitar perdas e (3) alta tensão de ruptura. Esses coletores de energia piroelétrica macroscópicos, escaláveis ​​e eficientes estão reinventando a geração de energia termoelétrica.
Comparado ao gradiente espacial de temperatura necessário para materiais termoelétricos, a coleta de energia de materiais termoelétricos requer ciclos de temperatura ao longo do tempo. Isso significa um ciclo termodinâmico, que é melhor descrito pelo diagrama de entropia (S)-temperatura (T). A Figura 1a mostra um gráfico ST típico de um material piroelétrico não linear (NLP) demonstrando uma transição de fase ferroelétrica-paraelétrica conduzida 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 variação de campo elétrico (campo ligado e desligado) e variação de temperatura ΔT, embora com temperaturas iniciais diferentes. O ciclo verde não está localizado na região de transição de fase e, portanto, tem uma área muito menor do 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 ciclagem de grandes áreas em NLP é muito semelhante à necessidade de aplicações eletrotérmicas9, 10, 11, 12, onde capacitores multicamadas (MLCs) de PST e terpolímeros à base de PVDF demonstraram recentemente excelente desempenho reverso. Desempenho de resfriamento nos ciclos 13, 14, 15 e 16. Portanto, identificamos MLCs de PST de interesse para coleta de energia térmica. Essas amostras foram completamente descritas nos métodos e caracterizadas nas notas suplementares 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 NLP 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, 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 letras ABCD referem-se a diferentes estados no ciclo de Olson. AB: MLCs foram carregadas a 155 kV cm-1 a 20 °C. BC: MLC foi mantida a 155 kV cm-1 e a temperatura foi elevada a 90 °C. CD: MLC descarrega a 90 °C. DA: MLC resfriada a 20 °C em campo zero. A área azul corresponde à potência de entrada necessária para iniciar o ciclo. A área laranja representa a energia coletada em um ciclo. c, painel superior, tensão (preto) e corrente (vermelho) versus tempo, rastreadas durante o mesmo ciclo de Olson que b. As duas inserções representam a amplificação da tensão e da corrente em pontos-chave do ciclo. No painel inferior, as curvas amarela e verde representam as curvas de temperatura e energia correspondentes, respectivamente, para uma 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. Os passos correspondentes às letras maiúsculas nas quatro figuras são os mesmos do ciclo de Olson. O ciclo AB'CD corresponde ao ciclo de 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 em seu trabalho pioneiro sobre coleta de energia piroelétrica na década de 198017.
Na fig. 1b mostra dois laços DE monopolares de 1 mm de espessura de espécimes PST-MLC montados 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. De fato, o ciclo de Olsen consiste em dois ramos isocampo (aqui, campo zero no ramo DA e 155 kV cm-1 no ramo BC) e dois ramos isotérmicos (aqui, 20 °C e 20 °C 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 saída, ou seja, apenas a área laranja na fig. 1b. Este ciclo de Olson particular fornece uma densidade de energia Nd de 1,78 J cm-3. O ciclo de Stirling é uma alternativa ao ciclo de Olson (Nota Suplementar 7). Como o estágio de carga constante (circuito aberto) é mais facilmente alcançado, a densidade de energia extraída da Figura 1b (ciclo AB'CD) atinge 1,25 J cm-3. Isso representa apenas 70% do que o ciclo de Olson consegue coletar, mas equipamentos simples de coleta o fazem.
Além disso, medimos diretamente a energia coletada durante o ciclo de Olson energizando o MLC PST usando um estágio de controle de temperatura Linkam e um medidor de fonte (método). A Figura 1c, na parte superior e nos respectivos encartes, mostra a corrente (vermelha) e a tensão (preta) coletadas no mesmo MLC PST de 1 mm de espessura que 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, na parte inferior (verde) e na temperatura (amarela) 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 a uma corrente baixa (200 µA), para que o SourceMeter possa controlar o carregamento adequadamente. A consequência 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, encarte 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, essa corrente foi compensada, embora a amostra em degrau tenha produzido no circuito uma potência elétrica de 35 mJ durante esse isocampo (segundo detalhe na Fig. 1c, superior). 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 a de saída, o que resulta em 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 deste ciclo de Olson foi exaustivamente testada (Nota Suplementar 4). Aumentando ainda mais a tensão e a temperatura, alcançamos 4,43 J cm-3 usando ciclos de Olsen em uma MLC de PST com 0,5 mm de espessura, em uma faixa de temperatura de 750 V (195 kV cm-1) e 175 °C (Nota Suplementar 5). Este valor é quatro vezes maior do que o melhor desempenho relatado na literatura para ciclos de Olson diretos e foi obtido em filmes finos de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm. Tabela Suplementar 1 para mais valores na literatura). Esse desempenho foi alcançado devido à corrente de fuga muito baixa desses MLCs (<10−7 A a 750 V e 180 °C, veja detalhes na Nota Suplementar 6) — um ponto crucial mencionado por Smith et al.19 — em contraste com os materiais usados ​​em estudos anteriores17,20. Esse desempenho foi alcançado devido à corrente de fuga muito baixa desses MLCs (<10−7 A a 750 V e 180 °C, veja detalhes na Nota Suplementar 6) — um ponto crucial mencionado por Smith et al.19 — em contraste com os materiais usados ​​em estudos anteriores17,20. Esta característica está disponível para todos os tipos de MLC (<10–7 por 750 V e 180 °C, см. 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, veja a Nota Suplementar 6 para detalhes) – um ponto crítico mencionado por Smith et al. 19 – em contraste com materiais usados ​​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 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。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном примечании 6) — momento decisivo, упомянутый Смитом e 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, veja a Nota Suplementar 6 para detalhes) – um ponto-chave mencionado por Smith et al. 19 – para comparação, esses desempenhos foram alcançados.aos materiais utilizados em estudos anteriores 17,20.
As mesmas condições (600 V, 20–90 °C) foram aplicadas ao ciclo de Stirling (Nota complementar 7). Como esperado pelos resultados do ciclo DE, o rendimento foi de 41,0 mJ. Uma das características mais marcantes dos ciclos de Stirling é sua capacidade de amplificar a tensão inicial por meio do efeito termoelétrico. Observamos um ganho de tensão de até 39 (de uma tensão inicial de 15 V para uma tensão final de até 590 V, veja a Figura complementar 7.2).
Outra característica distintiva desses MLCs é que eles são objetos macroscópicos grandes o suficiente para coletar energia na faixa de joule. Portanto, construímos um protótipo de coletor (HARV1) usando 28 MLC PST de 1 mm de espessura, seguindo o mesmo projeto de placas paralelas descrito por Torello et al.14, em uma matriz 7 × 4, como mostrado na Fig. O fluido dielétrico transportador de calor no 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 isocampo a 0 e 750 V (195 kV cm-1). Isso 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 uma tensão de 600 V (155 kV cm-1). Isso está em boa concordância com os 65 mJ mencionados anteriormente para MLC PST de 1 mm de espessura sob as mesmas condições (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configuração experimental de um protótipo HARV1 montado com base em 28 PSTs MLC de 1 mm de espessura (4 linhas × 7 colunas) operando em ciclos de 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 por nosso protótipo MLC 4 × 7 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 de 0,5 mm de espessura (41,7 g de material piroelétrico ativo), produziu 11,2 J (Nota Suplementar 8). Em 1984, Olsen construiu um coletor de energia baseado em 317 g de um composto de 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 colheitadeira, 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. Isso significa que a densidade energética do HARV2 é 13 vezes maior.
O período do ciclo HARV1 é de 57 segundos. Isso produziu 54 mW de potência com 4 fileiras de 7 colunas de conjuntos MLC de 1 mm de espessura. Para ir um passo além, construímos uma terceira colheitadeira (HARV3) com um MLC PST de 0,5 mm de espessura e configuração semelhante ao 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. Suplementar 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 o HARV2 produz 0,55 W (aproximadamente 1,95 mW × 280 MLC PST de 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 a 4) correspondente aos experimentos HARV1. A modelagem de elementos finitos tornou possível prever valores de potência quase uma ordem de magnitude maior (430 mW) para o mesmo número de colunas PST, afinando o MLC para 0,2 mm, usando água como refrigerante e restaurando a matriz para 7 linhas. × 4 colunas (além disso, havia 960 mW quando o tanque estava próximo à colheitadeira, Fig. Suplementar 10b).
Para demonstrar a utilidade deste coletor, um ciclo de Stirling foi aplicado a um demonstrador autônomo composto por 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 CC/CC, um microcontrolador de baixa potência, dois termopares e um conversor boost (Nota Suplementar 11). O circuito requer que o capacitor de armazenamento seja inicialmente carregado a 9 V e, em seguida, opere 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 Suplementar 11). Notavelmente, dois MLCs pesando apenas 0,3 g podem controlar autonomamente este grande sistema. Outra característica interessante é que o conversor de baixa tensão é capaz de converter 400 V para 10-15 V com eficiência de 79% (Nota Suplementar 11 e Figura Suplementar 11.3).
Por fim, 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 Nd e a densidade do calor fornecido Qin (Nota complementar 12):
As Figuras 3a e 3b mostram a eficiência η e a eficiência proporcional ηr do ciclo de Olsen, respectivamente, em função da faixa de temperatura de uma MLC de PST com 0,5 mm de espessura. Ambos os conjuntos de dados são fornecidos para um campo elétrico de 195 kV cm-1. A eficiência atinge 1,43%, o que equivale 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 Figura 3b). Este é o dobro do valor conhecido para materiais NLP registrados em filmes de 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 da MLC PST está entre 5 e 8 K. O reconhecimento do efeito positivo das transições de fase na eficiência é crucial. De fato, os valores ótimos de η e ηr são quase todos obtidos na temperatura inicial Ti = 25 °C nas Figuras 3a e 3b. Isso se deve a uma transição de fase próxima quando nenhum campo é aplicado e a temperatura de Curie TC está em torno de 20 °C nessas 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 de 0,5 mm de espessura, dependendo do intervalo de temperatura ΔTspan.
Esta última observação tem duas implicações importantes: (1) qualquer ciclo efetivo deve começar em temperaturas acima de TC para que ocorra uma transição de fase induzida por campo (de paraelétrico para ferroelétrico); (2) esses materiais são mais eficientes em tempos de execução próximos a TC. Embora eficiências em larga escala sejam mostradas em nossos experimentos, a faixa de temperatura limitada não nos permite atingir grandes eficiências absolutas devido ao limite de Carnot (\(\Delta T/T\)). No entanto, a excelente eficiência demonstrada por esses 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 atingir 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 (dopagem com Sb) a 33 °C (dopagem com Ti)22. Portanto, levantamos a hipótese de que 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 feitas de PST. Esses dispositivos consistem em uma série de eletrodos de Pt e PST, por meio dos quais vários capacitores são conectados em paralelo. O PST foi escolhido porque é um excelente material de EC e, portanto, um material NLP potencialmente excelente. Ele exibe uma transição de fase ferroelétrica-paraelétrica de primeira ordem acentuada em torno de 20 °C, indicando que suas mudanças de entropia são semelhantes às mostradas na Fig. 1. MLCs semelhantes foram completamente descritas para dispositivos EC13,14. Neste estudo, usamos 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 feitas de 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 de 2,05 µm de espessura. O projeto desses MLCs pressupõe que 55% dos PSTs sejam ativos, correspondendo à parte entre os eletrodos (Nota Suplementar 1). A área ativa do eletrodo foi de 48,7 mm² (Tabela Suplementar 5). O MLC PST foi preparado pelo método de reação em fase sólida e fundição. Os detalhes do processo de preparação foram descritos em um artigo anterior14. Uma das diferenças entre o PST MLC e o artigo anterior é a ordem dos sítios B, que afeta significativamente o desempenho do EC 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 recozimento de centenas de horas a 1000 °C. Para obter mais informações sobre o PST MLC, consulte as Notas Suplementares 1-3 e a Tabela Suplementar 5.
O conceito principal deste estudo baseia-se no ciclo de Olson (Fig. 1). Para tal ciclo, necessitamos de um reservatório quente e frio e de uma fonte de alimentação capaz de monitorizar e controlar a tensão e a corrente nos vários módulos MLC. Estes ciclos diretos utilizaram duas configurações diferentes, nomeadamente (1) módulos Linkam aquecendo e arrefecendo um MLC ligado a uma fonte de alimentação 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 uma viscosidade de 5 cP a 25 °C, adquirido da Sigma Aldrich) foi utilizado para a troca de calor entre os dois reservatórios (quente e frio) e o MLC. O reservatório térmico consiste num recipiente de vidro preenchido com fluido dielétrico e colocado sobre a placa térmica. O armazenamento a frio consiste num banho de água com tubos de líquido contendo fluido dielétrico num grande recipiente de plástico preenchido com água e gelo. Duas válvulas de aperto de três vias (adquiridas da Bio-Chem Fluidics) foram instaladas em cada extremidade da colheitadeira para alternar adequadamente o fluido de um reservatório para outro (Figura 2a). Para garantir o equilíbrio térmico entre o conjunto 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 conjunto 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 do líquido de arrefecimento inicia o ciclo através da pilha PST após o medidor de fonte ser carregado, de modo que eles aqueçam na tensão aplicada desejada para o ciclo Olson especificado.
Alternativamente, confirmamos essas medições diretas da energia coletada com métodos indiretos. Esses métodos indiretos baseiam-se em laços de campo de deslocamento elétrico (D) – campo elétrico (E) coletados em diferentes temperaturas. Ao calcular a área entre dois laços DE, é possível estimar com precisão quanta energia pode ser coletada, como mostrado na figura 2.1b. Esses laços 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 fileiras de PST-MLC é de 0,75 mm. Isso é obtido adicionando tiras de fita dupla face como espaçadores de líquido ao redor das bordas do MLC PST. O MLC PST é conectado eletricamente em paralelo com uma ponte epóxi de prata em contato com os fios do eletrodo. Depois disso, os fios foram colados com resina epóxi de prata em cada lado dos terminais do eletrodo para conexão à fonte de alimentação. Finalmente, insira toda a estrutura na mangueira de poliolefina. Esta última é colada ao tubo de fluido para garantir a vedação adequada. Finalmente, termopares tipo K de 0,25 mm de espessura foram construídos 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. Após 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 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 × 5 linhas. O número total de PSTs MLC usados ​​foi de 220 (160 de 0,5 mm de espessura e 60 PST MLC de 1 mm de espessura). Chamamos essas duas subunidades de HARV2_160 e HARV2_60. A lacuna de líquido 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 usando 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 Suplementar 8). Duas unidades HARV2 compartilham um reservatório de calor, um recipiente de 3 litros (30 cm x 20 cm x 5 cm) sobre duas placas de aquecimento com ímãs giratórios. Todos os oito protótipos individuais são conectados eletricamente em paralelo. As subunidades HARV2_160 e HARV2_60 trabalham simultaneamente no ciclo de Olson, resultando em um consumo de energia de 11,2 J.
Coloque o 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 fluxo do líquido. 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 removido (V = 0), e a energia armazenada nele é devolvida ao contador de fonte, o que corresponde a mais uma contribuição da energia coletada. Finalmente, com uma tensão V = 0 aplicada, os PSTs do MLC são resfriados à sua temperatura inicial para que o ciclo possa ser reiniciado. 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 de corrente para o valor apropriado para que pontos suficientes fossem coletados durante a fase de carregamento para cálculos de energia confiáveis.
Nos ciclos de Stirling, os MLCs PST foram carregados no modo de 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 levasse cerca de 1 s (e pontos suficientes fossem coletados para um cálculo confiável da energia) e temperatura fria. Nos ciclos de Stirling, os MLCs PST foram carregados no modo de 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 levasse cerca de 1 s (e pontos suficientes fossem coletados para um cálculo confiável da energia) e temperatura fria. No ciclo Стирлинга PST MLC, você pode usar o histórico de configuração do pacote de energia elétrica поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (e набирается достаточное количество точек para a próxima semana energia) e temperatura elevada. Nos ciclos Stirling PST MLC, 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 carga leva cerca de 1 s (e um número suficiente de pontos são coletados para um cálculo de energia confiável) 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 de 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 (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (e набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) e baixa temperatura. No ciclo de 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 a energia de forma confiável) e baixas temperaturas.Antes que o PST MLC aqueça, abra o circuito aplicando uma corrente de casamento de I = 0 mA (a corrente de casamento mínima 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. Após atingir uma temperatura alta, a tensão no MLT FT aumenta (em alguns casos mais de 30 vezes, veja a figura 7.2 adicional), o MLK FT é descarregado (V = 0) e a energia elétrica é armazenada neles pelo mesmo tempo que a carga inicial. A mesma correspondência de corrente é retornada ao medidor-fonte. 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 pela conversão de calor em eletricidade.
Utilizamos 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 lidos pelo sourcemeter Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), onde τ é o período do ciclo. Em nossa curva de energia, valores positivos de energia significam a energia que temos que fornecer ao PST MLC, e 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 e Henao, NC Uma revisão do desenvolvimento e aplicações de microgeradores termoelétricos para coleta de energia. Ando Junior, OH, Maran, ALO e Henao, NC Uma revisão do desenvolvimento e aplicações de microgeradores termoelétricos para coleta de energia.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO e Henao, NC Visão geral do desenvolvimento e aplicação de microgeradores termoelétricos para coleta 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 a aplicação de microgeradores termoelétricos para coleta de energia.currículo. suporte. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
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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 ED Agradecemos à Fundação Nacional de Pesquisa de Luxemburgo (FNR) por apoiar este trabalho por meio 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