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 termoelétrica¹, fotovoltaica² e termofotovoltaica³. Embora ainda 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 integrados. Finalmente, mostramos que, para uma faixa de temperatura de 10 K, esses capacitores multicamadas podem atingir 40% de eficiência de Carnot. Essas propriedades devem-se 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.
Em comparação com o gradiente de temperatura espacial necessário para materiais termoelétricos, a geração de energia a partir desses materiais requer ciclos térmicos 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 (NLP) demonstrando uma transição de fase ferroelétrica-paraelétrica induzida 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 isopolares). 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 ciclos de grande área 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. Portanto, identificamos MLCs de PST de interesse para a coleta 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 um gráfico de entropia (S) versus 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, com 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 Olsen. AB: MLCs carregados a 155 kV cm⁻¹ a 20 °C. BC: MLC mantido a 155 kV cm⁻¹ e a temperatura elevada para 90 °C. CD: MLC descarregado 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 representa a energia coletada em um ciclo. c, painel superior, tensão (preta) e corrente (vermelha) em função do tempo, registradas durante o mesmo ciclo de Olson que b. Os dois gráficos inseridos 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 um MLC de 1 mm de espessura. A energia é calculada a partir das curvas de corrente e tensão no painel superior. 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 a coleta de energia piroelétrica na década de 198017.
A Figura 1b mostra dois laços de deformação dielétrica monopolar de amostras de PST-MLC com 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. De fato, o ciclo de Olson 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 no ramo AB e 20 °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 a energia de saída, ou seja, apenas a área laranja na Figura 1b. Este ciclo de Olson em 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 Fig. 1b (ciclo AB'CD) atinge 1,25 J cm-3. Isso representa apenas 70% da capacidade de coleta do ciclo de Olson, mas equipamentos simples de coleta de energia conseguem atingir esse valor.
Além disso, medimos diretamente a energia coletada durante o ciclo de Olson energizando o MLC de PST usando um estágio de controle de temperatura Linkam e um medidor de fonte (método). A Figura 1c, na parte superior e nos respectivos detalhes, mostra a corrente (vermelha) e a tensão (preta) coletadas no mesmo MLC de PST de 1 mm de espessura usado para o circuito DE durante o mesmo ciclo de Olson. A corrente e a tensão permitem calcular a energia coletada, e as curvas são mostradas na Figura 1c, na parte inferior (verde), e a temperatura (amarela) ao longo do ciclo. As letras ABCD representam o mesmo ciclo de Olson da Figura 1. O carregamento do MLC ocorre durante o ramo AB e é realizado com uma corrente baixa (200 µA), permitindo que o SourceMeter controle 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 (Figura 1c, detalhe superior). Ao final do carregamento, 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 da do Nd extraído do anel DE. A reprodutibilidade deste ciclo de Olson foi extensivamente testada (Nota Suplementar 4). Aumentando ainda mais a tensão e a temperatura, alcançamos 4,43 J cm-3 usando ciclos de Olsen em um MLC de 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 do que o melhor desempenho relatado na literatura para ciclos de Olsen diretos e foi obtido em filmes finos de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (consulte a Tabela Suplementar 1 para obter 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 com os materiais usados ​​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 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 os 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 Sim e Dr. 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 suplementar 7). Como esperado a partir dos resultados do ciclo DE, o rendimento foi de 41,0 mJ. Uma das características mais marcantes dos ciclos de 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 para uma tensão final de até 590 V, ver Figura suplementar 7.2).
Outra característica distintiva desses MLCs é que eles são objetos macroscópicos grandes o suficiente para coletar energia na faixa de joules. Portanto, construímos um protótipo de coletor (HARV1) usando 28 MLCs 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 de transporte de calor no coletor é deslocado por uma bomba peristáltica entre dois reservatórios onde a temperatura do fluido é mantida constante (método). Coletamos até 3,1 J usando o ciclo de Olson descrito na Fig. 2a, regiões isotérmicas a 10 °C e 125 °C e regiões de campo magnético constante a 0 e 750 V (195 kV cm^-1). Isso corresponde a uma densidade de energia de 3,14 J cm^-3. Usando este coletor, foram realizadas medições sob diversas condições (Fig. 2b). Note-se que 1,8 J foram obtidos 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 um MLC de PST de 1 mm de espessura sob as mesmas condições (28 × 65 = 1820 mJ).
a) Configuração experimental de um protótipo HARV1 montado, baseado em 28 PSTs MLC de 1 mm de espessura (4 linhas × 7 colunas) operando 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 alimentação. O computador também utiliza termopares para coletar dados sobre a tensão e a corrente fornecidas ao protótipo e a temperatura do conjunto proveniente da fonte de alimentação. b) Energia (cor) coletada pelo nosso protótipo MLC 4×7 em função da faixa de temperatura (eixo X) e da tensão (eixo Y) em diferentes experimentos.
Uma versão maior do coletor (HARV2) com 60 MLC PST de 1 mm de espessura e 160 MLC PST de 0,5 mm de espessura (41,7 g de material piroelétrico ativo) gerou 11,2 J (Nota Suplementar 8). Em 1984, Olsen fabricou 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 combinação, este é o único outro valor disponível na faixa de joules. Ele obteve pouco mais da metade do valor que alcançamos e quase sete vezes a qualidade. Isso significa que a densidade de energia do HARV2 é 13 vezes maior.
O período de ciclo do HARV1 é de 57 segundos. Isso gerou 54 mW de potência com 4 linhas de 7 colunas de conjuntos de MLC de 1 mm de espessura. Para ir além, construímos um terceiro comutador (HARV3) com um MLC de 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 (Figura 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 produza 0,55 W (aproximadamente 1,95 mW × 280 MLCs de 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 2–4) correspondente aos experimentos do HARV1. A modelagem por elementos finitos possibilitou prever valores de potência quase uma ordem de magnitude maiores (430 mW) para o mesmo número de colunas PST, reduzindo a espessura do 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, Figura Suplementar 10b).
Para demonstrar a utilidade deste coletor, um ciclo Stirling foi aplicado a um demonstrador autônomo composto por apenas dois MLCs de PST com 0,5 mm de espessura como coletores de calor, uma chave de alta tensão, uma chave de baixa tensão com capacitor de armazenamento, um conversor CC/CC, um microcontrolador de baixo consumo, 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, opera de forma autônoma enquanto a temperatura dos dois MLCs varia de -5 °C a 85 °C, 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 sistema de grande porte. Outra característica interessante é que o conversor de baixa tensão é capaz de converter 400 V para 10-15 V com 79% de eficiência (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 suplementar 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 um 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 \(\this\) 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 Figura 3b). Isso é o dobro do valor conhecido para materiais NLP registrado 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 do 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 é em torno de 20 °C nesses MLCs (Nota suplementar 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.
A última observação tem duas implicações importantes: (1) qualquer ciclagem efetiva deve começar em temperaturas acima de TC para que ocorra uma transição de fase induzida por campo (de paraelétrica para ferroelétrica); (2) esses materiais são mais eficientes em tempos de operação próximos a TC. Embora eficiências em larga escala sejam demonstradas em nossos experimentos, a faixa de temperatura limitada não nos permite alcançar grandes eficiências absolutas devido ao limite de Carnot (ΔT/T). No entanto, a excelente eficiência demonstrada por esses MLCs de PST justifica a afirmação de Olsen de que “um motor termoelétrico regenerativo ideal de classe 20, 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, como estudado por Shebanov e Borman. Eles mostraram que o TC em 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 de PST dopados ou outros materiais com uma forte transição de fase de primeira ordem, podem competir com os melhores dispositivos de coleta de energia.
Neste estudo, investigamos MLCs (capacitores multicamadas) feitos de PST (poliestireno de silício). Esses dispositivos consistem em uma série de eletrodos de Pt e PST, nos quais vários capacitores são conectados em paralelo. O PST foi escolhido por ser um excelente material eletrocrômico (EC) e, portanto, um potencial excelente material para polarização não linear (NLP). Ele exibe uma transição de fase ferroelétrica-paraelétrica de primeira ordem abrupta em torno de 20 °C, indicando que suas mudanças de entropia são semelhantes às mostradas na Figura 1. MLCs semelhantes já foram descritos detalhadamente para dispositivos EC^13,14. Neste estudo, utilizamos MLCs de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ e 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Os MLCs com espessura de 1 mm e 0,5 mm foram feitos 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 projeto desses MLCs pressupõe que 55% dos PSTs estejam ativos, correspondendo à parte entre os eletrodos (Nota Suplementar 1). A área do eletrodo ativo era de 48,7 mm² (Tabela Suplementar 5). O PST MLC foi preparado por reação em fase sólida e método de fundição. Os detalhes do processo de preparação foram descritos em um artigo anterior¹⁴. Uma das diferenças entre o PST MLC e o do artigo anterior é a ordem dos sítios B, que afeta significativamente o desempenho da EC no PST. A ordem dos sítios B do PST MLC é 0,75 (Nota Suplementar 2), obtida por sinterização a 1400 °C seguida de recozimento de centenas de horas a 1000 °C. Para 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 um frio, bem como 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: (1) módulos Linkam aquecendo e resfriando um MLC conectado 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 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 em um recipiente de vidro preenchido com fluido dielétrico e colocado sobre a placa térmica. O armazenamento a frio consiste em um banho-maria com tubos contendo fluido dielétrico em um grande recipiente de plástico cheio de água e gelo. Duas válvulas de pinça de três vias (adquiridas da Bio-Chem Fluidics) foram colocadas em cada extremidade do combinador para alternar corretamente o fluido de um reservatório para o outro (Figura 2a). Para garantir o equilíbrio térmico entre o pacote PST-MLC e o fluido refrigerante, o período do ciclo foi estendido até que os termopares de entrada e saída (o mais próximo possível do pacote PST-MLC) indicassem a mesma temperatura. O script em 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 fluido refrigerante começa a circular pela pilha PST após o medidor de fonte ser carregado, de modo que eles aqueçam na tensão aplicada desejada para o ciclo Olson em questão.
Alternativamente, confirmamos essas medições diretas da energia coletada com métodos indiretos. Esses métodos indiretos baseiam-se em curvas de deslocamento elétrico (D) - campo elétrico (E) coletadas em diferentes temperaturas e, calculando a área entre duas curvas DE, é possível estimar com precisão quanta energia pode ser coletada, como mostrado na figura 2.1b. Essas curvas DE também são coletadas usando medidores de fonte Keithley.
Vinte e oito MLCs de PST com 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. O espaçamento do fluido entre as fileiras de MLCs de PST é de 0,75 mm. Isso é obtido adicionando-se tiras de fita dupla face como espaçadores de líquido ao redor das bordas dos MLCs de PST. Os MLCs de PST são conectados eletricamente em paralelo com uma ponte de epóxi de prata em contato com os terminais dos eletrodos. Em seguida, fios foram colados com resina epóxi de prata em cada lado dos terminais dos eletrodos para conexão à fonte de alimentação. Finalmente, toda a estrutura é inserida na mangueira de poliolefina. Esta é colada ao tubo de fluido para garantir uma vedação adequada. Por fim, termopares tipo K de 0,25 mm de espessura foram instalados em cada extremidade da estrutura de MLCs de PST para monitorar as temperaturas do líquido na entrada e na saída. Para isso, a mangueira deve ser perfurada previamente. Após instalar o termopar, aplique o mesmo adesivo usado anteriormente entre a mangueira e o fio do termopar para restabelecer a vedação.
Oito protótipos distintos foram construídos, quatro dos quais possuíam 40 PSTs MLC de 0,5 mm de espessura distribuídos em placas paralelas com 5 colunas e 8 linhas, e os quatro restantes possuíam 15 PSTs MLC de 1 mm de espessura cada, em uma estrutura de placas paralelas de 3 colunas × 5 linhas. O número total de PSTs MLC utilizados foi 220 (160 com 0,5 mm de espessura e 60 com 1 mm de espessura). Denominamos essas duas subunidades de HARV2_160 e HARV2_60. O espaço líquido no protótipo HARV2_160 consiste em duas fitas adesivas 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 um fio de 0,38 mm de espessura. Para simetria, HARV2_160 e HARV2_60 possuem 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 aquecidas com ímãs rotativos. Todos os oito protótipos individuais estão conectados eletricamente em paralelo. As subunidades HARV2_160 e HARV2_60 funcionam simultaneamente no ciclo Olson, resultando em uma geração de energia de 11,2 J.
Coloque um tubo PST MLC de 0,5 mm de espessura dentro de uma mangueira de poliolefina com fita dupla face e arame em ambas as extremidades para criar espaço para o fluxo de líquido. Devido ao seu pequeno tamanho, o protótipo foi posicionado próximo a uma válvula de reservatório de água quente ou fria, minimizando os tempos de ciclo.
No PST MLC, um campo elétrico constante é aplicado através da aplicação de uma tensão constante ao ramo de aquecimento. Como resultado, uma corrente térmica negativa é gerada e energia é armazenada. Após o aquecimento do PST MLC, o campo é removido (V = 0) e a energia armazenada 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 MLC são resfriados à sua temperatura inicial para que o ciclo possa recomeçar. Nesta etapa, não há coleta de energia. Executamos o ciclo de Olsen utilizando um SourceMeter Keithley 2410, carregando o PST MLC a partir de uma fonte de tensão e ajustando a correspondência de corrente para o valor apropriado, de modo 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 com 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 com 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 com o valor inicial do campo elétrico (tensão inicial Vi > 0), a corrente de rendimento desejada, de modo que o estágio de carregamento levasse cerca de 1 s (e um número suficiente de pontos fosse coletado para um cálculo de energia confiável) e em 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 do campo elétrico inicial (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 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 adaptação de I = 0 mA (a corrente de adaptação mínima que nossa fonte de medição suporta é de 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 alta temperatura, a tensão no MLT FT aumenta (em alguns casos, mais de 30 vezes, veja a figura adicional 7.2), o MLK FT é descarregado (V = 0) e a energia elétrica é armazenada neles na mesma proporção da carga inicial. A mesma corrente é retornada à fonte de medição. 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 MLC PST. A energia correspondente é calculada integrando o produto da tensão e da corrente lidas pelo SourceMeter da Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), onde τ é o período. Em nossa curva de energia, valores positivos representam a energia que devemos fornecer ao MLC PST, e valores negativos representam a energia que extraímos dele e, portanto, a energia recebida. A potência relativa para um determinado ciclo de coleta é determinada dividindo-se a energia coletada pelo período τ do ciclo completo.
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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. Agradecemos à Fundação Nacional de Pesquisa de Luxemburgo (FNR) pelo apoio a este trabalho através dos projetos 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