Ofrecer fuentes sostenibles de electricidad es uno de los retos más importantes de este siglo. De esta motivación surgen áreas de investigación en materiales de recolección de energía, incluidas la termoeléctrica1, la fotovoltaica2 y la termofotovoltaica3. Aunque carecemos de materiales y dispositivos capaces de recolectar energía en el rango de Joule, los materiales piroeléctricos que pueden convertir la energía eléctrica en cambios periódicos de temperatura se consideran sensores4 y recolectores de energía5,6,7. Aquí hemos desarrollado un recolector de energía térmica macroscópico en forma de un condensador multicapa hecho de 42 gramos de tantalato de plomo y escandio, que produce 11,2 J de energía eléctrica por ciclo termodinámico. Cada módulo piroeléctrico puede generar una densidad de energía eléctrica de hasta 4,43 J cm-3 por ciclo. También mostramos que dos de estos módulos que pesan 0,3 g son suficientes para alimentar continuamente recolectores de energía autónomos con microcontroladores y sensores de temperatura integrados. Finalmente, mostramos que para un rango de temperatura de 10 K, estos capacitores multicapa pueden alcanzar un 40% de eficiencia de Carnot. Estas propiedades se deben a (1) cambio de fase ferroeléctrica para una alta eficiencia, (2) baja corriente de fuga para evitar pérdidas y (3) alto voltaje de ruptura. Estos recolectores de energía piroeléctrica macroscópicos, escalables y eficientes están reinventando la generación de energía termoeléctrica.
En comparación con el gradiente de temperatura espacial requerido para los materiales termoeléctricos, la recolección de energía de materiales termoeléctricos requiere ciclos de temperatura a lo largo del tiempo. Esto significa un ciclo termodinámico, que se describe mejor mediante el diagrama de entropía (S)-temperatura (T). La Figura 1a muestra un gráfico ST típico de un material piroeléctrico no lineal (NLP) que demuestra una transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica impulsada por el campo en tantalato de plomo y escandio (PST). Las secciones azul y verde del ciclo en el diagrama ST corresponden a la energía eléctrica convertida en el ciclo de Olson (dos secciones isotérmicas y dos isópolos). Aquí consideramos dos ciclos con el mismo cambio de campo eléctrico (campo encendido y apagado) y cambio de temperatura ΔT, aunque con diferentes temperaturas iniciales. El ciclo verde no está ubicado en la región de transición de fase y, por lo tanto, tiene un área mucho más pequeña que el ciclo azul ubicado en la región de transición de fase. En el diagrama ST, cuanto mayor es el área, mayor es la energía recogida. Por lo tanto, la transición de fase debe recolectar más energía. La necesidad de ciclos de área grande en PNL es muy similar a la necesidad de aplicaciones electrotérmicas9, 10, 11, 12 donde los condensadores multicapa (MLC) PST y los terpolímeros basados ​​en PVDF han mostrado recientemente un excelente rendimiento inverso. estado de rendimiento de refrigeración en el ciclo 13,14,15,16. Por lo tanto, hemos identificado PST MLC de interés para la recolección de energía térmica. Estas muestras se han descrito completamente en los métodos y se han caracterizado en las notas complementarias 1 (microscopía electrónica de barrido), 2 (difracción de rayos X) y 3 (calorimetría).
a, Bosquejo de un gráfico de entropía (S)-temperatura (T) con campo eléctrico activado y desactivado aplicado a materiales NLP que muestran transiciones de fase. Se muestran dos ciclos de recolección de energía en dos zonas de temperatura diferentes. Los ciclos azul y verde ocurren dentro y fuera de la transición de fase, respectivamente, y terminan en regiones muy diferentes de la superficie. b, dos anillos unipolares DE PST MLC, de 1 mm de espesor, medidos entre 0 y 155 kV cm-1 a 20 °C y 90 °C, respectivamente, y los correspondientes ciclos de Olsen. Las letras ABCD se refieren a diferentes estados del ciclo de Olson. AB: Los MLC se cargaron a 155 kV cm-1 a 20°C. BC: MLC se mantuvo a 155 kV cm-1 y la temperatura se elevó a 90 °C. CD: MLC se descarga a 90°C. DA: MLC enfriado a 20°C en campo cero. El área azul corresponde a la potencia de entrada requerida para iniciar el ciclo. El área naranja es la energía recolectada en un ciclo. c, panel superior, voltaje (negro) y corriente (rojo) versus tiempo, rastreados durante el mismo ciclo de Olson que b. Los dos insertos representan la amplificación de voltaje y corriente en puntos clave del ciclo. En el panel inferior, las curvas amarilla y verde representan las curvas de temperatura y energía correspondientes, respectivamente, para un MLC de 1 mm de espesor. La energía se calcula a partir de las curvas de corriente y voltaje en el panel superior. La energía negativa corresponde a la energía recolectada. Los pasos correspondientes a las letras mayúsculas de las cuatro figuras son los mismos que en el ciclo de Olson. El ciclo AB'CD corresponde al ciclo de Stirling (nota adicional 7).
donde E y D son el campo eléctrico y el campo de desplazamiento eléctrico, respectivamente. Nd se puede obtener indirectamente del circuito DE (Fig. 1b) o directamente iniciando un ciclo termodinámico. Los métodos más útiles fueron descritos por Olsen en su trabajo pionero sobre la recogida de energía piroeléctrica en los años 198017.
En la fig. 1b muestra dos bucles DE monopolares de muestras de PST-MLC de 1 mm de espesor ensambladas a 20 °C y 90 °C, respectivamente, en un rango de 0 a 155 kV cm-1 (600 V). Estos dos ciclos se pueden utilizar para calcular indirectamente la energía recolectada por el ciclo de Olson que se muestra en la Figura 1a. De hecho, el ciclo de Olsen consta de dos ramas de isocampo (aquí, campo cero en la rama DA y 155 kV cm-1 en la rama BC) y dos ramas isotérmicas (aquí, 20°С y 20°С en la rama AB) . C en la rama CD) La energía recogida durante el ciclo corresponde a las regiones naranja y azul (integral EdD). La energía recolectada Nd es la diferencia entre la energía de entrada y de salida, es decir, solo el área naranja en la fig. 1b. Este ciclo de Olson en particular da una densidad de energía de Nd de 1,78 J cm-3. El ciclo de Stirling es una alternativa al ciclo de Olson (Nota complementaria 7). Debido a que la etapa de carga constante (circuito abierto) se alcanza más fácilmente, la densidad de energía extraída de la Fig. 1b (ciclo AB'CD) alcanza 1,25 J cm-3. Esto es sólo el 70% de lo que el ciclo Olson puede recolectar, pero un simple equipo de recolección lo hace.
Además, medimos directamente la energía recolectada durante el ciclo de Olson energizando el PST MLC usando una etapa de control de temperatura Linkam y un medidor de fuente (método). La Figura 1c en la parte superior y en los recuadros respectivos muestra la corriente (rojo) y el voltaje (negro) recolectados en el mismo PST MLC de 1 mm de espesor que para el bucle DE que pasa por el mismo ciclo de Olson. La corriente y el voltaje permiten calcular la energía recolectada, y las curvas se muestran en la fig. 1c, fondo (verde) y temperatura (amarillo) durante todo el ciclo. Las letras ABCD representan el mismo ciclo de Olson en la Fig. 1. La carga de MLC ocurre durante el tramo AB y se lleva a cabo con una corriente baja (200 µA), por lo que SourceMeter puede controlar adecuadamente la carga. La consecuencia de esta corriente inicial constante es que la curva de voltaje (curva negra) no es lineal debido al campo de desplazamiento potencial no lineal D PST (Fig. 1c, recuadro superior). Al final de la carga, se almacenan 30 mJ de energía eléctrica en el MLC (punto B). Luego, el MLC se calienta y se produce una corriente negativa (y por lo tanto una corriente negativa) mientras el voltaje permanece en 600 V. Después de 40 s, cuando la temperatura alcanzó una meseta de 90 °C, esta corriente se compensó, aunque la muestra escalonada produjo en el circuito una potencia eléctrica de 35 mJ durante este isocampo (segundo recuadro en la Fig. 1c, arriba). Luego se reduce el voltaje en el MLC (CD derivado), lo que genera 60 mJ adicionales de trabajo eléctrico. La energía de salida total es de 95 mJ. La energía recolectada es la diferencia entre la energía de entrada y de salida, lo que da 95 – 30 = 65 mJ. Esto corresponde a una densidad de energía de 1,84 J cm-3, que está muy cerca del Nd extraído del anillo DE. La reproducibilidad de este ciclo de Olson se ha probado exhaustivamente (Nota complementaria 4). Al aumentar aún más el voltaje y la temperatura, logramos 4,43 J cm-3 utilizando ciclos Olsen en un PST MLC de 0,5 mm de espesor en un rango de temperatura de 750 V (195 kV cm-1) y 175 °C (Nota complementaria 5). Esto es cuatro veces mayor que el mejor rendimiento informado en la literatura para ciclos directos de Olson y se obtuvo en películas delgadas de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm. Suplementario Tabla 1 para más valores en la literatura). Este rendimiento se alcanzó debido a la muy baja corriente de fuga de estos MLC (<10-7 A a 750 V y 180 °C, ver detalles en la Nota complementaria 6), un punto crucial mencionado por Smith et al.19, en contraste a los materiales utilizados en estudios anteriores17,20. Este rendimiento se alcanzó debido a la muy baja corriente de fuga de estos MLC (<10-7 A a 750 V y 180 °C, ver detalles en la Nota complementaria 6), un punto crucial mencionado por Smith et al.19, en contraste a los materiales utilizados en estudios anteriores17,20. Estas características están disponibles en lugares donde no hay ningún contacto con el equipo MLC (<10–7 a 750 V y 180 °C, sm. подробности в олнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Estas características se lograron debido a la muy baja corriente de fuga de estos MLC (<10–7 A a 750 V y 180 °C, consulte la Nota complementaria 6 para obtener más detalles), un punto crítico mencionado por Smith et al. 19 – a diferencia de los materiales utilizados en estudios 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人19 提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补充 说明 6 中 详细 信息）） ））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下,已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20. Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном примечаниии 6) — ключевой омент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Dado que la corriente de fuga de estos MLC es muy baja (<10–7 A a 750 V y 180 °C, consulte la Nota complementaria 6 para obtener más detalles), un punto clave mencionado por Smith et al. 19 – a modo de comparación, estos resultados se lograron.a los materiales utilizados en estudios anteriores 17,20.
Las mismas condiciones (600 V, 20–90 °C) se aplicaron al ciclo Stirling (nota complementaria 7). Como se esperaba de los resultados del ciclo DE, el rendimiento fue de 41,0 mJ. Una de las características más llamativas de los ciclos de Stirling es su capacidad para amplificar el voltaje inicial mediante el efecto termoeléctrico. Observamos una ganancia de voltaje de hasta 39 (desde un voltaje inicial de 15 V hasta un voltaje final de hasta 590 V, consulte la figura complementaria 7.2).
Otra característica distintiva de estos MLC es que son objetos macroscópicos lo suficientemente grandes como para recolectar energía en el rango de julios. Por lo tanto, construimos un prototipo de cosechadora (HARV1) utilizando 28 MLC PST de 1 mm de espesor, siguiendo el mismo diseño de placas paralelas descrito por Torello et al.14, en una matriz de 7×4 como se muestra en la Fig. El fluido dieléctrico portador de calor en el colector se desplaza mediante una bomba peristáltica entre dos depósitos donde la temperatura del fluido se mantiene constante (método). Recoja hasta 3,1 J utilizando el ciclo de Olson descrito en la fig. 2a, regiones isotérmicas a 10°C y 125°C y regiones de isocampos a 0 y 750 V (195 kV cm-1). Esto corresponde a una densidad de energía de 3,14 J cm-3. Con esta cosechadora, se tomaron medidas en diversas condiciones (Fig. 2b). Tenga en cuenta que se obtuvieron 1,8 J en un rango de temperatura de 80 °C y un voltaje de 600 V (155 kV cm-1). Esto concuerda con los 65 mJ mencionados anteriormente para PST MLC de 1 mm de espesor en las mismas condiciones (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configuración experimental de un prototipo HARV1 ensamblado basado en 28 PST MLC de 1 mm de espesor (4 filas × 7 columnas) que se ejecutan en ciclos de Olson. Para cada uno de los cuatro pasos del ciclo, el prototipo proporciona la temperatura y el voltaje. La computadora acciona una bomba peristáltica que hace circular un fluido dieléctrico entre los depósitos frío y caliente, dos válvulas y una fuente de energía. La computadora también utiliza termopares para recopilar datos sobre el voltaje y la corriente suministrada al prototipo y la temperatura de la cosechadora desde la fuente de alimentación. b, Energía (color) recolectada por nuestro prototipo MLC 4 × 7 versus rango de temperatura (eje X) y voltaje (eje Y) en diferentes experimentos.
Una versión más grande de la cosechadora (HARV2) con 60 PST MLC de 1 mm de espesor y 160 PST MLC de 0,5 mm de espesor (41,7 g de material piroeléctrico activo) produjo 11,2 J (Nota complementaria 8). En 1984, Olsen fabricó un recolector de energía basado en 317 g de un compuesto de Pb(Zr,Ti)O3 dopado con estaño capaz de generar 6,23 J de electricidad a una temperatura de aproximadamente 150 °C (ref. 21). Para esta cosechadora, este es el único otro valor disponible en el rango de julios. Obtuvo poco más de la mitad del valor que logramos y casi siete veces la calidad. Esto significa que la densidad de energía de HARV2 es 13 veces mayor.
El período del ciclo HARV1 es de 57 segundos. Esto produjo 54 mW de potencia con 4 filas de 7 columnas de conjuntos MLC de 1 mm de espesor. Para ir un paso más allá, construimos una tercera cosechadora (HARV3) con un PST MLC de 0,5 mm de espesor y una configuración similar a HARV1 y HARV2 (Nota complementaria 9). Medimos un tiempo de termalización de 12,5 segundos. Esto corresponde a un tiempo de ciclo de 25 s (Figura complementaria 9). La energía recolectada (47 mJ) da una potencia eléctrica de 1,95 mW por MLC, lo que a su vez nos permite imaginar que HARV2 produce 0,55 W (aproximadamente 1,95 mW × 280 PST MLC de 0,5 mm de espesor). Además, simulamos la transferencia de calor utilizando la simulación de elementos finitos (COMSOL, nota complementaria 10 y tablas complementarias 2 a 4) correspondientes a los experimentos HARV1. El modelado de elementos finitos hizo posible predecir valores de potencia casi un orden de magnitud mayores (430 mW) para el mismo número de columnas PST al adelgazar el MLC a 0,2 mm, usar agua como refrigerante y restaurar la matriz a 7 filas. . × 4 columnas (además de , había 960 mW cuando el tanque estaba al lado de la cosechadora, figura complementaria 10b).
Para demostrar la utilidad de este colector, se aplicó un ciclo Stirling a un demostrador independiente que constaba de solo dos MLC PST de 0,5 mm de espesor como colectores de calor, un interruptor de alto voltaje, un interruptor de bajo voltaje con capacitor de almacenamiento, un convertidor CC/CC. , un microcontrolador de baja potencia, dos termopares y un convertidor elevador (Nota complementaria 11). El circuito requiere que el condensador de almacenamiento se cargue inicialmente a 9 V y luego funcione de forma autónoma mientras la temperatura de los dos MLC oscila entre -5 °C y 85 °C, aquí en ciclos de 160 s (varios ciclos se muestran en la Nota complementaria 11). . Sorprendentemente, dos MLC que pesan sólo 0,3 g pueden controlar de forma autónoma este gran sistema. Otra característica interesante es que el convertidor de bajo voltaje es capaz de convertir 400 V a 10-15 V con una eficiencia del 79 % (Nota complementaria 11 y Figura complementaria 11.3).
Finalmente, evaluamos la eficiencia de estos módulos MLC en la conversión de energía térmica en energía eléctrica. El factor de calidad η de eficiencia se define como la relación entre la densidad de la energía eléctrica recolectada Nd y la densidad del calor suministrado Qin (Nota complementaria 12):
Las Figuras 3a, b muestran la eficiencia η y la eficiencia proporcional ηr del ciclo de Olsen, respectivamente, en función del rango de temperatura de un PST MLC de 0,5 mm de espesor. Ambos conjuntos de datos se dan para un campo eléctrico de 195 kV cm-1. La eficiencia \(\this\) alcanza el 1,43%, lo que equivale al 18% de ηr. Sin embargo, para un rango de temperatura de 10 K de 25 °C a 35 °C, ηr alcanza valores de hasta el 40% (curva azul en la Fig. 3b). Esto es el doble del valor conocido para los materiales NLP registrados en películas PMN-PT (ηr = 19%) en el rango de temperatura de 10 K y 300 kV cm-1 (Ref. 18). No se consideraron rangos de temperatura inferiores a 10 K porque la histéresis térmica del PST MLC está entre 5 y 8 K. Es fundamental reconocer el efecto positivo de las transiciones de fase en la eficiencia. De hecho, casi todos los valores óptimos de η y ηr se obtienen a la temperatura inicial Ti = 25°C en las Figs. 3a, b. Esto se debe a una transición de fase cercana cuando no se aplica ningún campo y la temperatura de Curie TC es de alrededor de 20 °C en estos MLC (nota complementaria 13).
a,b, la eficiencia η y la eficiencia proporcional del ciclo de Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } para la máxima eléctrica por un campo de 195 kV cm-1 y diferentes temperaturas iniciales Ti, }}\,\)(b) para el MPC PST de 0,5 mm de espesor, dependiendo del intervalo de temperatura ΔTspan.
Esta última observación tiene dos implicaciones importantes: (1) cualquier ciclo efectivo debe comenzar a temperaturas superiores a TC para que se produzca una transición de fase inducida por el campo (de paraeléctrica a ferroeléctrica); (2) estos materiales son más eficientes en tiempos de ejecución cercanos a TC. Aunque en nuestros experimentos se muestran eficiencias a gran escala, el rango de temperatura limitado no nos permite lograr grandes eficiencias absolutas debido al límite de Carnot (\(\Delta T/T\)). Sin embargo, la excelente eficiencia demostrada por estos PST MLC justifica a Olsen cuando menciona que “un motor termoeléctrico regenerativo ideal clase 20 que opera a temperaturas entre 50 °C y 250 °C puede tener una eficiencia del 30%”17. Para alcanzar estos valores y probar el concepto, sería útil utilizar PST dopadas con diferentes TC, como estudiaron Shebanov y Borman. Demostraron que la TC en PST puede variar de 3°C (dopaje Sb) a 33°C (dopaje Ti) 22 . Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que los regeneradores piroeléctricos de próxima generación basados ​​en PST MLC dopados u otros materiales con una fuerte transición de fase de primer orden pueden competir con los mejores recolectores de energía.
En este estudio, investigamos MLC elaborados a partir de PST. Estos dispositivos constan de una serie de electrodos Pt y PST, mientras que varios condensadores están conectados en paralelo. Se eligió PST porque es un material EC excelente y, por lo tanto, un material PNL potencialmente excelente. Muestra una transición brusca de fase ferroeléctrica-paraeléctrica de primer orden alrededor de 20 °C, lo que indica que sus cambios de entropía son similares a los que se muestran en la Fig. 1. Se han descrito completamente MLC similares para dispositivos EC13,14. En este estudio, utilizamos MLC de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ y 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Se fabricaron MLC con un espesor de 1 mm y 0,5 mm a partir de 19 y 9 capas de PST con un espesor de 38,6 µm, respectivamente. En ambos casos, la capa interna de PST se colocó entre electrodos de platino de 2,05 µm de espesor. El diseño de estos MLC supone que el 55% de los PST están activos, correspondiente a la parte entre los electrodos (Nota complementaria 1). El área del electrodo activo fue de 48,7 mm2 (Tabla complementaria 5). MLC PST se preparó mediante reacción en fase sólida y método de fundición. Los detalles del proceso de preparación han sido descritos en un artículo anterior14. Una de las diferencias entre PST MLC y el artículo anterior es el orden de los sitios B, que afecta en gran medida el rendimiento de EC en PST. El orden de los sitios B de PST MLC es 0,75 (Nota complementaria 2) obtenido mediante sinterización a 1400 °C seguido de un recocido de cientos de horas a 1000 °C. Para obtener más información sobre PST MLC, consulte las Notas complementarias 1-3 y la Tabla complementaria 5.
El concepto principal de este estudio se basa en el ciclo de Olson (Fig. 1). Para tal ciclo, necesitamos un depósito de frío y calor y una fuente de alimentación capaz de monitorear y controlar el voltaje y la corriente en los distintos módulos MLC. Estos ciclos directos utilizaron dos configuraciones diferentes, a saber (1) módulos Linkam que calentaban y enfriaban un MLC conectado a una fuente de energía Keithley 2410 y (2) tres prototipos (HARV1, HARV2 y HARV3) en paralelo con la misma fuente de energía. En este último caso, se utilizó un fluido dieléctrico (aceite de silicona con una viscosidad de 5 cP a 25°C, adquirido de Sigma Aldrich) para el intercambio de calor entre los dos depósitos (caliente y frío) y el MLC. El depósito térmico consta de un recipiente de vidrio lleno de fluido dieléctrico y colocado encima de la placa térmica. El almacenamiento en frío consiste en un baño de agua con tubos de líquido que contienen fluido dieléctrico en un recipiente de plástico grande lleno de agua y hielo. Se colocaron dos válvulas de pellizco de tres vías (compradas en Bio-Chem Fluidics) en cada extremo de la cosechadora para cambiar adecuadamente el fluido de un depósito a otro (Figura 2a). Para asegurar el equilibrio térmico entre el paquete PST-MLC y el refrigerante, el período del ciclo se extendió hasta que los termopares de entrada y salida (lo más cerca posible del paquete PST-MLC) mostraron la misma temperatura. El script Python gestiona y sincroniza todos los instrumentos (medidores de fuente, bombas, válvulas y termopares) para ejecutar el ciclo Olson correcto, es decir, el circuito de refrigerante comienza a circular a través de la pila de PST después de que se carga el medidor de fuente para que se caliente a la temperatura deseada. voltaje aplicado para un ciclo de Olson dado.
Alternativamente, hemos confirmado estas mediciones directas de la energía recolectada con métodos indirectos. Estos métodos indirectos se basan en bucles de campo de desplazamiento eléctrico (D) – campo eléctrico (E) recolectados a diferentes temperaturas, y al calcular el área entre dos bucles DE, se puede estimar con precisión cuánta energía se puede recolectar, como se muestra en la figura. . en la figura 2. .1b. Estos bucles DE también se recopilan utilizando medidores de fuente Keithley.
Se ensamblaron veintiocho MLC PST de 1 mm de espesor en una estructura de placa paralela de 4 filas y 7 columnas de acuerdo con el diseño descrito en la referencia. 14. La separación de fluido entre las filas de PST-MLC es de 0,75 mm. Esto se logra agregando tiras de cinta de doble cara como espaciadores líquidos alrededor de los bordes del PST MLC. El PST MLC está conectado eléctricamente en paralelo con un puente de epoxi plateado en contacto con los cables de los electrodos. Después de eso, los cables se pegaron con resina epoxi plateada a cada lado de los terminales de los electrodos para conectarlos a la fuente de alimentación. Finalmente, inserte toda la estructura en la manguera de poliolefina. Este último está pegado al tubo de fluido para asegurar un sellado adecuado. Finalmente, se construyeron termopares tipo K de 0,25 mm de espesor en cada extremo de la estructura PST-MLC para monitorear las temperaturas del líquido de entrada y salida. Para ello, primero hay que perforar la manguera. Después de instalar el termopar, aplique el mismo adhesivo que antes entre la manguera del termopar y el cable para restaurar el sello.
Se construyeron ocho prototipos separados, cuatro de los cuales tenían 40 PST MLC de 0,5 mm de espesor distribuidos como placas paralelas con 5 columnas y 8 filas, y los cuatro restantes tenían 15 PST MLC de 1 mm de espesor cada uno. en estructura de placa paralela de 3 columnas × 5 filas. El número total de PST MLC utilizados fue 220 (160 de 0,5 mm de espesor y 60 PST MLC de 1 mm de espesor). A estas dos subunidades las llamamos HARV2_160 y HARV2_60. El espacio para líquido en el prototipo HARV2_160 consta de dos cintas de doble cara de 0,25 mm de espesor con un alambre de 0,25 mm de espesor entre ellas. Para el prototipo HARV2_60 repetimos el mismo procedimiento, pero utilizando alambre de 0,38 mm de espesor. Por simetría, HARV2_160 y HARV2_60 tienen sus propios circuitos de fluido, bombas, válvulas y lado frío (Nota complementaria 8). Dos unidades HARV2 comparten un depósito de calor, un recipiente de 3 litros (30 cm x 20 cm x 5 cm) sobre dos placas calientes con imanes giratorios. Los ocho prototipos individuales están conectados eléctricamente en paralelo. Las subunidades HARV2_160 y HARV2_60 funcionan simultáneamente en el ciclo de Olson, lo que da como resultado una cosecha de energía de 11,2 J.
Coloque PST MLC de 0,5 mm de espesor en una manguera de poliolefina con cinta adhesiva de doble cara y alambre en ambos lados para crear espacio para que fluya el líquido. Debido a su pequeño tamaño, el prototipo se colocó junto a una válvula de depósito de frío o calor, minimizando los tiempos de ciclo.
En PST MLC, se aplica un campo eléctrico constante aplicando un voltaje constante a la rama de calefacción. Como resultado, se genera una corriente térmica negativa y se almacena energía. Después de calentar el PST MLC, se elimina el campo (V = 0) y la energía almacenada en él se devuelve al contador de fuente, lo que corresponde a una contribución más de la energía recolectada. Finalmente, con un voltaje V = 0 aplicado, los PST del MLC se enfrían a su temperatura inicial para que el ciclo pueda comenzar nuevamente. En esta etapa no se recoge energía. Ejecutamos el ciclo Olsen usando un SourceMeter Keithley 2410, cargando el PST MLC desde una fuente de voltaje y configurando la coincidencia de corriente al valor apropiado para que se recolectaran suficientes puntos durante la fase de carga para realizar cálculos de energía confiables.
En los ciclos de Stirling, los MLC PST se cargaron en modo de fuente de voltaje a un valor de campo eléctrico inicial (voltaje inicial Vi > 0), una corriente de cumplimiento deseada para que el paso de carga dure aproximadamente 1 s (y se reúnan suficientes puntos para un cálculo confiable de la energía) y la temperatura fría. En los ciclos de Stirling, los MLC PST se cargaron en modo de fuente de voltaje a un valor de campo eléctrico inicial (voltaje inicial Vi > 0), una corriente de cumplimiento deseada para que el paso de carga dure aproximadamente 1 s (y se reúnan suficientes puntos para un cálculo confiable de la energía) y la temperatura fría. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение) > 0), желаемом податливом toke, так что этап зарядки занимает около 1 s (y набирается достаточное количество для надежного а энергия) и холодная температура. En los ciclos Stirling PST MLC, se cargaron en el modo de fuente de voltaje al valor inicial del campo eléctrico (voltaje inicial Vi > 0), la corriente de rendimiento deseada, de modo que la etapa de carga dura aproximadamente 1 s (y un número suficiente de puntos se recogen para un cálculo fiable de la energía) y temperatura fría.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. En el ciclo maestro, el PST MLC se carga en el valor del campo eléctrico inicial (voltaje inicial Vi > 0) en el modo de fuente de voltaje, de modo que la corriente de cumplimiento requerida tarda aproximadamente 1 segundo para el paso de carga (y recopilamos suficientes puntos para Calcula de forma fiable (energía) y baja temperatura. En el ciclo Stirlinga PST MLC se activa la configuración del sistema eléctrico con el nombre de un polo eléctrico (no disponible Vi > 0); тать энергию) Y низкие temperaturas . En el ciclo Stirling, el PST MLC se carga en el modo de fuente de voltaje con un valor inicial del campo eléctrico (voltaje inicial Vi > 0), la corriente de cumplimiento requerida es tal que la etapa de carga dura aproximadamente 1 s (y un número suficiente de puntos se recogen para calcular de forma fiable la energía) y las bajas temperaturas.Antes de que el PST MLC se caliente, abra el circuito aplicando una corriente coincidente de I = 0 mA (la corriente coincidente mínima que nuestra fuente de medición puede manejar es 10 nA). Como resultado, queda una carga en el PST del MJK y el voltaje aumenta a medida que la muestra se calienta. No se acumula energía en el brazo BC porque I = 0 mA. Después de alcanzar una temperatura alta, el voltaje en el MLT FT aumenta (en algunos casos más de 30 veces, consulte la figura adicional 7.2), el MLK FT se descarga (V = 0) y la energía eléctrica se almacena en ellos durante el mismo tiempo. ya que serán la carga inicial. La misma correspondencia actual se devuelve a la fuente del medidor. Debido a la ganancia de voltaje, la energía almacenada a alta temperatura es mayor que la proporcionada al comienzo del ciclo. En consecuencia, la energía se obtiene convirtiendo el calor en electricidad.
Utilizamos un SourceMeter Keithley 2410 para monitorear el voltaje y la corriente aplicados al PST MLC. La energía correspondiente se calcula integrando el producto del voltaje y la corriente leídos por el medidor fuente de Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), donde τ es el período del período. En nuestra curva de energía, los valores de energía positivos significan la energía que tenemos que darle a los MLC PST, y los valores negativos significan la energía que extraemos de ellos y por tanto la energía recibida. La potencia relativa para un ciclo de recolección determinado se determina dividiendo la energía recolectada por el período τ de todo el ciclo.
Todos los datos se presentan en el texto principal o en información adicional. Las cartas y solicitudes de materiales deben dirigirse a la fuente de datos AT o ED proporcionados con este artículo.
Ando Junior, OH, Maran, ALO y Henao, NC Una revisión del desarrollo y aplicaciones de microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía. Ando Junior, OH, Maran, ALO y Henao, NC Una revisión del desarrollo y aplicaciones de microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO y Henao, NC Descripción general del desarrollo y aplicación de microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía. Ando Junior, OH, Maran, ALO y Henao, Carolina del Norte. Ando Junior, OH, Maran, ALO y Henao, Carolina del NorteAndo Junior, Ohio, Maran, ALO y Henao, Carolina del Norte, están considerando el desarrollo y aplicación de microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía.reanudar. apoyo. Energía Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiales fotovoltaicos: eficiencias presentes y desafíos futuros. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiales fotovoltaicos: eficiencias presentes y desafíos futuros.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. y Sinke, VK Materiales fotovoltaicos: rendimiento actual y desafíos futuros. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Materiales solares: eficiencia actual y desafíos futuros.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. y Sinke, VK Materiales fotovoltaicos: rendimiento actual y desafíos futuros.Ciencia 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL y Yang, Y. Efecto piropiezoeléctrico conjunto para detección simultánea de temperatura y presión autoalimentada. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL y Yang, Y. Efecto piropiezoeléctrico conjunto para detección simultánea de temperatura y presión autoalimentada.Song K., Zhao R., Wang ZL y Yan Yu. Efecto piropiezoeléctrico combinado para la medición simultánea autónoma de temperatura y presión. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL y Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL y Yang, Y. Para autoalimentación al mismo tiempo que temperatura y presión.Song K., Zhao R., Wang ZL y Yan Yu. Efecto termopiezoeléctrico combinado para medición simultánea autónoma de temperatura y presión.Adelante. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. y Guyomar, D. Captación de energía basada en ciclos piroeléctricos de Ericsson en una cerámica ferroeléctrica relajante. Sebald, G., Pruvost, S. y Guyomar, D. Captación de energía basada en ciclos piroeléctricos de Ericsson en una cerámica ferroeléctrica relajante.Sebald G., Prouvost S. y Guyomar D. Captación de energía basada en ciclos piroeléctricos de Ericsson en cerámicas ferroeléctricas relajantes.Sebald G., Prouvost S. y Guyomar D. Captación de energía en cerámicas ferroeléctricas relajantes basadas en ciclos piroeléctricos de Ericsson. Alma mater inteligente. estructura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiales electrocalóricos y piroeléctricos de próxima generación para la interconversión de energía electrotérmica de estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiales electrocalóricos y piroeléctricos de próxima generación para la interconversión de energía electrotérmica de estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. y Whatmore, RW вания твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiales electrocalóricos y piroeléctricos de próxima generación para la interconversión de energía electrotérmica de estado sólido. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. y Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. y Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. y Whatmore, RW вания твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Materiales electrocalóricos y piroeléctricos de próxima generación para la interconversión de energía electrotérmica de estado sólido.Señora Toro. 39, 1099-1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL y Yang, Y. Estándar y figura de mérito para cuantificar el rendimiento de nanogeneradores piroeléctricos. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL y Yang, Y. Estándar y figura de mérito para cuantificar el rendimiento de nanogeneradores piroeléctricos.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL y Yang, Yu. Un puntaje estándar y de calidad para cuantificar el rendimiento de los nanogeneradores piroeléctricos. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL y Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL y Yang, Yu. Criterios y medidas de desempeño para cuantificar el desempeño de un nanogenerador piroeléctrico.Nano Energía 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. y Mathur, ND Ciclos de enfriamiento electrocalórico en tantalato de plomo y escandio con verdadera regeneración mediante variación de campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. y Mathur, ND Ciclos de enfriamiento electrocalórico en tantalato de plomo y escandio con verdadera regeneración mediante variación de campo.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. y Mathur, ND Ciclos de enfriamiento electrocalórico en tantalato de plomo-escandio con verdadera regeneración mediante modificación de campo. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. y Mathur, ND. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. y Mathur, ND. Tantalio.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. y Mathur, ND Un ciclo de enfriamiento electrotérmico de tantalato de escandio y plomo para una verdadera regeneración mediante la inversión de campo.Física Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. y Mathur, ND Materiales calóricos cerca de transiciones de fase ferroica. Moya, X., Kar-Narayan, S. y Mathur, ND Materiales calóricos cerca de transiciones de fase ferroica.Moya, X., Kar-Narayan, S. y Mathur, ND Materiales calóricos cerca de transiciones de fase ferroide. Moya, X., Kar-Narayan, S. y Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料. Moya, X., Kar-Narayan, S. y Mathur, ND Materiales térmicos cerca de la metalurgia ferrosa.Moya, X., Kar-Narayan, S. y Mathur, ND Materiales térmicos cerca de las transiciones de fase de hierro.Nat. alma máter 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Materiales calóricos para refrigeración y calefacción. Moya, X. & Mathur, ND Materiales calóricos para refrigeración y calefacción.Moya, X. y Mathur, ND Materiales térmicos para refrigeración y calefacción. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料. Moya, X. & Mathur, ND Materiales térmicos para refrigeración y calefacción.Moya X. y Mathur ND Materiales térmicos para refrigeración y calefacción.Ciencia 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Refrigeradores electrocalóricos: una revisión. Torelló, A. & Defay, E. Refrigeradores electrocalóricos: una revisión.Torello, A. y Defay, E. Enfriadores electrocalóricos: una revisión. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. y Defay, E. Refrigeradores electrotérmicos: una revisión.Avanzado. electrónico. alma máter. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al. Enorme eficiencia energética del material electrocalórico en escandio-escandio-plomo altamente ordenado. Comunicado nacional. 12, 3298 (2021).
Nair, B. y col. El efecto electrotérmico de los condensadores multicapa de óxido es grande en un amplio rango de temperaturas. Naturaleza 575, 468–472 (2019).
Torelló, A. et al. Enorme rango de temperatura en regeneradores electrotérmicos. Ciencia 370, 125-129 (2020).
Wang, Y. et al. Sistema de refrigeración electrotérmico de estado sólido de alto rendimiento. Ciencia 370, 129-133 (2020).
Meng, Y. et al. Dispositivo de refrigeración electrotérmica en cascada para grandes aumentos de temperatura. Energía Nacional 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB y Brown, DD Conversión directa de alta eficiencia de calor en mediciones piroeléctricas relacionadas con energía eléctrica. Olsen, RB y Brown, DD Conversión directa de alta eficiencia de calor en mediciones piroeléctricas relacionadas con energía eléctrica.Olsen, RB y Brown, DD Conversión directa altamente eficiente de calor en energía eléctrica asociada con mediciones piroeléctricas. Olsen, RB y Brown, DD Olsen, RB y Brown, DDOlsen, RB y Brown, DD Conversión directa eficiente de calor en electricidad asociada con mediciones piroeléctricas.Ferroeléctricos 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. y col. Densidad de energía y potencia en películas ferroeléctricas delgadas relajantes. Alma máter nacional. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimización de la transición de fase ferroeléctrica y las pérdidas eléctricas. Smith, AN & Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimización de la transición de fase ferroeléctrica y las pérdidas eléctricas.Smith, AN y Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: transición de fase ferroeléctrica y optimización de pérdidas eléctricas. Smith, AN y Hanrahan, BM Smith, AN y Hanrahan, BMSmith, AN y Hanrahan, BM Conversión piroeléctrica en cascada: optimización de las transiciones de fase ferroeléctrica y pérdidas eléctricas.J. Solicitud. física. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR El uso de materiales ferroeléctricos para convertir la energía térmica en electricidad. proceso. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM y Dullea, J. Convertidor de energía piroeléctrica en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM y Dullea, J. Convertidor de energía piroeléctrica en cascada.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM y Dullea, J. Convertidor de energía piroeléctrica en cascada. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM y Dullea, J. 级联热释电能量转换器. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM y Dullea, J. 级联热释电能量转换器.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM y Dullea, J. Convertidores de potencia piroeléctrica en cascada.Ferroeléctricos 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Sobre soluciones sólidas de tantalato de plomo y escandio con alto efecto electrocalórico. Shebanov, L. & Borman, K. Sobre soluciones sólidas de tantalato de plomo y escandio con alto efecto electrocalórico.Shebanov L. y Borman K. Sobre soluciones sólidas de tantalato de plomo y escandio con un alto efecto electrocalórico. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体. Shebanov, L. y Borman, K.Shebanov L. y Borman K. Sobre soluciones sólidas de escandio-plomo-escandio con alto efecto electrocalórico.Ferroeléctricos 127, 143-148 (1992).
Agradecemos a N. Furusawa, Y. Inoue y K. Honda por su ayuda en la creación del MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB y ​​ED Gracias a la Fundación Nacional de Investigación de Luxemburgo (FNR) por apoyar este trabajo a través de CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay y BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Departamento de Investigación y Tecnología de Materiales, Instituto Tecnológico de Luxemburgo (LIST), Belvoir, Luxemburgo