Ofrecer fuentes sostenibles de electricidad es uno de los desafíos más importantes de este siglo. Las áreas de investigación en los materiales de recolección de energía provienen de esta motivación, incluidos Thermoelectric1, Photovoltaic2 y ThermoPhotovoltaics3. 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 cosechadoras de energía 5,6,7. Aquí hemos desarrollado una cosechadora de energía térmica macroscópica en forma de un condensador multicapa hecho de 42 gramos de tantalato de escandio de plomo, produciendo 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 las recolectores de energía autónomos con microcontroladores incrustados y sensores de temperatura. Finalmente, mostramos que para un rango de temperatura de 10 K, estos condensadores multicapa pueden alcanzar el 40% de la 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 descomposición. Estos recolectores de potencia piroeléctrica macroscópica, escalable y eficiente 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 los materiales termoeléctricos requiere el ciclo de temperatura con el tiempo. Esto significa un ciclo termodinámico, que se describe mejor por el diagrama de temperatura (s) de entropía (t). La Figura 1A muestra una gráfica ST típica de un material piroeléctrico no lineal (PNL) que demuestra una transición de fase ferroeléctrica-pareléctrica impulsada por el campo en el tantalato de plomo de escandio (PST). Las secciones azules y verdes del ciclo en el diagrama ST corresponden a la energía eléctrica convertida en el ciclo Olson (dos secciones isotérmicas y dos isopolo). 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 se encuentra 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 recolectada. 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 electrotermales9, 10, 11, 12, donde los condensadores multicapa PST (MLC) y los terpolímeros basados ​​en PVDF han mostrado recientemente un excelente rendimiento inverso. Estado de rendimiento de enfriamiento en el ciclo 13,14,15,16. Por lo tanto, hemos identificado MLC de interés para la recolección de energía térmica. Estas muestras se han descrito completamente en los métodos y se caracterizaron en las notas complementarias 1 (microscopía electrónica de barrido), 2 (difracción de rayos X) y 3 (calorimetría).
A, bosquejo de una trazado de temperatura (s) (t) de entropía con campo eléctrico encendido y apagado aplicado a materiales de PNL que muestran transiciones de fase. Se muestran dos ciclos de recolección de energía en dos zonas de temperatura diferentes. Los ciclos azules y verdes 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 ciclos Olsen correspondientes. Las letras ABCD se refieren a diferentes estados en el ciclo de Olson. AB: se cargaron MLC 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 descarga a 90 ° C. DA: MLC se enfrió 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, rastreado durante el mismo ciclo Olson que b. Los dos insertos representan la amplificación de voltaje y corriente en los puntos clave del ciclo. En el panel inferior, las curvas amarillas y verdes representan la temperatura y las curvas de 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 en las cuatro figuras son los mismos que en el ciclo Olson. El ciclo AB'CD corresponde al ciclo 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. Olsen describió los métodos más útiles en su trabajo pionero sobre la recolección de energía piroeléctrica en el 1980S17.
En la fig. 1b muestra dos bucles monopolares de muestras 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 usar para calcular indirectamente la energía recolectada por el ciclo OLSON que se muestra en la Figura 1A. De hecho, el ciclo Olsen consta de dos ramas isofield (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 ° en la rama AB). C en la rama CD) La energía recolectada durante el ciclo corresponde a las regiones naranja y azul (integral EDD). La energía recolectada ND es la diferencia entre la entrada y la energía de salida, es decir, solo el área naranja en la FIG. 1b. Este ciclo Olson en particular ofrece una densidad de energía ND de 1.78 J CM-3. El ciclo de Stirling es una alternativa al ciclo 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 solo el 70% de lo que el ciclo Olson puede recolectar, pero el equipo de cosecha simple lo hace.
Además, medimos directamente la energía recolectada durante el ciclo OLSON energizando el PST MLC utilizando una etapa de control de temperatura de Linkam y un medidor de origen (método). La Figura 1C en la parte superior y en las inserciones respectivas muestra la corriente (rojo) y el voltaje (negro) recogido en el mismo MLC PST de 1 mm de espesor que para el bucle DE que pasa por el mismo ciclo 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 OLSON en la figura 1. La carga de MLC ocurre durante la pierna AB y se lleva a cabo a una corriente baja (200 µA), por lo que el 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 de 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). El MLC luego se calienta y se produce una corriente negativa (y por lo tanto una corriente negativa), mientras que el voltaje permanece a 600 V. Después de 40 s, cuando la temperatura alcanzó una meseta de 90 ° C, esta corriente fue compensada, aunque la muestra de paso producida en el circuito una potencia eléctrica de 35 mJ durante esta isofield (segundo en cuenta en la figura 1C, arriba). El voltaje en el MLC (Rama CD) se reduce luego, lo que resulta en 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 salida, que proporciona 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 Olson se ha probado ampliamente (nota complementaria 4). Al aumentar aún más el voltaje y la temperatura, logramos 4.43 J CM-3 usando ciclos Olsen en un MLC PST 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 reportado en la literatura para los ciclos OLSON directos y se obtuvo en películas delgadas de Pb (MG, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1.06 J CM-3) 18 (CM. Tabla 1 suplementaria para más valores en la literatura). Este rendimiento se ha alcanzado debido a la corriente de fuga muy baja 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 con los materiales utilizados en estudios anteriores17,20. Este rendimiento se ha alcanzado debido a la corriente de fuga muy baja 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 con los materiales utilizados en estudios anteriores17,20. Эти харак regalo в дополнитеultador. 19 - в отичие о м. Estas características se lograron debido a la corriente de fuga muy baja de estos MLC (<10–7 A a 750 V y 180 ° C, ver nota complementaria 6 para más detalles), un punto crítico mencionado por Smith et al. 19 - En contraste con 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 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 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 т ут. ключевой ммент, упо,000яый с mec. 19 - длebre сравнения, ыли дópicionalmente Dado que la corriente de fuga de estos MLC es muy baja (<10–7 A a 750 V y 180 ° C, consulte Nota complementaria 6 para más detalles), un punto clave mencionado por Smith et al. 19 - Para comparación, se lograron estas actuaciones.a los materiales utilizados en estudios anteriores 17,20.
Las mismas condiciones (600 V, 20–90 ° C) se aplicaron al ciclo de 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 a través del 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, ver 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 Joule. Por lo tanto, construimos una cosechadora prototipo (HARV1) utilizando 28 mlc PST de 1 mm de espesor, siguiendo el mismo diseño de placa paralela descrito por Torello et al.14, en una matriz 7 × 4 como se muestra en la Fig. El fluido dieléctrico de transmisión de calor en el maní es desplazada por una bomba peristáltica entre dos reservas donde la temperatura fluida se mantiene constante (método). Recoja hasta 3.1 J usando el ciclo Olson descrito en la Fig. 2a, regiones isotérmicas a 10 ° C y 125 ° C e regiones isofield a 0 y 750 V (195 kV cm-1). Esto corresponde a una densidad de energía de 3.14 J CM-3. Usando esta combinación, las mediciones se tomaron en varias condiciones (Fig. 2B). Tenga en cuenta que 1.8 J se obtuvo en un rango de temperatura de 80 ° C y un voltaje de 600 V (155 kV cm-1). Esto está en buen acuerdo 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 PSTC de 28 mlc de 1 mm de espesor (4 filas × 7 columnas) que se ejecuta en ciclos Olson. Para cada uno de los cuatro pasos de ciclo, la temperatura y el voltaje se proporcionan en el prototipo. La computadora impulsa una bomba peristáltica que circula un fluido dieléctrico entre los depósitos fríos y calientes, dos válvulas y una fuente de energía. La computadora también utiliza termopares para recopilar datos sobre el voltaje y la corriente suministrados al prototipo y la temperatura de la combinación de la fuente de alimentación. B, energía (color) recolectada por nuestro prototipo de 4 × 7 mlc versus rango de temperatura (eje x) y voltaje (eje Y) en diferentes experimentos.
Una versión más grande del cosechador (HARV2) con 60 PST MLC de 1 mm de espesor y 160 PST MLC 0.5 mm de espesor (41.7 g de material piroeléctrico activo) dio 11.2 J (nota complementaria 8). En 1984, Olsen realizó una cosechadora de energía basada en 317 g de un compuesto 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 combinación, este es el único otro valor disponible en la gama Joule. 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 llevarlo un paso más allá, construimos una tercera combinación (HARV3) con una MLC PST 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 (Fig. 9 complementaria). La energía recolectada (47 mJ) proporciona 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 0.5 mm de espesor). Además, simulamos la transferencia de calor utilizando la simulación de elementos finitos (COMSOL, Nota complementaria 10 y las Tablas suplementarias 2–4) correspondientes a los experimentos HARV1. El modelado de elementos finitos hizo posible predecir los valores de potencia casi un orden de magnitud más alto (430 mW) para el mismo número de columnas PST al adelgazar el MLC a 0.2 mm, usando agua como refrigerante, y restaurando la matriz a 7 filas. Columnas × 4 (además de, había 960 MW cuando el tanque estaba al lado de la combinación, la figura 10b complementaria).
Para demostrar la utilidad de este coleccionista, se aplicó un ciclo de Stirling a un demostrador independiente que consta 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 un condensador de almacenamiento, un converter DC/DC, un microcontrolador bajo potente, dos termocoCoplas y portador de refuerzo (nota supermangrentiva 11). El circuito requiere que el condensador de almacenamiento se cargue inicialmente a 9 V y luego se ejecuta de forma autónoma, mientras que la temperatura de los dos MLC varía de -5 ° C a 85 ° C, aquí en ciclos de 160 s (varios ciclos se muestran en la nota complementaria 11). Sorprendentemente, dos MLC que pesan solo 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 400V a 10-15V con un 79% de eficiencia (nota complementaria 11 y figura complementaria 11.3).
Finalmente, evaluamos la eficiencia de estos módulos MLC para convertir la energía térmica en energía eléctrica. El factor de calidad η de la eficiencia se define como la relación de la densidad de la energía eléctrica recolectada y la densidad de la Qin de calor suministrada (nota complementaria 12):
Las figuras 3a, b muestran la eficiencia η y la eficiencia proporcional ηr del ciclo Olsen, respectivamente, en función del rango de temperatura de un MLC PST 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%, que es equivalente 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 40% (curva azul en la Fig. 3B). Este es el doble del valor conocido para los materiales de PNL registrados en películas de PMN-PT (ηr = 19%) en el rango de temperatura de 10 K y 300 kV cm-1 (Ref. 18). Los rangos de temperatura por debajo de 10 K no se consideraron porque la histéresis térmica de la MLC PST es de entre 5 y 8 K. El reconocimiento del efecto positivo de las transiciones de fase en la eficiencia es crítico. De hecho, los valores óptimos de η y ηr se obtienen casi todos a la temperatura inicial Ti = 25 ° C en las Figs. 3a, b. Esto se debe a una transición de fase cerrada cuando no se aplica ningún campo y la temperatura 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 OLSON (a) \ ({\ eta} _ {{{\ rm {r}}} = \ eta /{\ eta} _ {{\ rm {carnot}} para el máximo eléctrico por un campo de 195 kv cm-1 y diferentes temperaturas iniciales Ti,} \,} \,} \,} \ (B) (b) (b) (B) para el campo de 195 kv cm-1 y diferentes de temperaturas iniciales. El MPC PST 0.5 mm de espesor, dependiendo del intervalo de temperatura Δtspan.
La última observación tiene dos implicaciones importantes: (1) cualquier ciclo efectivo debe comenzar a temperaturas superiores a TC para que ocurra una transición de fase inducida por el campo (de pareléctrica a ferroeléctrica); (2) Estos materiales son más eficientes en tiempos de ejecución cercanos a TC. Aunque las eficiencias a gran escala se muestran en nuestros experimentos, 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 MLC PST justifica Olsen cuando menciona que "un motor termoeléctrico regenerativo de Clase 20 ideal que funciona 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 usar PST dopados con diferentes TC, según lo estudiado por Shebanov y Borman. Mostraron que TC en PST puede variar de 3 ° C (dopaje SB) a 33 ° C (Doping Ti) 22. Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que los regeneradores piroeléctricos de próxima generación basados ​​en MLC PST dopados u otros materiales con una fuerte transición de fase de primer orden pueden competir con los mejores recolectores de potencia.
En este estudio, investigamos MLC hechos de PST. Estos dispositivos consisten en una serie de electrodos PT y PST, por los cuales varios condensadores están conectados en paralelo. PST fue elegido porque es un excelente material de la CE y, por lo tanto, un material de PNL potencialmente excelente. Exhibe una transición de fase ferroeléctrica y ferroeléctrica de primer orden nítida 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 los dispositivos EC13,14. En este estudio, utilizamos 10.4 × 7.2 × 1 mm³ y 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³ de mlcs. Se hicieron MLC con un grosor de 1 mm y 0.5 mm de 19 y 9 capas de PST con un grosor de 38.6 µm, respectivamente. En ambos casos, la capa PST interna 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, correspondientes a la parte entre los electrodos (nota complementaria 1). El área de electrodo activo fue de 48.7 mm2 (Tabla complementaria 5). MLC PST se preparó por reacción de fase sólida y método de fundición. Los detalles del proceso de preparación se han descrito 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 la CE en PST. El orden de los sitios B de PST MLC es de 0.75 (nota complementaria 2) obtenida por sinterización a 1400 ° C seguido de cientos de horas de recocido a 1000 ° C. Para obtener más información sobre PST MLC, consulte Notas complementarias 1-3 y la Tabla complementaria 5.
El concepto principal de este estudio se basa en el ciclo Olson (Fig. 1). Para tal ciclo, necesitamos un depósito caliente y frío y una fuente de alimentación capaz de monitorear y controlar el voltaje y la corriente en los diversos módulos MLC. Estos ciclos directos utilizaron dos configuraciones diferentes, a saber (1) módulos de Linkam calentando y enfriando un MLC conectado a una fuente de energía Keithley 2410, y (2) tres prototipos (HARV1, HARV2 y HARV3) en paralelo con la misma energía de la fuente. En el último caso, se usó un fluido dieléctrico (aceite de silicona con una viscosidad de 5 cp a 25 ° C, comprado de Sigma Aldrich) para el intercambio de calor entre los dos depósitos (calientes y fríos) y el MLC. El depósito térmico consiste en un recipiente de vidrio lleno de fluido dieléctrico y colocado sobre la placa térmica. El almacenamiento en frío consiste en un baño de agua con tubos líquidos que contienen líquido dieléctrico en un gran recipiente de plástico lleno de agua y hielo. Se colocaron dos válvulas de pellizco de tres vías (compradas de fluidos bioquímicos) en cada extremo de la cosechadora para cambiar correctamente el fluido de un depósito a otro (Figura 2A). Para garantizar el equilibrio térmico entre el paquete PST-MLC y el refrigerante, el período de 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 de Python maneja y sincroniza todos los instrumentos (medidores de origen, bombas, válvulas y termopares) para ejecutar el ciclo Olson correcto, es decir, el bucle de refrigerante comienza a andar en bicicleta a través de la pila PST después de que se cargue el medidor de origen para que se calienten en el voltaje aplicado deseado para el ciclo Olson dado.
Alternativamente, hemos confirmado estas mediciones directas de energía recolectada con métodos indirectos. Estos métodos indirectos se basan en el desplazamiento eléctrico (d) - bucles de campo de campo eléctrico (E) recolectados a diferentes temperaturas, y al calcular el área entre dos bucles DE, se pueden estimar con precisión cuánta energía se puede recolectar, como se muestra en la figura. En la Figura 2. .1b. Estos bucles DE también se recogen utilizando medidores de origen Keithley.
Se ensamblaron MLC PST de veintiocho mm de 1 mm de espesor en una estructura de placa paralela de 4 hilos de 7 columnas de acuerdo con el diseño descrito en la referencia. 14. La brecha de fluido entre las filas 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 epoxi plateado en contacto con los cables del electrodo. Después de eso, los cables estaban pegados con resina epoxi de plata a cada lado de los terminales de electrodos para la conexión a la fuente de alimentación. Finalmente, inserte toda la estructura en la manguera de poliolefina. Este último está pegado al tubo de fluido para garantizar un sellado adecuado. Finalmente, se integraron termopares de tipo K de 0,25 mm de espesor en cada extremo de la estructura PST-MLC para controlar las temperaturas de la entrada y la salida del líquido. Para hacer esto, la manguera primero debe perforarse. Después de instalar el termopar, aplique el mismo adhesivo que antes entre la manguera de termopar y el cable para restaurar el sello.
Se construyeron ocho prototipos separados, cuatro de los cuales tenían PSTC MLC de 40 0.5 mm de espesor distribuidos como placas paralelas con 5 columnas y 8 filas, y las cuatro restantes tenían MLC PST de 15 1 mm de espesor cada una. en estructura de placa paralela de 3 columnas × 5 filas. El número total de MLC PST utilizados fue de 220 (160 0.5 mm de espesor y 60 PST MLC 1 mm de espesor). Llamamos a estas dos subunidades HARV2_160 y HARV2_60. La brecha líquida en el prototipo HARV2_160 consiste en dos cintas de doble cara de 0.25 mm de espesor con un cable de 0.25 mm de espesor entre ellas. Para el prototipo HARV2_60, repitimos el mismo procedimiento, pero utilizamos un cable de 0.38 mm de espesor. Para la 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 contenedor de 3 litros (30 cm x 20 cm x 5 cm) en 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 resulta en una cosecha de energía de 11.2 J.
Coloque la MLC PST de 0.5 mm de espesor en una manguera de poliolefina con cinta de doble cara y cílee 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 caliente o fría, minimizando los tiempos de ciclo.
En PST MLC, se aplica un campo eléctrico constante aplicando un voltaje constante a la rama de calentamiento. 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 de regreso al contador de origen, que corresponde a una contribución más de la energía recolectada. Finalmente, con un voltaje V = 0 aplicado, los PST de MLC se enfrían a su temperatura inicial para que el ciclo pueda comenzar de nuevo. En esta etapa, la energía no se recoge. Ejecutamos el ciclo de Olsen usando un Sourcemeter Keithley 2410, cargando el PST MLC de una fuente de voltaje y estableciendo la coincidencia actual en el valor apropiado para que se recolecten suficientes puntos durante la fase de carga para cálculos de energía confiables.
En los ciclos de Stirling, los MLC PST se cargaron en modo de fuente de voltaje en un valor inicial de campo eléctrico (voltaje inicial VI> 0), una corriente de cumplimiento deseada para que el paso de carga tome alrededor de 1 s (y suficientes puntos se recopilen para un cálculo confiable de la energía) y la temperatura del frío. En los ciclos de Stirling, los MLC PST se cargaron en modo de fuente de voltaje en un valor inicial de campo eléctrico (voltaje inicial VI> 0), una corriente de cumplimiento deseada para que el paso de carga tome alrededor de 1 s (y suficientes puntos se recopilen para un cálculo confiable de la energía) y la temperatura del frío. В циклQual (начальное напрESitud дópicionalmente члчное количество точек длeber надежного расче regalo. En los ciclos MLC de Stirling PST, 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 toma aproximadamente 1 s (y se recolectan un número suficiente de puntos para un cálculo de energía confiable) y la temperatura del frío.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 inicial del campo eléctrico (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 recolectamos suficientes puntos para calcular de manera confiable (energía) y baja temperatura. В цикле rep напрESжение vi> 0), требуеículos количество тек, чтобы на Tieneslo. En el ciclo de 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 toma aproximadamente 1 s (y se recoge un número suficiente de puntos para calcular de manera confiable la energía) y bajas temperaturas.Antes de que el PST MLC se calienta, abra el circuito aplicando una corriente coincidente de i = 0 mA (la corriente de coincidencia mínima que nuestra fuente de medición puede manejar es de 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 recoge 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, ver Fig. 7.2 adicional), el MLK FT se descarga (v = 0) y la energía eléctrica se almacena en ellos para el mismo que son 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 que se proporcionó al comienzo del ciclo. En consecuencia, la energía se obtiene convirtiendo el calor en electricidad.
Utilizamos un Soupcemeter Keithley 2410 para monitorear el voltaje y la corriente aplicados al PST MLC. La energía correspondiente se calcula integrando el producto de voltaje y la corriente leída por el medidor de origen de Keithley, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {medios))} \ izquierdo (t \ recto) {v} _ {\ rm {medido}}} (t) \), \ ° \ ° {v} _ {{\ rm {medios}}} (t) \), \ \), el período de {V} _ {\ rm {medios}}} (t) \), \ \ ° \ {v} _ {{\ rm {medios}}} (t), \), \ ° \). período. En nuestra curva de energía, los valores de energía positivos significan la energía que tenemos que dar al MLC PST, y los valores negativos significan la energía que extraemos de ellos y, por lo tanto, la energía recibida. El poder relativo para un ciclo de recolección dado se determina dividiendo la energía recolectada por el período τ de todo el ciclo.
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Ando Junior, OH, Maran, Alo y Henao, NC Una revisión del desarrollo y las aplicaciones de los microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía. Ando Junior, OH, Maran, Alo y Henao, NC Una revisión del desarrollo y las aplicaciones de los microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo y Henao, Descripción general del desarrollo y aplicación de microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía. Ando Junior, Oh, Maran, Alo y Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, Oh, Maran, Alo y Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, Alo y Henao, NC están considerando el desarrollo y la aplicación de microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía.reanudar. apoyo. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
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Agradecemos a N. Furusawa, Y. Inoue y K. Honda por su ayuda para crear el MLC. Pl, at, yn, aa, jl, up, vk, ob y ed gracias a la Luxemburgo National Research Foundation (FNR) por apoyar este trabajo a través de Camelheat C17/MS/11703691/Defay, Massena Orgullo/15/10935404/Defay-Siebentritt, Thermodimat C20/MS/14718071/endement Bridges2021/MS/16282302/CeCoha/Defay.
Departamento de Investigación y Tecnología de Materiales, Instituto de Tecnología de Luxemburgo (Lista), Belvoir, Luxemburgo