Ofrecer fuentes de electricidad sostenibles es uno de los retos más importantes de este siglo. Las áreas de investigación en materiales para la recolección de energía surgen de esta motivación, incluyendo la termoeléctrica1, la fotovoltaica2 y la termofotovoltaica3. Si bien 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. En este estudio, hemos desarrollado un recolector de energía térmica macroscópico en forma de un condensador multicapa compuesto por 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 demostramos que dos de estos módulos, con un peso de 0,3 g, son suficientes para alimentar continuamente recolectores de energía autónomos con microcontroladores y sensores de temperatura integrados. Finalmente, demostramos que, para un rango de temperatura de 10 K, estos condensadores multicapa pueden alcanzar una eficiencia de Carnot del 40 %. Estas propiedades se deben a (1) el cambio de fase ferroeléctrico para una alta eficiencia, (2) la baja corriente de fuga para evitar pérdidas, y (3) la alta tensión de ruptura. Estos recolectores de energía piroeléctrica macroscópicos, escalables y eficientes están redefiniendo 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 diagrama 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 isopolares). Aquí consideramos dos ciclos con el mismo cambio de campo eléctrico (campo activado y desactivado) 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 menor 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 ciclado de áreas extensas en PLN es muy similar a la de las aplicaciones electrotérmicas9, 10, 11, 12, donde los condensadores multicapa (MLC) de PST y los terpolímeros basados ​​en PVDF han demostrado recientemente un excelente rendimiento de refrigeración inversa en el ciclo 13, 14, 15, 16. Por lo tanto, hemos identificado MLC de PST de interés para la captación de energía térmica. Estas muestras se han descrito detalladamente en los métodos y se han caracterizado en las notas suplementarias 1 (microscopía electrónica de barrido), 2 (difracción de rayos X) y 3 (calorimetría).
a, Esquema de un diagrama de entropía (S)-temperatura (T) con campo eléctrico activado y desactivado aplicado a materiales NLP, mostrando 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 ciclos de Olsen correspondientes. Las letras ABCD se refieren a diferentes estados en el ciclo de Olson. AB: Los MLC se cargaron a 155 kV cm⁻¹ a 20 °C. BC: El MLC se mantuvo a 155 kV cm⁻¹ y la temperatura se elevó a 90 °C. CD: El MLC se descarga a 90 °C. DA: El 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 representa la energía recolectada en un ciclo. c, panel superior, voltaje (negro) y corriente (rojo) en función del tiempo, registrados durante el mismo ciclo de Olson que b. Los dos insertos representan la amplificación del voltaje y la 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 del 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 de 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. El Nd puede obtenerse 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 recolección de energía piroeléctrica en la década de 198017.
En la fig. 1b se muestran 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 pueden usarse 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 °C y 20 °C 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 energía de entrada y la 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 Stirling es una alternativa al ciclo Olson (Nota Suplementaria 7). Dado que la etapa de carga constante (circuito abierto) se alcanza con mayor facilidad, la densidad de energía extraída de la Fig. 1b (ciclo AB'CD) alcanza 1,25 J cm⁻³. Esto representa solo el 70 % de la energía que el ciclo Olson puede recolectar, pero un equipo de recolección sencillo lo logra.
Además, medimos directamente la energía recolectada durante el ciclo Olson al energizar el MLC PST con 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 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, abajo (verde) y la temperatura (amarillo) a lo largo del ciclo. Las letras ABCD representan el mismo ciclo Olson en la Fig. 1. La carga del MLC ocurre durante la etapa AB y se lleva a cabo a una corriente baja (200 µA), por lo que el SourceMeter puede controlar la carga correctamente. 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 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 se compensó, aunque la muestra de paso produjo en el circuito una potencia eléctrica de 35 mJ durante este isocampo (segundo recuadro en la Fig. 1c, arriba). El voltaje en el MLC (rama CD) se reduce entonces, 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 la de salida, lo que da 95 – 30 = 65 mJ. Esto corresponde a una densidad de energía de 1,84 J cm-3, que es muy cercana al Nd extraído del anillo DE. La reproducibilidad de este ciclo de Olson ha sido ampliamente probada (Nota Suplementaria 4). Al aumentar aún más el voltaje y la temperatura, se alcanzaron 4,43 J cm⁻³ utilizando ciclos de Olsen en un MLC de PST de 0,5 mm de espesor en un rango de temperatura de 750 V (195 kV cm⁻³) y 175 °C (Nota Suplementaria 5). Este rendimiento es cuatro veces superior al mejor reportado en la literatura para ciclos de Olson directos y se obtuvo en películas delgadas de Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT) (1,06 J cm⁻³)⁻³ (cm⁻³). Consulte la Tabla Suplementaria 1 para obtener más valores en la literatura. Este rendimiento se ha logrado gracias a la corriente de fuga muy baja de estos MLC (<10−7 A a 750 V y 180 °C, consulte los 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 logrado gracias a la corriente de fuga muy baja de estos MLC (<10−7 A a 750 V y 180 °C, consulte los 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. Estas características están disponibles en cualquier lugar donde no haya contacto con el equipo MLC (<10–7 a 750 V y 180 °C, см. подробности en дополнительном 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 corriente de fuga muy baja 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, 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 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 ключевой, 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, se lograron estos rendimientos.a los materiales utilizados en estudios anteriores 17,20.
Las mismas condiciones (600 V, 20–90 °C) se aplicaron al ciclo Stirling (nota suplementaria 7). Como se esperaba a partir de los resultados del ciclo DE, el rendimiento fue de 41,0 mJ. Una de las características más destacadas de los ciclos Stirling es su capacidad para amplificar el voltaje inicial mediante el efecto termoeléctrico. Se observó una ganancia de voltaje de hasta 39 (desde un voltaje inicial de 15 V hasta un voltaje final de hasta 590 V; véase la figura suplementaria 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 recolector (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). Recolecte 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 isocampo a 0 y 750 V (195 kV cm-1). Esto corresponde a una densidad de energía de 3,14 J cm-3. Utilizando esta cosechadora, se tomaron mediciones bajo diversas condiciones (Fig. 2b). Cabe destacar 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 MLC de PST 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 funcionan con ciclos Olson. Para cada uno de los cuatro pasos del ciclo, se proporcionan en el prototipo la temperatura y el voltaje. El ordenador acciona una bomba peristáltica que hace circular un fluido dieléctrico entre los depósitos frío y caliente, dos válvulas y una fuente de alimentación. El ordenador también utiliza termopares para recopilar datos sobre el voltaje y la corriente suministrados al prototipo, así como la temperatura de la cosechadora desde la fuente de alimentación. b, Energía (color) recopilada por nuestro prototipo MLC 4×7 en función del rango de temperatura (eje X) y el voltaje (eje Y) en diferentes experimentos.
Una versión más grande del recolector (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) generó 11,2 J (Nota Suplementaria 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 obtenido y casi siete veces la calidad. Esto significa que la densidad energética del 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 cosechadora (HARV3) con un MLC de PST de 0,5 mm de espesor y una configuración similar a HARV1 y HARV2 (Nota Suplementaria 9). Medimos un tiempo de termalización de 12,5 segundos. Esto corresponde a un tiempo de ciclo de 25 s (Fig. Suplementaria 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 MLC de PST de 0,5 mm de espesor). Además, simulamos la transferencia de calor utilizando Simulación de Elementos Finitos (COMSOL, Nota Suplementaria 10 y Tablas Suplementarias 2-4) correspondiente a los experimentos HARV1. El modelado de elementos finitos permitió predecir valores de potencia casi un orden de magnitud mayor (430 mW) para el mismo número de columnas PST adelgazando el MLC a 0,2 mm, utilizando agua como refrigerante y restaurando 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 autónomo compuesto por dos MLC de PST de 0,5 mm de espesor como colectores de calor, un interruptor de alta tensión, un interruptor de baja tensión con condensador de almacenamiento, un convertidor CC/CC, un microcontrolador de bajo consumo, dos termopares y un convertidor elevador (Nota Suplementaria 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, en ciclos de 160 s (se muestran varios ciclos en la Nota Suplementaria 11). Cabe destacar que dos MLC de tan solo 0,3 g de peso pueden controlar de forma autónoma este gran sistema. Otra característica interesante es que el convertidor de baja tensión es capaz de convertir 400 V a 10-15 V con una eficiencia del 79 % (Nota Suplementaria 11 y Figura Suplementaria 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 la eficiencia se define como la relación entre la densidad de la energía eléctrica captada (Nd) y la densidad del calor suministrado (Qin) (Nota suplementaria 12).
Las figuras 3a y 3b muestran la eficiencia η y la eficiencia proporcional ηr del ciclo de Olsen, respectivamente, en función del rango de temperatura de un MLC de PST de 0,5 mm de espesor. Ambos conjuntos de datos corresponden a 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 figura 3b). Este valor duplica el conocido para materiales NLP registrado en películas de 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 debido a que la histéresis térmica del MLC PST se encuentra entre 5 y 8 K. Es fundamental reconocer el efecto positivo de las transiciones de fase en la eficiencia. De hecho, los valores óptimos de η y ηr se obtienen casi en su totalidad a la temperatura inicial Ti = 25 °C en las figuras 3a y b. Esto se debe a una transición de fase cerrada cuando no se aplica campo y a que la temperatura de Curie TC ronda los 20 °C en estos MLC (nota suplementaria 13).
a,b, la eficiencia η y la eficiencia proporcional del ciclo de Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} para la máxima potencia eléctrica por un campo de 195 kV cm-1 y diferentes temperaturas iniciales Ti, }}\,\)(b) para el MPC PST de 0,5 mm de espesor, en función del intervalo de temperatura ΔTspan.
La última observación tiene dos implicaciones importantes: (1) cualquier ciclado efectivo debe comenzar a temperaturas superiores a TC para que se produzca una transición de fase inducida por el campo (de paraeléctrico a ferroeléctrico); (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 limitado de temperatura no nos permite lograr grandes eficiencias absolutas debido al límite de Carnot (\(\Delta T/T\)). Sin embargo, la excelente eficiencia demostrada por estos MLC de PST justifica a 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 utilizar PST dopados con diferentes TC, como estudiaron Shebanov y Borman. Demostraron que el TC en PST puede variar de 3 °C (dopaje con Sb) a 33 °C (dopaje con Ti) 22 . Por lo tanto, nuestra hipótesis es 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 energía.
En este estudio, investigamos los MLC hechos de PST. Estos dispositivos consisten en una serie de electrodos de Pt y PST, mediante los cuales varios condensadores están conectados en paralelo. PST fue seleccionado porque es un excelente material de EC y por lo tanto un material de NLP potencialmente excelente. Exhibe una transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica de primer orden aguda alrededor de 20 °C, lo que indica que sus cambios de entropía son similares a los mostrados en la Fig. 1. MLC similares han sido descritos completamente para dispositivos EC13,14. En este estudio, utilizamos MLC de 10.4 × 7.2 × 1 mm³ y 10.4 × 7.2 × 0.5 mm³. MLC con un espesor de 1 mm y 0.5 mm fueron hechos 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 asume que el 55% de los PST están activos, lo que corresponde a la parte entre los electrodos (Nota Suplementaria 1). El área activa del electrodo fue de 48,7 mm² (Tabla Suplementaria 5). El PST MLC se preparó mediante reacción en fase sólida y método de colada. Los detalles del proceso de preparación se describieron en un artículo anterior14. Una de las diferencias entre el PST MLC y el artículo anterior es el orden de los sitios B, que afecta considerablemente el rendimiento de la EC en PST. El orden de los sitios B del PST MLC es de 0,75 (Nota Suplementaria 2), obtenido mediante sinterización a 1400 °C seguida de un recocido de cientos de horas a 1000 °C. Para más información sobre el PST MLC, véanse las Notas Suplementarias 1-3 y la Tabla Suplementaria 5.
El concepto principal de este estudio se basa en el ciclo de Olson (Fig. 1). Para dicho ciclo, necesitamos un depósito de calor y uno de frío, y una fuente de alimentación capaz de monitorizar y controlar el voltaje y la corriente en los distintos módulos MLC. Estos ciclos directos utilizaron dos configuraciones diferentes: (1) módulos Linkam que calientan y enfrían un MLC conectado a una fuente de alimentación 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 a Sigma Aldrich) para el intercambio de calor entre los dos depósitos (caliente y frío) 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 de líquido que contienen fluido dieléctrico en un recipiente de plástico grande lleno de agua y hielo. Se colocaron dos válvulas de manguito de tres vías (adquiridas de Bio-Chem Fluidics) en cada extremo de la cosechadora para transferir correctamente el fluido de un depósito a otro (Figura 2a). Para garantizar el equilibrio térmico entre el paquete PST-MLC y el refrigerante, se prolongó el ciclo hasta que los termopares de entrada y salida (lo más cerca posible del paquete PST-MLC) alcanzaran la misma temperatura. El script de 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 por la pila PST después de cargar el medidor de fuente, de modo que se caliente al voltaje aplicado deseado para el ciclo Olson.
Como alternativa, hemos confirmado estas mediciones directas de la energía captada con métodos indirectos. Estos métodos se basan en bucles de campo de desplazamiento eléctrico (D) y campo eléctrico (E) captados a diferentes temperaturas. Al calcular el área entre dos bucles de DE, se puede estimar con precisión la cantidad de energía que se puede captar, como se muestra en la figura 2.1b. Estos bucles de DE también se captan mediante 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 según el diseño descrito en la referencia. 14. El espacio de fluido entre las filas de PST-MLC es de 0,75 mm. Esto se logra agregando tiras de cinta adhesiva de doble cara como espaciadores de líquido alrededor de los bordes del PST MLC. El PST MLC está conectado eléctricamente en paralelo con un puente de epoxi de plata en contacto con los cables del electrodo. Después de eso, los cables se pegaron con resina epoxi de plata a cada lado de los terminales del electrodo para la conexión a la fuente de alimentación. Finalmente, inserte toda la estructura en la manguera de poliolefina. Esta última se pega 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 hacer esto, primero se debe 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 una estructura de placas paralelas de 3 columnas × 5 filas. El número total de MLC PST utilizados fue 220 (160 de 0,5 mm de espesor y 60 MLC PST de 1 mm de espesor). Llamamos a estas dos subunidades HARV2_160 y HARV2_60. El espacio de líquido en el prototipo HARV2_160 consiste en 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 cuentan con sus propios circuitos de fluidos, bombas, válvulas y lado frío (Nota Suplementaria 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 calefactoras 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 genera una captación de energía de 11,2 J.
Coloque un MLC PST de 0,5 mm de grosor en una manguera de poliolefina con cinta adhesiva de doble cara y alambre en ambos lados para crear espacio para el flujo del líquido. Debido a su pequeño tamaño, el prototipo se colocó junto a una válvula de depósito de agua caliente o fría, minimizando así los tiempos de ciclo.
En los MLC PST, se aplica un campo eléctrico constante mediante la aplicación de un voltaje constante a la rama de calentamiento. Como resultado, se genera una corriente térmica negativa y se almacena energía. Tras calentar el MLC PST, se elimina el campo (V = 0) y la energía almacenada se devuelve al contador de la fuente, lo que corresponde a una contribución adicional de la energía recolectada. Finalmente, con un voltaje V = 0, los MLC PST se enfrían a su temperatura inicial para que el ciclo pueda reiniciarse. En esta etapa, no se recolecta energía. Ejecutamos el ciclo Olsen con un SourceMeter Keithley 2410, cargando el MLC PST desde una fuente de voltaje y ajustando la corriente al valor adecuado para que se recolectaran suficientes puntos durante la fase de carga para realizar cálculos de energía fiables.
En ciclos 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 tome alrededor de 1 s (y se reúnan suficientes puntos para un cálculo confiable de la energía) y temperatura fría. En ciclos 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 tome alrededor de 1 s (y se reúnan suficientes puntos para un cálculo confiable de la energía) y temperatura fría. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура. En los ciclos Stirling PST MLC, se cargaron en el modo de fuente de voltaje en el valor inicial del campo eléctrico (voltaje inicial Vi > 0), la corriente de rendimiento deseada, de modo que la etapa de carga demora aproximadamente 1 s (y se recolectan una cantidad suficiente de puntos para un cálculo de energía confiable) 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 toma aproximadamente 1 segundo para el paso de carga (y recolectamos suficientes puntos para calcular de manera confiable (energía) y baja temperatura. En el ciclo de Stirlinga PST MLC se instala en el sistema de configuración del sistema con un solo polo eléctrico (solo напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) и низкие температуры. 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 demora aproximadamente 1 s (y se recolectan una cantidad suficiente de puntos para calcular la energía de manera confiable) y bajas temperaturas.Antes de que el MLC del PST se caliente, abra el circuito aplicando una corriente de adaptación de I = 0 mA (la corriente de adaptación mínima que nuestra fuente de medición puede manejar es de 10 nA). Como resultado, permanece 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. Tras alcanzar una temperatura alta, el voltaje en el FT del MLT aumenta (en algunos casos más de 30 veces, véase la figura 7.2 adicional), el FT del MLK se descarga (V = 0) y se almacena energía eléctrica en él durante el mismo tiempo que su carga inicial. La misma corriente de correspondencia 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 inicio del ciclo. En consecuencia, se obtiene energía convirtiendo calor en electricidad.
Utilizamos un medidor de fuente Keithley 2410 para monitorizar el voltaje y la corriente aplicados al MLC del PST. La energía correspondiente se calcula integrando el producto del voltaje y la corriente medidos por el medidor de fuente de Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), donde τ es el período del ciclo. En nuestra curva de energía, los valores positivos indican la energía que debemos suministrar al MLC PST, y los negativos la energía que extraemos de él y, por lo tanto, la energía recibida. La potencia relativa de un ciclo de recolección determinado se determina dividiendo la energía recolectada entre el período τ del ciclo completo.
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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