Ofrecer fuentes de electricidad sostenibles es uno de los retos más importantes de este siglo. Las áreas de investigación en materiales de recolección de energía surgen de esta motivación, incluyendo la termoeléctrica¹, la fotovoltaica² y la termofotovoltaica³. Aunque carecemos de materiales y dispositivos capaces de recolectar energía en el rango de julios, 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 escandio y plomo, 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, con un peso de 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 condensadores multicapa pueden alcanzar una eficiencia de Carnot del 40 %. Estas propiedades se deben a (1) el cambio de fase ferroeléctrica para una alta eficiencia, (2) la baja corriente de fuga para evitar pérdidas y (3) el alto voltaje de ruptura. Estos recolectores de energía piroeléctrica macroscópicos, escalables y eficientes están revolucionando la generación de energía termoeléctrica.
En comparación con el gradiente de temperatura espacial requerido para los materiales termoeléctricos, la recolección de energía de estos materiales requiere ciclos de temperatura a lo largo del tiempo. Esto implica 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 inducida por 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 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 menor que el ciclo azul, que sí se encuentra en dicha región. En el diagrama ST, cuanto mayor sea el área, mayor será la energía recolectada. Por consiguiente, la transición de fase debe recolectar más energía. La necesidad de ciclos de área grande en NLP es muy similar a la necesidad de aplicaciones electrotérmicas9, 10, 11, 12 donde los condensadores multicapa (MLC) de PST 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 PST 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, Esquema de un gráfico de entropía (S)-temperatura (T) con campo eléctrico encendido y apagado 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 ciclos de Olsen correspondientes. Las letras ABCD se refieren a diferentes estados en el ciclo de Olsen. AB: 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) en función del tiempo, registrados durante el mismo ciclo de Olson que b. Los dos recuadros 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 de Stirling (nota adicional 7).
donde E y D representan 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 recolección de energía piroeléctrica en la década de 1980.¹⁷
En la figura 1b se muestran dos bucles DE 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 de Olson que se muestra en la figura 1a. De hecho, el ciclo de Olson consta de dos ramas isocampales (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 figura 1b. Este ciclo de Olson en particular da una densidad de energía Nd de 1,78 J cm-3. El ciclo 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 figura 1b (ciclo AB'CD) alcanza 1,25 J cm⁻³. Esto representa solo el 70 % de la energía que puede recolectar el ciclo Olson, pero se puede lograr con equipos de recolección sencillos.
Además, medimos directamente la energía recolectada durante el ciclo de Olson energizando el MLC PST 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 MLC PST 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 figura 1c, abajo (verde) y temperatura (amarillo) a lo largo del ciclo. Las letras ABCD representan el mismo ciclo de Olson en la Figura 1. La carga del MLC ocurre durante la rama AB y se lleva a cabo a una corriente baja (200 µA), por lo que 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 (Figura 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 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). 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 se ha probado exhaustivamente (Nota complementaria 4). Al aumentar aún más el voltaje y la temperatura, logramos 4,43 J cm-3 usando 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-1) y 175 °C (Nota complementaria 5). Esto es cuatro veces mayor que el mejor rendimiento reportado en la literatura para ciclos de Olsen directos y se obtuvo en películas delgadas de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Tabla complementaria 1 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. 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) — ключевой момент, 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 – para la comparación, se lograron estos rendimientos.a los materiales utilizados en estudios anteriores 17,20.
Se aplicaron las mismas condiciones (600 V, 20–90 °C) al ciclo Stirling (Nota complementaria 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. Observamos 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 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 recolector (HARV1) usando 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 es desplazado por una bomba peristáltica entre dos depósitos donde la temperatura del fluido se mantiene constante (método). Recolectar hasta 3.1 J usando el ciclo 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. Usando esta combinación, se tomaron mediciones bajo varias 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 un 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 MLC PST 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 temperatura y voltaje en el prototipo. La computadora controla una bomba peristáltica que hace circular un fluido dieléctrico entre los depósitos frío y caliente, dos válvulas y una fuente de alimentación. La computadora también utiliza termopares para recopilar datos sobre el voltaje y la corriente suministrados al prototipo y la temperatura del combinador desde la fuente de alimentación. b) Energía (color) recolectada 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) dio 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 combinación, 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 un tercer combinador (HARV3) con un 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 (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 MLC PST 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 2-4) correspondiente a los experimentos HARV1. El modelado de elementos finitos permitió 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 junto a la cosechadora, Figura suplementaria 10b).
Para demostrar la utilidad de este colector, se aplicó un ciclo Stirling a un demostrador autónomo compuesto por solo 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 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 varía de -5 °C a 85 °C, 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 baja tensión 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 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 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 desde 25 °C hasta 35 °C, ηr alcanza valores de hasta el 40% (curva azul en la Fig. 3b). Esto es el doble del valor 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). Los rangos de temperatura inferiores a 10 K no se consideraron porque la histéresis térmica del MLC de PST está 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 figuras 3a y 3b. 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)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} para el máximo eléctrico por un campo de 195 kV cm-1 y diferentes temperaturas iniciales Ti, }}\,\)(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 ocurra una transición de fase inducida por campo (de paraeléctrico a ferroeléctrico); (2) estos materiales son más eficientes en tiempos de funcionamiento cercanos a TC. Aunque en nuestros experimentos se muestran eficiencias a gran escala, el rango de temperatura limitado no nos permite alcanzar 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 ideal de 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 dopados con diferentes TC, como estudiaron Shebanov y Borman. Ellos demostraron que TC en PST puede variar de 3 °C (dopaje con Sb) a 33 °C (dopaje con Ti) 22. Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que los regeneradores piroeléctricos de próxima generación basados ​​en MLC de 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 MLCs hechos de PST. Estos dispositivos consisten en una serie de electrodos de Pt y PST, donde varios capacitores están conectados en paralelo. Se eligió PST porque es un excelente material EC y, por lo tanto, un material NLP potencialmente excelente. Exhibe una transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica de primer orden pronunciada alrededor de 20 °C, lo que indica que sus cambios de entropía son similares a los mostrados en la Fig. 1. Se han descrito MLCs similares para dispositivos EC13,14. En este estudio, usamos MLCs de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ y 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Los MLCs con un espesor de 1 mm y 0,5 mm se hicieron 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 asume que el 55% de los PST son activos, lo que corresponde a la parte entre los electrodos (Nota complementaria 1). El área activa del electrodo fue de 48,7 mm2 (Tabla complementaria 5). El MLC PST se preparó mediante reacción en fase sólida y método de fundición. Los detalles del proceso de preparación se han descrito 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 en gran medida el rendimiento de EC en PST. El orden de los sitios B del PST MLC es 0,75 (Nota complementaria 2) obtenido mediante sinterización a 1400 °C seguida de un recocido de cientos de horas a 1000 °C. Para obtener más información sobre el 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 dicho ciclo, se requiere un depósito térmico (caliente y frío) y una fuente de alimentación capaz de monitorizar y controlar la tensión y la corriente en los distintos módulos MLC. Estos ciclos directos emplearon dos configuraciones diferentes: (1) módulos Linkam calentando y enfriando 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 de 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, 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 gran recipiente de plástico lleno de agua y hielo. Se colocaron dos válvulas de estrangulamiento de tres vías (adquiridas de Bio-Chem Fluidics) en cada extremo del combinador para cambiar correctamente 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 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 a través del conjunto PST después de que el medidor de fuente se carga para que se calienten al voltaje aplicado deseado para un ciclo Olson dado.
Alternativamente, hemos confirmado estas mediciones directas de 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 2.1b. Estos bucles DE también se recolectan usando medidores de fuente Keithley.
Se ensamblaron veintiocho MLC de PST de 1 mm de espesor en una estructura de placas paralelas de 4 filas y 7 columnas, según el diseño descrito en la referencia 14. El espacio de fluido entre las filas de MLC de PST 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 MLC de PST. El MLC de PST está conectado eléctricamente en paralelo con un puente de epoxi de plata en contacto con los cables de los electrodos. Después, se pegaron cables con resina epoxi de plata a cada lado de los terminales de los electrodos para la conexión a la fuente de alimentación. Finalmente, se insertó toda la estructura en la manguera de poliolefina. Esta última se pegó al tubo de fluido para asegurar un sellado adecuado. Por último, se instalaron termopares tipo K de 0,25 mm de espesor en cada extremo de la estructura de MLC de PST para monitorear las temperaturas del líquido de entrada y salida. Para ello, primero se debe perforar la manguera. Después de instalar el termopar, se aplica el mismo adhesivo que antes entre la manguera del termopar y el cable para restaurar el sellado.
Se construyeron ocho prototipos separados, cuatro de los cuales tenían 40 MLC PST de 0,5 mm de espesor distribuidos como placas paralelas con 5 columnas y 8 filas, y los cuatro restantes tenían 15 MLC PST 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 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 usando un alambre de 0,38 mm de espesor. Para garantizar la simetría, HARV2_160 y HARV2_60 cuentan con sus propios circuitos de fluidos, bombas, válvulas y sistema de refrigeración (Nota complementaria 8). Dos unidades HARV2 comparten un depósito de calor, un contenedor de 3 litros (30 cm x 20 cm x 5 cm) situado 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 Olson, lo que resulta en una generación de energía de 11,2 J.
Coloque un tubo de PST MLC de 0,5 mm de espesor dentro de una manguera de poliolefina, sujetándola con cinta adhesiva de doble cara y alambre en ambos extremos 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 el PST MLC, 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. Después de calentar el PST MLC, se elimina el campo (V = 0) y la energía almacenada 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 de nuevo. En esta etapa, no se recolecta energía. Ejecutamos el ciclo de Olsen utilizando un medidor de fuente Keithley 2410, cargando el PST MLC desde una fuente de voltaje y ajustando la corriente al valor apropiado para que se recolectaran suficientes puntos durante la fase de carga para cálculos de energía confiables.
En los ciclos Stirling, los MLC PST se cargaron en modo de fuente de voltaje con un valor de campo eléctrico inicial (voltaje inicial Vi > 0), una corriente de cumplimiento deseada de modo que el paso de carga dure alrededor de 1 s (y se recopilen suficientes puntos para un cálculo fiable de la energía) y a baja temperatura. En los ciclos Stirling, los MLC PST se cargaron en modo de fuente de voltaje con un valor de campo eléctrico inicial (voltaje inicial Vi > 0), una corriente de cumplimiento deseada de modo que el paso de carga dure alrededor de 1 s (y se recopilen suficientes puntos para un cálculo fiable de la energía) y a baja temperatura. 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 con el valor inicial del campo eléctrico (voltaje inicial Vi > 0), la corriente de salida deseada, de modo que la etapa de carga dura aproximadamente 1 s (y se recoge un número suficiente de puntos para un cálculo de energía fiable) y a baja temperatura.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 al 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 recopilamos 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 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 alrededor de 1 s (y se recoge un número suficiente de puntos para calcular la energía de manera confiable) y bajas temperaturas.Antes de que el PST MLC 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, queda una carga en el PST del MJK, y el voltaje aumenta a medida que la muestra se calienta. No se recolecta 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 figura 7.2 adicional), el MLK FT se descarga (V = 0), y se almacena energía eléctrica en ellos por el mismo valor que su carga inicial. La misma corriente correspondiente se devuelve a la fuente de medición. 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, se obtiene energía mediante la conversión de calor en electricidad.
Utilizamos un medidor de fuente Keithley 2410 para monitorizar la tensión y la corriente aplicadas al MLC PST. La energía correspondiente se calcula integrando el producto de la tensión y la corriente leídas por el medidor de fuente 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 indican la energía que debemos suministrar al MLC PST, y los valores negativos indican la energía que extraemos de ellos y, por lo tanto, la energía recibida. La potencia relativa para un ciclo de recolección dado 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 la información adicional. Las cartas y solicitudes de materiales deben dirigirse a la fuente de los datos de AT o ED que acompañan a este artículo.
Ando Junior, OH, Maran, AL y Henao, NC. Una revisión del desarrollo y las aplicaciones de los microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía. Ando Junior, OH, Maran, AL y Henao, NC. Una revisión del desarrollo y las aplicaciones de los microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía.Descripción general del desarrollo y la aplicación de microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía en Ando Junior, Ohio, Maran, Alabama y Henao, Carolina del Norte. Ando Junior, OH, Maran, ALO y Henao, Carolina del Norte. Ando Junior, OH, Maran, ALO y Henao, Carolina del NorteAndo Junior, Ohio, Maran, Alabama y Henao, Carolina del Norte, están considerando el desarrollo y la aplicación de microgeneradores termoeléctricos para la recolección de energía.Resumen. Apoyo. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
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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