Offre fonti sustenibili d'elettricità hè una di e sfide più impurtanti di stu seculu. I campi di ricerca in i materiali di raccolta d'energia derivanu da sta motivazione, cumpresi a termoelettricità1, u fotovoltaicu2 è a termofotovoltaica3. Ancu s'è ùn ci mancanu micca materiali è dispositivi capaci di raccoglie energia in a gamma Joule, i materiali piroelettrici chì ponu cunvertisce l'energia elettrica in cambiamenti periodichi di temperatura sò cunsiderati sensori4 è raccoglitori d'energia5,6,7. Quì avemu sviluppatu un raccoglitore d'energia termica macroscopicu in forma di un condensatore multistrato fattu di 42 grammi di tantalatu di scandiu di piombu, chì produce 11,2 J di energia elettrica per ciclu termodinamicu. Ogni modulu piroelettricu pò generà una densità di energia elettrica finu à 4,43 J cm-3 per ciclu. Mostremu ancu chì dui di questi moduli chì pesanu 0,3 g sò sufficienti per alimentà continuamente i raccoglitori d'energia autonomi cù microcontrollori integrati è sensori di temperatura. Infine, mostremu chì per un intervallu di temperatura di 10 K, questi condensatori multistrato ponu ghjunghje à un'efficienza Carnot di 40%. Queste proprietà sò dovute à (1) u cambiamentu di fase ferroelettrica per una alta efficienza, (2) a bassa corrente di dispersione per prevene e perdite, è (3) l'alta tensione di rottura. Questi raccoglitori di energia piroelettrica macroscopici, scalabili è efficienti stanu reinventendu a generazione di energia termoelettrica.
In paragone cù u gradiente di temperatura spaziale necessariu per i materiali termoelettrici, a raccolta di energia di i materiali termoelettrici richiede cicli di temperatura in u tempu. Questu significa un ciclu termodinamicu, chì hè megliu discrittu da u diagramma di entropia (S)-temperatura (T). A Figura 1a mostra un graficu ST tipicu di un materiale piroelettricu non lineare (NLP) chì dimostra una transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica guidata da u campu in tantalatu di piombu scandiu (PST). E sezioni blu è verdi di u ciclu nantu à u diagramma ST currispondenu à l'energia elettrica cunvertita in u ciclu Olson (duie sezioni isotermiche è duie isopole). Quì cunsideremu dui cicli cù u listessu cambiamentu di campu elettricu (campu acceso è spento) è cambiamentu di temperatura ΔT, ancu s'è cù temperature iniziali diverse. U ciclu verde ùn hè micca situatu in a regione di transizione di fase è dunque hà una area assai più chjuca di u ciclu blu situatu in a regione di transizione di fase. In u diagramma ST, più grande hè l'area, più grande hè l'energia raccolta. Dunque, a transizione di fase deve raccoglie più energia. U bisognu di ciclismu di grande area in NLP hè assai simile à u bisognu di applicazioni elettrotermiche9, 10, 11, 12 induve i condensatori multistratu PST (MLC) è i terpolimeri basati nantu à PVDF anu recentemente dimustratu eccellenti prestazioni inverse. statu di prestazioni di raffreddamentu in u ciclu 13,14,15,16. Dunque, avemu identificatu MLC PST d'interessu per a raccolta di energia termica. Questi campioni sò stati cumpletamente descritti in i metudi è carattarizati in e note supplementari 1 (microscopia elettronica à scansione), 2 (diffrazione di raggi X) è 3 (calorimetria).
a, Schizzu di un graficu di l'entropia (S)-temperatura (T) cù u campu elettricu attivatu è disattivatu applicatu à i materiali NLP chì mostranu transizioni di fase. Dui cicli di raccolta di energia sò mostrati in duie zone di temperatura diverse. I cicli blu è verdi si verificanu rispettivamente dentru è fora di a transizione di fase, è finiscenu in regioni assai diverse di a superficia. b, dui anelli unipolari DE PST MLC, 1 mm di spessore, misurati trà 0 è 155 kV cm-1 à 20 °C è 90 °C, rispettivamente, è i cicli Olsen currispondenti. E lettere ABCD si riferiscenu à diversi stati in u ciclu Olson. AB: I MLC sò stati caricati à 155 kV cm-1 à 20 °C. BC: I MLC sò stati mantenuti à 155 kV cm-1 è a temperatura hè stata elevata à 90 °C. CD: Scaricamenti MLC à 90 °C. DA: MLC raffreddato à 20 °C in campu zero. L'area blu currisponde à a putenza d'ingressu necessaria per inizià u ciclu. L'area aranciu hè l'energia raccolta in un ciclu. c, pannellu superiore, tensione (neru) è corrente (rossu) in funzione di u tempu, tracciate durante u listessu ciclu Olson cum'è b. I dui inserti rapprisentanu l'amplificazione di a tensione è di a corrente in i punti chjave di u ciclu. In u pannellu inferiore, e curve gialle è verdi rapprisentanu e curve di temperatura è energia currispondenti, rispettivamente, per un MLC di 1 mm di spessore. L'energia hè calculata da e curve di corrente è tensione nantu à u pannellu superiore. L'energia negativa currisponde à l'energia raccolta. I passi currispondenti à e lettere maiuscule in e quattru cifre sò listessi cum'è in u ciclu Olson. U ciclu AB'CD currisponde à u ciclu Stirling (nota supplementaria 7).
induve E è D sò rispettivamente u campu elettricu è u campu di spustamentu elettricu. Nd pò esse ottenutu indirettamente da u circuitu DE (Fig. 1b) o direttamente iniziendu un ciclu termodinamicu. I metudi i più utili sò stati descritti da Olsen in u so travagliu pionieristicu nantu à a raccolta di l'energia piroelettrica in l'anni 198017.
A figura 1b mostra dui cicli DE monopolari di campioni PST-MLC di 1 mm di spessore assemblati rispettivamente à 20 °C è 90 °C, in un intervallu da 0 à 155 kV cm-1 (600 V). Quessi dui cicli ponu esse aduprati per calculà indirettamente l'energia raccolta da u ciclu Olson mostratu in a Figura 1a. In fatti, u ciclu Olsen hè custituitu da dui rami isocampu (quì, campu zero in u ramu DA è 155 kV cm-1 in u ramu BC) è dui rami isotermi (quì, 20 °С è 20 °С in u ramu AB). (C in u ramu CD) L'energia raccolta durante u ciclu currisponde à e regioni aranciu è blu (integrale EdD). L'energia raccolta Nd hè a differenza trà l'energia d'entrata è di uscita, vale à dì solu l'area aranciu in a figura 1b. Stu ciclu Olson particulare dà una densità d'energia Nd di 1,78 J cm-3. U ciclu Stirling hè una alternativa à u ciclu Olson (Nota Supplementare 7). Siccomu u stadiu di carica custante (circuitu apertu) hè più faciule da ghjunghje, a densità d'energia estratta da a Fig. 1b (ciclu AB'CD) righjunghji 1,25 J cm-3. Questu hè solu u 70% di ciò chì u ciclu Olson pò raccoglie, ma un simplice equipagiu di raccolta u face.
Inoltre, avemu misuratu direttamente l'energia raccolta durante u ciclu Olson energizendu u PST MLC utilizendu un stadiu di cuntrollu di temperatura Linkam è un misuratore di fonte (metodu). A figura 1c in cima è in i rispettivi inserti mostra a corrente (rossa) è a tensione (nera) raccolta nantu à u listessu PST MLC di 1 mm di spessore cum'è per u ciclu DE chì passa per u listessu ciclu Olson. A corrente è a tensione permettenu di calculà l'energia raccolta, è e curve sò mostrate in a fig. 1c, in fondu (verde) è a temperatura (gialla) in tuttu u ciclu. E lettere ABCD rapprisentanu u listessu ciclu Olson in a Fig. 1. A carica MLC si faci durante a gamba AB è hè realizata à una bassa corrente (200 µA), dunque SourceMeter pò cuntrullà currettamente a carica. A cunsequenza di sta corrente iniziale costante hè chì a curva di tensione (curva nera) ùn hè micca lineare per via di u campu di spustamentu potenziale non lineare D PST (Fig. 1c, insertu superiore). À a fine di a carica, 30 mJ di energia elettrica sò immagazzinati in u MLC (puntu B). U MLC si riscalda tandu è una corrente negativa (è dunque una corrente negativa) hè prudutta mentre a tensione ferma à 600 V. Dopu à 40 s, quandu a temperatura hà righjuntu un plateau di 90 °C, sta corrente hè stata cumpensata, ancu s'è u campione di passu hà pruduttu in u circuitu una putenza elettrica di 35 mJ durante questu isocampu (secondu insertu in Fig. 1c, in cima). A tensione nantu à u MLC (ramu CD) hè tandu ridutta, risultendu in 60 mJ supplementari di travagliu elettricu. L'energia tutale di uscita hè 95 mJ. L'energia raccolta hè a differenza trà l'energia d'entrata è di uscita, chì dà 95 - 30 = 65 mJ. Questu currisponde à una densità d'energia di 1,84 J cm-3, chì hè assai vicina à u Nd estrattu da l'anellu DE. A riproducibilità di stu ciclu Olson hè stata ampiamente testata (Nota Supplementare 4). Aumentendu ulteriormente a tensione è a temperatura, avemu ottenutu 4,43 J cm-3 aduprendu cicli Olsen in un PST MLC di 0,5 mm di spessore in un intervallu di temperatura di 750 V (195 kV cm-1) è 175 °C (Nota Supplementare 5). Questu hè quattru volte più grande di a migliore prestazione riportata in a literatura per i cicli Olson diretti è hè stata ottenuta nantu à film sottili di Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm. Tabella Supplementare 1 per più valori in a literatura). Questa prestazione hè stata ottenuta per via di a corrente di dispersione assai bassa di sti MLC (<10−7 A à 750 V è 180 °C, vede i dettagli in a Nota Supplementare 6) - un puntu cruciale mintuvatu da Smith et al.19 - in cuntrastu cù i materiali utilizati in studii precedenti17,20. Questa prestazione hè stata ottenuta per via di a corrente di dispersione assai bassa di sti MLC (<10−7 A à 750 V è 180 °C, vede i dettagli in a Nota Supplementare 6) - un puntu cruciale mintuvatu da Smith et al.19 - in cuntrastu cù i materiali utilizati in studii precedenti17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 В0 А70 пи см. подробности в дополнительном примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и и дритом. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Queste caratteristiche sò state ottenute per via di a corrente di dispersione assai bassa di sti MLC (<10–7 A à 750 V è 180 °C, vedi a Nota Supplementare 6 per i dettagli) - un puntu criticu mintuvatu da Smith et al. 19 - in cuntrastu cù i materiali utilizati in studii precedenti 17,20.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斀7,20。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 说昅 说縻信息）））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下比之下比之相比之下 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 繋下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 ° C, см. подробностел подробностел в примечании 6) - ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Siccomu a currente di dispersione di sti MLC hè assai bassa (<10–7 A à 750 V è 180 °C, vede a Nota Supplementare 6 per i dettagli) - un puntu chjave mintuvatu da Smith et al. 19 - per paragone, ste prestazioni sò state ottenute.à i materiali utilizati in studii precedenti 17,20.
E listesse cundizioni (600 V, 20–90 °C) sò state applicate à u ciclu Stirling (nota supplementaria 7). Cum'è previstu da i risultati di u ciclu DE, u rendimentu era di 41,0 mJ. Una di e caratteristiche più impressiunanti di i cicli Stirling hè a so capacità di amplificà a tensione iniziale per via di l'effettu termoelettricu. Avemu osservatu un guadagnu di tensione finu à 39 (da una tensione iniziale di 15 V à una tensione finale finu à 590 V, vedi Fig. supplementaria 7.2).
Un'altra caratteristica distintiva di sti MLC hè chì sò oggetti macroscopici abbastanza grandi per raccoglie energia in a gamma di joule. Dunque, avemu custruitu un prototipu di raccoglitore (HARV1) aduprendu 28 MLC PST di 1 mm di spessore, seguendu u listessu disignu di piastre parallele discrittu da Torello et al.14, in una matrice 7 × 4 cum'è mostratu in Fig. U fluidu dielettricu chì porta u calore in u collettore hè spiazzatu da una pompa peristaltica trà dui reservoir induve a temperatura di u fluidu hè mantenuta costante (metodu). Raccoglie finu à 3,1 J aduprendu u ciclu Olson discrittu in fig. 2a, regioni isotermiche à 10 ° C è 125 ° C è regioni isocampu à 0 è 750 V (195 kV cm-1). Questu currisponde à una densità di energia di 3,14 J cm-3. Aduprendu sta mietitrebbia, e misurazioni sò state effettuate in varie cundizioni (Fig. 2b). Nutate chì 1,8 J sò stati ottenuti in un intervallu di temperatura di 80 °C è una tensione di 600 V (155 kV cm-1). Questu hè in bon accordu cù i 65 mJ citati prima per PST MLC di 1 mm di spessore in e stesse cundizioni (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Cunfigurazione sperimentale di un prototipu HARV1 assemblatu basatu annantu à 28 PST MLC di 1 mm di spessore (4 righe × 7 colonne) chì funzionanu nantu à cicli Olson. Per ognunu di i quattru passi di u ciclu, a temperatura è a tensione sò furnite in u prototipu. L'urdinatore pilota una pompa peristaltica chì face circulà un fluidu dielettricu trà i reservoirs freddi è caldi, duie valvole è una fonte d'alimentazione. L'urdinatore usa ancu termocoppie per raccoglie dati nantu à a tensione è a corrente furnita à u prototipu è a temperatura di a mietitrebbia da l'alimentatore. b, Energia (culore) raccolta da u nostru prototipu MLC 4×7 versus l'intervallu di temperatura (asse X) è a tensione (asse Y) in diversi esperimenti.
Una versione più grande di u raccoglitore (HARV2) cù 60 PST MLC di 1 mm di spessore è 160 PST MLC di 0,5 mm di spessore (41,7 g di materiale piroelettricu attivu) hà datu 11,2 J (Nota Supplementare 8). In u 1984, Olsen hà fattu un raccoglitore d'energia basatu annantu à 317 g di un cumpostu Pb(Zr,Ti)O3 dopatu cù stagnu capace di generà 6,23 J d'elettricità à una temperatura di circa 150 °C (rif. 21). Per sta mietitrebbia, questu hè l'unicu altru valore dispunibule in a gamma di joule. Hà ottenutu pocu più di a metà di u valore chì avemu ottenutu è quasi sette volte a qualità. Questu significa chì a densità energetica di HARV2 hè 13 volte più alta.
U periodu di u ciclu HARV1 hè di 57 secondi. Questu hà pruduttu 54 mW di putenza cù 4 file di 7 colonne di insemi MLC di 1 mm di spessore. Per fà un passu in più, avemu custruitu una terza cumminata (HARV3) cù un PST MLC di 0,5 mm di spessore è una cunfigurazione simile à HARV1 è HARV2 (Nota Supplementare 9). Avemu misuratu un tempu di termalizazione di 12,5 secondi. Questu currisponde à un tempu di ciclu di 25 s (Fig. Supplementare 9). L'energia raccolta (47 mJ) dà una putenza elettrica di 1,95 mW per MLC, chì à u so tornu ci permette d'imaginà chì HARV2 produce 0,55 W (circa 1,95 mW × 280 PST MLC di 0,5 mm di spessore). Inoltre, avemu simulatu u trasferimentu di calore utilizendu a Simulazione à Elementi Finiti (COMSOL, Nota Supplementare 10 è Tabelle Supplementari 2-4) currispondente à l'esperimenti HARV1. A modellazione di l'elementi finiti hà permessu di prevede valori di putenza quasi un ordine di grandezza più alti (430 mW) per u listessu numeru di colonne PST diluendu u MLC à 0,2 mm, aduprendu l'acqua cum'è refrigerante, è restaurendu a matrice à 7 file. × 4 colonne (in più di , ci eranu 960 mW quandu u tank era accantu à a mietitrebbia, Fig. Supplementare 10b).
Per dimustrà l'utilità di stu cullettore, un ciclu Stirling hè statu applicatu à un dimostratore autonomu custituitu da solu dui MLC PST di 0,5 mm di spessore cum'è cullettori di calore, un interruttore d'alta tensione, un interruttore di bassa tensione cù condensatore di almacenamiento, un convertitore DC/DC, un microcontrollore di bassa putenza, duie termocoppie è un convertitore boost (Nota Supplementare 11). U circuitu richiede chì u condensatore di almacenamiento sia inizialmente caricatu à 9V è poi funziona autonomamente mentre a temperatura di i dui MLC varia da -5 °C à 85 °C, quì in cicli di 160 s (parechji cicli sò mostrati in a Nota Supplementare 11). Sorprendentemente, dui MLC chì pesanu solu 0,3 g ponu cuntrullà autonomamente stu grande sistema. Un'altra caratteristica interessante hè chì u convertitore di bassa tensione hè capace di cunvertisce 400 V à 10-15 V cù una efficienza di 79% (Nota Supplementare 11 è Figura Supplementare 11.3).
Infine, avemu valutatu l'efficienza di sti moduli MLC in a cunversione di l'energia termica in energia elettrica. U fattore di qualità η di l'efficienza hè definitu cum'è u rapportu trà a densità di l'energia elettrica raccolta Nd è a densità di u calore furnitu Qin (Nota supplementaria 12):
E figure 3a,b mostranu l'efficienza η è l'efficienza proporzionale ηr di u ciclu Olsen, rispettivamente, in funzione di l'intervallu di temperatura di un PST MLC di 0,5 mm di spessore. Tramindui i gruppi di dati sò dati per un campu elettricu di 195 kV cm-1. L'efficienza \(\this\) righjunghji 1,43%, chì hè equivalente à u 18% di ηr. Tuttavia, per un intervallu di temperatura di 10 K da 25 °C à 35 °C, ηr righjunghji valori finu à u 40% (curva blu in Fig. 3b). Questu hè u doppiu di u valore cunnisciutu per i materiali NLP registrati in filmi PMN-PT (ηr = 19%) in l'intervallu di temperatura di 10 K è 300 kV cm-1 (Ref. 18). L'intervalli di temperatura inferiori à 10 K ùn sò stati cunsiderati perchè l'isteresi termica di u PST MLC hè trà 5 è 8 K. U ricunniscenza di l'effettu pusitivu di e transizioni di fase nantu à l'efficienza hè critica. In fatti, i valori ottimali di η è ηr sò guasi tutti ottenuti à a temperatura iniziale Ti = 25°C in e Fig. 3a,b. Questu hè duvutu à una transizione di fase stretta quandu ùn hè applicatu alcun campu è a temperatura di Curie TC hè intornu à 20°C in questi MLC (Nota supplementare 13).
a,b, l'efficienza η è l'efficienza proporzionale di u ciclu Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} per a massima corrente elettrica da un campu di 195 kV cm-1 è diverse temperature iniziali Ti, }}\,\)(b) per u MPC PST di 0,5 mm di spessore, secondu l'intervallu di temperatura ΔTspan.
L'ultima osservazione hà duie implicazioni impurtanti: (1) ogni ciclu efficace deve cumincià à temperature sopra à TC per chì si verifichi una transizione di fase indotta da u campu (da paraelettricu à ferroelettricu); (2) questi materiali sò più efficienti à tempi di funziunamentu vicini à TC. Ancu s'è l'efficienze à grande scala sò mostrate in i nostri esperimenti, l'intervallu di temperatura limitatu ùn ci permette micca di ottene grandi efficienze assolute per via di u limite di Carnot (\(\Delta T/T\)). Tuttavia, l'eccellente efficienza dimustrata da questi MLC PST ghjustifica Olsen quandu cita chì "un mutore termoelettricu rigenerativu ideale di classe 20 chì funziona à temperature trà 50 °C è 250 °C pò avè una efficienza di u 30%"17. Per ghjunghje à questi valori è pruvà u cuncettu, seria utile aduprà PST drogati cù diversi TC, cum'è studiatu da Shebanov è Borman. Anu dimustratu chì TC in PST pò varià da 3 °C (dopaggio Sb) à 33 °C (dopaggio Ti) 22. Dunque, ipotizzemu chì i rigeneratori piroelettrici di prossima generazione basati nantu à MLC PST drogati o altri materiali cù una forte transizione di fase di primu ordine possinu cumpete cù i migliori raccoglitori di energia.
In questu studiu, avemu investigatu i MLC fatti di PST. Quessi dispositivi sò custituiti da una seria d'elettrodi di Pt è PST, induve parechji condensatori sò cunnessi in parallelu. U PST hè statu sceltu perchè hè un eccellente materiale EC è dunque un materiale NLP potenzialmente eccellente. Presenta una transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica di primu ordine brusca intornu à 20 °C, chì indica chì i so cambiamenti d'entropia sò simili à quelli mostrati in a Fig. 1. MLC simili sò stati descritti cumpletamente per i dispositivi EC13,14. In questu studiu, avemu utilizatu MLC di 10,4 × 7,2 × 1 mm³ è 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. I MLC cù un spessore di 1 mm è 0,5 mm sò stati fatti da 19 è 9 strati di PST cù un spessore di 38,6 µm, rispettivamente. In i dui casi, u stratu internu di PST hè statu piazzatu trà elettrodi di platinu di 2,05 µm di spessore. U cuncepimentu di sti MLC assume chì u 55% di i PST sò attivi, currispondendu à a parte trà l'elettrodi (Nota Supplementare 1). L'area di l'elettrodu attivu era di 48,7 mm2 (Tabella Supplementare 5). MLC PST hè statu preparatu per reazione in fase solida è metudu di colata. I dettagli di u prucessu di preparazione sò stati descritti in un articulu precedente14. Una di e differenze trà PST MLC è l'articulu precedente hè l'ordine di i siti B, chì influenza assai e prestazioni di EC in PST. L'ordine di i siti B di PST MLC hè 0,75 (Nota Supplementare 2) ottenutu per sinterizzazione à 1400 °C seguita da centinaie d'ore di ricottura à 1000 °C. Per più infurmazioni nantu à PST MLC, vede e Note Supplementari 1-3 è a Tabella Supplementare 5.
U cuncettu principale di questu studiu hè basatu annantu à u ciclu Olson (Fig. 1). Per un tale ciclu, avemu bisognu di un reservoir caldu è fretu è di una alimentazione capace di monitorà è cuntrullà a tensione è a corrente in i vari moduli MLC. Quessi cicli diretti anu utilizatu duie cunfigurazioni diverse, vale à dì (1) moduli Linkam chì riscaldanu è raffreddanu un MLC cunnessu à una fonte di alimentazione Keithley 2410, è (2) trè prototipi (HARV1, HARV2 è HARV3) in parallelu cù a stessa energia di a fonte. In quest'ultimu casu, un fluidu dielettricu (oliu di silicone cù una viscosità di 5 cP à 25 ° C, acquistatu da Sigma Aldrich) hè statu utilizatu per u scambiu di calore trà i dui reservoir (caldu è fretu) è u MLC. U reservoir termicu hè custituitu da un cuntainer di vetru pienu di fluidu dielettricu è piazzatu sopra à a piastra termica. L'accumulazione à fretu hè custituita da un bagnu d'acqua cù tubi di liquidu chì cuntenenu fluidu dielettricu in un grande cuntainer di plastica pienu d'acqua è di ghiaccio. Dui valvole à pinza à trè vie (acquistate da Bio-Chem Fluidics) sò state piazzate à ogni estremità di a mietitrice per cambià currettamente u fluidu da un reservoir à l'altru (Figura 2a). Per assicurà l'equilibriu termicu trà u pacchettu PST-MLC è u refrigerante, u periodu di u ciclu hè statu allargatu finu à chì e termocoppie d'entrata è di uscita (u più vicinu pussibule à u pacchettu PST-MLC) anu mostratu a stessa temperatura. U script Python gestisce è sincronizza tutti i strumenti (misuratori di fonte, pompe, valvole è termocoppie) per eseguisce u ciclu Olson currettu, vale à dì chì u ciclu di refrigerante principia à ciclà attraversu a pila PST dopu chì u misuratore di fonte hè statu caricatu in modu chì si riscaldanu à a tensione applicata desiderata per un ciclu Olson datu.
In alternativa, avemu cunfirmatu ste misurazioni dirette di l'energia raccolta cù metudi indiretti. Quessi metudi indiretti sò basati nantu à i circuiti di spiazzamentu elettricu (D) - campu elettricu (E) raccolti à diverse temperature, è calculendu l'area trà dui circuiti DE, si pò stimà accuratamente quanta energia pò esse raccolta, cum'è mostratu in a figura. in a figura 2. .1b. Quessi circuiti DE sò ancu raccolti aduprendu misuratori di fonte Keithley.
Ventottu PST MLC di 1 mm di spessore sò stati assemblati in una struttura à piastre parallele di 4 file è 7 colonne secondu u disignu discrittu in a riferenza. 14. U spaziu di fluidu trà e file di PST-MLC hè di 0,75 mm. Questu hè ottenutu aghjunghjendu strisce di nastro biadesivu cum'è distanziatori liquidi intornu à i bordi di u PST MLC. U PST MLC hè cunnessu elettricamente in parallelu cù un ponte epossidicu d'argentu in cuntattu cù i cavi di l'elettrodi. Dopu questu, i fili sò stati incollati cù resina epossidica d'argentu à ogni latu di i terminali di l'elettrodi per a cunnessione à l'alimentazione. Infine, inserite tutta a struttura in u tubu di poliolefina. Quest'ultimu hè incollatu à u tubu di fluidu per assicurà una sigillatura curretta. Infine, termocoppie di tipu K di 0,25 mm di spessore sò state integrate in ogni estremità di a struttura PST-MLC per monitorà e temperature di u liquidu d'entrata è di uscita. Per fà questu, u tubu deve esse prima perforatu. Dopu avè installatu a termocoppia, applicate u listessu adesivo cum'è prima trà u tubu di a termocoppia è u filu per restaurà a sigillatura.
Ottu prototipi separati sò stati custruiti, quattru di i quali avianu 40 PST MLC di 0,5 mm di spessore distribuiti cum'è piastre parallele cù 5 colonne è 8 file, è i quattru rimanenti avianu 15 PST MLC di 1 mm di spessore ognunu. in una struttura di piastre parallele di 3 colonne × 5 file. U numeru tutale di PST MLC utilizati era 220 (160 di 0,5 mm di spessore è 60 PST MLC di 1 mm di spessore). Chjamemu queste duie subunità HARV2_160 è HARV2_60. U spaziu di liquidu in u prototipu HARV2_160 hè custituitu da dui nastri biadesivi di 0,25 mm di spessore cù un filu di 0,25 mm di spessore trà di elli. Per u prototipu HARV2_60, avemu ripetutu a stessa prucedura, ma aduprendu un filu di 0,38 mm di spessore. Per a simmetria, HARV2_160 è HARV2_60 anu i so propri circuiti fluidi, pompe, valvole è latu fretu (Nota Supplementare 8). Dui unità HARV2 spartenu un reservoir di calore, un cuntainer di 3 litri (30 cm x 20 cm x 5 cm) nantu à duie piastre calde cù magneti rotanti. Tutti l'ottu prototipi individuali sò cunnessi elettricamente in parallelu. E subunità HARV2_160 è HARV2_60 funzionanu simultaneamente in u ciclu Olson, risultendu in una raccolta di energia di 11,2 J.
Pone un PST MLC di 0,5 mm di spessore in un tubu di poliolefina cù nastro biadesivu è filu metallicu da i dui lati per creà spaziu per chì u liquidu scorri. A causa di e so piccule dimensioni, u prototipu hè statu piazzatu accantu à una valvula di riserva calda o fredda, minimizendu i tempi di ciclu.
In u PST MLC, un campu elettricu custante hè applicatu applicendu una tensione custante à u ramu di riscaldamentu. Di cunsiguenza, una corrente termica negativa hè generata è l'energia hè immagazzinata. Dopu avè riscaldatu u PST MLC, u campu hè eliminatu (V = 0), è l'energia immagazzinata in questu hè restituita à u contatore di a fonte, chì currisponde à un altru cuntributu di l'energia raccolta. Infine, cù una tensione V = 0 applicata, i PST MLC sò raffreddati à a so temperatura iniziale in modu chì u ciclu possi ricumincià. In questa fase, l'energia ùn hè micca raccolta. Avemu eseguitu u ciclu Olsen aduprendu un Keithley 2410 SourceMeter, carichendu u PST MLC da una fonte di tensione è impostendu a currispundenza di corrente à u valore apprupriatu in modu chì abbastanza punti fussinu raccolti durante a fase di carica per calculi energetichi affidabili.
In i cicli Stirling, i MLC PST sò stati caricati in modu di fonte di tensione à un valore iniziale di campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0), una corrente di cunfurmità desiderata in modu chì a fase di carica dura circa 1 s (è abbastanza punti sò raccolti per un calculu affidabile di l'energia) è temperatura fredda. In i cicli Stirling, i MLC PST sò stati caricati in modu di fonte di tensione à un valore iniziale di campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0), una corrente di cunfurmità desiderata in modu chì a fase di carica dura circa 1 s (è abbastanza punti sò raccolti per un calculu affidabile di l'energia) è temperatura fredda. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном знач электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этатанд заление 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета энергия) è холодная temperatura. In i cicli Stirling PST MLC, sò stati caricati in u modu di fonte di tensione à u valore iniziale di u campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0), a corrente di rendiment desiderata, in modu chì a fase di carica dura circa 1 s (è un numeru sufficiente di punti sò raccolti per un calculu di l'energia affidabile) è a temperatura fredda.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。 In u ciclu maestru, u PST MLC hè caricatu à u valore iniziale di u campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0) in u modu di fonte di tensione, in modu chì a corrente di cunfurmità necessaria dura circa 1 secondu per a tappa di carica (è avemu raccoltu abbastanza punti per calculà in modu affidabile (l'energia) è a bassa temperatura. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значальным значается источника поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки зарядки зотанико набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) è низкие temperature. In u ciclu Stirling, u PST MLC hè caricatu in u modu di fonte di tensione cù un valore iniziale di u campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0), a corrente di cunfurmità necessaria hè tale chì a fase di carica dura circa 1 s (è un numeru sufficiente di punti sò raccolti per calculà l'energia in modu affidabile) è basse temperature.Prima chì u PST MLC si riscaldi, apre u circuitu applicendu una corrente di currispundenza di I = 0 mA (a corrente di currispundenza minima chì a nostra fonte di misurazione pò trattà hè 10 nA). Di cunsiguenza, una carica ferma in u PST di u MJK, è a tensione aumenta mentre u campione si riscalda. Nisuna energia hè raccolta in u bracciu BC perchè I = 0 mA. Dopu avè righjuntu una temperatura alta, a tensione in u MLT FT aumenta (in certi casi più di 30 volte, vede a figura supplementaria 7.2), u MLK FT hè scaricatu (V = 0), è l'energia elettrica hè immagazzinata in elli per a stessa quantità ch'elli sianu a carica iniziale. A stessa currispundenza di corrente hè restituita à a fonte di misurazione. A causa di u guadagnu di tensione, l'energia immagazzinata à alta temperatura hè più alta di quella chì era furnita à l'iniziu di u ciclu. Di cunsiguenza, l'energia hè ottenuta cunvertendu u calore in elettricità.
Avemu utilizatu un Keithley 2410 SourceMeter per monitorà a tensione è a corrente applicata à u PST MLC. L'energia currispundente hè calculata integrandu u pruduttu di tensione è corrente letta da u meter di fonte di Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), induve τ hè u periodu di u periodu. Nantu à a nostra curva d'energia, i valori d'energia pusitivi significanu l'energia chì duvemu dà à u MLC PST, è i valori negativi significanu l'energia chì ne estraemu è dunque l'energia ricevuta. A putenza relativa per un ciclu di cullezzione datu hè determinata dividendu l'energia culletta per u periodu τ di tuttu u ciclu.
Tutti i dati sò prisentati in u testu principale o in informazioni supplementari. E lettere è e richieste di materiali devenu esse indirizzate à a fonte di i dati AT o ED furniti cù questu articulu.
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Dipartimentu di Ricerca è Tecnulugia di i Materiali, Istitutu di Tecnulugia di u Lussemburgu (LIST), Belvoir, Lussemburgu