Offre fonti sustinibili d'electricità hè una di e sfide più impurtanti di stu seculu.I zoni di ricerca in i materiali di cugliera di l'energia derivanu da questa motivazione, cumprese termoelettrica1, fotovoltaica2 è termofotovoltaica3.Ancu s'ellu ci mancanu materiali è dispusitivi capaci di coglie l'energia in a gamma Joule, i materiali piroelettrici chì ponu cunvertisce l'energia elettrica in cambiamenti periodichi di temperatura sò cunsiderati sensori4 è cugliera d'energia5,6,7.Quì avemu sviluppatu una mietitrice di energia termale macroscòpica in a forma di un condensatore multilayer fattu di 42 grammi di tantalate di scandium di piombo, chì pruduce 11,2 J di energia elettrica per ciclu termodinamicu.Ogni modulu piroelettricu pò generà densità di energia elettrica finu à 4,43 J cm-3 per ciclu.Avemu ancu dimustratu chì dui tali moduli chì pesanu 0,3 g sò abbastanza per alimentà continuamente e cugliera d'energia autonoma cù microcontrollers è sensori di temperatura integrati.Infine, avemu dimustratu chì per una gamma di temperatura di 10 K, sti capacitors multilayer pò ghjunghje sin'à 40% efficienza Carnot.Queste proprietà sò dovute à (1) cambiamentu di fase ferroelettrica per alta efficienza, (2) corrente di fuga bassa per prevene perdite, è (3) alta tensione di rottura.Queste mietitrici di energia piroelettrica macroscòpica, scalabile è efficaci stanu reimaginendu a generazione di energia termoelettrica.
Paragunatu à u gradiente di temperatura spaziale necessariu per i materiali termoelettrici, a cugliera di l'energia di i materiali termoelettrici richiede cicli di temperatura in u tempu.Questu significa un ciculu termodinamicu, chì hè megliu discrittu da u diagrama di entropia (S)-temperatura (T).A Figura 1a mostra una trama ST tipica di un materiale piroelettricu non lineale (NLP) chì dimustra una transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica guidata da u campu in tantalate di scandium lead (PST).I rùbbriche blu è verdi di u ciculu nantu à u diagrama ST currispondenu à l'energia elettrica cunvertita in u ciculu Olson (dui isotermi è dui isopuli).Quì avemu cunsideratu dui ciculi cù u stessu cambiamentu di campu elettricu (campu on and off) è cambiamentu di temperatura ΔT, ancu s'è cù diverse temperature iniziali.U ciculu verde ùn hè micca situatu in a regione di transizione di fasa è cusì hà una zona assai più chjuca cà u ciculu blu situatu in a regione di transizione di fase.In u diagrama ST, più grande hè l'area, più grande hè l'energia raccolta.Dunque, a transizione di fasa deve cullà più energia.A necessità di ciclismo di grande area in NLP hè assai simile à a necessità per l'applicazioni elettrotermali9, 10, 11, 12 induve i condensatori multilayer PST (MLC) è i terpolimeri basati in PVDF anu dimustratu recentemente un eccellente rendimentu inversu.statutu di rendiment di rinfrescante in u ciculu 13,14,15,16.Dunque, avemu identificatu PST MLC d'interessu per a cugliera di l'energia termale.Questi campioni sò stati descritti cumplettamente in i metudi è carattarizati in note supplementari 1 (microscopia elettronica à scanning), 2 (diffrazione di raghji X) è 3 (calorimetria).
a, Sketch di una trama di entropia (S)-temperatura (T) cù u campu elettricu on and off appiicatu à i materiali NLP chì mostranu transizioni di fase.Dui ciculi di cullizzioni di energia sò indicati in duie zone di temperatura differenti.I ciculi blu è verdi si verificanu in l'internu è fora di a transizione di fase, rispettivamente, è finiscinu 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 currispundenti.E lettere ABCD riferenu à diversi stati in u ciculu Olson.AB: I MLC sò stati caricati à 155 kV cm-1 à 20 ° C.BC: MLC hè stata mantenuta à 155 kV cm-1 è a temperatura hè stata elevata à 90 ° C.CD: MLC scarica à 90 ° C.DA: MLC friddu à 20 ° C in u campu zero.L'area blu currisponde à a putenza di input necessaria per inizià u ciculu.L'area aranciu hè l'energia cullata in un ciclu.c, panel cima, voltage (neru) è currenti (russu) versus tempu, tracked durante u listessu ciclu Olson comu b.I dui inserti rapprisentanu l'amplificazione di tensione è currente in punti chjave in u ciculu.In u pannellu inferjuri, e curve gialli è verdi rapprisentanu e curve di temperatura è energia currispundenti, rispettivamente, per un MLC di 1 mm di spessore.L'energia hè calculata da e curve di corrente è di tensione nantu à u pannellu superiore.L'energia negativa currisponde à l'energia raccolta.I passi chì currispondenu à e lettere maiuscule in i quattru figuri sò listessi in u ciculu Olson.U ciculu AB'CD currisponde à u ciculu Stirling (nota addiziale 7).
induve E è D sò u campu elettricu è u campu di spustamentu elettricu, rispettivamente.Nd pò esse ottinutu indirettu da u circuit DE (Fig. 1b) o direttamente da principiatu un ciclu termodinamicu.I metudi più utili sò stati descritti da Olsen in u so travagliu pioneeru nantu à a cullizzioni di l'energia piroelettrica in l'anni 198017.
Nantu à fig.1b mostra dui loops DE monopolari di 1 mm di spessi PST-MLC assemblati à 20 °C è 90 °C, rispettivamente, in una gamma di 0 à 155 kV cm-1 (600 V).Questi dui ciculi ponu esse utilizati per calculà indirettamente l'energia cullata da u ciculu Olson indicatu in Figura 1a.In fattu, u ciclu d'Olsen si compone di dui rami isofield (qui, zero field in a branche DA è 155 kV cm-1 in a branche BC) è dui rami isotermi (qui, 20 ° С è 20 ° С in a branche AB) .C in u ramu CD) L'energia cullata durante u ciculu currisponde à e regioni aranciu è blu (EdD integral).L'energia raccolta Nd hè a diffarenza trà l'energia di input è output, vale à dì solu l'area aranciu in a fig.1b.Stu ciculu Olson particulari dà una densità di energia Nd di 1,78 J cm-3.U ciculu Stirling hè una alternativa à u ciculu Olson (Nota Supplementaria 7).Perchè u stadiu di carica custanti (circuitu apertu) hè più faciule, a densità d'energia estratta da a figura 1b (ciclu AB'CD) righjunghji 1,25 J cm-3.Questu hè solu u 70% di ciò chì u ciculu Olson pò cullà, ma l'equipaggiu simplice di cugliera faci.
Inoltre, avemu misuratu direttamente l'energia cullata durante u ciculu Olson energizendu u PST MLC cù una tappa di cuntrollu di temperatura Linkam è un metru di fonte (metudu).A figura 1c in cima è in i rispettivi insets mostra l'attuali (russu) è a tensione (negru) cullate nantu à u listessu PST MLC di 1 mm di spessore cum'è per u ciclu DE chì passa per u stessu ciculu Olson.U currente è a tensione facenu pussibule di calculà l'energia raccolta, è e curve sò mostrate in a fig.1c, fondu (verde) è temperatura (giallu) in tuttu u ciculu.E lettere ABCD rapprisentanu u stessu ciculu Olson in a figura 1. A carica di MLC si faci durante a gamba AB è hè realizata à un currente bassu (200 µA), cusì SourceMeter pò cuntrullà currettamente a carica.A cunsiquenza di sta currente iniziale constante hè chì a curva di tensione (curva nera) ùn hè micca lineale per via di u campu di spustamentu potenziale non lineale D PST (Fig. 1c, inset top).À a fine di a carica, 30 mJ di energia elettrica hè almacenata in u MLC (puntu B).U MLC si riscalda dopu è un currente negativu (è dunque un currente negativu) hè pruduciutu mentre a tensione resta à 600 V. Dopu à 40 s, quandu a temperatura hà righjuntu un plateau di 90 ° C, sta currente hè stata compensata, ancu s'è u passu sample. pruduciutu in u circuitu una putenza elettrica di 35 mJ durante stu isofield (second inset in Fig. 1c, cima).A tensione nantu à u MLC (branch CD) hè allora ridutta, risultatu in 60 mJ supplementari di travagliu elettricu.L'energia di output tutale hè 95 mJ.L'energia raccolta hè a diffarenza trà l'energia di input è output, chì dà 95 - 30 = 65 mJ.Questu currisponde à una densità d'energia di 1,84 J cm-3, chì hè assai vicinu à u Nd extracted from the DE ring.A riproducibilità di stu ciculu Olson hè stata assai pruvata (Nota Supplementaria 4).Aumentendu ulteriormente a tensione è a temperatura, avemu ottinutu 4,43 J cm-3 utilizendu cicli Olsen in un MLC PST di 0,5 mm di spessore in una gamma di temperatura di 750 V (195 kV cm-1) è 175 ° C (Nota Supplementaria 5).Questu hè quattru volte più grande di u megliu rendimentu riportatu in a literatura per i cicli Olson diretti è hè stata ottenuta nantu à filmi sottili di Pb (Mg, Nb) O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3) 18 (cm .Supplementary). Table 1 per più valori in a literatura). Questa prestazione hè stata ghjunta per via di a corrente di fuga assai bassa di questi MLC (<10−7 A à 750 V è 180 ° C, vede i dettagli in Nota Supplementaria 6) - un puntu cruciale citatu da Smith et al.19 - in cuntrastu. à i materiali utilizati in studii precedenti17,20. Questa prestazione hè stata ghjunta per via di a corrente di fuga assai bassa di questi MLC (<10−7 A à 750 V è 180 ° C, vede i dettagli in Nota Supplementaria 6) - un puntu cruciale citatu da Smith et al.19 - in cuntrastu. à i materiali utilizati in studii precedenti17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 В А70 и 10-7 °C пим 10-7 °C по. дробности в дополнительном примечании 6) - критический момент, упомянутый Смитом и др.19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Queste caratteristiche sò state ottenute per via di a corrente di fuga assai bassa di questi MLC (<10-7 A à 750 V è 180 ° C, vede a Nota Supplementaria 6 per i dettagli) - un puntu criticu citatu da Smith et al.19 - in cuntrastu à i materiali utilizati in studii precedenti17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说昸低（在玆中明6 中昻6 迉息等人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 慅 说 慅 说 些 mlc ）））） — 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 相比之下比之比之下相比之下 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 相比之下下 相比之下之下已律谧能胋能能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 подробности подробности подробностель и 6) - ключевой момент, упомянутый Смитом и др.19 - для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Siccomu a corrente di fuga di questi MLC hè assai bassu (<10-7 A à 750 V è 180 ° C, vede a Nota Supplementaria 6 per i dettagli) - un puntu chjave citatu da Smith et al.19 - per paragunà, sti prestazioni sò stati ottenuti.à i materiali utilizati in studii precedenti 17,20.
E stesse cundizioni (600 V, 20-90 ° C) applicate à u ciclu di Stirling (Nota supplementaria 7).Comu aspittatu da i risultati di u ciculu DE, u rendiment era 41,0 mJ.Una di e caratteristiche più impressiunanti di i cicli Stirling hè a so capacità di amplificà a tensione iniziale attraversu l'effettu termoelettricu.Avemu osservatu un guadagnu di tensione finu à 39 (da una tensione iniziale di 15 V à una tensione finale di finu à 590 V, vede Supplementary Fig. 7.2).
Un'altra caratteristica distintiva di questi MLC hè chì sò oggetti macroscòpichi abbastanza grande per cullà l'energia in a gamma di joule.Per quessa, avemu custruitu un prototipu harvester (HARV1) utilizendu 28 MLC PST 1 mm di spessore, seguitu à u listessu disegnu di piastra parallela descritta da Torello et al.14, in una matrice 7 × 4 cum'è mostra in Fig. u manifold hè spustatu da una pompa peristaltica trà dui reservoirs induve a temperatura di u fluidu hè mantene constantu (metudu).Cullate sin'à 3,1 J cù u ciclu Olson discrittu in fig.2a, regioni isothermal à 10 ° C è 125 ° C è regioni isofield à 0 è 750 V (195 kV cm-1).Questu currisponde à una densità di energia di 3,14 J cm-3.Utilizendu questa combinazione, e misurazioni sò state pigliate in diverse cundizioni (Fig. 2b).Nota chì 1,8 J hè stata ottenuta nantu à una gamma di temperatura di 80 ° C è una tensione di 600 V (155 kV cm-1).Questu hè in bonu accordu cù u 65 mJ prima citatu per 1 mm di spessore PST MLC in e stesse cundizioni (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Configurazione sperimentale di un prototipu HARV1 assemblatu basatu annantu à 28 PST MLC di 1 mm di spessore (4 fila × 7 colonne) in esecuzione 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 conduce una pompa peristaltica chì circula un fluidu dielettricu trà i serbatoi friddi è caldi, duie valvole è una fonte di energia.L'urdinatore usa ancu termocoppii per cullà e dati nantu à a tensione è u currente furnitu à u prototipu è a temperatura di a combina da l'alimentazione.b, Energia (culore) cullate da u nostru prototipu 4 × 7 MLC versus intervallu di temperatura (assi X) è voltage (assi Y) in diversi esperimenti.
Una versione più grande di a mietitrice (HARV2) cù 60 PST MLC 1 mm thick and 160 PST MLC 0.5 mm thick (41.7 g materiale piroelettricu attivu) hà datu 11.2 J (Nota Supplementaria 8).In u 1984, Olsen hà fattu una cugliera d'energia basatu nantu à 317 g di un compostu di Pb(Zr,Ti)O3 dopatu di stagnu capaci di generà 6,23 J d'electricità à una temperatura di circa 150 ° C (ref. 21).Per questa combinazione, questu hè l'unicu altru valore dispunibule in a gamma di joule.Hà avutu pocu più di a mità di u valore chì avemu ottenutu è quasi sette volte a qualità.Questu significa chì a densità energetica di HARV2 hè 13 volte più altu.
U periodu di ciclu HARV1 hè di 57 seconde.Questu hà pruduttu 54 mW di putenza cù 4 fila di 7 culonni di set MLC di 1 mm di spessore.Per fà un passu più avanti, avemu custruitu una terza combinazione (HARV3) cù un MLC PST di 0,5 mm di spessore è una configurazione simile à HARV1 è HARV2 (Nota Supplementaria 9).Avemu misuratu un tempu di termalizazione di 12,5 seconde.Questu currisponde à un tempu di ciclu di 25 s (Figura Supplementaria 9).L'energia raccolta (47 mJ) dà una putenza elettrica di 1.95 mW per MLC, chì à u turnu ci permette di imaginà chì HARV2 pruduce 0.55 W (circa 1.95 mW × 280 PST MLC 0.5 mm thick).Inoltre, avemu simulatu u trasferimentu di calore utilizendu a simulazione di elementi finiti (COMSOL, Nota Supplementaria 10 è Tavule Supplementari 2-4) currispundenti à l'esperimenti HARV1.U modellu di elementi finiti hà permessu di predichendu i valori di putenza quasi un ordine di grandezza più altu (430 mW) per u listessu numeru di colonne PST diluendu u MLC à 0,2 mm, utilizendu l'acqua cum'è refrigerante, è restituendu a matrice à 7 fila. .× 4 culonni (in più di, ci era 960 mW quandu u tank era vicinu à a combina, Supplementary Fig. 10b).
Per dimustrà l'utilità di stu cullettore, un ciculu Stirling hè statu appiicatu à un dimostratore stand-alone 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 almacenamento, un convertitore DC / DC. , un microcontrollore di bassa putenza, duie termocoppie è cunvertitore boost (Nota supplementaria 11).U circuitu richiede chì u condensatore di almacenamentu sia inizialmente caricatu à 9V è poi funziona in autonomia 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 Nota Supplementaria 11) .Notevolmente, dui MLC chì pesanu solu 0.3g ponu cuntrullà in modu autonomu stu grande sistema.Un'altra caratteristica interessante hè chì u cunvertitore di bassa tensione hè capaci di cunvertisce 400V à 10-15V cù efficienza di 79% (Nota Supplementaria 11 è Figura Supplementaria 11.3).
Infine, avemu evaluatu l'efficienza di questi moduli MLC in cunvertisce l'energia termica in energia elettrica.U fattore di qualità η di efficienza hè definitu cum'è u rapportu di a densità di l'energia elettrica raccolta Nd à a densità di u calore furnitu Qin (Nota supplementaria 12):
Les figures 3a,b montrent l'efficacité η et l'efficacité proportionnelle ηr du cycle d'Olsen, respectivement, en fonction de l'intervalle de température d'un MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur.I dui seti di dati sò datu per un campu elettricu di 195 kV cm-1.L'efficienza \(\this\) righjunghji 1,43%, chì hè equivalente à 18% di ηr.In ogni casu, per un intervallu di temperatura di 10 K da 25 ° C à 35 ° C, ηr righjunghji valori à 40% (curva blu in Fig. 3b).Questu hè duie volte u valore cunnisciutu per i materiali NLP registrati in i filmi PMN-PT (ηr = 19%) in a gamma di temperatura di 10 K è 300 kV cm-1 (Ref. 18).I intervalli di temperatura sottu à 10 K ùn sò micca stati cunsiderati perchè l'isteresi termale di u PST MLC hè trà 5 è 8 K. A ricunniscenza di l'effettu pusitivu di e transizzioni di fasa nantu à l'efficienza hè critica.En effet, les valeurs optimales de η et ηr sont presque toutes obtenues à la température initiale Ti = 25°C dans les Figs.3a,b.Questu hè dovutu à una transizione di fase stretta quandu ùn hè micca applicatu alcun campu è a temperatura Curie TC hè di circa 20 ° C in questi MLC (Nota supplementaria 13).
a,b, l'efficienza η e l'efficienza proporzionale del ciclo di Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } per u massimu elettricu da un campu di 195 kV cm-1 è diverse temperature iniziali Ti, }}\,\)(b) per u MPC PST 0,5 mm di spessore, secondu l'intervallu di temperatura ΔTspan.
L'ultima osservazione hà duie implicazioni impurtanti: (1) ogni ciculu efficace deve principià à e temperature sopra à TC per una transizione di fasi inducida da u campu (da paraelectric à ferroelectric) per esse;(2) sti materiali sò più efficaci à i tempi di esecuzione vicinu à TC.Ancu s'è l'efficienze à grande scala sò dimustrati in i nostri esperimenti, a gamma di temperatura limitata ùn ci permette micca di ottene grandi efficienze assolute per via di u limitu Carnot (\(\Delta T/T\)).Tuttavia, l'eccellente efficienza dimustrata da questi MLC PST ghjustifica Olsen quandu dice chì "un mutore termoelettricu rigenerativu di classa 20 ideale chì opera à temperature trà 50 °C è 250 °C pò avè una efficienza di 30%"17.Per ghjunghje à questi valori è pruvà u cuncettu, saria utile aduprà PST dopati cù diversi TC, cum'è studiatu da Shebanov è Borman.Anu dimustratu chì TC in PST pò varià da 3 ° C (doping Sb) à 33 ° C (doping Ti) 22 .Dunque, ipotisemu chì i rigeneratori piroelettrici di a prossima generazione basati nantu à MLC PST dopati o altri materiali cù una forte transizione di fase di primu ordine ponu cumpete cù i migliori raccoglitori di putenza.
In questu studiu, avemu investigatu MLCs fatti da PST.Sti dispusitivi sò custituiti da una seria di elettrodi Pt è PST, induve parechji condensatori sò cunnessi in parallelu.PST hè statu sceltu perchè hè un eccellente materiale EC è dunque un materiale potenziale NLP eccellente.Exhibisce una transizione di fase ferroelettrica-paraelettrica di primu ordine à circa 20 ° C, chì indica chì i so cambiamenti d'entropia sò simili à quelli mostrati in Fig.In questu studiu, avemu usatu MLC 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, a capa interna di PST hè stata posta trà elettrodi di platinu di 2,05 µm di spessore.U disignu di questi MLC assume chì 55% di i PST sò attivi, currispundenti à a parte trà l'elettrodi (Nota Supplementaria 1).L'area di l'elettrodu attivu era 48.7 mm2 (Tabella Supplementaria 5).MLC PST hè stata preparata da a reazione in fase solida è u metudu di casting.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 affetta assai a prestazione di EC in PST.L'ordine di i siti B di PST MLC hè 0,75 (Nota Supplementaria 2) ottenuta da sinterizzazione à 1400 ° C seguita da centinaie d'ore di ricottura à 1000 ° C.Per più infurmazione nantu à PST MLC, vede Note Supplementari 1-3 è Tabella Supplementaria 5.
U cuncettu principale di stu studiu hè basatu annantu à u ciculu Olson (Fig. 1).Per un tali ciculu, avemu bisognu di un reservoir caldu è friddu è di una fonte d'energia capace di monitorà è cuntrullà a tensione è a corrente in i diversi moduli MLC.Questi cicli diretti anu utilizatu duie cunfigurazioni diverse, vale à dì (1) moduli Linkam chì riscaldanu è rinfriscà un MLC cunnessu à una fonte di energia Keithley 2410, è (2) trè prototipi (HARV1, HARV2 è HARV3) in parallelu cù a listessa fonte d'energia.In l'ultimu casu, un fluidu dielettricu (oliu di silicone cù una viscosità di 5 cP à 25 ° C, acquistatu da Sigma Aldrich) hè stata utilizata per u scambiu di calore trà i dui reservoirs (caldi è friddi) è u MLC.U reservoir termale hè custituitu da un cuntainer di vetru pienu di fluidu dielettricu è postu nantu à a piastra termale.U magazzinu friddu hè custituitu da un bagnu d'acqua cù tubi di liquidu chì cuntenenu fluidu dielettricu in un grande cuntinuu di plastica pienu d'acqua è di ghiaccio.Dui valvole di pinch à trè vie (acquistate da Bio-Chem Fluidics) sò stati posti à ogni estremità di a combina per cambià bè u fluidu da un reservoir à l'altru (Figura 2a).Per assicurà l'equilibriu termale trà u pacchettu PST-MLC è u refrigerante, u periodu di ciculu hè statu allargatu finu à chì i termocoppii di ingressu è di uscita (più vicinu à u pacchettu PST-MLC) mostranu a stessa temperatura.U script di Python gestisce è sincronizza tutti i strumenti (metri di fonte, pompe, valvole è termocoppie) per eseguisce u ciculu Olson currettu, vale à dì u ciclu di refrigerante principia à ciclà à traversu a pila PST dopu chì u metru di fonte hè caricatu in modu chì si scaldanu à u desideratu. tensione applicata per u ciculu Olson datu.
In alternativa, avemu cunfirmatu sti misurazioni diretti di l'energia raccolta cù metudi indiretti.Sti mètudi indiretti sò basati nantu à u spustamentu elettricu (D) - i loops di campu di campu elettricu (E) raccolti à diverse temperature, è calculendu l'area trà dui loops DE, si pò stime accuratamente quantu energia pò esse recullata, cum'è mostra in a figura. .in figura 2. .1b.Questi loops DE sò ancu cullati cù i metri di fonte Keithley.
Vinti ottu MLC di PST di 1 mm di spessore sò stati assemblati in una struttura di piastra parallela di 4 fila, 7 colonna secondu u disignu descrittu in a riferenza.14. U spaziu fluidu trà e fila PST-MLC hè 0.75mm.Questu hè ottenutu aghjunghjendu strisce di cinta bifacciale cum'è spaziatori liquidi intornu à i bordi di u PST MLC.U PST MLC hè cunnessu elettricamente in parallelu cù un ponte epoxy d'argentu in cuntattu cù i cavi di l'elettrodu.Dopu quì, i fili sò stati incollati cù resina epossidica d'argentu à ogni latu di i terminali di l'elettrodu per a cunnessione à l'alimentazione.Infine, inserisci tutta a struttura in a manguera di poliolefina.L'ultime hè pegatu à u tubu di fluidu per assicurà un sealing propiu.Infine, i termocoppi di 0,25 mm di spessore K-type sò stati custruiti in ogni estremità di a struttura PST-MLC per monitorà a temperatura di u liquidu di l'ingressu è di l'outlet.Per fà questu, a manguera deve esse prima perforata.Dopu a stallazione di u termocoppiu, applicà u listessu adesivu cum'è prima trà u tubu di u termocoppiu è u filu per restaurà u sigillu.
Ottu prototipi separati sò stati custruiti, quattru di i quali avianu 40 0,5 mm MLC PSTs spessi distribuitu cum'è platti paralleli cù 5 culonni è 8 fila, è u restu quattru avia 15 1 mm PST MLC grossu ognunu.in una struttura di piastra parallela à 3 colonne × 5 fila.U numeru tutali di PST MLCs usatu era 220 (160 0,5 mm di spessore è 60 PST MLC 1 mm di spessore).Chjamemu sti dui subunità HARV2_160 è HARV2_60.U spaziu liquidu in u prototipu HARV2_160 hè custituitu da dui nastri bifacciali di 0,25 mm di grossu cù un filu di 0,25 mm di grossu trà elli.Per u prototipu HARV2_60, avemu ripetutu a stessa prucedura, ma utilizendu un filu di 0,38 mm di grossu.Per a simmetria, HARV2_160 è HARV2_60 anu i so circuiti di fluidi, pompe, valvole è latu friddu (Nota supplementaria 8).Dui unità HARV2 sparte un reservoir di calore, un cuntinuu di 3 litri (30 cm x 20 cm x 5 cm) nantu à dui piatti caldi cù magneti rotanti.Tutti l'ottu prototipi individuali sò cunnessi elettricamente in parallelu.I subunità HARV2_160 è HARV2_60 travaglianu simultaneamente in u ciculu Olson chì risulta in una cugliera di energia di 11,2 J.
Pone PST MLC di 0,5 mm di spessore in un tubu di poliolefina cù cinta doppia faccia è filu da i dui lati per creà spaziu per u flussu di liquidu.A causa di a so piccula dimensione, u prototipu hè stata postu vicinu à una valvola di reservoir calda o fridda, minimizendu i tempi di ciculu.
In PST MLC, un campu elettricu constantu hè appiicatu appliendu una tensione constante à u ramu di riscaldamentu.In u risultatu, un currente termale negativu hè generatu è l'energia hè almacenata.Dopu avè riscaldatu u PST MLC, u campu hè sguassatu (V = 0), è l'energia almacenata in questu hè tornata à u cuntatore di fonte, chì currisponde à una cuntribuzione più di l'energia cullata.Infine, cù una tensione V = 0 applicata, i PST MLC sò rinfriscati à a so temperatura iniziale per chì u ciculu pò principià novu.In questu stadiu, l'energia ùn hè micca recullata.Eseguimu u ciculu Olsen utilizendu un Keithley 2410 SourceMeter, carica u PST MLC da una fonte di tensione è stabilisce a partita attuale à u valore appropritatu per chì abbastanza punti sò stati cullati durante a fase di carica per calculi di energia affidabile.
In i cicli di Stirling, i MLC PST sò stati caricati in modu di fonte di tensione à un valore iniziale di u campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0), una corrente di conformità desiderata in modu chì u passu di carica dura circa 1 s (è abbastanza punti sò riuniti per un calculu affidabile di l'energia) è a temperatura fredda. In i cicli di Stirling, i MLC PST sò stati caricati in modu di fonte di tensione à un valore iniziale di u campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0), una corrente di conformità desiderata in modu chì u passu di carica dura circa 1 s (è abbastanza punti sò riuniti per un calculu affidabile di l'energia) è a temperatura fredda. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном заряжались заряжались начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает занимает окол податливом токе е количество точек для надежного расчета энергия) è холодная температура. In i ciculi 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), u currente di rendimentu desideratu, perchè u stadiu di carica dura circa 1 s (è un numeru suffirenziu). di punti sò cullati per un calculu di energia affidabile) è a temperatura di fretu.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）压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）压源模式林循环中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 ciculu maestru, u PST MLC hè carcu à u valore iniziale di u campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0) in u modu di fonte di tensione, cusì chì u currente di rispettu necessariu pigghia circa 1 segundu per u passu di carica (è avemu cullatu abbastanza punti per calculà in modu affidabile (energia) è bassa temperatura. В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значальным значальным значальным значальным значается в режиме источника напряжения альное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает окол отна е количество точек, чтобы надежно рассчитать энергию) è низкие температуры . In u ciclu di Stirling, u PST MLC hè carcu in u modu di fonte di tensione cù un valore iniziale di u campu elettricu (tensione iniziale Vi > 0), u currente di cunfurmità necessariu hè tale chì u stadiu di carica dura circa 1 s (è un numeru suffirenziu). di punti sò cullati per calculà in modu affidabile l'energia) è e basse temperature.Prima chì u PST MLC si riscalda, apre u circuitu appliendu un currente currispundente di I = 0 mA (u currente minimu currispondente chì a nostra fonte di misurazione pò trattà hè 10 nA).In u risultatu, una carica resta in u PST di u MJK, è a tensione aumenta cum'è a mostra si riscalda.Nisuna energia hè cullata 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 fig. 7.2 supplementu), u MLK FT hè scaricatu (V = 0), è l'energia elettrica hè almacenata in elli per u listessu. cum'è esse a carica iniziale.A stessa currispundenza attuale hè tornata à u metru-surghjente.A causa di l'aumentu di tensione, l'energia almacenata à alta temperatura hè più altu di ciò chì hè stata furnita à u principiu di u ciculu.In cunseguenza, l'energia hè ottenuta cunvertisce u calore in electricità.
Avemu usatu un Keithley 2410 SourceMeter per monitorizà a tensione è a currente applicata à u PST MLC.L'energia currispundenti hè calculata integrendu u pruduttu di a tensione è a corrente lettu da u metru 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.Nant'à a nostra curva di energia, i valori di l'energia pusitiva significanu l'energia chì avemu da dà à u MLC PST, è i valori negativi significanu l'energia chì avemu estrattu da elli è dunque l'energia ricevuta.A putenza relativa per un ciculu di cullizzioni datu hè determinata dividendu l'energia cullata per u periodu τ di u ciclu tutale.
Tutte e dati sò presentati in u testu principale o in infurmazioni supplementari.E lettere è e dumande di materiali anu da esse dirette à a fonte di i dati AT o ED furniti cù questu articulu.
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Ringraziemu N. Furusawa, Y. Inoue è K. Honda per u so aiutu in a creazione di u MLC.PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB è ED Grazie à a Fondazione Nazionale di Ricerca di Lussemburgo (FNR) per u sustegnu di stu travagliu attraversu CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay è BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Department of Materials Research and Technology, Luxembourg Institute of Technology (LIST), Belvoir, Luxembourg