Offrir des sources d'électricité durables est l'un des défis les plus importants de ce siècle. Les zones de recherche sur les matériaux de récolte d'énergie découlent de cette motivation, notamment Thermoelectric1, Photovoltaic2 et Thermophotovoltaics3. Bien que nous manquons de matériaux et de dispositifs capables de récolter de l'énergie dans la gamme Joule, les matériaux pyroélectriques qui peuvent convertir l'énergie électrique en changements de température périodiques sont considérés comme des capteurs4 et des récoltes d'énergie5,6,7. Ici, nous avons développé une moissonneuse à énergie thermique macroscopique sous la forme d'un condensateur multicouche composé de 42 grammes de scandium en plomb, produisant 11,2 j d'énergie électrique par cycle thermodynamique. Chaque module pyroélectrique peut générer une densité d'énergie électrique jusqu'à 4,43 J CM-3 par cycle. Nous montrons également que deux de ces modules pesant 0,3 g sont suffisants pour alimenter en continu les récolteurs d'énergie autonomes avec des microcontrôleurs intégrés et des capteurs de température. Enfin, nous montrons que pour une plage de température de 10 K, ces condensateurs multicouches peuvent atteindre 40% d'efficacité de carnot. Ces propriétés sont dues à (1) un changement de phase ferroélectrique pour une efficacité élevée, (2) un faible courant de fuite pour éviter les pertes et (3) une tension de dégradation élevée. Ces recordants de puissance pyroélectrique macroscopique, évolutive et efficace sont réinventés la production d'énergie thermoélectrique.
Comparé au gradient de température spatial requis pour les matériaux thermoélectriques, la récolte d'énergie des matériaux thermoélectriques nécessite un cycle de température au fil du temps. Cela signifie un cycle thermodynamique, qui est mieux décrit par le (s) diagramme de température (S) de l'entropie. La figure 1A montre un tracé ST typique d'un matériau pyroélectrique non linéaire (NLP) démontrant une transition de phase ferroélectrique paraélectrique provoquée par le champ dans le plomb de scandium Tantalate (PST). Les sections bleues et vertes du cycle sur le diagramme ST correspondent à l'énergie électrique convertie dans le cycle Olson (deux coupes isothermes et deux isopole). Ici, nous considérons deux cycles avec le même changement de champ électrique (champ activé et désactivé) et le changement de température ΔT, bien qu'avec différentes températures initiales. Le cycle vert n'est pas situé dans la région de transition de phase et a donc une zone beaucoup plus petite que le cycle bleu situé dans la région de transition de phase. Dans le diagramme ST, plus la zone est grande, plus l'énergie collectée est grande. Par conséquent, la transition de phase doit collecter plus d'énergie. Le besoin de cyclisme à grande surface dans la PNL est très similaire à la nécessité d'applications électrothermiques9, 10, 11, 12 où les condensateurs multicouches PST (MLC) et les terpolymères basés sur le PVDF ont récemment montré d'excellentes performances inverses. État des performances de refroidissement dans le cycle 13,14,15,16. Par conséquent, nous avons identifié des MLC PST d'intérêt pour la récolte d'énergie thermique. Ces échantillons ont été entièrement décrits dans les méthodes et caractérisés dans les notes supplémentaires 1 (microscopie électronique à balayage), 2 (diffraction des rayons X) et 3 (calorimétrie).
A, croquis d'un tracé d'entropie (s)-température (T) avec champ électrique activé et désactivé appliqué aux matériaux PNL montrant les transitions de phase. Deux cycles de collecte d'énergie sont représentés dans deux zones de température différentes. Les cycles bleus et verts se produisent à l'intérieur et à l'extérieur de la transition de phase, respectivement, et se terminent dans des régions très différentes de la surface. B, deux anneaux unipolaires de MLC de PST, 1 mm d'épaisseur, mesurés entre 0 et 155 kV CM-1 à 20 ° C et 90 ° C, respectivement, et les cycles Olsen correspondants. Les lettres ABCD se réfèrent à différents états du cycle Olson. AB: Les MLC ont été facturés à 155 kV CM-1 à 20 ° C. BC: MLC a été maintenu à 155 kV CM-1 et la température a été augmentée à 90 ° C. CD: MLC décharge à 90 ° C. DA: MLC a refroidi à 20 ° C dans un champ zéro. La zone bleue correspond à la puissance d'entrée requise pour démarrer le cycle. La zone orange est l'énergie collectée en un seul cycle. C, panneau supérieur, tension (noir) et courant (rouge) en fonction du temps, suivi pendant le même cycle Olson que b. Les deux inserts représentent l'amplification de la tension et du courant aux points clés du cycle. Dans le panneau inférieur, les courbes jaunes et vertes représentent respectivement les courbes de température et d'énergie correspondantes pour un MLC de 1 mm d'épaisseur. L'énergie est calculée à partir des courbes de courant et de tension sur le panneau supérieur. L'énergie négative correspond à l'énergie collectée. Les étapes correspondant aux majuscules des quatre chiffres sont les mêmes que dans le cycle Olson. Le cycle AB'CD correspond au cycle de Stirling (note supplémentaire 7).
où E et D sont le champ électrique et le champ de déplacement électrique, respectivement. ND peut être obtenu indirectement à partir du circuit DE (Fig. 1b) ou directement en commençant un cycle thermodynamique. Les méthodes les plus utiles ont été décrites par Olsen dans ses travaux pionniers sur la collecte d'énergie pyroélectrique dans les années 198017.
Sur la fig. 1B montre deux boucles de dé-monopolaires d'échantillons PST-MLC d'épaisseur 1 mm assemblés respectivement à 20 ° C et 90 ° C, sur une plage de 0 à 155 kV CM-1 (600 V). Ces deux cycles peuvent être utilisés pour calculer indirectement l'énergie collectée par le cycle Olson illustré à la figure 1A. En fait, le cycle Olsen se compose de deux branches d'isofield (ici, champ nul dans la branche DA et 155 kV CM-1 dans la branche BC) et deux branches isothermes (ici, 20 ° ° et 20 ° с dans la branche AB). C dans la branche CD) L'énergie collectée pendant le cycle correspond aux régions orange et bleu (intégration EDD). L'énergie collectée ND est la différence entre l'entrée et l'énergie de sortie, c'est-à-dire uniquement la zone orange de la Fig. 1b. Ce cycle Olson particulier donne une densité d'énergie ND de 1,78 J CM-3. Le cycle de Stirling est une alternative au cycle Olson (note supplémentaire 7). Étant donné que le stade de charge constant (circuit ouvert) est plus facilement atteint, la densité d'énergie extraite de la figure 1b (cycle AB'CD) atteint 1,25 J CM-3. Ce n'est que 70% de ce que le cycle Olson peut collecter, mais un équipement de récolte simple le fait.
De plus, nous avons directement mesuré l'énergie collectée pendant le cycle Olson en dynamisant le PST MLC à l'aide d'une étape de contrôle de la température de Linkam et d'un compteur source (méthode). La figure 1C en haut et dans les encarts respectifs montre le courant (rouge) et la tension (noir) collecté sur le même MLC de PST de 1 mm d'épaisseur que pour la boucle DE passant par le même cycle Olson. Le courant et la tension permettent de calculer l'énergie collectée, et les courbes sont représentées sur la Fig. 1C, en bas (vert) et température (jaune) tout au long du cycle. Les lettres ABCD représentent le même cycle Olson sur la figure 1. La charge MLC se produit pendant la jambe AB et est effectuée à un courant faible (200 µA), de sorte que SourceMet peut contrôler correctement la charge. La conséquence de ce courant initial constant est que la courbe de tension (courbe noire) n'est pas linéaire en raison du champ de déplacement de potentiel non linéaire D PST (Fig. 1C, encadré supérieur). À la fin de la charge, 30 MJ d'énergie électrique sont stockés dans le MLC (point B). Le MLC se réchauffe ensuite et un courant négatif (et donc un courant négatif) est produit tandis que la tension reste à 600 V. Après 40 s, lorsque la température a atteint un plateau de 90 ° C, ce courant a été compensé, bien que l'échantillon de pas produit dans le circuit une puissance électrique de 35 MJ pendant ce domaine (deuxième inset de file d'attente de la figure 1C, en haut). La tension sur le MLC (Branch CD) est ensuite réduite, ce qui entraîne 60 MJ supplémentaires de travaux électriques. L'énergie de sortie totale est de 95 MJ. L'énergie collectée est la différence entre l'entrée et l'énergie de sortie, qui donne 95 à 30 = 65 MJ. Cela correspond à une densité d'énergie de 1,84 J CM-3, qui est très proche du ND extrait de l'anneau. La reproductibilité de ce cycle Olson a été largement testée (note supplémentaire 4). En augmentant davantage la tension et la température, nous avons atteint 4,43 J CM-3 en utilisant des cycles OLSEN dans un MLC de PST de 0,5 mm d'épaisseur sur une plage de température de 750 V (195 kV CM-1) et 175 ° C (note supplémentaire 5). Ceci est quatre fois supérieur à la meilleure performance rapportée dans la littérature pour les cycles directs d'Olson et a été obtenu sur des films minces de PB (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (CM. Tableau 1 pour les valeurs dans la littérature). Cette performance a été atteinte en raison du très faible courant de fuite de ces MLC (<10−7 A à 750 V et 180 ° C, voir les détails de la note 6) - un point crucial mentionné par Smith et al.19 - contrairement aux matériaux utilisés dans les études antérieures17,20. Cette performance a été atteinte en raison du très faible courant de fuite de ces MLC (<10−7 A à 750 V et 180 ° C, voir les détails de la note 6) - un point crucial mentionné par Smith et al.19 - contrairement aux matériaux utilisés dans les études antérieures17,20. Эти характеристики ыли достeek. В до démare. 19 - В отличие от к материалаaison, испeieu Ces caractéristiques ont été obtenues en raison du très faible courant de fuite de ces MLC (<10–7 A à 750 V et 180 ° C, voir la note supplémentaire 6 pour plus de détails) - un point critique mentionné par Smith et al. 19 - Contrairement aux matériaux utilisés dans des études antérieures17,20.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。 Поскольк у ток утечки этих mlc ччень низзкий (<10–7 а при 750 В В В д0 ° C, см. Подрrés кючевой моент, упомянутый сиии и и д. 19 - для сравнения, ыыли достигнуты эти характери Ceкe. Étant donné que le courant de fuite de ces MLC est très faible (<10–7 A à 750 V et 180 ° C, voir la note supplémentaire 6 pour plus de détails) - un point clé mentionné par Smith et al. 19 - À titre de comparaison, ces performances ont été réalisées.aux matériaux utilisés dans les études antérieures 17,20.
Les mêmes conditions (600 V, 20–90 ° C) appliquées au cycle de Stirling (note supplémentaire 7). Comme prévu des résultats du cycle DE, le rendement était de 41,0 MJ. L'une des caractéristiques les plus frappantes des cycles de Stirling est leur capacité à amplifier la tension initiale à travers l'effet thermoélectrique. Nous avons observé un gain de tension allant jusqu'à 39 (à partir d'une tension initiale de 15 V à une tension d'extrémité allant jusqu'à 590 V, voir Fig. Supplémentaire 7.2).
Une autre caractéristique distinctive de ces MLC est qu'ils sont des objets macroscopiques suffisamment grands pour collecter l'énergie dans la gamme Joule. Par conséquent, nous avons construit un prototype Harvester (Harv1) en utilisant 28 MLC PST 1 mm d'épaisseur, suivant la même conception de plaque parallèle décrite par Torello et al.14, dans une matrice 7 × 4 comme indiqué sur la figure. Le fluide diélectrique de la chaleur dans la température du fluide est conservé (la méthode). Recueillir jusqu'à 3.1 J en utilisant le cycle Olson décrit sur la fig. 2A, régions isothermes à 10 ° C et 125 ° C et les régions isofield à 0 et 750 V (195 kV CM-1). Cela correspond à une densité d'énergie de 3,14 J CM-3. En utilisant cette combinaison, les mesures ont été prises dans diverses conditions (Fig. 2b). Notez que 1,8 J a été obtenu sur une plage de température de 80 ° C et une tension de 600 V (155 kV CM-1). Ceci est en bon accord avec les 65 MJ mentionnés précédemment pour 1 mm d'épaisseur MLC dans les mêmes conditions (28 × 65 = 1820 MJ).
A, configuration expérimentale d'un prototype de Harv1 assemblé basé sur 28 PST MLC 1 mm d'épaisseur (4 rangées × 7 colonnes) fonctionnant sur les cycles Olson. Pour chacune des étapes de quatre cycles, la température et la tension sont fournies dans le prototype. L'ordinateur entraîne une pompe péristaltique qui circule un liquide diélectrique entre les réservoirs froids et chauds, deux vannes et une source d'alimentation. L'ordinateur utilise également des thermocouples pour collecter des données sur la tension et le courant fourni au prototype et la température de la moissonneuse-batteuse à partir de l'alimentation. B, énergie (couleur) collecté par notre prototype 4 × 7 MLC par rapport à la plage de température (axe x) et à la tension (axe y) dans différentes expériences.
Une version plus grande de la moissonneuse (Harv2) avec 60 PST MLC 1 mm d'épaisseur et 160 PST MLC 0,5 mm d'épaisseur (41,7 g de matériau pyroélectrique actif) a donné 11,2 J (note supplémentaire 8). En 1984, Olsen a fabriqué une récolteuse d'énergie basée sur 317 g d'un composé PB (Zr, Ti) O3 capable de générer 6,23 J d'électricité à une température d'environ 150 ° C (Réf. 21). Pour cette combinaison, c'est la seule autre valeur disponible dans la gamme Joule. Il a obtenu un peu plus de la moitié de la valeur que nous avons atteinte et près de sept fois la qualité. Cela signifie que la densité d'énergie de Harv2 est 13 fois plus élevée.
La période de cycle Harv1 est de 57 secondes. Cela a produit 54 MW de puissance avec 4 rangées de 7 colonnes de jeux MLC d'épaisseur de 1 mm d'épaisseur. Pour aller plus loin, nous avons construit une troisième combinaison (Harv3) avec un MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur et une configuration similaire à Harv1 et Harv2 (note supplémentaire 9). Nous avons mesuré un temps de thermalisation de 12,5 secondes. Cela correspond à un temps de cycle de 25 s (figure supplémentaire 9). L'énergie collectée (47 MJ) donne une puissance électrique de 1,95 MW par MLC, ce qui nous permet à son tour d'imaginer que Harv2 produit 0,55 W (environ 1,95 MW × 280 PST MLC 0,5 mm d'épaisseur). De plus, nous avons simulé le transfert de chaleur en utilisant une simulation par éléments finis (Comsol, la note supplémentaire 10 et les tableaux supplémentaires 2 à 4) correspondant aux expériences Harv1. La modélisation par éléments finis a permis de prédire les valeurs de puissance presque un ordre de grandeur plus élevé (430 MW) pour le même nombre de colonnes PST en amincissant le MLC à 0,2 mm, en utilisant l'eau comme liquide de refroidissement et en restaurant la matrice à 7 lignes. Colonnes × 4 (en plus, il y avait 960 MW lorsque le réservoir était à côté de la moissonneuse-batteuse, figure supplémentaire 10b).
Pour démontrer l'utilité de ce collecteur, un cycle de Stirling a été appliqué à un démonstrateur autonome composé de seulement deux MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur en tant que collecteurs de chaleur, un interrupteur à haute tension, un commutateur à basse tension avec condensateur de stockage, un convertisseur DC / DC, un microcontrôleur à faible puissance). Le circuit nécessite que le condensateur de stockage soit initialement chargé à 9V, puis fonctionne de manière autonome tandis que la température des deux MLC varie de -5 ° C à 85 ° C, ici en cycles de 160 s (plusieurs cycles sont indiqués dans la note supplémentaire 11). Remarquablement, deux MLC ne pesant que 0,3 g peuvent contrôler de manière autonome ce grand système. Une autre caractéristique intéressante est que le convertisseur basse tension est capable de convertir 400 V en 10-15V avec une efficacité de 79% (note supplémentaire 11 et figure supplémentaire 11.3).
Enfin, nous avons évalué l'efficacité de ces modules MLC pour convertir l'énergie thermique en énergie électrique. Le facteur de qualité η d'efficacité est défini comme le rapport de la densité de l'énergie électrique collectée et la densité de la chaleur fournie Qin (Note supplémentaire 12):
Les figures 3A, b montrent respectivement l'efficacité η et l'efficacité proportionnelle du cycle OLSEN en fonction de la plage de température d'un MLC de PST d'épaisseur de 0,5 mm. Les deux ensembles de données sont donnés pour un champ électrique de 195 kV CM-1. L'efficacité \ (\ this \) atteint 1,43%, ce qui équivaut à 18% de ηr. Cependant, pour une plage de température de 10 K de 25 ° C à 35 ° C, ηR atteint des valeurs jusqu'à 40% (courbe bleue sur la figure 3B). C'est le double de la valeur connue des matériaux PNL enregistrés dans les films PMN-PT (ηr = 19%) dans la plage de température de 10 K et 300 kV CM-1 (réf. 18). Les plages de température inférieures à 10 K n'ont pas été prises en compte car l'hystérésis thermique du PST MLC se situe entre 5 et 8 K. La reconnaissance de l'effet positif des transitions de phase sur l'efficacité est critique. En fait, les valeurs optimales de η et ηr sont presque toutes obtenues à la température initiale Ti = 25 ° C sur les Fig. 3a, b. Cela est dû à une transition de phase étroite lorsqu'aucun champ n'est appliqué et que la température Curie TC est d'environ 20 ° C dans ces MLC (note supplémentaire 13).
A, b, l'efficacité η et l'efficacité proportionnelle du cycle Olson (a) \ ({\ eta} _ {{\ rm {r}}} = \ eta / {\ eta} _ {{\ rm {carnot}} }} \, \) (b) pour le MPC PST 0,5 mm d'épaisseur, selon l'intervalle de température Δtspan.
Cette dernière observation a deux implications importantes: (1) tout cycle efficace doit commencer à des températures supérieures à TC pour une transition de phase induite par le champ (du paraelectrique à la ferroélectrique) pour se produire; (2) Ces matériaux sont plus efficaces aux temps d'exécution à proximité de TC. Bien que les efficacités à grande échelle soient montrées dans nos expériences, la plage de température limitée ne nous permet pas d'obtenir de grandes efficacités absolues en raison de la limite de carnot (\ (\ delta t / t \)). Cependant, l'excellente efficacité démontrée par ces MLC PST justifie OLSEN lorsqu'il mentionne que «un moteur thermoélectrique régénératif de classe 20 idéal fonctionnant à des températures comprises entre 50 ° C et 250 ° C peut avoir une efficacité de 30%» 17. Pour atteindre ces valeurs et tester le concept, il serait utile d'utiliser des PST dopés avec différents TC, comme étudié par Shebanov et Borman. Ils ont montré que le TC dans PST peut varier de 3 ° C (dopage SB) à 33 ° C (Ti doping) 22. Par conséquent, nous émettons l'hypothèse que les régénérateurs pyroélectriques de prochaine génération basés sur des MLC PST dopés ou d'autres matériaux avec une forte transition de phase de premier ordre peuvent rivaliser avec les meilleurs récolteurs de puissance.
Dans cette étude, nous avons étudié les MLC fabriqués à partir de PST. Ces dispositifs sont constitués d'une série d'électrodes PT et PST, par lesquelles plusieurs condensateurs sont connectés en parallèle. Le PST a été choisi car il s'agit d'un excellent matériau EC et donc d'un matériau PNL potentiellement excellent. Il présente une transition de phase ferroélectrique par-paraélectrique nette de premier ordre autour de 20 ° C, indiquant que ses changements d'entropie sont similaires à ceux montrés sur la figure 1. Des MLC similaires ont été entièrement décrits pour les dispositifs EC13,14. Dans cette étude, nous avons utilisé 10,4 × 7,2 × 1 mm³ et 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. Les MLC d'une épaisseur de 1 mm et 0,5 mm ont été fabriqués à partir de 19 et 9 couches de PST avec une épaisseur de 38,6 µm, respectivement. Dans les deux cas, la couche PST intérieure a été placée entre les électrodes en platine de 2,05 µm d'épaisseur. La conception de ces MLC suppose que 55% des PST sont actifs, correspondant à la pièce entre les électrodes (note supplémentaire 1). La zone d'électrode active était de 48,7 mm2 (tableau supplémentaire 5). Le MLC PST a été préparé par une méthode de réaction et de coulée en phase solide. Les détails du processus de préparation ont été décrits dans un article précédent 14. L'une des différences entre PST MLC et l'article précédent est l'ordre des sites B, qui affecte considérablement les performances de la CE dans PST. L'ordre des sites B de PST MLC est de 0,75 (note supplémentaire 2) obtenue par frittage à 1400 ° C suivie d'un recuit de centaines d'heures à 1000 ° C. Pour plus d'informations sur PST MLC, voir les notes supplémentaires 1-3 et le tableau supplémentaire 5.
Le concept principal de cette étude est basé sur le cycle Olson (Fig. 1). Pour un tel cycle, nous avons besoin d'un réservoir chaud et froid et d'une alimentation capable de surveiller et de contrôler la tension et le courant dans les différents modules MLC. Ces cycles directs ont utilisé deux configurations différentes, à savoir (1) les modules de linkam chauffant et refroidissant un MLC connecté à une source d'alimentation de Keithley 2410, et (2) trois prototypes (Harv1, Harv2 et Harv3) parallèlement à la même énergie source. Dans ce dernier cas, un liquide diélectrique (huile de silicone avec une viscosité de 5 cp à 25 ° C, acheté auprès de Sigma Aldrich) a été utilisé pour l'échange de chaleur entre les deux réservoirs (chaud et froid) et le MLC. Le réservoir thermique se compose d'un récipient en verre rempli de liquide diélectrique et placé sur le dessus de la plaque thermique. Le stockage à froid se compose d'un bain-marie avec des tubes liquides contenant du liquide diélectrique dans un grand récipient en plastique rempli d'eau et de glace. Deux valves de pincement à trois voies (achetées auprès de Bio-Chem Fluidics) ont été placées à chaque extrémité de la moissonneuse-batteuse pour passer correctement à un liquide d'un réservoir à un autre (figure 2A). Pour garantir l'équilibre thermique entre le paquet PST-MLC et le liquide de refroidissement, la période de cycle a été prolongée jusqu'à ce que les thermocouples d'entrée et de sortie (aussi près que possible de l'ensemble PST-MLC) montre la même température. Le script Python gère et synchronise tous les instruments (compteurs source, pompes, vannes et thermocouples) pour exécuter le cycle Olson correct, c'est-à-dire que la boucle de liquide de refroidissement commence à faire du vélo à travers la pile PST après le chargé du compteur source.
Alternativement, nous avons confirmé ces mesures directes de l'énergie collectée avec des méthodes indirectes. Ces méthodes indirectes sont basées sur les boucles de champ électrique (D) - champ électrique (E) collectées à différentes températures, et en calculant la zone entre deux boucles de De, on peut estimer avec précision la quantité d'énergie peut être collectée, comme le montre la figure. Dans la figure 2. .1b. Ces boucles DE sont également collectées à l'aide des compteurs de source Keithley.
Les MLC de PST de vingt-huit 1 mm d'épaisseur ont été assemblés dans une structure de plaque parallèle à 7 rangs à 7 colonnes selon la conception décrite dans la référence. 14. L'espace fluide entre les lignes PST-MLC est de 0,75 mm. Ceci est réalisé en ajoutant des bandes de ruban adhésif double face sous forme d'espaceurs liquides sur les bords du PST MLC. Le PST MLC est connecté électriquement en parallèle avec un pont époxy en argent en contact avec les fils d'électrode. Après cela, les fils ont été collés avec de la résine époxy en argent de chaque côté des bornes d'électrode pour la connexion à l'alimentation. Enfin, insérez toute la structure dans le tuyau de polyoléfine. Ce dernier est collé au tube fluide pour assurer un scellage approprié. Enfin, des thermocouples de type K d'épaisseur de 0,25 mm d'épaisseur ont été construits à chaque extrémité de la structure PST-MLC pour surveiller les températures liquides d'entrée et de sortie. Pour ce faire, le tuyau doit d'abord être perforé. Après avoir installé le thermocouple, appliquez le même adhésif qu'entre le tuyau du thermocouple et le fil pour restaurer le joint.
Huit prototypes séparés ont été construits, dont quatre avaient 40 PST MLC d'épaisseur de 0,5 mm d'épaisseur distribué sous forme de plaques parallèles avec 5 colonnes et 8 rangées, et les quatre autres avaient chacun de 15 mlc de MLC d'épaisseur de 15 mm d'épaisseur. Dans une structure de plaque parallèle à 3 colonnes × 5 rangs. Le nombre total de MLC PST utilisés était de 220 (160 0,5 mm d'épaisseur et 60 PST MLC 1 mm d'épaisseur). Nous appelons ces deux sous-unités Harv2_160 et Harv2_60. L'espace liquide dans le prototype Harv2_160 se compose de deux bandes double face 0,25 mm d'épaisseur avec un fil de 0,25 mm d'épaisseur entre elles. Pour le prototype Harv2_60, nous avons répété la même procédure, mais en utilisant du fil de 0,38 mm d'épaisseur. Pour la symétrie, Harv2_160 et Harv2_60 ont leurs propres circuits de fluide, pompes, vannes et côté froid (note supplémentaire 8). Deux unités Harv2 partagent un réservoir de chaleur, un récipient de 3 litres (30 cm x 20 cm x 5 cm) sur deux plaques chaudes avec des aimants rotatifs. Les huit prototypes individuels sont connectés électriquement en parallèle. Les sous-unités Harv2_160 et Harv2_60 fonctionnent simultanément dans le cycle Olson, ce qui entraîne une récolte d'énergie de 11,2 J.
Placer un PST de 0,5 mm d'épaisseur dans le tuyau de polyoléfine avec du ruban adhésif double face et un fil des deux côtés pour créer un espace pour que le liquide s'écoule. En raison de sa petite taille, le prototype a été placé à côté d'une vanne de réservoir chaud ou froid, minimisant les temps de cycle.
Dans PST MLC, un champ électrique constant est appliqué en appliquant une tension constante à la branche de chauffage. En conséquence, un courant thermique négatif est généré et l'énergie est stockée. Après avoir chauffé le PST MLC, le champ est retiré (v = 0), et l'énergie stockée en elle est retournée au compteur source, ce qui correspond à une contribution supplémentaire de l'énergie collectée. Enfin, avec une tension V = 0 appliquée, les PST MLC sont refroidis à leur température initiale afin que le cycle puisse recommencer. À ce stade, l'énergie n'est pas collectée. Nous avons effectué le cycle OLSEN à l'aide d'un Sourcemeter Keithley 2410, facturant le PST MLC à partir d'une source de tension et définissant la correspondance actuelle à la valeur appropriée afin que suffisamment de points aient été collectés pendant la phase de charge pour des calculs d'énergie fiables.
Dans les cycles de Stirling, les MLC PST ont été chargés en mode source de tension à une valeur de champ électrique initiale (tension initiale VI> 0), un courant de conformité souhaité afin que l'étape de charge prenne environ 1 s (et suffisamment de points sont recueillis pour un calcul fiable de l'énergie) et de la température froide. Dans les cycles de Stirling, les MLC PST ont été chargés en mode source de tension à une valeur de champ électrique initiale (tension initiale VI> 0), un courant de conformité souhaité afin que l'étape de charge prenne environ 1 s (et suffisamment de points sont recueillis pour un calcul fiable de l'énergie) et de la température froide. В циклах сирлинга pSt Mlc заряжались В режиме источника наcinжения при ачальном значении эээечальном зачении. (начальное нааcin достаточное количество точек для надежного расчета энергия) ихолодная темеécuveve. Dans les cycles de MLC Stirling PST, ils ont été chargés en mode source de tension à la valeur initiale du champ électrique (tension initiale VI> 0), le courant de rendement souhaité, de sorte que l'étape de charge prend environ 1 s (et un nombre suffisant de points sont collectés pour un calcul d'énergie fiable) et une température du froid.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。 Dans le cycle maître, le PST MLC est chargé à la valeur du champ électrique initial (tension initiale VI> 0) en mode source de tension, de sorte que le courant de conformité requis prend environ 1 seconde pour l'étape de charge (et nous avons collecté suffisamment de points pour calculer de manière fiable (énergie) et à basse température. В цикле сирлинга pSt mlc заряжается В режиме источника наапежения с начальныы значением ээачоеbli напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно рссчитать энергию) и низкие темcinve. Dans le cycle de Stirling, le PST MLC est chargé en mode source de tension avec une valeur initiale du champ électrique (tension initiale VI> 0), le courant de conformité requis est tel que l'étape de charge prend environ 1 s (et un nombre suffisant de points sont collectés pour calculer de manière fiable l'énergie) et de faibles températures.Avant que le PST MLC ne se réchauffe, ouvrez le circuit en appliquant un courant correspondant de I = 0 Ma (le courant de correspondance minimum que notre source de mesure peut gérer est de 10 na). En conséquence, une charge reste dans le PST du MJK, et la tension augmente à mesure que l'échantillon se réchauffe. Aucune énergie n'est collectée dans le bras BC car i = 0 mA. Après avoir atteint une température élevée, la tension dans le MLT FT augmente (dans certains cas plus de 30 fois, voir la figure supplémentaire 7.2), le MLK FT est déchargé (v = 0) et l'énergie électrique y est stockée pour les mêmes que la charge initiale. La même correspondance actuelle est renvoyée au mètre-source. En raison du gain de tension, l'énergie stockée à haute température est plus élevée que ce qui a été fourni au début du cycle. Par conséquent, l'énergie est obtenue en convertissant la chaleur en électricité.
Nous avons utilisé un Sourcemeter Keithley 2410 pour surveiller la tension et le courant appliqués au PST MLC. L'énergie correspondante est calculée en intégrant le produit de la tension et du courant lus par le mètre source de Keithley, \ (e = {\ int} _ {0} ^ {\ tau} {i} _ ({\ rm {mese))} \ Left (t \ droite) {v} _ {{\ rm {mee}}}} (t) \), où {\ rm {mee}}}} (t) \), où {\ rm {mee}}}} (t) \), où {\ rm {mee}}}} (T) \), où {\ rm {mee}}}} (T) \), où {\ rm {mee}}}} (T) \), où {\ rm {MEAD}}} (T) \) période. Sur notre courbe d'énergie, les valeurs d'énergie positives signifient l'énergie que nous devons donner au MLC PST, et les valeurs négatives signifient l'énergie que nous en extraisons et donc l'énergie reçue. La puissance relative pour un cycle de collecte donné est déterminée en divisant l'énergie collectée par la période τ de l'ensemble du cycle.
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Nous remercions N. Furusawa, Y. Inoue et K. Honda pour leur aide dans la création du MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB et ED grâce à la Luxembourg National Research Foundation (FNR) pour avoir soutenu ce travail via Camelheat C17 / MS / 11703691 / Defay, Massena Pride / 15/10935404 Bridges2021 / MS / 16282302 / CECOHA / Defay.
Département de recherche et de technologie des matériaux, Luxembourg Institute of Technology (List), Belvoir, Luxembourg