Offrir des sources d'électricité durables est l'un des défis les plus importants de ce siècle. Les domaines de recherche sur les matériaux de récupération d'énergie découlent de cette motivation, notamment la thermoélectricité1, le photovoltaïque2 et le thermophotovoltaïque3. Bien que nous manquions de matériaux et de dispositifs capables de récupérer de l'énergie dans la gamme Joule, les matériaux pyroélectriques capables de convertir l'énergie électrique en variations périodiques de température sont considérés comme des capteurs4 et des récupérateurs d'énergie5,6,7. Nous avons développé ici un récupérateur d'énergie thermique macroscopique sous la forme d'un condensateur multicouche composé de 42 grammes de tantalate de plomb et de scandium, produisant 11,2 J d'énergie électrique par cycle thermodynamique. Chaque module pyroélectrique peut générer une densité d'énergie électrique allant jusqu'à 4,43 J cm-3 par cycle. Nous démontrons également que deux de ces modules pesant 0,3 g suffisent à alimenter en continu des récupérateurs d'énergie autonomes équipés de microcontrôleurs et de capteurs de température intégrés. Enfin, nous démontrons que pour une plage de température de 10 K, ces condensateurs multicouches peuvent atteindre un rendement Carnot de 40 %. Ces propriétés sont dues (1) au changement de phase ferroélectrique pour un rendement élevé, (2) au faible courant de fuite pour éviter les pertes et (3) à la tension de claquage élevée. Ces récupérateurs d'énergie pyroélectrique macroscopiques, évolutifs et efficaces réinventent la production d'énergie thermoélectrique.
Comparé au gradient de température spatial requis pour les matériaux thermoélectriques, la récupération d'énergie de ces matériaux nécessite un cycle de température au fil du temps. Il s'agit d'un cycle thermodynamique, mieux décrit par le diagramme entropie (S)-température (T). La figure 1a présente un tracé ST typique d'un matériau pyroélectrique non linéaire (NLP) illustrant une transition de phase ferroélectrique-paraélectrique induite par le champ dans le tantalate de plomb et de scandium (PST). Les sections bleue et verte du cycle sur le diagramme ST correspondent à l'énergie électrique convertie dans le cycle d'Olson (deux sections isothermes et deux sections isopolaires). Nous considérons ici deux cycles présentant la même variation de champ électrique (champ activé et désactivé) et la même variation de température ΔT, mais avec des températures initiales différentes. Le cycle vert n'est pas situé dans la région de transition de phase et présente donc une surface beaucoup plus petite que le cycle bleu situé dans cette région. Sur le diagramme ST, plus la surface est grande, plus l'énergie collectée est importante. Par conséquent, la transition de phase doit collecter davantage d'énergie. Français Le besoin de cyclage sur de grandes surfaces en NLP est très similaire à celui des applications électrothermiques9, 10, 11, 12 où les condensateurs multicouches PST (MLC) et les terpolymères à base de PVDF ont récemment montré d'excellentes performances inverses. état des performances de refroidissement dans les cycles 13,14,15,16. Par conséquent, nous avons identifié les MLC PST intéressants pour la récupération 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, Schéma d'un tracé entropie (S)-température (T) avec champ électrique activé et désactivé appliqué à des matériaux NLP montrant des transitions de phase. Deux cycles de collecte d'énergie sont représentés dans deux zones de température différentes. Les cycles bleu et vert se produisent respectivement à l'intérieur et à l'extérieur de la transition de phase et se terminent dans des régions très différentes de la surface. b, deux anneaux unipolaires DE PST MLC, de 1 mm d'épaisseur, mesurés entre 0 et 155 kV cm-1 à 20 °C et 90 °C, respectivement, et les cycles d'Olsen correspondants. Les lettres ABCD font référence à différents états du cycle d'Olson. AB : les MLC ont été chargés à 155 kV cm-1 à 20 °C. BC : le MLC a été maintenu à 155 kV cm-1 et la température a été portée à 90 °C. CD : le MLC se décharge à 90 °C. DA : le MLC a été refroidi à 20 °C en champ nul. La zone bleue correspond à la puissance d'entrée requise pour démarrer le cycle. La zone orange représente l'énergie collectée au cours d'un cycle. c, panneau supérieur, tension (noir) et courant (rouge) en fonction du temps, suivis pendant le même cycle Olson que b. Les deux encarts représentent l'amplification de la tension et du courant à des points clés du cycle. Dans le panneau inférieur, les courbes jaune et verte 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 du panneau supérieur. L'énergie négative correspond à l'énergie collectée. Les étapes correspondant aux lettres majuscules dans les quatre figures sont les mêmes que dans le cycle Olson. Le cycle AB'CD correspond au cycle de Stirling (note complémentaire 7).
où E et D sont respectivement le champ électrique et le champ de déplacement électrique. Le Nd peut être obtenu indirectement à partir du circuit DE (Fig. 1b) ou directement en démarrant 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.
Français La fig. 1b montre deux boucles DE monopolaires d'échantillons PST-MLC de 1 mm d'épaisseur assemblées à 20 °C et 90 °C, respectivement, 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 d'Olson montré dans la figure 1a. En fait, le cycle d'Olsen est constitué de deux branches isochamp (ici, champ nul dans la branche DA et 155 kV cm-1 dans la branche BC) et de deux branches isothermes (ici, 20 °C et 20 °C dans la branche AB). C dans la branche CD) L'énergie collectée pendant le cycle correspond aux régions orange et bleue (intégrale EdD). L'énergie collectée Nd est la différence entre l'énergie d'entrée et de sortie, c'est-à-dire uniquement la zone orange sur la fig. 1b. Ce cycle d'Olson particulier donne une densité d'énergie Nd de 1,78 J cm-3. Le cycle de Stirling est une alternative au cycle d'Olson (Note complémentaire 7). Comme le stade de charge constante (circuit ouvert) est plus facilement atteint, la densité d'énergie extraite de la figure 1b (cycle AB'CD) atteint 1,25 J cm-3. Cela ne représente que 70 % de ce que le cycle d'Olson peut collecter, mais un équipement de récupération simple y parvient.
De plus, nous avons mesuré directement l'énergie collectée pendant le cycle Olson en alimentant le MLC PST à l'aide d'un étage de contrôle de température Linkam et d'un source-mètre (méthode). La figure 1c, en haut et dans les encarts respectifs, montre le courant (rouge) et la tension (noir) collectés sur le même MLC 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 présentées sur la figure 1c, en bas (vert) et la température (jaune) tout au long du cycle. Les lettres ABCD représentent le même cycle Olson sur la figure 1. La charge du MLC se produit pendant la branche AB et s'effectue à un faible courant (200 µA), ce qui permet au SourceMeter de 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, encart du haut). À la fin de la charge, 30 mJ d'énergie électrique sont stockés dans le MLC (point B). Le MLC chauffe alors et un courant négatif (et donc un courant négatif) est produit tant que la tension reste à 600 V. Après 40 s, lorsque la température atteint un plateau à 90 °C, ce courant est compensé, bien que l'échantillon à gradins produise dans le circuit une puissance électrique de 35 mJ pendant cet isochamp (deuxième encart de la Fig. 1c, en haut). La tension sur le MLC (branche CD) est ensuite réduite, ce qui entraîne un travail électrique supplémentaire de 60 mJ. L'énergie de sortie totale est de 95 mJ. L'énergie collectée est la différence entre l'énergie d'entrée et de sortie, ce qui donne 95 – 30 = 65 mJ. Cela correspond à une densité d'énergie de 1,84 J cm-3, très proche du Nd extrait de l'anneau DE. La reproductibilité de ce cycle d'Olson a été largement testée (Note complémentaire 4). Français En augmentant encore la tension et la température, nous avons atteint 4,43 J cm-3 en utilisant des cycles Olsen dans un MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur sur une plage de températures de 750 V (195 kV cm-1) et 175 °C (Note complémentaire 5). C'est quatre fois plus que la meilleure performance rapportée dans la littérature pour les cycles Olson directs et a été obtenue sur des films minces de Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm .Tableau complémentaire 1 pour plus de valeurs dans la littérature). Ces performances ont été atteintes grâce au très faible courant de fuite de ces MLC (<10−7 A à 750 V et 180 °C, voir les détails dans la note complémentaire 6) — un point crucial mentionné par Smith et al.19 — contrairement aux matériaux utilisés dans les études antérieures17,20. Ces performances ont été atteintes grâce au très faible courant de fuite de ces MLC (<10−7 A à 750 V et 180 °C, voir les détails dans la note complémentaire 6) — un point crucial mentionné par Smith et al.19 — contrairement aux matériaux utilisés dans les études antérieures17,20. Ces caractéristiques sont celles qui sont utilisées à une température inférieure à celle des substances MLC (<10–7 A à 750 V et 180 °C, ce qui est possible dans le cadre d'un remplacement примечании 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. Ces caractéristiques ont été obtenues grâce au très faible courant de fuite de ces MLC (<10–7 A à 750 V et 180 °C, voir la note complémentaire 6 pour plus de détails) – un point critique mentionné par Smith et al. 19 – contrairement aux matériaux utilisés dans les études antérieures17,20.Appareils MLC pour appareils électroménagers (750 V et 180 °C, < 10-7 A)中的详细信息）——Smith 19 décembre Il y a 17,20 ans.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））））） — 19 juillet 2019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. 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 — pour la saison, vous avez présenté ces caractéristiques. 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 complémentaire 6 pour plus de détails) – un point clé mentionné par Smith et al. 19 – à titre de comparaison, ces performances ont été atteintes.aux matériaux utilisés dans les études antérieures 17,20.
Les mêmes conditions (600 V, 20–90 °C) ont été appliquées au cycle Stirling (note complémentaire 7). Comme prévu d'après les résultats du cycle DE, le rendement était de 41,0 mJ. L'une des caractéristiques les plus frappantes des cycles Stirling est leur capacité à amplifier la tension initiale par effet thermoélectrique. Nous avons observé un gain de tension allant jusqu'à 39 (d'une tension initiale de 15 V à une tension finale allant jusqu'à 590 V, voir figure complémentaire 7.2).
Une autre caractéristique distinctive de ces MLC est qu'ils sont des objets macroscopiques suffisamment grands pour collecter de l'énergie dans la gamme joule. Par conséquent, nous avons construit un prototype de récupérateur (HARV1) en utilisant 28 MLC PST de 1 mm d'épaisseur, suivant la même conception de plaques parallèles décrite par Torello et al.14, dans une matrice 7 × 4 comme illustré à la figure 2. Le fluide diélectrique caloporteur dans le collecteur est déplacé par une pompe péristaltique entre deux réservoirs où la température du fluide est maintenue constante (méthode). Collectez jusqu'à 3,1 J en utilisant le cycle d'Olson décrit à la figure 2a, les régions isothermes à 10 °C et 125 °C et les régions isochamp à 0 et 750 V (195 kV cm-1). Cela correspond à une densité d'énergie de 3,14 J cm-3. À l'aide de cette combinaison, des mesures ont été prises dans diverses conditions (Fig. 2b). Il est à noter 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). Ce résultat concorde bien avec les 65 mJ mentionnés précédemment pour un MLC PST de 1 mm d'épaisseur dans les mêmes conditions (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Dispositif expérimental d'un prototype HARV1 assemblé basé sur 28 PST MLC de 1 mm d'épaisseur (4 rangées × 7 colonnes) fonctionnant selon des cycles Olson. Pour chacune des quatre étapes du cycle, la température et la tension sont fournies dans le prototype. L'ordinateur pilote une pompe péristaltique qui fait circuler un fluide diélectrique entre les réservoirs froid et chaud, deux vannes et une source d'alimentation. L'ordinateur utilise également des thermocouples pour collecter des données sur la tension et le courant fournis au prototype, ainsi que sur la température de la moissonneuse-batteuse à partir de l'alimentation électrique. b, Énergie (couleur) collectée par notre prototype MLC 4 × 7 en fonction de la plage de température (axe des X) et de la tension (axe des Y) dans différentes expériences.
Une version plus grande du récupérateur (HARV2) avec 60 MLC PST de 1 mm d'épaisseur et 160 MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur (41,7 g de matériau pyroélectrique actif) a donné 11,2 J (Note complémentaire 8). En 1984, Olsen a fabriqué un récupérateur d'énergie à base de 317 g d'un composé Pb(Zr,Ti)O3 dopé à l'étain, capable de générer 6,23 J d'électricité à une température d'environ 150 °C (réf. 21). Pour cette moissonneuse-batteuse, c'est la seule autre valeur disponible dans la gamme des joules. Elle a obtenu un peu plus de la moitié de la valeur que nous avons obtenue et une qualité près de sept fois supérieure. Cela signifie que la densité énergétique de HARV2 est 13 fois supérieure.
La période de cycle de HARV1 est de 57 secondes. Cela a produit 54 mW de puissance avec 4 rangées de 7 colonnes de MLC 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 celles de HARV1 et HARV2 (Note complémentaire 9). Nous avons mesuré un temps de thermalisation de 12,5 secondes, ce qui correspond à un temps de cycle de 25 s (Fig. complémentaire 9). L'énergie collectée (47 mJ) donne une puissance électrique de 1,95 mW par MLC, ce qui nous permet d'imaginer que HARV2 produit 0,55 W (environ 1,95 mW × 280 MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur). De plus, nous avons simulé le transfert de chaleur à l'aide de la simulation par éléments finis (COMSOL, Note complémentaire 10 et Tableaux complémentaires 2 à 4) correspondant aux expériences HARV1. La modélisation par éléments finis a permis de prédire des valeurs de puissance presque d'un ordre de grandeur plus élevées (430 mW) pour le même nombre de colonnes PST en amincissant le MLC à 0,2 mm, en utilisant de l'eau comme liquide de refroidissement et en restaurant la matrice à 7 rangées. × 4 colonnes (en plus de , il y avait 960 mW lorsque le réservoir était à côté de la moissonneuse-batteuse, Fig. 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 servant de collecteurs de chaleur, d'un interrupteur haute tension, d'un interrupteur basse tension avec condensateur de stockage, d'un convertisseur CC/CC, d'un microcontrôleur basse consommation, de deux thermocouples et d'un convertisseur élévateur (Note complémentaire 11). Le circuit nécessite que le condensateur de stockage soit initialement chargé à 9 V, puis fonctionne de manière autonome lorsque la température des deux MLC varie de -5 °C à 85 °C, ici par cycles de 160 s (plusieurs cycles sont illustrés dans la Note complémentaire 11). Fait remarquable, deux MLC pesant seulement 0,3 g peuvent contrôler de manière autonome ce grand système. Autre caractéristique intéressante : le convertisseur basse tension est capable de convertir 400 V en 10-15 V avec un rendement de 79 % (Note complémentaire 11 et Figure complémentaire 11.3).
Enfin, nous avons évalué l'efficacité de ces modules MLC à convertir l'énergie thermique en énergie électrique. Le facteur de qualité η de l'efficacité est défini comme le rapport entre la densité de l'énergie électrique collectée Nd et la densité de la chaleur fournie Qin (Note complémentaire 12) :
Français Les figures 3a,b montrent l'efficacité η et l'efficacité proportionnelle ηr du cycle Olsen, respectivement, en fonction de la plage de température d'un MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur. 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 allant jusqu'à 40 % (courbe bleue sur la figure 3b). C'est le double de la valeur connue pour les matériaux NLP enregistrée 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 MLC PST est comprise entre 5 et 8 K. La reconnaissance de l'effet positif des transitions de phase sur l'efficacité est essentielle. En fait, les valeurs optimales de η et ηr sont presque toutes obtenues à la température initiale Ti = 25 °C dans les figures 3a, b. Cela est dû à une transition de phase étroite lorsqu'aucun champ n'est appliqué et que la température de Curie TC est d'environ 20 °C dans ces MLC (note complémentaire 13).
a,b, le rendement η et le rendement proportionnel du cycle d'Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} pour le courant électrique maximal par un champ de 195 kV cm-1 et différentes températures initiales Ti, }}\,\)(b) pour le MPC PST de 0,5 mm d'épaisseur, en fonction de l'intervalle de température ΔTspan.
Français Cette dernière observation a deux implications importantes : (1) tout cyclage efficace doit commencer à des températures supérieures à TC pour qu'une transition de phase induite par le champ (de paraélectrique à ferroélectrique) se produise ; (2) ces matériaux sont plus efficaces à des temps de fonctionnement proches de TC. Bien que des rendements à grande échelle soient montrés dans nos expériences, la plage de température limitée ne nous permet pas d'atteindre de grands rendements absolus en raison de la limite de Carnot (\(\Delta T/T\)). Cependant, l'excellent rendement démontré par ces MLC PST justifie Olsen lorsqu'il mentionne qu'« un moteur thermoélectrique régénératif de classe 20 idéal fonctionnant à des températures comprises entre 50 °C et 250 °C peut avoir un rendement 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 les PST peut varier de 3 °C (dopage Sb) à 33 °C (dopage Ti) 22 . Par conséquent, nous émettons l’hypothèse que les régénérateurs pyroélectriques de nouvelle génération basés sur des MLC PST dopés ou d’autres matériaux avec une forte transition de phase du premier ordre peuvent rivaliser avec les meilleurs récupérateurs d’énergie.
Dans cette étude, nous avons étudié des MLC fabriqués à partir de PST. Ces dispositifs sont constitués d'une série d'électrodes en Pt et en PST, où plusieurs condensateurs sont connectés en parallèle. Le PST a été choisi car c'est un excellent matériau EC et donc un excellent matériau NLP. Il présente une transition de phase ferroélectrique-paraélectrique de premier ordre abrupte autour de 20 °C, ce qui indique que ses variations d'entropie sont similaires à celles présentées dans la figure 1. Des MLC similaires ont été entièrement décrits pour les dispositifs EC13,14. Dans cette étude, nous avons utilisé des MLC de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ et 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Les MLC d'une épaisseur de 1 mm et 0,5 mm ont été fabriqués à partir de 19 et 9 couches de PST de 38,6 µm d'épaisseur, respectivement. Dans les deux cas, la couche interne de PST était placée entre des électrodes de platine de 2,05 µm d'épaisseur. La conception de ces MLC suppose que 55 % des PST sont actifs, ce qui correspond à la partie entre les électrodes (Note complémentaire 1). La surface active de l'électrode était de 48,7 mm² (Tableau complémentaire 5). Le MLC PST a été préparé par réaction en phase solide et coulée. Les détails du processus de préparation ont été décrits dans un article précédent14. L'une des différences entre le MLC PST et l'article précédent réside dans l'ordre des sites B, qui affecte considérablement les performances de l'EC dans le PST. L'ordre des sites B du MLC PST est de 0,75 (Note complémentaire 2), obtenu par frittage à 1 400 °C suivi d'un recuit de plusieurs centaines d'heures à 1 000 °C. Pour plus d'informations sur le MLC PST, voir les Notes complémentaires 1 à 3 et le Tableau complémentaire 5.
Le concept principal de cette étude repose 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 utilisaient deux configurations différentes : (1) des modules Linkam chauffant et refroidissant un MLC connecté à une source d'alimentation Keithley 2410, et (2) trois prototypes (HARV1, HARV2 et HARV3) en parallèle avec la même source d'énergie. Dans ce dernier cas, un fluide diélectrique (huile silicone de viscosité 5 cP à 25 °C, achetée chez Sigma Aldrich) a été utilisé pour l'échange thermique entre les deux réservoirs (chaud et froid) et le MLC. Le réservoir thermique est constitué d'un récipient en verre rempli de fluide diélectrique et placé sur la plaque thermique. Le stockage à froid consiste en un bain-marie avec des tubes de liquide contenant du fluide diélectrique dans un grand récipient en plastique rempli d'eau et de glace. Deux vannes à pincement trois voies (achetées auprès de Bio-Chem Fluidics) ont été placées à chaque extrémité de la moissonneuse-batteuse afin de transférer correctement le fluide d'un réservoir à l'autre (figure 2a). Afin d'assurer l'équilibre thermique entre le PST-MLC et le liquide de refroidissement, la durée du cycle a été prolongée jusqu'à ce que les thermocouples d'entrée et de sortie (au plus près du PST-MLC) affichent la même température. Le script Python gère et synchronise tous les instruments (compteurs sources, pompes, vannes et thermocouples) pour exécuter le cycle Olson correct. Autrement dit, la boucle de liquide de refroidissement commence à parcourir la pile PST après la charge du compteur source, afin qu'ils chauffent à la tension appliquée souhaitée pour le cycle Olson donné.
Nous avons également confirmé ces mesures directes de l'énergie collectée par des méthodes indirectes. Ces méthodes indirectes reposent sur des boucles de déplacement électrique (D) – champ électrique (E) collectées à différentes températures. En calculant l'aire entre deux boucles DE, on peut estimer avec précision la quantité d'énergie pouvant être collectée, comme illustré à la figure 2.1b. Ces boucles DE sont également collectées à l'aide de sources-mètres Keithley.
Vingt-huit MLC PST de 1 mm d'épaisseur ont été assemblés dans une structure à plaques parallèles de 4 rangées et 7 colonnes, conformément à la conception décrite dans la référence. 14. L'espace entre les rangées de MLC PST est de 0,75 mm. Ce vide est obtenu grâce à l'ajout de bandes de ruban adhésif double face servant d'espaceurs liquides sur les bords des MLC PST. Le MLC PST est connecté électriquement en parallèle par un pont époxy argent en contact avec les fils des électrodes. Ensuite, des fils ont été collés avec de la résine époxy argent de chaque côté des bornes des électrodes pour le raccordement à l'alimentation. Enfin, l'ensemble de la structure est inséré dans le tuyau en polyoléfine. Ce dernier est collé au tube de fluide pour assurer une étanchéité parfaite. Enfin, des thermocouples de type K de 0,25 mm d'épaisseur ont été intégrés à chaque extrémité de la structure PST-MLC pour surveiller les températures d'entrée et de sortie du liquide. Pour ce faire, le tuyau doit d'abord être perforé. Après l'installation du thermocouple, appliquez le même adhésif que précédemment entre le tuyau et le fil pour rétablir l'étanchéité.
Huit prototypes distincts ont été construits, dont quatre comportaient 40 PST MLC de 0,5 mm d'épaisseur répartis sous forme de plaques parallèles à 5 colonnes et 8 rangées, et les quatre autres 15 PST MLC de 1 mm d'épaisseur chacun, dans une structure de plaques parallèles à 3 colonnes × 5 rangées. Le nombre total de MLC PST utilisés était de 220 (160 de 0,5 mm d'épaisseur et 60 MLC PST de 1 mm d'épaisseur). Nous appelons ces deux sous-unités HARV2_160 et HARV2_60. L'espace liquide du prototype HARV2_160 est constitué de deux rubans adhésifs double face de 0,25 mm d'épaisseur séparés par un fil de 0,25 mm d'épaisseur. Pour le prototype HARV2_60, nous avons répété la même procédure, mais en utilisant un fil de 0,38 mm d'épaisseur. Par souci de symétrie, HARV2_160 et HARV2_60 disposent de leurs propres circuits de fluides, pompes, vannes et côté froid (Note complémentaire 8). Deux unités HARV2 partagent un réservoir de chaleur, un récipient de 3 litres (30 cm x 20 cm x 5 cm) posé sur deux plaques chauffantes à aimants rotatifs. Les huit prototypes sont connectés électriquement en parallèle. Les sous-unités HARV2_160 et HARV2_60 fonctionnent simultanément selon le cycle Olson, ce qui permet une récupération d'énergie de 11,2 J.
Placer du MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur dans un tuyau en polyoléfine, en le recouvrant de ruban adhésif double face et de fil de fer de chaque côté, afin de créer un espace pour l'écoulement du liquide. Grâce à sa petite taille, le prototype a été placé à proximité d'une vanne de réservoir chaud ou froid, minimisant ainsi les temps de cycle.
Dans un MLC PST, un champ électrique constant est appliqué en appliquant une tension constante à la branche de chauffage. Un courant thermique négatif est alors généré et de l'énergie est stockée. Après chauffage du MLC PST, le champ est supprimé (V = 0) et l'énergie stockée est renvoyée au compteur source, ce qui correspond à une contribution supplémentaire de l'énergie collectée. Enfin, sous une tension V = 0, les PST MLC sont refroidis à leur température initiale afin que le cycle puisse recommencer. À ce stade, aucune énergie n'est collectée. Nous avons exécuté le cycle Olsen à l'aide d'un SourceMeter Keithley 2410, en chargeant le MLC PST à partir d'une source de tension et en réglant l'adaptation de courant sur la valeur appropriée afin que suffisamment de points soient collectés pendant la phase de charge pour des calculs d'énergie fiables.
Dans les cycles 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 pour que l'étape de charge prenne environ 1 s (et suffisamment de points sont collectés pour un calcul fiable de l'énergie) et une température froide. Dans les cycles 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 pour que l'étape de charge prenne environ 1 s (et suffisamment de points sont collectés pour un calcul fiable de l'énergie) et une température froide. Lorsque le programme Stirlinga PST MLC est activé selon le mode d'installation habituel pour les appareils électriques de type Vi > 0), Il s'agit d'une étape qui prend environ 1 seconde (et qui fournit une quantité suffisante de nourriture pour votre peau). énergie) et la température ambiante. Dans les cycles Stirling PST MLC, 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 dure environ 1 s (et un nombre suffisant de points sont collectés pour un calcul d'énergie fiable) et à basse température.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 initiale du champ électrique (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 basse température. Dans le cycle Stirlinga PST MLC, le mode d'installation de l'appareil électrique est défini sur Vi > 0), Vous devez travailler sur des tacos, ce qui signifie que l'étape est de 1 s (et que vous avez besoin d'un colis, ce qui est juste рассчитать энергию) и низкие температуры. Dans le cycle de Stirling, le MLC PST 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 basses températures.Avant que le MLC PST ne chauffe, ouvrez le circuit en appliquant un courant d'adaptation de I = 0 mA (le courant d'adaptation minimal supporté par notre source de mesure est de 10 nA). Par conséquent, une charge reste dans le PST du MJK, et la tension augmente à mesure que l'échantillon chauffe. Aucune énergie n'est collectée dans le bras BC car I = 0 mA. Après avoir atteint une température élevée, la tension dans le FT MLT augmente (parfois plus de 30 fois, voir la figure supplémentaire 7.2), le FT MLK se décharge (V = 0) et de l'énergie électrique y est stockée pour une durée égale à celle de la charge initiale. Le même courant correspondant est renvoyé au compteur-source. En raison du gain de tension, l'énergie stockée à haute température est supérieure à celle fournie 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 MLC PST. L'énergie correspondante est calculée en intégrant le produit de la tension et du courant lus par le sourcemètre de Keithley, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), où τ est la période de la période. Sur notre courbe d'énergie, les valeurs d'énergie positives correspondent à l'énergie que nous devons fournir au MLC PST, et les valeurs négatives correspondent à l'énergie que nous en extrayons et donc à l'énergie reçue. La puissance relative pour un cycle de collecte donné est déterminée en divisant l'énergie collectée par la période τ du cycle entier.
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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 Merci à la Fondation Nationale de la Recherche du Luxembourg (FNR) pour avoir soutenu ce travail via CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay et BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Département de recherche et de technologie des matériaux, Institut de technologie du Luxembourg (LIST), Belvoir, Luxembourg