L'accès à des sources d'électricité durables est l'un des défis majeurs de ce siècle. Les recherches sur les matériaux de récupération d'énergie découlent de cette motivation, notamment dans les domaines thermoélectrique¹, photovoltaïque² et thermophotovoltaïque³. Bien que nous manquions de matériaux et de dispositifs capables de récupérer de l'énergie à l'échelle du joule, les matériaux pyroélectriques, qui convertissent l'énergie électrique en variations de température périodiques, sont envisagés comme capteurs⁴ et récupérateurs d'énergie^5,6,7. Nous avons développé 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 modules de 0,3 g suffisent à alimenter en continu des récupérateurs d'énergie autonomes équipés de microcontrôleurs et de capteurs de température. Enfin, nous montrons que, sur une plage de températures de 10 K, ces condensateurs multicouches peuvent atteindre un rendement de Carnot de 40 %. Ces propriétés sont dues à (1) un changement de phase ferroélectrique assurant un rendement élevé, (2) un faible courant de fuite limitant les pertes et (3) une tension de claquage élevée. Ces dispositifs de récupération d'énergie pyroélectriques, macroscopiques, évolutifs et performants, révolutionnent la production d'énergie thermoélectrique.
Comparativement au gradient de température spatial requis pour les matériaux thermoélectriques, la récupération d'énergie par ces matériaux nécessite des cycles de température au cours du temps. Il s'agit d'un cycle thermodynamique, décrit de façon optimale par le diagramme entropie (S)-température (T). La figure 1a présente un diagramme ST typique d'un matériau pyroélectrique non linéaire (NLP) illustrant une transition de phase ferroélectrique-paraélectrique induite par un champ électrique dans le tantalate de plomb et de scandium (PST). Les sections bleues et vertes du cycle sur le diagramme ST correspondent à l'énergie électrique convertie lors du 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 des températures initiales différentes. Le cycle vert se situe hors de la zone de transition de phase et présente donc une aire beaucoup plus petite que le cycle bleu, situé dans cette zone. Sur le diagramme ST, plus l'aire est grande, plus l'énergie collectée est importante. Par conséquent, la transition de phase implique une collecte d'énergie plus élevée. Le besoin de cycles de grande surface en NLP est très similaire à celui des applications électrothermiques^{9, 10, 11, 12}, où les condensateurs multicouches (MLC) PST et les terpolymères à base de PVDF ont récemment démontré d'excellentes performances en refroidissement inverse^{13, 14, 15, 16}. Par conséquent, nous avons identifié des MLC PST présentant un intérêt pour la récupération d'énergie thermique. Ces échantillons sont décrits en détail dans la section Méthodes et caractérisés dans les notes supplémentaires 1 (microscopie électronique à balayage), 2 (diffraction des rayons X) et 3 (calorimétrie).
a) Schéma d'un diagramme entropie (S)-température (T) avec champ électrique appliqué et désactivé à des matériaux NLP, illustrant les 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'Olsen. 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 élevée à 90 °C. CD : Le MLC se décharge à 90 °C. DA : Le MLC a été refroidi à 20 °C en l'absence de champ électrique. La zone bleue correspond à la puissance d'entrée nécessaire pour démarrer le cycle. La zone orange représente l'énergie collectée en un cycle. c, panneau supérieur : tension (noir) et courant (rouge) en fonction du temps, enregistrés lors du même cycle d’Olson que b. Les deux encarts représentent l’amplification de la tension et du courant à des points clés du cycle. Sur 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. Une énergie négative correspond à l’énergie collectée. Les paliers correspondant aux lettres majuscules des quatre figures sont identiques à ceux du cycle d’Olson. Le cycle AB’CD correspond au cycle de Stirling (voir note supplémentaire 7).
où E et D représentent respectivement le champ électrique et le champ de déplacement électrique. Nd peut être obtenu indirectement à partir du circuit DE (Fig. 1b) ou directement en amorçant un cycle thermodynamique. Les méthodes les plus efficaces ont été décrites par Olsen dans ses travaux pionniers sur la récupération de l'énergie pyroélectrique dans les années 1980¹⁷.
La figure 1b présente deux boucles DE monopolaire d'échantillons PST-MLC de 1 mm d'épaisseur, assemblés respectivement à 20 °C et 90 °C, sur une plage de tension de 0 à 155 kV cm⁻¹ (600 V). Ces deux cycles permettent de calculer indirectement l'énergie collectée par le cycle d'Olson illustré figure 1a. Ce cycle est composé 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 dans les branches AB et CD). L'énergie collectée durant le cycle correspond aux régions orange et bleue (intégrale EdD). L'énergie collectée Nd est la différence entre l'énergie d'entrée et l'énergie de sortie, soit la zone orange de la figure 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 (voir note supplémentaire 7). L'état de charge constante (circuit ouvert) étant 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 l'énergie que peut collecter le cycle d'Olson, mais un équipement de récupération simple permet d'atteindre ce niveau.
De plus, nous avons mesuré directement l'énergie collectée lors du cycle d'Olson en alimentant le MLC PST à l'aide d'un étage de contrôle de température Linkam et d'un source-mètre (méthode décrite). La figure 1c (en haut et dans ses encarts respectifs) montre le courant (rouge) et la tension (noir) mesurés sur le même MLC PST de 1 mm d'épaisseur que pour la boucle DE, lors du même cycle d'Olson. Le courant et la tension permettent de calculer l'énergie collectée, et les courbes correspondantes sont présentées sur la figure 1c (en bas, en vert), ainsi que la température (jaune) tout au long du cycle. Les lettres ABCD représentent le même cycle d'Olson que sur la figure 1. La charge du MLC a lieu pendant la branche AB et est effectuée à faible courant (200 µA), ce qui permet au Source-mètre de contrôler correctement la charge. Ce courant initial constant a pour conséquence que la courbe de tension (courbe noire) n'est pas linéaire en raison du champ de déplacement de potentiel non linéaire D_PST (figure 1c, encart supérieur). À la fin de la charge, 30 mJ d'énergie électrique sont stockés dans le MLC (point B). Le MLC s'échauffe alors et un courant négatif est généré, tandis 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 ait produit dans le circuit une puissance électrique de 35 mJ durant cette phase d'isochamp (deuxième encart de la figure 1c, en haut). La tension sur le MLC (branche CD) est ensuite réduite, ce qui génère un travail électrique supplémentaire de 60 mJ. L'énergie totale de sortie est de 95 mJ. L'énergie collectée correspond à la différence entre l'énergie d'entrée et l'énergie de sortie, soit 95 – 30 = 65 mJ. Cela correspond à une densité d'énergie de 1,84 J cm⁻³, très proche de celle du Nd extrait de l'anneau DE. La reproductibilité de ce cycle d'Olson a été testée de manière approfondie (Note supplémentaire 4). 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 supplémentaire 5). Cette valeur est quatre fois supérieure à la meilleure performance rapportée dans la littérature pour les cycles Olsen directs et obtenue sur des films minces de Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT) (1,06 J cm⁻³). Voir le Tableau supplémentaire 1 pour plus de valeurs issues de la littérature. Cette performance a été atteinte 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 supplémentaire 6) — un point crucial mentionné par Smith et al.19 — contrairement aux matériaux utilisés dans les études précédentes17,20. Cette performance a été atteinte 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 supplémentaire 6) — un point crucial mentionné par Smith et al.19 — contrairement aux matériaux utilisés dans les études précédentes17,20. 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 supplémentaire 6 pour plus de détails) – un point critique mentionné par Smith et al. 19 – contrairement aux matériaux utilisés dans des 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 supplémentaire 6 pour plus de détails) – un point clé mentionné par Smith et al. 19 – ces performances ont été obtenues à titre de comparaison.aux matériaux utilisés dans des études antérieures 17,20.
Les mêmes conditions (600 V, 20–90 °C) ont été appliquées au cycle de Stirling (voir note supplémentaire 7). Conformément aux résultats du cycle DE, le rendement était de 41,0 mJ. L'une des caractéristiques les plus remarquables des cycles de Stirling est leur capacité à amplifier la tension initiale par effet thermoélectrique. Nous avons observé un gain de tension pouvant atteindre 39 (d'une tension initiale de 15 V à une tension finale de 590 V, voir figure supplémentaire 7.2).
Une autre caractéristique distinctive de ces MLC est leur taille macroscopique, suffisante pour collecter de l'énergie de l'ordre du joule. Nous avons donc construit un prototype de récupérateur d'énergie (HARV1) à l'aide de 28 MLC PST de 1 mm d'épaisseur, suivant la même conception à plaques parallèles que celle décrite par Torello et al.¹⁴, dans une matrice 7×4, comme illustré sur la figure. Le fluide diélectrique caloporteur contenu dans le collecteur est déplacé par une pompe péristaltique entre deux réservoirs où la température du fluide est maintenue constante (méthode décrite). Nous avons collecté jusqu'à 3,1 J en utilisant le cycle d'Olson décrit sur la figure 2a, avec des régions isothermes à 10 °C et 125 °C et des régions isochamp à 0 et 750 V (195 kV cm^-1). Cela correspond à une densité d'énergie de 3,14 J cm^-3. Grâce à ce dispositif, des mesures ont été effectuées dans diverses conditions (figure 2b). Il est à noter qu'une énergie de 1,8 J a été obtenue pour une température de 80 °C et une tension de 600 V (155 kV cm⁻¹). Cette valeur est en bon accord avec les 65 mJ précédemment mentionnés pour une couche multicouche de 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 cellules MLC PST 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 au 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 les données relatives à la tension et au courant fournis au prototype, ainsi qu'à la température de l'ensemble, mesurée par l'alimentation. b) Énergie (en couleur) collectée par notre prototype MLC 4×7 en fonction de la plage de température (axe X) et de la tension (axe Y) lors de différentes expériences.
Une version plus grande du dispositif de récupération d'énergie (HARV2), composée de 60 couches de PST MLC de 1 mm d'épaisseur et de 160 couches de PST MLC de 0,5 mm d'épaisseur (soit 41,7 g de matériau pyroélectrique actif), a produit 11,2 J (Note supplémentaire 8). En 1984, Olsen a conçu un dispositif de récupération 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 combinaison, il s'agit de la seule autre valeur disponible dans la gamme des joules. Elle a permis d'obtenir un peu plus de la moitié de la valeur que nous avons atteinte, pour une qualité près de sept fois supérieure. Cela signifie que la densité énergétique du HARV2 est 13 fois plus élevée.
La période du cycle HARV1 est de 57 secondes. Ce dispositif a produit une puissance de 54 mW avec 4 rangées de 7 colonnes de couches multicouches (MLC) de 1 mm d'épaisseur. Afin d'aller plus loin, nous avons construit un troisième dispositif (HARV3) avec une couche multicouche en 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, ce qui correspond à une durée de cycle de 25 s (Figure supplémentaire 9). L'énergie collectée (47 mJ) correspond à une puissance électrique de 1,95 mW par couche multicouche, ce qui nous permet d'estimer que HARV2 produit 0,55 W (environ 1,95 mW × 280 couches multicouches en PST de 0,5 mm d'épaisseur). De plus, nous avons simulé le transfert de chaleur par éléments finis (COMSOL, Note supplémentaire 10 et Tableaux supplémentaires 2 à 4) pour les expériences HARV1. La modélisation par éléments finis a permis de prédire des valeurs de puissance presque dix fois supérieures (430 mW) pour le même nombre de colonnes PST en amincissant le MLC à 0,2 mm, en utilisant de l'eau comme fluide 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 Stirling a été appliqué à un démonstrateur autonome composé de deux monocouches thermoélectriques 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 supplémentaire 11). Le circuit nécessite une charge initiale du condensateur de stockage à 9 V, puis fonctionne de manière autonome tandis que la température des deux monocouches thermoélectriques varie de -5 °C à 85 °C, ici par cycles de 160 s (plusieurs cycles sont présentés dans la Note supplémentaire 11). Fait remarquable, deux monocouches thermoélectriques de seulement 0,3 g peuvent contrôler de manière autonome ce système complexe. Autre caractéristique intéressante : le convertisseur basse tension est capable de convertir 400 V en 10-15 V avec un rendement de 79 % (Note supplémentaire 11 et Figure supplémentaire 11.3).
Enfin, nous avons évalué l'efficacité de ces modules MLC pour la conversion de 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 supplémentaire 12) :
Les figures 3a et 3b présentent respectivement le rendement η et le rendement relatif ηr du cycle d'Olsen en fonction de la température d'une couche multicouche PST de 0,5 mm d'épaisseur. Ces données correspondent à un champ électrique de 195 kV/cm. Le rendement atteint 1,43 %, soit 18 % de ηr. Cependant, pour une variation de température de 10 K, de 25 °C à 35 °C, ηr atteint des valeurs jusqu'à 40 % (courbe bleue de la figure 3b). Cette valeur est deux fois supérieure à celle obtenue pour les matériaux NLP dans les films PMN-PT (ηr = 19 %) dans la même plage de températures (10 K) et sous un champ électrique de 300 kV/cm (réf. 18). Les plages de température inférieures à 10 K n'ont pas été prises en compte car l'hystérésis thermique du MLC PST se situe entre 5 et 8 K. La prise en compte de l'effet positif des transitions de phase sur l'efficacité est cruciale. En effet, les valeurs optimales de η et ηr sont presque toutes obtenues à la température initiale Ti = 25 °C (figures 3a et 3b). Ceci s'explique par une transition de phase quasi-induite en l'absence de champ magnétique et par une température de Curie TC d'environ 20 °C dans ces MLC (voir note supplémentaire 13).
a,b, l'efficacité η et l'efficacité proportionnelle du cycle Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} pour le maximum électrique par un champ de 195 kV cm-1 et différentes températures initiales Ti, }}\,\)(b) pour le MPC PST de 0,5 mm d'épaisseur, en fonction de l'intervalle de température ΔTspan.
Cette dernière observation a deux implications importantes : (1) tout cyclage efficace doit débuter à des températures supérieures à la température critique (TC) pour qu’une transition de phase induite par le champ (de paraélectrique à ferroélectrique) se produise ; (2) ces matériaux sont plus efficaces pour des durées de fonctionnement proches de la TC. Bien que nos expériences montrent des rendements élevés, la plage de températures limitée ne nous permet pas d’atteindre des rendements absolus importants en raison de la limite de Carnot (ΔT/T_c). Cependant, l’excellent rendement démontré par ces MLC PST justifie les propos d’Olsen lorsqu’il mentionne qu’« un moteur thermoélectrique régénératif idéal de classe 20 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 différentes TC, comme l’ont étudié Shebanov et Borman. Ils ont montré que la TC dans le PST peut varier de 3 °C (dopage au Sb) à 33 °C (dopage au 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 présentant une forte transition de phase du premier ordre peuvent rivaliser avec les meilleurs récupérateurs d'énergie.
Dans cette étude, nous avons examiné des MLC (condensateurs multicouches) fabriqués à partir de PST (polystyrène expansé). Ces dispositifs sont constitués d'une série d'électrodes en platine et en PST, plusieurs condensateurs étant connectés en parallèle. Le PST a été choisi pour ses excellentes propriétés électrocaloriques et, par conséquent, pour ses propriétés potentiellement excellentes en tant que matériau NLP (condensateur non linéaire). Il présente une transition de phase ferroélectrique-paraélectrique abrupte du premier ordre autour de 20 °C, indiquant que ses variations d'entropie sont similaires à celles illustrées sur la figure 1. Des MLC similaires ont été décrits en détail pour les dispositifs électrocaloriques^13,14. Dans cette étude, nous avons utilisé des MLC de 10,4 × 7,2 × 1 mm³ et de 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. Les MLC d'une épaisseur de 1 mm et de 0,5 mm ont été fabriqués respectivement à partir de 19 et 9 couches de PST d'une épaisseur de 38,6 µm. Dans les deux cas, la couche interne de PST était placée entre des électrodes en 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 située entre les électrodes (Note supplémentaire 1). La surface active des électrodes était de 48,7 mm² (Tableau supplémentaire 5). Les PST MLC ont été préparés par réaction en phase solide et coulée. Les détails du procédé de préparation ont été décrits dans un article précédent¹⁴. Une des différences entre les PST MLC et ceux décrits dans l'article précédent réside dans l'ordre des sites B, qui influence fortement les performances électrochimiques des PST. L'ordre des sites B des PST MLC est de 0,75 (Note supplémentaire 2), obtenu par frittage à 1400 °C suivi d'un recuit de plusieurs centaines d'heures à 1000 °C. Pour plus d'informations sur les PST MLC, veuillez consulter les Notes supplémentaires 1 à 3 et le Tableau supplémentaire 5.
Le concept principal de cette étude repose sur le cycle d'Olson (Fig. 1). Ce cycle nécessite un réservoir chaud, un réservoir froid et une alimentation électrique capable de contrôler la tension et le courant dans les différents modules MLC. Ces cycles directs ont utilisé 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, alimentés par la même source d'énergie. Dans ce dernier cas, un fluide diélectrique (huile de silicone d'une viscosité de 5 cP à 25 °C, fournie par 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 réservoir froid est constitué d'un bain-marie contenant des tubes liquides remplis de fluide diélectrique, lui-même placé dans un grand récipient en plastique rempli d'eau et de glace. Deux vannes à pincement à trois voies (fournies par Bio-Chem Fluidics) ont été placées à chaque extrémité du dispositif pour commuter correctement le fluide d'un réservoir à l'autre (Figure 2a). Afin d'assurer l'équilibre thermique entre le module PST-MLC et le fluide de refroidissement, la durée du cycle a été prolongée jusqu'à ce que les thermocouples d'entrée et de sortie (situés au plus près du module PST-MLC) affichent la même température. Le script Python gère et synchronise tous les instruments (voltmètres, pompes, vannes et thermocouples) pour exécuter le cycle d'Olson approprié : le circuit de refroidissement circule dans la pile PST après la charge du volmètre, permettant ainsi aux composants de chauffer à la tension appliquée souhaitée pour chaque cycle d'Olson.
Par ailleurs, nous avons confirmé ces mesures directes d'énergie collectée par des méthodes indirectes. Ces méthodes indirectes reposent sur l'analyse des boucles de déplacement électrique (D) – champ électrique (E) enregistrées à différentes températures. Le calcul de l'aire entre deux boucles DE permet d'estimer avec précision la quantité d'énergie collectable, comme illustré sur la figure 2.1b. Ces boucles DE sont également enregistrées à l'aide de source-mètres Keithley.
Vingt-huit monocouches PST (MLC) de 1 mm d'épaisseur ont été assemblées selon une structure à plaques parallèles de 4 rangées et 7 colonnes, conformément au schéma décrit dans la référence 14. L'espace entre les rangées de MLC PST est de 0,75 mm. Cet espace est obtenu en ajoutant des bandes de ruban adhésif double face comme entretoises liquides sur le pourtour des MLC PST. Les MLC PST sont connectées électriquement en parallèle à un pont en époxy argenté en contact avec les électrodes. Des fils sont ensuite collés à la résine époxy argentée de chaque côté des bornes des électrodes pour le raccordement à l'alimentation. L'ensemble est ensuite inséré dans un tuyau en polyoléfine, lui-même collé au tube de fluide pour assurer l'étanchéité. Enfin, des thermocouples de type K de 0,25 mm d'épaisseur ont été intégrés à chaque extrémité de la structure des MLC PST pour mesurer les températures des liquides à l'entrée et à la sortie. Pour ce faire, le tuyau doit être préalablement perforé. Après l'installation du thermocouple, le même adhésif est appliqué entre le tuyau et le fil pour rétablir l'étanchéité.
Huit prototypes distincts ont été construits. Quatre d'entre eux comportaient 40 MLC PST de 0,5 mm d'épaisseur, répartis en plaques parallèles sur 5 colonnes et 8 rangées. Les quatre autres étaient composés chacun de 15 MLC PST de 1 mm d'épaisseur, disposés en une structure à 3 colonnes × 5 rangées de plaques parallèles. Au total, 220 MLC PST ont été utilisés (160 de 0,5 mm d'épaisseur et 60 de 1 mm). Ces deux sous-unités sont nommées 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, la même procédure a été répétée, mais avec un fil de 0,38 mm d'épaisseur. Par souci de symétrie, HARV2_160 et HARV2_60 possèdent leurs propres circuits fluidiques, pompes, vannes et circuit froid (voir la note supplémentaire 8). Deux unités HARV2 partagent un réservoir de chaleur, un récipient de 3 litres (30 cm x 20 cm x 5 cm) placé sur deux plaques chauffantes munies d'aimants rotatifs. Les huit prototypes individuels sont connectés électriquement en parallèle. Les sous-unités HARV2_160 et HARV2_60 fonctionnent simultanément selon le cycle d'Olson, ce qui permet de récupérer une énergie de 11,2 J.
Insérez un tube PST MLC de 0,5 mm d'épaisseur dans un tuyau en polyoléfine à l'aide de ruban adhésif double face et de fil de fer de chaque côté afin de créer un passage pour le liquide. De par sa petite taille, le prototype a été placé à proximité d'une vanne de réservoir d'eau chaude ou froide, ce qui a permis de réduire les temps de cycle.
Dans un convertisseur PST MLC, un champ électrique constant est appliqué en générant une tension constante sur la branche chauffante. Il en résulte un courant thermique négatif et un stockage d'énergie. Après chauffage du convertisseur PST MLC, le champ est supprimé (V = 0) et l'énergie stockée est restituée au compteur, ce qui correspond à une nouvelle contribution à l'énergie collectée. Enfin, avec une tension V = 0 appliquée, les convertisseurs PST MLC sont refroidis à leur température initiale afin que le cycle puisse recommencer. À ce stade, aucune énergie n'est collectée. Nous avons simulé le cycle d'Olsen à l'aide d'un SourceMeter Keithley 2410, en chargeant le convertisseur PST MLC à partir d'une source de tension et en ajustant l'adaptation de courant à la valeur appropriée afin d'obtenir suffisamment de points de mesure pendant la phase de charge pour des calculs d'énergie fiables.
Dans les cycles Stirling, les PST MLC ont été chargés en mode source de tension à une valeur de champ électrique initiale (tension initiale Vi > 0), un courant de conformité souhaité de sorte que l'étape de charge prenne environ 1 s (et que suffisamment de points soient collectés pour un calcul fiable de l'énergie) et à basse température. Dans les cycles Stirling, les PST MLC ont été chargés en mode source de tension à une valeur de champ électrique initiale (tension initiale Vi > 0), un courant de conformité souhaité de sorte que l'étape de charge prenne environ 1 s (et que suffisamment de points soient collectés pour un calcul fiable de l'énergie) et à basse température. 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), au courant de rendement souhaité, de sorte que l'étape de charge dure environ 1 s (et qu'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 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 dure environ 1 s (et un nombre suffisant de points sont collectés pour calculer l'énergie de manière fiable) et à basses températures.Avant que le PST MLC 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). De ce fait, 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. Une fois la température élevée atteinte, la tension dans le MLT FT augmente (dans certains cas plus de 30 fois, voir figure 7.2 supplémentaire), le MLK FT se décharge (V = 0) et l'énergie électrique y est stockée, pour une valeur égale à celle de la charge initiale. Le même courant est renvoyé à la source de mesure. Grâce au gain en tension, l'énergie stockée à haute température est supérieure à celle fournie au début du cycle. Ainsi, de l'énergie est obtenue par conversion de chaleur en électricité.
Nous avons utilisé un SourceMeter Keithley 2410 pour mesurer la tension et le courant appliqués au PST MLC. L'énergie correspondante est calculée en intégrant le produit de la tension et du courant mesurés par le SourceMeter Keithley : E = ∫₀^τ I_(meas)(t) V_meas(t), où τ est la période. Sur notre courbe d'énergie, les valeurs positives représentent l'énergie fournie au MLC PST, et les valeurs négatives l'énergie extraite, donc 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.
Toutes les données sont présentées dans le texte principal ou dans les informations complémentaires. Les courriers et les demandes de matériel doivent être adressés à la source des données AT ou ED fournies avec cet article.
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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 remercient le Fonds national de la recherche du Luxembourg (FNR) pour son soutien à ce travail à travers les projets 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 luxembourgeois de technologie (LIST), Belvoir, Luxembourg