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 le thermoélectrique1, 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 changements 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 scandium et de plomb, 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 montrons également que deux de ces modules pesant 0,3 g suffisent pour alimenter en continu des collecteurs d’énergie autonomes dotés de microcontrôleurs et de capteurs de température intégrés.Enfin, nous montrons que pour une plage de température de 10 K, ces condensateurs multicouches peuvent atteindre un rendement Carnot de 40 %.Ces propriétés sont dues à (1) un changement de phase ferroélectrique pour un rendement élevé, (2) un faible courant de fuite pour éviter les pertes et (3) une tension de claquage élevée.Ces récolteurs d’énergie pyroélectrique macroscopiques, évolutifs et efficaces réinventent la production d’énergie thermoélectrique.
Par rapport au gradient de température spatial requis pour les matériaux thermoélectriques, la récupération d’énergie des matériaux thermoélectriques nécessite un cycle de température dans le temps.Cela signifie un cycle thermodynamique, qui est mieux décrit par le diagramme entropie (S)-température (T).La figure 1a montre un tracé ST typique d'un matériau pyroélectrique non linéaire (NLP) démontrant une transition de phase ferroélectrique-paraélectrique induite par le champ dans le tantalate de plomb scandium (PST).Les sections bleues et vertes du cycle sur le diagramme ST correspondent à l'énergie électrique convertie dans le cycle d'Olson (deux sections isothermes et deux isopoles).Ici, nous considérons deux cycles avec le même changement de champ électrique (champ activé et désactivé) et le même changement de température ΔT, bien qu'avec des températures initiales différentes.Le cycle vert n'est pas situé dans la région de transition de phase et a donc une superficie beaucoup plus petite que le cycle bleu situé dans la région de transition de phase.Dans le diagramme ST, plus la surface est grande, plus l’énergie collectée est importante.Par conséquent, la transition de phase doit collecter plus d’énergie.Le besoin de cyclage sur de grandes surfaces en PNL 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 le cycle 13,14,15,16.Par conséquent, nous avons identifié des MLC PST intéressants pour la récupération d’énergie thermique.Ces échantillons ont été entièrement décrits dans les méthodes et caractérisés dans les notes complémentaires 1 (microscopie électronique à balayage), 2 (diffraction des rayons X) et 3 (calorimétrie).
a, Croquis d'un tracé 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 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 respectivement entre 0 et 155 kV cm-1 à 20 °C et 90 °C, 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 : La MLC a été maintenue à 155 kV cm-1 et la température a été augmentée à 90 °C.CD : MLC se décharge à 90°C.DA : MLC réfrigéré à 20°C en champ nul.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, suivis pendant le même cycle d'Olson que b.Les deux inserts 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 sur le panneau supérieur.L'énergie négative correspond à l'énergie collectée.Les étapes correspondant aux majuscules dans les quatre chiffres sont les mêmes que dans le cycle d'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.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.
Sur la fig.1b montre deux boucles DE monopolaires d'échantillons PST-MLC de 1 mm d'épaisseur assemblés 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 illustré à la figure 1a.En fait, le cycle d'Olsen est constitué de deux branches isochamps (ici, champ nul dans la branche DA et 155 kV cm-1 dans la branche BC) et de deux branches isothermes (ici, 20°С et 20°С 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 l'énergie 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).L'étape de charge constante (circuit ouvert) étant plus facilement atteinte, 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 Olson peut collecter, mais un simple équipement de récolte le fait.
De plus, nous avons mesuré directement l'énergie collectée pendant le cycle d'Olson en alimentant le PST MLC à l'aide d'un étage de contrôle de température Linkam et d'un compteur source (méthode).La figure 1c en haut et dans les encadrés respectifs montre le courant (rouge) et la tension (noir) collectés sur le même PST MLC de 1 mm d'épaisseur que pour la boucle DE passant par le même cycle d'Olson.Le courant et la tension permettent de calculer l'énergie collectée, et les courbes sont représentées sur la fig.1c, fond (vert) et température (jaune) tout au long du cycle.Les lettres ABCD représentent le même cycle d'Olson sur la figure 1. La charge MLC se produit pendant la partie AB et est effectuée à un faible courant (200 µA), afin que SourceMeter puisse 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).En fin de 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 tandis que la tension reste à 600 V. Au bout de 40 s, lorsque la température atteint un plateau de 90 °C, ce courant est compensé, bien que l'étape échantillonne produit dans le circuit une puissance électrique de 35 mJ pendant cet isochamp (deuxième encart sur la figure 1c, en haut).La tension sur le MLC (branche CD) est alors réduite, ce qui entraîne 60 mJ supplémentaires de travail électrique.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).En augmentant encore la tension et la température, nous avons atteint 4,43 J cm-3 en utilisant des cycles d'Olsen dans un PST MLC de 0,5 mm d'épaisseur sur une plage de températures de 750 V (195 kV cm-1) et 175 °C (Note complémentaire 5).Ceci est quatre fois supérieur à la meilleure performance rapportée dans la littérature pour les cycles d'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. Supplémentaire Tableau 1 pour plus de valeurs dans 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 détails dans la note complémentaire 6) - un point crucial mentionné par Smith et al.19 - en revanche aux matériaux utilisés dans des études antérieures17,20. 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 détails dans la note complémentaire 6) - un point crucial mentionné par Smith et al.19 - en revanche aux matériaux utilisés dans des 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 des conditions supplémentaires niи 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 des études antérieures17,20.Module MLC de 750 V à 180 °C <10-7 A - Smith 19 janvier 2019 ，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）） ））） — du 19 au 19 avril 2019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, упомян утый 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 réalisées.aux matériaux utilisés dans des études antérieures 17,20.
Les mêmes conditions (600 V, 20–90 ° C) sont 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 de Stirling est leur capacité à amplifier la tension initiale grâce à l’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 la Fig. 7.2 supplémentaire).
Une autre caractéristique distinctive de ces MLC est qu’il s’agit d’objets macroscopiques suffisamment grands pour collecter de l’énergie dans la plage des joules.Par conséquent, nous avons construit un prototype de récolteuse (HARV1) 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 le montre la Fig. 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 sur la fig.2a, régions isothermes à 10°C et 125°C et régions isofield à 0 et 750 V (195 kV cm-1).Cela correspond à une densité énergétique de 3,14 J cm-3.À l'aide de cette moissonneuse-batteuse, des 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 un PST MLC de 1 mm d'épaisseur dans les mêmes conditions (28 × 65 = 1 820 mJ).
a, Configuration expérimentale d'un prototype HARV1 assemblé basé sur 28 PST MLC de 1 mm d'épaisseur (4 rangées × 7 colonnes) fonctionnant sur des cycles d'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 la température de la moissonneuse-batteuse à partir de l'alimentation électrique.b, Énergie (couleur) collectée par notre prototype 4 × 7 MLC en fonction de la plage de température (axe X) et de la tension (axe Y) dans différentes expériences.
Une version plus grande du récolteur (HARV2) avec 60 PST MLC de 1 mm d'épaisseur et 160 PST MLC 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 basé sur 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 plage des joules.Nous avons obtenu un peu plus de la moitié de la valeur obtenue et près de sept fois la qualité.Cela signifie que la densité énergétique du HARV2 est 13 fois plus élevée.
La période du cycle HARV1 est de 57 secondes.Cela produisait 54 mW de puissance avec 4 rangées de 7 colonnes d'ensembles MLC de 1 mm d'épaisseur.Pour aller plus loin, nous avons construit une troisième moissonneuse-batteuse (HARV3) avec un PST MLC de 0,5 mm d'épaisseur et une configuration similaire à HARV1 et HARV2 (note complémentaire 9).Nous avons mesuré un temps de thermalisation de 12,5 secondes.Cela correspond à un temps de cycle de 25 s (Fig. 9 supplémentaire).L'énergie collectée (47 mJ) donne une puissance électrique de 1,95 mW par MLC, ce qui permet d'imaginer que HARV2 produit 0,55 W (environ 1,95 mW × 280 PST MLC 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 supplémentaires 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 supérieures (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 lignes .× 4 colonnes (en plus de , il y avait 960 mW lorsque le réservoir était à côté de la moissonneuse-batteuse, Fig. 10b supplémentaire).
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 comme collecteurs de chaleur, un interrupteur haute tension, un interrupteur basse tension avec condensateur de stockage, un convertisseur DC/DC. , un microcontrôleur basse consommation, deux thermocouples et 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 tandis que la température des deux MLC varie de -5°C à 85°C, ici par cycles de 160 s (plusieurs cycles sont indiqués dans la note complémentaire 11). .Remarquablement, deux MLC pesant seulement 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 10-15 V avec un rendement de 79 % (Note complémentaire 11 et Figure complémentaire 11.3).
Enfin, nous avons évalué l'efficacité de ces modules MLC dans la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique.Le facteur de qualité η d'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) :
Les figures 3a, b montrent respectivement l'efficacité η et l'efficacité proportionnelle ηr du cycle Olsen, en fonction de la plage de température d'un PST MLC de 0, 5 mm d'épaisseur.Les deux ensembles de données sont donnés pour un champ électrique de 195 kV cm-1.Le rendement \(\this\) atteint 1,43%, ce qui équivaut à 18% de ηr.Cependant, pour une plage de température de 10 K allant de 25 °C à 35 °C, ηr atteint des valeurs allant jusqu'à 40 % (courbe bleue sur la figure 3b).Il s'agit du double de la valeur connue pour les matériaux NLP 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 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 sur les Figs.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, l'efficacité η et l'efficacité proportionnelle du cycle d'Olson (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } pour le maximum électrique par un champ de 195 kV cm-1 et des températures initiales Ti différentes, }}\,\)(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 cycle efficace doit commencer à des températures supérieures à TC pour qu'une transition de phase induite par le champ (du paraélectrique au ferroélectrique) se produise ;(2) ces matériaux sont plus efficaces à des temps d'exécution proches de TC.Bien que nos expériences montrent des rendements à grande échelle, 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 PST MLC justifie 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 différents TC, comme étudié par Shebanov et Borman.Ils ont montré que la TC dans le 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 présentant une forte transition de phase de premier ordre peuvent rivaliser avec les meilleurs récupérateurs d’énergie.
Dans cette étude, nous avons étudié les MLC fabriqués à partir de PST.Ces appareils sont constitués d'une série d'électrodes Pt et PST, dans lesquelles plusieurs condensateurs sont connectés en parallèle.Le PST a été choisi car il s’agit d’un excellent matériau EC et donc potentiellement d’un excellent matériau PNL.Il présente une transition de phase ferroélectrique-paraélectrique de premier ordre autour de 20 ° C, indiquant que ses changements d'entropie sont similaires à ceux illustrés sur 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.Des MLC d'une épaisseur de 1 mm et 0,5 mm ont été fabriquées à partir de 19 et 9 couches de PST d'une épaisseur de 38,6 µm, respectivement.Dans les deux cas, la couche interne de PST a été placée entre des électrodes de platine de 2,05 µm d’épaisseur.La conception de ces MLC suppose que 55% des PST sont actifs, correspondant à la partie située entre les électrodes (Note complémentaire 1).La surface active de l'électrode était de 48,7 mm2 (tableau supplémentaire 5).MLC PST a été préparé par réaction en phase solide et méthode de coulée.Les détails du processus de préparation ont été décrits dans un article précédent14.L'une des différences entre PST MLC et l'article précédent est l'ordre des sites B, qui affecte grandement les performances d'EC dans PST.L'ordre des sites B du PST MLC est de 0,75 (note complémentaire 2) obtenu par frittage à 1 400 °C suivi de plusieurs centaines d'heures de recuit à 1 000 °C.Pour plus d'informations sur PST MLC, voir les notes complémentaires 1 à 3 et le tableau supplémentaire 5.
Le concept principal de cette étude est basé sur le cycle d'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, à savoir (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 au-dessus de la plaque thermique.L'entreposage frigorifique consiste en un bain-marie avec des tubes liquides contenant du fluide diélectrique dans un grand récipient en plastique rempli d'eau et de glace.Deux vannes à manchon à trois voies (achetées auprès de Bio-Chem Fluidics) ont été placées à chaque extrémité de la moissonneuse-batteuse pour commuter correctement le fluide d'un réservoir à l'autre (Figure 2a).Pour assurer l'équilibre thermique entre le boîtier 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 proches que possible du boîtier 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, c'est-à-dire que la boucle de liquide de refroidissement commence à parcourir la pile PST une fois que le compteur source est chargé afin qu'il chauffe au niveau souhaité. tension appliquée pour un cycle d'Olson donné.
Alternativement, nous avons confirmé ces mesures directes de l’énergie collectée avec des méthodes indirectes.Ces méthodes indirectes sont basées sur des boucles de champ déplacement électrique (D) – champ électrique (E) collectées à différentes températures, et en calculant la surface entre deux boucles DE, on peut estimer avec précision la quantité d'énergie qui peut être collectée, comme le montre la figure. .dans la figure 2. .1b.Ces boucles DE sont également collectées à l'aide de compteurs sources Keithley.
Vingt-huit MLC PST de 1 mm d'épaisseur ont été assemblés dans une structure de plaques parallèles à 4 rangées et 7 colonnes selon la conception décrite dans la référence.14. L'écart de fluide entre les rangées PST-MLC est de 0,75 mm.Ceci est réalisé en ajoutant des bandes de ruban adhésif double face comme espaceurs liquides sur les bords du PST MLC.Le PST MLC est connecté électriquement en parallèle avec un pont époxy argenté en contact avec les fils des électrodes.Après cela, les fils ont été collés avec de la résine époxy argentée de chaque côté des bornes des électrodes pour la connexion à l’alimentation électrique.Enfin, insérez toute la structure dans le tuyau en polyoléfine.Ce dernier est collé au tube de fluide pour assurer une bonne étanchéité.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 du liquide d'entrée et de sortie.Pour ce faire, le tuyau doit d'abord être perforé.Après avoir installé le thermocouple, appliquez le même adhésif que précédemment entre le tuyau du thermocouple et le fil pour rétablir l'étanchéité.
Huit prototypes distincts ont été construits, dont quatre avaient 40 PST MLC de 0,5 mm d'épaisseur répartis sous forme de plaques parallèles avec 5 colonnes et 8 rangées, et les quatre autres avaient chacun 15 PST MLC de 1 mm d'épaisseur.dans une structure de plaques parallèles à 3 colonnes × 5 rangées.Le nombre total de PST MLC utilisés était de 220 (160 PST MLC de 0,5 mm d'épaisseur et 60 PST MLC 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 double face de 0,25 mm d'épaisseur avec un fil de 0,25 mm d'épaisseur entre eux.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 ont leurs propres circuits de fluide, 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) sur deux plaques chauffantes à aimants rotatifs.Les huit prototypes individuels sont connectés électriquement en parallèle.Les sous-unités HARV2_160 et HARV2_60 fonctionnent simultanément dans le cycle d'Olson, ce qui entraîne une récolte d'énergie de 11,2 J.
Placez du PST MLC de 0,5 mm d'épaisseur dans un tuyau en polyoléfine avec du ruban adhésif double face et du fil des deux côtés pour créer un espace permettant au liquide de s'écouler.En raison de sa petite taille, le prototype a été placé à côté d’une vanne de réservoir chaud ou froid, minimisant ainsi 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 de l’énergie est stockée.Après avoir chauffé le PST MLC, le champ est supprimé (V = 0) et l'énergie qui y est stockée est renvoyée au compteur source, ce qui correspond à une contribution supplémentaire de l'énergie collectée.Enfin, avec une tension V = 0 appliquée, les MLC PST sont refroidis à leur température initiale afin que le cycle puisse recommencer.A ce stade, l’énergie n’est pas collectée.Nous avons exécuté le cycle Olsen à l'aide d'un SourceMeter Keithley 2410, en chargeant le PST MLC à partir d'une source de tension et en réglant la correspondance de courant à la valeur appropriée afin que suffisamment de points soient 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 pour que l'étape de charge dure environ 1 s (et suffisamment de points sont collectés pour un calcul fiable de l'énergie) et 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 pour que l'étape de charge dure environ 1 s (et suffisamment de points sont collectés pour un calcul fiable de l'énergie) et la température froide. Si le cycle PST MLC de Stirling est activé selon le mode d'installation habituel pour les appareils électriques de type Vi > 0), cela signifie que Avec le temps, cette étape dure environ 1 seconde (et permet de régler la température ambiante pour l'énergie naturelle) 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 fiable d'énergie) et de température froide.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 automatique est défini sur la valeur de l'électroménager (Vi > 0), il faut donc le faire. Vous avez besoin de temps pour que cette étape dure environ 1 seconde (et vous donnez le temps de dépenser de l'énergie) pour le temps ratures . 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 les 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 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 chauffe.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 fig. 7.2 supplémentaire), le MLK FT se décharge (V = 0) et l'énergie électrique y est stockée pour le même car ils constituent la charge initiale.La même correspondance actuelle est renvoyée au compteur-source.En raison du gain de tension, l’énergie stockée à haute température est supérieure à celle fournie au début du cycle.L’énergie est donc 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 lu par le compteur source 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 énergétique, les valeurs d'énergie positives désignent l'énergie que nous devons donner aux MLC PST, et les valeurs négatives désignent l'énergie que nous en extrayons 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 du cycle entier.
Toutes les données sont présentées dans le texte principal ou dans des informations complémentaires.Les lettres et les demandes de matériel doivent être adressées à la source des données AT ou ED fournies avec cet article.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Une revue du développement et des applications de microgénérateurs thermoélectriques pour la récupération d'énergie. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Une revue du développement et des applications de microgénérateurs thermoélectriques pour la récupération d'énergie.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO et Henao, Caroline du Nord Aperçu du développement et de l'application de microgénérateurs thermoélectriques pour la récupération d'énergie. Ando Junior, OH, Maran, ALO et Henao, NC. Ando Junior, OH, Maran, ALO et Henao, Caroline du NordAndo Junior, Ohio, Maran, ALO et Henao, Caroline du Nord envisagent le développement et l'application de microgénérateurs thermoélectriques pour la récupération d'énergie.CV.soutien.Énergie Rev.91, 376-393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Matériaux photovoltaïques : efficacités actuelles et défis futurs. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Matériaux photovoltaïques : efficacités actuelles et défis futurs.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. et Sinke, VK Matériaux photovoltaïques : performances actuelles et défis futurs. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Matériaux solaires : efficacité actuelle et défis futurs.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. et Sinke, VK Matériaux photovoltaïques : performances actuelles et défis futurs.Sciences 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL et Yang, Y. Effet pyro-piézoélectrique conjoint pour une détection simultanée auto-alimentée de la température et de la pression. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL et Yang, Y. Effet pyro-piézoélectrique conjoint pour une détection simultanée auto-alimentée de la température et de la pression.Song K., Zhao R., Wang ZL et Yan Yu.Effet pyropiézoélectrique combiné pour une mesure autonome simultanée de la température et de la pression. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL et Yang, Y. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL et Yang, Y. Pour une auto-alimentation en même temps que la température et la pression.Song K., Zhao R., Wang ZL et Yan Yu.Effet thermopiézoélectrique combiné pour une mesure autonome et simultanée de la température et de la pression.Avant.alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Récupération d'énergie basée sur des cycles pyroélectriques Ericsson dans une céramique ferroélectrique relaxante. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Récupération d'énergie basée sur des cycles pyroélectriques Ericsson dans une céramique ferroélectrique relaxante.Sebald G., Prouvost S. et Guyomar D. Récupération d'énergie basée sur des cycles pyroélectriques d'Ericsson dans des céramiques ferroélectriques relaxantes.Sebald G., Prouvost S. et Guyomar D. Récupération d'énergie dans des céramiques ferroélectriques relaxantes basées sur le cyclage pyroélectrique d'Ericsson.Alma mater intelligente.structure.17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Matériaux électrocaloriques et pyroélectriques de nouvelle génération pour l'interconversion d'énergie électrothermique à l'état solide. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Matériaux électrocaloriques et pyroélectriques de nouvelle génération pour l'interconversion d'énergie électrothermique à l'état solide. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. et Whatmore, RW Les matériaux électriques et pyroélectriques sont soigneusement étudiés pour la préparation de votre travail c'est l'énergie électrique. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Matériaux électrocaloriques et pyroélectriques de nouvelle génération pour l'interconversion d'énergie électrothermique à l'état solide. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. et Whatmore, RW. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. et Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. et Whatmore, RW Les matériaux électriques et pyroélectriques sont soigneusement étudiés pour la préparation de votre travail c'est l'énergie électrique. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Matériaux électrocaloriques et pyroélectriques de nouvelle génération pour l'interconversion d'énergie électrothermique à l'état solide.Dame Taureau.39, 1099-1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL et Yang, Y. Norme et facteur de mérite pour quantifier les performances des nanogénérateurs pyroélectriques. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL et Yang, Y. Norme et facteur de mérite pour quantifier les performances des nanogénérateurs pyroélectriques.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL et Yang, Yu.Une norme et un score de qualité pour quantifier les performances des nanogénérateurs pyroélectriques. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL et Yang, Y. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL et Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL et Yang, Yu.Critères et mesures de performance pour quantifier les performances d'un nanogénérateur pyroélectrique.Nano Énergie 55, 534-540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Cycles de refroidissement électrocaloriques dans le tantalate de scandium de plomb avec véritable régénération via variation de champ. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Cycles de refroidissement électrocaloriques dans le tantalate de scandium de plomb avec véritable régénération via variation de champ.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. et Mathur, ND Cycles de refroidissement électrocaloriques dans le tantalate de plomb-scandium avec véritable régénération au moyen d'une modification de champ. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. et Mathur, ND. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. et Mathur, ND.Tantale酸钪钪钪钪钪钪钪钪在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. et Mathur, ND Un cycle de refroidissement électrothermique du tantalate de scandium-plomb pour une véritable régénération par inversion de champ.physique Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Matériaux caloriques proches des transitions de phase ferroïque. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Matériaux caloriques proches des transitions de phase ferroïque.Moya, X., Kar-Narayan, S. et Mathur, ND Matériaux caloriques proches des transitions de phase ferroïde. Moya, X., Kar-Narayan, S. et Mathur, ND. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Matériaux thermiques proches de la métallurgie ferreuse.Moya, X., Kar-Narayan, S. et Mathur, ND Matériaux thermiques proches des transitions de phase du fer.Nat.alma mater 13, 439-450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Matériaux caloriques pour le refroidissement et le chauffage. Moya, X. & Mathur, ND Matériaux caloriques pour le refroidissement et le chauffage.Moya, X. et Mathur, ND Matériaux thermiques pour le refroidissement et le chauffage. Moya, X. et Mathur, ND. Moya, X. & Mathur, ND Matériaux thermiques pour le refroidissement et le chauffage.Moya X. et Mathur ND Matériaux thermiques pour le refroidissement et le chauffage.Sciences 370, 797-803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Refroidisseurs électrocaloriques : une revue. Torelló, A. & Defay, E. Refroidisseurs électrocaloriques : une revue.Torello, A. et Defay, E. Refroidisseurs électrocaloriques : une revue. Torelló, A. et Defay, E. Torelló, A. et Defay, E.Torello, A. et Defay, E. Refroidisseurs électrothermiques : une revue.Avancé.électronique.mère nourricière.8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. et al.Énorme efficacité énergétique du matériau électrocalorique dans le scandium-scandium-plomb hautement ordonné.Communiquer nationalement.12, 3298 (2021).
Nair, B. et coll.L'effet électrothermique des condensateurs multicouches à oxyde est important sur une large plage de températures.Nature 575, 468-472 (2019).
Torello, A. et coll.Énorme plage de température dans les régénérateurs électrothermiques.Sciences 370, 125-129 (2020).
Wang, Y. et al.Système de refroidissement électrothermique à semi-conducteurs haute performance.Sciences 370, 129-133 (2020).
Meng, Y. et al.Dispositif de refroidissement électrothermique en cascade pour fortes montées en température.Énergie nationale 5, 996-1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Conversion directe à haut rendement de la chaleur en mesures pyroélectriques liées à l'énergie électrique. Olsen, RB & Brown, DD Conversion directe à haut rendement de la chaleur en mesures pyroélectriques liées à l'énergie électrique.Olsen, RB et Brown, DD Conversion directe très efficace de la chaleur en énergie électrique associée aux mesures pyroélectriques. Olsen, RB et Brown, DD s'en occupent. Olsen, RB et Brown, DDOlsen, RB et Brown, DD Conversion directe efficace de la chaleur en électricité associée aux mesures pyroélectriques.Ferroélectrique 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. et coll.Densité d'énergie et de puissance dans des films ferroélectriques minces relaxeurs.Alma mater nationale.https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Conversion pyroélectrique en cascade : optimisation de la transition de phase ferroélectrique et des pertes électriques. Smith, AN & Hanrahan, BM Conversion pyroélectrique en cascade : optimisation de la transition de phase ferroélectrique et des pertes électriques.Smith, AN et Hanrahan, BM Conversion pyroélectrique en cascade : transition de phase ferroélectrique et optimisation des pertes électriques. Smith, AN et Hanrahan, BM. Smith, AN et Hanrahan, BMSmith, AN et Hanrahan, BM Conversion pyroélectrique en cascade : optimisation des transitions de phase ferroélectriques et des pertes électriques.J. Requête.la physique.128, 24103 (2020).
Hoch, SR L'utilisation de matériaux ferroélectriques pour convertir l'énergie thermique en électricité.processus.IEEE 51, 838-845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM et Dullea, J. Convertisseur d'énergie pyroélectrique en cascade. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM et Dullea, J. Convertisseur d'énergie pyroélectrique en cascade.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM et Dullea, J. Convertisseur de puissance pyroélectrique Cascade. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM et Dullea, J. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM et Dullea, J.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM et Dullea, J. Convertisseurs de puissance pyroélectrique en cascade.Ferroélectrique 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Sur des solutions solides de tantalate de plomb-scandium à effet électrocalorique élevé. Shebanov, L. & Borman, K. Sur des solutions solides de tantalate de plomb-scandium à effet électrocalorique élevé.Shebanov L. et Borman K. Sur des solutions solides de tantalate de plomb-scandium à effet électrocalorique élevé. Shebanov, L. et Borman, K. Shebanov, L. et Borman, K.Shebanov L. et Borman K. Sur des solutions solides scandium-plomb-scandium à effet électrocalorique élevé.Ferroélectrique 127, 143-148 (1992).
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 (FNR) du Luxembourg pour son soutien à ce travail à travers 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 technologie des matériaux, Luxembourg Institute of Technology (LIST), Belvoir, Luxembourg