Скутерудит: високоефективен материал за термоелектрически приложения

Значението на термоелектричните материали и техните възможности за приложение

Оптимизирането на енергийната ефективност е едно от основните предизвикателства на^21-ви век. В много промишлени приложения се генерират огромни количества неизползвана топлинна енергия. Такава отпадна топлина се произвежда от топилни пещи, инсталации за изгаряне на отпадъци, електроцентрали и дори моторни превозни средства - и всички те биха могли да се използват за производство на електрическа енергия. Наред с положителното въздействие върху околната среда, това би допринесло значително и за повишаване на общата ефективност и рентабилност на промишлените предприятия. Тук се намесва термоелектриката.

"Термоелектрическите генератори", както са известни, са разработени и могат да се използват във всички области, където са налице използваеми температурни разлики. Такива приложения изискват разработването на термоелектрични материали с висока ефективност.

Определяне на термофизични и термоелектрични свойства

За разработването и оптимизирането на термоелектрични материали от съществено значение е познаването на термофизичните и термоелектричните свойства. За оценка на ефективността се използва коефициентът на полезно действие (стойността на ZT). Тази термоелектрическа цифра описва колко добре или зле е пригоден даден специален материал за използване в термоелектрически генератор. По този начин стойността на ZT дава информация за ефективността на материала.

Математически уравнения за термоелектрическата ефективност, показващи параметрите ZT и λ, които са от решаващо значение за анализа на материалите.

С помощта на Електропроводимост (SBA)Електропроводимостта е физично свойство, което показва способността на даден материал да пренася електрически заряд. SBA 458 Nemesis^®, могат да се определят едновременно коефициентът на Зеебек, S, и електропроводимостта, σ. С помощта на LFA могат да се измерят директно специфичният топлинен капацитет, _{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp}, и топлинната дифузия, a. Заедно с плътността, ρ, може да се изчисли коефициентът на топлопроводност, λ.

С апарата Електропроводимост (SBA)Електропроводимостта е физично свойство, което показва способността на даден материал да пренася електрически заряд. SBA 458 Nemesis^® и апаратите за лазерна светкавица LFA 427, LFA 457 и LFA 467 NETZSCH предлага цялостно решение за определяне на стойността на ZT.

Скутерудитът като подходящ материал за термоелектрически приложения

Понастоящем огромните разходи за разработване и ниската ефективност на термоелектричните материали често възпрепятстват тяхното приложение. За да се преодолее това, ефективността на термоелектриците трябва да се повиши значително чрез нови разработки и модификации.

Целта е да се разработят материали, които показват ниска топлопроводимост, λ, при едновременно висока проводимост, σ, и висок коефициент на Зеебек, S. Трудността тук се състои във факта, че тези три свойства могат да бъдат повлияни независимо едно от друго само при определени условия.

Скутерудитът в частност има потенциал за отлични електрически свойства. Скутерудитът е материал, състоящ се от кобалт и арсен, често замърсен с редкоземни елементи. Той принадлежи към класа на сулфидите. Дължи името си на град Скутеруд в Норвегия, където през 1928 г. за първи път е открит този естествен минерал _CoAs3. Едва в средата на 50-те години на миналия век са признати отличните му електрически свойства. Скутерудитът се отличава с много висока подвижност на носителите на заряд и с коефициент на Зеебек с размер medium. От друга страна, неговата топлопроводимост е твърде висока, за да бъде възможно ефективното му използване в термоелектрически приложения към онзи момент. През 70-те години на миналия век е открита кристалната структура, характерна за скутерудита, която може да се модифицира оптимално. Две празнини в елементарната клетка могат да бъдат запълнени чрез вмъкване на чужди атоми. По този начин може да се намали коефициентът на топлопроводност на скътърудита. Оттогава насам скътърудитите са потенциални кандидати за по-ефективни термоелектрически преобразуватели, с които например отпадната топлина от изпускателните системи на автомобилите може да се преобразува директно в електричество. Следващите примери за измерване показват как стойността на ZT на скътрудита може да се определи с помощта на една проба.

Измервания на LFA

За да се изчисли безразмерната стойност на ZT на скутерудита, топлинната дифузия (фигура 1, червена крива) и специфичният топлинен капацитет (фигура 1, черна крива) са определени с LFA 467 HyperFlash^® върху образец с диаметър 12,7 mm. Измерванията са проведени в интервала между стайна температура и 400 °C.

Графика, илюстрираща термичната дифузия (червена крива) и специфичния топлинен капацитет (черна крива) в зависимост от температурата в °C. — 1) Измерване на топлинната дифузия (червената крива) и специфичния топлинен капацитет (черната крива) по метода LFA

Изчисляването на коефициента на топлопроводност се основава на резултатите, получени чрез следното уравнение: λ = _{a-Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp-ρ}(вж. фигура 2).

Графика, изобразяваща коефициента на топлопроводност (λ) в MW/mK спрямо температурата (°C), показваща стабилна тенденция от 0 до 400 °C. — 2) Определяне на топлопроводимостта

Измерване на SBA

С помощта на Електропроводимост (SBA)Електропроводимостта е физично свойство, което показва способността на даден материал да пренася електрически заряд. SBA 458 Nemesis^®, коефициентът на Зеебек и електропроводимостта на пробата, която вече е използвана за измерване на LFA, са определени между RT и 350°C. Коефициентът на Зеебек се увеличава от 100 μV/K до почти 160 μV/K, докато електропроводимостта намалява от около 1300 S/cm до 1000 S/cm. Резултатите от измерването показват отлична възпроизводимост (± 2 %) и за двата параметъра (вж. фигура 3).

Графика, показваща тенденциите на коефициента на Зеебек и електропроводимостта от стайна температура до 350°C при използване на SBA 458 Nemesis®. — 3) Определяне на коефициента на Зеебек и електропроводимостта между RT и 350°C с помощта на Електропроводимост (SBA)Електропроводимостта е физично свойство, което показва способността на даден материал да пренася електрически заряд. SBA 458 `Nemesis^®`®

Стойност на ZT

Стойността на ZT се изчислява с помощта на резултатите, получени с LFA и Електропроводимост (SBA)Електропроводимостта е физично свойство, което показва способността на даден материал да пренася електрически заряд. SBA върху една и съща проба (вж. фигура 4), като се използва следното уравнение:

Формула за изчисляване на ZT при анализ на термоелектрически материали: ZT = (S²σ/λ)T, като се подчертават ключовите променливи за тестване на ефективността.

Черна кръгла проба за измервания на LFA и SBA, която подчертава простотата на подготовката на пробата при анализа. — 4) За измерванията на LFA и Електропроводимост (SBA)Електропроводимостта е физично свойство, което показва способността на даден материал да пренася електрически заряд. SBA трябва да се използва само една проба. Не е необходима допълнителна подготовка на пробата за коригиране на геометрията на пробата.

Графиката на фигура 5 представя нарастването на стойността на ZT между стайна температура и 400°C с максимум при 0,75.

Графика, изобразяваща нарастването на фигурата на достойнство ZT от 0,2 до 0,75 при повишаване на температурата от стайна температура до 500°C. — 5) Увеличаване на стойността на ZT между стайна температура и 500°C. Максималната стойност е 0,75.

Резюме

Беше доказано, че термофизичните свойства - включително топлинната дифузия и топлопроводимостта, специфичният топлинен капацитет, коефициентът на Зеебек и електропроводимостта - могат да бъдат определени само с помощта на една проба. По този начин потребителят спестява ценно време, тъй като не е необходима допълнителна подготовка на пробата за коригиране на нейната геометрия.