Betydningen af termoelektriske materialer og deres anvendelsesmuligheder
Optimering af energieffektiviteten er en af de største udfordringer i det 21. århundrede. I mange industrielle applikationer genereres der enorme mængder uudnyttet termisk energi. Sådan spildvarme produceres af smelteovne, forbrændingsanlæg, kraftværker og endda motorkøretøjer - og de kunne alle bruges til at generere elektrisk energi. Ud over at have en positiv indvirkning på miljøet ville dette også bidrage væsentligt til at øge industrianlæggenes samlede effektivitet og rentabilitet. Det er her, termoelektricitet kommer ind i billedet.
"Termoelektriske generatorer", som de kaldes, er udviklet og kan anvendes på alle områder, hvor der er brugbare temperaturforskelle. Sådanne anvendelser kræver udvikling af termoelektriske materialer med høj effektivitet.
Bestemmelse af termofysiske og termoelektriske egenskaber
Til udvikling og optimering af termoelektriske materialer er viden om de termofysiske og termoelektriske egenskaber afgørende. Til vurdering af effektiviteten bruger man en såkaldt "figure of merit" (ZT-værdi). Dette termoelektriske tal beskriver, hvor godt eller dårligt et særligt materiale egner sig til brug i en termoelektrisk generator. ZT-værdien giver således information om materialets effektivitet.
Med Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.SBA 458 Nemesis® kan Seebeck-koefficienten, S, og den elektriske ledningsevne, σ, bestemmes samtidigt. Ved hjælp af LFA kan den specifikke varmekapacitet, Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp, og den termiske diffusivitet, a, måles direkte. Sammen med densiteten, ρ, kan varmeledningsevnen, λ, beregnes.
Med Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.SBA 458 Nemesis® og laserblitzapparaterne LFA 427, LFA 457 og LFA 467 tilbyder NETZSCH en komplet løsning til bestemmelse af ZT-værdien.
Skutterudit som et passende materiale til termoelektriske applikationer
I øjeblikket forhindrer de enorme omkostninger til udvikling og den nuværende lave effektivitet af termoelektriske materialer ofte deres anvendelse. For at overvinde dette skal effektiviteten af termoelektriske materialer øges betydeligt via nye udviklinger og modifikationer.
Målet er at udvikle materialer med lav Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, λ, og samtidig høj ledningsevne, σ, og en høj Seebeck-koefficientSeebeck-koefficienten er forholdet mellem den inducerede termoelektriske spænding og temperaturforskellen mellem to punkter på en elektrisk leder.Seebeck-koefficient, S. Vanskeligheden ligger her i, at disse tre egenskaber kun kan påvirkes uafhængigt af hinanden under visse betingelser.
Især skutterudit har potentiale til at få fremragende elektriske egenskaber. Skutterudit er et materiale, der består af kobolt og arsen, ofte forurenet med sjældne jordarter. Det hører til klassen af sulfider. Det har fået sit navn efter byen Skutterud i Norge, hvor dette naturligt forekommende mineral, CoAs3, først blev opdaget i 1928. Det var først i midten af 50'erne, at man fik øjnene op for dets fremragende elektriske egenskaber. Skutterudit har en meget høj mobilitet af ladningsbærere og en Seebeck-koefficientSeebeck-koefficienten er forholdet mellem den inducerede termoelektriske spænding og temperaturforskellen mellem to punkter på en elektrisk leder.Seebeck-koefficient i størrelsen medium. På den anden side er dets Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne alt for høj til, at det på det tidspunkt var muligt at bruge det effektivt i termoelektriske anvendelser. I 70'erne opdagede man den krystalstruktur, der er typisk for skutterudit, og som kan modificeres optimalt. To hulrum i elementarcellen kan fyldes ved at indsætte fremmede atomer. På den måde kan skutterudits Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne reduceres. Siden da har skutteruditter været potentielle kandidater til mere effektive termoelektriske omformere, hvormed f.eks. spildvarme fra bilers udstødningssystemer kan omdannes direkte til elektricitet. De følgende måleeksempler viser, hvordan ZT-værdien for skutterudit kan bestemmes ved hjælp af en enkelt prøve.
LFA-målinger
Til beregning af den dimensionsløse ZT-værdi for skutterudit blev den termiske diffusivitet (figur 1, rød kurve) og den specifikke varmekapacitet (figur 1, sort kurve) bestemt med LFA 467 HyperFlash® på en prøve med en diameter på 12,7 mm. Målingerne blev udført mellem stuetemperatur og 400 °C.
Beregning af varmeledningsevnen er baseret på de resultater, der opnås ved hjælp af følgende ligning: λ = a-Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-ρ(se figur 2).
SBA-måling
Med Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.SBA 458 Nemesis® blev Seebeck-koefficienten og den elektriske ledningsevne for den prøve, der allerede blev brugt til LFA-målingen, bestemt mellem RT og 350 °C. Seebeck-koefficienten steg fra 100 μV/K til næsten 160 μV/K, mens den elektriske ledningsevne faldt fra ca. 1300 S/cm til 1000 S/cm. Måleresultaterne udviser fremragende reproducerbarhed (± 2 %) for begge parametre (se figur 3).
ZT-værdi
ZT-værdien beregnes ved hjælp af de resultater, der er opnået med LFA og Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.SBA på den samme prøve (se figur 4) ved hjælp af følgende ligning:
Diagrammet i figur 5 viser stigningen i ZT-værdi mellem stuetemperatur og 400 °C med et maksimum på 0,75.
Sammenfatning
Det blev demonstreret, at de termofysiske egenskaber - herunder Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet og Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet, Seebeck-koefficientSeebeck-koefficienten er forholdet mellem den inducerede termoelektriske spænding og temperaturforskellen mellem to punkter på en elektrisk leder.Seebeck-koefficient og Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.elektrisk ledningsevne - kan bestemmes ved hjælp af kun én prøve. Dermed sparer brugeren dyrebar tid, da yderligere prøveforberedelse til justering af prøvegeometrien ikke er nødvendig.