Het belang van thermo-elektrische materialen en hun toepassingsmogelijkheden
Het optimaliseren van de energie-efficiëntie is een van de grootste uitdagingen van de21e eeuw. In veel industriële toepassingen worden enorme hoeveelheden ongebruikte thermische energie gegenereerd. Dergelijke afvalwarmte wordt geproduceerd door smeltovens, verbrandingsinstallaties, krachtcentrales en zelfs motorvoertuigen - en zou allemaal gebruikt kunnen worden voor het opwekken van elektrische energie. Dit zou niet alleen een positieve invloed hebben op het milieu, maar ook aanzienlijk bijdragen aan het verhogen van de algehele efficiëntie en winstgevendheid van industriële installaties. Dat is waar thermo-elektrische energie om de hoek komt kijken.
"Thermo-elektrische generatoren", zoals ze bekend staan, worden ontwikkeld en kunnen worden toegepast in alle gebieden waar bruikbare temperatuurverschillen beschikbaar zijn. Dergelijke toepassingen vereisen de ontwikkeling van thermo-elektrische materialen met een hoog rendement.
Bepaling van thermofysische en thermo-elektrische eigenschappen
Voor de ontwikkeling en optimalisatie van thermo-elektrische materialen is kennis van de thermofysische en thermo-elektrische eigenschappen essentieel. Voor de beoordeling van het rendement wordt het getal van verdienste (ZT-waarde) gebruikt. Dit thermo-elektrische getal beschrijft hoe goed of slecht een speciaal materiaal geschikt is voor gebruik in een thermo-elektrische generator. De ZT-waarde geeft dus informatie over het rendement van het materiaal.
Met de Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.SBA 458 Nemesis® kunnen de Seebeck-coëfficiënt S en de Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid σ tegelijkertijd worden bepaald. Met de LFA kunnen de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit, Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp, en de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, a, direct gemeten worden. Samen met de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid, ρ, kan de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid, λ, berekend worden.
Met de Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.SBA 458 Nemesis® en de laserflitsapparaten LFA 427, LFA 457 en LFA 467 biedt NETZSCH een complete oplossing voor het bepalen van de ZT-waarde.
Skutterudiet als geschikt materiaal voor thermo-elektrische toepassingen
Momenteel verhinderen de enorme ontwikkelingskosten en het momenteel lage rendement van thermo-elektrische materialen vaak de toepassing ervan. Om dit te verhelpen moet de efficiëntie van thermo-elektrische materialen aanzienlijk worden verhoogd via nieuwe ontwikkelingen en modificaties.
Het doel is om materialen te ontwikkelen met een laag warmtegeleidingsvermogen, λ, en tegelijkertijd een hoog geleidingsvermogen, σ, en een hoge Seebeck-coëfficiënt, S. De moeilijkheid hierbij is dat deze drie eigenschappen alleen onder bepaalde omstandigheden onafhankelijk van elkaar kunnen worden beïnvloed.
Skutterudiet in het bijzonder heeft het potentieel voor uitstekende elektrische eigenschappen. Skutterudiet is een materiaal dat bestaat uit kobalt en arseen, vaak verontreinigd met zeldzame aarden. Het behoort tot de klasse van de sulfiden. Het dankt zijn naam aan de stad Skutterud in Noorwegen, waar dit natuurlijk voorkomende mineraal, CoAs3, voor het eerst werd ontdekt in 1928. Pas halverwege de jaren 50 werden de uitstekende elektrische eigenschappen herkend. Skutterudiet heeft een zeer hoge mobiliteit van ladingsdragers en een Seebeck-coëfficiënt van medium. Het thermische geleidingsvermogen is echter veel te hoog om het op dat moment efficiënt te kunnen gebruiken in thermo-elektrische toepassingen. In de jaren 70 werd de kristalstructuur ontdekt die typisch is voor skutterudiet en die optimaal kan worden aangepast. Twee holtes in de elementaire cel kunnen worden opgevuld door vreemde atomen in te brengen. Op deze manier kan de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van skutterudiet worden verlaagd. Sindsdien zijn skutterudieten potentiële kandidaten voor efficiëntere thermo-elektrische omzetters waarmee bijvoorbeeld afvalwarmte uit de uitlaatsystemen van auto's direct kan worden omgezet in elektriciteit. De volgende meetvoorbeelden laten zien hoe de ZT-waarde van skutterudiet kan worden bepaald aan de hand van een enkel monster.
LFA metingen
Voor de berekening van de dimensieloze ZT-waarde van skuttersudiet werden de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie (figuur 1, rode curve) en de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (figuur 1, zwarte curve) bepaald met de LFA 467 HyperFlash® op een monster met een diameter van 12,7 mm. De metingen werden uitgevoerd tussen kamertemperatuur en 400°C.
De berekening van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid is gebaseerd op de resultaten verkregen met behulp van de volgende vergelijking: λ = a-Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp-ρ(zie figuur 2).
SBA-meting
Met de Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.SBA 458 Nemesis® werden de Seebeckcoëfficiënt en het elektrisch geleidingsvermogen van het monster dat al gebruikt was voor de LFA-meting bepaald tussen RT en 350 °C. De Seebeck coëfficiëntDe Seebeck-coëfficiënt is de verhouding tussen de geïnduceerde thermo-elektrische spanning en het temperatuurverschil tussen twee punten op een elektrische geleider.Seebeck coëfficiënt nam toe van 100 μV/K tot bijna 160 μV/K terwijl de Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid afnam van ongeveer 1300 S/cm tot 1000 S/cm. De meetresultaten vertonen een uitstekende reproduceerbaarheid (± 2%) voor beide parameters (zie figuur 3).
ZT-waarde
De ZT-waarde wordt berekend aan de hand van de resultaten verkregen met de LFA en Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.SBA op hetzelfde monster (zie figuur 4) met behulp van de volgende vergelijking:
De grafiek in figuur 5 toont de toename in ZT-waarde tussen kamertemperatuur en 400°C met een maximum bij 0,75.
Samenvatting
Er werd aangetoond dat de thermofysische eigenschappen - waaronder Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie en Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid, Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit, Seebeck coëfficiëntDe Seebeck-coëfficiënt is de verhouding tussen de geïnduceerde thermo-elektrische spanning en het temperatuurverschil tussen twee punten op een elektrische geleider.Seebeck coëfficiënt en Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid - bepaald kunnen worden met slechts één monster. De gebruiker bespaart dus kostbare tijd omdat extra monstervoorbereiding voor het aanpassen van de geometrie van het monster niet nodig is.