Znaczenie materiałów termoelektrycznych i możliwości ich zastosowania
Optymalizacja efektywności energetycznej jest jednym z głównych wyzwańXXI wieku. W wielu zastosowaniach przemysłowych generowane są ogromne ilości niewykorzystanej energii cieplnej. Takie ciepło odpadowe jest wytwarzane przez piece do topienia, spalarnie, elektrownie, a nawet pojazdy silnikowe - i wszystkie mogłyby być wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Oprócz pozytywnego wpływu na środowisko, przyczyniłoby się to również do zwiększenia ogólnej wydajności i rentowności zakładów przemysłowych. W tym miejscu do gry wkraczają termoelektryki.
"Generatory termoelektryczne", jak są one znane, zostały opracowane i mogą być stosowane we wszystkich obszarach, w których dostępne są użyteczne różnice temperatur. Takie zastosowania wymagają opracowania materiałów termoelektrycznych o wysokiej wydajności.
Określenie właściwości termofizycznych i termoelektrycznych
Do rozwoju i optymalizacji materiałów termoelektrycznych niezbędna jest znajomość właściwości termofizycznych i termoelektrycznych. Do oceny wydajności wykorzystywana jest wartość ZT (figure of merit). Ta liczba termoelektryczna opisuje, jak dobrze lub słabo nadaje się specjalny materiał do zastosowania w generatorze termoelektrycznym. Wartość ZT dostarcza zatem informacji na temat wydajności materiału.
Za pomocą Przewodność elektryczna (SBA)Przewodność elektryczna to właściwość fizyczna określająca zdolność materiału do umożliwienia transportu ładunku elektrycznego. SBA 458 Nemesis® można jednocześnie określić Współczynnik SeebeckaWspółczynnik Seebecka to stosunek indukowanego napięcia termoelektrycznego do różnicy temperatur między dwoma punktami przewodnika elektrycznego.współczynnik Seebecka S i przewodność elektryczną σ. Za pomocą LFA można bezpośrednio zmierzyć pojemność cieplną właściwą, Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp, i dyfuzyjność cieplną, a. Wraz z gęstością, ρ, można obliczyć przewodność cieplną, λ.
Dzięki Przewodność elektryczna (SBA)Przewodność elektryczna to właściwość fizyczna określająca zdolność materiału do umożliwienia transportu ładunku elektrycznego. SBA 458 Nemesis® i laserowym aparatom błyskowym LFA 427, LFA 457 i LFA 467, NETZSCH oferuje kompletne rozwiązanie do określania wartości ZT.
Skutterudyt jako odpowiedni materiał do zastosowań termoelektrycznych
Obecnie ogromne koszty rozwoju i niska wydajność materiałów termoelektrycznych często uniemożliwiają ich zastosowanie. Aby temu zaradzić, wydajność termoelektryków musi zostać znacznie zwiększona poprzez nowe rozwiązania i modyfikacje.
Celem jest opracowanie materiałów wykazujących niską przewodność cieplną, λ, przy jednoczesnej wysokiej przewodności, σ, i wysokim współczynniku Seebecka, S. Trudność polega na tym, że na te trzy właściwości można wpływać niezależnie od siebie tylko w określonych warunkach.
W szczególności skutterudyt ma potencjał do uzyskania doskonałych właściwości elektrycznych. Skutterudyt to materiał składający się z kobaltu i arsenu, często zanieczyszczony pierwiastkami ziem rzadkich. Należy do klasy siarczków. Swoją nazwę zawdzięcza miastu Skutterud w Norwegii, gdzie ten naturalnie występujący minerał, CoAs3, został po raz pierwszy odkryty w 1928 roku. Dopiero w połowie lat 50. ubiegłego wieku doceniono jego doskonałe właściwości elektryczne. Skutterudit charakteryzuje się bardzo wysoką ruchliwością nośników ładunku i współczynnikiem Seebecka medium. Z drugiej strony, jego Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna jest zbyt wysoka, aby w tamtym czasie możliwe było jego efektywne wykorzystanie w zastosowaniach termoelektrycznych. W latach 70. odkryto strukturę krystaliczną typową dla skutterudytu, którą można optymalnie modyfikować. Dwie puste przestrzenie w komórce elementarnej mogą być wypełnione przez wprowadzenie obcych atomów. W ten sposób można zmniejszyć przewodność cieplną skutterudytu. Od tego czasu skutterudyty są potencjalnymi kandydatami na bardziej wydajne konwertery termoelektryczne, za pomocą których, na przykład, ciepło odpadowe z układów wydechowych samochodów może być bezpośrednio przekształcane w energię elektryczną. Poniższe przykłady pomiarów pokazują, w jaki sposób można określić wartość ZT skutterudytu za pomocą pojedynczej próbki.
Pomiary LFA
W celu obliczenia bezwymiarowej wartości ZT skutterudytu, dyfuzyjność cieplna (rysunek 1, czerwona krzywa) i Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki. pojemność cieplna właściwa (rysunek 1, czarna krzywa) zostały określone za pomocą urządzenia LFA 467 HyperFlash® na próbce o średnicy 12,7 mm. Pomiary przeprowadzono w zakresie od temperatury pokojowej do 400°C.
Obliczenie przewodności cieplnej opiera się na wynikach uzyskanych za pomocą następującego równania: λ = a-Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp-ρ(patrz rysunek 2).
Pomiar SBA
Za pomocą Przewodność elektryczna (SBA)Przewodność elektryczna to właściwość fizyczna określająca zdolność materiału do umożliwienia transportu ładunku elektrycznego. SBA 458 Nemesis® określono Współczynnik SeebeckaWspółczynnik Seebecka to stosunek indukowanego napięcia termoelektrycznego do różnicy temperatur między dwoma punktami przewodnika elektrycznego.współczynnik Seebecka i przewodność elektryczną próbki użytej już do pomiaru LFA w zakresie temperatur od RT do 350°C. Współczynnik SeebeckaWspółczynnik Seebecka to stosunek indukowanego napięcia termoelektrycznego do różnicy temperatur między dwoma punktami przewodnika elektrycznego.Współczynnik Seebecka wzrósł ze 100 μV/K do prawie 160 μV/K, podczas gdy Przewodność elektryczna (SBA)Przewodność elektryczna to właściwość fizyczna określająca zdolność materiału do umożliwienia transportu ładunku elektrycznego.przewodność elektryczna spadła z około 1300 S/cm do 1000 S/cm. Wyniki pomiarów wykazują doskonałą powtarzalność (± 2%) dla obu parametrów (patrz rysunek 3).
Wartość ZT
Wartość ZT jest obliczana za pomocą wyników uzyskanych za pomocą LFA i Przewodność elektryczna (SBA)Przewodność elektryczna to właściwość fizyczna określająca zdolność materiału do umożliwienia transportu ładunku elektrycznego. SBA na tej samej próbce (patrz rysunek 4) przy użyciu następującego równania:
Wykres na rysunku 5 przedstawia wzrost wartości ZT między temperaturą pokojową a 400°C z maksimum przy 0,75.
Podsumowanie
Wykazano, że właściwości termofizyczne - w tym dyfuzyjność cieplna i Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna, Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki. pojemność cieplna właściwa, Współczynnik SeebeckaWspółczynnik Seebecka to stosunek indukowanego napięcia termoelektrycznego do różnicy temperatur między dwoma punktami przewodnika elektrycznego.współczynnik Seebecka i Przewodność elektryczna (SBA)Przewodność elektryczna to właściwość fizyczna określająca zdolność materiału do umożliwienia transportu ładunku elektrycznego.przewodność elektryczna - można określić przy użyciu tylko jednej próbki. W ten sposób użytkownik oszczędza cenny czas, ponieważ dodatkowe przygotowanie próbki w celu dostosowania jej geometrii nie jest konieczne.