Важность термоэлектрических материалов и возможности их применения
Оптимизация энергоэффективности - одна из главных задач21 века. Во многих промышленных отраслях генерируется огромное количество неиспользованной тепловой энергии. Такое отработанное тепло вырабатывается плавильными печами, мусоросжигательными заводами, электростанциями и даже автотранспортом - и все это может быть использовано для производства электрической энергии. Наряду с положительным воздействием на окружающую среду это также способствовало бы повышению общей эффективности и рентабельности промышленных предприятий. Именно здесь на помощь приходят термоэлектрики.
"Термоэлектрические генераторы", как их еще называют, разработаны и могут применяться во всех областях, где существует приемлемая разница температур. Для таких применений требуется разработка термоэлектрических материалов с высокой эффективностью.
Определение теплофизических и термоэлектрических свойств
Для разработки и оптимизации термоэлектрических материалов необходимо знать теплофизические и термоэлектрические свойства. Для оценки эффективности используется коэффициент полезного действия (значение ZT). Этот термоэлектрический показатель характеризует, насколько хорошо или плохо подходит тот или иной материал для использования в термоэлектрическом генераторе. Таким образом, значение ZT дает информацию об эффективности материала.
С помощью SBA 458 Nemesis® можно одновременно определить коэффициент Зеебека, S, и электропроводность, σ. С помощью LFA можно непосредственно измерить удельную теплоемкость, Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp, и теплопроводность, a. Вместе с плотностью, ρ, можно рассчитать теплопроводность, λ.
С помощью SBA 458 Nemesis® и аппаратов лазерной вспышки LFA 427, LFA 457 и LFA 467 компания NETZSCH предлагает комплексное решение для определения величины ZT.
Скаттерудит как подходящий материал для термоэлектрических приложений
В настоящее время огромные затраты на разработку и низкая эффективность термоэлектрических материалов часто препятствуют их применению. Чтобы преодолеть это, необходимо значительно повысить эффективность термоэлектриков за счет новых разработок и модификаций.
Задача состоит в разработке материалов с низкой теплопроводностью, λ, и одновременно высокой проводимостью, σ, и высоким коэффициентом Зеебека, S. Сложность заключается в том, что эти три свойства могут быть изменены независимо друг от друга только при определенных условиях.
Скуттерудит, в частности, обладает потенциалом превосходных электрических свойств. Скуттерудит - это материал, состоящий из кобальта и мышьяка, часто загрязненный редкими землями. Он относится к классу сульфидов. Своим названием он обязан городу Скуттеруд в Норвегии, где в 1928 году впервые был обнаружен этот минерал природного происхождения - CoAs3. Только в середине 50-х годов прошлого века были признаны его превосходные электрические свойства. Скуттерудит отличается очень высокой подвижностью носителей заряда и коэффициентом Зеебека medium. С другой стороны, его теплопроводность слишком высока, чтобы на тот момент можно было эффективно использовать его в термоэлектрических приложениях. В 70-х годах прошлого века была обнаружена кристаллическая структура, характерная для скуттерудита, которую можно оптимально модифицировать. Две пустоты в элементарной ячейке могут быть заполнены путем введения чужеродных атомов. Таким образом можно уменьшить теплопроводность скуттерудита. С тех пор скуттерудиты являются потенциальными кандидатами на создание более эффективных термоэлектрических преобразователей, с помощью которых, например, отработанное тепло выхлопных систем автомобилей может быть напрямую преобразовано в электричество. Следующие примеры измерений показывают, как можно определить значение ZT скуттерудита с помощью одного образца.
Измерения LFA
Для расчета безразмерного значения ZT скуттерудита теплопроводность (рисунок 1, красная кривая) и удельная теплоемкость (рисунок 1, черная кривая) были определены с помощью прибора LFA 467 HyperFlash® на образце диаметром 12,7 мм. Измерения проводились в интервале от комнатной температуры до 400°C.
Расчет теплопроводности основывается на результатах, полученных с помощью следующего уравнения: λ = a-Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp-ρ(см. рис. 2).
Измерения SBA
С помощью прибора SBA 458 Nemesis® были определены коэффициент Зеебека и электропроводность образца, уже использованного для измерения LFA, в диапазоне от RT до 350°C. Коэффициент Зеебека увеличился со 100 мкВ/К почти до 160 мкВ/К, а электропроводность снизилась с примерно 1300 С/см до 1000 С/см. Результаты измерений демонстрируют отличную воспроизводимость (± 2 %) для обоих параметров (см. рис. 3).
Значение ZT
Значение ZT рассчитывается на основе результатов, полученных с помощью LFA и SBA на одном и том же образце (см. рис. 4), с использованием следующего уравнения:
График на рисунке 5 представляет увеличение значения ZT между комнатной температурой и 400°C с максимумом при 0,75.
Резюме
Было продемонстрировано, что теплофизические свойства, включая теплопроводность и температуропроводность, удельную теплоемкость, коэффициент Зеебека и электропроводность, могут быть определены с использованием только одного образца. Таким образом, пользователь экономит драгоценное время, поскольку нет необходимости в дополнительной подготовке образца для корректировки его геометрии.