Spis treści
Czym są materiały termoelektryczne?
Materiały termoelektryczne mogą przekształcać ciepło bezpośrednio w energię elektryczną. Właściwość ta opiera się na efekcie Seebecka w którym różnica temperatur przyłożona do materiału generuje napięcie. Odwrotnością jest efekt Peltiera, który jest zwykle wykorzystywany do chłodzenia. Trzecim efektem termoelektrycznym jest efekt Thomsona, który opisuje transport ciepła wzdłuż przewodnika przewodzącego prąd, w którym występuje gradient temperatury.
Ze względu na możliwość bezpośredniego wykorzystania energii cieplnej, materiały termoelektryczne stały się przedmiotem badań i rozwoju. Z jednej strony mogą one być wykorzystywane
Ponieważ napięcie elektryczne indukowane przez efekt Seebecka jest bardzo niskie (zwykle od kilku do kilkuset μV/K), podejmowane są ogromne wysiłki w celu opracowania ulepszonych materiałów termoelektrycznych.
Klasyczne materiały termoelektryczne pochodzą z grupy półmetali i półprzewodników (IV do VI główna grupa PSE) lub są stopami materiałów z tych grup, ponieważ współczynnik Seebecka jest tam szczególnie wysoki. Efekt Seebecka można dodatkowo zwiększyć poprzez domieszkowanie.
Jaki jest numer jakości?
Ogólnie rzecz biorąc, liczba zalet jest miarą przydatności materiałów, metod lub urządzeń w porównaniu z alternatywami.
Współczynnik termoelektryczny ZT ( liczba zalet „) opisuje przydatność materiałów termoelektrycznych i jest zdefiniowana w następujący sposób:
Równanie 1
Oprócz najwyższego możliwego współczynnika Seebecka, materiały termoelektryczne powinny mieć niską przewodność cieplną. przewodność cieplną i wysoką przewodność elektryczną jak to tylko możliwe. Materiały o wysokiej przewodności cieplnej nie pozwalają na duże gradienty temperatury; jeśli przewodność elektryczna jest niska, nie można uzyskać użytecznych prądów.
Ponadto, współczynnik sprawności i różnica temperatur są bezpośrednio związane ze sprawnością η jednostki termoelektrycznej, więc wzrasta ona, gdy ZT i ΔT mają duże wartości
Równanie 2
Optymalizacja materiałów termoelektrycznych
Szeroka gama klas materiałów wykazuje efekty termoelektryczne o różnej sile. Przez długi czas wartość 1 była uważana za maksymalny współczynnik dobroci, ale obecnie niektóre zoptymalizowane materiały osiągają wartości 2 lub wyższe.
Jak widać z równania 1, istnieją dwa różne podejścia do zwiększenia ZT: można zmaksymalizować tak zwany współczynnik mocy S2σ i/lub zminimalizować przewodność cieplną. Aby to osiągnąć, istniejące materiały są ulepszane, np. poprzez domieszkowanie, i opracowywane są nowe materiały. To ostatnie można osiągnąć na przykład poprzez nanostrukturyzację, która znacznie zmniejsza przewodność cieplną bez znaczącego wpływu na współczynnik mocy. Jeśli termoelektryki są wykorzystywane w przemyśle, ważne są koszty, toksyczność i dostępność materiałów.
Pomiar współczynnika dobroci
- Z jednej strony, poszczególne parametry (współczynnik Seebecka, przewodność elektryczna i cieplna) mogą być mierzone, a ZT obliczane zgodnie z równaniem 1.
- Z drugiej strony, możliwe jest bezpośrednie wykorzystanie ZT za pomocą tzw. metody Harmana metoda.
1. obliczenie zgodnie z równaniem 1
Istnieją różne komercyjne urządzenia do quasi-symultanicznego pomiaru przewodności elektrycznej i współczynnika Seebecka. Przewodność cieplna lub dyfuzyjność cieplna jest zwykle określana przy użyciu lasera lub metody błysku światła. Bezpośrednim wynikiem tej metody jest dyfuzyjność cieplna. Jeśli znana jest gęstość i przewodność cieplna właściwa.
Czy można na tej podstawie obliczyć przewodność cieplną za pomocą następującego wzoru?
Wszystkie te zmienne zależą od temperatury.
2. wyznaczanie metodą Harmana
Równanie 4
Literatura:
[1] A. Alleno et al, A round robin test of the uncertainty on the measurement.of the thermoelectric dimensionless figure of merit of Co0.97Ni0.03Sb3, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 86, 011301 (2015).
[2] T.C. Harman, Journal of Applied Physics 29, 1373 (1958).
[3] T. C. Harman, J. H. Cahn i M. J. Logan, J. Appl. Phys. 30(9), 1351 (1959).
