SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet

Transkriptio

1 SMG-4050 Energian varastinti ja uudet energialähteet LÄMPÖSÄHKÖ Mistä n kyse? Peltierin ilmiö Seebeckin ilmiö Thmpsnin ilmiö Laatuluku ZT Materiaalit Perinteiset lämpösähkömateriaalit Pienidimensiiset lämpösähkömateriaalit Svelluskhteet 1 LÄMPÖSÄHKÖ: Mistä n kyse? Phjimmiltaan kyse n lunnnilmiöistä, jissa lämpöenergiaa muuttuu sähköenergiaksi ja päinvastin. Jule-lämmön (resistiivisyyden aiheuttama lämpöhäviö) ei lasketa kuuluvan lämpösähköilmiöiden jukkn. Lämpöenergian muuttuminen sähköenergiaksi tarkittaa käytännössä sitä, että mistä tahansa lämpötilaersta n mahdllista tuttaa sähköenergiaa lämpösähköelementin avulla. Hukkalämmön hyödyntäminen erilaisissa järjestelmissä, ihmisen tuttaman lämpöenergian hyödyntäminen älyvaatteissa, jne... Sähköenergian muuttuminen lämpöenergiaksi tarkittaa käytännössä sitä, että sähköenergian avulla pystytään tuttamaan lämpötilaer. Suuret mahdllisuudet jäähdytystekniikassa: jääkaapit, ilmastintisvellukset, jne

2 PELTIERIN ILMIÖ (1/3) Peltierin ilmiö tarkittaa kahden eri materiaalin liitksessa tapahtuvaa paikallista lämpenemistä tai jäähtymistä sähkövirran kulkiessa liitksen läpi. Peltierin ilmiön mallinnuksessa tarvitaan käsitteitä työfunkti W, kemiallinen ptentiaalienergia ja kntaktiptentiaali. Työfunkti W tarkittaa sitä energiaa, jka tarvitaan jhtavuuselektrnin irrttamiseen atmista. Kemiallinen ptentiaalienergia tarkittaa jhtavuuselektrnien energiaa. Kun kaksi jhdetta, jilla n erisuuret työfunktit, liitetään yhteen, materiaalien liitskhtaan syntyy kntaktiptentiaali. e e W W A B A B A B 3 PELTIERIN ILMIÖ (2/3) Kahdesta eri materiaalista (A ja B) n mudstettu suljettu silmukka. Mitä tapahtuu liitskhdissa X ja Y, kun jännitelähde n kytketty kuvan mukaisesti? Kun sähkövirran suunta n A:sta B:hen (X), elektrnit virtaavat B:stä A:han. Kska A > B, elektrnit tarvitsevat lisää energiaa päästäkseen liitksen yli. Lisäenergia tulee lämmöstä liitsalueella tapahtuu paikallista jäähtymistä. Kun sähkövirran suunta n B:stä A:han (Y), elektrnit virtaavat A:sta B:hen. Kska A > B, elektrnit luvuttavat energiaa ylittäessään liitksen. Energia vapautuu lämpönä liitsalueella tapahtuu paikallista lämpenemistä. 4 2

3 PELTIERIN ILMIÖ (3/3) Peltier-kerrin AB kuvaa, kuinka paljn lämpöenergiaa vapautuu tai situtuu yhden elektrnin siirtyessä materiaalien A ja B välillä. Peltierin ilmiö n palautuva prsessi, jhn liittyy aina sekä lämpeneminen että jäähtyminen. Kun sähkövirran suunta käännetään, liitksessa tapahtuva jäähtyminen vaihtuu lämpenemiseksi ja päinvastin. Peltier-lämmön suuruus ja etumerkki riippuvat vain virran suunnasta ja yhteen liitettyjen materiaalien minaisuuksista. Liitstyypillä ei le merkitystä. Peltier-ilmiötä käytetään pääsääntöisesti jäähdytykseen. Lämmitykseen n lemassa tehkkaampia menetelmiä, kuten sura Jule-lämpö. 5 SEEBECKIN ILMIÖ (1/4) Seebeckin ilmiössä n kyse siitä, että lämpötilagradientti synnyttää virran sähköä jhtavaan materiaaliin. Aineen atmien ja elektrnien energia riippuu lämpötilasta. Mitä suurempi n lämpötila, sitä enemmän atmeilla ja elektrneilla n energiaa. Lämpötilaer saa jhteessa levat varauksenkuljettajat liikkumaan kuumemmasta päästä khti kylmempää. Puhutaan varaustenkuljettajien diffuusista. Vertaa esimerkiksi ilman liikkeeseen lämpötilaerjen synnyttämien tiheyserjen seurauksena. Lämpöenergiaa kuljettaessaan varauksenkuljettajat synnyttävät sähkövirran, sillä sähkövirta n varausten liikettä. 6 3

4 SEEBECKIN ILMIÖ (2/4) Jtta Seebeckin ilmiöllä saadaan tutettua nllasta pikkeava nettsähkövirta, tarvitaan kaksi minaisuuksiltaan tisistaan pikkeavaa jhdemateriaalia. Js jhteet 1 ja 2 vat samaa materiaalia, mlemmissa jhteissa kulkee yhtä suuri sähkövirta, jten suljetun silmukan nettsähkövirta n 0 A. Js jhteet 1 ja 2 vat eri materiaaleja siten, että niiden varaustiheydet pikkeavat tisistaan, suljetun silmukan nettsähkövirta pikkeaa nllasta. Oheisessa kuvassa jhteen 2 varaustiheys n suurempi kuin jhteessa 1, minkä seurauksena jhteeseen 2 syntyy suurempi lämpösähkövirta. Syntyy vastapäivään kiertävä elektrnien nettvirta, jten sähkövirran suunta n tarkasteltavassa tilanteessa myötäpäivään. 7 SEEBECKIN ILMIÖ (3/4) Tarkastellaan tilannetta, jssa lämpötilagradientti n synnyttänyt kahdesta eri jhdemateriaalista mudstettuun silmukkaan nllasta pikkeavan nettvirran. Js suljettu silmukka katkaistaan, avimen piirin päiden välille syntyy jännite. Varausten liike n aina seuraus jännitteestä (pl. suprajhteet). Js suljetussa silmukassa kulkee virta, silmukan katkaiseminen aiheuttaa jännitteen avimen piirin päiden välille. Tätä avimen piirin jännitettä kutsutaan Seebeckin ptentiaaliksi V 12. Seebeckin kerrin 12 saadaan, kun Seebeckin ptentiaali jaetaan lämpötilaerlla: V T Seebeckin kerrin 12 kuvaa, kuinka suuri jännite kyseisellä materiaaliparilla n maksimissaan synnytettävissä yhden kelvinasteen lämpötilaera khti. Kska V 12 n tuls kahden materiaalin yhteisvaikutuksesta, myös 12 liittyy mlempiin materiaaleihin. Yksittäisen materiaalin Seebeckin kerrin määritellään lausekkeella:

5 SEEBECKIN ILMIÖ (4/4) J tarkastellussa tapauksessa jhteen 2 elektrnitiheys n suurempi kuin jhteessa 1, jten piiriin syntyy vastapäivään kiertävä elektrnivirta. Tämä tarkittaa myös sitä, että jhteen 2 Seebeckin kerrin n suurempi kuin jhteella 1. Tässä tapauksessa materiaaliparia kskevasta Seebeckin kertimesta tulee siis negatiivinen. Seebeckin kertimeen vaikuttavia tekijöitä vat varauksenkuljettajien tiheys sekä varauksenkuljettajien vurvaikutukset tistensa ja hilavärähtelyjen kanssa. Myös lämpötilalla n merkitystä. Pulijhteilla Seebeckin kerrin n itseisarvltaan parhaimmillaan nin kaksi kertalukkaa suurempi kuin metalleilla. 9 THOMPSONIN ILMIÖ (1/3) Jhtimessa tapahtuu aina lämmön kehitystä tai absrbitumista, kun sähkövirta kulkee jhtimen lävitse ja jhtimessa n lämpötilagradientti. Tämän nettlämpötehn lauseke tilavuusyksikköä khti n Q J J T 2 T T, jssa n jhtimen resistiivisyys, J virrantiheys ja T materiaalille minainen Thmpsn-kerrin. Lausekkeen jälkimmäistä termiä kutsutaan Thmpsn-lämmöksi, ja sen etumerkki vaihtuu, js virran suunta käännetään. 10 5

6 THOMPSONIN ILMIÖ (2/3) Psitiivinen Thmpsnin ilmiö: Kun elektrnit kulkevat jhtimen kuumemmasta päästä khti kylmempää, ne siirtyvät suuremmasta ptentiaalista pienempään. Jhteessa tapahtuu lämmön kehittymistä, kska elektrnit luvuttavat ylimääräistä energiaansa ympäristöön. Tällöin Thmpsn-ilmiö lämmittää jhdinta. Negatiivinen Thmpsnin ilmiö: Jllain transitimetalleilla elektrnien ptentiaali pienenee lämpötilan kasvaessa. Kun elektrnit nyt kulkevat jhtimen kuumemmasta päästä khti kylmempää, ne siirtyvät pienemmästä ptentiaalista suurempaan. Jhteessa tapahtuu lämmön absrbitumista, kska elektrnit ttavat energiaa ympäristöstään. Tällöin Thmpsn-ilmiö jäähdyttää jhdinta. 11 THOMPSONIN ILMIÖ (3/3) Miksi elektrnien ptentiaali vi pienentyä lämpötilan kasvaessa? Selitys löytyy elektrnien tilatiheysfunktista Fermi-energian khdalla. Absluuttisessa nllapisteessä (vasen kuva) kaikki kiderakenteen sallitut energiatilat vat elektrien miehittämiä aineelle minaiseen Fermi-energiaan asti. Nllasta pikkeavassa lämpötilassa (ikea kuva) jidenkin elektrnien energia ylittää lämpöenergian seurauksena Fermi-tasn, jllin tilatiheysfunkti pyöristyy. Suurimmalla salla jhteista Fermi-energia suu laskevan tilatiheysfunktin khdalle ( f2 ). Tällöin elekrnien ptentiaali kasvaa lämpötilan kasvaessa. Jillain aineilla (Ni, C, Fe) Fermi-energia suu nusevan tilatiheysfunktin khdalle ( f1 ). Tällöin elekrnien ptentiaali pienenee lämpötilan kasvaessa. 12 6

7 KELVININ RELAATIOT Kelvinin relaatiiksi kutsutaan niitä lausekkeita, jtka yhdistävät Peltierin, Seebeckin ja Thmpsnin ilmiöt tisiinsa. Peltierin kertimen, Seebeckin kertimen ja Thmpsnin kertimen T väliset riippuvuuden saadaan lausekkeista d T T. dt T, Kelvinin relaatiita vidaan hyödyntää määritettäessä lämpösähköisten suureiden arvja jllekin tietylle materiaalille. Kun yksi suureista saadaan mitattua, lput kaksi vidaan laskea Kelvinin relaatiista. 13 LAATULUKU ZT Lämpösähkömateriaalien hyvyyttä vidaan kuvata laatuluvulla ZT, jka riippuu Seebeckin kertimesta, sähkönjhtavuudesta, kuuman ja kylmän pään välisestä absluuttisesta keskiarvlämpötilasta T ave ja lämmönjhtavuudesta heisen lausekkeen mukaisesti: 2 ZT ave. T Humataan, että hyvällä lämpösähkömateriaalilla tulee lla suuri Seebeckin kerrin ja sähkönjhtavuus, mutta pieni lämmönjhtavuus. Vaatimus pienestä lämmönjhtavuudesta liittyy lämpösähköelementin yli levaan lämpötilaern: mitä suurempana lämpötilaer säilyy, sitä paremmin elementti timii. Siksi mahdllisimman pieni lämmönjhtavuus n tarpeen. Lämpösähkömateriaaleihin liittyvän tutkimustyön pääasiallisena tavitteena n kehittää materiaaleja, jilla n mahdllisimman krkea laatuluku. 14 7

8 MATERIAALIT (1/3) Metallit vat yleisesti ttaen hunja lämpösähkömateriaaleja: + suuri sähkönjhtavuus, pieni Seebeckin kerrin, suuri lämmönjhtavuus. Myös eristeet vat hunja lämpösähkömateriaaleja: + pieni lämmönjhtavuus, + suuri Seebeckin kerrin, lematn sähkönjhtavuus. Paras kmprmissi Seebeckin kertimen, sähkönjhtavuuden ja lämmönjhtavuuden välille löytyy sestetuista pulijhteista. 15 MATERIAALIT (2/3) Humiita heisesta kuvasta: Sähkönjhtavuus kasvaa varauksenkuljettajien knsentraatin kasvaessa. Seebeckin kerrin pienenee varauksenkuljettajien knsentraatin kasvaessa. ZT :n sittaja maksimituu, kun varauksenkuljettajien knsentraati n n cm -3. Tällöin lämmönjhtavuudesta n. 2/3 liittyy kiderakenteen värähtelyyn ja 1/3 varauksenkuljettajien liikkeeseen. 16 8

9 MATERIAALIT (3/3) Laatuluvun kasvattamiseen n kaksi vaihtehta: 2 :n kasvattaminen, kiderakenteen lämmönjhtavuuden pienentäminen. Näistä lämmönjhtavuuteen pystytään vaikuttamaan helpmmin. Metalleihin liittyvää materiaalikehitys n erittäin hankalaa, sillä sähkön- ja lämmönjhtavuus vat vimakkaasti tisiinsa sidttuja. Keraamisilla pulijhteilla laatuluku n nnistuttu kasvattamaan nin ykköseen. Laatuluvun tereettista ylärajaa vidaan arviida yhdistämällä parhaiten sähköä jhtavan kiteisen materiaalin ja huniten lämpöä jhtavan lasimaisen aineen minaisuudet. Tällöin laatuluvun arvksi saadaan nin neljä. Nantekniikan avulla laatuluku usktaan levan nstettavissa jpa kymmeneen. 17 PERINTEISET LÄMPÖSÄHKÖMATERIAALIT Nykyään käytetyt lämpösähkömateriaalit n kehitetty j 1960-luvulla. Näitä perinteisiä materiaaleja ei le juurikaan pystytty sen jälkeen kehittämään. Näistä yleisimpiä lämpösähkömateriaaleja vat vismuttiphjaiset yhdisteet. Tärkein n vismuttitelluridi Bi 2 Te 3, mutta myös vismuttiselenidiä Bi 2 Se 3 ja antimnitelluridia Sb 2 Te 3 käytetään. Kun tutetaan sähköteha (a), hyödynnetään Seebeckin ilmiötä. Jäähdytysefekti (b) perustuu Peltierin ilmiöön. P- ja n-tyypin pulijhde mudstavat termparin. Kun termpareja liitetään yhteen, syntyy lämpösähkömduuli. 18 9

10 PIENIDIMENSIOISET LÄMPÖSÄHKÖMATERIAALIT Nantekniikkaan liittyvä lämpösähkötutkimus n tällä hetkellä aktiivista. Kun j ennestään hyvistä lämpösähkömateriaaleista tehdään äärimmäisen huita rakenteita, pystytään esimerkiksi pienentämään lämmönjhtavuutta siten, ettei sähkönjhtavuus juurikaan pienene. Pienidimensiisilla materiaaleilla yksi tai useampi dimensi n suuruuslukaltaan vain hilavakin suuruinen, eli pienempi kuin kiderakenteen värähtelyihin liittyvien fnnien vapaa matka. Tästä seuraava fnnien siraminen pienentää merkittävästi lämmönjhtavuutta. Kun kappale n suuruuslukaltaan hilavakin suuruinen yhteen suuntaan, puhutaan kvanttikaivmateriaaleista (2D, levymäinen rakenne). kahteen suuntaan, puhutaan nanputkista tai kvanttinauhista (1D, nauhamainen rakenne). klmeen suuntaan, puhutaan kvanttipisteistä (0D, pistemäinen rakenne). 19 SOVELLUSKOHTEET Lämpösähkön laajamittainen hyödyntäminen n teknisesti mahdllista j tänä päivänä, mutta pieni laatuluvun arv estää kaupallisen läpimurrn. Sekä sähköntutantn että jäähdytykseen liittyviä kaupallisia svelluksia n saatavilla. Etu kilpaileviin tekniikihin verrattuna n yksinkertaisuus. Surituskyvyssä ja hinnassa perinteisillä lämpösähkömateriaaleilla tteutetut svellukset kuitenkin häviävät kilpaileville tekniikille. Js laatuluku saadaan kasvamaan pienidimensiisten rakenteiden avulla, lämpösähköstä tullee kaupallisesti erittäin merkittävä ala. Jääkaapit, ilmastintilaitteistt ja muut jäähdytykseen liittyvät svellukset vitaisiin tteuttaa ilman kmpressreita ja muita liikkuvia sia. Ihmisen maa lämmöntutanta tai eri lähteistä saatavaa hukkalämpöä vitaisiin käyttää elektrniikkalaitteiden sähkötehn tutantn. Teriassa lämpösähkön mahdllisuudet vat merkittävät, mutta tistaiseksi pienidimensiisten materiaalien laatuluvut vat vain mallinnustulksia tai labratrilsuhteiden mittaustulksia. Kaupallisiin svelluksiin n vielä pitkä matka