Termoelektrizitate

Fenomeno termoelektriko edo termoelektrizitate deitzen zaie Lord Kelvinek aurkitutako hiru fenomenori zeintzuk Thomsonen harremanengatik euren artean erlazionaturik dauden: Seebeck efektua, Peltier efektua eta Thomson efektua.

Termopare baten sekzioa

Tenperatura ezberdinetan bi metal desberdin kontaktuan jartzen direnean lotura bimetalikoa eratuz, batasunaren bi aldeen artean indar elektroeragile bat sortzen da. Fenomeno horri Seebeck efektua deritzo, eta termopareen funtzionamenduaren oinarria da; termometro mota hori etxeko gailuetan, hala nola sukaldeetan, berogailuetan eta ur-berogailuetan, gas-fluxua kontrolatzeko erabiltzen da.

Lotura bimetaliko batetik korrontea zirkularazten denean, loturaren tenperatura konstante mantentzeko, beroa eman edo atera behar da, zirkulazioaren noranzkoaren arabera. Fenomeno horri Peltier efektua deitzen zaio, eta aplikazio praktikoa du hozteko gailu txikietan. Gasen konpresio eta deskonpresioan oinarritutako hozkailuek ez bezala, higatzen diren zati mugikorrik ez izatearen abantaila du.

William Thomson, lord Kelvinek aurkitutako fenomenoa, Thomson deiturikoa ez da hain ezaguna. Korronte bat zeharkako sekzio konstanteko eroale homogeneo batetik igarotzen denean, non tenperatura-gradiente bat ezarri den, tenperaturaren banaketa aldaezina izateko eroalearen beroa eman edo atera behar da .

Alderdi historikoak

Lehen efektu termoelektrikoa Thomas Johann Seebeck fisikari alemaniarrak aurkitu zuen 1821ean. Seebeck ohartu zen orratz metaliko bat desbideratzen dela bere muturretako batetik lotutako eta tenperatura-diferentzia baten pean dauden bi material eroale ezberdinen artean kokatzen denean (ikusi Seebeck efektua). Efektu hau jatorri elektrikokoa da. Izan ere, bi material ezberdin batzean eta tenperatura diferentzia baten pean jartzean potentzial diferentzia bat agertzen da. Seebeck efektuaren aplikazio praktiko nagusia tenperaturaren neurketa da termopareen bidez.

Urte batzuk beranduago, 1834an, Jean-Charles Peltier fisikari frantziarrak bigarren efektu termoelektrikoa aurkitu zuen: korronte elektriko baten pean dauden bi material ezberdinen loturan, tenperatura-diferentzia bat agertzen da (ikusi Peltier Efektua).

William Thomson (lord Kelvin) fisikari ingelesak 1851n Seebeck eta Peltier efektuak erlazionatuta daudela frogatu zuen: tenperatura gradiente baten pean dagoen eta korronte elektriko batek zeharkatzen duen material batek beroa trukatzen du kanpoko ingurunearekin. Tenperatura-gradiente bat duen eta bero-fluxu batek zeharkatzen duen material batek korronte elektriko bat sortzen du. Seebeck eta Peltier efektuen, bereiz kontsideratuz eta Thomson efektuaren arteko funtsezko ezberdintasuna Thomson efektua material bakar batean existitzea da, material ezberdinen arteko loturarik egotearen beharrik gabe (ikusi Thomson efektua).

Termoelektrizitatearen aplikazioak

Material termoelektrikoen egungo aplikazioak eta aplikazio potentzialak Thomson efektuaren bi alderditan oinarritzen dira:

Alde batetik, bero-fluxu bat ezartzea, difusio termikoaren kontrakoa, tenperatura-gradiente baten pean dagoen material bat korronte elektriko batek zeharkatzen duenean, hozte termoelektrikoko aplikazioetan pentsatzeko aukera ematen du. Konpresio- eta hedapen-zikloak erabiltzen dituen hozte klasikoaren ordezko irtenbide horrek ez du zati mugikorrik behar, eta horrek fidagarritasuna areagotzen du eta zarata eta bibrazioak ezabatzen ditu. Ezaugarri horiek funtsezkoak dira tenperatura oso modu zehatz eta fidagarrian erregulatu behar den aplikazioetan, hala nola transplanteak egiteko organoen garraioan erabiltzen diren edukiontzietan edo bibrazioak eragozpen larria direnean, hala nola laserra erabiltzen duten gida-sistemetan edo zirkuitu integratuetan. Gainera, korronte elektriko batetik fluxu termiko bat zuzenean eratzeko aukeraren ondorioz, ez da beharrezkoa ozono geruzarentzat kaltegarriak diren freoia bezalako gasak erabiltzea.

Bestalde, bero-fluxu bat korronte elektriko bihurtzeko aukerak ahalbidetzen du efektu termoelektrikoaren bidez elektrizitatea sortzeko aplikazioak sortzea, batez ere, hondar-beroaren iturrietatik abiatuta, hala nola autoen ihes-hodiak, errauskailuen tximiniak, zentral nuklearren hozte-zirkuituak. Teknologia hori erabiltzeak sistema osoaren energia-errendimendua modu "garbian" hobetzea ekarriko luke. Hondar-beroa aprobetxatu egiten da energiaren aprobetxamendu handiagoa lortzeko. Adibidez: autoetan termoelektrizitatea erabiltzeak alternadorearen lana partzialki ordeztea ahalbidetuko luke, modu honetan erregaiaren kontsumoa %10 gutxituz .

Gainera, sistema horien fidagarritasun eta iraunkortasun handiak (zati mugikorren gabeziari esker) zunda espazialen elikadura elektrikoan erabiltzea eragin du, 1977an espaziora jaurtitako Voyager espazio zundan gertatzen den bezala. Bertan, PuO₂ material fisionagarriaren (PuO₂ erradioaktiboa da eta desintegratu egiten da, bero iturri bat bihurtuz) eta kanpoaldearen artean ezarritako bero-fluxua SiGe oinarriko bihurketa termoelektrikoko sistema bat zeharkatzen du (silizio eta germaniozko termopare bat), horrela, zundaren elikadura elektrikoa ahalbidetuz (espazio zundak ezin dira eguzki panelen bidez elikatu Martetik harantzago, eguzki fluxua oso ahula delako).

Ondoren ikusiko den moduan, efektu termoelektrikoa erabiltzen duten konbertsio sistemek oso eraginkortasun txikia dute, bai elektrizitatearen ekoizpenean, edota hozkailu bezala funtzionatzean. Egun, bere aplikazioak sektore komertzialei mugatuta daude, zeinetan fidagarritasuna eta iraunkortasuna prezioa baino garrantzitsuagoak diren. Adibidez, elektrosoldadura bidez sortutako produktuak, hala nola sareta elektrosoldatuak zeintzuk petrolio-plataformetako lurzoruetan edo industrian erabiltzen diren. Dena den, termoelektrizitatea oso hedatua izan zen sobietar errepublika sozialisten batasunean 1920ko hamarkadan zehar irratiak eragiteko. Ekipoak bimetalezko barrak erabiltzen zituen, zeinetako mutur bat tximinian txertatzen zen beroa lortzeko, eta beste muturra kanpoaldean jartzen zen, hotzean.

Oinarrizko printzipioak

Efektu termoelektrikoaren bidezko energia-bihurketa (beroaren zentzuan → elektrizitatea edo elektrizitatea → beroa) Seebeck, Peltier eta Thomson efektuetan oinarritzen da.

Seebeck, Peltier eta Thomson koefizienteen laburpen txikia

● Seebeck koefizientea. a eta b material desberdinen loturen arteko dT tenperaturaren diferentziak dV potentzial elektrikoaren diferentzia dakar, hurrengo ekuazioaren arabera:

${\ce {S_{ab}={\frac {dV}{dT}}}}$

Seebeck koefizientea V.K^-1 moduan neurtzen da. Bi materialen Seebeck koefizienteak Seebeck koefizientearekin hurrengo moduan erlazionatzen dira:

$S_{ab}=S_{a}-S_{b}\,$

● Peltier koefizientea. Peltier efektuan I korronte elektriko batek bi materialez osatutako zirkuitu bat zeharkatzen du, horrek material batean Q beroa askatzea eta bestean xurgatzea eragiten du, ekuazio honen arabera:

$\Pi _{ab}={\frac {Q}{I}}\,$

● Thomson koefizientea. Aurreko koefizienteak ez bezala, Thomsonena material bakar batentzat defini daiteke. Aldi berean tenperatura-gradiente bat eta korronte elektriko bat daudenean, bero-sorkuntza edo -xurgapen bat dago materialaren segmentu bakoitzean. Materialaren barruko fluxu termikoaren gradientea hurrengoagatik emana dago:

${\frac {dQ}{dx}}=I{\frac {dT}{dx}}\tau \,$

non, x koordenatu espaziala eta  materialaren Thomson koefizientea den.

Seebeck, Peltier eta Thomson koefizienteen arteko erlazioak

Kelvinek frogatu zuen hiru koefizienteak ez zirela elkarren independenteak, baizik eta hurrengo ekuazioen bidez erlazionatuta daudela:

$\Pi _{ab}=S_{ab}T\,$

$\tau _{a}-\tau _{b}=T{\frac {dS_{ab}}{dT}}\,$

Energiaren konbertsio printzipioak efektu termometrikoaren bidez

Errefrigerazioa edo elektrizitatea eratzeko efektu termoelektrikoaren bidez, “modulu” bat “bikote” bidez osatuta dagoena modu elektrikoen bidez konektatzen dira. Bikote horietako bakoitzak P motatako (S>0) material erdi eroankor batekin eta N motatako (S<0) material batekin osatuta dago. Material hauetako bakoitza eroankorra ez den material batekin lotuta dago. Bikotearen bi adarrak (P eta N)  eta beste bikoteak nodulua osatzen dituztenak, elektrikoki seriean konektatzen dira, eta, paraleloki ikuspuntu termodinamiko batetik. Antolamendu hau modulua zeharkatzen duen fluxu termikoa eta bere erresistentzia elektrikoa optimizatzea ahalbidetzen du. Sinplifikatzeko, hedapen hau burutzen da bikote bakar baterako, sekzio konstantez osatutakoa.

Korronte elektrikoa ezarrita dago  garraiatzaileak karga elektrikoa (elektroiak eta hutsuneak) alde hotzetik berora desplazatzeko (noranzko termodinamikoan) bikotearen adarretan. Hori egitean, alde hotzetik berora pasatzea entropia transferentzian laguntzen du, beraz, fluxu termikoa eroapen termikoaren kontra jarri egiten da.

Erabiltzen diren materialak propietate termoelektriko egokiak baditu (ondoren ikusiko dira zeintzuk diren parametro egokienak), karga garraiatzaileen mugimendua sortzen duen  fluxu termikoa garrantzitsuagoa izango da eroankortasun termikoarena baino, horrek ahalbidetuko du beroa askatzea alde hotzetik berora, hau da, errefrigeratzaile moduan jokatzea.

Elektrizitatea sortzeko unean, beroaren fluxua karga garraiatzaileetan desplazamendu eragingo du, horrek korronte elektrikoaren agerpena eragiten du.

Konbertsioaren errendimendua eta parametro garrantzitsua

Errendimendu termoelektrikoaren kalkulua

Sistema termoelektriko baten konbertsio errendimenduaren kalkulua materialaren bero fluxua eta korronte elektrikoaren arteko erlazioa kalkulatuz. Horretarako Seebeck, Peltier eta Thomson (gorago ikusi) erlazioak erabiltzen dira, baita ere transferentzia elektrikoaren eta korronte elektrikoaren legeak erabiltzen dira.

Hurrengo adibidea erakusten du errefrigerazioaren kasurako konbertsio errendimenduaren kalkulua ( energia elektrikoaren sorkuntzako modu berdinean egingo litzateke). Bikote bakoitzaren adarretan, Peltier efektuaren bidez sortzen den fluxua konduktibitate termikoaren kontra jartzen da. Adarren fluxu totala P eta N adarretan izango da:

$Q_{p}=S_{p}IT-\lambda _{p}A_{p}{\frac {dT}{dx}}\,$ y $Q_{n}=-S_{n}IT-\lambda _{n}A_{n}{\frac {dT}{dx}}\,$

X izango da koordenatu espaziala, λ_p eta  λ_n materialen konduktibitate termikoak eta A_p y A_n bere sekzioak.

Beroa erauzi egiten da iturri hotz baketik Q_f fluxuarekin:

$Q_{f}=(Q_{n}+Q_{p})_{|x=0}$

Bi adarrak zeharkatzen dituen korrontea joule efektuaren ondoriozko beroaren emaitza da non I²ρ/A adarren luzera unitateko izango den. Domenicali ekuazioa erabilita eta suposatuz Thomson koefizientea nulua dela (Hau egitean suposatu daiteke S tenperaturarekin independentea dela, ikusi Thomsonen erlazioa), energiaren kontserbazioa idatzi egiten da bi adarretarako:

$-\lambda _{p}A_{p}{\frac {d^{2}T}{dx^{2}}}={\frac {I^{2}\rho _{p}}{A_{p}}}\,$ y $-\lambda _{n}A_{n}{\frac {d^{2}T}{dx^{2}}}={\frac {I^{2}\rho _{n}}{A_{n}}}\,$

Kontsideratuz kondizioak limitean T=T_f  x=0 y T=T_c  x=L_p o x=L_n  non L_p eta L_n P eta N adarraren luzerak eta N, T_f y T_c, beroaren eta hotzaren iturrien tenperaturak izanik Q_f idatzi egiten da:

${\ce {Q_{f}=(S_{p}-S_{n})IT_{f}-K\triangle \mathrm {T} -{\frac {1}{2}}I^{2}R\,}}$

K eta R adar bakoitzaren konduktibitate termikoa eta erresistentzia elektriko totala izanik:

${\ce {K={\frac {\lambda_pA_p}{L_p}}+{\frac {\lambda_nA_n}{L_n}}\, ; R={\frac {L_p\rho_p}{A_p}}+{\frac {L_n\rho_n}{A_n}}\,}}$

Potentzia elektrikoa W disipiatuta Joule eta Seebeck efektuaren ondorioz

${\ce {W=I[(S_{p}-S_{n})\triangle \mathrm {T} +IR]\,}}$

Errefrigerazio sistema termoelektrikoaren errendimendua izango da iturri hotzetik erauzitako beroa zatituta disipatutako potentzia elektrikoarekin hau da:

${\ce {\eta ={\frac {Q_{f}}{W}}={\frac {(S_{p}-S_{n})IT_{f}-K\triangle \mathrm {T} -{\frac {1}{2}}RI^{2}}{I[(S_{p}-S_{n})\triangle \mathrm {T} +IR]}}\,}}$

Tenperatura aldaketa (ΔT) baten errendimendua , zirkulatzen den korronte elektrikoaren araberakoa izango da.  Korronte elektrikoaren Bi balio partikular ahalbidetzen dute bai η-ren konbertsioa edo iturri hotzetik erauzitako beroaren Q_{_f} errendimendua maximizatzea.

Arrazoiketa berdinarekin, P-N bikotearen errendimendua elektrizitatea sortzeko R karga batek kontsumitzen duen potentzial elektriko erabilgarria materialaren fluxu termikoa batekin zeharkatuz izango da:

${\ce {\eta ={\frac {P_{u}}{Q_{c}}}={\frac {I[(S_{p}-S_{n})\triangle \mathrm {T} +IR]}{(S_{p}-S_{n})IT_{c}+K\triangle \mathrm {T} -{\frac {1}{2}}(R+r)I^{2}}}\,}}$

Kasu honetan  baita ere existitzen dira I-ren bi balore partikular non konbertsioaren errendimendua maximizatzen duten edo sistemara entregatzen den potentzial elektrikoa.

Parametro garrantzitsuak

Bi konbertsio parametro hauek maximizatuz, frogatu daiteke bakarrik T_f eta T_c tenperaturen eta adimentsionala den zenbaki (unitaterik ez duen) Z_pnT_M baten menpean daudela, zenbaki hori “meritu faktorea” deritzo ( T_M  sistemaren bataz besteko tenperatura izanik T_M=(T_f+T_c)/2) bere espresioa izanik:

$Z_{pn}={\frac {(S_{p}-S_{n})^{2}}{RK}}\,$

Azpimarratu beharra dago edozein bikote termoelektrikorako, Z_pn-ren balioa ez dela materialaren propietate intrintsekoa, moduluaren dimentsio erlatiboen menpean dagoela, R eta K dimentsioen erlazioaren ondoriozkoa (erresistentzia elektrikoa eta konduktibitate termikoa). Sistemaren konbertsio errendimendua (generatzaile elektriko edo errefrigerazio dispositibo moduan funtzionatzen du) maximoa da Z_pn maximoa denean, hau da, RK-ren produktua minimoa denean, hau gertatzen da:

${\frac {L_{n}A_{p}}{L_{p}A_{n}}}=\left({\frac {\rho _{p}\lambda _{n}}{\rho _{n}\lambda _{p}}}\right)^{2}\,$

Kasu horretan, meritu faktorea Z_pn materialen parametro  intrintsekoa bilakatzen da:

$Z_{pn}={\frac {(S_{p}-S_{n})^{2}}{({\sqrt {\lambda _{p}\rho _{p}}}+{\sqrt {\lambda _{n}\rho _{n}}})^{2}}}\,$

Horrela, konbertsioaren errendimendu optimoa lortzeko Z_pn.parametroa maximizatzen duten materialak erabiltzen dira. Arau orokor moduan, hau ez da bakarrik material bakoitza indibidualki meritu faktorea non bikotea sortzen duen  non Z=S²/(ρλ) optimizatzea. Praktikan erabilitako tenperatura gehienetan, batez ere elektrizitatea sortzeko erabiltzen direnak, P eta N material hoberen propietate termoelektrikoak ez dira antzekoak. Kasu hauetan bikotearen meritu faktorea, gutxi gora behera meritu faktore indibidualen bataz bestekoa izango da, horregatik zentzuzkoa da material bakoitzaren meritu faktorea independienteki optimizatzea.

Orduan materialen optimizazioa energia konbertsioan erabiltzeko efektu termoelektriko bidez, beharrezkoa da kondukzio elektriko eta termiko propietateen optimizazioa, meritu faktorea maximizatzeko:

$ZT={\frac {S^{2}}{\rho \lambda }}\,$

Horrela izanda, material termoelektriko on batek  Seebeck koefiziente altua, konduktibitate elektriko ona eta konduktibitate termiko txikia izan behar du.

Konbertsio-errendimenduaren bilakaera merezimendu-faktorearen arabera

Ondoren erakusten den irudia sistema termoelektriko baten konbertsio errendimendu eboluzioa erakusten du egoera idealetan ZT meritu koefizientearen menpean. Adibidez ZT=1 bada eta tenperatura diferentzia 300 °C, konbertsioaren errendimendua %8 izango da, hau esan nahi du kontsideratutako kasuan (elektrizitate sorrera edo errefrigerazioa) material zeharkatzen duen  beroren %8 elektrizitatean bihurtuko dela, edo elementu errefirgeratzailea erauzitako beroa erabilitako potentzial elektrikoaren %8 izango da.

Modulu termoelektrikoak

Optimizazio geometrikoa

Ikusi egin da material termoelektrikoen bikoteen konbertsio propietateak osatzen duten moduluak ez dira bakarrik intrintsekoak, baita ere sistemaren geometriaren araberakoak dira ( luzera eta moduluen adarren sekzio araberakoak) zeinak erresistentzia elektrikoan R eta bai ere  K konduktibitate termikoaren adarretan eraginak dituena. Orduan, beharrezkoa da K oso txikia izatea gradiente termikoa mantendu ahal izateko, baina baita ere balio nahiko handia izan behar da beroa modulua zeharkatzeko: K nulua bada, beroa ez du modulua zeharkatuko eta orduan ez dago konbertsiorik. Modu berdinean, R aukeratu behar da konpromiso hoberena hartu dezan potentzia elektrikoa era potentzial diferentziarekin. Behin modulua osatuko duen materialak aukeratuta (ZT meritu faktoreari esker), beharrezkoa da sistemaren geometria optimizatzea konbertsioaren errendimendua lortzeko, potentzia elektrikoa edo beroaren erauzketa gehiena moduluaren aplikazioaren menpean.

Segmentaturiko modulua

Orokorrean, bihurtze termoelektriko moduluak fabrikatzeko erabiltzen diren materialak bakarrik tenperatura tarte batean eraginkorrak dira. Adibidez, SiGe aleazioa Voyager sonda sustatzeko, 1000K baino tenperatura altuagoak beharrezkoak dira. Lan tenperatura tarte handiak behar dituzten aplikazioetan interesgarria da adar bakoitzean hainbat material termoelektrikoak erabilzea, eta bakoitzak  bere errendimendua ahalik eta gehieneko tenperatura eskaintzen du. Kasu hauetan, modulu termoelektrioa segmentatu egiten dela esan ohi da.

Alboko irudian modulu termoelektriko segmntuaren kontzeptua azaltzen da. Kasu honetan tenperatura gradiente oso garrantzitsua dago (700K arteko aldea eremu beroaren eta hotzaren artean), eta ez da ezagutzen material eraginkorrik tenperatura tarte horretan. Bikotearen bi adar bakoitza hainbat materialez osatuta dago (adierazitako kasuan bi N adarrerako eta hiru P adarrerako). Material horietako bakoitzaren luzera aukeratzeko orduan, eraginkortasun altuena daukaten tenperatura-eremuan erabili ahal izateko hautatuko  dira. Hori dela eta, modu honetan eraikitako moduluak bihurketa-eraginkortasuna, energia elektrikoa edo bero erauzketa lortzea ahalbidetuko dira, adar bakoitza material bakarrez osaturik egongo balitz baino handiagoa. Hala, modulu mota honekin laborategian lortutako errendimendu onenak gaur egun %15etik gertu daude (hau da, materialak zeharkatzen duen beroaren %15 energia elektriko bihurtzen da). Hala ere, modulatutako segmentuak modulu "sinpleak" baino askoz ere garestiagoak dira, eta horrek, aukeratzeko orduan, kostua faktore erabakigarria ez den aplikazioetara mugatzen.

Material termoelektrikoak

Aplikazioak tenperatura baxuetan

Tenperatura baxuetan gehien erabiltzen den material termoelektrikoa (150K-200K) oinarri gisa Bi_1-xSb_x (bismuto eta antimonio aleazioa) dauka, baina zoritxarrez N motako ezaugarri termoelektriko onak baino ez ditu (elektroien bidezko eroankortasuna), beraz, sistemaren bihurketa etekina murrizten du, P motako materialak tenperatura horietan ez baitira eraginkorrak (gogoan izan bihurketa sistema termoelektrikoa P eta N motako adarrek osatzen dutela). Interesgarria da, bere propietateak nahiko ertainak badira ere (ZT ~ 0,6), eremu magnetiko baten eraginak meritu faktorea bikoiztea ahalbidetzen du, unitatea gaindituz. Propietate honen ondorioz, material horiek iman iraunkor batekin elkarturik erabiltzen dira.

Aplikazioak giro tenperaturan

Gaur egun, gehien aztertzen ari den materiala Bi₂Te₃ da (bismuto eta telurio aleazioa). Inguru tenperaturatik gertu funtzionatzen duten gailuetan erabiltzen da, hozte termoelektriko tresna gehienak barne. Prestazio onenak egitura kristalino bera duen Sb₂Te₃ aleazioarekin lortu dira (antimonioz eta telurioz osatutako aleazioa). Bai P bai N motako laginak lor daitezke konposizioan aldaketa txikien bidez. Bi kasuetan ZT meritu faktorearen balioak unitatera hurbiltzen dira giro tenperaturatik gertu. ZT balio on hauek lortzen dira eroankortasun termiko urriari esker λ, gutxi gorabehera 1 Wm^-1 .K-¹ izanda material oneneta.

Aplikazioak tenperatura ertainetan

Tenperatura ertainetan (550 K - 750 K), gehien erabiltzen den materiala berun telurioa PbTe eta bere aleazioak (PbSn)Te dira. Bi konposatuek, PbTe-k eta SnTe-k disoluzio solido sendo osoa osa dezakete eta horrek aukera ematen du erdieroalearen debekatutako banda nahi den baliora optimizatzeko. Lortzen diren material onenak gutxi gora behera bat unitatea duten meritu faktoreak dira, 700 K-ko tenperaturatik hurbil. Hala ere, balio horiek N motako materialetan bakarrik lortzen dira. Beraz, gaur egun PbTe-k ezin ditu termoelementu baten adarrak bi adarrak bere kabuz eratu. P adarra TAGS motako material batez osatuta dago (Telurium-Antimony-Germanium-Silver) unitatea baino balio altuagoak lortzen ditu 700K-ko tenperaturan, baina P motakoa soilik. Horregatik, badirudi tenperatura-tarte horretan P eta N mota gisa erabil daitekeen materiala aurkitzea funtsezkoa dela; izan ere, industrialki, errazagoa da material bera erabiltzea bi adarrentzat, eta, halaber, oso toxikoa den Te erabiltzeko beharra kentzea

Aplikazioak tenperatura altuetan

Silizioan eta germanioan oinarritutako aleazioek ezaugarri termoelektriko onak dituzte tenperatura altuetan (1000 K-tik gorakoak) eta, batez ere, espazio eremuan elektrizitatea sortzeko erabiltzen dira. Mota honetakoak dira espazioko zunden energia hornidurarako erabiltzen diren aleazioak, Voyager-aren kasuan gertatzen den bezala.

Material termoelektrikoen optimizazioa

ZT = (S²T)/(ρλ) meritu-faktorearen adierazpenak material termiko elektrikoaren propietateak optimizatzeko zailtasunak laburbiltzen ditu. Intuitiboki zaila dirudi material batek aldi berean eroankortasun elektriko ona eta eroankortasun termiko eskasa edukitzea, material isolatzaileen ezaugarria baita. Kasu egokienean, material termoelektriko on batek metal baten eroankortasun elektrikoa izan behar du eta, aldi berean, beira baten eroankortasun termikoa.

ZT meritu-faktorearen zenbakitzaileari, S²σ (σ eroankortasun elektrikoa da, erresistentzia elektrikoaren alderantziz: σ = 1 / ρ) potentzia faktorea deritzo. Efektu termoelektrikoaren bidez elektrizitatea sortzeko aplikazioetan, potentzia erabilgarria handiagoa izango da. Zoritxarrez, Seebeck koefizientea eta eroankortasun elektrikoa ez dira bata bestearengandik independenteak eta aldatu egiten dira karga eramaileen kontzentrazioarekin (elektroien edo zuloen kontzentrazioa): ahalmen termoelektriko hoberenak eramaileen kontzentrazio txikia duten materialekin lortzen diren bitartean, konduktibitate elektriko onenak eramaile kontzentrazio handia duten materialekin lortzen dira. Bi faktoreen arteko konpromiso konponbideak erdieroaleak material termoelektriko gisa erabiltzea dakar.

ZT meritu-faktorearen adierazpenean bigarren faktore garrantzitsua (potentzia faktoreaz gain) eroankortasun termikoa da: material batek propietate termoelektriko optimoak izango ditu eroankortasun termiko ahula badu. Izan ere, intuitiboki, eroankortasun termiko on batek gradiente termikoaren ezarpenaren aurka egiteko joera izango luke: beroa materialetik zehar zailtasunik gabe igaroko litzateke. Horrela, materialak optimizatzeko, eroankortasun elektrikoa degradatu gabe eroankortasun termikoa gutxitzea izango litzateke helburua. Sarearen bibrazioen ekarpena soilik murriztu beharko litzateke, eta ez karga eramaileen eroankortasuna (elektroiak eta zuloak).

Ikerketa bideak

Aurreko paragrafoan ikusi da gaur egun termoelektrizitatearen bihurketa gailuen eraikuntzan erabilitako materialik onenak 1 Z-ko balioa duten ZT meritu-faktoreak dituztela. Balio honek ez du "publiko zabalari" zuzenduriko aplikazio sistema errentagarriak egiteko konbertsio etekin errentagarriak lortzea ahalbidetzen.Adibidez, ZT = 3 duten materialak beharko lirateke etxeko hozkailu lehiakorra garatzeko. Elektrizitatea sortzeko sistemen kasuan, adibidez, autoen edo kamioien ihes hodietan edo mikroprozesadoreetan erabili daitezkeenak,errentagarritasuna bi modutara handitzea posible da: etekinak nabarmen handitzea (adibidez, ZT> 2 lortuz), edo bere produkzio kostuak murriztuz, labur esanda, paragrafo honen helburua gaur egun irekitako ikerketa bideak modu irekian aurkeztea da, bai laborategi industrialetan nola publikoetan.

Bibliografia

• Thermoelectric Handbook, Ed. Rowe DM - Chemical Rubber Company, Boca Raton (Floride) 1995.
• GS Nolas (también en alemán), Thermoelectric, basic principles and new materials developments, Springer 2001.
• GD Mahan (también en alemán), Thermoelectric materials: new approaches to an old problem, Physics Today, Vol. 50 (1997), p42

Kanpo estekak

• Datuak: Q552456
• Multimedia: Thermoelectricity / Q552456