Energisikkerhed er et afgørende problem i den globale fremtid. Sammen med udviklingen af vedvarende og miljøvenlige energikilder er genvindingen af overskudsenergi ikke et mindre vigtigt spørgsmål. Estimeringer viser, at 60 % af den energi, der omdannes i de fleste energiprocesser i dag, er spildt hovedsagelig i form af varme. Termoelektriske generatorer, som omdanner varme til elektricitet, er en lovende teknologi til at genvinde denne overskudsenergi. Effektiviteten af teknologier til at omdanne varme til elektricitet skal dog forbedres for at blive almindeligt anvendt i praksis. På trods af at en betydelig mængde forskning har været fokuseret på at udvikle materialer, er realiseringen af højeffektive termoelektriske generatorer fra sådanne materialer stadig begrænset. Desuden har ingen enkelte termoelektriske materialer endnu formået at fungere optimalt i det brede temperaturområde, der kræves for at øge effektiviteten af termoelektriske generatorer. Ved at segmentere forskellige termoelektriske materialer, der opererer optimalt i hvert sit temperaturområde, sigter dette studie på at udvikle højt-ydende, segmenterede termoelektriske generatorer til anvendelser ved medium til høje temperaturer (450 ‒ 850 K). Forskningen er fokuseret på udfordringerne i at sammenføje og minimere kontaktmodstanden mellem forskellige termoelektriske materialer og mellem en metalelektrode og termoelektriske materialer.En 1-dimensional numerisk model er blevet anvendt til at designe og forudsige effektiviteten af segmenterede termoelektriske generatorer, der er opbygget af de bedste termoelektriske materialer. Her betragtes kombinationer af materialer, som vil levere den højeste effektivitet i temperaturintervallerne 300 ‒ 700 K og 900 ‒ 1100 K. Resultaterne viser, at segmenterede termoelektrisk generatorer bestående af Bi0.6Sb1.4Te3/Ba8Au5.3Ge40.7/PbTe-SrTe/SiGe som p-type ben og enten segmenteret Bi2Te3/PbTe/SiGe eller Bi2Te3/Ba0.08La0.05Yb0.04Co4Sb12/La3Te4 som n-type ben kan opnå en maksimal effektivitet på 18.2 % i en temperaturgradient fra 300 K til 1100 K. Ved lavere temperaturer på 300 ‒ 700 og 300 ‒ 900 K er de maksimale effektiviteter 13.5 og 16.6 % fra henholdsvis segmenterede termoelektriske generatorer af p-benet Bi0.6Sb1.4Te3/TAGS ((AgSbTe)0.15(GeTe)0.85) kombineret med n-benet Bi2Te3/PbTe og p-benet Bi0.6Sb1.4Te3/Ba8Au5.3Ge40.7/PbTe-SrTe sammen med n-benet Bi2Te3/PbTe/SiGe. Resultaterne giver en rettesnor for at udvikle højeffektive, segmenterede termoelektriske generatorer. Baseret på disse teoretiske resultater blev segmenteringen af halv-Heusler legeringer og Bi2Te3 materialer udvalgt for de videre studier.Først blev sammenføjning mellem termoelektrisk p- og n-type halv-Heusler (HH) legeringer og elektroder af sølv udviklet til den varme side af den termoelektriske generator. Hurtig varmpresning blev introduceret til at sammenføje HH materialerne direkte med sølvelektroderne. Metoden blev sammenlignet med konventionelle metoder, hvor et tredje materiale anvendes til at sammenføje de to materialer. Mikrostrukturen og den kemiske opbygning på tværs af grænsefladerne blev undersøgt med scanningselektronmikroskopi (SEM) og energisprednings-spektroskopi (EDS). Transportegenskaberne af de sammenføjede materialer, herunder termopoweren og kontaktmodstanden over grænsefladerne, blev undersøgt som funktion af temperaturen. Ved hjælp af varmpresningen kunne kontaktmodstanden mellem HH legeringerne og sølvelektroden reduceres betydeligt med ca. 50%. Ved desuden at undgå et tredje fyldmateriale begrænses dannelsen af nye faser ved kontaktfladen, som kan degradere de samlede termoelektriske egenskaber. Dette arbejde er et afgørende skridt mod at segmentere HH/BiTe termoelektriske generatorer.Efterfølgende blev p- og n-type segmenteret ben af BiTe og halv-Heusler legeringer bygget og karakteriseret. Segmentering af BiTe med halv-Heusler/sølv blev skabt ved en temperatur på 493 K med et tryk på 30 MPa i vakuum ved anvendelse af Ag10Sn90 loddemetal som fyldstof. Mikrostrukturen og de termoelektriske egenskaber af de segmenterede ben blev derefter undersøgt. Kontaktmodstanden af de sammenføjede dele blev målt som funktion af temperaturen fra stuetemperatur til 473 K. Numerisk modellering blev anvendt til at vurdere indflydelsen af de målte kontaktmodstande på de effektproducerende egenskaber af både segmenterede ben og unikoblere dannet af disse ben. Ved temperaturer mellem 323 og 873 K kunne de p-segmenterede ben levere en effekttæthed på 0.3 Wcm-2 og en maksimal spænding på 115 mV. Under de samme betingelser gav det n-segmenterede ben en effekttæthed og maksimal spænding på 0.25 Wcm-2 og 102 mV. Disse værdier er signifikant mindre end de beregnede data. Årsagen er formentlig kontakten mellem BiTe og elektroden på den kolde side, og denne blev derfor forbedret. Ved at påtrykke en temperaturgradient på 498 K blev den maksimale effekttæthed for det forbedrede n-segmenteret ben 0.8 Wcm-2, hvilket giver en maksimal virkningsgrad på 4.5%.
展开▼
