Termoelektrisk køling

Termoelektrisk køling

Fordele og ulemper

+ Ingen bevægelige dele

+ Lydløs!

+ Pålidelig og stort set vedligeholdelsesfri

+ Skalerbar

+ Ingen drivhusgasser

+ Nøjagtig temperaturkontrol

+ Operation i barske fysiske og kemiske miljøer - Effektivitet

- Pris

- Sundhedsskadelige grundstoffer

Effektivitet

( )

( ^{1 1} )

COP 1

½ effekt

tilført

varme absorberet

COP

max

2 2

+ +

Δ

−

= +

+ Δ

Δ

−

= −

=

m

c h m

c

c

ZT T

T T ZT

T

R I TI S

T K RI

I T S

αβ αβ

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

Termokraft: Spændingen der generes per grad

Elektrisk ledningsevne

Termisk ledningsevne der

skyldes atomvibrationer Elektronernes varmeledning

e- e-

e- e-

e-

e- e-

e-

e- e-

e- e- e-

e- e-

e- e-

e- e-

e- e- e-

e- e-

Effektivitet

Chen, G., and Shakouri, A., "Heat Transfer in Nanostructures for Solid-State Energy Conversion, J. of Heat Transfer, Vol. 124, 2002, p. 242.

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

Lidt fysik om kompromiser

Isolatorer Metaller

S

S ² σ

ZT

ZT σ κ _e

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

Bedste materialer ^T

ZT S

e

v κ

κ

σ

= + ²

Nanostrukturering

Udfordringen:

Stoppe varmeudbredelsen i stoffet uden at hindre elektronernes

mobilitet

Poudel et al. Science 320 634 (2008)

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

_ _

_

Hvad sker der?

λ e

σ ^∝

v

v λ

κ ^∝

_

λ

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

Indbyggede egenskaber

Temp (°C)

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

Nanostrukturering

Quantum dots

+ Reducerer termiske ledningevne (κ _L )

+ Forøger termokraft (S) + Øger elektriske

ledningsevne ( σ )

Harmann et al. Science. 297. 2229 (2002).

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

Nanostrukturering

Inklusioner af nanopartikler lavet via spinodal

dekomposition

PbTe med Sb nanopartikler

M. Kanatzidis Northwestern University ZT forøget

fra 0.6 til 1.6

Androulakis et al. J. Am. Chem. Soc. 129, 9780 (2007)

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

Nanostukturering

Multi

tyndfilmslag ZT = 2.4

Dyrt og

svært at lave i stor skala

Bi ₂ Te ₃

Sb ₂ Te ₃

Nanostukturering

Multilag i bulk materialer

Metastabil fase af Pb ₂ Sb ₆ Te ₁₁ udkrystaliserer til nanostruktureret materiale af PbTe og Sb ₂ Te ₃

Ikeda et al. Chem. Mater., 19 (4), 763 -767, 2007

S T ZT

e

v κ

κ

σ

= + ²

Billige materialer ^T

ZT S

e

v κ

κ

σ

= + ²

Billige materialer

Wu et al. Nano Letters 2(2), 83 (2002)

Si/Ge Si

FeSb ₂

Stort potentiale i de såkaldte korrelerede halvledere

Køling ved meget lave temperaturer (<-200 °C) f.eks. superledere i MR-scannere

Kæmpe termokraft

☺ 45000 µVK ^-1

Høj termisk ledningsevne

500 Wm ^-1 K ^-1

ZT = 3

ved 13 K (-260 °C) hvis

termisk ledningevne kan mindskes til

1 Wm ^-1 K ^-1

CeB ₆

Materialer med funktionelt design

Marlow Industries

ZT

Fremtiden for termoelektrisk køling

Nye materialer med højere ZT undervejs

Nanostrukturering åbner for effektivisering af eksisterende materialer

Nye materialetyper åbner for nye anvendelsestemperaturer

Funktionelt design af materialer øger

nyttevirkning