Rozwiązania oparte na bateriach stają się coraz bardziej wydajne i coraz mniejsze. Nie można jednak liczyć, że poprawa technologii akumulatorów wpłynie na rozwój specyficznych (chociaż coraz częstszych) systemów, takich jak czujniki IoT, których podstawowym założeniem jest zerowy pobór energii elektrycznej z zewnątrz. Jest to klasa urządzeń, które zamiast tego wykorzystują technologię pozyskiwania energii do zbierania jej z otoczenia.
Pozyskiwanie energii w tym kontekście odnosi się do zdolności systemu do zbierania ze środowiska lub z samego systemu energii niezbędnej do zasilania elektroniki. Zainteresowanie systemami sprawiło, że przyspieszył również rozwój technologii uzupełniających, takich jak mikroelektronika o ultra niskiej mocy (na poziomie pikowatów) i superkondensatory, do gromadzenia np. nadmiaru energii zebranej z otoczenia.
To tutaj wchodzą w grę materiały termoelektryczne - materiały, które mogą zamieniać ciepło (a dokładniej mówiąc różnicę temperatur i przepływ ciepła) w elektryczność. Ta niespotykana właściwość może być wykorzystana do zapewnienia autonomicznego i w pełni odnawialnego źródła energii dla szerokiej gamy technologii elektronicznych, takich jak czujniki, a nawet małe procesory. Umożliwi to im generowanie własnej energii przy wykorzystaniu dowolnej różnicy temperatur. Pojawienie się coraz bardziej wydajnych energetycznie urządzeń może dodatkowo utorować drogę dla nowych rozwiązań, które w pełni wykorzystują energię pozyskaną z otoczenia jako jedyne źródło zasilania.
Efekt Seebecka występuje, gdy gradient temperatury między dwiema stronami pewnego materiału generuje napięcie elektryczne (różnicę potencjałów). Złącze PN jest podstawowym składnikiem urządzenia termoelektrycznego (TEG) wykorzystującego ten efekt. Składa się ono z pojedynczej struktury wykonanej z materiałów termoelektrycznych typu P i N. Typy materiałów (a dokładniej mówiąc stosunek nośników ujemnych do dodatnich w materiale) realizowane są przez domieszkowanie (najczęściej krzemu) zanieczyszczeniami, takimi jak bor (P) i fosfor (N). Finalnie, struktury PN w TEG łączy się szeregowo.
Typowy moduł generatora termoelektrycznego składa się zasadniczo z wielu par PN umieszczonych szeregowo. Taka struktura generuje napięcie proporcjonalne do gradientu termicznego: pary PN są umieszczone równolegle z termicznego punktu widzenia. Moduły termoelektryczne lub TEG do wytwarzania energii są już szeroko stosowane w wielu aplikacjach, na przykład w systemach kosmicznych, gdzie TEG zbierają ciepło emitowane przez rozpad materiałów promieniotwórczych (patrz rysunek 1 u góry po lewej stronie). Wydajność tego procesu zależy od różnicy temperatur między gorącą (Th) i zimną (Tc) stroną urządzenia oraz wydajnością materiału termoelektrycznego, wyrażoną wartością parametru jakości struktury termoelektrycznej zT:
$$zT = \frac {S^2} {\rho \lambda} \times T$$ (1)
gdzie S, ρ i λ oznaczają odpowiednio współczynnik Seebecka, rezystancję elektryczną i przewodność cieplną, a T jest temperaturą, w której mierzone są te właściwości termoelektryczne. Tak zwana wartość zT mierzy ilość energii elektrycznej, którą można wytworzyć przy danej różnicy temperatur: im wyższa wartość zT danego materiału, tym lepsze są jego właściwości termoelektryczne. Aby poprawić wydajność termoelektryczną określonego materiału, współczynnik mocy, PF = S2/ρ, musi zostać zwiększony, a przewodność cieplna, λ = λe + λph, musi zostać zmniejszona (λe i λph oznaczają odpowiednio wkład elektronowy i fononowy w transport ciepła przez materiał) .
Wydajność opisywanego procesu termoelektrycznego opisywana jest przez trzy parametry: współczynniku Seebecka, rezystancji elektrycznej i przewodności cieplnej. Te trzy indywidualne właściwości fizyczne, które składają się na liczbę określającą jakość materiału w zastosowaniach TEG, nie są od siebie zupełnie niezależne. Dlatego też poprawienie jednego parametru bez podobnego pogorszenia drugiego jest trudne lub zupełnie niemożliwe. λph(T) jest jedyną wielkością, którą można dowolnie zmieniać bez wpływu na pozostałe parametry. Dlatego najbardziej obiecującym sposobem na poprawę ogólnej wydajności jest zmniejszenie rozmiaru systemu, gdyż to przekłada się na redukcję fononowej przewodności cieplnej.
Badanie przeprowadzone przez profesora Ernsta Bauera z Instytutu Fizyki Ciała Stałego na Uniwersytecie Technicznym we Wiedniu koncentrowało się na stopach cienkowarstwowych typu Heuslera, osadzonych na podłożach krzemowych ze względu na ich stosunkowo wysokie wartości PF i zT oraz ich niewielkie koszty produkcji. Oprócz oczekiwań, co do właściwości termoelektrycznych, tego rodzaju cienkie folie mogą być również wartościowe do zastosowań w takich dziedzinach, jak mikroelektronika.
Najlepsze znane dotychczasowo materiały termoelektryczne charakteryzują się wartością zT pomiędzy 2,5 a 2,8. Naukowcom z Wiednia udało się opracować zupełnie nowy materiał o wartości zT równej ok 5..6. Jest to cienka warstwa stopu żelaza, wanadu, wolframu i aluminium nałożona na kryształ krzemu. Nowy, bardzo wydajny materiał może zrewolucjonizować rynek zasilaczy czujników, szczególnie na rynku bezprzewodowych sieci czujników. Zastosowanie rozwiązań bez baterii pozwoli na zmniejszenie wpływu pracy systemu na środowiska, a także znacznie upraszcza instalację i utrzymanie sieci sensorów - nie jest konieczne ani prowadzenie kabli zasilających ani też okresowa wymiana baterii w tych urządzeniach. Znacznie lepiej jest, aby czujniki generowały własną moc ze źródeł, które je otaczają. Nowy materiał został zaprezentowany w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature.
Oprócz dobrych parametrów termoelektrycznych, wytworzony materiał ma tę zaletę, że jest wytrzymały i niezwykle elastyczny. "Dobry materiał termoelektryczny musi wykazywać silny efekt Seebecka i musi spełniać dwa ważne wymagania, które trudno jest ze sobą pogodzić" komentuje profesor Bauer. "Z jednej strony powinien on przewodzić prąd tak dobrze, jak to możliwe, a z drugiej strony powinien on przenosić ciepło tak słabo, jak to możliwe. Jest to wyzwanie, ponieważ przewodność elektryczna i przewodność cieplna są ze sobą zwykle ściśle powiązane". (Patrz rysunek 2).
Nowy materiał ma regularną strukturę krystaliczną w kształcie sześcianu. Odległość między dwoma atomami żelaza jest zawsze taka sama i to samo dotyczy innych rodzajów atomów w stopie. Cały kryształ jest zatem całkowicie regularny. Po nałożeniu cienkiej warstwy żelaza na krzemowe podłoże struktura zmienia się radykalnie, a atomy są składane w strukturę z całkowicie losowym rozkładem. Ten rozkład zmienia strukturę elektronową atomów, a tym samym określa ścieżkę, jaką elektrony podążają w sieci. W tej strukturze ładunek elektryczny porusza się w ściśle określony sposób, uzyskując bardzo niską wartość rezystancji. Części ładunku przechodzące przez materiał w postaci tzw. fermionów Weyla. Nieregularności struktury krystalicznej hamują z kolei drgania sieci krystalicznej, co powoduje utrudnienie propagacji fononów. Przewodność cieplna jest dzięki temu znacznie niższa, dzięki czemu uzyskuje się lepszą konwersję energii cieplnej na elektryczną w takim materiale.
Rys.2. Zależność od temperatury a) współczynnika Seebecka kompozytu i poszczególnych warstw, b) rezystancji elektrycznej kompozytu i poszczególnych warstw. Oba wykresy zmierzone dla stopu Fe2V0,8W0,2Al; c) zależność od temperatury współczynnika mocy; d) zależność od temperatury współczynnika zT.
Pomiary rezystancji elektrycznej, przewodności cieplnej i efektu Seebecka w nowym materiale Fe2V0,8W0,2Al, ujawnił bardzo wysokie wartości współczynnika dobroci dla cienkich warstw osadzonych na podłożu krzemowym. Eksperymenty z mikroskopem elektronowym ujawniły również wąską strefę dyfuzji między cienką warstwą typu Heuslera a podłożem z krzemu.
Zbieranie energii z otoczenia oferuje znaczące korzyści dla systemów Internetu Rzeczy. Jest to kluczowy element przy tworzeniu zaawansowanej klasy samodzielnych i mobilnych aplikacji, które mogą działać przez długi czas bez konieczności ładowania akumulatorów czy wymiany baterii. Zmniejszając potrzebę konserwacji i wymiany baterii, systemy takie umożliwią inteligentne wykrywanie wielu zjawisk w odległych lub trudno dostępnych lokalizacjach w obrębie infrastruktury miejskiej. Nowe badania tego typu mogą również utorować drogę dla nowych rozwiązań elektroniki noszonej dla sektora medycznego.
Źródła:
https://www.eeweb.com/profile/maurizio-di-paolo-emilio/articles/a-new-material-for-thermal-energy-harvesting
https://www.eetimes.com/new-thermoelectric-material-has-huge-iot-potential/
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1751-9
Cool? Ranking DIY
. Niezbyt to fortunnie zabrzmiało, w kontekście ogniw Peltiera, nie sądzi Kolega ?
