Thermoelektrik. Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein

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1 Thermoelektrik Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein

2 Lehrstuhl für Gassensoren Laboratory for gas sensors Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein sensor based RFID labels micro machined gas sensor arrays gas sensitive materials micro optical gas sensors sensor systems gas measurement lab

3 IMTEK / Fraunhofer IPM Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM Heidenhofstrasse Freiburg Gruppe: Integrierte Sensorsysteme ISS

4 gas sensor systems WS 11/12 Jürgen Wöllenstein / Katrin Schmitt - 4 -

5 Thermoelektrik-Gruppe am Fraunhofer-IPM

6 Organisatorisches Mikrosystemtechnik Master-Studiengänge Vertiefungsrichtung: Sensors and Actuators Folien werden online gestellt: Passwort: peltier Art der Prüfung: Mündliche Prüfung? Klausur? Kontakt: Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein Heidenhofstrasse 8, Freiburg, Germany Phone: +49 (0)761/

7

8 Inhalt der VL Thermoelektrik Einführung & Überblick Grundlagen (Jan König) Thermodynamik (Dr. Hans-Fridtjof Pernau) Materialien / Überblick (Jan König) Wie stellt man ein thermoelektrisches Modul her? Simulation (Martin Jägle) Messtechnik (Dr. Alexandre Jacquot ) Mikrosystemtechnik Exkursion zum Fraunhofer-IPM Anwendungen I: Sensorik Anwendungen II: Wärmepumpe, Kühlung, Generatoren Ausgewählte Kapitel: Gastvorlesung Prof. D. Johnson TE - Theorie, Vertiefung (Dr. Alexandre Jacquot ) TE - Theorie, Vertiefung (Dr. Alexandre Jacquot ) Repetitorium

9 Thermoelektrik So einfach? Dilbert J. Wöllenstein / VL Thermoelektrik / WS 2011/12-9 -

10 Thermoelektrik Wechselwirkungen zwischen Temperaturdifferenzen innerhalb eines elektrischen Leitersystems und elektrischen Strömen beziehungsweise Spannungen. Thermoelektrischen Effekte: - Seebeck-Effekt - Peltier-Effekt - Thomson-Effekt

11 Thermoelektrik T. Seebeck Pioniere E. Altenkirch J. C. A. Peltier

12 Zeittafel 1821 Entdeckung des Seebeck-Effektes (Wiss. Berater Goethes) 1833 Entdeckung des Peltier-Effektes (Uhrmacher) 1851 Verbindung zwischen Peltier und Seebeck-Effekt durch W. Thomson (Lord Kelvin) 1909 Einführung eines thermoelektrischen Gütefaktors durch Altenkirch 1930 Herstellung/Synthese von Halbleitern 1947 Telkes baut einen thermoelektrischen Generator mit einer Effizient von 5% 1949 Theoretische Erklärung der thermoelektrischen Effekte in Halbleitern durch Joffe, St. Petersburg 1954 Ausführliche theoretische Erläuterung der thermoelektrischen Effekte in Halbleitern unter Berücksichtigung der Quantenmechanik und Bandstruktur durch C.Herring, Institute of Advanced Studies Princeton Thermoelektrische Materialentwicklung heute

13 Transportphänomene

14 Ohmsches Gesetz (1826) U U = R I R : elektrische Widerstand des Leiters I: Stromstärke U: Spannung

15 Joule Effekt (1841) Erwärmung eines elektrischen Leiters infolge Stromfluß. Für die erzeugte Wärmemenge Q (Joule-Wärme) gilt: Q = R I 2 t = U I t R : elektrische Widerstand des Leiters t : Zeit des Stromflusses I: Stromstärke U: Spannung

16 Fouriergesetz (1822) Wärmestrom dq/dt Warm T W Kalt T K L x dq dt TW TK = λ A = λ L A dt dx Q j = λ T λ : spez. Wärmeleitfähigkeit A: durchströmte Fläche

17 Seebeck-Effekt (1821) b T W T K unterschiedliche Temperaturen zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters erzeugen elektrische Spannung U = α ( ) T W T K

18 Entstehung der Thermospannung T W T K Ursache Thermodiffusion: Höhere Temperatur Höhere Ladungsträgergeschwindigkeit Ladungsträgeragglomeration am kalten Ende ( ) α T = du ( T ) dt

19 Entstehung der Thermospannung Raumladungszone Potentialdifferenz typ. Werte: E

20 Thermoelement Seebeck-Effekt technisch nutzbar durch Aneinanderfügen unterschiedlicher Materialien b U ab = α ab ( T T ) W K T W T K a a α ab = α α a b = U T ab W U ab Unterschiedliche Seebeck-Koeff. Diff.barrieren an T W und T K

21 Peltier-Effekt (1834) b QP = π abi Q P a I a Q p π ab = π a π b = Q P : Wärmeleistung Q P I - + I: Strom π a,b : Peltier-Koeffizienten äußerer Stromfluss bewirkt Änderung des Wärmetransportes und erzeugt Temperaturdifferenz an den Verbindungstellen

22 Thermoelektrische Gütezahl Z Z = α 2 σ κ α : Seebeck-Koeffizient E. Altenkirch σ: σ: elektrische Leitfähigkeit κ : thermische Leitfähigkeit

23 Thermoelektrische Gütezahl Z Z = α 2 σ α = k e B δ + ln N n C κ σ = e ( n e µ + pµ p) n κ = κ el + κ G δ : Parameter abhängig der kin. Ladungsträgerenergie µ n,p : Ladungsträgerbeweglichkeit (δ = 3/2 für HL)

24 Einfluss der Ladungsträgerkonzentration 19 3 n 1 10 cm µv α 200 K

25 Einfluss der Temperatur Quelle: Böttner et al. Thermoelektrische Multitalente Nanostrukturierte Materialien versprechen effiziente thermoelektrische Konverter, Physik Journal, 6:35 41, 2007 Das beste thermoelektrische Material gibt es nicht

26 Seebeck-Element zur Temperaturmessung Schema Temperatursensor Thermoelement Typ K (NiCr/Ni) Quelle: Wikipedia

27 Thermoelektrische Module einzelnes Thermopaar bringt nur wenige µv Aufbau eines thermoelektrischen Moduls elektrisch in Serie thermisch parallel

28 Energienutzung

29 Anwendungen Für daheim und unterwegs

30 Anwendungen auch für längere Ausflüge

31 Anwendungen Process monitoring VCSEL based compact oxygen sensor NIR spectrometer compact multi-reflection cell VCSEL tuned by microcooler simultaneous measurement of temperature and O 2 concentration tuning range > 2 nm λ = 760 nm White cell: 10 m measuring path 11 cm x 5 cm x 6 cm

32 Alles weitere nächsten Mittwoch!!!!!!! Vorlesung Jan König

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