Seminar-Sensoren Thermoelektrische Messtechnik und Thermoelektrische Systeme

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1 +49(0)761/ Seminar-Sensoren Thermoelektrische Messtechnik und Thermoelektrische Systeme Fraunhofer Pressebild 2007 und unter anderem TV-Beitrag Galileo Fraunhofer IPM / Folie 1

2 Thermoelektrik Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 2

3 Thermoelektrik Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 3

4 Grundlagen der Thermoelektrik Die Thermoelektrik beschäftigt sich mit drei Anwendungsgebieten Sensorik (z.b.thermoelement) Energierückgewinnung (Thermogenerator) Kühlung (Peltierelement) Peltierelement Thermoelektrisches Modul Thermogenerator Fraunhofer IPM, Pressebild 2007 Fraunhofer IPM / Folie 4

5 Grundlagen der Thermoelektrik Aufbau eines Thermoelektrischen Modul aus n- und p-halbeleiter Elektrischer Strom Kühlung Temperatur Differenz Generator Q T 1 I Q ΔV T 1 Peltierelement Thermoelektrisches Modul Thermogenerator Fraunhofer IPM, Pressebild 2007 Fraunhofer IPM / Folie 5

6 Grundlagen der Thermoelektrik Thermoelektrische Güteziffer ZT Z T = 2 Seebeck-Koeffizienten α Elektrische Leitfähigkeit σ Thermischen Leitfähigkeit λ Temperatur T Modul-Effizienz α σ T λ Birkholz Thermoelektrische Bauelemente In: W. Heywang, Springer, Berlin (1984)] Fraunhofer IPM / Folie 6

7 Grundlagen der Thermoelektrik ZT ist temperaturabhängig für n und p- Material H.Böttner et al: Thermoelektrische Multitalente PJ6 (2007) Fraunhofer IPM / Folie 7

8 Thermoelektrische Material-Messtechnik Optimierung der Güteziffer ZT in Abhängigkeit der Ladungsträgerkonzentration Birkholz Thermoelektrische Bauelemente In: W. Heywang, Editor, Amorphe und polykristalline Halbleiter Springer, Berlin (1984)] Fraunhofer IPM / Folie 8

9 Thermoelektrische Material-Messtechnik Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 9

10 Thermoelektrische Material-Messtechnik Van-der-Pauw-Methode 2 α σ Z T = T λ πd πd exp RAB CD + exp RBC, ρ ρ, DA = 1 Messung R AB,CD mit Kontakt- Belegung Verlauf der Messung Kontakte vertauschen Messung R AB,CD mit Kontakt-Belegung L. J. van der Pauw: A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape - Philips Research Reports. 13, Nr. 1 (1958) Fraunhofer IPM / Folie 10

11 Thermoelektrische Material-Messtechnik Spezifischer Widerstand [Ωcm] materialabhängiger formenabhängiger Messwert ρ π d = (R AB,CD + R BC,DA ) f 2ln2 R AB,CD R BC,DA Leitfähigkeit [1/Ωcm] notwendig für Bestimmung der thermoelektrischen Güteziffer σ = 1 ρ Hallkonstante [cm 3 /C] temperaturabhängige Materialkonstante Mobilität [cm 2 /Vs] Beweglichkeit im geographischen Raum Ladungsträgerkonzentration [1/cm 3 ] temperaturabhängige Materialkonstante Fraunhofer IPM / Folie 11 R H = ΔR AC,BD 1 p\n = R H e σ μ = p/n. e d B

12 Thermoelektrische Material-Messtechnik Seebeck-Koeffizient 2 α σ Z T = T λ Kalt Messspitzen mit Thermoelementen Probe Heiß 20 C 30 C Isolator Temperierte Kupferböcke Fraunhofer IPM / Folie 12

13 Thermoelektrische Material-Messtechnik Seebeck-Koeffizient und elektrische Leitfähigkeit 2 α σ Z T = T λ Seebeck-Koeffizienten I Elektrode T L Material Probe T H d ΔU elektrischen Leitfähigkeit Elektrode Messprinzip nach Ulvac Zem3 am Fraunhofer IPM Fraunhofer IPM / Folie 13

14 Thermoelektrische Material-Messtechnik Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ (Temperaturleitfähigkeit a) 2 α σ Z T = T λ ( ) = ( ) ( ) ( ) λ T a T cp T ρ T a = d t 2 1/ 2 ΔT max 1 ( m ) c p Messprinzip nach Parker et al. 1961: Einführung in die Laser-Flash-Methode Ralf Franke, NETZSCH Gerätebau GmbH, 2007 Fraunhofer IPM / Folie 14

15 Thermoelektrische Material-Messtechnik Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ (Temperaturleitfähigkeit a mit Laserflash) 2 α σ Z T = T λ ( ) = ( ) ( ) ( ) λ T a T cp T ρ T Einführung in die Laser-Flash-Methode Ralf Franke, NETZSCH Gerätebau GmbH, 2007 Fraunhofer IPM / Folie 15

16 Thermoelektrische Material-Messtechnik Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ (temperaturabhängigen Wärmekapazität c P mit Differenzkalorimetrie)- ( ) = ( ) ( ) ( ) λ T a T cp T ρ T λ ( T) = a( T) p ( ) ρ ( ) c T T 2 α σ Z T = T λ DSC-Überblick, Grundlagen und Gerätetechnik NETZSCH Gerätebau GmbH, 2008 Fraunhofer IPM / Folie 16

17 Thermoelektrische Material-Messtechnik Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ (der temperaturabhängigen Dichte ρ mit Dilatometer) 2 α σ Z T = T λ ( ) = ( ) ( ) ( ) λ T a T cp T ρ T Dilatometrie NETZSCH Gerätebau GmbH, 2008 Fraunhofer IPM / Folie 17

18 Thermoelektrische Modul Messtechnik Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 18

19 Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Power-Efficiency-Methode Anpressen Thermo- Generator Anpresskraftmessung Fraunhofer IPM / Folie 19

20 Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Power-Efficiency-Methode Parameter eines Thermoelektrischen Moduls Elektrische Leistung Wärmestrom Wirkungsgrad Fraunhofer IPM / Folie 20

21 Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Power-Efficiency-Methode 14 Elektrische Leistung [W] Wirkungsgrad P [W] η [%] ΔT [K] ΔT [K] Fraunhofer IPM / Folie 21

22 Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Power-Efficiency-Methode Dirk Ebling: Nanokomposite in der Thermoelektrik, Frühjahrsschule Thermoelektrik 2008 Fraunhofer IPM / Folie 22

23 Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Harman-ZT-Meter, Messprinzip (Temperaturbereich RT bis 300 C ) U mv U α I ma ZT= U α U R U R =R M I M t ms Harman Methode z.b nach: Z-metering Development; RMT Ltd. 53 Leninskij prosp. Moscow Russia; Fraunhofer IPM / Folie 23

24 Thermoelektrische Modul Messtechnik Abhängigkeit Modul ZT von Kontaktwiderstand R Kontakt R Kontakt R Schenkel R Schenk R Kontakt R Kontakt R Kontakt ZT Modul = ZT Schenkel el R Kontakt R Schenkel Module geometry and contact resistance of thermoelectric generators analysed by multiphysics simulation ICT2009 Dirk G. Ebling, Ph.D.; Kilian Bartholome; Markus Bartel; Martin Jägle Fraunhofer IPM / Folie 24

25 Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 25

26 Beispielanwendungen der Thermoelektrik Anwendungen Thermoelektrik als Thermogenerator Energieerzeugung mit Thermoelektrik Energieautarke Sensoren mit Thermoelektrik Intelligentes Bratenthermometer Ortsaufgelöste Reaktionskalorimetrie in Mikroreaktoren Autarke flexible Monitoringeinheiten zur Überwachung technischer Systeme Thermoelektrik als Peltier-Element Thermoelektrische Kühlschränke Fraunhofer IPM / Folie 26

27 Beispiele zur Energieerzeugung mit Thermoelektrik Motorwelt ADAC 2008 Ausgabe 6 Seite 12; Fraunhofer Messeauftritt auf der Sensor 2010 Fraunhofer IPM / Folie 27

28 Beispiele für Energieautarke Sensoren mit Thermoelektrik Fraunhofer Pressebild 2007 und unter anderem TV-Beitrag Galileo Fraunhofer IPM / Folie 28

29 Ortsaufgelöste Reaktionskalorimetrie in Mikroreaktoren Ein Leistungsstarkes Werkzeug für die Prozessentwicklung und Prozessoptimierung Martin Jaegle; Jürgen Antes; Markus Bartel; M. Gegenheimer; S. Löbbecke; H. Krause; Alexandre Jacquot; Joachim FussICT2009 Spatially Resolved Reaction Calorimetry in Micro-Reactors Using a Thermogenerator Array Fraunhofer IPM / Folie 29

30 Markus Bartel, Bachelor-Arbeit, FH-Düsseldorf Beispiel: Thermoelektrischer Kühlschrank Eisfach Kühlschrank Peltier- Elemente Umgebung Markus Bartel Fraunhofer IPM 2006 Fh Düsseldor; Fraunhofer IPM: Modulierung und Aufbau thermoelektrischer Systeme mit Peltier-Elementen Fraunhofer IPM / Folie 30

31 Beispiel: Thermoelektrischer Kühlschrank Markus Bartel Fraunhofer IPM 2006 Fh Düsseldor; Fraunhofer IPM: Modulierung und Aufbau thermoelektrischer Systeme mit Peltier-Elementen Fraunhofer IPM / Folie 31

32 Beispiel: Thermoelektrischer Kühlschrank Markus Bartel Fraunhofer IPM 2006 Fh Düsseldor; Fraunhofer IPM: Modulierung und Aufbau thermoelektrischer Systeme mit Peltier-Elementen Fraunhofer IPM / Folie 32

33 Abteilungsleiter: Dr. Harald Böttner Projektleitung: Dr. Kilian Bartholome Dr. Dirk Ebling Dr. Alexandre Jacquot Jan König Martin Jägle Projektmitarbeiter: Markus Bartel Ulrike Nussel Henning Schröder Uwe Vetter Markus Winkler Thermoelektrik Team am IPM Fraunhofer IPM / Folie 33

34 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Fragen + Diskussion? Fraunhofer IPM / Folie 34

35 Anhang Fraunhofer IPM / Folie 35

36 Grundlagen der Thermoelektrik: Thermogenerator Durch einen Temperaturunterschied wird Strom direkt erzeugt Verwendung zur Umwandlung von Abwärme (thermische Energie) in elektrische Energie ΔV T 1 T 1 Peltierelement Thermoelektrisches Modul Thermogenerator Fraunhofer IPM, Pressebild 2007 Fraunhofer IPM / Folie 36

37 Grundlagen der Thermoelektrik: Peltierelement Durch einen Stromfluss, wird Wärme von der heißen Seite zu der kalten Seite transportiert Verwendung zur Kühlung bzw. Temperierung Q I Q Peltierelement Thermoelektrisches Modul Thermogenerator Fraunhofer IPM, Pressebild 2007 Fraunhofer IPM / Folie 37

38 Grundlagen der Thermoelektrik Bedeutende Menschen und Effekte der Thermoelektrik Seebeck-Effekt Peltier-Effekt Thomson-Effekt: Güteziffer ZT T. Seebeck (1821) J. C. A. Peltier (1834) Thomas Johann Seebeck: ( ) Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz. Peltier, J.C., 1834, Nouvelles experiences sur la caloriecete des courans electriques, William Thomson, Lord Kelvin um 1870 E.Altenkirch um 1909 Thomson, W., 1851, On a mechanical theory of thermoelectric currents E. Altenkirch: 1909 Über den Nutzeffekt der Thermosäule Hans Wahl, Anton Kippenberg: Goethe und seine Welt, Insel-Verlag, Leipzig 1932 S.204 Fraunhofer IPM / Folie 38

39 Grundlagen der Thermoelektrik Thermoelektrische Effekte Seebeck-Effekt: unterschiedliche Temperaturen an den Kontaktstellen zweier verschiedener elektrischer Leiter führt zu einer elektrische Spannung ΔV T 2 ΔV α= T 2 - T 1 T 1 Peltier-Effekt: Umkehrung des Seebeck-Effekts: Ein Stromfluss durch die Kontaktstellen zweier unterschiedlicher Leiter führt dazu das an einem Kontakt Wärmeenergie Q aufgenommen wird und an dem Kontakt abgegeben wird I Q Π=Q/I bzw. Π=αT Physik Journal, Mai 2007, Sommerlatte, Nielsch, Böttner Q Fraunhofer IPM / Folie 39

40 Thermoelektrische Material-Messtechnik Leitfähigkeit variabeler Probengeometrien 2 α σ Z T = T λ Früher: ab 1958 Hallklotz variabeler Probengeometrien Hallkäfer (großflächige Kontakte) Fraunhofer IPM / Folie 40

41 Thermoelektrische Material-Messtechnik Van-der-Pauw-Methode 2 α σ Z T = T λ Umformung: πd ρ = 2ln 2 ( R + R AB, CD BC, DA) f f R R AB, CD BC, DA f ist Korrekturfaktor: R cosh R AB, CD Vereinfachung: Kontakte ~ symmetrisch angeordnet: R AB, CD L. J. van der Pauw: A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape - Philips Research Reports. 13, Nr. 1 (1958) Fraunhofer IPM / Folie 41 R + R BC, DA ln 2 1 ln = f exp 2 f AB, CD BC, DA 2 f πd RBC, DA f 1 ρ = R = 4. 5 d R ln 2 f Maß für Symmetrie der Messung R R AB, CD BC, DA

42 Thermoelektrische Material-Messtechnik Messung der Ladungsträgerkonzentr. / Mobilität dünne Probe 1. Messung ohne Feld: Messung der Spannung U 0 bei eingeprägtem Strom 2. Messung mit Feld: Zusätzliche Potentialdifferenz U H durch Hall-Effekt U H = R H IB d R H = ΔRAC, BD d B Rowe D.M. (Hrsg.): Thermoelektrics Handbook: Macro to Nano (2006) Fraunhofer IPM / Folie 42

43 Thermoelektrische Material-Messtechnik Beispiel eines Aufbaues 2 α σ Z T = T λ Nanovoltmeter U Kanal-Umschalter Keithley 7001 I Stromquelle Keithley 2182A Keithley 7168 Keithley 7059 Keithley 6221 Verdrahtungsbox Probenhalter und Magnetfeld Fraunhofer IPM / Folie 43

44 Thermoelektrische Material-Messtechnik Beispiel eines Temperaturabhängigen Hallmessplatz 2 α σ Z T = T λ Messplatz und Messprinzip Fraunhofer IPM entwickelt durch Mitarbeiter des IPM Fraunhofer IPM / Folie 44

45 Thermoelektrische Modul Messtechnik Thermographiebild eines Thermoelektrischen Moduls *Berrechnet mit der Emissivität von 1 Application-oriented measurements of thermoelectric generators, Beitrag ICT/ECT 2009 Fraunhofer IPM / Folie 45

46 Thermoelektrische Material-Messtechnik Weitere Materialmesstechnik 2 α σ Z T= T λ Weitere Möglichkeiten zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit 3Omega Methode TDTR (Time Domain Thermal Reflektion) Völklein Methode Thermische Van de Pauw-Methode Möglichkeit zur Bestimmung der Güteziffer ZT in einem Aufbau ÍPM ZT Meter RT-600C für Bulkmaterial Aufbau zur ZT Messung an Dünnschichtproben Fraunhofer IPM / Folie 46

47 Autarke flexible Monitoringeinheiten zur Überwachung technischer Systeme Wartungskosten sind bei Flugzeugen der wesentlicher Kostenpunkt und es gibt ein großes Einsparpotential durch energieautarke Sensorik Kosten Sensor+RFID TEG Treibstoff Personal Instandhaltung Abschreibung Thermal conductor Forschungsprojekt am IPM: 2009/2010/2011 Fraunhofer IPM / Folie 47

48 Intelligentes Bratenthermometer Bratentemperaturmessung mit drahtloser Datenübertragung zum Mikroprozessor Sendeeinheit TEG Temperatursensor Power- Management Fraunhofer IPM / Folie 48

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