Markus.Bartel@ipm.fraunhofer.de +49(0)761/ 88 57-367 Seminar-Sensoren Thermoelektrische Messtechnik und Thermoelektrische Systeme Fraunhofer Pressebild 2007 und unter anderem TV-Beitrag Galileo 10.09.2007 Fraunhofer IPM / Folie 1
Thermoelektrik Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 2
Thermoelektrik Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 3
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
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
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
Grundlagen der Thermoelektrik ZT ist temperaturabhängig für n und p- Material H.Böttner et al: Thermoelektrische Multitalente PJ6 (2007) Fraunhofer IPM / Folie 7
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
Thermoelektrische Material-Messtechnik Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 9
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
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
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
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
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 0.1337 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
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
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
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
Thermoelektrische Modul Messtechnik Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 18
Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Power-Efficiency-Methode Anpressen Thermo- Generator Anpresskraftmessung Fraunhofer IPM / Folie 19
Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Power-Efficiency-Methode Parameter eines Thermoelektrischen Moduls Elektrische Leistung Wärmestrom Wirkungsgrad Fraunhofer IPM / Folie 20
Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Power-Efficiency-Methode 14 Elektrische Leistung [W] 12 10 5 Wirkungsgrad P [W] 8 6 4 2 η [%] 4 3 2 0 1 0 50 100 150 200 ΔT [K] 0 0 50 100 150 200 250 ΔT [K] Fraunhofer IPM / Folie 21
Thermoelektrische Modul Messtechnik IPM-Power-Efficiency-Methode Dirk Ebling: Nanokomposite in der Thermoelektrik, Frühjahrsschule Thermoelektrik 2008 Fraunhofer IPM / Folie 22
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 119991 Russia; http://www.rmtltd.ru Fraunhofer IPM / Folie 23
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- 1+ 1 - 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
Grundlagen Material Messtechnik 200 µm Modul Messtechnik Anwendungen Fraunhofer IPM / Folie 25
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
Beispiele zur Energieerzeugung mit Thermoelektrik Motorwelt ADAC 2008 Ausgabe 6 Seite 12; Fraunhofer Messeauftritt auf der Sensor 2010 Fraunhofer IPM / Folie 27
Beispiele für Energieautarke Sensoren mit Thermoelektrik Fraunhofer Pressebild 2007 und unter anderem TV-Beitrag Galileo 10.09.2007 Fraunhofer IPM / Folie 28
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
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
Beispiel: Thermoelektrischer Kühlschrank Markus Bartel Fraunhofer IPM 2006 Fh Düsseldor; Fraunhofer IPM: Modulierung und Aufbau thermoelektrischer Systeme mit Peltier-Elementen Fraunhofer IPM / Folie 31
Beispiel: Thermoelektrischer Kühlschrank Markus Bartel Fraunhofer IPM 2006 Fh Düsseldor; Fraunhofer IPM: Modulierung und Aufbau thermoelektrischer Systeme mit Peltier-Elementen Fraunhofer IPM / Folie 32
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
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Fragen + Diskussion? www.google.de Fraunhofer IPM / Folie 34
Anhang Fraunhofer IPM / Folie 35
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
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
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: (1822-1823) 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Intelligentes Bratenthermometer Bratentemperaturmessung mit drahtloser Datenübertragung zum Mikroprozessor Sendeeinheit TEG Temperatursensor Power- Management Fraunhofer IPM / Folie 48