Introduksjon

Termoelektristitet beskriver en materialegenskap der varmeenergi blir omdannet til elektrisk energi.

Varme er en av de pureste former for energi og vi finner det overalt rundt oss. Alle prosesser som omformer energi fra en form til en annen vil også produsere varme. Når denne varmeproduksjonen er utilsiktet kaller vi den for spillvarme. I en moderne forbrenningsmotor vil for eksempel omtrent 25-30% gi mekanisk energi i form av bevegelse mens resten vil tapes som varme.

Om en slik varmestrøm går igjennom et termoelektrisk materiale vil endel av varmeenergien bli overført til elektrisk strøm. Man kan på denne måten bruke termoelektrisitet til å gjenvinne spillvarme.

Men hvilke fysiske fenomener er det som forårsaker denne strømproduksjonen? Hvordan kan vi forklare hva som egentlig skjer inni materialet? Her lønner det seg å se litt på hva varme egentlig er, og hva strøm egentlig er.

 

Varme er bevegelse – bevegelse på atomnivå. Jo mer atomene beveger seg og vibrerer, desto varmere.  Vi bruker temperatur som et mål på denne bevegelsen. I teorien kan man tenke seg et nullpunkt i temperatur (-273 grader celsius, eller 0 grader Kelvin) der atomene står helt stille. Vi sier gjerne at jo mer noe beveger seg desto mer energi har det, i dette tilfellet varmeenergi. Så for varme er mengde energi økende med temperatur.

Så har vi et annet veldig viktig prinsipp – ja kall det gjerne en naturlov: naturen vil alltid prøve å motvirke forskjeller, å tilstrebe likhet. Så om vi har en varmekilde, som et telys (ca 150-200C), og noe som er kaldere som for eksempel isvann (~0C), så vil alltid varmen prøve å utjevne seg mellom disse. Bevegelsen på atomnivå vil overføres fra det varme til det kalde – vi får en varmestrøm. 

Dette er faktisk noe vi opplever hver gang vi er på en rockekonsert. Framme foran scenen står folk og hopper og synger og tar vanvittig med plass. Varme blir de og. Mens lenger bak står man litt mer tilbakelent og nyter musikken uten særlig bevegelse annet enn en og annen klappesalve og har tilsynelatende mye bedre plass. Etterhvert vil noen av de som står lengst framme enten bli for varme eller rammet av klaustrofobisk angst og beveger seg dermed bakover i rekkene. Noen vil kanskje også prøve seg på en tur framover, men den netto bevegelsen er bakover. Vi får en strøm av konsertgjengere fra det varme og ville til det kalde og rolige (kanskje ikke alltid tilfelle, men du skjønner poenget).

Og da er vi allerede inne på hva elektrisk strøm er for noe, nemlig bevegelse av elektrisk ladde partikler fra et sted til et annet. Begynner du å se en sammenheng? Når vi utsetter et termoelektrisk materiale for en varmeforskjell så vil elektronene bevege seg mye mer på den varme siden enn den kalde, og da begynner det å bli dårlig plass. Disse “varme” elektronene vil nå gi etter for naturlovene og prøve å bevege seg over til den kalde siden. Og plutselig nå har vi elektroner i bevegelse fra et punkt til et annet. Vi har en elektrisk strøm inni det termoelektriske materialet.

Seebeck effekten:  Temperaturforskjeller i et materiale forårsaker konsentrasjonforskjeller av elektroner som gir opphav til en elektrisk spenning proporsjonal med temperaturforskjellen.

Seebeck effekten: Temperaturforskjeller i et materiale forårsaker konsentrasjonforskjeller av elektroner som gir opphav til en elektrisk spenning proporsjonal med temperaturforskjellen.

Det vil ganske raskt dannes en spenningsforskjell som balanseres av bevegelse pga varme den ene veien og elektrostatiske krefter motsatt vei. Dette kalles Seebeck-effekten og kan lett måles med et voltmeter.

Så kan vi koble mange slike små  klosser av termoelektriske materialer i serie og produsere enda høyere spenning. Da får vi en termoelektrisk modul. Vi kan varme den varme siden opp til høyere temperaturer og vi kan kjøle den kalde siden mer slik at temperaturforskjellen blir større. Større forskjellig i temperatur (varmenergi) forårsaker enda mer bevegelse. Så kan vi bruke denne strømmen til å få lys i ei lyspære eller alt mulig annet som trekker strøm.

module_sketch2.png

Man kan også kjøre disse termoelektriske modulene i revers og dermed pumpe varme fra den ene siden til den andre. Dette kalles for Peltier-effekten, og modulene som er tiltenkt slikt bruk Peltierelementer. Her kan man også styre hvilken retning man pumper varmen ved å endre strømretningen. Man kan dermed bruke det til å kontrollere temperaturen akkurat som en varmepumpe som kan brukes både til oppvarming og aircondition.

Hvor effektive er egentlig slike løsninger? Effektivitet er et mål på hvor mye nytte vi får ut av den mengden energi vi putter inn i prosessen. I dette tilfellet putter vi inn mye varmeenergi i materialet og vi tar ut en elektrisk energi. Forholdet mellom disse gir oss effektiviteten til det temoelektriske materialet. I dagens materialer ligger denne effektiviteten rundt ca 5-10%.

Hvilke materialer er termoelektriske da? Faktisk er nesten alle materialer som leder strøm til en viss grad termoelektriske (unntaket er superledere), men noen er svært mye mer effektive enn andre, og det er disse vi er på utkikk etter.

Metaller vet vi leder strøm veldig godt. Men problemet med metaller er at nesten alt av varmen som ledes gjennom materialet ledes gjennom vibrasjoner i atomkjernene, og ikke gjennom elektronene! Et viktig prinsipp er derfor: Et godt termoelektrisk materiale må lede elektrisitet godt og varme dårlig.

Også har vi kanskje den viktigste materialegenskapen. Mengde strømenergi per tidsenhet måler vi i effekt, i watt (W). En watt regnes ut ved å gange spenning med strøm (P = UI for de som har fysikkpensumet i god behold). Vi har allerede vært innom strøm og hva som kreves av materialet her. For spenning er den styrende materialegenskapen Seebeck-koeffisienten. Seebeck-koeffisienten er definert som hvor mye spenning man får ut per grad temperaturforskjell (S = V / (T_varm – T_kald) ).

Materialer som har høy Seebeck-koeffisient er halvledere – de er hverken rene metaller eller isolatorer men noe midt i mellom. Den mest kjente halvledermaterialet er nok silisium. Hver mobiltelefon og datamaskin har små “chip’er” produsert av silisium i seg som står for alt fra regnekraft til lagring. Nå viser deg seg at ren silisium dessverre leder varme litt for godt, så det egner seg dårlig som termoselektrisk materiale. Men om det blandes med germanium blir det faktisk ganske bra, det er dette som brukes i blant annet romsondene Voyager 1 og 2.

Mitt favorittmateriale er Skutteruditt. Ikke bare har det veldig gode termoelektriske egenskaper, det har også veldig gode “aner”. Navnet stammer nemlig fra Norge, nærmere bestemt Skuterudåsen i Modum. Det kjennes kanskje bedre som Koboltgruvene til Blaafarveværket. Kanskje dette litt sære koboltholdige mineralet kan være med å løse litt av energiutfordringene til kloden i fremtiden?

Om du er en av dem som er interessert i litt mer teoretisk/historisk vinkling kan denne videoen fra ESA under anbefales. Du kan også ta en titt på en av linkene til høyre.

2 thoughts on “Introduksjon

    1. gskomedal Post author

      Peltier effekten er beskrivelse av det motsatte fenomen: Når man sender strøm gjennom et materiale vil varme transporteres fra en side til en annen. Man får altså en varmepumpe! Varmen tas opp på det ene koblingspunktet/enden og avgis ved det andre.

      Reply

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s