GIỚI THIỆU VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC VÀ ỨNG DỤNGGIỚI THIỆU VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC VÀ ỨNG DỤNG

Về cơ bản, hiệu ứng Seebeck xuất hiện do sự hình thành một trường điện từ : Trong đó S là hệ số Seebeck, phụ thuộc vào vật liệu và là gradient nhiệt độ T.. Hệ số Peltier cho ta biết lượ

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh

Trường Đại Học Bách khoa

BÀI TẬP LỚN MÔN VẬT LÝ 2

Đề tài nhóm 2:

GIỚI THIỆU VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN

NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC VÀ

ỨNG DỤNG

Giảng viên: thầy Trần Văn Tiến

Lớp GT1404

Nhóm 2

TP HỒ CHÍ MINH, 06/2015

Sinh viên tham gia:

2 Lê Nguyễn Trần

5

6 7 8 9

Nghiêm Phan Thiện Quân

Nguyễn Đức Huy

Lê Tấn Sang Lương Quang Pháp Nguyễn Nhật Linh

1413369

1413369 1413369 1413369 1413369

MỤC LỤC

Tóm tắt bài viết :

Bài viết của nhóm bao gồm 3 phần chính :

+ Phần thứ nhất nói về hiệu ứng nhiệt điện và các phương trình quan trọng trong tính toán các đại lượng có liên quan.

+ Phần thứ 2 nói về vật liệu nhiệt điện và các thông số, các đặc tính quan trọng quyết định một vật liệu nhiệt điện là tốt hay không.

+ Phần thứ 3 nói về các ứng dụng hiện tại của vật liệu nhiệt điện

và tương lai của các vật liệu nhiệt điện tiên tiến.

I LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay các động cơ nhiệt và các máy bơm nhiệt đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với cuộc sống của con người Các nhà máy nhiệt điện cung cấp phần lớn điện năng tiêu thụ và đa số các phương tiện giao thông sử dụng các động cơ nhiệt đốt trong, trong khi các loại máy điều hòa ngày càng đa dạng và được nhiều người sử dụng hơn bao giờ hết

Vấn đề nan giải nhất của các loại bơm nhiệt và động cơ nhiệt này chính là hiệu suất của chúng bị giới hạn bởi hiệu suất Carnot và thường không vượt quá 30% Do đó lượng nhiệt thải ra ngoài môi trường là vô cùng lớn, chẳng những gây thiệt hại về kinh tế, lãng phí tài nguyên mà còn gây ra các tác động xấu đến môi trường, khí hậu Do vậy,việc tìm ra ứng cử viên thay thế cho các máy bơm nhiệt và các động cơ nhiệt hoặc nâng cao hiệu suất của các máy nhiệt này là cần thiết và hữu ích

Trong bối cảnh đó, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học vật liệu trong thời đại nano, các vật liệu nhiệt điện trở thành ứng cử viên sáng giá cho việc phát triển nguồn năng lượng bền vững, thân thiện với môi trường

II HIỆU ỨNG NHIỆT ĐIỆN

Hiệu ứng Seebeck-Peltier hay hiệu ứng nhiệt điện là sự chuyển đổi trực tiếp

sự chênh lệch nhiệt độ thành dòng điện và ngược lại Một thiết bị nhiệt điệt tạo ra điện thế khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của thiết bị đó Ngược lại, khi ta cho một hiệu điện thế qua thiết bị nhiệt điện, thì xuất hiện

sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của thiết bị đó Ở mức độ nguyên tử, có thể hiểu rằng một gradient nhiệt đã gây ra sự khuếch tán các hạt mang điện trong vật liệu từ bề nóng sang bề lạnh và tạo ra hiệu điện thế

Hiệu ứng này có thể được dùng để tạo ra dòng điện, đo nhiệt độ hoặc thay đổi/kiếm soát nhiệt độ của một đối tượng Vì sự chênh lệch nhiệt độ và hướng của dòng nhiệt có thể được quyết định bởi hiệu điện thế áp vào thiết

bị, các thiết bị nhiệt điện có thể được dùng để kiểm soát nhiệt độ

Cụm từ “hiệu ứng nhiệt điện” đề cập đến cả 3 hiệu ứng độc lập : hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Thompson

1 Hiệu ứng Seebeck

Hiệu ứng nhiệt điện được gọi chung là hiệu ứng Peltier-Seebeck vì sự đóng góp độc lập của cả 2 nhà vật lý này

Hiệu ứng Seebeck là sự chuyển đổi trực tiếp sự chênh lệch nhiệt độ thành dòng điện và được nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck phát hiện vào năm 1821 Trong lúc thí nghiệm, ông phát hiện ra rằng trạng thái của la bàn từ có thể bị tác động bởi nhiệt độ khi đế của nó được làm bởi 2 kim loại khác nhau Đó là bởi vì dòng nhiệt điện xuất hiện trong kim loại đã gây ra

từ trường Tuy nhiên Seebeck đã lầm tưởng và gọi hiện tượng này là hiện tượng nhiệt từ (thermomagnetic effect) Hiện tượng này thực chất là hiện tượng nhiệt điện và đã được Hans Christian Ørsted một nhà vật lý Đan Mạch sửa lại và chính thức gọi là hiện tượng nhiệt điện (thermoelectricity) Hiện tượng này không được áp dụng trong các máy lạnh nhiệt từ ngày nay ứng dụng hiện tượng nhiệt từ thực sự

Hiệu ứng Seebeck được tính toán theo công thức của lực điện từ, chỉ khác với định luật Ohm ở chỗ nó tạo ra dòng điện kể cả khi không có sự chênh lệch điện thế ( hiệu điện thế ), do vậy mật độ dòng điện dịch được tính theo công thức :

Trong đó là điện dẫn suất và V là hiệu điện thế cục bộ Về cơ bản, hiệu ứng Seebeck xuất hiện do sự hình thành một trường điện từ :

Trong đó S là hệ số Seebeck, phụ thuộc vào vật liệu và là gradient nhiệt độ T Hệ số Seebeck cho ta biết mỗi điện tích sẽ mang bao nhiêu điện khi đi từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp trong khối vật liệu dưới sự ảnh hưởng của gradient nhiệt độ T

Hình 1.1 : Hệ số Seebeck của một số vật liệu ở nhiệt độ cao

2 Hiệu ứng Peltier

Hiệu ứng Peltier do ông Jean Charles Athanase Peltier một nhà vật lý người Pháp phát hiện vào năm 1834 Ông Peltier đã nối một mẩu dây đồng với một dây bismuth với một nguồn điện, tạo thành mạch kín Ông nhận thấy, một mặt trở nên nóng, còn mặt kia lạnh đi Đây chính là chiều ngược lại của hiệu ứng nhiệt điện do Seebeck tìm ra vào năm 1921

Nhiệt lượng sinh ra do hiệu ứng Peltier được tính bởi công thức :

Trong đó ( ) là hệ số Peltier của chất dẫn A (B) và I là dòng điện từ A đến B Cũng cần lưu ý rằng tổng lượng nhiệt sinh ra chưa hẳn là chỉ do hiệu ứng Peltier trong khối vật liệu mà còn do nhiệt sinh ra bởi định lý Joule và hiệu ứng gradient nhiệt

Hệ số Peltier cho ta biết lượng nhiệt mỗi điện tích sẽ mang theo khi nó đi từ nơi có điện thế cao sang nơi có điện thế thấp, do vậy có thể xem hiệu ứng Peltier là hiệu ứng ngược lại của hiệu ứng Seebeck, và do đó giữa 2 hệ số

có một mối quan hệ khắng khít :

Chính mối quan hệ này đã đưa đến một hiện tượng trong khối vật liệu xuất hiện hiệu ứng nhiệt điện (được gọi chung là hiệu ứng Seebeck-Peltier) :Khi

có dòng nhiệt điện thì một bên khối vật liệu sẽ mất nhiệt do hiệu ứng Peltier trong khi bên còn lại sẽ nóng lên Người ta áp dụng hiện tượng này để chế

tạo các máy bơm nhiệt sử dụng hiệu ứng nhiệt điện, mà thường thấy nhất là các máy nước nóng lạnh đang có trên thị trường, ngoài ra một số sản phẩm

tủ lạnh mini sử dụng nguồn điện USB cũng sử dụng hiệu ứng này

Tuy nhiên, do dòng điện I là ổn định, nên nếu nhiệt độ thay đổi, thì Q sẽ không ổn định do - thay đổi

3 Hiệu ứng Thompson

Trong thực tế, nhiều vật liệu không có hệ số Seebeck là hằng số mà hệ số này thay đổi theo nhiệt độ Do đó một gradient nhiệt độ lẽ hiển nhiên sẽ dẫn đến sự xuất hiện của một gradient hệ số Seebeck

Hiện tượng được Kelvin tiên đoán và thực nghiệm vào năm 1851 cho thấy nếu ta cho một dòng điện đi qua gradient nhiệt độ này thì hiệu ứng Peltier sẽ xảy ra ổn định, hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Thompson Người ta diễn

tả sự nóng lên hoặc lạnh đi của một khối vật liệu có dòng nhiệt điện như sau :

Trong đó là hệ số Thompson :

III VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN

1 Hệ số phẩm chất nhiệt điện ZT

Tùy vào mục đích sử dụng mà các thiết bị nhiệt điện được gọi là TEC (ThermoElectricCooler) – sử dụng hiệu ứng Peltier - hay TEG (ThermoElectricGenerator) – sử dụng hiệu ứng Seebeck Tuy nhiên, một thiết bị TEC được thiết kế tốt sẽ cho hiệu suất làm lạnh tốt hơn một thiết bị TEG, mặc dù cả 2 loại này đều có chung khả năng là làm lạnh khi có điện

thế chạy qua và tạo ra dòng điện khi có sự chêch lệch nhiệt độ Ngược lại, một thiết bị TEG sẽ được thiết kế để tối ưu hóa khả năng tạo ra dòng điện

từ sự chênh lệch nhiệt độ thay vì tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ từ dòng điện

chạy qua nó Các thiết bị TEG thường đắt tiền hơn các thiết bị TEC do

điều kiện làm việc của chúng phải tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao

và đòi hỏi các vật liệu tốt hơn

Ngày nay các thiết bị TEG và TEC sử dụng các chất bán dẫn, không còn sử dụng các cặp nhiệt điện kim loại như trước đây Các thế hệ thiết bị nhiệt điện bán dẫn mới nhất sử dụng các vật liệu nano cho hiệu suất vượt trội, tuy nhiên giá thành khá đắt đỏ

Hình 2 : sơ đồ thiết bị TEG

Hiệu suất của một thiết bị nhiệt điện được tính bởi công thức sau :

Hiệu suất tối đa của thiết bị :

Trong đó ZT được tính bởi công thức :

,

Với λ là hệ số dẫn nhiệt Giá trị hiệu dụng :

là điện trở suất

• là nhiệt độ trung bình giữa nguồn nóng( TH) và nguồn lạnh(TC)

trở thành đại lượng đặc trưng để so sánh các thiết bị nhiệt điện do nó là một đại lượng vô thứ nguyên Do các thiết bị nhiệt điện có hiệu suất bị giới hạn bởi hiệu suất Carnot do đó nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh phải tuân theo các điều kiện ở phương trình Hiện tại, hiệu suất của các máy lạnh

sử dụng hiệu ứng nhiệt điện bằng 1/6 so với các máy lạnh dùng gas truyền thống và có giá trị từ 0.3- 0.6

2 Các tiêu chí của vật liệu nhiệt điện tốt

- Hệ số phẩm chất nhiệt điện trở thành tiêu chí của các loại vật liệu được sử dụng làm thiết bị nhiệt điện do nó đại diện cho hiệu suất của thiết

bị Một thiết bị nhiệt điện tốt , hay một vật liệu nhiệt điện tốt phải đạt được tiêu chí sau đây :

+ Hệ số Z có giá trị lớn ở nhiệt độ cao để có hiệu suất cao vì nhiệt độ

T trong công thức có thể kiểm soát được dễ dàng

- Do vậy để tăng hệ số Z, người ta cố gắng chế tạo ra các vật liệu dẫn điện tốt nhưng dẫn nhiệt kém ở nhiệt độ cao Điều này dẫn tới một kết quả là các vật liệu kim loại trở thành các vật liệu nhiệt điện tồi do cấu trúc của chúng khiến chúng dẫn nhiệt tốt Trong khi đó các chất bán dẫn có vùng cấm trở thành các vật liệu nhiệt điện lý tưởng hơn Tuy nhiên hệ số ZT của các vật liệu tốt nhất hiện nay vẫn chưa vượt quá 3.0 ( ở mức độ trên 2.0 các ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện có thể thương mại hóa )

3 Các thành tựu trên thế giới

- Các vật liệu như Bi2Te3 và Bi2Se3 là một trong các vật liệu tốt để làm vật liệu nhiệt điện Chúng có hệ số ZT từ 0.8 đến 1.0 Chế tạo các vật liệu này

ở kích thước nano hiện tại được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và theo một số tiên đoán hệ số ZT của các vật liệu này ở kích thước nano có thể lên đến 3.0

Hình 3 : Nanowire Bi2Te3 trên đế nhôm cho mật độ khoảng 1 tỷ phần tử /

cm2

- Một trong những nguyên nhân khiến hệ số ZT thấp là do trong quá trình chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng, electron sẽ tán xạ với các nguyên tử/phân tử tạo nên vật liệu và gây thất thoát năng lượng Vào năm 2011, nhóm nghiên cứu tại Đại học Tây Bắc Illinois đã đạt được thành tựu quan trọng khi họ sử dụng công nghệ nano để tạo ra vật liệu Chì-Telluride Nhờ các tinh thể pha tạp được lấy từ muối Strontium Telluride, hiện tượng tán

xạ của electron đã giảm đi đáng kể, đẩy hệ số ZT lên tới 1,7 Hơn nữa dải nhiệt độ hoạt động của vật liệu vào khoảng 800 độ Kelvin (527 độ C), một ngưỡng lý tưởng cho ứng dụng thực tế khi hầu hết các thiết bị tiềm năng đều toả nhiệt trong khoảng 400-700 độ C

Dựa trên những thành tựu đó, các chuyên gia đã tiếp tục phát triển những cải tiến quan trọng khác Vật liệu mà họ vừa tạo ra đã có hệ số ZT lên tới 2,2, gấp hơn hai lần so với mẫu trên tàu Curiosity và tăng 30% so với kết quả trước đây Với chỉ số đó, người ta tính toán được hiệu suất chuyển hóa nhiệt thành điện đã đạt từ 15% tới 20%

IV ỨNG DỤNG

- Với các ưu thế : nhỏ gọn, tuổi thọ rất lâu, chi phí bảo trì rất thấp, người ta

đã sử dụng các thiết bị nhiệt điện để ứng dụng chế tạo các cảm biến nhiệt

độ, các máy bơm nhiệt và các máy phát điện Tuy nhiên, với giá thành còn đắt đỏ, hiệu suất thấp, các thiết bị bơm nhiệt và máy phát điện vẫn còn

ít được sử dụng

1 Cảm biến nhiệt

- Các thiết bị nhiệt điện được sử dụng để làm các cảm biến nhiệt với độ chính xác tương đối cao và dải nhiệt độ hoạt động lớn

Hình 4 : cảm biến nhiệt điện tử

2 Bơm nhiệt

- Hiệu ứng Peltier được ứng dụng chủ yếu để làm các thiết bị bơm nhiệt, cụ thể là các máy nước nóng lạnh hoặc các thiết bị tản nhiệt cho chip xử lý trung tâm của máy tính, do có ưu thế là gọn, bền và thời gian đáp ứng rất nhanh Hiệu ứng Peltier được biết đến và sử dụng rộng rãi hơn nhiều so với hiệu ứng Seebeck

Hình 5 : “sò lạnh” peltier

3 Một số mô hình nhiệt điện trên thế giới

- Hiệu ứng Seebeck được dùng để làm các máy phát điện Các máy phát điện này không có các bộ phận chuyển động do đó rất bền và không cồng kềnh phức tạp như các máy phát điện sử dụng động cơ nhiệt Tuy nhiên hiệu suất của chúng rất thấp, tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu chế tạo nên và giá thành thì đắt đỏ Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các ngành vật liệu học, các máy phát nhiệt điện (thermoelectric generators)

có nhiều tiềm năng hơn vì rẻ hơn,gọn hơn Vào tháng 12 năm 2014, một

bài báo khoa học tựa đề là “Feasibility of large scale power plants based on Thermoelectric effect “ tạm dịch là “Tính khả thi của các nhà

máy điện cỡ lớn dựa trên hiệu ứng nhiệt điện” của Liu Liping của đại học Rutges – Hoa Kỳ được công bố trên trang New Journal of Physics Trong bài báo này, tác giả đã cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt

và đáy biển có thể được dùng để tạo ra điện năng trên quy mô lớn với giá thành rẻ và khả thi Tuy nhiên trên thực tế vẫn còn rất ít các mô hình phát điện sử dụng hiệu ứng này

- Các thiết bị TEG được sử dụng làm các máy phát điện có công suất lên đến 1500watt, chủ yếu được sử dụng rất hạn chế ở các vùng có điều kiện khắc nghiệt như nam cực, các sa mạc hoặc vùng núi, ngoài khơi, nơi mà

những hệ thống phát điện khác tỏ ra kém hiệu quả hoặc không thể sử dụng được do có các bộ phận chuyển động và bị ảnh hưởng nặng nề bởi cát, bụi, bùn, đóng băng… Đa số các máy phát điện dựa vào hiệu ứng nhiệt điện hiện nay sử dụng khí thiên nhiên làm nguồn nhiệt Một số sử dụng các gương parabol để tập trung ánh sáng mặt trời làm nguồn nhiệt Hiện tại các hệ thống phát điện này vẫn còn ít và chưa được phát triển rộng rãi, một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực sử dụng mát phát điện nhiệt điện là GLOBALTE – chuyên cung cấp các máy phát điện công suất lớn sử dụng khí thiên nhiên

- PowerpotX là một sản phẩm đang được phát triển và hiện đang được gây quỹ trên trang kickstarter.com

( https://www.kickstarter.com/projects/david-toledo/the-powerpot-x-most-reliable-10-watt-portable-gene) Đây là một mô hình sử dụng chip TEG công suất cao (10W), sản phẩm cho phép sạc pin điện thoại trong khi đun nước sôi, tận dụng nguồn nhiệt thải từ bếp và dùng nguồn lạnh là nước

- Biolite là một hãng độc lập, chuyên sản xuất thiết bị lò cắm trại biolite,

sử dụng chip TEG 10W và cho phép sạc pin điện thoại trong khi đun lửa

- Các mô hình trên đều có đặc điểm chung là giá thành khá đắt do sử dụng chip TEG đặc dụng cho việc tạo ra điện năng, nguồn lạnh sử dụng là nước,không mấy thuận tiện

- Đồng thời, các máy phát điện Seebeck cũng được sử dụng cho các tàu không gian, sử dụng nhiệt từ sự phân rã các đồng vị phóng xạ Tàu thăm

dò sao hỏa Curiosity cũng được trang bị một máy phát điện này

Hình 6 : Các mô hình ứng dụng TEG trên thế giới

Hình 7 : Máy phát điện RTG (radioistope thermoelectric generator) trên

tàu Cassini

V KẾT LUẬN

- Kể từ khi được phát hiện cho tới ngày nay, ứng dụng của hiệu ứng nhiệt điện vẫn còn rất hạn chế Đặc biệt trong bài toán năng lượng toàn cầu, nguồn điện từ các máy phát điện Seebeck là hầu như không đáng kể Hiệu suất thấp, giá thành cao, chế tạo khó khăn – tất cả những yếu tố đó đã từng

là rào cản suốt nhiều thập kỉ cho sự phát triển của các vật liệu nhiệt điện

- Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học và công nghệ vật liệu , loài người đã bước sang bình minh của thời đại thiết kế vật liệu, không còn lệ thuộc nhiều vào các vật liệu tự nhiên Cùng với sự nhảy vọt của công nghệ nano, chúng ta ngày càng khai thác triệt để các đặc tính của vật liệu ở một mức độ chưa từng có trong lịch sử Gỗ, xương, đá, đồng, sắt, thép – tất cả những vật liệu đó đã từng làm thay đổi nền văn minh của chúng ta Như vậy cũng có thể kì vọng rằng với sự ra đời của một loại vật liệu nhiệt điện tiên tiến, chúng ta sẽ giải quyết được các bài toán về môi trường, năng lượng, thay đổi nhận thức của chúng ta về cách chuyển hóa

và sử dụng các nguồn lực của thiên nhiên Mọi thành quả to lớn đều có khởi đầu nhỏ bé và ở trong cấu trúc nhỏ bé ở mức độ nano của một mẫu thử nào đó, có thể chúng ta sẽ đạt được một thành quả to lớn

[1] Wikipedia Thermoelectric Cooling

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_cooling

[2] Wikipedia Thermoelectric http://en.wikipedia.org/wiki/Seebeck_effect