Fabbricazione e conversione termoelettrica di mattoni di cemento termoelettrico con unileg interrato N

Jul 12, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 916 (2023) Citare questo articolo

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Per studiare l'effetto della riduzione della perdita di calore dovuta all'isolante termico e alla resistenza dell'interfaccia termica dovuta alla struttura multistrato al fine di migliorare l'efficienza di un dispositivo termoelettrico, è stato fabbricato un mattone di cemento termoelettrico utilizzando all'interno un modulo termoelettrico CaMnO3 di tipo n unileg. I materiali termoelettrici CaMnO3 sono stati sintetizzati partendo dai materiali CaCO3 e MnO2 per produrre un modulo CaMnO3 di tipo n unileg. Il mattone di cemento termoelettrico era costituito da due tipi: mattone a I strato (uno strato di isolante termico in calcestruzzo) e mattone a III strato (tre strati di diversi isolanti in calcestruzzo). La differenza di temperatura, la corrente elettrica e la tensione che si verificano sul modulo CaMnO3 e sul mattone termoelettrico in cemento sono state misurate in circuiti chiusi e aperti. Sono state misurate la differenza di temperatura, la distribuzione termica e la tensione di uscita quando si applicano temperature costanti di 100, 200 e 400 °C. Sono state eseguite simulazioni al computer del metodo degli elementi finiti (FEM) per confrontare i risultati sperimentali. Gli andamenti della differenza di temperatura e della tensione di uscita dalle simulazioni sperimentali e al computer erano in buon accordo. I risultati della differenza di temperatura durante la temperatura del lato più caldo di 200 °C hanno mostrato la differenza di temperatura lungo la direzione verticale dei mattoni di cemento termoelettrico per entrambi i tipi del mattone a terzo strato di 172 °C e per il mattone a strato I di 132 °C. C sono maggiori di quelli del modulo CaMnO3 TEG senza l'utilizzo di un isolante termico in calcestruzzo di 108 °C. I mattoni termoelettrici in cemento del tipo a mattone a III strato da 27,70 mV hanno mostrato risultati di tensione di uscita superiori a quelli del mattone a strato I da 26,57 mV e al modulo TEG CaMnO3 senza utilizzare un isolante termico in cemento di 24,35 mV. Il mattone termoelettrico in cemento del tipo a strato III ha mostrato una potenza di generazione elettrica maggiore rispetto al mattone a strato I e al modulo TEG CaMnO3. Inoltre, i risultati hanno mostrato la capacità del mattone termoelettrico in cemento nel modello del mattone a III strato per la generazione di energia elettrica in base alla differenza di temperatura. Il mattone di calcestruzzo TEG di calcestruzzo a strati I che copre il circuito combinato serie-parallelo di 120 moduli del CaMnO3 di tipo n unileg è stato costruito e quindi incorporato sulla superficie esterna del forno. Durante la temperatura massima del lato più caldo di 580°C del mattone di cemento, la differenza di temperatura tra il lato più caldo e il lato più freddo del mattone si è verificata a 365°C e la tensione di uscita massima è stata ottenuta a 581,7 mV.

I generatori termoelettrici (TEG) sono dispositivi che generano energia elettrica direttamente dall'energia termica. I TEG possono funzionare senza parti in movimento meccanico e senza reazioni non chimiche poiché il vantaggio dei TEG è l'assenza di inquinamento e silenziamento1. Le applicazioni del TEG includono la generazione di elettricità nello spazio e in aree remote, il recupero del calore di scarto nelle automobili e nelle industrie, la microelettronica e i sensori2, le stufe a biomassa3,4, il generatore solare termoelettrico (STEG)5, il settore tessile6, le vernici7 e i dispositivi termoelettrici indossabili8,9,10,11 .

L'efficienza di conversione termoelettrica del TEG (η) è definita come il rapporto tra la potenza elettrica in uscita (P) fornita al carico e la portata di calore in ingresso (Q̇h) assorbita nella giunzione calda del TEG utilizzando la seguente equazione \( \eta = \frac{P}{{\dot{Q}_{h} }}\)12: L'efficienza del TEG viene calcolata anche sotto forma di cifra di merito dei materiali mediante13:

dove ZT è la figura di merito adimensionale; \(T_{H}\) e \(T_{C}\), sono rispettivamente la temperatura del lato più caldo e del lato più freddo. Come mostrato nell’Eq. (1), l'efficienza dei moduli TEG dipende dalla ZT e dalla differenza di temperatura mantenuta durante il funzionamento TEG. Negli ultimi due decenni, sono stati compiuti progressi significativi nel miglioramento delle prestazioni ZT dei materiali termoelettrici (TE). Tuttavia, le prestazioni dei moduli TE sono molto inferiori all’efficienza teorica a causa dell’ottimizzazione inefficace della struttura dei moduli TEG, delle perdite di calore e delle perdite elettriche13.