Vlastnosti kombinovaných termoelektrických generátorů pro konverzi tepelné energie

Abstract

Tato práce se zabývá termoelektrickou konverzí, konkrétně se zaměřením na kombinaci termoelektrického generátoru s integrovaným PCM, případně s využitím fotovoltaiky jako zdroje tepla. Klade si za cíl přiblížit problematiku termoelektrické konverze, akumulace tepla pomocí PCM a kombinace těchto dvou procesů. Uvedené poznatky podkládá měřením termoelektrického napětí řady geopolymerů založených na hořečnaté maltovině s lišícím se podílem aktivovaného nano-Al2O3 [(0; 0,05; 0,1; 0,5; 1) hm.% ANS]. Měření bylo prováděno pomocí postupného zvyšování výkonu na rezistoru na jedné straně vzorku, čímž byl zajištěn ohřev, zatímco na straně druhé byla udržována referenční teplota 20 °C. Pro získání termoelektrických dat byl do soustavy zapojen nanovolmetr; volt-ampérové charakteristiky byly poté sestaveny pomocí dat získaných z elektrometru. Seebeckův koeficient (řádově jednotky mV/K), Peltierův koeficient (řádově setiny voltů) a volt-ampérové charakteristiky vzorků naznačují, že ve všech vzorcích obsahujících ANS v nižších teplotách dominují elektrony, případně chloridové ionty, zatímco s rostoucí teplotou dochází ke změně a dominantním typem se stávají hořečnaté ionty. Tepelná vodivost se pohybuje v rozmezí 1,3-2,6 W·m·K a s přídavkem ANS klesá; jedinou anomálií je nejnižší koncentrace ANS, která hodnotou převyšuje referenční vzorek. Konduktivita se pohybuje v rozmezí (109-105) S/m, přičemž nebyl nalezen žádný trend v závislosti na podílu ANS. Účinnost konverze byla dosažena poměrně nízká, řádově 1015-108, přičemž nejvyšší hodnotu vykazoval vzorek ANS0,05. Druhým cílem bylo pozorování teplotního profilu kombinovaného článku TEG-PCM a určení tepelné vodivosti a měrné tepelné kapacity. Měření bylo prováděno v pěti cyklech ohřev/chlazení a po celou dobu bylo snímáno termokamerou. V teplotních profilech soustavy byly pozorovány převážně změny v důsledku fázového přechodu PCM; měrná tepelná kapacita byla stanovena na 1300 J·kg·K a tepelná vodivost na 1,3 W·m·K.This thesis focuses on thermoelectric conversion, with an emphasis on the integration of a thermoelectric generator with a phase change material and potentially using photovoltaic panels as a heat source. It aims to discuss the topic of thermoelectric conversion, latent heat accumulation in PCM, and the combination of these two processes. Based on this information, measurements of thermoelectric voltage across a series of magnesium oxychloride cement samples with varying contents of activated nano-AlO [(0; 0,05; 0,1; 0,5; 1) wt.% ANS] were conducted. The experiment was carried out by applying power on a resistor (heat source) located on one side of a sample and gradually increasing it, while the thermostat on the opposite side was maintaining a reference temperature of 20°C. A nanovoltmeter was used to collect thermoelectric data. Current-voltage characteristics were plotted using data obtained from an electrometer. The Seebeck coefficient (units of mV/K), Peltier coefficient (hundredths of volts), and the current-voltage characteristics of the samples suggest that at lower temperatures, the dominant charge carriers in all ANS-containing samples are electrons or chloride ions. At higher temperatures, however, magnesium ions seem to become the dominant charge carriers instead. Thermal conductivity ranged from 1,3 to 2,6W·m·K, decreasing with increasing ANS content, except for the lowest ANS concentration, which exhibited a higher value than the reference sample. Electrical conductivity ranged from 109 to 105S/m, with no observable trend relative to ANS content. The conversion efficiency zT was relatively low, ranging from 1015 to 108, with ANS0,05 sample exhibiting the highest value. The second goal was to observe the temperature profile of the combined TEG-PCM module and to determine its thermal conductivity and specific heat capacity. Measurements were conducted over five heating/cooling cycles and continuously monitored using a thermo camera. The phase transition of the PCM was clearly observed. The specific heat capacity was determined to be 1300J·kg·K, and thermal conductivity was measured at 1,3W·m·K.