Het ThermoHarv-project heeft als doel flexibele thermo-elektrische generatoren te ontwikkelen, gemaakt van organische halfgeleiders, oftewel polymeren, om alle restwarmte die verloren gaat in gebouwen (residentieel, industrieel en commercieel) terug te winnen. Daarom is het essentieel om de thermo-elektrische prestaties van de binnen het programma ontwikkelde apparaten te begrijpen. Dit is de missie van het UMET-laboratorium aan de Universiteit van Lille, dat drie parameters meet: de elektrische geleidbaarheid σ, de Seebeck-coëfficiënt S (ook wel thermo-elektrisch vermogen genoemd) en de thermische geleidbaarheid ν. Ontdek in dit artikel het werk dat UMET in het kader van het programma heeft verricht.
Thermoelektrische generatoren (TEG's) zijn een betrouwbare solid-state oplossing voor het direct omzetten van warmte in elektrische energie zonder bewegende onderdelen. Dit resulteert in een stille werking, minder onderhoud en een lange levensduur. Ze maken het mogelijk om restwarmte van industriële processen, elektronische apparaten en vrijwel elke warmtebron te benutten, waardoor de algehele energie-efficiëntie van een installatie wordt verbeterd. Een TEG kan elke gewenste grootte hebben en is daardoor aanpasbaar aan elk type omgeving. Hij bestaat uit p-type en/of n-type halfgeleider “poten” die in serie zijn geschakeld door een metalen contact en thermisch parallel tussen twee warmtebronnen met verschillende temperaturen. Hoe meer poten er zijn, hoe groter ze zijn en hoe groter het terugwinbare vermogen; evenzo geldt: hoe groter het temperatuurverschil, hoe groter het terugwinbare vermogen.
Het doel van het ThermoHarv-project, medegefinancierd door het Interreg France-Wallonia-Flanders-programma, is het ontwikkelen van flexibele materialen voor thermische energieopslag (TES) op basis van organische halfgeleiders, oftewel polymeren, om alle restwarmte die verloren gaat in gebouwen (residentieel, industrieel en commercieel) terug te winnen.
Om de thermo-elektrische prestaties van een materiaal (en dus van TES) te bepalen, moeten drie parameters worden gemeten: de elektrische geleidbaarheid σ, de Seebeck-coëfficiënt S (ook wel thermo-elektrisch vermogen genoemd) en de thermische geleidbaarheid ν. Deze wordt gebruikt om de figuur van verdienste ZT = (σS²)/κT bij temperatuur T te berekenen. ZT moet zo hoog mogelijk zijn; daarom heeft een goed thermo-elektrisch materiaal een hoge elektrische geleidbaarheid en Seebeck-coëfficiënt en een lage thermische geleidbaarheid, wat om bekende fysische redenen moeilijk in de praktijk te bereiken is. Halfgeleidermaterialen vormen daarom het beste compromis en er bestaan optimalisatiestrategieën.
De afgelopen tien jaar heeft het UMET-laboratorium van de Universiteit van Lille (Materialen en Transformaties Eenheid, UMR CNRS 8207) onderzoek verricht op het gebied van thermo-elektrische polymeren en polymeermatrixcomposieten die warmte kunnen omzetten in elektrische energie. We beschikken over gedegen expertise in de ontwikkeling van polymeermatrixnanocomposieten met koolstofnanobuisjes, in het meten van de thermo-elektrische eigenschappen van materialen en in methoden voor de structurele karakterisering van deze materialen, evenals in de ontwikkeling van organische thermo-elektrische generatoren (OTEG's). Bij UMET zijn we daarom uitstekend uitgerust om σ, S en Ϋ te meten.
Binnen het ThermoHarv-project is UMET onder andere de coördinator van thermo-elektrische metingen om de kwaliteitsfactor te bepalen van de materialen die zijn ontwikkeld door IMT Nord Europe en SMPC UMONS.
Voor dunne films (monsterdikte < 20 µm), die voor ons in het ThermoHarv-project van bijzonder belang zijn, beschikken we over een uniek apparaat op de markt waarmee we deze 3 parameters vrijwel gelijktijdig en temperatuurafhankelijk tot 300 °C kunnen meten: de TFA (Thin Film Analyser) van het bedrijf Linseis.
De metingen zelf worden geautomatiseerd door het instrument, maar de monstervoorbereiding is vaak lastig en vereist enige ervaring: het materiaal, in vloeibare vorm in een oplosmiddel, moet met een pipet op een kleine elektronische chip (1 cm x 1 cm) worden aangebracht, die vooraf is bedekt met een nog kleiner teflonmasker (5 mm x 3 mm). Nadat het oplosmiddel is verdampt, moet het resterende monster perfect aan de chip hechten, wat niet altijd het geval is, ondanks dat de chips vrij dure wegwerpartikelen zijn.