Laboratorium Technologii Termoelektrycznych (TT)

Pawilon C-5, lokal 211, 321, 411, 413

 

W skład laboratorium wchodzi:

  • Laboratorium Technologii Termoelektrycznych

Technologie związane z materiałami i urządzeniami termoelektrycznymi należą do najnowocześniejszych dziedzin, które w ostatnich latach zyskują rosnące zainteresowanie inżynierów i naukowców. Ich dynamiczny rozkwit wynika m.in. z walorów aplikacyjnych urządzeń termoelektrycznych w szczególności w obszarze energetyki. Obecnie elementy termoelektryczne  są wykorzystywane na szeroką skalę w różnego typu czujnikach temperatury, przetwornikach strumienia ciepła, wilgotności a także do konstrukcji miniaturowych pomp ciepła używanych do chłodzenia m.in. procesorów, diod laserowych, oraz do konstrukcji systemów chłodniczych i klimatyzacji stosowanych w przemyśle samochodowym. Dzięki swoim zaletom stosowane są także do budowy lekkich i niezawodnych nowoczesnych systemów zasilania (tzw. radioizotopowych generatorów termoelektrycznych) używanych w technice kosmicznej i wojskowej.

Aktualnie w wielu ośrodkach badawczych na świecie prowadzone są prace nad szerokim zastosowaniem tego typu urządzeń do konwersji energii geotermalnej i słonecznej.  Szczególne nadzieje wiąże się jednak z wykorzystaniem nowatorskich technologii termoelektrycznych do odzysku ciepła odpadowego wytwarzanego w procesach przemysłowych w celu zwiększenia efektywności i radykalnego zmniejszenia emisji CO2. Szybki rozwój różnych dziedzin energetyki odnawialnej oraz energetyki jądrowej generuje nowe potrzeby i wyzwania w dziedzinie opracowania nowych wydajnych materiałów i urządzeń termoelektrycznych.

Powołane centrum badawczo-wdrożeniowe będzie miało za zadanie  zaspokojenie rodzących się nowych potrzeb rozwijającego się polskiego przemysłu energetycznego.  W szczególności będą w nim świadczone kompleksowe usługi w dziedzinie opracowania, zastosowania i certyfikacji nowych materiałów, urządzeń termoelektrycznych i innowacyjnych technologii z nimi powiązanych.            

 

Zestawienie stanowisk badawczych

1. Aparatura do pomiarów przewodnictwa cieplnego metodą Laser-Flash (LFA)

2. Aparatura do pomiarów ciepła właściwego i przemian fazowych (DSC)

3. Aparatura do badań dylatometrycznych (DIL)

4. Aparatura do badań termograwimetrycznych (TG-DTA-EGA) (1)

5. Aparatura do pomiarów współczynnika Seebecka i przewodnictwa elektrycznego (SBA) (1)

6. Aparatura do badań strukturalnych (XRD) (1)

7. Aparatura do pomiarów koncentracji nośników prądów metodą Halla

 

 

Opis stanowisk badawczych

 

Ad.1) Aparatura do pomiarów przewodnictwa cieplnego metodą Laser-Flash (LFA) umożliwia wykonywanie badań właściwości cieplnych materiałów (tj. dyfuzyjności cieplnej, ciepła właściwego oraz przewodnictwa cieplnego) w zakresie od -150°C do 2000 °C. z wysoką dokładnością i powtarzalnością. Umożliwia przeprowadzenie badań materiałów zarówno o wysokim przewodnictwie cieplnym takich jak metale, węglik krzemu czy diament jak i niskim – takich jak ceramiczne materiały izolacyjne oraz polimery.  Metoda pozwala na badanie właściwości cieplnych cienkich warstw, past i cieczy a także próbek warstwowych i wyznaczanie niezależnie przewodnictwa warstw oraz podłoży. Aparatura ta jest powszechnie stosowana w badaniach materiałów używanych w energetyce: materiałów konstrukcyjnych wymienników ciepła, maszyn cieplnych, materiałów izolacyjnych oraz cieplnie przewodzących, wykładzin ogniotrwałych, powłok ochronnych TBC i wielu innych

 

Ad.2) Aparatura DSC (differential scanning calorimeter) służy m.in. do badań ciepła właściwego materiałów, wyznaczania temperatur przemian fazowych, pomiarów kalorymetrycznych tych przemian w szerokim zakresie temperatur od -150 do 1500 °C. Jest narzędziem pomocniczym przy wyznaczaniu przewodnictwa cieplnego materiałów metodą LFA (Ad.1) oraz innymi metodami dynamicznymi. Pomiary metodą DSC są powszechnie wykorzystywane m.in. przy badaniach metalicznych, ceramicznych i polimerowych materiałów konstrukcyjnych, materiałów funkcjonalnych do akumulatorów ciepła, wymienników ciepła a także np. do badań parametrów cieplnych paliw stałych i płynnych oraz procesów ich utleniania i spalania.  

Ad3) Badania dylatometryczne pozwalają na m.in. na wyznaczenie współczynnika rozszerzalności termicznej - ważnego parametru materiałów konstrukcyjnych w szerokim, zakresie temperatur od – 150 do 1500°C.   Aparatura do badań dylatometrycznych (DIL) jest niezbędna przy projektowaniu złożonych elementów i urządzeń energetycznych (np. paneli fotowoltaicznych, modułów termoelektrycznych) w celu odpowiedniego doboru materiałów podłożowych, lutowi, materiałów kontaktowych, barier dyfuzyjnych, itp. Pomiary dylatometryczne użyteczne są także w badaniach przemian fazowych np. materiałów z pamięcią kształtu, badaniach procesów spiekania a nawet niektórych reakcji chemicznych w ciałach stałych. 

Ad.4) Aparatura termograwimetryczna DTA-TG-EGA jest komplementarnym narzędziem w stosunku do ww. wymienionych technik używanym w badaniach wpływu temperatury na właściwości materiałów. Pozwala na przeprowadzenie pomiarów zmian masy substancji stałych i ciekłych oraz dokonanie analizy składu chemicznego wydzielanych substancji gazowych podczas ogrzewania materiałów w szerokim zakresie temperatur od – 150 do 2000°C. W inżynierii materiałowej używana jest często do badań trwałości termicznej materiałów, w tym procesów utleniania i korozji w różnych atmosferach. Jest także niezbędna np. w badaniach materiałów do przechowywania gazów (np. tlenu, wodoru), procesów gazyfikacji węgla oraz innych minerałów. 

Ad.5) Aparatura do pomiarów współczynnika Seebecka i przewodnictwa elektrycznego pozwala na wykonanie podstawowych badań właściwości elektrycznych materiałów metalicznych i półprzewodnikowych w funkcji temperatury (-150 do 800°C). Jest ważnym narzędziem używanym do opracowywania i badań materiałów termoelektrycznych pozwalającym m.in. na wyznaczenie współczynnika efektywności termoelektrycznej w funkcji temperatury oraz energii aktywacji przewodnictwa. Ma też zastosowanie w badaniach używanych w energetyce materiałów półprzewodnikowych do wysokotemperaturowych elementów sterujących i przełączających (diod, tranzystorów), materiałów funkcjonalnych i konstrukcyjnych ogniw paliwowych (przewodników jonowych, interkonektorów), ogniw fotowoltaicznych oraz ogniw elektrochemicznych. 

Ad.6) Aparatura do badań strukturalnych XRD jest kompaktowym urządzeniem, które pozwala na wykonanie szybkiej analizy (<30 min) składu fazowego badanych materiałów i tworzyw. Jest niezbędnym narzędziem pomocniczym przy preparatyce nowych materiałów, bieżącej korekcie składu oraz doborze warunków prowadzenia syntezy. Umożliwia także dokonanie analizy składu próbek przed ich umieszczeniem w urządzeniach do analizy termicznej – badania takie znacznie zmniejszają ryzyko uszkodzenia cennych urządzeń.

Niezwykle istotną cechą aparatury jest możliwość wykonywania zaawansowanych badań strukturalnych: w tym analizy mikronaprężeń, rozmiaru krystalitów czy fourierowskiej analizy rozkładu gęstości elektronowej – kluczowych parametrów strukturalnych i mikrostrukturalnych związanych z makroskopowymi właściwościami termoelektrycznymi. 

Ad.7) Aparatura do pomiarów współczynnika Halla umożliwia wykonanie pomiarów koncentracji nośników prądu w półprzewodnikach, ale także scharakteryzowanie ich ważnych właściwości transportowych – tj. ruchliwości oraz mas efektywnych. Ma kluczowe zastosowanie przy optymalizacji procesów domieszkowania materiałów półprzewodnikowych używanych w energetyce (np. materiałów termoelektrycznych i fotowoltaicznych) i w elektronice. Jest także ważnym narzędziem używanym do oceny stopnia zdefektowania materiałów przewodzących powstającego wskutek procesów starzenia, naprężeń czy też wpływu promieniowania jonizującego wytwarzanego m.in. w reaktorach jądrowych. 

 

 

Zakres badawczy laboratorium

 

Z założenia utworzone laboratorium badań termoelektrycznych będzie włączone w realizację projektów badawczo-rozwojowych oraz wdrożeniowych, realizowanych we współpracy z przemysłem, nad opracowaniem technologii związanych z transportem, akumulacją ciepła i jego bezpośrednim przetwarzaniem na użyteczną energię elektryczną. Badania będą dotyczyć szeroko pojętych zastosowań materiałów zarówno w zakresie innowacyjnych technologii dotyczących wykorzystania energii odnawialnej, geotermalnej czy słonecznej jak i w klasycznej energetyce cieplnej i jądrowej. Zakres badań będzie obejmować zarówno opracowywanie nowych materiałów funkcjonalnych, izolacyjnych i konstrukcyjnych jak i właściwy dobór wymienionych materiałów w konkretnych aplikacjach.

Drugim celem istnienia laboratorium LBT są badania usługowe (tj. badania kontrolne, badania certyfikacyjne, świadectwa wzorcowania) związane z charakterystyką parametrów cieplnych i elektrycznych materiałów wytwarzanych przemysłowo dla potrzeb energetyki. Laboratorium będzie wyposażone w komplementarny zestaw najnowszej aparatury do pomiarów właściwości cieplnych i elektrycznych umożliwiający wykonywanie certyfikowanych badań materiałowych w oparciu o aktualnie stosowane normy europejskie. Akredytacja laboratorium wpłynie na zwiększenie prestiżu i wiarygodności wykonywanych badań certyfikacyjnych, świadectw wzorcowania i badań kontrolnych a z drugiej strony pozwoli na dostosowanie laboratorium do prawodawstwa Rzeczpospolitej Polskiej oraz Unii Europejskiej. Ułatwi na dostęp do środków pomocowych z UE i zwiększy szanse udziału i pozycję jednostki w projektach międzynarodowych. 

Ze względu na szeroki i uniwersalny zakres zaplecza aparaturowego do badań materiałowych laboratorium będzie mogło pełnić także funkcję pomocniczą w projektach innych zespołów Centrum Energetyki. 

  

Opis sposobu wykorzystania sprzętu w kontekście planowanych do wykonania badań oraz realizacji założonych projektów badawczych

 

Sprzęt wymieniony w planie wyposażenia laboratorium LBT będzie wykorzystywany zarówno dla potrzeb usługowych jak i realizacji projektów badawczo-wdrożeniowych. Bazując na danych dotyczących aktualnej współpracy Laboratorium Badań Termoelektrycznych WIMiC z przemysłem przedstawiamy następującą listę projektów, których kontynuację w najbliższym czasie przewidujemy:

 1.       Opracowanie segmentowych modułów termoelektrycznych do zastosowań w motoryzacji (projekt NCBiR, kontynuacja projektu z HONDA R&D, 2012) 

Celem projektu jest opracowanie technologii wytwarzania modułów termoelektrycznych o wysokiej sprawności na bazie opracowanych na AGH materiałów funkcjonalnych.

Wykorzystanie zaplecza badawczego: aparatura LFA - wyznaczenie przewodnictwa cieplnego materiałów termoelektrycznych, materiałów podłożowych, lutowi, barier dyfuzyjnych, powłok ochronnych, materiałów kontaktowych, Aparatura DSC – pomiary ciepła właściwego ww. materiałów, badania przemian fazowych, aparatura DIL – dobór materiałów podłożowych i złączowych, aparatury do pomiarów parametrów elektrycznych (SMT) – optymalizacja parametrów materiałów termoelektrycznych i złącz.

 

 

2.       Zastosowanie generatorów termoelektrycznych do zwiększenia sprawności wybranych urządzeń energetycznych w elektrociepłowni (projekt z EDF, 2014-2015)

 

Celem projektu jest opracowanie technologii wykorzystania ciepła odpadowego przy zastosowaniu generatorów termoelektrycznych.

Wykorzystanie zaplecza badawczego: aparatura LFA - wyznaczenie przewodnictwa cieplnego modułów termoelektrycznych, materiałów złączowych i kontaktowych, Aparatura DSC – pomiary ciepła właściwego materiałów, aparatura DIL – dobór materiałów konstrukcyjnych, aparatury do pomiarów parametrów elektrycznych – charakterystyka parametrów modułów termoelektrycznych

  

3.       Opracowanie radioizotopowego generatora termoelektrycznego wykorzystującego zużyte paliwo jądrowe (projekt badawczy z Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku)

 

Celem projektu jest opracowanie konstrukcji oraz materiałów do prototypowego generatora RTG działającego w oparciu o zużyte paliwo jądrowe.

 

Wykorzystanie zaplecza badawczego: aparatura LFA - wyznaczenie przewodnictwa cieplnego materiałów termoelektrycznych, materiałów podłożowych, lutowi, barier dyfuzyjnych, powłok ochronnych, materiałów kontaktowych, Aparatura DSC – pomiary ciepła właściwego ww. materiałów, badania przemian fazowych, aparatura DIL – dobór materiałów podłożowych i złączowych, aparatury do pomiarów parametrów elektrycznych (SMT) – optymalizacja parametrów materiałów termoelektrycznych i złącz. Aparatura do pomiarów efektu Halla – badania procesów degradacji materiałów funkcjonalnych

  

4.       Badania właściwości cieplnych węgli do procesów gazyfikacji (projekt z SASOL Technology Ltd, 2010)

 

Użycie aparatury: badania mechanizmu rozkładu termicznego węgli przy użyciu aparatury DTA+TG+EGA,  wyznaczanie ciepła właściwego stałych produktów rozkładu przy pomocy aparatury DSC, wyznaczenie dyfuzyjności termicznej oraz przewodnictwa cieplnego przy pomocy aparatury LFA, aparatury DIL: badania skurczu stałych produktów rozkładu termicznego

 

 

 

Użytkownicy laboratorium

prof. dr hab. inż. Krzysztof Wojciechowski

tel. 12 617 34 42

e-mail: wojciech@agh.edu.pl