Advanced cementitious composites for thermoelectric energy harvesting

Abstract

Thermoelectricity has been studied for more than two centuries and offers a sustainable way to recover and convert waste heat into easily available electric energy. The first thermoelectric generators use materials that are still of valuable research interest, while new ideas and concepts, regarding our understanding of materials development, processing and characterization have advanced over the past 30 years. Thus, new classes of thermoelectric materials are developing, providing new opportunities for improving the efficiency of thermoelectric conversion. Due to the increasing demand for sustainable energy conversion technologies, it is crucial to develop thermoelectrics based on available, non-toxic materials that can be manufactured at economically viable sizes and are suited for a variety of temperature ranges. The current thesis explores the manufacturing of smart, multi-functional, thermoelectric cement-based composite materials with optimized performance. More specifically, the optimization of the thermoelectric cementitious materials was accomplished via the modification of the cement matrix with carbon fillers either at the nanoscale or at the microscale. The type, weight content and processing protocols were optimised to facilitate the development of cement-based composites presenting advanced thermoelectric energy harvesting characteristics. Cement-based thermoelectric energy generators that could enable the powering of low-consumption electronic devices were manufactured.

Το φαινόμενου του θερμοηλεκτρισμού έχει μελετηθεί για περισσότερο από δύο αιώνες και προσφέρει έναν βιώσιμο τρόπο ανάκτησης και μετατροπής της απορριπτόμενης θερμότητας σε προσβάσιμη και διαθέσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Οι πρώτες θερμοηλεκτρικές γεννήτριες που κατασκευάστηκαν με σκοπό την ανάκτηση της απορριπτόμενης ενέργειας χρησιμοποιούν υλικά που εξακολουθούν να παρουσιάζουν πολύτιμο ερευνητικό ενδιαφέρον, ενώ νέες ιδέες και έννοιες σχετικά με την κατανόησή μας για την ανάπτυξη, την επεξεργασία και τον χαρακτηρισμό των θερμοηλεκτρικών υλικών έχουν προχωρήσει τα τελευταία 30 χρόνια. Ως επακόλουθο, αναπτύσσονται νέες κατηγορίες θερμοηλεκτρικών υλικών, παρέχοντας νέες ευκαιρίες για τη βελτίωση της απόδοσης της θερμοηλεκτρικής μετατροπής της θερμότητας σε χρήσιμες μορφές ενέργειας. Λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για βιώσιμες τεχνολογίες μετατροπής ενέργειας, είναι σημαντικό να αναπτυχθούν θερμοηλεκτρικές δομές με βάση διαθέσιμα, μη τοξικά υλικά που μπορούν να κατασκευαστούν σε οικονομικά βιώσιμα μεγέθη και να είναι κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικά θερμοκρασιακά εύρη.Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την κατασκευή έξυπνων, πολυλειτουργικών, θερμοηλεκτρικών σύνθετων υλικών με βάση το τσιμέντο. Πιο συγκεκριμένα, η ανάπτυξη και βελτιστοποίηση των θερμοηλεκτρικών τσιμεντοειδών υλικών επιτεύχθηκε μέσω της τροποποίησης της τσιμεντοειδούς μήτρας με ενισχυτικά υλικά του άνθρακα που παρουσιάζουν διαστάσεις στην νάνο- και μίκρο-κλίμακα. Ο τύπος των υλικών του άνθρακα, το κατά βάρος ποσοστό ενίσχυσης της τσιμεντοειδούς μήτρας καθώς και τα πρωτόκολλα διασποράς αυτών βελτιστοποιήθηκαν για να διευκολύνουν την ανάπτυξη σύνθετων υλικών με βάση το τσιμέντο που παρουσιάζουν την ικανότητα συλλογής και μετατροπής της θερμοηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, κατασκευάστηκαν γεννήτριες θερμοηλεκτρικής ενέργειας με βάση το τσιμέντο που θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογή για μια πιο βιώσιμη δόμηση, επιτρέποντας την τροφοδοσία ηλεκτρονικών συσκευών χαμηλής και μέσης κατανάλωσης.