Termoelektriese Opwekkers: Beginsels, Materialen en Toepassings
'n Termoelektriese generator (TEG) is 'n toestel wat hitte-energie na elektriese energie omskakel deur gebruik te maak van die Seebeck-effek. Die Seebeck-effek is 'n verskynsel wat voorkom wanneer 'n temperatuurverskil bestaan tussen twee verskillende geleiders of 'n sirkel van geleiders, wat 'n elektriese potensiaalverskil skep. TEG's is vaste-staatstoestelle sonder beweegdele en kan vir lang tyd stil en betroubaar werk. TEG's kan gebruik word om afvalhitte van verskeie bronne, soos industriële prosesse, motors, kragstasies, en selfs menslike liggaamshitte, te verken en dit om te skakel na nuttige elektrisiteit. TEG's kan ook gebruik word om verre toestelle, soos sensore, draadlose oorsenders, en ruimtesondes, te bekragtig deur radio-isotoppe of sonhitte as die hittebron te gebruik.
Hoe werk 'n termoelektriese generator?
'n Termoelektriese generator bestaan uit twee hoofkomponente: termoelektriese materiaal en termoelektriese module.
Termoelektriese materiaal is materiaal wat die Seebeck-effek vertoon, wat beteken dat hulle 'n elektriese spanning genereer wanneer hulle blootgestel word aan 'n temperatuurgradiënt. Termoelektriese materiaal kan in twee tipes gedefinieer word: n-tipe en p-tipe. N-tipe materiaal het 'n oorskoot aan elektrone, terwyl p-tipe materiaal 'n tekort aan elektrone het. Wanneer 'n n-tipe materiaal en 'n p-tipe materiaal in reeks met metaal-elektrodes verbonden word, vorm hulle 'n thermokoppel, wat die basiese eenheid van 'n termoelektriese generator is.
'n Termoelektriese module is 'n toestel wat baie thermokoppels bevat wat elektries in reeks en termies parallel verbonden is. 'n Termoelektriese module het twee kante: 'n warm kant en 'n koue kant. Wanneer die warm kant blootgestel word aan 'n hittebron en die koue kant blootgestel word aan 'n hitteafvoer, word 'n temperatuurverskil geskep oor die module, wat 'n stroom veroorsaak om deur die sirkel te vloei. Die stroom kan gebruik word om 'n buitentoelewingslast te bekragtig of 'n batterij op te laai. Die spanning en kraguitset van 'n termoelektriese module hang af van die aantal thermokoppels, die temperatuurverskil, die Seebeck-koeffisient, en die elektriese en termiese weerstand van die materiaal.
Die effektiwiteit van 'n termoelektriese generator word gedefinieer as die verhouding van die elektriese kraguitset tot die hitte-invoer van die bron. Die effektiwiteit van 'n termoelektriese generator word beperk deur die Carnot-effektiwiteit, wat die maksimum moontlike effektiwiteit is vir enige hittemotor wat tussen twee temperature werk. Die Carnot-effektiwiteit word gegee deur:
ηCarnot=1−ThTc
waar Tc die temperatuur van die koue kant is, en Th die temperatuur van die warm kant is.
Die werklike effektiwiteit van 'n termoelektriese generator is veel lager as die Carnot-effektiwiteit weens verskeie verliese soos Joule-verhitting, termiese geleiding, en termiese straling. Die werklike effektiwiteit van 'n termoelektriese generator hang af van die verdienstegetal (ZT) van die termoelektriese materiaal, wat 'n dimensielose parameter is wat die prestasie van 'n materiaal vir termoelektriese toepassings meet. Die verdienstegetal word gegee deur:
ZT=κα2σT
waar α die Seebeck-koeffisient is, σ die elektriese geleidbaarheid is, κ die termiese geleidbaarheid is, en T die absolute temperatuur is.
Hoe hoër die verdienstegetal, hoe hoër die effektiwiteit van die termoelektriese generator. Die verdienstegetal hang af van beide intrinsiese eienskappe (soos elektron- en fononvervoer) en ekstrinsiese eienskappe (soos dopvlak en geometrie) van die materiaal. Die doel van termoelektriese materiaalnavorsing is om materiaal te vind of ontwerp wat 'n hoë Seebeck-koeffisient, hoë elektriese geleidbaarheid, en lae termiese geleidbaarheid het, wat dikwels konflikterende vereistes is.
Watter algemene termoelektriese materiaal is daar?
Termoelektriese materiaal kan in drie kategorieë geklassifiseer word: metale, halfgeleiders, en komplekse verbindinge.
Metale het hoë elektriese geleidbaarheid, maar lae Seebeck-koeffisient en hoë termiese geleidbaarheid, wat lei tot 'n lae verdienstegetal. Metale word hoofsaaklik as elektrodes of interkonneksies in termoelektriese module gebruik.
Halfgeleiders het matige elektriese geleidbaarheid en Seebeck-koeffisient, maar hoë termiese geleidbaarheid, wat lei tot 'n matige verdienstegetal. Halfgeleiders kan gedopeer word om n-tipe of p-tipe materiaal met verskillende draerkonsertrasies en mobiliteite te skep. Halfgeleiders word wyd as termoelektriese materiaal vir laetemperature-toepassings (onder 200°C) gebruik.
Komplekse verbindinge het lae elektriese geleidbaarheid, maar 'n hoë Seebeck-koeffisient en lae termiese geleidbaarheid, wat lei tot 'n hoë verdienstegetal. Komplekse verbindinge bestaan gewoonlik uit verskeie elemente met verskillende valensiestatusse en kristalstrukture, wat komplekse elektroniese bandstrukture en fononskatting-meganismes skep wat termoelektriese prestasie verhoog. Komplekse verbindinge word wyd as termoelektriese materiaal vir hoëtemperature-toepassings (bo 200°C) gebruik.
Sommige voorbeelde van algemene termoelektriese materiaal is:
Bismut telluuride (Bi2Te3) en sy legers: Hierdie is die mees wyd gebruikte termoelektriese materiaal vir laetemperature-toepassings (onder 200°C), soos koeltoestelle en kragopwekking van afvalhitte-bronne. Bi2Te3 het 'n laagstruktuur wat bestaan uit wisselende kwintuple liggies van Bi2 en Te3 atome gebonde deur swak van der Waalskrigte. Hierdie struktuur lei tot lae termiese geleidbaarheid weens fononskatting by die laggrense. Bi2Te3 kan met ander elemente soos antimon (Sb), seleen (Se), of swawel (S) gelageer word om sy elektriese eienskappe te tuneer en sy verdienstegetal te optimaliseer.
Lood telluuride (PbTe) en sy legers: Hierdie is onder die mees wyd gebruikte termoelektriese materiaal vir mediumtemperature-toepassings (200-600°C), soos kragopwekking van motor-uitlaat of industriële afvalhitte-bronne. PbTe het 'n rotsout-struktuur wat bestaan uit wisselende liggies van Pb2+ en Te2- ionne gebonde deur sterke ioniese krigte. Hierdie struktuur lei tot 'n hoë Seebeck-koeffisient weens swaar Pb-atome wat groot banddegenerasie naby die Fermi-nivo skep. PbTe kan met ander elemente soos tin (Sn), thallium (Tl), of natrium (Na) gelageer word om sy verdienstegetal te verhoog.
Skutterudiete: Hierdie is komplekse verbindinge met die algemene formule MX3, waar M 'n oorgangsmetaal (soos kobalt, Co) is en X 'n pniktogen (soos antimon, Sb) is.
Skutterudiete het 'n kubus-struktuur wat bestaan uit 'n driedimensionele netwerk van M4X12 eenhede met groot leëruimtes wat gasatoms (soos selene-elemente, RE) kan akkommodeer. Die gasatoms funksioneer as fononskattinge wat die termiese geleidbaarheid verlaag, terwyl die gasheeratoms hoë elektriese geleidbaarheid en Seebeck-koeffisient verskaf. Skutterudiete is beloftevolle termoelektriese materiaal vir medium- tot hoëtemperature-toepassings (300-800°C), soos kragopwekking van afvalhitte-herwinning of gekoncentreerde sonkrag.
Half-Heusler verbindinge: Hierdie is ternaire verbindinge met die algemene formule XYZ, waar X 'n oorgangsmetaal (soos titanium, Ti) is, Y 'n ander oorgangsmetaal (soos nikkel, Ni) is, en Z 'n hoofgroep-element (soos tin, Sn) is.
Half-Heusler verbindinge het 'n kubus-struktuur wat bestaan uit vier interpenetreerende fcc-subrasters, een beset deur X-atome en die ander drie beset deur Y en Z-atome in 'n 1:2-verhouding. Half-Heusler verbindinge het hoë Seebeck-koeffisient en elektriese geleidbaarheid weens hul komplekse elektroniese bandstrukture en lae termiese geleidbaarheid weens hul swaar konstituente atome. Half-Heusler verbindinge is beloftevolle termoelektriese materiaal vir hoëtemperature-toepassings (bo 800°C), soos kragopwekking van kernreaktors of ruimtevaartmotors.
Watter toepassings het termoelektriese generators?
Termoelektriese generators het verskeie toepassings in verskillende velde, afhangende van die temperatuurbereik, kraguitset, en hittebronbeskikbaarheid. Sommige voorbeelde van termoelektriese generator-toepassings is:
Koeltoestelle: Termoelektriese generators kan gebruik word om elektroniese komponente, soos mikroprosesseurs, lasers, of sensore, te koel deur 'n elektriese stroom toe te pas om 'n temperatuurverskil tussen die warm en koue kant van die module te skep. Hierdie proses word termoelektriese koeling of die Peltier-effek genoem, wat die omgekeerde van die Seebeck-effek is. Termoelektriese koeltoestelle het voordele bo konvensionele koelmetodes, soos kompaktheid, betroubaarheid, stilte, en presiese temperatuurregeling.
Kragopwekking vanaf afvalhitte: Termoelektriese generators kan gebruik word om afvalhitte van verskeie bronne, soos industriële prosesse, motors, kragstasies, en selfs menslike liggaamshitte, te verken en dit om te skakel na nuttige elektrisiteit. Dit kan energie-effektiwiteit verbeter en die broeikasgas-emissies van hierdie bronne verminder. Byvoorbeeld, termoelektriese generators kan geïntegreer word in motor-uitlaatsisteme om sommige van die hitte te herwin wat tydens brandstofverbruik verlore gaan en elektrisiteit op te wek vir oorbord-elektronika of batterylaading. Termoelektriese generators kan ook aan menslike vel of klere geheg word om elektrisiteit van liggaamshitte op te wek vir die bekragtiging van draagbare toestelle of mediese implante.
Kragopwekking vanaf radio-isotoppe: Termoelektriese generators kan gebruik word om verre toestelle, soos sensore, draadlose oorsenders, en ruimtesondes, te bekragtig deur radio-isotoppe as die hittebron te gebruik.
Radio-isotoppe is onstabiele isotoppe wat straling uitsend en in ander elemente verval. Die straling kan omgeskakel word na hitte deur 'n materiaal te gebruik wat dit absorbeer, soos lood of wolfraam. Die hitte kan dan omgeskakel word na elektrisiteit deur termoelektriese module te gebruik. Radio-isotoop termoelektriese generators (RTG's) het voordele bo ander kragbronne, soos batterye of sonpaneel, in terme van lang leeftyd, hoë betroubaarheid, en onafhanklikheid van omgewingsomstandighede. RTG's is gebruik om baie ruimtemissies te bekragtig, so
