Termoelektrik Generatollar: Prinsiplər, Materiallar və Tətbiqlər
Termoelektrik generator (TEG) bir cihazdır ki, Seebeck etkisi kullanılarak ısı enerjisini elektrik enerjisine çevirir. Seebeck etkisi, iki farklı iletken veya iletken devre arasında sıcaklık farkı olduğunda, elektrik potansiyel farkı yaratan bir fenomendir. TEG'ler hareketli parçaları olmayan katı hal cihazlarıdır ve uzun süre sessiz ve güvenilir bir şekilde çalışabilir. TEG'ler, endüstriyel süreçler, otomobiller, enerji santralleri ve hatta insan vücut ısısı gibi çeşitli kaynaklardan atık ısıyı toplayıp faydalı elektriğe dönüştürmek için kullanılabilir. TEG'ler ayrıca, sensörler, kablosuz verici ve uzay araçları gibi uzak cihazları radyoizotoplar veya güneş ısısı gibi ısı kaynağı kullanarak güçlendirmek için de kullanılabilir.
Termoelektrik Generator Nasıl Çalışır?
Bir termoelektrik generatorin iki ana bileşeni vardır: termoelektrik malzemeler ve termoelektrik modüller.
Termoelektrik malzemeler, Seebeck etkisini gösteren malzemelerdir, yani sıcaklık gradyanına maruz kalınca elektrik voltajı üretirler. Termoelektrik malzemeler, n-tipi ve p-tipi olmak üzere ikiye ayrılabilir. N-tipi malzemeler fazladan elektronlara sahipken, p-tipi malzemeler elektron eksikliğine sahiptir. Bir n-tipi malzeme ve bir p-tipi malzeme metallektrodlarla seri olarak bağlandığında, bu bir termokupl oluşturur, bu da bir termoelektrik generatorün temel birimidir.
Bir termoelektrik modül, birçok termokuplyi elektriksel olarak seri ve termal olarak paralel olarak bağlayan bir cihazdır. Bir termoelektrik modülün iki tarafı vardır: sıcak taraf ve soğuk taraf. Sıcak taraf bir ısı kaynağına, soğuk taraf ise bir ısı alıcıya maruz kaldığında, modül boyunca sıcaklık farkı oluşur ve devrede akım akar. Bu akım, dış yükü çalıştırmak veya bir batarya şarj etmek için kullanılabilir. Bir termoelektrik modülün voltaj ve güç çıkışı, termokupllerin sayısı, sıcaklık farkı, Seebeck katsayısı ve malzemelerin elektriksel ve termal dirençlerine bağlıdır.
Bir termoelektrik generatorün verimliliği, kaynaktan gelen ısı girişine göre elektriksel güç çıkışının oranıdır. Bir termoelektrik generatorün verimliliği, iki sıcaklık arasında çalışan herhangi bir ısı motoru için maksimum mümkün verim olan Carnot verimliliği tarafından sınırlıdır. Carnot verimliliği şu şekilde verilir:
ηCarnot=1−ThTc
burada Tc soğuk tarafın sıcaklığı, Th ise sıcak tarafın sıcaklığıdır.
Bir termoelektrik generatorün gerçek verimliliği, Joule ısıtma, termal iletim ve termal ışınım gibi çeşitli kayıplar nedeniyle Carnot verimliliğinden çok daha düşüktür. Bir termoelektrik generatorün gerçek verimliliği, ZT figürü adı verilen bir parametreden, yani bir malzemenin termoelektrik uygulamalar için performansını ölçen boyutsuz bir parametreden bağımlıdır. ZT figürü şu şekilde verilir:
ZT=κα2σT
burada α Seebeck katsayısı, σ elektriksel iletkenlik, κ termal iletkenlik ve T mutlak sıcaklıktır.
ZT figürü ne kadar yüksekse, termoelektrik generatorün verimliliği o kadar yüksektir. ZT figürü, malzemelerin hem iç özelliklerine (örneğin elektron ve fonon taşıması) hem de dış özelliklerine (örneğin dozaj seviyesi ve geometri) bağlıdır. Termoelektrik malzemeler araştırma hedefi, yüksek Seebeck katsayısı, yüksek elektriksel iletkenlik ve düşük termal iletkenliğe sahip malzemeleri bulmak veya tasarlamaktır, bu genellikle çelişen gereksinimlerdir.
Bazı Yaygın Termoelektrik Malzemeler Nedir?
Termoelektrik malzemeler, metaller, yarıiletkenler ve karmaşık bileşikler olmak üzere üç kategoriye ayrılabilir.
Metaller, yüksek elektriksel iletkenliğe sahip ancak düşük Seebeck katsayısı ve yüksek termal iletkenliğe sahiptir, bu da düşük bir ZT figürüne neden olur. Metaller, termoelektrik modüllerde elektrot veya bağlantı noktaları olarak kullanılır.
Yarıiletkenler, orta düzeyde elektriksel iletkenliğe ve Seebeck katsayısına sahip ancak yüksek termal iletkenliğe sahiptir, bu da orta düzeyde bir ZT figürüne neden olur. Yarıiletkenler, n-tipi veya p-tipi malzemeler oluşturmak için dozlanabilir. Yarıiletkenler, düşük sıcaklık uygulamaları (200°C'nin altında) için yaygın olarak termoelektrik malzemeler olarak kullanılır.
Karmaşık bileşikler, düşük elektriksel iletkenliğe sahip ancak yüksek Seebeck katsayısı ve düşük termal iletkenliğe sahiptir, bu da yüksek bir ZT figürüne neden olur. Karmaşık bileşikler genellikle farklı valans durumlarına ve kristal yapılarına sahip birden fazla elementten oluşur, bu da karmaşık elektronik band yapılarını ve fonon saçılmasını arttıran mekanizmalar oluşturur. Karmaşık bileşikler, yüksek sıcaklık uygulamaları (200°C'nin üzerinde) için yaygın olarak termoelektrik malzemeler olarak kullanılır.
Bazı yaygın termoelektrik malzemeler örnekleri şunlardır:
Bizmut tellürit (Bi2Te3) ve alaşımları: Bunlar, düşük sıcaklık uygulamaları (200°C'nin altında) için en yaygın kullanılan termoelektrik malzemelerdir, örneğin soğutma cihazları ve atık ısı kaynaklarından elektrik üretimi. Bi2Te3, Bi2 ve Te3 atomlarından oluşan alternatif beşkatmanlı tabakalardan oluşan tabakalı bir yapıya sahiptir. Bu yapı, tabaka sınırlarında fonon saçılması nedeniyle düşük termal iletkenliğe neden olur. Bi2Te3, antimon (Sb), selenyum (Se) veya sülfür (S) gibi diğer elementlerle alaşımlaştırılarak elektriksel özelliklerini ayarlayabilir ve ZT figürünü optimize edebilir.
Kurşun tellürit (PbTe) ve alaşımları: Bunlar, orta sıcaklık uygulamaları (200-600°C) için en yaygın kullanılan termoelektrik malzemeler arasındadır, örneğin otomobil egzozundan veya endüstriyel atık ısı kaynaklarından elektrik üretimi. PbTe, güçlü iyonik bağlarla bağlanmış Pb2+ ve Te2- iyonlarının alternatif tabakalarından oluşan tuz kristal yapısına sahiptir. Bu yapı, ağır Pb atomları nedeniyle Fermi seviyesi yakınlarında büyük band çakışmasına neden olur. PbTe, kurşun (Sn), tallium (Tl) veya sodyum (Na) gibi diğer elementlerle alaşımlaştırılarak ZT figürünü artırılabilir.
Skutteruditler: Bu, MX3 genel formülüne sahip karmaşık bileşiklerdir, burada M bir geçiş metalidir (örneğin kobalt, Co) ve X bir pniktojendir (örneğin antimon, Sb).
Skutteruditler, M4X12 birimlerinin üç boyutlu ağında büyük boşluklar bulunduran kübik bir yapıya sahiptir. Bu boşluklar, nadir toprak elementleri (RE) gibi konuk atomları barındırabilir. Konuk atomlar, termal iletkenliği azaltan fonon saçıcıları olarak görev yaparken, ana atomlar yüksek elektriksel iletkenlik ve Seebeck katsayısını sağlar. Skutteruditler, orta ila yüksek sıcaklık uygulamaları (300-800°C) için vaat edici termoelektrik malzemelerdir, örneğin atık ısı geri kazanımı veya yoğunlaştırılmış güneş enerjisi.
Half-Heusler bileşikleri: Bu, XYZ genel formülüne sahip üçlü bileşiklerdir, burada X bir geçiş metalidir (örneğin titanyum, Ti), Y başka bir geçiş metalidir (örneğin nikel, Ni) ve Z bir ana grup elementidir (örneğin çinko, Sn).
Half-Heusler bileşikleri, dört interpenetrating fcc alt kafeslerden oluşan kübik bir yapıya sahiptir, biri X atomları tarafından, diğer üçü ise 1:2 oranında Y ve Z atomları tarafından işgal edilir. Half-Heusler bileşikleri, karmaşık elektronik band yapıları nedeniyle yüksek Seebeck katsayısı ve elektriksel iletkenliğe sahiptir ve ağır ana atomları nedeniyle düşük termal iletkenliğe sahiptir. Half-Heusler bileşikleri, yüksek sıcaklık uygulamaları (800°C'nin üzerinde) için vaat edici termoelektrik malzemelerdir, örneğin nükleer reaktörler veya havacılık motorlarından elektrik üretimi.
Termoelektrik Generatorlerin Bazı Uygulamaları Nedir?
Termoelektrik generatorler, sıcaklık aralığı, güç çıkışı ve ısı kaynağı uygunluğu bağlı olarak farklı alanlarda çeşitli uygulamalara sahiptir. Bazı termoelektrik generator uygulamaları örnekleri şunlardır:
Soğutma cihazları: Termoelektrik generatorler, mikroişlemciler, lazerler veya sensörler gibi elektronik bileşenleri soğutmak için, modülün sıcak ve soğuk tarafları arasındaki sıcaklık farkını oluşturmak üzere elektrik akımı uygulanabilir. Bu süreç, Seebeck etkisinin tersi olan Peltier etkisi olarak adlandırılır. Termoelektrik soğutma cihazları, kompaklık, güvenilirlik, ses yokluğu ve hassas sıcaklık kontrolü gibi avantajlarıyla geleneksel soğutma yöntemlerine göre üstündür.
Atık ısıdan elektrik üretimi: Termoelektrik generatorler, endüstriyel süreçler, otomobiller, enerji santralleri ve hatta insan vücut ısısı gibi çeşitli kaynaklardan atık ısıyı toplayıp faydalı elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanılabilir. Bu, bu kaynakların enerji verimliliğini artıracak ve sera gaz emisyonlarını azaltacaktır. Örneğin, termoelektrik generatorler, yanma sırasında kaybedilen ısıyı bir kısmını geri kazanmak ve araçta kullanılan elektronik cihazlar veya batarya şarjı için elektrik üretmek üzere otomobil egzos sistemlerine entegre edilebilir. Termoelektrik generatorler, vücut ısısından elektrik üretmek ve giyilebilir cihazları veya tıbbi implante güç sağlamak için de insana deri veya giysilere monte edilebilir.
Radyoizotoplardan elektrik üretimi: Termoelektrik generatorler, sensörler, kablosuz vericiler ve uzay araçları gibi uzak cihazları, radyoizotopları ısı kaynağı olarak kullanarak güçlendirmek için kullanılabilir.
Radyoizotoplar, radyasyon yayıp diğer elementlere dönüşen kararsız izotoplardır. Radyasyon, plomb veya tungsten gibi onu emen bir malzeme kullanılarak ısıya dönüştürülebilir. Isı, ardından termoelektrik modüller kullanılarak elektrige dönüştürülebilir. Radyoizotoplu termoelektrik generatorler (RTG'ler), pil veya güneş panelleri gibi diğer güç kaynaklarına kıyasla, uzun ömürlülük, yüksek güvenilirlik ve çevre koşullarından bağımsızlık açısından avantajlar sunar. RTG'ler, Voyager 1 ve 2, Curiosity rover ve Perseverance rover gibi birçok uzay görevinde kullanılmıştır.
