Термоелектрични генератори: Принципи, материали и приложения

Термоелектричният генератор (ТЕГ) е устройство, което преобразува топлинна енергия в електрическа енергия, използвайки ефекта на Зеебек. Ефектът на Зеебек е феномен, който се проявява, когато има разлика в температурата между два различни проводника или цеп на проводници, което създава електрическа потенциална разлика. ТЕГ-овете са твърдотелни устройства, които нямат движещи части и могат да работят безшумно и надеждно за дълги периоди от време. ТЕГ-овете могат да се използват за използване на отпадна топлина от различни източници, такива като индустриални процеси, автомобили, електроцентрали и дори човешко телесно топло, и да я преобразуват в полезна електрическа енергия. ТЕГ-овете могат също да се използват за подхранване на уреди, намиращи се на разстояние, такива като сензори, радиопредаватели и космически апарати, използвайки радиоизотопи или слънчева топлина като източник на топлина.

Как работи термоелектричният генератор?

Термоелектричният генератор се състои от две основни компоненти: термоелектрични материали и термоелектрични модули.

Термоелектричните материали са материали, които проявяват ефекта на Зеебек, т.е. генериране на електрическо напрежение при наличие на градиент на температурата. Термоелектричните материали могат да бъдат класифицирани в два типа: n-тип и p-тип. Материалите от n-тип имат излишък от електрони, докато материалите от p-тип имат недостиг на електрони. Когато материал от n-тип и материал от p-тип са свързани последователно чрез метални електроди, те образуват термопара, която е основната единица на термоелектричния генератор.

Термоелектричният модул е устройство, което съдържа много термопари, свързани електрически последователно и топлинно паралелно. Термоелектричният модул има две страни: гореща и студена. Когато горещата страна е изложена на източник на топлина, а студената страна е изложена на топлинен приемник, се създава разлика в температурата през модула, причиняваща ток да протече през цепа. Токът може да се използва за подхранване на външен потребител или зареждане на батерия. Напрежението и мощността на изхода на термоелектричния модул зависят от броя на термопарите, разликата в температурата, коефициента на Зеебек и електрическите и топлинните съпротивления на материалите.

Ефективността на термоелектричния генератор се дефинира като отношението между електрическата мощност на изхода и топлинната мощност на входа. Ефективността на термоелектричния генератор е ограничена от ефективността на Карно, която е максималната възможна ефективност за всеки топлинен двигател, работещ между две температури. Ефективността на Карно се дава по формулата:

ηCarnot=1−ThTc

където Tc е температурата на студената страна, а Th е температурата на горещата страна.

Фактическата ефективност на термоелектричния генератор е много по-ниска от ефективността на Карно поради различни загуби, такива като Йоулево затопляне, топлинна проводимост и топлинно излъчване. Фактическата ефективност на термоелектричния генератор зависи от параметъра на качество (ZT) на термоелектричните материали, който е безразмерен параметър, измерващ производителността на материала за термоелектрични приложения. Параметърът на качество се дава по формулата:

ZT=κα2σT

където α е коефициентът на Зеебек, σ е електрическата проводимост, κ е топлинната проводимост, а T е абсолютната температура.

Колкото по-висок е параметърът на качество, толкова по-висока е ефективността на термоелектричния генератор. Параметърът на качество зависи както от вътрешни свойства (като транспорт на електрони и фонони), така и от външни свойства (като степен на допиране и геометрия) на материалите. Целта на изследванията в областта на термоелектричните материали е да се намерят или се проектират материали, които имат висок коефициент на Зеебек, висока електрическа проводимост и ниска топлинна проводимост, които често са противоречащи изисквания.

Какви са някои общи термоелектрични материали?

Термоелектричните материали могат да бъдат класифицирани в три категории: метали, полупроводници и комплексни съединения.

Металите имат висока електрическа проводимост, но нисък коефициент на Зеебек и висока топлинна проводимост, което води до нисък параметър на качество. Металите се използват главно като електроди или връзки в термоелектрични модули.

Полупроводниците имат средна електрическа проводимост и коефициент на Зеебек, но висока топлинна проводимост, което води до среден параметър на качество. Полупроводниците могат да бъдат допирани, за да се създадат материали от n-тип или p-тип с различни концентрации на носители и подвижности. Полупроводниците се използват широко като термоелектрични материали за приложения при ниски температури (под 200°C).

Комплексните съединения имат ниска електрическа проводимост, но висок коефициент на Зеебек и ниска топлинна проводимост, което води до висок параметър на качество. Комплексните съединения обикновено са съставени от множество елементи с различни валентни състояния и кристални структури, които създават сложни електронни зонни структури и механизми за растранение на фонони, които подобряват термоелектричната производителност. Комплексните съединения се използват широко като термоелектрични материали за приложения при високи температури (над 200°C).

Няколко примера за общи термоелектрични материали са:

• Бисмуттелурид (Bi2Te3) и неговите сплави: Това са най-широко използваните термоелектрични материали за приложения при ниски температури (под 200°C), такива като охладителни устройства и генериране на електроенергия от източници на отпадна топлина. Bi2Te3 има слоиста структура, състояща се от чередица от петичленни слоеве Bi2 и Te3 атоми, свързани от слаби ван дер Ваалсови сили. Тази структура води до ниска топлинна проводимост поради растранение на фонони в границите на слоевете. Bi2Te3 може да бъде сплавен с други елементи като антимон (Sb), селен (Se) или сулфур (S), за да се настроят неговите електрически свойства и да се оптимизира параметърът му на качество.

• Оловотелурид (PbTe) и неговите сплави: Това са сред най-широко използваните термоелектрични материали за приложения при средни температури (200-600°C), такива като генериране на електроенергия от автомобилни изхлопни газове или индустриални източници на отпадна топлина. PbTe има структура на каменна сол, състояща се от чередица от Pb2+ и Te2- иони, свързани от силни йонни сили. Тази структура води до висок коефициент на Зеебек поради тежките Pb атоми, които създават голяма дегенерация на зони близо до нивото на Ферми. PbTe може да бъде сплавен с други елементи като олово (Sn), талий (Tl) или натрий (Na), за да се подобри параметърът му на качество.

• Скутерудити: Това са комплексни съединения с общата формула MX3, където M е преминаващ метал (например кобалт, Co), а X е пниктоген (например антимон, Sb).

           
   

• Скутерудитите имат кубична структура, състояща се от триизмерна мрежа от M4X12 единици с големи празнини, които могат да вместят гости атоми (например редки земни елементи, RE). Гостите атоми действат като растранители на фонони, които намаляват топлинната проводимост, докато хост атомите осигуряват висока електрическа проводимост и коефициент на Зеебек. Скутерудитите са обещаващи термоелектрични материали за приложения при средни до високи температури (300-800°C), такива като генериране на електроенергия от възстановяване на отпадна топлина или концентрирана слънчева енергия.

• Половина Хейслер съединения: Това са тримерни съединения с общата формула XYZ, където X е преминаващ метал (например титан, Ti), Y е друг преминаващ метал (например никел, Ni), а Z е основен групов елемент (например олово, Sn).

           
   

• Половина Хейслер съединения имат кубична структура, състояща се от четири взаимно проникващи fcc подрешетки, една от които е заета от X атоми, а другите три - от Y и Z атоми в отношение 1:2. Половина Хейслер съединения имат висок коефициент на Зеебек и електрическа проводимост поради техните сложни електронни зонни структури и ниска топлинна проводимост поради тежките им съставни атоми. Половина Хейслер съединения са обещаващи термоелектрични материали за приложения при високи температури (над 800°C), такива като генериране на електроенергия от ядрени реактори или аерокосмически двигатели.

Какви са някои приложения на термоелектричните генератори?

Термоелектричните генератори имат различни приложения в различни области, в зависимост от диапазона на температурата, мощността на изхода и наличието на източник на топлина. Няколко примера за приложения на термоелектричните генератори са:

Награда