Thermoelectric Generators: Prinsipyo, Materiales ug Aplikasyon

Ang thermoelectric generator (TEG) usa ka device nga nagkonberto sa heat energy ngadto sa electrical energy pinaagi sa Seebeck effect. Ang Seebeck effect usa ka phenomenon nga nahitabo kon may temperature difference tali sa duha ka mga conductor o circuit sa mga conductor, naghimo og electric potential difference. Ang TEG mao ang solid-state devices nga walay moving parts ug makapahimulos ug reliable nga operasyon sa matagumpay nga panahon. Ang TEG mahimong gamiton aron mopangita og waste heat gikan sa uban pang mga sources, sama sa industrial processes, automobiles, power plants, ug human body heat, ug iconvert kini ngadto sa useful electricity. Ang TEG usab mahimong gamiton aron mopower sa remote devices, sama sa sensors, wireless transmitters, ug spacecraft, pinaagi sa paggamit sa radioisotopes o solar heat isip heat source.

Unsaon Ang Pagtrabaho Sa Thermoelectric Generator?

Ang thermoelectric generator gitawag sa duha ka main components: thermoelectric materials ug thermoelectric modules.

Ang thermoelectric materials mao ang materials nga nagpakita sa Seebeck effect, meaning naa silay generate og electric voltage kon exposed sa temperature gradient. Ang thermoelectric materials makaklasi sa duha ka types: n-type ug p-type. Ang N-type materials adunay excess electrons, samtang ang p-type materials adunay deficiency sa electrons. Kon ang n-type material ug p-type material gi-connect sa series pinaagi sa metal electrodes, sila magform og thermocouple, ang basic unit sa thermoelectric generator.

Ang thermoelectric module usa ka device nga adunay daghan nga thermocouples connected electrically sa series ug thermally sa parallel. Ang thermoelectric module adunay duha ka sides: hot side ug cold side. Kon ang hot side exposed sa heat source ug ang cold side exposed sa heat sink, ma-create ang temperature difference sa module, causing a current to flow through the circuit. Ang current mahimong gamiton aron mopower sa external load o charge a battery. Ang voltage ug power output sa thermoelectric module depende sa number of thermocouples, temperature difference, Seebeck coefficient, ug electrical and thermal resistances of the materials.

Ang efficiency sa thermoelectric generator gitakda isip ang ratio sa electrical power output sa heat input gikan sa source. Ang efficiency sa thermoelectric generator limited sa Carnot efficiency, ang maximum possible efficiency para sa any heat engine operating tali sa duha ka temperatures. Ang Carnot efficiency gibigay niining formula:

ηCarnot=1−ThTc

nga diin Tc mao ang temperature sa cold side, ug Th mao ang temperature sa hot side.

Ang actual efficiency sa thermoelectric generator mas baba kay sa Carnot efficiency tungod sa uban pang losses sama sa Joule heating, thermal conduction, ug thermal radiation. Ang actual efficiency sa thermoelectric generator depende sa figure of merit (ZT) sa thermoelectric materials, ang dimensionless parameter nga measures ang performance sa material para sa thermoelectric applications. Ang figure of merit gibigay niining formula:

ZT=κα2σT

nga diin α mao ang Seebeck coefficient, σ mao ang electrical conductivity, κ mao ang thermal conductivity, ug T mao ang absolute temperature.

Kon mas taas ang figure of merit, mas taas ang efficiency sa thermoelectric generator. Ang figure of merit depende sa both intrinsic properties (sama sa electron ug phonon transport) ug extrinsic properties (sama sa doping level ug geometry) sa materials. Ang goal sa thermoelectric materials research mao ang pagpangita o design sa materials nga adunay high Seebeck coefficient, high electrical conductivity, ug low thermal conductivity, nga kasagaran conflicting requirements.

Unsa Ang Mga Common Thermoelectric Materials?

Ang thermoelectric materials makaklasi sa tulo ka categories: metals, semiconductors, ug complex compounds.

Ang metals adunay high electrical conductivity pero low Seebeck coefficient ug high thermal conductivity, resulta sa low figure of merit. Ang metals gamiton isip electrodes o interconnects sa thermoelectric modules.

Ang semiconductors adunay moderate electrical conductivity ug Seebeck coefficient pero high thermal conductivity, resulta sa moderate figure of merit. Ang semiconductors mahimong doped aron makahimo og n-type o p-type materials nga adunay different carrier concentrations ug mobilities. Ang semiconductors gamiton isip thermoelectric materials para sa low-temperature applications (below 200°C).

Ang complex compounds adunay low electrical conductivity pero high Seebeck coefficient ug low thermal conductivity, resulta sa high figure of merit. Ang complex compounds kasagaran gihimo sa multiple elements nga adunay different valence states ug crystal structures, nga create complex electronic band structures ug phonon scattering mechanisms nga enhance thermoelectric performance. Ang complex compounds gamiton isip thermoelectric materials para sa high-temperature applications (above 200°C).

Ang pipila ka examples sa common thermoelectric materials mao ang:

• Bismuth telluride (Bi2Te3) ug iyang alloys: Kini ang pinaka gamiton nga thermoelectric materials para sa low-temperature applications (below 200°C), sama sa cooling devices ug power generation gikan sa waste heat sources. Ang Bi2Te3 adunay layered structure nga consist sa alternating quintuple layers sa Bi2 ug Te3 atoms na bond pinaagi sa weak van der Waals forces. Kini nga structure resulta sa low thermal conductivity tungod sa phonon scattering sa layer boundaries. Ang Bi2Te3 mahimong alloyed sa uban pang elements sama sa antimony (Sb), selenium (Se), o sulfur (S) aron optimize iyang electrical properties ug figure of merit.

• Lead telluride (PbTe) ug iyang alloys: Kini ang gamiton sa medium-temperature applications (200-600°C), sama sa power generation gikan sa automotive exhaust o industrial waste heat sources. Ang PbTe adunay rock-salt structure nga consist sa alternating layers sa Pb2+ ug Te2- ions na bond pinaagi sa strong ionic forces. Kini nga structure resulta sa high Seebeck coefficient tungod sa heavy Pb atoms nga create large band degeneracy near the Fermi level. Ang PbTe mahimong alloyed sa uban pang elements sama sa tin (Sn), thallium (Tl), o sodium (Na) aron enhance iyang figure of merit.

• Skutterudites: Kini ang complex compounds nga adunay general formula MX3, diin M mao ang transition metal (sama sa cobalt, Co) ug X mao ang pnictogen (sama sa antimony, Sb).

           
   

• Ang skutterudites adunay cubic structure nga consist sa three-dimensional network sa M4X12 units nga adunay large voids nga makakompleto sa guest atoms (sama sa rare earth elements, RE). Ang guest atoms naghatag og phonon scatterers nga reduce ang thermal conductivity, samtang ang host atoms naghatag og high electrical conductivity ug Seebeck coefficient. Ang skutterudites promising thermoelectric materials para sa medium- to high-temperature applications (300-800°C), sama sa power generation gikan sa waste heat recovery o concentrated solar power.

• Half-Heusler compounds: Kini ang ternary compounds nga adunay general formula XYZ, diin X mao ang transition metal (sama sa titanium, Ti), Y mao ang another transition metal (sama sa nickel, Ni), ug Z mao ang main group element (sama sa tin, Sn).

           
   

• Ang half-Heusler compounds adunay cubic structure nga consist sa four interpenetrating fcc sublattices, usa occupied sa X atoms ug ang other three occupied sa Y ug Z atoms sa 1:2 ratio. Ang half-Heusler compounds adunay high Seebeck coefficient ug electrical conductivity tungod sa iilang complex electronic band structures ug low thermal conductivity tungod sa iilang heavy constituent atoms. Ang half-Heusler compounds promising thermoelectric materials para sa high-temperature applications (above 800°C), sama sa power generation gikan sa nuclear reactors o aerospace engines.

Unsa Ang Mga Applications Sa Thermoelectric Generators?

Ang thermoelectric generators adunay daghang applications sa uban pang fields, depende sa temperature range, power output, ug heat source availability. Ang pipila ka examples sa thermoelectric generator applications mao ang:

• Cooling devices: Ang thermoelectric generators mahimong gamiton aron cool electronic components, sama sa microprocessors, lasers, o sensors, pinaagi sa pag-apply og electric current aron create og temperature difference tali sa hot ug cold sides sa module. Kini nga proseso gitawag og thermoelectric cooling o Peltier effect, ang reverse sa Seebeck effect. Ang thermoelectric cooling devices adunay advantages sa conventional cooling methods, sama sa compactness, reliability, noiselessness, ug precise temperature control.

• Power generation gikan sa waste heat: Ang thermoelectric generators mahimong gamiton aron mopangita og waste heat gikan sa uban pang sources, sama sa industrial processes, automobiles, power plants, ug human body heat, ug iconvert kini ngadto sa useful electricity. Kini makapatubig sa energy efficiency ug reduce greenhouse gas emissions sa uban pang sources. Bisan pa, ang thermoelectric generators mahimong integrate sa automotive exhaust systems aron recover some of the heat lost during combustion ug generate electricity for onboard electronics or battery charging. Ang thermoelectric generators usab mahimong attached sa human skin o clothing aron generate electricity gikan sa body heat para sa powering wearable devices o medical implants.

• Power generation gikan sa radioisotopes: Ang thermoelectric generators mahimong gamiton aron mopower sa remote devices, sama sa sensors, wireless transmitters, ug spacecraft, pinaagi sa paggamit sa radioisotopes isip heat source.

           
   

• Ang radioisotopes mao ang unstable isotopes nga emit radiation ug decay into other elements. Ang radiation mahimong converted into heat pinaagi sa paggamit sa material nga absorb kini, sama sa lead o tungsten. Ang heat mahimong converted into electricity pinaagi sa paggamit sa thermoelectric modules. Ang radioisotope thermoelectric generators (RTGs) adunay advantages sa other power sources, sama sa batteries o solar panels, sa terms sa long lifetime, high reliability, ug independence from environmental conditions. Ang RTGs gamiton aron power many space missions, sama sa Voyager 1 ug 2, Curiosity rover, ug Perseverance rover.

Unsa Ang Mga Challenges Ug Future Directions Para Sa Thermoelectric Generators?

Ang thermoelectric generators adunay daghang potential benefits para sa energy conversion ug harvesting applications, pero adunay usab silay challenges ug limitations nga kinahanglan i-overcome aron practical implementation. Ang pipila ka challenges mao ang:

• Low efficiency: Ang efficiency sa thermoelectric generators limited sa Carnot efficiency ug figure of merit sa thermoelectric materials. Ang current state-of-the-art thermoelectric materials adunay figure of merit around 1-2 sa room temperature ug 2-3 sa high temperature, resulta sa efficiency nga 5-10% sa best. Aron achieve higher efficiency, kinahanglan i-discover o i-design ang new thermoelectric materials nga adunay higher figure of merit pinaagi sa advanced techniques sama sa band structure engineering, nanostructuring, doping, alloying, o heterostructure.

• High cost: Ang cost sa thermoelectric generators mainly determined sa cost sa thermoelectric materials ug modules.