Termoelektrické generátory: Principy, materiály a aplikace

Termoelektrický generátor (TEG) je zařízení, které převádí tepelnou energii na elektrickou energii pomocí Seebeckova efektu. Seebeckův efekt je jev, který nastává, když existuje rozdíl teplot mezi dvěma různými vodiči nebo obvodem vodičů, což vytváří rozdíl elektrického potenciálu. TEG jsou pevné stavy zařízení, která nemají pohyblivé části a mohou pracovat tiše a spolehlivě po dlouhou dobu. TEG lze použít k využití odpadního tepla z různých zdrojů, jako jsou průmyslové procesy, automobily, elektrárny a dokonce i lidské tělesné teplo, a převést ho na užitečnou elektrickou energii. TEG lze také použít k napájení vzdálených zařízení, jako jsou senzory, bezdrátové přenosy a kosmické lodě, pomocí radioizotopů nebo slunečního tepla jako zdroje tepla.

Jak funguje termoelektrický generátor?

Termoelektrický generátor se skládá ze dvou hlavních komponent: termoelektrických materiálů a termoelektrických modulů.

Termoelektrické materiály jsou materiály, které projevují Seebeckův efekt, což znamená, že vygenerují elektrické napětí, když jsou vystaveny teplotnímu gradientu. Termoelektrické materiály lze rozdělit do dvou typů: n-typ a p-typ. Materiály n-typu mají nadbytek elektronů, zatímco materiály p-typu mají nedostatek elektronů. Když je materiál n-typu a materiál p-typu spojen sériově kovovými elektrodami, vytváří termodvojku, která je základní jednotkou termoelektrického generátoru.

Termoelektrický modul je zařízení, které obsahuje mnoho termodvojek spojených elektricky v sérii a tepelně paralelně. Termoelektrický modul má dvě strany: horkou a studenou. Když je horká strana vystavena zdroji tepla a studená strana vystavena chladicímu tělesu, vytváří se v module rozdíl teplot, což způsobí proudění proudu v obvodu. Proudem lze napájet externí zátěž nebo nabíjet baterii. Napětí a výkon termoelektrického modulu závisí na počtu termodvojek, rozdílu teplot, Seebeckově koeficientu a elektrickém a tepelném odporu materiálů.

Účinnost termoelektrického generátoru je definována jako poměr elektrického výstupu k tepelnému vstupu ze zdroje. Účinnost termoelektrického generátoru je omezena Carnotovou účinností, která je maximální možnou účinností pro jakýkoli tepelný stroj pracující mezi dvěma teplotami. Carnotova účinnost je dána:

ηCarnot=1−ThTc

kde Tc je teplota studené strany a Th je teplota horké strany.

Skutečná účinnost termoelektrického generátoru je mnohem nižší než Carnotova účinnost kvůli různým ztrátám, jako je Jouleovo teplo, tepelná vodivost a tepelné záření. Skutečná účinnost termoelektrického generátoru závisí na hodnotě zásluhy (ZT) termoelektrických materiálů, která je bezrozměrný parametr, který měří výkon materiálu pro termoelektrické aplikace. Hodnota zásluhy je dána:

ZT=κα2σT

kde α je Seebeckův koeficient, σ je elektrická vodivost, κ je tepelná vodivost a T je absolutní teplota.

Čím vyšší hodnota zásluhy, tím vyšší účinnost termoelektrického generátoru. Hodnota zásluhy závisí na jak inerentních vlastnostech (jako je transport elektronů a fononů), tak extrinzních vlastnostech (jako je úroveň dopingu a geometrie) materiálů. Cílem výzkumu termoelektrických materiálů je najít nebo navrhnout materiály, které mají vysoký Seebeckův koeficient, vysokou elektrickou vodivost a nízkou tepelnou vodivost, což jsou často konfliktní požadavky.

Jaké jsou některé běžné termoelektrické materiály?

Termoelektrické materiály lze rozdělit do tří kategorií: kovy, polovodiče a složité sloučeniny.

Kovy mají vysokou elektrickou vodivost, ale nízký Seebeckův koeficient a vysokou tepelnou vodivost, což vede k nízké hodnotě zásluhy. Kovy se hlavně používají jako elektrody nebo propojovací prvky v termoelektrických modulech.

Polovodiče mají střední elektrickou vodivost a Seebeckův koeficient, ale vysokou tepelnou vodivost, což vede k střední hodnotě zásluhy. Polovodiče lze dotovat, aby vytvořily materiály n-typu nebo p-typu s různými koncentracemi nosičů a mobilností. Polovodiče se široce používají jako termoelektrické materiály pro nízkoteplotní aplikace (pod 200°C).

Složité sloučeniny mají nízkou elektrickou vodivost, ale vysoký Seebeckův koeficient a nízkou tepelnou vodivost, což vede k vysoké hodnotě zásluhy. Složité sloučeniny jsou obvykle složeny z více prvků s různými valenčními stavy a krystalickými strukturami, což vytváří složité elektronické pásmové struktury a mechanizmy rozptylu fononů, které zlepšují termoelektrický výkon. Složité sloučeniny se široce používají jako termoelektrické materiály pro vysokoteplotní aplikace (nad 200°C).

Některé příklady běžných termoelektrických materiálů jsou:

• Bismut tellurid (Bi2Te3) a jeho slitiny: Tyto jsou nejrozšířenějšími termoelektrickými materiály pro nízkoteplotní aplikace (pod 200°C), jako jsou chladicí zařízení a výroba elektřiny z odpadního tepla. Bi2Te3 má vrstevnatou strukturu, která se skládá z střídajících se pětinásobných vrstev Bi2 a Te3 atomů spojených slabými van der Waalsovými silami. Tato struktura vede k nízké tepelné vodivosti díky rozptylu fononů na hranicích vrstev. Bi2Te3 lze slitovat s dalšími prvky, jako je antimon (Sb), selen (Se) nebo síra (S), aby byly optimalizovány jeho elektrické vlastnosti a hodnota zásluhy.

• Olovo tellurid (PbTe) a jeho slitiny: Tyto jsou mezi nejrozšířenějšími termoelektrickými materiály pro středněteplotní aplikace (200-600°C), jako je výroba elektřiny z auta výfukových plynů nebo průmyslového odpadního tepla. PbTe má strukturu kamené soli, která se skládá z střídajících se vrstev Pb2+ a Te2- iontů spojených silnými iontovými silami. Tato struktura vede k vysokému Seebeckovu koeficientu díky těžkým Pb atomům, které vytvářejí velkou degeneraci pásu poblíž Fermiho hladiny. PbTe lze slitovat s dalšími prvky, jako je cín (Sn), thallium (Tl) nebo sodík (Na), aby byla zvýšena jeho hodnota zásluhy.

• Skutterudity: Jsou to složité sloučeniny s obecným vzorcem MX3, kde M je přechodný kov (jako kobalt, Co) a X je pniktogen (jako antimon, Sb).

           
   

• Skutterudity mají kubickou strukturu, která se skládá z třírozměrné sítě M4X12 jednotek s velkými dutinami, které mohou akomodovat hostitelské atomy (jako vzácně zemské prvky, RE). Hostitelské atomy působí jako rozptylovače fononů, které snižují tepelnou vodivost, zatímco hostitelské atomy poskytují vysokou elektrickou vodivost a Seebeckův koeficient. Skutterudity jsou slibnými termoelektrickými materiály pro středně a vysokoteplotní aplikace (300-800°C), jako je výroba elektřiny z využití odpadního tepla nebo soustředěné sluneční energie.

• Half-Heuslerovy sloučeniny: Jsou to ternární sloučeniny s obecným vzorcem XYZ, kde X je přechodný kov (jako titan, Ti), Y je další přechodný kov (jako nikl, Ni) a Z je hlavní skupinový prvek (jako cín, Sn).

           
   

• Half-Heuslerovy sloučeniny mají kubickou strukturu, která se skládá ze čtyř interpenetrujících fcc podsvazů, jeden obsazen X atomy a tři ostatní obsazeny Y a Z atomy v poměru 1:2. Half-Heuslerovy sloučeniny mají vysoký Seebeckův koeficient a elektrickou vodivost díky jejich složitým elektronickým pásmovým strukturám a nízkou tepelnou vodivost díky těžkým složkovým atomům. Half-Heuslerovy sloučeniny jsou slibnými termoelektrickými materiály pro vysokoteplotní aplikace (nad 800°C), jako je výroba elektřiny z jaderných reaktorů nebo leteckých motorů.

Jaké jsou některé aplikace termoelektrických generátorů?

Termoelektrické generátory mají různé aplikace v různých oblastech, v závislosti na teplotním rozsahu, výkonu a dostupnosti zdroje tepla. Některé příklady aplikací termoelektrických generátorů jsou:

• Chladicí zařízení: Termoelektrické generátory lze použít k chlazení elektronických komponent, jako jsou mikroprocesory, lasery nebo senzory, tím, že se aplikuje elektrický proud, aby byl vytvořen teplotní rozdíl mezi horkou a studenou stranou modulu. Tento proces se nazývá termoelektrické chlazení nebo Peltierův efekt, který je opakem Seebeckova efektu. Termoelektrická chladicí zařízení mají výhody před tradičními chladicími metodami, jako jsou kompaktnost, spolehlivost, tichost a přesné řízení teploty.

• Výroba elektřiny z odpadního tepla: Termoelektrické generátory lze použít k využití odpadního tepla z