Termoelektriske generatorer: Principper, materialer og anvendelser

En termoelektrisk generator (TEG) er en enhed, der omdanner varmeenergi til elektrisk energi ved hjælp af Seebeck-effekten. Seebeck-effekten er et fænomen, der opstår, når der er en temperaturforskel mellem to forskellige ledere eller en kredsløb af ledere, hvilket skaber en elektrisk spændingsforskel. TEG'er er faststofenheder, der ikke har bevægelige dele, og kan fungere stille og pålideligt i lang tid. TEG'er kan bruges til at høste spildvarme fra forskellige kilder, såsom industrielle processer, biler, kraftværker og endda menneskelig legemsvarme, og omdanne den til nyttig elektricitet. TEG'er kan også bruges til at forsyne fjerntliggende enheder, som sensorer, trådløse transmittere og rumfartøj, ved at bruge radioisotoper eller solvarme som varmekilde.

Hvordan fungerer en termoelektrisk generator?

En termoelektrisk generator består af to hovedkomponenter: termoelektriske materialer og termoelektriske moduler.

Termoelektriske materialer er materialer, der viser Seebeck-effekten, hvilket betyder, at de genererer en elektrisk spænding, når de udsættes for en temperaturgradient. Termoelektriske materialer kan inddeles i to typer: n-type og p-type. N-type materialer har et overskud af elektroner, mens p-type materialer har et underskud af elektroner. Når et n-type materiale og et p-type materiale forbinder sig i serie med metal-elektroder, danner de en termokoppler, som er den grundlæggende enhed i en termoelektrisk generator.

En termoelektrisk module er en enhed, der indeholder mange termokoppler forbundet elektrisk i serie og termisk parallelt. En termoelektrisk module har to sider: en varm side og en kold side. Når den varme side udsættes for en varmekilde, og den kolde side udsættes for en varmesink, oprettes der en temperaturforskel over modulen, hvilket får en strøm til at flyde gennem kredsløbet. Strømmen kan bruges til at forsyne en ekstern last eller oplade en batteri. Spændingen og effekten fra en termoelektrisk module afhænger af antallet af termokoppler, temperaturforskellen, Seebeck-koefficienten og de elektriske og termiske resistancer i materialerne.

Effektiviteten af en termoelektrisk generator defineres som forholdet mellem den elektriske effektoutput og varmeanvendelsen fra kilden. Effektiviteten af en termoelektrisk generator er begrænset af Carnot-effektiviteten, som er den maksimale mulige effektivitet for ethvert varmemotor, der opererer mellem to temperaturer. Carnot-effektiviteten er givet ved:

ηCarnot=1−ThTc

hvor Tc er temperaturen på den kolde side, og Th er temperaturen på den varme side.

Den faktiske effektivitet af en termoelektrisk generator er meget lavere end Carnot-effektiviteten på grund af forskellige tab som Joule-varme, termisk konduktion og termisk stråling. Den faktiske effektivitet af en termoelektrisk generator afhænger af figuren for fortjeneste (ZT) af termoelektriske materialer, som er en dimensionsløs parameter, der måler ydeevnen af et materiale til termoelektriske anvendelser. Figuren for fortjeneste er givet ved:

ZT=κα2σT

hvor α er Seebeck-koefficienten, σ er den elektriske ledningsevne, κ er den termiske ledningsevne, og T er den absolutte temperatur.

Jo højere figuren for fortjeneste, jo højere effektivitet hos termoelektrisk generator. Figuren for fortjeneste afhænger både af intrinske egenskaber (som elektron- og fonontransport) og extrinske egenskaber (som dopingniveau og geometri) af materialerne. Målet med forskning i termoelektriske materialer er at finde eller designe materialer, der har en høj Seebeck-koefficient, høj elektrisk ledningsevne og lav termisk ledningsevne, som ofte er konflikterende krav.

Hvilke er nogle almindelige termoelektriske materialer?

Termoelektriske materialer kan inddeles i tre kategorier: metaller, halvledere og komplekse forbindelser.

Metaller har høj elektrisk ledningsevne, men lav Seebeck-koefficient og høj termisk ledningsevne, hvilket resulterer i en lav figur for fortjeneste. Metaller bruges hovedsageligt som elektroder eller forbindelser i termoelektriske moduler.

Halvledere har moderat elektrisk ledningsevne og Seebeck-koefficient, men høj termisk ledningsevne, hvilket resulterer i en moderat figur for fortjeneste. Halvledere kan dopes for at skabe n-type eller p-type materialer med forskellige bærer koncentrationer og mobiliteter. Halvledere bruges bredt som termoelektriske materialer for lavtemperaturanvendelser (under 200°C).

Komplekse forbindelser har lav elektrisk ledningsevne, men høj Seebeck-koefficient og lav termisk ledningsevne, hvilket resulterer i en høj figur for fortjeneste. Komplekse forbindelser består typisk af flere elementer med forskellige valensstater og kristalstrukturer, som skaber komplekse elektroniske bandstrukturer og fononspridningsmekanismer, der forbedrer termoelektriske ydeevner. Komplekse forbindelser bruges bredt som termoelektriske materialer for højttemperaturanvendelser (over 200°C).

Nogle eksempler på almindelige termoelektriske materialer er:

• Bismut tellurid (Bi2Te3) og dets legeringer: Disse er de mest anvendte termoelektriske materialer for lavtemperaturanvendelser (under 200°C), som kølingsenheder og elforbrug fra spildvarmekilder. Bi2Te3 har en laget struktur, der består af alternérende quintuple lag af Bi2 og Te3 atomer forbundet af svage van der Waals-kræfter. Denne struktur resulterer i lav termisk ledningsevne på grund af fononspridning ved laggrænserne. Bi2Te3 kan legeres med andre elementer som antimon (Sb), selenium (Se) eller svovl (S) for at justere dens elektriske egenskaber og optimere dens figur for fortjeneste.

• Blytellurid (PbTe) og dets legeringer: Disse er blandt de mest anvendte termoelektriske materialer for mediumtemperaturanvendelser (200-600°C), som elforbrug fra biludløb eller industrielle spildvarmekilder. PbTe har en rock-salt struktur, der består af alternérende lag af Pb2+ og Te2- ioner forbundet af stærke ioniske kræfter. Denne struktur resulterer i en høj Seebeck-koefficient på grund af tunge Pb-atomer, der skaber stor band-degenerering nær Fermi-niveaut. PbTe kan legeres med andre elementer som tin (Sn), tallium (Tl) eller natrium (Na) for at forbedre dens figur for fortjeneste.

• Skutteruditer: Dette er komplekse forbindelser med den generelle formel MX3, hvor M er et overgangsmetal (som kobolt, Co) og X er et pnictogen (som antimon, Sb).

           
   

• Skutteruditer har en kubisk struktur, der består af et tredimensionelt netværk af M4X12-enheder med store huller, der kan rumme gæst atomer (som jordartselementer, RE). Gæst atomer fungerer som fononspriddere, der reducerer den termiske ledningsevne, mens værtsatomerne giver høj elektrisk ledningsevne og Seebeck-koefficient. Skutteruditer er lovende termoelektriske materialer for medium- til højttemperaturanvendelser (300-800°C), som elforbrug fra spildvarmerecovery eller koncentrered solkraft.

• Half-Heusler forbindelser: Dette er ternære forbindelser med den generelle formel XYZ, hvor X er et overgangsmetal (som titanium, Ti), Y er et andet overgangsmetal (som nikkel, Ni), og Z er et hovedgruppeelement (som tin, Sn).

           
   

• Half-Heusler forbindelser har en kubisk struktur, der består af fire gensidigt penetranterede fcc-undernetværk, ét beboet af X-atomer og de tre andre beboet af Y- og Z-atomer i et forhold på 1:2. Half-Heusler forbindelser har høj Seebeck-koefficient og elektrisk ledningsevne på grund af deres komplekse elektroniske bandstrukturer og lav termisk ledningsevne på grund af deres tunge sammensætningsatomer. Half-Heusler forbindelser er lovende termoelektriske materialer for højttemperaturanvendelser (over 800°C), som elforbrug fra kernekraftreaktorer eller rumskipmotorer.

Hvilke er nogle anvendelser af termoelektriske generatorer?

Termoelektriske generatorer har forskellige anvendelser i forskellige områder, afhængigt af temperaturintervallet, effektoutputtet og varmekildens tilgængelighed. Nogle eksempler på anvendelser af termoelektriske generatorer er:

• Kølingsenheder: Termoelektriske generatorer kan bruges til at køle elektroniske komponenter, som mikroprocessorer, lasere eller sensorer, ved at anvende en elektrisk strøm for at skabe en temperaturforskel mellem den varme og den kolde side af modulen. Denne proces kaldes termoelektrisk køling eller Peltier-effekten, som er det modsatte af Seebeck-effekten. Termoelektriske køleenheder har fordele i forhold til konventionelle kølemetoder, som kompakthed, pålidelighed, lydløshed og præcis temperaturkontrol.

• Elproduktion fra spildvarme: Termoelektriske generatorer kan bruges til at høste spildvarme fra forskellige kilder, som industrielle processer, biler, kraftværker og endda menneskelig legemsvarme, og omdanne den til nyttig elektricitet. Dette kan forbedre energieffektiviteten og reducere drivhusgasemissionerne fra disse kilder. For eksempel kan termoelektriske generatorer integreres i biludløbsystemer for at genindvinde noget af den varme, der går tabt under forbrænding, og producere elektricitet til ombord elektronik eller batterioladning. Termoelektriske generatorer kan også monteres på menneskeskind eller tøj for at producere elektricitet fra legemsvarme til at forsyne bærbare enheder eller medicinske implantater.

• Elproduktion fra radioisotoper: Termoelektriske generatorer kan bruges til at forsyne fjerntliggende enheder, som sensorer, trådløse transmittere og rumfartøj, ved at bruge radioisotoper som varmekilde.

           
   

• Radioisotoper er ustabile isotoper, der emitterer stråling og nedbrydes til andre elementer. Strålingen kan omdannes til varme ved at bruge et materiale, der absorberer den, som bly eller tungsten. Varmen kan derefter omdannes til elektricitet ved at bruge termoelektriske moduler. Radioisotop-termoelektriske generatorer (RTG'er) har fordele i forhold til andre strømkilder, som batterier eller solceller, i