Θερμοηλεκτρικοί Γεννήτριες: Αρχές, Υλικά και Εφαρμογές

Ο θερμοηλεκτρικός γεννήτριας (TEG) είναι ένα συστηματικό που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Seebeck. Το φαινόμενο Seebeck είναι ένα φαινόμενο που παρουσιάζεται όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο διαφορετικών διαγωνίων ή κύκλων διαγωνίων, δημιουργώντας μια διαφορά ηλεκτρικής δυναμικής. Οι TEG είναι στερεά συστήματα χωρίς κινούμενα μέρη και μπορούν να λειτουργούν ήρεμα και αξιόπιστα για μεγάλες περίοδος. Οι TEG μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συλλογή απορριμμένης θερμότητας από διάφορες πηγές, όπως βιομηχανικές διαδικασίες, αυτοκίνητα, εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, και ακόμη και θερμότητα του ανθρώπινου σώματος, και να τη μετατρέπουν σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Οι TEG μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ενέργεια τηλεοπτικών συστημάτων, όπως αισθητήρες, ασύρματοι μεταδοτές και διαστημόπλοια, χρησιμοποιώντας ως πηγή θερμότητας ραδιοϊσότοπα ή ηλιακή θερμότητα.

Πώς Λειτουργεί ο Θερμοηλεκτρικός Γεννήτριας;

Ο θερμοηλεκτρικός γεννήτριας αποτελείται από δύο βασικά συστατικά: θερμοηλεκτρικά υλικά και θερμοηλεκτρικά μόντουλα.

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά είναι υλικά που εμφανίζουν το φαινόμενο Seebeck, δηλαδή παράγουν ηλεκτρική τάση όταν υπόκεινται σε θερμοκρασιακό στάδιο. Τα θερμοηλεκτρικά υλικά μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους: n-τύπου και p-τύπου. Τα υλικά n-τύπου έχουν υπερβολή ηλεκτρονίων, ενώ τα υλικά p-τύπου έχουν έλλειψη ηλεκτρονίων. Όταν ένα υλικό n-τύπου και ένα υλικό p-τύπου συνδέονται σε σειρά με μεταλλικά ηλεκτρόδια, σχηματίζουν ένα θερμοστιβίδιο, το οποίο είναι το βασικό μονάδα ενός θερμοηλεκτρικού γεννήτρια.

Ένα θερμοηλεκτρικό μόντουλο είναι ένα συστηματικό που περιέχει πολλά θερμοστιβίδια συνδεδεμένα ηλεκτρικά σε σειρά και θερμικά παράλληλα. Ένα θερμοηλεκτρικό μόντουλο έχει δύο πλευρές: έναν ζεστό και έναν κρύο. Όταν η ζεστή πλευρά εκτίθεται σε μια πηγή θερμότητας και η κρύα πλευρά εκτίθεται σε έναν διαχωριστικό θερμότητας, δημιουργείται μια διαφορά θερμοκρασίας στο μόντουλο, προκαλώντας την ροή ρεύματος μέσω του κύκλου. Το ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενέργεια εξωτερικού φορτίου ή τη φόρτιση μιας μπαταρίας. Η τάση και η εξόδος ενέργειας ενός θερμοηλεκτρικού μόντουλου εξαρτάται από τον αριθμό των θερμοστιβιδίων, τη διαφορά θερμοκρασίας, τον συντελεστή Seebeck, και τις ηλεκτρικές και θερμικές αντιστάσεις των υλικών.

Η αποδοτικότητα ενός θερμοηλεκτρικού γεννήτρια είναι ορισμένη ως το πηλίκο της ηλεκτρικής εξόδου ενέργειας προς την θερμική είσοδο από την πηγή. Η αποδοτικότητα ενός θερμοηλεκτρικού γεννήτρια περιορίζεται από την αποδοτικότητα Carnot, η οποία είναι η μέγιστη δυνατή αποδοτικότητα για οποιοδήποτε θερμικό μηχανή που λειτουργεί μεταξύ δύο θερμοκρασιών. Η αποδοτικότητα Carnot δίνεται από:

ηCarnot=1−ThTc

όπου Tc είναι η θερμοκρασία της κρύας πλευράς, και Th είναι η θερμοκρασία της ζεστής πλευράς.

Η πραγματική αποδοτικότητα ενός θερμοηλεκτρικού γεννήτρια είναι πολύ χαμηλότερη από την αποδοτικότητα Carnot λόγω διάφορων απωλειών, όπως η Joule heating, η θερμική διάχυση και η θερμική ακτινοβολία. Η πραγματική αποδοτικότητα ενός θερμοηλεκτρικού γεννήτρια εξαρτάται από το χαρακτηριστικό αξία (ZT) των θερμοηλεκτρικών υλικών, το οποίο είναι ένα αδιάστατο παράμετρο που μετρά την απόδοση ενός υλικού για θερμοηλεκτρικές εφαρμογές. Το χαρακτηριστικό αξία δίνεται από:

ZT=κα2σΤ

όπου α είναι ο συντελεστής Seebeck, σ είναι η ηλεκτρική συγκεκριμένη, κ είναι η θερμική συγκεκριμένη, και T είναι η απόλυτη θερμοκρασία.

Όσο υψηλότερο είναι το χαρακτηριστικό αξία, τόσο υψηλότερη είναι η αποδοτικότητα του θερμοηλεκτρικού γεννήτρια. Το χαρακτηριστικό αξία εξαρτάται από τόσο τις εγγενείς ιδιότητες (όπως η μεταφορά ηλεκτρονίων και φωνών) όσο και τις εξωγενείς ιδιότητες (όπως η επίπεδος δοπαντισμού και γεωμετρία) των υλικών. Το στόχος της έρευνας στα θερμοηλεκτρικά υλικά είναι να βρεθούν ή να σχεδιαστούν υλικά που έχουν υψηλό συντελεστή Seebeck, υψηλή ηλεκτρική συγκεκριμένη, και χαμηλή θερμική συγκεκριμένη, οι οποίες είναι συχνά αντιφατικές απαιτήσεις.

Ποια είναι Κάποια Συνηθισμένα Θερμοηλεκτρικά Υλικά;

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: μέταλλα, ημιαγωγοί και πολύπλοκα συνθέτη.

Τα μέταλλα έχουν υψηλή ηλεκτρική συγκεκριμένη, αλλά χαμηλό συντελεστή Seebeck και υψηλή θερμική συγκεκριμένη, αποτελείται σε χαμηλή χαρακτηριστικό αξία. Τα μέταλλα χρησιμοποιούνται κυρίως ως ηλεκτρόδια ή διασυνδέσεις σε θερμοηλεκτρικά μόντουλα.

Οι ημιαγωγοί έχουν μεταξύ στάδιο ηλεκτρική συγκεκριμένη και συντελεστή Seebeck, αλλά υψηλή θερμική συγκεκριμένη, αποτελείται σε μεταξύ χαρακτηριστικό αξία. Οι ημιαγωγοί μπορούν να δοπαντιστούν για να δημιουργήσουν υλικά n-τύπου ή p-τύπου με διαφορετικές συγκεντρώσεις και κινητικότητες φορέα. Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως ως θερμοηλεκτρικά υλικά για εφαρμογές χαμηλής θερμοκρασίας (κάτω από 200°C).

Τα πολύπλοκα συνθέτη έχουν χαμηλή ηλεκτρική συγκεκριμένη, αλλά υψηλό συντελεστή Seebeck και χαμηλή θερμική συγκεκριμένη, αποτελείται σε υψηλή χαρακτηριστικό αξία. Τα πολύπλοκα συνθέτη συνήθως αποτελούνται από πολλά στοιχεία με διαφορετικές καταστάσεις αξίας και κρυσταλλικές δομές, οι οποίες δημιουργούν πολύπλοκες ηλεκτρονικές ζώνες και μηχανισμούς διάχυσης φωνών που ενισχύουν τη θερμοηλεκτρική απόδοση. Τα πολύπλοκα συνθέτη χρησιμοποιούνται ευρέως ως θερμοηλεκτρικά υλικά για εφαρμογές υψηλ