Termoelektraj Generatoroj: Principoj Materialoj kaj Aplikoj

Termoelektra generatoro (TEG) estas aparato, kiu konvertas varman energion al elektra energio uzante la efekton de Seebeck. La efekto de Seebeck okazas, kiam ekzistas temperaturo-diferenco inter du malsamaj kondutoj aŭ cirkvito de kondutoj, kiu kreigas elektran potencialan diferencigon. TEG-oj estas solidaj aparatoj, kiuj ne havas moviĝantajn partojn kaj povas funkci silente kaj fidinde longe da tempo. TEG-oj povas esti uzataj por akiri malutilan varmon el diversaj fontoj, kiel industria procezoj, aŭtomobiloj, energiejoj, eĉ homa korpo, kaj konverti ĝin al utila elektra energio. TEG-oj ankaŭ povas esti uzataj por fortaĵoj, kiel sensoroj, senfada transdoniloj, kaj spacoŝipoj, uzante radioizotopo aŭ sunvarmon kiel varma fonto.

Kiel Funkcias Termoelektra Generatoro?

Termoelektra generatoro konsistas el du ĉefaj komponentoj: termoelektraj materialoj kaj termoelektraj moduloj.

Termoelektraj materialoj estas materialoj, kiuj montras la efekton de Seebeck, t.e. ili generas elektran voltagon kiam ili estas submetitaj al temperaturo-gradiento. Termoelektraj materialoj povas esti klasifikitaj en du tipojn: n-tipon kaj p-tipon. N-tipaj materialoj havas pli ol sufiĉe da elektronoj, dum p-tipaj materialoj havas deficitan nombron de elektronoj. Kiam n-tipa materialo kaj p-tipa materialo estas konektitaj en serio per metalaj elektrodoj, ili formas termokoplon, kiu estas la baza unuo de termoelektra generatoro.

Termoelektra modulo estas aparato, kiu enhavas multajn termokoplojn konektitajn elektrice en serio kaj termike paralele. Termoelektra modulo havas du flankojn: varman flankon kaj malvarman flankon. Kiam la varma flanko estas esponita al varma fonto kaj la malvarma flanko estas esponita al varmaluigilo, formiĝas temperaturo-diferenco tra la modulo, kaŭzante fluon de kuranto tra la cirkvito. La kuranto povas esti uzata por fortigi eksternan ŝarĝon aŭ ŝargi baterion. La voltago kaj potenca eligo de termoelektra modulo dependas de la nombro de termokoploj, la temperaturo-diferenco, la koeficiento de Seebeck, kaj la elektraj kaj termikaj rezistancoj de la materialoj.

La efektiveco de termoelektra generatoro estas difinita kiel la rilatumo de la elektra potenca eligo al la varma enigo el la fonto. La efektiveco de termoelektra generatoro estas limigita de la Carnot-efektiveco, kiu estas la maksimuma ebla efektiveco por iu ajn varm-engino operanta inter du temperaturoj. La Carnot-efektiveco estas donita per:

ηCarnot=1−ThTc

kie Tc estas la temperaturo de la malvarma flanko, kaj Th estas la temperaturo de la varma flanko.

La efektiva efektiveco de termoelektra generatoro estas multe pli malalta ol la Carnot-efektiveco pro diversaj perdoj, kiel Joule-varmo, termika kondukado, kaj termika radiado. La efektiva efektiveco de termoelektra generatoro dependas de la merit-indico (ZT) de la termoelektraj materialoj, kiu estas dimensie-libera parametro, kiu mezuras la performadon de materialo por termoelektraj aplikoj. La merit-indico estas donita per:

ZT=κα2σT

kie α estas la koeficiento de Seebeck, σ estas la elektra konduktiveco, κ estas la termika konduktiveco, kaj T estas la absoluta temperaturo.

Je pli alta merit-indico, je pli alta efektiveco de la termoelektra generatoro. La merit-indico dependas de ambaŭ intrinsekaj ecoj (kiel elektronaj kaj fononaj transportoj) kaj eksteraj ecoj (kiel dozing-nivelo kaj geometrio) de la materialoj. La celo de la esploro pri termoelektraj materialoj estas trovi aŭ disegni materialojn, kiuj havas altan koeficienton de Seebeck, altan elektran konduktivecon, kaj malaltan termikan konduktivecon, kiuj ofte estas konfliktaj postuloj.

Kielajn Komunajn Termoelektrajn Materialojn Oni Trovas?

Termoelektraj materialoj povas esti klasifikitaj en tri kategorioj: metaloj, duonkonduktoroj, kaj kompleksaj kunmetaĵoj.

Metaloj havas altan elektran konduktivecon, sed malaltan koeficienton de Seebeck kaj altan termikan konduktivecon, rezultigante malaltan merit-indicon. Metaloj ĉefe estas uzataj kiel elektrodoj aŭ interligiloj en termoelektraj moduloj.

Duonkonduktoroj havas moderatan elektran konduktivecon kaj koeficienton de Seebeck, sed altan termikan konduktivecon, rezultigante moderatan merit-indicon. Duonkonduktoroj povas esti dotitaj por krei n-tipajn aŭ p-tipajn materialojn kun malsamaj portanto-koncentroj kaj mobilecoj. Duonkonduktoroj estas larĝe uzataj kiel termoelektraj materialoj por malvarmaj aplikoj (sub 200°C).

Kompleksaj kunmetaĵoj havas malaltan elektran konduktivecon, sed altan koeficienton de Seebeck kaj malaltan termikan konduktivecon, rezultigante altan merit-indicon. Kompleksaj kunmetaĵoj kutime estas komponitaj el pluraj elementoj kun malsamaj valentaj stato kaj kristalstrukturoj, kiuj kreigas kompleksajn elektron-bandon strukturojn kaj fonon-dispersajn mekanismojn, kiuj plibonigas la termoelektran performadon. Kompleksaj kunmetaĵoj estas larĝe uzataj kiel termoelektraj materialoj por varmaj aplikoj (super 200°C).

Iuj ekzemploj de komunaj termoelektraj materialoj estas:

• Bismuto tellurido (Bi2Te3) kaj ĝiaj ligoj: Ĉi tiuj estas la plej vaste uzataj termoelektraj materialoj por malvarmaj aplikoj (sub 200°C), kiel refrigejoj kaj energigenerado el malutila varmo. Bi2Te3 havas lamstrukturon, konsistantan el alternantaj kvintuplaj stratoj de Bi2 kaj Te3 atomoj ligitaj per malfortaj van der Waals-forcetoj. Ĉi tiu strukturo rezultigas malaltan termikan konduktivecon pro fonon-dispersado ĉe la stratarandoj. Bi2Te3 povas esti ligitaj kun aliaj elementoj, kiel antimonio (Sb), selenio (Se), aŭ sulfurio (S) por regi ĝian elektran propraĵon kaj optimizi ĝian merit-indicon.

• Plumbo tellurido (PbTe) kaj ĝiaj ligoj: Ĉi tiuj estas inter la plej vaste uzataj termoelektraj materialoj por mezvarmaj aplikoj (200-600°C), kiel energigenerado el aŭtomobilaj eksaŭtoj aŭ industria malutila varmo. PbTe havas rok-salstrukturon, konsistantan el alternantaj stratoj de Pb2+ kaj Te2- ionoj ligitaj per forta jonforco. Ĉi tiu strukturo rezultigas altan koeficienton de Seebeck pro pezaj Pb-atomoj, kiuj kreigas grandan banddegenecon proksime al la Fermi-nivelo. PbTe povas esti ligitaj kun aliaj elementoj, kiel stanumo (Sn), talio (Tl), aŭ sodio (Na) por plibonigi ĝian merit-indicon.

• Skutteruditoj: Ĉi tiuj estas kompleksaj kunmetaĵoj kun la ĝenerala formulo MX3, kie M estas transitiva metalo (kiel kobalto, Co) kaj X estas pniktogeno (kiel antimonio, Sb).

           
   

• Skutteruditoj havas kuban strukturon, konsistantan el tri-dimensia reto de M4X12 unuoj kun grandaj vojetoj, kiuj povas enhavi gastatomojn (kiel rarearaj elementoj, RE). La gastatomoj agas kiel fonon-dispersiloj, kiuj reduktas la termikan konduktivecon, dum la gastaj atomoj provizas altan elektran konduktivecon kaj koeficienton de Seebeck. Skutteruditoj estas promesaj termoelektraj materialoj por mezvarmaj kaj varmaj aplikoj (300-800°C), kiel energigenerado el varmo-recuperado aŭ koncentrita sunenergo.

• Half-Heusler kunmetaĵoj: Ĉi tiuj estas ternaraj kunmetaĵoj kun la ĝenerala formulo XYZ, kie X estas transitiva metalo (kiel titanio, Ti), Y estas alia transitiva metalo (kiel nikelo, Ni), kaj Z estas grupa elemento (kiel stanumo, Sn).

           
   

• Half-Heusler kunmetaĵoj havas kuban strukturon, konsistantan el kvar interpenetraj fcc-subretoj, unu okupita de X-atomoj, kaj la aliaj tri okupitaj de Y kaj Z-atomoj en rilatumo 1:2. Half-Heusler kunmetaĵoj havas altan koeficienton de Seebeck kaj elektran konduktivecon pro iliaj kompleksaj elektron-bandon strukturoj kaj malaltan termikan konduktivecon pro iliaj pezaj konstituantaj atomoj. Half-Heusler kunmetaĵoj estas promesaj termoelektraj materialoj por varmaj aplikoj (super 800°C), kiel energigenerado el nukleaj reaktoroj aŭ aerospaca motoroj.

Kielajn Aplikojn Oni Trovas Por Termoelektraj Generatoroj?

Termoelektraj generatoroj havas diversajn aplikojn en malsamaj kampoj, depende de la temperaturo-streko, potenca eligo, kaj varma fonto-disponobleco. Iuj ekzemploj de aplikoj de termoelektraj generatoroj estas:

• Refrigejoj: Termoelektraj generatoroj povas esti uzataj por refreski elektronikajn komponantojn, kiel mikroprocesoroj, laseroj, aŭ sensoroj, aplike de elektra kuranto por krei temperaturo-diferencon inter la varma kaj malvarma flanko de la modulo. Ĉi tiu procezo estas nomita termoelektra refrigejo aŭ Peltier-efekto, kiu estas la inverso de la efekto de Seebeck. Termoelektraj refrigejoj havas avantaĝojn super konvenaj refrigejametodoj, kiel kompakteco, fidindeco, senbrueco, kaj preciza temperatur-kontrolo.

• Energigenerado el malutila varmo: Termoelektraj generatoroj povas esti uzataj por akiri malutilan varmon el diversaj fontoj, kiel industria procezoj, aŭtomobiloj, energiejoj, kaj eĉ homa korpo, kaj konverti ĝin al utila elektra energio. Ĉi tio povas plibonigi energieffektivecon kaj redukti la hothausgas-emision de ĉi tiuj fontoj. Ekzemple, termoelektraj generatoroj povas esti integritaj en aŭtomobilaj eksaŭtosistemoj por recuperi kelkajn el la varmo perditajn dum kombusto kaj generi elektron por bordaj elektroniko aŭ baterio-ladado. Termoelektraj generatoroj ankaŭ povas esti atachitaj al homa skino aŭ vestaĵo por generi elektron el korpa varmo por fortaĵoj aŭ medicinaj implantoj.

• Energigenerado el radioizotopo: Termoelektraj generatoroj povas esti uzataj por fortaĵoj, kiel sensoroj, senfada