Termoelektrilised generaatorid: Printsiibid materjalid ja rakendused
Termoelektriline geneerija (TEG) on seade, mis teisendab soojuse energia elektrivooluks Seebecki efekti abil. Seebecki efekt on nähtus, mis tekib, kui kahe erineva juhivkonna või juhivkondade ringkonnas on temperatuurierinevus, mis loob elektrilise potentiaalide erinevuse. TEG-d on kiipsete seadmete, millel ei ole liikuvaid osi, ja need võivad tõhusalt ja usaldusväärselt töötada pikka aega. TEG-e saab kasutada erinevatest allikatest, nagu tootmisprotsessid, autod, elektrijaamad ja isegi inimese keha soojuse, tulnuka soojuse ümberkasutamiseks ja selleks, et teisendada see kasutatavaks elektriks. TEG-e saab kasutada ka kaugel asuvate seadmete, nagu andurite, sideülekandjate ja kosmoselaevade, tööresurssina, kasutades radioaktiivseid isotoppe või päikese soojust soojuse allikana.
Kuidas termoelektriline geneerija töötab?
Termoelektriline geneerija koosneb kahest peamisest komponendist: termoelektrilistest materjalidest ja termoelektrilistest moodulitest.
Termoelektrilised materjalid on materjalid, mis näitavad Seebecki efekti, st neil tekib elektriline spänning temperatuurigradiendi mõju all. Termoelektrilisi materjale saab jagada kahte tüüpi: n-tyypi ja p-tyypi. N-tyypilised materjalid omavad üleliigset elektronide arvu, samas kui p-tyypilised materjalid omavad elektronide puudust. Kui n-tyypi materjal ja p-tyypi materjal on sarireeglis metallide elektroodidega ühendatud, moodustavad nad termopaar, mis on termoelektrilise geneerija põhielement.
Termoelektriline moodul on seade, mis sisaldab palju termopaare, mis on elektriliselt sarireeglis ja lämmastikult paralleelselt ühendatud. Termoelektriline moodul omab kaks küla: soole ja külmale poole. Kui soole poolele on avaldatud soojuse allikas ja külmale poolele soojuse vastand, tekib mooduli külgede vahel temperatuurierinevus, mis põhjustab voolu tekkes läbimist. Vool saab kasutada välise laadiku või akula laetamiseks. Termoelektrilise mooduli spänning ja võimsus sõltub termopaaride arvust, temperatuurierinevusest, Seebecki kordajast ja materjalide elektrilisest ja lämmastikust vastupanust.
Termoelektrilise geneerija tõhusus defineeritakse kui elektrilise võimsuse väljavoolu suhe soojuse sisendsel. Termoelektrilise geneerija tõhusus piiratakse Carnoti tõhususega, mis on maksimaalne võimalik tõhusus igal soojusmasinadel, mis töötab kahe temperatuuri vahel. Carnoti tõhusus annab:
ηCarnot=1−ThTc
kus Tc on külmale poole temperatuur ja Th on soole poole temperatuur.
Tegelik termoelektrilise geneerija tõhusus on palju madalam kui Carnoti tõhusus, kuna erinevad kadud, nagu Joule'i soojenemine, lämmastik ja soojuse säte. Tegelik termoelektrilise geneerija tõhusus sõltub termoelektriliste materjalide tegurimärgist (ZT), mis on mittendimensiooniline parameeter, mis mõõdab materjali soovitavaid omadusi termoelektriliste rakenduste jaoks. Tegurimärk antakse:
ZT=κα2σT
kus α on Seebecki kordaja, σ on elektrijuhtivus, κ on lämmastikujuhtivus ja T on absoluutne temperatuur.
Mida suurem on tegurimärk, seda suurem on termoelektrilise geneerija tõhusus. Tegurimärk sõltub nii intriinsed omadused (nagu elektronide ja foonide transport) kui ka ekstriinsed omadused (nagu dopantide taseme ja geomeetria) materjalidest. Termoelektriliste materjalide uurimise eesmärk on leida või disainida materjale, millel on kõrge Seebecki kordaja, kõrge elektrijuhtivus ja madal lämmastikujuhtivus, mis on tihti konflikteerivad nõuded.
Mida on mõned tavalised termoelektrilised materjalid?
Termoelektrilisi materjale saab jagada kolme kategooriasse: metallid, pooljuhid, ja keerukad kompleksid.
Metallidel on kõrge elektrijuhtivus, kuid madal Seebecki kordaja ja kõrge lämmastikujuhtivus, mis tulemuseks on madal tegurimärk. Metallid kasutatakse peamiselt elektroodidena või ühendusreidena termoelektrilistes moodulites.
Pooljuhidel on keskmine elektrijuhtivus ja Seebecki kordaja, kuid kõrge lämmastikujuhtivus, mis tulemuseks on keskmine tegurimärk. Pooljuhideid saab dopata, et luua n-tyypi või p-tyypi materjale erinevate ladungstrükide ja mobiilsusega. Pooljuhid kasutatakse laialdaselt termoelektriliste materjalidena madalatemperatuurile rakendustele (alla 200°C).
Keerukatel kompleksidel on madal elektrijuhtivus, kuid kõrge Seebecki kordaja ja madal lämmastikujuhtivus, mis tulemuseks on kõrge tegurimärk. Keerukad kompleksid koosnevad tavaliselt mitmest elemendist, millel on erinevad valentsuseteadused ja kristallstruktuurid, mis loovad keerukad elektronilised bändistruktuurid ja foonide sirgendumismehhanismid, mis parandavad termoelektrilist jõudlust. Keerukad kompleksid kasutatakse laialdaselt termoelektriliste materjalidena kõrgetemperatuurile rakendustele (üle 200°C).
Mõned tavaliste termoelektriliste materjalide näited on:
Bismuut-telluur (Bi2Te3) ja selle liigsed: Need on kõige laialdasemat kasutatavad termoelektrilised materjalid madalatemperatuurile rakendustele (alla 200°C), nagu jäähenda seadmed ja energiategemine jätte soojusest. Bi2Te3-l on kihteline struktuur, mis koosneb alternatiivsetest viiekümneltest Bi2 ja Te3 atoomide kihtidest, mis on sidunud nõrgade van der Waals'i jõududega. See struktuur tulemuseks on madal lämmastikujuhtivus, kuna foonide sirgendumine toimub kihi rajojärgi. Bi2Te3-d saab liigitada muude elementide, nagu antimon (Sb), seleen (Se) või sülfür (S) abil, et optimiseerida selle elektrilisi omadusi ja tegurimärki.
Veele-telluur (PbTe) ja selle liigsed: Need on kõige laialdasemat kasutatavad termoelektrilised materjalid keskmistemperatuurile rakendustele (200-600°C), nagu energiategemine auto õhkumispõletuse või tööstuslike jätte soojusest. PbTe-l on kivisaare struktuur, mis koosneb alternatiivsetest Pb2+ ja Te2- ionide kihtidest, mis on sidunud tugevate iooniliste jõududega. See struktuur tulemuseks on kõrge Seebecki kordaja, kuna raskeveele atoomid loovad suure bändide degenereerimise Fermi taseme lähedal. PbTe-d saab liigitada muude elementide, nagu tin (Sn), talium (Tl) või natrium (Na) abil, et parandada selle tegurimärki.
Skutterüüdid: Need on keerukad kompleksid, mille üldine valem on MX3, kus M on ülemine metal (nt kobalt, Co) ja X on pniktogeene (nt antimon, Sb).
Skutterüüdidel on kuubiline struktuur, mis koosneb kolmemõõtmelistest M4X12 üksuste võrgust, milles on suured tühi ruumid, mis võivad hoida külalist atoomi (nt haruldased maapõhised elemendid, RE). Külalist atoomi toimivad foonide sirgendumise scatter'itajana, mis vähendavad lämmastikujuhtivust, samas kui host-atoomid pakuvad kõrget elektrijuhtivust ja Seebecki kordajat. Skutterüüdid on lootuspärased termoelektrilised materjalid keskmise kuni kõrgetemperatuurile rakendustele (300-800°C), nagu energiategemine jätte soojuse taaskasutamisel või konsentreeritud päikeseenergia.
Half-Heusleri kompleksid: Need on ternäride kompleksid, mille üldine valem on XYZ, kus X on ülemine metal (nt titan, Ti), Y on teine ülemine metal (nt nikkel, Ni) ja Z on põhigruppide element (nt tin, Sn).
Half-Heusleri kompleksidel on kuubiline struktuur, mis koosneb neljast üksteisest läbivad fcc alamlattitsidest, üks X atoomidega ja kolm Y ja Z atoomidega 1:2 suhel. Half-Heusleri kompleksidel on kõrge Seebecki kordaja ja elektrijuhtivus nende keerukate elektroniliste bändide struktuuri tõttu ning madal lämmastikujuhtivus nende raske koostisosade tõttu. Half-Heusleri kompleksid on lootuspärased termoelektrilised materjalid kõrgetemperatuurile rakendustele (üle 800°C), nagu energiategemine tuumareaktoritest või kosmoselaevade mootoritest.
Mida on mõned termoelektriliste geneerijate rakendused?
Termoelektrilised geneerijad omavad erinevatel valdkondadel mitmeid rakendusi, sõltuvalt temperatuurivaikutusest, võimsuse väljavoolust ja soojuse allika saadavusest. Mõned termoelektriliste geneerijate rakendused on:
Jäähenda seadmed: Termoelektrilisi geneerijaid saab kasutada elektroniliste komponentide, nagu mikroprotsessoride, laserite või andurite jähendamiseks, rakendades elektrivoolu, et luua temperatuurierinevus mooduli soole ja külmale poole vahel. See protsess nimetatakse termoelektriliseks jähendamiseks või Peltieri efektiks, mis on Seebecki efekti vastand. Termoelektrilised jähendamisseadmed omavad eeliseid traditsiooniliste jähendamismeetodite ees, nagu kompaktsus, usaldusväärsus, vaikus ja täpne temperatuuri kontroll.
Energiategemine jätte soojusest: Termoelektrilisi geneerijaid saab kasutada jätte soojuse ümberkasutamiseks erinevatest allikatest, nagu tootmisprotsessid, autod, elektrijaamad ja isegi inimese keha soojus, ja selle teisendamiseks kasutatavaks elektriks. See võib parandada nende allikate energiatõhusust ja vähendada nende heitkoguseid. Näiteks saab termoelektrilisi geneerijaid integreerida auto õhkumissüsteemidesse, et taastada osa põletuse käigus kadunud soojusest ja genereerida elektrit sõidukite elektronikale või akula laetamiseks. Termoelektrilisi geneerijaid saab ka vastuda inimese nahale või riidele, et genereerida elektrit keha soojusest, mis võib varustada kandvat seadet või meditsiinilist implantaati.
E
