Termoelektriko Generadoreak: Printzipioak Materialak eta Aplikazioak

Errekitermoelektrikoa (TEG) kalore-energiarik elektrizitate-energira bihurtzen duen gailua da Seebeck efektuaren bidez. Seebeck efektua, hain zuzen, konduktore desberdinen edo konduktore-konbinazio baten artean existitzen den tenperatura-desberdintasuna eragin dezakeena da, elektriko-potentzial-desberdintasuna sortuz. TEGek ez dute mugitu egiten duten pieza batzuk eta inoizezko eta fidagarri lan egin dezakete. TEGek industria-prozesuetako, autoetako, energi-plantetako edota pertsona baten gorputzaren kalorerik erabil ditzakete elektrizitate-energiara bihurtzeko. TEGek gaitasun handia dituzte gailu urrunak, adibidez sensorrak, trasmisio-wirelessak edo espazio-naveak, erradioisotopoen edo eguzki-kaloreren bidez abiarazten dituztela.

Nola funtzionatzen du Errekitermoelektrikoa?

Errekitermoelektrikoa bi osagai nagusi ditu: materialek termoelektrikoak eta moduluek termoelektrikoak.

Materialek termoelektrikoak Seebeck efektua erakusten duten materialak dira, hots, tenperatura-gradiente batean sartuta, elektriko-tentsio bat sortzen dutenak. Materialek termoelektrikoak bi motatan sailkatu daitezke: n-mota eta p-mota. N-motako materialak elektron gutxiago dituzte, p-motako materialak elektron gehiago. N-motako material bat eta p-motako material bat seriean metaleko elektroden bitartez lotuta, termopare bat osatzen dute, zeinak errekitermoelektrikoaren unitate oinarrizkoa baita.

Modulu termoelektriko bat seriean elektrikoki lotutako eta paraleloan termikoki lotutako asko termopare dituen gailu bat da. Modulu termoelektriko batek alde bi ditu: alde hota eta alde hotza. Alde hota kalori-iturri bati esker eta alde hotza kalori-sink bati esker, moduluaren gainean tenperatura-desberdintasuna sortzen da, kargua zirkuituan erortzen ari izan delako. Karga hori kanpoko kargu batera edo bateria bat betetzerakoan erabil daiteke. Modulu termoelektriko baten tensio eta indarra termopare kopuruaren, tenperatura-desberdintasunaren, Seebeck koefizientearren, eta materialen elektriko eta termiko resistentziaren arabera daude.

Errekitermoelektriko baten efizientzia elektriko-indarraren eta kalori-iturritik jasotako kaloriaren arteko arrazoia bezala definitzen da. Errekitermoelektriko baten efizientzia Carnot efizientziaren muga du, hain zuzen, edozein kalori-gailuaren maximo efizientzia posiblea. Carnot efizientzia hau da:

ηCarnot=1−ThTc

non Tc alde hotzaren tenperatura izanik, eta Th alde hotaren tenperatura.

Errekitermoelektriko baten efizientzia erreala Carnot efizientziatik askoz txikiagoa da Joule-heating, termiko-kondutasio eta termiko-radiazio motako galerei esker. Errekitermoelektriko baten efizientzia erreala materialen termoelektriko meritu-figurearen (ZT) mendean dago, hain zuzen, material baten termoelektriko aplikazioetarako prestasunaren neurri dimensional-bat. Meritu-figurea hau da:

ZT=κα2σT

non α Seebeck koefizientea, σ elektriko-konduktibotasuna, κ termiko-konduktibotasuna, eta T tenperatura absolutua.

Meritu-figurea altuagoa, errekitermoelektrikoaren efizientzia altuagoa. Meritu-figurea materialen ezaugarri intrinsikoetatik (adibidez, elektron eta phonon transport) eta ekstrinsikoetatik (adibidez, doping-maila eta geometria) dator. Termoelektriko materialen ikerketaren helburua Seebeck koefizientu altua, elektriko-konduktibotasun altua eta termiko-konduktibotasun baxua dituzten materialak aurkitzea edo diseinatzeko da, hain zuzen, eskertxuak diren eskariak.

Zein dira Termoelektriko Material Arrunt Batzuk?

Materialek termoelektrikoak metalak, semikonduktorak eta kompleksu komposatuak dira.

Metalek elektriko-konduktibotasun altua dute, baina Seebeck koefizientu baxua eta termiko-konduktibotasun altua, meritu-figure baxua ematen dute. Metalek elektrodo bezala edo interkonexio bezala erabiltzen dira modulu termoelektrikoetan.

Semikonduktorrek elektriko-konduktibotasun eta Seebeck koefizientu erdieskuina dute, baina termiko-konduktibotasun altua, meritu-figure erdieskuina ematen dute. Semikonduktorrek dopeta ditzakete n-mota edo p-mota materialak sortzeko, zuriune-kopuru eta mobilitate desberdinak dituztenak. Semikonduktorrek termoelektriko material bezala erabiltzen dira tenperatura baxuko aplikazioetarako (200°C baino txikiago).

Kompleksu komposatuak elektriko-konduktibotasun baxua dute, baina Seebeck koefizientu altua eta termiko-konduktibotasun baxua, meritu-figure altua ematen dute. Kompleksu komposatuek elementu anitz dituzte balentzia-egoeren eta kristalo-egitura desberdinetan, elektronikoki band-egitura konplexuak eta phonon scattering mekanismoak sortzen dituztenak, termoelektriko prestasuna hobetzen dituztenak. Kompleksu komposatuek termoelektriko material bezala erabiltzen dira tenperatura altuko aplikazioetarako (200°C baino gehiago).

Hona hemen zenbait termoelektriko material arrunt:

• Bismuto telluridoa (Bi2Te3) eta bere aleazioak: Hauenak termoelektriko material arruntengana dira tenperatura baxuko aplikazioetarako (200°C baino txikiago), adibidez, refrigerazio gailuetarako eta kalori-hondakinatik elektrizitate sortzeko. Bi2Te3k struktura marrazkor bat du, Bi2 eta Te3 atomuen kapelak elkarren ondoren jarraituz van der Waals errotasun feblekin lotuta. Struktura hau phonon scattering layer boundarytan ematen duen termiko-konduktibotasun baxua ematen du. Bi2Te3k beste elementu batzuekin, antimonio (Sb), selenium (Se) edo sulfur (S) aleazioa eginez, bere elektriko-ezaugarriak doinaz eta bere meritu-figurea optimizatzeko.

• Plomo telluridoa (PbTe) eta bere aleazioak: Hauenak termoelektriko material arruntengana dira tenperatura erdieskuina aplikazioetarako (200-600°C), adibidez, auto-exhaust edo industrialko kalori-hondakinatik elektrizitate sortzeko. PbTek struktura rock-salt bat du, Pb2+ eta Te2- ionen kapelak elkarren ondoren jarraituz ionic errotasun sendoki batekin lotuta. Struktura hau Pb atomo berriak Fermi leveltik gertu band degeneracy handia sortzen dutenez, Seebeck koefizientu altua ematen du. PbTek beste elementu batzuekin, tin (Sn), thallium (Tl) edo sodium (Na) aleazioa eginez, bere meritu-figurea hobetzen da.

• Skutterudites: Hauek kompleksu komposatuak dira MX3 formula orokorrarekin, non M metal transitorio bat (adibidez, cobalto, Co) eta X pnictogen bat (adibidez, antimonio, Sb).

           
   

• Skutteruditesk struktura kubikoa du, M4X12 unitateen hiru dimentsioko sarea dutena, guest atom (adibidez, rare earth element, RE) kontserbatzeko leku handiak dituena. Guest atomak phonon scatterers gisa funtzionatzen dituzte, termiko-konduktibotasuna gutxituz, host atomak elektriko-konduktibotasun eta Seebeck koefizientu altua ematen dituztenak. Skutteruditesk promesak termoelektriko material gisa tenperatura erdieskuina eta altuena aplikazioetarako (300-800°C), adibidez, kalori-hondakinatik elektrizitate sortzeko edo solar power kontzentratu gisa.

• Half-Heusler konposatuak: Hauek XYZ formula orokorrarekin dituzten ternary konposatuak dira, non X metal transitorio bat (adibidez, titanium, Ti), Y beste metal transitorio bat (adibidez, nickel, Ni), eta Z elementu nagusi bat (adibidez, tin, Sn).

           
   

• Half-Heusler konposatuak struktura kubikoa du, fcc sublattice lau interpenetratzen dituen, X atomuen bat eta Y eta Z atomuen bestea 1:2 arrazoiarekin. Half-Heusler konposatuak elektronikoki band-egitura konplexuak dituzte, Seebeck koefizientu eta elektriko-konduktibotasun altua ematen dute, eta konponente-atomo berriak neurriz, termiko-konduktibotasun baxua ematen dute. Half-Heusler konposatuak promesak termoelektriko material gisa tenperatura altuko aplikazioetarako (800°C baino gehiago), adibidez, nuclear reactor edo aerospace engines elektrizitate sortzeko.

Zein dira Errekitermoelektriko Baten Aplikazio Batzuk?

Errekitermoelektrikoak aldi desberdinetan, indarraren porteen eta kalori-iturriaren eskuragarritasunaren arabera, aplikazio desberdinak dituzte. Hona hemen zenbait errekitermoelektriko aplikazio:

• Refrigerazio gailuak: Errekitermoelektrikoak elektronikoko komponenteak, adibidez, microprozesadoreak, laserak edo sensorrak, tenperatura-desberdintasuna sortzeko elektriko-korrontea aplikatuz moduluaren alde hota eta alde hotza artean. Prozesu hau errekitermoelektriko refrigerazioa edo Peltier efektua deitzen da, Seebeck efektuaren alderantzizkoa. Errekitermoelektriko refrigerazio gailuak garrantzitsuak dira, compacttasuna, fidagarritasuna, soramendurik gabeko eta tenperatura kontrola zehatzeko.

• Kalori-hondakinatik elektrizitate sortzea: Errekitermoelektrikoak kalori-hondakinatik, adibidez, industria-prozesuetako, autoetako, energi-plantetako edota pertsona baten gorputzaren kalorerik elektrizitate utilerako bihurtzeko erabil ditzakete. Honek energia efizientzia hobetzen du eta hauek iturrietako gas estufa-emisioak gutxitzen ditu. Adibidez, errekitermoelektrikoak auto-exhaust sistemak integra ditzakete kalori batzuk combustion-en ondoren galduko direnak elektrizitate sortzeko elektronika onboard edo bateria betetzerakoan. Errekitermoelektrikoak gorputz-kaloria elektrizitate sortzeko wearable device edo medical implant batzuk betetzeko ere erabil ditzakete.

• Radioisotopetatik elektrizitate sortzea: Errekitermoelektrikoak radioisotopoen bidez erabil ditzakete gailu urrunak, adibidez, sensorrak, wireless trasmisorrak eta espazio-naveak, kalori-iturri gisa.

           
   

• Radioisotopoak isotope instabiletzat dira, radiazioa ematen dituzten eta beste elementu batzuekin decay egiten dituztenak. Radi