Mga Generator na Termodinamiko: mga Prinsipyo Materiales at Aplikasyon

Blake

Larangan: Kagamitan ng Pwersa

China

Ang isang thermoelectric generator (TEG) ay isang aparato na nagsasalin ng enerhiyang init sa elektrikong enerhiya gamit ang Seebeck effect. Ang Seebeck effect ay isang pangyayari na nangyayari kapag may pagkakaiba ng temperatura sa dalawang iba't ibang konduktor o circuit ng mga konduktor, na naglilikha ng electric potential difference. Ang mga TEG ay solid-state devices na walang moving parts at maaaring tumakbo nang tahimik at maasahan para sa mahabang panahon. Maaaring gamitin ang mga TEG upang makolekta ang basurang init mula sa iba't ibang pinagmulan, tulad ng industriyal na proseso, mga kotse, power plants, at kahit pa ang init ng katawan ng tao, at isalin ito sa useful electricity. Maaari ring gamitin ang mga TEG upang pumwersa ang malalayong mga aparato, tulad ng mga sensor, wireless transmitters, at spacecraft, gamit ang radioisotopes o solar heat bilang pinagmulan ng init.

Kamusta ang Paggana ng Thermoelectric Generator?

Ang isang thermoelectric generator ay binubuo ng dalawang pangunahing komponente: thermoelectric materials at thermoelectric modules.

Ang mga thermoelectric materials ay mga materyales na ipinapakita ang Seebeck effect, ibig sabihin, lumilikha sila ng electric voltage kapag inilapat ang isang temperature gradient. Maaaring ikategorya ang mga thermoelectric materials sa dalawang uri: n-type at p-type. Ang mga n-type materials ay may sobrang electrons, samantalang ang mga p-type materials ay may kakulangan ng electrons. Kapag isinaayos ang isang n-type material at isang p-type material sa serye ng metal electrodes, nabubuo ang isang thermocouple, na ang basic unit ng isang thermoelectric generator.

Ang isang thermoelectric module ay isang aparato na may maraming thermocouples na konektado electrically in series at thermally in parallel. Mayroon ang isang thermoelectric module ng dalawang gilid: isang mainit na gilid at isang malamig na gilid. Kapag inilapat ang mainit na gilid sa isang pinagmulan ng init at inilapat ang malamig na gilid sa isang heat sink, nabubuo ang isang pagkakaiba ng temperatura sa buong module, na nagdudulot ng pagtakbo ng current sa circuit. Maaaring gamitin ang current upang pumwersa ang isang external load o punan ang battery. Ang voltage at power output ng isang thermoelectric module depende sa bilang ng mga thermocouples, ang pagkakaiba ng temperatura, ang Seebeck coefficient, at ang electrical at thermal resistances ng mga materyales.

Ang efisiensiya ng isang thermoelectric generator ay inilalarawan bilang ang ratio ng electrical power output sa heat input mula sa pinagmulan. Ang efisiensiya ng isang thermoelectric generator ay limitado ng Carnot efficiency, na ang maximum possible efficiency para sa anumang heat engine na gumagana sa pagitan ng dalawang temperatura. Ang Carnot efficiency ay ibinibigay ng:

ηCarnot=1−ThTc

kung saan ang Tc ay ang temperatura ng malamig na gilid, at Th ay ang temperatura ng mainit na gilid.

Ang aktwal na efisiensiya ng isang thermoelectric generator ay mas mababa kaysa sa Carnot efficiency dahil sa iba't ibang pagkawala tulad ng Joule heating, thermal conduction, at thermal radiation. Ang aktwal na efisiensiya ng isang thermoelectric generator depende sa figure of merit (ZT) ng mga thermoelectric materials, na isang dimensionless parameter na sumusukat sa performance ng isang materyal para sa thermoelectric applications. Ang figure of merit ay ibinibigay ng:

ZT=κα2σT

kung saan ang α ay ang Seebeck coefficient, σ ay ang electrical conductivity, κ ay ang thermal conductivity, at T ay ang absolute temperature.

Ang mas mataas ang figure of merit, mas mataas ang efisiensiya ng thermoelectric generator. Ang figure of merit depende sa parehong intrinsic properties (tulad ng electron at phonon transport) at extrinsic properties (tulad ng doping level at geometry) ng mga materyales. Ang layunin ng thermoelectric materials research ay makahanap o magdisenyo ng mga materyales na may mataas na Seebeck coefficient, mataas na electrical conductivity, at mababang thermal conductivity, na madalas magkalaban ang mga ito.

Ano ang Ilang Karaniwang Thermoelectric Materials?

Maaaring ikategorya ang mga thermoelectric materials sa tatlong kategorya: metals, semiconductors, at complex compounds.

Ang mga metals ay may mataas na electrical conductivity ngunit mababang Seebeck coefficient at mataas na thermal conductivity, na nagreresulta sa mababang figure of merit. Ang mga metals ay pangunahing ginagamit bilang electrodes o interconnects sa mga thermoelectric modules.

Ang mga semiconductors ay may katamtaman na electrical conductivity at Seebeck coefficient ngunit mataas na thermal conductivity, na nagreresulta sa katamtaman na figure of merit. Maaaring doped ang mga semiconductors upang lumikha ng n-type o p-type materials na may iba't ibang carrier concentrations at mobilities. Malaganap ang paggamit ng mga semiconductors bilang thermoelectric materials para sa low-temperature applications (sa ilalim ng 200°C).

Ang mga complex compounds ay may mababang electrical conductivity ngunit mataas na Seebeck coefficient at mababang thermal conductivity, na nagreresulta sa mataas na figure of merit. Ang mga complex compounds ay karaniwang binubuo ng maraming elements na may iba't ibang valence states at crystal structures, na lumilikha ng complex electronic band structures at phonon scattering mechanisms na nagpapataas ng thermoelectric performance. Malaganap ang paggamit ng mga complex compounds bilang thermoelectric materials para sa high-temperature applications (higit sa 200°C).

Ilang halimbawa ng karaniwang thermoelectric materials ay:

Bismuth telluride (Bi2Te3) at ang mga alloys nito: Ito ang pinakamalaganap na ginagamit na thermoelectric materials para sa low-temperature applications (sa ilalim ng 200°C), tulad ng cooling devices at power generation mula sa waste heat sources. Ang Bi2Te3 ay may layered structure na binubuo ng alternating quintuple layers ng Bi2 at Te3 atoms na bonded ng weak van der Waals forces. Nagreresulta ito sa mababang thermal conductivity dahil sa phonon scattering sa layer boundaries. Maaaring alloyed ang Bi2Te3 kasama ang iba pang elements tulad ng antimony (Sb), selenium (Se), o sulfur (S) upang i-tune ang electrical properties nito at optimize ang figure of merit nito.
Lead telluride (PbTe) at ang mga alloys nito: Ito ang isa sa pinakamalaganap na ginagamit na thermoelectric materials para sa medium-temperature applications (200-600°C), tulad ng power generation mula sa automotive exhaust o industrial waste heat sources. Ang PbTe ay may rock-salt structure na binubuo ng alternating layers ng Pb2+ at Te2- ions na bonded ng strong ionic forces. Nagreresulta ito sa mataas na Seebeck coefficient dahil sa heavy Pb atoms na lumilikha ng malaking band degeneracy near the Fermi level. Maaaring alloyed ang PbTe kasama ang iba pang elements tulad ng tin (Sn), thallium (Tl), o sodium (Na) upang mapataas ang figure of merit nito.
Skutterudites: Ito ang mga complex compounds na may general formula MX3, kung saan ang M ay isang transition metal (tulad ng cobalt, Co) at X ay isang pnictogen (tulad ng antimony, Sb).
Ang mga skutterudites ay may cubic structure na binubuo ng three-dimensional network ng M4X12 units na may malalaking voids na maaaring accommodate guest atoms (tulad ng rare earth elements, RE). Ang mga guest atoms ay gumagamit bilang phonon scatterers na bumabawas sa thermal conductivity, habang ang host atoms ay nagbibigay ng mataas na electrical conductivity at Seebeck coefficient. Mga promising thermoelectric materials ang mga skutterudites para sa medium- to high-temperature applications (300-800°C), tulad ng power generation mula sa waste heat recovery o concentrated solar power.
Half-Heusler compounds: Ito ang ternary compounds na may general formula XYZ, kung saan ang X ay isang transition metal (tulad ng titanium, Ti), Y ay isa pang transition metal (tulad ng nickel, Ni), at Z ay isang main group element (tulad ng tin, Sn).
Ang mga half-Heusler compounds ay may cubic structure na binubuo ng apat na interpenetrating fcc sublattices, isa na occupied ng X atoms at ang iba pang tatlo na occupied ng Y at Z atoms sa 1:2 ratio. Ang mga half-Heusler compounds ay may mataas na Seebeck coefficient at electrical conductivity dahil sa kanilang complex electronic band structures at mababang thermal conductivity dahil sa kanilang heavy constituent atoms. Mga promising thermoelectric materials ang mga half-Heusler compounds para sa high-temperature applications (higit sa 800°C), tulad ng power generation mula sa nuclear reactors o aerospace engines.

Ano ang Ilang Application ng Thermoelectric Generators?

Ang mga thermoelectric generators ay may iba't ibang application sa iba't ibang larangan, depende sa temperature range, power output, at heat source availability. Ilang halimbawa ng application ng thermoelectric generators ay:

Cooling devices: Maaaring gamitin ang mga thermoelectric generators upang palamigin ang mga electronic components, tulad ng microprocessors, lasers, o sensors, sa pamamagitan ng pag-apply ng electric current upang lumikha ng temperature difference sa pagitan ng mainit at malamig na gilid ng module. Tinatawag itong thermoelectric cooling o Peltier effect, na ang reverse ng Seebeck effect. Ang mga thermoelectric cooling devices ay may mga advantage sa higit sa conventional cooling methods, tulad ng compactness, reliability, noiselessness, at precise temperature control.
Power generation mula sa waste heat: Maaaring gamitin ang mga thermoelectric generators upang makolekta ang waste heat mula sa iba't ibang pinagmulan, tulad ng industriyal na proseso, mga kotse, power plants, at kahit pa ang init ng katawan ng tao, at isalin ito sa useful electricity. Ito ay maaaring mapataas ang energy efficiency at bawasan ang greenhouse gas emissions ng mga ito. Halimbawa, maaaring integrated ang mga thermoelectric generators sa automotive exhaust systems upang makolekta ang ilang init na nawala sa combustion at lumikha ng electricity para sa onboard electronics o battery charging. Maaari ring i-attach ang mga thermoelectric generators sa balat o damit ng tao upang lumikha ng electricity mula sa body heat para sa powering wearable devices o medical implants.
Power generation mula sa radioisotopes: Maaaring gamitin ang mga thermoelectric generators upang pumwersa ang malalayong mga aparato, tulad ng sensors, wireless transmitters, at spacecraft, sa pamamagitan ng paggamit ng radioisotopes bilang pinagmulan ng init.
Ang mga radioisotopes ay unstable isotopes na emit radiation at decay into other elements. Maaaring isalin ang radiation sa init sa pamamagitan ng paggamit ng isang materyal na nagsasabsorb nito, tulad ng lead o tungsten. Maaaring isalin ang init sa electricity sa pamamagitan ng paggamit ng thermoelectric modules. Ang radioisotope thermoelectric generators (RTGs) ay may mga advantage higit sa iba pang power sources, tulad ng batteries o solar panels, sa termino ng long lifetime, mataas na reliability, at independence mula sa environmental conditions. Ginamit ang RTGs upang pumwersa ang maraming space missions, tulad ng Voyager 1 at 2, Curiosity rover, at Perseverance rover.