Gineadóirí Tearmach: Prionsabail, Máilíní agus Feidhmiú

Is é gineadóir thearmoeileachta (TEG) údarás a chuirtear ar fáil chun cumhacht teasa a athrú go cumhacht eolaitheach trí úsáid an tionscail Seebeck. Is ionsaí an tionscal Seebeck é nuair a bhíonn difríocht teasa idir dhá cheonadóir nó córas ceonadóirí éagsúla, ag cruthú difríochta potinsiálach leictreach. TEGs is údarais staidbhríocha atá ann nach bhfuil aon chuidiún ag bogadh agus is féidir leo oibriú go ciúin agus go rialta ar feadh tréimhsí fada. Is féidir TEGs a úsáid chun teas brise a bhuailt ó sholáthraithe éagsúla, mar shampla próisis tionsclaíocha, carraigeacha, stáisiúin cumhachta, agus fiú teas an chorp daonna, agus é a athrú go cumhacht eolaitheach úsáideach. Is féidir TEGs a úsáid chun údarais iargúlta a chumhachtú, mar shampla saincheannaithe, seoltóirí neamhchábhrach, agus spaiceanna, trí úsáid radioisotóipí nó teas gréine mar fhoinsí teasa.

Cén chaoi ina n-oibríonn Gineadóir Thermoelectric?

Consistíonn gineadóir thermoelectric de dhá príomhchuid: modhanna thermoelectric agus modhanna thermoelectric.

Is modhanna thermoelectric modhanna atá ag léiriú an tionscail Seebeck, rud é sin go ginearálta siad voltagh leictreach nuair a bhíonn gradam teasa orthu. Is féidir modhanna thermoelectric a chlasú i dha theaghlach: cead n agus cead p. Tá brise deilgean ag modhanna cead n, agus tá brise deilgean ag modhanna cead p. Nuair a bhíonn modh cead n agus modh cead p ceangailte in tsraith le ceonadóirí meáchain, formúitear modh thermocouple, atá sé an príomhúdarás de gineadóir thermoelectric.

Is údarás é modh thermoelectric atá ag cur go leor modh thermocouples ceangailte leictreach san tsraith agus teasa san tsraith párlaleach. Tá dhá taobh ag modh thermoelectric: taobh te agus taobh fuar. Nuair a bhíonn an taobh te faoi thionchar foinse teasa agus an taobh fuar faoi thionchar sink teasa, cruthaítear difríocht teasa ar an módh, ag iarraidh sruth a rith trí an circuit. Is féidir an sruth a úsáid chun cúllocht baileach a chumhachtú nó batart a lánú. Bhíonn an voltagh agus an cumhacht as a chur amach ag modh thermoelectric bunaithe ar líon na modh thermocouples, an difríocht teasa, an co-chomhordáil Seebeck, agus an tiomántacht leictreach agus teasa na modhanna.

Is é an rathúlacht gineadóir thermoelectric an ráta idir an cumhacht eolaitheach as a chur amach agus an teas isteach ón fhoinsí. Tá an rathúlacht gineadóir thermoelectric teoranta ag an rathúlacht Carnot, atá an rathúlacht is airde d'aon tionscal teasa atá ag obair idir dhá teasa. Tá an rathúlacht Carnot tar éis:

ηCarnot=1−ThTc

áit a bhfuil Tc an teas den taobh fuar, agus Th an teas den taobh te.

Is í an rathúlacht réalaí gineadóir thermoelectric go leor níos ísle ná an rathúlacht Carnot mar gheall ar forbraíochtaí éagsúla cosúil le tiomáint Joule, tiomáint teasa, agus radharc teasa. Bhíonn an rathúlacht réalaí gineadóir thermoelectric bunaithe ar luach mearbhall (ZT) na modhanna thermoelectric, atá paraiméadar gan dimensíon a mheastar foirmíocht modh do úsáid thermoelectric. Tá an luach mearbhall tar éis:

ZT=κα2σT

áit a bhfuil α an co-chomhordáil Seebeck, σ an tiomántacht leictreach, κ an tiomántacht teasa, agus T an teasa absalaidh.

An níos airde an luach mearbhall, an níos airde an rathúlacht gineadóir thermoelectric. Bhíonn an luach mearbhall bunaithe ar mhaighnéimeachtí intreighe (cosúil le tiomáint deilgean agus fonon) agus maighnéimeachtí easpa (cosúil le leibhéal doping agus géarchéim) na modhanna. Is é an sprioc taighde modhanna thermoelectric a aimsiú nó dearbh modhanna atá ag baint le co-chomhordáil Seebeck ard, tiomántacht leictreach ard, agus tiomántacht teasa íseal, atá go minic riailteanna conspóideacha.

Cé acu na Modhanna Thermoelectric Coitianta?

Is féidir modhanna thermoelectric a chlasú i trí catagóir: metáil, semiconductors, agus compóid chomhshasta.

Tá tiomántacht leictreach ard ag metáil ach co-chomhordáil Seebeck íseal agus tiomántacht teasa ard, ag déanamh luach mearbhall íseal. Úsáidtear metáil go príomha mar cheonadóirí nó interconnects i modhanna thermoelectric.

Tá tiomántacht leictreach agus co-chomhordáil Seebeck mórdhualach ag semiconductors ach tiomántacht teasa ard, ag déanamh luach mearbhall mórdhualach. Is féidir semiconductors a doping chun modhanna cead n nó cead p a chruthú le líon agus mobilitie áirithe. Úsáidtear semiconductors go forleathan mar modhanna thermoelectric do úsáid teasa íseal (faoi 200°C).

Tá tiomántacht leictreach íseal ag compóid chomhshasta ach co-chomhordáil Seebeck ard agus tiomántacht teasa íseal, ag déanamh luach mearbhall ard. Is iad compóid chomhshasta go hiondúil compóid atá comhdhéanta as a lán eiliminte le stádas valence agus struchtúr cristal éagsúla, atá a chur in place band struchtúr leictreach agus meicniú scata phonon a chabhraíonn le foirmíocht thermoelectric. Úsáidtear compóid chomhshasta go forleathan mar modhanna thermoelectric do úsáid teasa ard (os cionn 200°C).

Seo roinnt samplaí de modhanna thermoelectric coitianta:

• Bismuth telluride (Bi2Te3) agus a chuid allait: Is iad seo na modhanna thermoelectric is forleathan úsáideacha do úsáid teasa íseal (faoi 200°C), mar shampla úsáidí folaíochta agus gealltanas cumhachta ó foinse teasa brise. Tá struchtúr scuabadh ag Bi2Te3 atá comhdhéanta as céimní quintuple de Bi2 agus Te3 atoms ceangailte le héileacht van der Waals íseal. Dóna struchtúr seo tiomántacht teasa íseal mar gheall ar scata phonon ag teorainn na céimnín. Is féidir Bi2Te3 a allait le eiliminte eile cosúil le antimony (Sb), selenium (Se), nó sulfur (S) chun a chuid comhordáil leictreach a chur i bhfeidhm agus a luach mearbhall a bhunú.

• Lead telluride (PbTe) agus a chuid allait: Is iad seo measc na modhanna thermoelectric is forleathan úsáideacha do úsáid teasa meán (200-600°C), mar shampla gealltanas cumhachta ó foinse teasa carraigeacha nó tionsclaíocha. Tá struchtúr rock-salt ag PbTe atá comhdhéanta as céimní comhpháirte de Pb2+ agus Te2- ions ceangailte le éileacht ionach láidir. Dóna struchtúr seo co-chomhordáil Seebeck ard mar gheall ar atomanna lead trom a chur in place band degeneracy mór ag an gcéim Fermi. Is féidir PbTe a allait le eiliminte eile cosúil le tin (Sn), thallium (Tl), nó sodium (Na) chun a luach mearbhall a bhunú.

• Skutterudites: Is iad seo compóid chomhshasta le an fhorma MX3, áit a bhfuil M metal transiciúnta (cosúil le cobalt, Co) agus X pnictogen (cosúil le antimony, Sb).

           
   

• Tá struchtúr cubic ag skutterudites atá comhdhéanta as líon trí-dhimensíonal de M4X12 units le vóid mhóra atá in ann aonrógaí gástach (cosúil le eiliminte earth rare, RE). Oibríonn aonrógaí gástach mar scata phonon a laghdóidh an tiomántacht teasa, agus cuireann aonrógaí gástach tiomántacht leictreach agus co-chomhordáil Seebeck ard. Tá skutterudites modhanna thermoelectric forleathan úsáideacha do úsáid teasa meán go hár (300-800°C), mar shampla gealltanas cumhachta ó foinse teasa brise nó solaire comhshasta.

• Half-Heusler compounds: Is iad seo compóid triantúla le an fhorma XYZ, áit a bhfuil X metal transiciúnta (cosúil le titanium, Ti), Y metal transiciúnta eile (cosúil le nickel, Ni), agus Z element príomhgrúpa (cosúil le tin, Sn).

           
   

• Tá struchtúr cubic ag half-Heusler compounds atá comhdhéanta as ceithre fcc sublattices, ceann aitheanta ag X atoms agus an trí eile aitheanta ag Y agus Z atoms in a 1:2 ratio. Tá co-chomhordáil Seebeck agus tiomántacht leictreach ard ag half-Heusler compounds mar gheall ar a chuid band struchtúr leictreach chomhshasta agus tiomántacht teasa íseal mar gheall ar a chuid atomanna conspóideacha. Tá half-Heusler compounds modhanna thermoelectric forleathan úsáideacha do úsáid teasa ard (os cionn 800°C), mar shampla gealltanas cumhachta ó reacatóirí nuclear agus ininí aeirspeis.

Cé acu na Húdáin Gineadóirí Thermoelectric?

Tá húdáin éagsúla ag gineadóirí thermoelectric i réimsí éagsúla, ag brath ar raon teasa, as a chur amach, agus ar fáil an fhoinsí teasa. Seo roinnt samplaí de húdáin gineadóir thermoelectric:

• Úsáidí folaíochta: Is féidir gineadóirí thermoelectric a úsáid chun cuidiú leictreach, mar shampla microprocessors, lasers, nó saincheannaithe, trí sruth leictreach a chur chun cruthú difríochta teasa idir an taobh te agus an taobh fuar den modh. Is é an próiseas seo folaíocht thermoelectric nó an tionscal Peltier, atá an tuairisc ar an tionscal Seebeck. Tá roinnt buntáistí ag úsáidí folaíocht thermoelectric os cionn modhanna folaíochta coitianta, cosúil le cruth, rialtas, ciúnas, agus rialú teasa cruinn.

• Gealltanas cumhachta ó foinse teasa brise: Is féidir gineadóirí thermoelectric a úsáid chun teasa brise a buailt ó sholáthraithe éagsúla, mar shampla próisis tionsclaíocha, carraigeacha, stáisiúin cumhachta, agus fiú teas an chorp daonna, agus é a athrú go cumhacht eol