Termoelektrični generatori: Principi materijali i primjene
Termoelektrični generator (TEG) je uređaj koji pretvara toplinsku energiju u električnu energiju koristeći Seebeckov učinak. Seebeckov učinak je fenomen koji se javlja kada postoji razlika temperature između dvaju različitih vodilaca ili kruga vodilaca, stvarajući električnu potencijalnu razliku. TEG-ovi su čvrstotnački uređaji bez pokretnih dijelova i mogu raditi tiho i pouzdano tijekom dugo vremena. TEG-ovi mogu se koristiti za iskorištavanje odbačene topline iz različitih izvora, poput industrijskih procesa, automobila, elektrana i čak topline ljudskog tijela, te pretvorbu u korisnu električnu energiju. TEG-ovi također se mogu koristiti za opskrbljivanje udaljenih uređaja, poput senzora, bežičnih predajnika i svemirske opreme, koristeći radioizotope ili sunčevu toplinu kao izvor topline.
Kako radi termoelektrični generator?
Termoelektrični generator sastoji se od dvije glavne komponente: termoelektričnih materijala i termoelektričnih modula.
Termoelektrični materijali su materijali koji pokazuju Seebeckov učinak, što znači da generiraju električnu napon kada su izloženi gradijentu temperature. Termoelektrični materijali mogu se klasificirati u dvije vrste: n-tip i p-tip. Materijali n-tipa imaju višak elektrona, dok materijali p-tipa imaju nedostatak elektrona. Kada se materijal n-tipa i materijal p-tipa spoje serijalno metaličkim elektrodama, formiraju termopar, koji je osnovna jedinica termoelektričnog generatora.
Termoelektrični modul je uređaj koji sadrži mnogo termopara spojenih električki serijalno i toplinski paralelno. Termoelektrični modul ima dvije strane: toplu stranu i hladnu stranu. Kada je topla strana izložena izvoru topline, a hladna strana izložena hladnjaku, stvara se razlika temperature na modulu, što uzrokuje protok struje kroz krug. Struja može se koristiti za opskrbljivanje vanjskog opterećenja ili punjenje baterije. Naponski i snage izlaz termoelektričnog modula ovisi o broju termopara, razlici temperature, Seebeckovom koeficijentu i električkom i toplinskom otporu materijala.
Učinkovitost termoelektričnog generatora definira se kao omjer električkog snage izlaza i toplinskog unosa iz izvora. Učinkovitost termoelektričnog generatora ograničena je Carnotovom učinkovitošću, koja je maksimalna moguća učinkovitost za bilo koji toplinski motor koji radi između dvije temperature. Carnotova učinkovitost dana je sljedećom formulom:
ηCarnot=1−ThTc
gdje je Tc temperatura hladne strane, a Th temperatura tople strane.
Stvarna učinkovitost termoelektričnog generatora znatno je niža od Carnotove učinkovitosti zbog različitih gubitaka, poput Jouleovog zagrijavanja, toplinskog provoda i toplinske radijacije. Stvarna učinkovitost termoelektričnog generatora ovisi o faktoru zasluge (ZT) termoelektričnih materijala, koji je bezdimenzionalni parametar koji mjeri performanse materijala za termoelektrične primjene. Faktor zasluge dan je sljedećom formulom:
ZT=κα2σT
gdje je α Seebeckov koeficijent, σ električna provodljivost, κ toplinska provodljivost, a T apsolutna temperatura.
Više faktor zasluge, veća je učinkovitost termoelektričnog generatora. Faktor zasluge ovisi o intrinsičnim svojstvima (poput transporta elektrona i fonona) i ekstrinsičnim svojstvima (poput razine dopiranja i geometrije) materijala. Cilj istraživanja termoelektričnih materijala je pronaći ili dizajnirati materijale koji imaju visok Seebeckov koeficijent, visoku električnu provodljivost i nisku toplinsku provodljivost, što često predstavlja konfliktna zahtjeva.
Koji su neki uobičajeni termoelektrični materijali?
Termoelektrični materijali mogu se klasificirati u tri kategorije: metale, poluprovodnike i složene spojeve.
Metali imaju visoku električnu provodljivost, ali niski Seebeckov koeficijent i visoku toplinsku provodljivost, što rezultira niskim faktorom zasluge. Metali se uglavnom koriste kao elektrode ili međuspojevi u termoelektričnim modulima.
Poluprovodnici imaju umjerenu električnu provodljivost i Seebeckov koeficijent, ali visoku toplinsku provodljivost, što rezultira umjerenim faktorom zasluge. Poluprovodnici se mogu dopirati kako bi se stvorili materijali n-tipa ili p-tipa s različitim koncentracijama nositelja naboja i mobilnostima. Poluprovodnici se široko koriste kao termoelektrični materijali za primjene pri niskim temperaturama (ispod 200°C).
Složeni spojevi imaju nisku električnu provodljivost, ali visok Seebeckov koeficijent i nisku toplinsku provodljivost, što rezultira visokim faktorom zasluge. Složeni spojevi obično su sastavljeni od više elemenata s različitim valentnostima i kristalnim strukturama, koje stvaraju složene elektroničke bandske strukture i mehanizme raspršenja fonona koji poboljšavaju termoelektričnu performansu. Složeni spojevi se široko koriste kao termoelektrični materijali za primjene pri visokim temperaturama (iznad 200°C).
Neki primjeri uobičajenih termoelektričnih materijala su:
Bismut telurid (Bi2Te3) i njegovi leguri: To su najčešće korišteni termoelektrični materijali za primjene pri niskim temperaturama (ispod 200°C), poput hlađenja i proizvodnje električne energije iz odbačene topline. Bi2Te3 ima slojevitu strukturu koja sastoji se od alternativnih petstrukih slojeva Bi2 i Te3 atoma vezanih slabim van der Waalsovim silama. Ova struktura rezultira niskom toplinskom provodljivošću zbog raspršenja fonona na granicama slojeva. Bi2Te3 se može legirati s drugim elementima, poput antimonija (Sb), selema (Se) ili sirovina (S), kako bi se optimizirao njegov faktor zasluge.
Olovni telurid (PbTe) i njegovi leguri: To su među najčešće korištenim termoelektričnim materijalima za primjene pri srednjim temperaturama (200-600°C), poput proizvodnje električne energije iz automobilske izlučene topline ili industrijske odbačene topline. PbTe ima strukturu soli sa zrna koja sastoji se od alternativnih slojeva Pb2+ i Te2- iona vezanih jakim jon-skim silama. Ova struktura rezultira visokim Seebeckovim koeficijentom zbog teških Pb atoma koji stvaraju veliku degeneraciju banda blizu Fermijevog razmaka. PbTe se može legirati s drugim elementima, poput kalaja (Sn), talijuma (Tl) ili natrija (Na), kako bi se poboljšao njegov faktor zasluge.
Skutteruditi: To su složeni spojevi s općom formulom MX3, gdje je M prijelazni metal (poput kobalta, Co) a X pniktogen (poput antimonija, Sb).
Skutteruditi imaju kubnu strukturu koja sastoji se od trodimenzionalne mreže M4X12 jedinica s velikim prazninama koje mogu smjestiti gostujuće atome (poput rijetkih zemalja, RE). Gostujući atomi djeluju kao raspršivači fonona koji smanjuju toplinsku provodljivost, dok host atoms pružaju visoku električnu provodljivost i Seebeckov koeficijent. Skutteruditi su obilježeni termoelektrični materijali za primjene pri srednjim do visokim temperaturama (300-800°C), poput proizvodnje električne energije iz odbačene topline ili koncentrirane sunčane energije.
Half-Heusler spojevi: To su ternarni spojevi s općom formulom XYZ, gdje je X prijelazni metal (poput titanija, Ti), Y još jedan prijelazni metal (poput nikla, Ni), a Z element glavne skupine (poput kalaja, Sn).
Half-Heusler spojevi imaju kubnu strukturu koja sastoji se od četiri interpenetrirajuća fcc podmreže, jedno zauzeto X atomima, a ostala tri zauzeta Y i Z atomima u omjeru 1:2. Half-Heusler spojevi imaju visok Seebeckov koeficijent i električnu provodljivost zbog svojih složenih elektroničkih bandskih struktura i niske toplinske provodljivosti zbog teških sastavnih atoma. Half-Heusler spojevi su obilježeni termoelektrični materijali za primjene pri visokim temperaturama (iznad 800°C), poput proizvodnje električne energije iz nuklearnih reaktora ili aerospace motora.
Koji su neki primjeri primjena termoelektričnih generatora?
Termoelektrični generatori imaju razne primjene u različitim područjima, ovisno o temperaturnom opsegu, snazi izlaza i dostupnosti izvora topline. Neki primjeri primjena termoelektričnih generatora su:
Uređaji za hlađenje: Termoelektrični generatori mogu se koristiti za hlađenje elektroničkih komponenti, poput mikroprocesora, laserskih uređaja ili senzora, primjenjujući električnu struju kako bi se stvorila razlika temperature između tople i hladne strane modula. Taj proces se naziva termoelektrično hlađenje ili Peltierov učinak, koji je obrnut Seebeckovom učinku. Uređaji za termoelektrično hlađenje imaju prednosti nad konvencionalnim metodama hlađenja, poput kompaktnosti, pouzdanosti, tišine i preciznog kontrole temperature.
Proizvodnja električne energije iz odbačene topline: Termoelektrični generatori mogu se koristiti za iskorištavanje odbačene topline iz različitih izvora, poput industrijskih procesa, automobila, elektrana i čak topline ljudskog tijela, te pretvorbu u korisnu električnu energiju. To može poboljšati energetsku učinkovitost i smanjiti emisije stakleničkih plinova ovih izvora. Na primjer, termoelektrični generatori se mogu integrirati u automobilske sisteme izlučene topline
