Termogenerátorok: Elvek Anyagok és Alkalmazások

A termogenerátor (TEG) olyan eszköz, amely hőenergiát átalakít elektromos energiává a Seebeck-hatás segítségével. A Seebeck-hatás egy jelenség, amely akkor lép fel, ha két különböző vezető vagy vezetőkör között létezik hőmérsékletkülönbség, ami elektromos potenciálkülönbséget eredményez. A TEG-ek szilárdtestes eszközök, melyeknek nincsenek mozgó részei, és hosszú ideig csendesen és megbízhatóan működhetnek. A TEG-eket használhatjuk a hulladék hő energiafelvételére különböző forrásokból, mint például ipari folyamatok, járművek, erőművek, sőt, még az emberi test hőjéből is, és ezt hasznos elektromossá alakítják. A TEG-eket távoli eszközök, például érzékelők, vezeték nélküli adók és űrhajók ellátására is használhatjuk, radioizotópok vagy napfény hőforrásaként.

Hogyan működik a termogenerátor?

A termogenerátor két fő komponensből áll: termoelektromos anyagokból és termoelektromos modulokból.

A termoelektromos anyagok olyan anyagok, amelyek a Seebeck-hatást mutatják, ami azt jelenti, hogy hőmérsékletgradiens hatására elektromos feszültséget generálnak. A termoelektromos anyagok két típusba oszthatók: n-típusú és p-típusú. Az n-típusú anyagokban túl van a szabad elektronok, míg a p-típusú anyagokban hiányzik. Ha egy n-típusú anyagot és egy p-típusú anyagot sorosan kapcsolnak össze fém elektrodokkal, akkor ez egy termopár, amely a termogenerátor alapvető egysége.

A termoelektromos modul olyan eszköz, amely sok termopárt tartalmaz, amelyek elektromosan sorosan, hőmérsékletileg párhuzamosan vannak csatlakoztatva. A termoelektromos modulnak két oldala van: egy meleg és egy hideg oldal. Amikor a meleg oldalt hőforráshoz és a hideg oldalt hővezetőhöz kötünk, akkor hőmérsékletkülönbség jön létre a modulon, ami áramot okoz a körben. Az áram használható külső terhelés ellátására vagy akkumulátor töltésére. A termoelektromos modul feszültség- és teljesítménykiadása függ a termopárok számától, a hőmérsékletkülönbségtől, a Seebeck-együtthatótól, valamint az anyagok elektromos és hőmérsékleti ellenállásától.

A termogenerátor hatékonysága a hőforrásból származó hőenergia arányaként definiálható. A termogenerátor hatékonysága korlátozva van a Carnot-hatékonysággal, ami a legnagyobb lehetséges hatékonyság bármilyen hőmotor esetén két hőmérséklet között. A Carnot-hatékonyság a következő képlet szerint adódik:

ηCarnot=1−ThTc

ahol Tc a hideg oldal hőmérséklete, Th pedig a meleg oldal hőmérséklete.

A termogenerátor tényleges hatékonysága sokkal alacsonyabb, mint a Carnot-hatékonyság, mivel különböző veszteségek miatt, mint például a Joule-féle hőkibocsátás, a hővezetés és a hősugárzás. A termogenerátor tényleges hatékonysága függ a termoelektromos anyagok méritumszámától (ZT), ami egy dimenziómentes paraméter, amely méri a termoelektromos alkalmazásokhoz való alkalmasságot. A méritumszám a következő képlet szerint adódik:

ZT=κα2σT

ahol α a Seebeck-együttható, σ az elektromos vezetőképesség, κ a hővezetőképesség, és T az abszolút hőmérséklet.

Minél magasabb a méritumszám, annál magasabb a termogenerátor hatékonysága. A méritumszám mind a belső (mint például az elektron- és fonon-transzport) mind a külső (mint például a dotálási szint és a geometria) tulajdonságoktól függ. A termoelektromos anyagok kutatásának célja, hogy találjanak vagy tervezzenek olyan anyagokat, amelyek nagy Seebeck-együtthatójú, nagy elektromos vezetőképességűek, és alacsony hővezetőképességűek, ami gyakran konfliktusos követelmények.

Milyen gyakori termoelektromos anyagok vannak?

A termoelektromos anyagok három kategóriába oszthatók: fémelek, félvezetők és összetett vegyületek.

A fémelek nagy elektromos vezetőképességűek, de alacsony Seebeck-együtthatójúak és nagy hővezetőképességűek, ami alacsony méritumszámot eredményez. A fémeleket főleg elektrodokként vagy összekötőként használják a termoelektromos modulokban.

A félvezetők közepes elektromos vezetőképességűek és Seebeck-együtthatójúak, de nagy hővezetőképességük van, ami közepes méritumszámot eredményez. A félvezetőket dotálhatjuk, hogy n-típusú vagy p-típusú anyagokat hozzunk létre különböző nosztályokkal és mobilitással. A félvezetőket széles körben használják termoelektromos anyagokként alacsony hőmérsékletű alkalmazásokhoz (200°C alatt).

Az összetett vegyületek alacsony elektromos vezetőképességűek, de nagy Seebeck-együtthatójúak és alacsony hővezetőképességűek, ami magas méritumszámot eredményez. Az összetett vegyületek általában több elemmel készülnek, különböző vegyérték-állapotokkal és kristályrétegszerkezetekkel, amelyek összetett elektronbanda-szerkezeteket és fononszóró mechanizmusokat hoznak létre, ami javítja a termoelektromos teljesítményt. Az összetett vegyületeket széles körben használják termoelektromos anyagokként magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz (200°C felett).

Néhány gyakori termoelektromos anyag:

• Bismut-tellurid (Bi2Te3) és ennek vegyületei: Ezek a leggyakrabban használt termoelektromos anyagok alacsony hőmérsékletű alkalmazásokhoz (200°C alatt), mint például a hűtőeszközök és a hulladék hő energiafelvételére. A Bi2Te3 rétegszerű szerkezete, amely különböző quintuple rétegekből áll, amelyek bismuttal (Bi2) és tellurre (Te3) vannak ellátva, gyenge van der Waals-erőkkel összekötve. Ez a szerkezet alacsony hővezetőképességet eredményez, mert a réteg határainak fononszórása. A Bi2Te3 dotálható más elemekkel, mint például antimon (Sb), szén (Se) vagy szulfid (S) azzal, hogy optimalizálja a méritumszámát.

• Olvastellurid (PbTe) és ennek vegyületei: Ezek a leggyakrabban használt termoelektromos anyagok középhőmérsékletű alkalmazásokhoz (200-600°C), mint például a járművek kiállított gázai vagy ipari hulladék hő energiafelvételére. A PbTe szikla-só szerkezete, amely olvasztóanyag (Pb2+) és tellur (Te2-) ionok váltakozó rétegekből áll, erős ióni erőkkel összekötve. Ez a szerkezet nagy Seebeck-együtthatót eredményez, mert a nehéz olvasztóanyag nagy bandadegenerációt hoz létre a Fermi-szint közelében. A PbTe dotálható más elemekkel, mint például tin (Sn), thallium (Tl) vagy nátrium (Na) azzal, hogy optimalizálja a méritumszámát.

• Skutteruditok: Ezek összetett vegyületek, amelyek általános képlete MX3, ahol M egy átmeneti fém (mint például kobalt, Co) és X egy pnictogen (mint például antimon, Sb).

           
   

• A skutteruditok kocka szerkezete, amely M4X12 egységekből áll, amelyekben nagy üres helyek vannak, amelyek beállíthatók vendégatomokkal (mint például ritka fémek, RE). A vendégatomok fononszóróként viselkednek, ami csökkenti a hővezetőképességet, míg a házigazda atomok nagy elektromos vezetőképességet és Seebeck-együtthatót biztosítanak. A skutteruditok ígéretes termoelektromos anyagok középhőmérsékletű (300-800°C) alkalmazásokhoz, mint például a hulladék hő energiafelvételére vagy a koncentrált napsugár energiára.

• Half-Heusler vegyületek: Ezek ternér vegyületek, amelyek általános képlete XYZ, ahol X egy átmeneti fém (mint például titán, Ti), Y egy másik átmeneti fém (mint például nikkel, Ni), és Z egy főcsoportbeli elem (mint például tin, Sn).

           
   

• A half-Heusler vegyületek kocka szerkezete, amely négy kereszteződő fcc rácson alapul, egyet X atomokkal, a többi háromat Y és Z atomokkal 1:2 arányban. A half-Heusler vegyületek nagy Seebeck-együtthatójúak és elektromos vezetőképességűek, mert összetett elektronbanda-szerkezeteik és alacsony hővezetőképességük, mert nehéz alkotóelemek. A half-Heusler vegyületek ígéretes termoelektromos anyagok magas hőmérsékletű (800°C felett) alkalmazásokhoz, mint például a nukleáris reaktorok vagy repülőgép motorok.

Milyen alkalmazásai vannak a termogenerátoroknak?

A termogenerátorok számos alkalmazása van különböző területeken, attól függően, hogy milyen hőmérsékleti tartomány, teljesítménykiadás és hőforrás rendelkezésre áll. Néhány példa a termogenerátorok alkalmazásaira:

• Hűtőeszközök: A termogenerátorok használhatók elektronikus komponensek, mint például mikroprocesszorok, láseres eszközök vagy érzékelők hűtésére, ele