Թերմոէլեկտրական Գեներատորներ. プリンципներ, Մատերիալներ և Կիրառություններ

Թերմոէլեկտրական գեներատորը (TEG) սարք է, որը օգտագործում է Սիբեկի էֆեկտը ջերմային էներգիան էլեկտրական էներգիայի վերափոխելու համար։ Սիբեկի էֆեկտը երևույթ է, որը տեղի է ունենում երբ երկու տարբեր հաղորդիչների կամ հաղորդիչների շղթայի միջև գոյություն ունի ջերմաստիճանի տարբերություն, որը ստեղծում է էլեկտրական պոտենցիալի տարբերություն։ TEG-երը պարզ վիճակում գործող սարքեր են, որոնք չունեն շարժվող մասեր և կարող են կայանալ առանց հույնի և հավատարի երկար ժամանակաշրջանով։ TEG-երը կարող են օգտագործվել տարբեր աղբյուրներից սպասարկման ջերմության հավաքագրման համար, ինչպիսիք են նախագծային գործընթացները, ավտոմեքենաները, էլեկտրակայանները և նույնիսկ մարդկային մարմնի ջերմությունը, և վերափոխել դրանք օգտակար էլեկտրական էներգիայի։ TEG-երը կարող են օգտագործվել հեռավոր սարքերի հզորացման համար, ինչպիսիք են սենսորները, անցումային փոխանցողները և տիեզերակայան սարքերը, օգտագործելով ռադիոիզոտոպները կամ արեւային ջերմությունը որպես ջերմաստիճանի աղբյուր։

Ինչպե՞ս է գործում թերմոէլեկտրական գեներատորը

Թերմոէլեկտրական գեներատորը բաղկացած է երկու հիմնական կազմակերպիչներից. թերմոէլեկտրական նյութեր և թերմոէլեկտրական մոդուլներ։

Թերմոէլեկտրական նյութերը նյութեր են, որոնք ցուցադրում են Սիբեկի էֆեկտը, որը նշանակում է, որ դրանք գեներացնում են էլեկտրական լարում ջերմաստիճանի գրադիենտի երևույթի դեպքում։ Թերմոէլեկտրական նյութերը կարող են դասակարգվել երկու տիպերի՝ n-տիպ և p-տիպ։ N-տիպ նյութերը ունեն էլեկտրոնների գերակշիռություն, իսկ p-տիպ նյութերը ունեն էլեկտրոնների թվացուցիչ կրություն։ Երբ n-տիպ նյութը և p-տիպ նյութը միացվում են միանգամյա հաղորդիչներով, դրանք կազմում են թերմոկուպլը, որը թերմոէլեկտրական գեներատորի հիմնական միավորն է։

Թերմոէլեկտրական մոդուլը սարք է, որը պարունակում է շատ թերմոկուպլներ, որոնք էլեկտրականորեն միացված են հաջորդական և ջերմայինորեն զուգահեռ։ Թերմոէլեկտրական մոդուլը ունի երկու կողմ. առաջին կողմը և երկրորդ կողմը։ Երբ առաջին կողմը հանդիպում է ջերմաստիճանի աղբյուրի և երկրորդ կողմը հանդիպում է ջերմաստիճանի սինկի, մոդուլում ստեղծվում է ջերմաստիճանի տարբերություն, որը պարագ է ստեղծել շղթայում հոսանքը։ Հոսանքը կարող է օգտագործվել քայլային լիցքի հզորացման կամ ակկումուլատորի լարման համար։ Թերմոէլեկտրական մոդուլի լարումը և հզորության արտալիցը կախված են թերմոկուպլների քանակից, ջերմաստիճանի տարբերությունից, Սիբեկի գործակցից և նյութերի էլեկտրական և ջերմային դիմադրությունից։

Թերմոէլեկտրական գեներատորի էֆեկտիվությունը սահմանվում է որպես էլեկտրական հզորության արտալիցի հարաբերություն ջերմաստիճանի աղբյուրի ջերմային արտալիցին։ Թերմոէլեկտրական գեներատորի էֆեկտիվությունը սահմանափակվում է Կառնոտի էֆեկտիվությամբ, որը ցանկացած ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր էֆեկտիվությունն է երկու ջերմաստիճանների միջև գործողության դեպքում։ Կառնոտի էֆեկտիվությունը տրվում է հետևյալ բանաձևով.

ηCarnot=1−ThTc

որտեղ Tc-ն երկրորդ կողմի ջերմաստիճանն է, իսկ Th-ն առաջին կողմի ջերմաստիճանն է։

Թերմոէլեկտրական գեներատորի իրական էֆեկտիվությունը շատ ցածր է Կառնոտի էֆեկտիվությունից տարբեր կորուստների պատճառով, ինչպիսիք են Ջուլի արձանագրությունը, ջերմային հաղորդումը և ջերմային ճառագայթումը։ Թերմոէլեկտրական գեներատորի իրական էֆեկտիվությունը կախված է նյութերի թերմոէլեկտրական կիրառության համար նախատեսված գործակցից, որը չափազանց պարամետր է և չափում է նյութի կարողությունը թերմոէլեկտրական կիրառություններում օգտագործվելու համար։ Գործակիցը տրվում է հետևյալ բանաձևով.

ZT=κα2σT

որտեղ α-ն Սիբեկի գործակիցն է, σ-ն էլեկտրական հաղորդիչությունն է, κ-ն ջերմային հաղորդիչությունն է, իսկ T-ն բացարձակ ջերմաստիճանն է։

Ավելի բարձր գործակիցը նշանակում է թերմոէլեկտրական գեներատորի ավելի բարձր էֆեկտիվություն։ Գործակիցը կախված է նյութերի ինտրինսիկ հատկություններից (ինչպիսիք են էլեկտրոնների և ֆոնոնների տրանսպորտը) և էքստրինսիկ հատկություններից (ինչպիսիք են դոփումը և երկրաչափությունը)։ Թերմոէլեկտրական նյութերի հետազոտության նպատակը գտնել կամ ստեղծել նյութեր, որոնք ունեն բարձր Սիբեկի գործակից, բարձր էլեկտրական հաղորդիչություն և ցածր ջերմային հաղորդիչություն, որոնք հաճախ հակասական պահանջներ են։

Որո՞նք են որոշ ընդհանուր թերմոէլեկտրական նյութերը

Թերմոէլեկտրական նյութերը կարող են դասակարգվել երեք կատեգորիաների. մետաղներ, կիսահաղորդիչներ և բարդ կոմպլեքսներ։

Մետաղները ունեն բարձր էլեկտրական հաղորդիչություն, բայց ցածր Սիբեկի գործակից և բարձր ջերմային հաղորդիչություն, որը հանգեցնում է ցածր գործակցի։ Մետաղները հիմնականում օգտագործվում են էլեկտրոդների կամ միջամունքների համար թերմոէլեկտրական մոդուլներում։

Կիսահաղորդիչները ունեն միջին էլեկտրական հաղորդիչություն և Սիբեկի գործակից, բայց բարձր ջերմային հաղորդիչություն, որը հանգեցնում է միջին գործակցի։ Կիսահաղորդիչները կարող են դոփում կատարել, որպեսզի ստեղծեն n-տիպ կամ p-տիպ նյութեր տարբեր մասնիկների կոնցենտրացիայով և շարժումով։ Կիսահաղորդիչները լայնորեն օգտագործվում են թերմոէլեկտրական նյութերի համար ցածր ջերմաստիճանների դեպքում (200°C-ից awah)։

Բարդ կոմպլ