Þermóelektrískar kraftverk: Grunnvallar skilgengi viðeigandi efni og notkun

Þermoelectric virkjar (TEG) er tæki sem brotar hitaorku yfir í raforku með því að nota Seebeck-effektinn. Seebeck-effekturinn er ógn sem gerist þegar munur á hiti er til staðar milli tveggja mismunandi leitara eða rafrásar af leitara, sem skapar rafmagnspotens. TEG eru fastastaða tæki sem hafa engin flytandi hluti og geta vinnt án hlyns og örugglega fyrir löng tíma. TEG geta verið notuð til að nýta ofbúða hita frá ýmsum upprunum, eins og verklegum ferlum, ökur, orkustöðvum og jafnvel mannligri hita, og brota hann yfir í gagnlega rafmagn. TEG geta einnig verið notuð til að dreifa fjartækjum, eins og mælum, lausum sendivélmum og geimferðaskipum, með því að nota radioisotóp eða sólarhita sem hitauppruna.

Hvernig virkar þermoelectric virkjar?

Þermoelectric virkjar besta af tveimur helstu atriðum: þermoelectric efni og þermoelectric einingar.

Þermoelectric efni eru efni sem sýna Seebeck-effekt, sem þýðir að þau mynda rafmagns spenna þegar þeir standast við hitagráðugráðu. Þermoelectric efni má flokka í tvær tegundir: n-tegund og p-tegund. N-tegundar hafa ofrmikil elektrón, en p-tegundar hafa of minnkvæma elektrón. Þegar n-tegundar efni og p-tegundar efni eru tengd í röð með metalektrodum, mynda þau thermopár, sem er grunnhlutur þermoelectric virkjars.

Þermoelectric eining er tæki sem inniheldur mörg thermopár tengd rafmagnslega í röð og hitaflæðilega í samsíðu. Þermoelectric eining hefur tvær hliðar: varmhlið og kalda hlið. Þegar varmhliðin er set í sveim við hitauppruna og kalda hliðin í sveim við hitasink, er bæði hitamunur skapaður yfir eininguna, sem valdar straumi að renna í rásina. Straumin getur verið notuð til að dreifa ytri hleðu eða hlaða battarí. Spennan og orku úttak þermoelectric einingar fer eftir fjölda thermopár, hitamunnum, Seebeck-stuðlinum og rafmagnslegu og hitaflæðilegu motstandinu efna.

Hlutþáttur þermoelectric virkjars er skilgreindur sem hlutfall rafmagnsorku úttaksins og hita inntaksins frá uppruninu. Hlutþáttur þermoelectric virkjars er takmarkaður af Carnot-hlutþætti, sem er hæsta mögulega hlutþáttur fyrir allar hitavélir sem vinna á milli tveggja hita. Carnot-hlutþátturinn er gefinn af:

ηCarnot=1−ThTc

þar sem Tc er hita kaldar hliðar, og Th er hita varmar hliðar.

Raunverulegur hlutþáttur þermoelectric virkjars er miklu lægri en Carnot-hlutþáttur vegna ýmis tapa eins og Joule-hita, hitaflæði og hitaradi. Raunverulegur hlutþáttur þermoelectric virkjars fer eftir stærðargildi (ZT) þermoelectric efna, sem er ógráðu parameetrar sem mælir við gagnrýmd efna fyrir þermoelectric notkun. Stærðargildið er gefið af:

ZT=κα2σT

þar sem α er Seebeck stuðull, σ er rafmagnslegur gengill, κ er hitaflæðilegur gengill, og T er alger hiti.

Ju flæði stærðargildið, ju hærri hlutþáttur þermoelectric virkjars. Stærðargildið fer eftir bæði eigilegum eiginleikum ( eins og elektróna og phonon transport) og eksterne eiginleikum ( eins og doping stigi og form) efna. Markmiði rannsóknar á þermoelectric efnum er að finna eða hönnu efni sem hafa hæra Seebeck stuðul, hæran rafmagnslegan gengil og lágan hitaflæðilegan gengil, sem oft eru mótorfærskilyrði.

Hvaða efni eru algeng orðin þermoelectric efni?

Þermoelectric efni má flokka í þrjár flokkar: metál, sementfjöldar og flóknar sameindir.

Metöl hafa háa rafmagnslega gengil en lága Seebeck stuðul og háa hitaflæðilega gengil, sem gerir stærðargildið lágt. Metöl eru aðallega notað sem ektrodar eða tengingar í þermoelectric einingum.

Sementfjöldar hafa miðlungs rafmagnslega gengil og Seebeck stuðul en háa hitaflæðilega gengil, sem gerir stærðargildið miðlungs. Sementfjöldar geta verið dopaðir til að búa til n-tegundar eða p-tegundar efni með misfærða carrier concentration og mobility. Sementfjöldar eru víðtæklega notaðir sem þermoelectric efni fyrir lágheitamyndun (undir 200°C).

Flóknar sameindir hafa lága rafmagnslega gengil en háa Seebeck stuðul og lága hitaflæðilega gengil, sem gerir stærðargildið hátt. Flóknar sameindir eru venjulega samsett af mörgum efnum með misfærða valence stöðum og kristallstrukturum, sem búa til flóknar rafmagnslegar band structure og phonon scattering mechanisms sem auka þermoelectric performance. Flóknar sameindir eru víðtæklega notaðar sem þermoelectric efni fyrir háheitamyndun (yfir 200°C).

Efnisorð af algengum þermoelectric efnum eru:

• Bismuth telluride (Bi2Te3) og aðrir alloyar: Þetta eru algengustu þermoelectric efni fyrir lágheitamyndun (undir 200°C), eins og kjölfjölskyldur og orkugjöf frá ofbúðu hitaupprunum. Bi2Te3 hefur layer structure sem samanstendur af alternating quintuple layers af Bi2 og Te3 atomum tengdu með weak van der Waals forces. Þessi structure gerir lága hitaflæðilega gengil vegna phonon scattering at the layer boundaries. Bi2Te3 getur verið alloyed með öðrum efnum eins og antimony (Sb), selenium (Se), eða sulfur (S) til að stilla rafmagnslega eiginleika og optimala stærðargildi.

• Lead telluride (PbTe) og aðrir alloyar: Þetta eru meðal algengustu þermoelectric efna fyrir miðlungsheitamyndun (200-600°C), eins og orkugjöf frá automotive exhaust eða industrial waste heat upprunum. PbTe hefur rock-salt structure sem samanstendur af alternating layers af Pb2+ og Te2- ions tengdu með strong ionic forces. Þessi structure gerir háa Seebeck stuðul vegna heavy Pb atomum sem búa til large band degeneracy near the Fermi level. PbTe getur verið alloyed með öðrum efnum eins og tin (Sn), thallium (Tl), eða sodium (Na) til að auka stærðargildi.

• Skutterudites: Þetta eru flóknar sameindir með almennu formula MX3, þar sem M er transition metal (sem cobalt, Co) og X er pnictogen (sem antimony, Sb).

           
   

• Skutterudites hafa cubic structure sem samanstendur af three-dimensional network af M4X12 units með stórar voids sem geta held guest atoms (sem rare earth elements, RE). Guest atoms act as phonon scatterers sem draga hitaflæðilega gengil, en host atoms veita háa rafmagnslega gengil og Seebeck stuðul. Skutterudites eru lofðu þermoelectric efni fyrir miðlungs- til háheitamyndun (300-800°C), eins og orkugjöf frá waste heat recovery eða concentrated solar power.

• Half-Heusler compounds: Þetta eru ternary compounds með almennu formula XYZ, þar sem X er transition metal (sem titanium, Ti), Y er annar transition metal (sem nickel, Ni), og Z er main group element (sem tin, Sn).

           
   

• Half-Heusler compounds hafa cubic structure sem samanstendur af four interpenetrating fcc sublattices, einn occupied by X atoms og hinir þrír occupied by Y and Z atoms í 1:2 ratio. Half-Heusler compounds hafa háa Seebeck stuðul og rafmagnslega gengil vegna complex electronic band structures og lága hitaflæðilega gengil vegna heavy constituent atoms. Half-Heusler compounds eru lofðu þermoelectric efni fyrir háheitamyndun (yfir 800°C), eins og orkugjöf frá nuclear reactors eða aerospace engines.

Hvaða notkun hafa þermoelectric virkjarnir?

Þermoelectric virkjarnir hafa margar notkunar í mismunandi svæðum, eftir hitagráðu, orkuafl og hitauppruna. Efnisorð af notkun þermoelectric virkjana eru:

• Kjölfjölskyldur: Þermoelectric virkjarnir geta verið notuð til að kjöla elektrónslega hluti, eins og microprocessors, lasers, eða mælum, með því að beita rafstraumi til að búa til hitamun á milli varmar og kaldrar hliðar einingarinnar. Þessi ferli er kölluð þermoelectric cooling eða Peltier effect, sem er andhverfan af Seebeck effect. Þermoelectric cooling devices hafa kosti yfir venjulegar kjölfjölskyldur, eins og compactness, reliability, noiselessness, og precise temperature control.

• Orkugjöf frá ofbúðu hita: Þermoelectric virkjarnir geta verið notuð til að nýta ofbúða hita frá mismunandi upprunum, eins og verklegum ferlum, ökur, orkustöðvum og jafnvel mannligri hita, og brota hann yfir í gagnlega rafmagn. Þetta getur bætt orkunotkun og dragið greenhouse gas emissions þessara uppruna. Til dæmis, geta þermoelectric virkjarnir verið integreruð í automotive exhaust systems til að endurtaka sum hita sem tapast við combustion og búa til rafmagn fyrir onboard electronics eða battarí hlaðningu. Þermoelectric virkjarnir geta einnig verið festuð á mannliga skinn eða klæði til að búa til rafmagn frá líkamshita fyrir að dreifa wearable devices eða medical implants.

• Orkugjöf frá radioisotópum: Þermoelectric virkjarnir geta verið notuð til að dreifa fjartækjum, eins og mælum, lausum sendivélmum og geimferðaskipum, með því að nota radioisotópa sem hitauppruna.

  

  Styrkur