თერმოელექტრიული გენერატორები: პრინციპები მასალები და გამოყენებები

თერმოელექტრიული გენერატორი (TEG) არის მოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის თეპლის ენერგიას ელექტროენერგიაში სებეკის ეფექტის გამოყენებით. სებეკის ეფექტი ხდება, როდესაც ორ განსხვავებულ წინადადებას ან წინადადების წრეში არსებობს ტემპერატურის განსხვავება, რაც ქმნის ელექტრონულ პოტენციალურ განსხვავებას. TEG-ები არის სოლიდური მოწყობილობები, რომლებიც არ აქვთ მოძრავი ნაწილები და შეიძლება განმავლობაში დასახელებული პერიოდის განმავლობაში განხორციელონ სამუშაო და ნელა. TEG-ები შეიძლება გამოიყენონ სხვადასხვა წყაროებიდან საშროს თეპლის შეგროვებისთვის, როგორიცაა სამრეცხავი პროცესები, ავტომობილები, ელექტროსადგურები და dokladne ადამიანის სხეულის თეპლი, და გარდაქმნას სასარგებლო ელექტროენერგიაში. TEG-ები შეიძლება გამოიყენონ დაბრუნებული მოწყობილობების დასაზღვევად, როგორიცაა სენსორები, უსადურავი ტრანსმიტერები და კოსმოსური თანამედროვე, რადიოიზოტოპების ან სოლარული თეპლის გამოყენებით როგორც თეპლის წყარო.

როგორ მუშაობს თერმოელექტრიული გენერატორი?

თერმოელექტრიული გენერატორი შედგება ორი ძირითადი კომპონენტისგან: თერმოელექტრიული მასალები და თერმოელექტრიული მოდულები.

თერმოელექტრიული მასალები არის მასალები, რომლებიც გამოჩენენ სებეკის ეფექტს, რაც ნიშნავს, რომ ისინი შეიქმნიან ელექტრო ვოლტაჟს ტემპერატურის გრადიენტის შემდეგ. თერმოელექტრიული მასალები შეიძლება განიყოს ორ ტიპად: n-ტიპის და p-ტიპის. N-ტიპის მასალები აქვთ ელექტრონების აღმასრულებელი, ხოლო p-ტიპის მასალები აქვთ ელექტრონების დეფიციტი. როდესაც n-ტიპის მასალა და p-ტიპის მასალა შეერთდება მეტალური ელექტროდებით, ისინი ქმნიან თერმოკუპლეს, რომელიც არის თერმოელექტრიული გენერატორის ძირითადი ერთეული.

თერმოელექტრიული მოდული არის მოწყობილობა, რომელიც შეიცავს ბევრ თერმოკუპლეს ელექტრონულად შეერთებულს და თეპლურად პარალელურად დაკავშირებულს. თერმოელექტრიული მოდული აქვს ორი მხარე: ცხენი მხარე და ცივი მხარე. როდესაც ცხენი მხარე იხსნება თეპლის წყაროს და ცივი მხარე იხსნება თეპლის სინკს, მოდულში ქმნის ტემპერატურის განსხვავებას, რაც იწვევს დენის გარბის ციკლში. დენი შეიძლება გამოიყენოს ექსტერნალური ტვირთის დასაზღვევად ან ბატარეიის შესავსებლად. თერმოელექტრიული მოდულის ვოლტაჟი და გამოსავალი ძალა დამოკიდებულია თერმოკუპლეების რაოდენობაზე, ტემპერატურის განსხვავებაზე, სებეკის კოეფიციენტზე და მასალების ელექტრონულ და თეპლურ წინააღმდეგობებზე.

თერმოელექტრიული გენერატორის ეფექტიურობა განისაზღვრება როგორც ელექტრო გამოსავალი ძალის შეფარდება თეპლის შესავალ ძალასთან წყაროდან. თერმოელექტრიული გენერატორის ეფექტიურობა შეზღუდულია კარნოს ეფექტით, რომელიც არის ნებისმიერი თეპლის მაシンის მაქსიმალური შესაძლო ეფექტიურობა ორ ტემპერატურას შორის მუშაობისთვის. კარნოს ეფექტი გამოითვლება შემდეგი ფორმულით:

ηCarnot=1−ThTc

სადაც Tc არის ცივი მხარის ტემპერატურა, ხოლო Th არის ცხენი მხარის ტემპერატურა.

თერმოელექტრიული გენერატორის აქტუალური ეფექტიურობა დაბალია კარნოს ეფექტის შედეგად სხვადასხვა დაკარგვების გამო, როგორიცაა ჯულის დათბობა, თეპლური დატაცება და თეპლური რადიაცია. თერმოელექტრიული გენერატორის აქტუალური ეფექტიურობა დამოკიდებულია თერმოელექტრიული მასალების შეფასებაზე (ZT), რომელიც არის განზომილების გარეშე პარამეტრი, რომელიც იზორირებს მასალის თერმოელექტრიული გამოყენებისთვის პერფორმანსს. შეფასება გამოითვლება შემდეგი ფორმულით:

ZT=κα2σT

სადაც α არის სებეკის კოეფიციენტი, σ არის ელექტრონული დიადუქტივობა, κ არის თეპლური დიადუქტივობა, ხოლო T არის აბსოლუტური ტემპერატურა.

უფრო მაღალი შეფასება, უფრო მაღალი ეფექტიურობა თერმოელექტრიული გენერატორის. შეფასება დამოკიდებულია ინტრინსიკურ თვისებებზე (როგორიცაა ელექტრონების და ფონონების ტრანსპორტი) და ექსტრინსიკურ თვისებებზე (როგორიცაა დოპირების დოზა და გეომეტრია) მასალების. თერმოელექტრიული მასალების კვლევის მიზანია იპოვოს ან დიზაინირდეს მასალები, რომლებიც აქვთ მაღალი სებეკის კოეფიციენტი, მაღალი ელექტრონული დიადუქტივობა და დაბალი თეპლური დიადუქტივობა, რომლებიც ხშირად არიან კონფლიქტური მოთხოვნები.

რა არის ზოგიერთი ჩვეულებრივი თერმოელექტრიული მასალა?

თერმოელექტრიული მასალები შეიძლება განიყოს სამ კატეგორიაში: მეტალები, ნახევრ-აღმატებულები და კომპლექსური კომპოზიციები.

მეტალები აქვთ მაღალი ელექტრონული დიადუქტივობა, მაგრამ დაბალი სებეკის კოეფიციენტი და მაღალი თეპლური დიადუქტივობა, რაც იწვევს დაბალ შეფასებას. მეტალები ძირითადად გამოიყენება როგორც ელექტროდები ან ინტერკონექტები თერმოელექტრიულ მოდულებში.

ნახევრ-აღმატებულები აქვთ საშუალო ელექტრონული დიადუქტივობა და სებეკის კოეფიციენტი, მაგრამ მაღალი თეპლური დიადუქტივობა, რაც იწვევს საშუალო შეფასებას. ნახევრ-აღმატებულები შეიძლება დოპირდენ შეიქმნას n-ტიპის ან p-ტიპის მასალები სხვადასხვა ნარჩენი კონცენტრაციებით და მოძრავობით. ნახევრ-აღმატებულები ფართოდ გამოიყენება როგორც თერმოელექტრიული მასალები დაბალ ტემპერატურებზე (ქვემოთ 200°C).

კომპლექსური კომპოზიციები აქვთ დაბალი ელექტრონული დიადუქტივობა, მაგრამ მაღალი სებეკის კოეფიციენტი და დაბალი თეპლური დიადუქტივობა, რაც იწვევს მაღალ შეფასებას. კომპლექსური კომპოზიციები ჩვეულებრივ შედგება რამდენიმე ელემენტისგან სხვადასხვა ვალენტური