Термогенераторлар: Принциптері Материалдар және Қолданылуы

Термоэлектрлық женератор (TEG) - бұл Себек эффектін пайдаланып ішкі энергияны электр энергиясына айналдыратын құрылғы. Себек эффекті - екі әртүрлі қалыптасқыш немесе қалыптасқыштар цепісінде температура айырма болғанда пайда болатын электрлық көбейткіш айырма. TEG-лер қозғалыс бөлшектері жоқ, солидтік құрылғылар, уақытша тез және тиімді қызмет етуге мүмкіндік береді. TEG-лер өнеркәсіптік процестерден, автомобилдерден, электр станциялардан, әдетте адам денесінің жылуынан да қалдық жылуын жинау және оны қолданысқа қабылдатылатын электр энергиясына айналдыру үшін қолданылады. TEG-лер радиоизотоптар немесе күн жылуын жылу бастысы ретінде қолданып, сенсорлар, wireless передатчиктер, космостық құрылғылар сыныптағы қашық құрылғыларды қуатты қуатты қуатты.

Термоэлектрлық женератор қалай ислейді?

Термоэлектрлық женератор екі негізгі компоненттен тұрады: термоэлектрлық материалдар мен термоэлектрлық модулдер.

Термоэлектрлық материалдар - бұл температуралық градиентке тап болғанда электр oltage жасайтын материалдар. Термоэлектрлық материалдар n-типы мен p-типы екі типке бөлінеді. N-тип материалдар электрондарының қызығушылығы бар, ал p-тип материалдар электрондарының қысымы бар. Егер n-тип материал және p-тип материал метал електродтар арқылы сериялық түрде байланысты болса, олар термокуплені құрайды, бұл термоэлектрлық женератордың негізгі бөлігі.

Термоэлектрлық модуль - бұл бірнеше термокуплелерді электрлық түрде сериялық, ал температуралық параллель түрде байланысты құрастырылған құрылғы. Термоэлектрлық модуль екі жағы бар: жылу жағы және соғыту жағы. Егер жылу жағы жылу бастысына, ал соғыту жағы соғыту бастысына қоюлса, модульдің жақтарында температура айырма пайда болады, бұл цепісінде ағым өтуді жаратады. Ағым внешкі нагрузкаға немесе батарея зарядына қолданылады. Термоэлектрлық модульдің вольтажы және энергия шығысы термокуплелер санына, температура айырмасына, Себек коэффициентіне, материалдардың электрлық және температуралық қарсылығына байланысты болады.

Термоэлектрлық женератордің өнімділігі - бұл электр энергиясы шығысы мен жылу бастысынан келген жылу кірісінің қатынасы. Термоэлектрлық женератордің өнімділігі Карно өнімділігімен шектеледі, бұл екі температура арасында іске қосылатын кез келген жылу машинасы үшін максималды мүмкін өнімділік. Карно өнімділігі мынадай:

ηCarnot=1−ThTc

мұнда Tc - соғыту жағының температурасы, Th - жылу жағының температурасы.

Термоэлектрлық женератордің нақты өнімділігі Жоуль ыңғайлау, температуралық өткізу, температуралық радиация сияқты әртүрлі жойындар үшін Карно өнімділігінен көп аз болады. Термоэлектрлық женератордің нақты өнімділігі термоэлектрлық материалдардың зерттеу бағыты (ZT) параметріне байланысты, бұл термоэлектрлық қолданыстар үшін материалдың өнімділігін өлшейтін өлшенетін параметр. Зерттеу бағыты мынадай:

ZT=κα2σT

мұнда α - Себек коэффициенті, σ - электрлық өткізім, κ - температуралық өткізім, T - абсолютты температура.

Зерттеу бағытының деңгейі жоғары болғанда, термоэлектрлық женератордің өнімділігі де жоғары болады. Зерттеу бағыты материалдардың ішкі қасиеттері (мисалы, электрон және фонон транспорті) және сыртқы қасиеттері (мисалы, допинг деңгейі және геометриясы) үшін байланысты. Термоэлектрлық материалдардың зерттеу бағытының мақсаты - жоғары Себек коэффициенті, жоғары электрлық өткізім, төмен температуралық өткізімді қолдану, бұл көбінесе қаржысыз талаптар.

Негізгі термоэлектрлық материалдар не?

Термоэлектрлық материалдар үш категорияға бөлінеді: металлдар, полупроводники және татаң сұйықтар.

Металлдар жоғары электрлық өткізімі бар, бірақ Себек коэффициенті төмен, температуралық өткізімі жоғары, сондықтан зерттеу бағыты төмен. Металлдар термоэлектрлық модулдерде электродтар немесе интерконнекторлар ретінде қолданылады.

Полупроводники орташа электрлық өткізім мен Себек коэффициенті, бірақ жоғары температуралық өткізім, сондықтан орташа зерттеу бағыты. Полупроводниктер n-типы немесе p-типы материалдар құрастыру үшін допингленуге болады. Полупроводниктер өзінің айналуында өзінің қолданыстағы қызметкерлері (200°C астында) үшін кеңінен қолданылады.

Татаң сұйықтар төмен электрлық өткізім, бірақ жоғары Себек коэффициенті және төмен температуралық өткізім, сондықтан жоғары зерттеу бағыты. Татаң сұйықтар көбінесе әртүрлі валентті статустар мен кристалдық құрылымдарға ие болатын бірнеше элементтен тұрады, бұл қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар қатар ......