Generator Thermoelectrici: Principia Materiales et Applicationes

Generator thermoelectricus (TEG) est dispositivum quod convertit energiam caloris in electricam per effectum Seebeck. Effectus Seebeck est phenomenon quod occurrere cum differentia temperaturarum existit inter duos conductores vel circuitum conductorum, creans differentiam potentiae electricae. TEGs sunt dispositiva solid-state sine partibus mobilibus et possunt operari silentio et fideliter per longos tempora. TEGs possunt uti ad colligendum calorem residuum ex variis fontibus, sicut processus industriales, automobilia, plantae electricae, et etiam calor corporis humani, et convertere eum in electricitatem utilitatis. TEGs possunt etiam uti ad alimentandum dispositiva remota, sicut sensore, transmissores wireless, et naves spatiales, per usum radioisotoporum vel solis caloris ut fontem caloris.

Quomodo Operatur Generator Thermoelectricus?

Generator thermoelectricus constat duobus componentibus principalibus: materialibus thermoelectricis et modulis thermoelectricis.

Materialia thermoelectrica sunt materialia quae exhibent effectum Seebeck, significans quod generant tensionem electricam quando subiecta sunt gradienti temperaturarum. Materialia thermoelectrica possunt classificari in duos typus: n-type et p-type. Materialia n-type habent excessum electronorum, dum p-type habent defectum electronorum. Quando material n-type et p-type coniunguntur in serie per electrodos metallicos, formant thermocoppulam, quae est unitas fundamentalis generatoris thermoelectrici.

Modulus thermoelectricus est dispositivum quod continet multas thermocoppulas coniunctas electriciter in serie et thermaliter in parallelo. Modulus thermoelectricus habet duas facies: faciem calidam et faciem frigidam. Quando facies calida exponitur ad fontem caloris et facies frigida ad dissipator caloris, creatur differentia temperaturarum per modulum, causans currentem per circuitum. Currentis potest uti ad alimentandum onus externum vel ad carica batteriam. Tensio et output potenciae moduli thermoelectrici dependet a numero thermocoppularum, differentia temperaturarum, coefficiente Seebeck, et resistentiis electricis et thermalibus materialium.

Efficientia generatoris thermoelectrici definitur ut ratio potenciae electricae output ad input caloris ab fonte. Efficientia generatoris thermoelectrici limitatur per efficientiam Carnot, quae est maxima possible efficientia pro omni machina caloris operante inter duas temperaturas. Efficientia Carnot data est:

ηCarnot=1−ThTc

ubi Tc est temperatura faciei frigidae, et Th est temperatura faciei calidae.

Efficientia actualis generatoris thermoelectrici multo minor est quam efficientia Carnot propter varias perdas sicut Joule heating, thermal conduction, et thermal radiation. Efficientia actualis generatoris thermoelectrici dependet a figure merit (ZT) materialium thermoelectricorum, quae est parameter dimensionless qui mensurat performance materialis pro applicationibus thermoelectricis. Figure merit data est:

ZT=κα2σT

ubi α est coefficient Seebeck, σ est conductivitas electrica, κ est conductivitas thermalis, et T est temperatura absoluta.

Quanto maior figure merit, tanto maior efficientia generatoris thermoelectrici. Figure merit dependet a proprietatibus intrinsecis (sicut transport electronorum et phononorum) et extrinsecis (sicut dosing level et geometria) materialium. Finis research materialium thermoelectricorum est invenire aut designare materialia quae habeant altum coefficientem Seebeck, altam conductivitatem electricam, et bassam conductivitatem thermalem, quae saepe sunt requisitiones conflictantes.

Quae Sunt Quaedam Materialia Thermoelectrica Commune?

Materialia thermoelectrica possunt classificari in tres categorias: metalla, semiconductores, et composita complexa.

Metalla habent altam conductivitatem electricam sed bassum coefficientem Seebeck et altam conductivitatem thermalem, resultans in bassum figure merit. Metalla principiter utuntur ut electrodos vel interconnects in modulis thermoelectricis.

Semiconductores habent moderatam conductivitatem electricam et coefficientem Seebeck sed altam conductivitatem thermalem, resultans in moderatum figure merit. Semiconductores possunt dosari ad creandum materialia n-type aut p-type cum diversis concentrationibus portantium et mobilitatibus. Semiconductores late utuntur ut materialia thermoelectrica pro applicationibus basse temperaturae (sub 200°C).

Composita complexa habent bassam conductivitatem electricam sed altum coefficientem Seebeck et bassam conductivitatem thermalem, resultans in altum figure merit. Composita complexa saepe constat elementis multis cum diversis valentiarum et structuris crystallinis, quae creant structuras electronicas band complexas et mechanicas scattering phononarum quae augent performance thermoelectricam. Composita complexa late utuntur ut materialia thermoelectrica pro applicationibus altae temperaturae (supra 200°C).

Quaedam exempla communium materialium thermoelectricorum sunt:

• Bismuth telluride (Bi2Te3) et eius allodia: Haec sunt materia thermoelectrica latissime uta pro applicationibus basse temperaturae (sub 200°C), sicut dispositiva refrigerationis et generationis electricitatis ex fontibus caloris residui. Bi2Te3 habet structuram strata quae constat alternis quintuplis stratis Bi2 et Te3 atomis conjunctis per vires van der Waals tenuis. Hac structura resultat in bassa conductivitas thermica propter scattering phononarum ad limitibus stratarum. Bi2Te3 potest allodiari cum aliis elementis sicut antimony (Sb), selenium (Se), vel sulfur (S) ad regendam suas proprietates electricas et optimizandam suam figure merit.

• Lead telluride (PbTe) et eius allodia: Haec sunt inter materia thermoelectrica latissime uta pro applicationibus mediae temperaturae (200-600°C), sicut generationis electricitatis ex exhaustu automobilis vel fontibus caloris residui industrialis. PbTe habet structuram rock-salt quae constat alternis stratis Pb2+ et Te2- ionibus conjunctis per vires ionicas fortes. Hac structura resultat in altum coefficientem Seebeck propter Pb atomos graves quae creant magnam degeneratio band prope level Fermi. PbTe potest allodiari cum aliis elementis sicut tin (Sn), thallium (Tl), vel sodium (Na) ad augendam suam figure merit.

• Skutterudites: Haec sunt composita complexa cum formula generali MX3, ubi M est metal transitionis (sicut cobalt, Co) et X est pnictogen (sicut antimony, Sb).

           
   

• Skutterudites habent structuram cubicam quae constat rete tridimensionale M4X12 unitatum cum vastis vacuis quae possunt accommodare atomos guest (sicut elementa rare earth, RE). Atomi guest agunt ut scatterers phononarum qui reducunt conductivitatem thermicam, dum host atomi provident altam conductivitatem electricam et coefficientem Seebeck. Skutterudites sunt promissa materialia thermoelectrica pro applicationibus mediae ad altae temperaturae (300-800°C), sicut generationis electricitatis ex recovery caloris residui vel solar power concentrata.

• Half-Heusler compounds: Haec sunt ternaria composita cum formula generali XYZ, ubi X est metal transitionis (sicut titanium, Ti), Y est alter metal transitionis (sicut nickel, Ni), et Z est elementum main group (sicut tin, Sn).

           
   

• Half-Heusler compounds habent structuram cubicam quae constat quattuor fcc sublattices interpenetrantes, unum occupatum per X atomos et alia tria occupata per Y et Z atomos in ratione 1:2. Half-Heusler compounds habent altum coefficientem Seebeck et conductivitatem electricam propter suas structuras electronicas band complexas et bassam conductivitatem thermicam propter sua atomata gravis. Half-Heusler compounds sunt promissa materialia thermoelectrica pro applicationibus altae temperaturae (supra 800°C), sicut generationis electricitatis ex reactoribus nuclearibus vel engine aerospace.

Quae Sunt Quaedam Applicationes Generatorum Thermoelectricorum?

Generator thermoelectrici habent varia applicationes in diversis campis, secundum rangum temperaturarum, output potenciae, et disponibilitatem fontis caloris. Quaedam exempla applicationum generatorum thermoelectricorum sunt:

• Dispositiva refrigerationis: Generator thermoelectrici possunt uti ad refri