Termoelektriskie Ģenerators: Princips Materiāli un Lietojumi

Termodināmiskais ģeneratora (TEG) ir ierīce, kas pārveido siltumu enerģiju elektriskā enerģijā, izmantojot Zībeku efektu. Zībeku efekts ir parādība, kas notiek, kad starp diviem dažādiem vadiņiem vai vadiņu šķērsliem pastāv temperatūras atšķirība, radot elektrisko potenciāla atšķirību. TEG ir solid-state ierīces, kas nemaz nav kustīgos daļiņos un var strādāt klusāk un uzticībā ilgu laiku. TEG var tikt izmantoti, lai izmantotu atkritumu siltumu no dažādiem avotiem, piemēram, rūpnieciskajām procesām, automašīnām, elektrostacijām un pat cilvēka ķermeņa siltumu, un to pārvērstu noderīgā elektrībā. TEG var tikt izmantoti, lai nodrošinātu attālās ierīces, piemēram, sensorus, bezvadu pārraidītājus un kosmosa aparatūru, izmantojot radioizotopus vai saules siltumu kā siltuma avotu.

Kā darbojas termodināmiskais ģeneratora?

Termodināmiskais ģeneratora sastāv no diviem galvenajiem komponentiem: termodināmiskiem materiāliem un termodināmiskiem moduļiem.

Termodināmiskie materiāli ir materiāli, kas parāda Zībeku efektu, tas nozīmē, ka tie ģenerē elektrisko spriegumu, ja tie tiek izvirzīti temperatūras gradientam. Termodināmiskie materiāli var tikt sadalīti divos veidos: n-tipa un p-tipa. N-tipa materiāli ir ar pārpalikumu elektronu, savukārt p-tipa materiāli ir ar trūkumu elektronu. Ja n-tipa materiāls un p-tipa materiāls tiek savienoti seriālā virknē ar metāla elektrodām, tie veido termokoppi, kas ir pamatviene termodināmiskā ģeneratora.

Termodināmiskais modulis ir ierīce, kas satur daudzus termokoppus, kas savienoti elektriski seriālā virknē un termiski paralēli. Termodināmiskais modulis ir divpusējs: karstā pusē un salnā pusē. Ja karstā pusē tiek izmantots siltuma avots, bet salnā pusē - siltuma izplūdes avots, tad modulim tiek radīta temperatūras atšķirība, kas izraisa strāvas plūsmu caur shēmu. Strāva var tikt izmantota, lai piegādātu ārēju slodzi vai uzlādētu akumulatoru. Termodināmiskā moduļa spriegums un jaudas iznākums atkarīgs no termokoppu skaita, temperatūras atšķirības, Zībeku koeficienta un materiālu elektriskajiem un termiskajiem pretestības parametriem.

Termodināmiskā ģeneratora efektivitāte definēta kā attiecība starp elektrisko jaudas iznākumu un siltuma ievadi no avota. Termodināmiskā ģeneratora efektivitāte ierobežota Carnot efektivitāti, kas ir maksimālā iespējamā efektivitāte jebkuram siltuma dzinējam, kas strādā starp divām temperatūrām. Carnot efektivitāte ir dota:

ηCarnot=1−ThTc

kur Tc ir salnas puses temperatūra, un Th ir karstas puses temperatūra.

Termodināmiskā ģeneratora faktiskā efektivitāte ir daudz zemāka nekā Carnot efektivitāte, tāpēc dažādi zaudējumi, piemēram, Džeuls sildīšanās, termiskā kondukcija un termiskā radiācija. Termodināmiskā ģeneratora faktiskā efektivitāte atkarīga no materiālu figūras mērķa (ZT), kas ir bezdimensionāls parametrs, kas mēra materiāla efektivitāti termodināmiskajām lietojumiem. Figūras mērķis ir dota:

ZT=κα2σT

kur α ir Zībeku koeficients, σ ir elektriskā vadošana, κ ir termiskā vadošana, un T ir absoluutā temperatūra.

Jo augstāks figūras mērķis, jo augstāka termodināmiskā ģeneratora efektivitāte. Figūras mērķis atkarīgs gan no intrinsiskajām īpašībām (piemēram, elektronu un fononu transporta), gan ekstrinsiskajām īpašībām (piemēram, dozēšanas līmenis un ģeometrija) materiālu. Termodināmiskā materiāla pētījumu mērķis ir atrast vai izstrādāt materiālus, kas ir ar augstu Zībeku koeficientu, augstu elektriskā vadošanu un zemu termisko vadošanu, kas bieži ir pretrunājoši prasības.

Kādi ir daži parastie termodināmiskie materiāli?

Termodināmiskie materiāli var tikt sadalīti trim kategorijām: metāli, poluprovadītāji un sarežģīti savienojumi.

Metāliem ir augsta elektriskā vadošana, bet zems Zībeku koeficients un augsts termiskais vadošanu, rezultātā zema figūras mērķa. Metāli tiek galvenokārt izmantoti kā elektrodas vai savienojumi termodināmiskajos moduļos.

Poluprovadītājiem ir vidēja elektriskā vadošana un Zībeku koeficients, bet augsts termiskais vadošanu, rezultātā vidēja figūras mērķa. Poluprovadītājus var dot, lai izveidotu n-tipa vai p-tipa materiālus ar dažādiem nosūtnes koncentrācijām un mobilitāti. Poluprovadītāji tiek plaši izmantoti kā termodināmiskie materiāli zemas temperatūras lietojumiem (zem 200°C).

Sarežģītie savienojumiem ir zema elektriskā vadošana, bet augsts Zībeku koeficients un zems termiskais vadošanu, rezultātā augsts figūras mērķa. Sarežģītie savienojumi parasti sastāv no vairākiem elementiem ar dažādiem valentnostāvokļiem un kristālstruktūrām, kas veido sarežģītas elektronu bandu struktūras un fononu starpniecības mehānismus, kas uzlabo termodināmisko efektivitāti. Sarežģītie savienojumi tiek plaši izmantoti kā termodināmiskie materiāli augstas temperatūras lietojumiem (augstāk 200°C).

Daži piemēri parastiem termodināmiskiem materiāliem ir:

• Bismuta telūrids (Bi2Te3) un tā savienojumi: Šie ir visplašāk izmantotie termodināmiskie materiāli zemas temperatūras lietojumiem (zem 200°C), piemēram, dzēšanas ierīcēs un jaudas ģenerēšanā no atkritumu siltuma avotiem. Bi2Te3 ir slānis, kas sastāv no alternējošiem kvintpleks slāņiem, kas sastāv no Bi2 un Te3 atomiem, kas savienoti ar vājiem van der Vālsa spēkiem. Šī struktūra rezultātā ir zema termiskā vadošana, tā kā fononi tiek sprādzini svārstībās slāņu robežās. Bi2Te3 var tikt savienots ar citiem elementiem, piemēram, antimonu (Sb), sēleniju (Se) vai sieru (S), lai pielāgotu tā elektriskās īpašības un optimizētu tā figūras mērķi.

• Plumba telūrids (PbTe) un tā savienojumi: Šie ir vieni no visplašāk izmantotajiem termodināmiskajiem materiāliem vidējas temperatūras lietojumiem (200-600°C), piemēram, jaudas ģenerēšanā no automašīnu izmetumiem vai rūpniecisko atkritumu siltuma avotiem. PbTe ir grāmatvedības sāls struktūra, kas sastāv no alternējošiem Pb2+ un Te2- jonu slāņiem, kas savienoti ar stipriem joniskajiem spēkiem. Šī struktūra rezultātā ir augsts Zībeku koeficients, tā kā smagie Pb atomi veido lielu bandu degenerāciju tuvā Fermi līmenim. PbTe var tikt savienots ar citiem elementiem, piemēram, cinku (Sn), tāllium (Tl) vai nātru (Na), lai uzlabotu tā figūras mērķi.

• Skutterūditi: Šie ir sarežģīti savienojumi ar vispārējo formulu MX3, kur M ir pārejas metāls (piemēram, kobalts, Co) un X ir pnictogen (piemēram, antimon, Sb).

           
   

• Skutterūditiem ir kubiska struktūra, kas sastāv no trīsdimensiju tīkla M4X12 vienībām ar lielām tukšībām, kas var ieņemt viesu atomus (piemēram, retās zemes elementi, RE). Viesu atomi darbojas kā fonona sprādzini, kas samazina termisko vadošanu, savukārt mājas atomi nodrošina augstu elektrisko vadošanu un Zībeku koeficientu. Skutterūditi ir solīdāki termodināmiskie materiāli vidēja līdz augsta temperatūras lietojumiem (300-800°C), piemēram, jaudas ģenerēšanā no atkritumu siltuma izmantošanas vai koncentrēta saules enerģijas.

• Half-Heusler savienojumi: Šie ir ternāri savienojumi ar vispārējo formulu XYZ, kur X ir pārejas metāls (piemēram, titāns, Ti), Y ir cits pārejas metāls (piemēram, nikelijs, Ni), un Z ir galvenais grupas elements (piemēram, cinks, Sn).

           
   

• Half-Heusler savienojumiem ir kubiska struktūra, kas sastāv no četrām fcc subrețītām, viena aizņemta ar X atomiem, bet citas trīs aizņemtas ar Y un Z atomiem proporcijā 1:2. Half-Heusler savienojumiem ir augsts Zībeku koeficients un elektriskā vadošana, tā kā to sarežģītās elektronu bandu struktūras, un zema termiskā vadošana, tā kā to smagie sastāvdaļu atomi. Half-Heusler savienojumi ir solīdāki termodināmiskie materiāli augsta temperatūras lietojumiem (augstāk 800°C), piemēram, jaudas ģenerēšanā no kodolreaktoriem vai aviācijas dzinējiem.

Kādas ir termodināmiskā ģeneratora lietojumi?

Termodināmiskie ģeneratori ir dažādos lietojumos dažādos jomās, atkarībā no temperatūras diapazona, jaudas iznākuma un siltuma avota pieejamības. Daži piemēri termodināmiskā ģeneratora lietojumiem ir:

• Dzēšanas ierīces: Termodināmiskie ģeneratori var tikt izmantoti, lai dzest elektronikas komponentus, piemēram, mikroprocesorus, lazerus vai sensorus, pievienojot elektr