Generatori Termodinamici: Prinċipji Materiali u Aplikazzjonijiet

Il-ġeneratur termoelettriku (TEG) huwa dispożitiv li jikkonverti l-enerġija tal-ħalq fil-enerġija elettrika permezz tal-effett Seebeck. L-effett Seebeck huwa fenomenu li jiġi osservat meta jkun hemm differenza fit-tempuratura bejn żewġ konduċturi differenti jew ċirkwit ta' konduċturi, li jagħmlu differenza potenzjali elettriku. Il-TEGs huma dispożitivi solid-state li ma għandhomx parti mobbli u jistgħu jioperaw b'silġenzja u fiducja għall-ħin il-ħin. Il-TEGs jistgħu jiġu użati biex jiġu rikoltati l-ħalq mit-tfarrig minn sorsi differenti, kif s-silġ tal-proċess industrjali, l-automobili, l-impianti tal-enerġija, u anke l-ħalq tal-ħaddiem, u t-tikkonverti f'enerġija elettrika utili. Il-TEGs jistgħu anke jiġu użati biex jiġu alimentati dispożitivi miżrem, kif is-sensuri, it-trasmetturi wirless, u l-spazju, permezz tal-użu tal-radioisotopi jew l-ħalq tas-silġ bħala sors tal-ħalq.

Kemm Jixxef Iġeneratur Termoelettriku?

Il-ġeneratur termoelettriku huwa miftuħ minn żewġ komponenti ewlenin: materiali termoelettriki u moduli termoelettriki.

Il-materiali termoelettriki huma materiali li jipperċepixxjaw l-effett Seebeck, li ifisser li jikkreaw voltagġ meta jsibu gradient tempuraturi. Il-materiali termoelettriki jistgħu jiġu klassifikati fi żewġ tipi: n-type u p-type. Il-materiali n-type għandhom ekcess ta' elektronji, mentri d-p-type għandhom defizzjienza ta' elektronji. Meta materiali n-type u p-type ikunu magħqudin fis-serje permezz ta' elektrodi metalici, jagħmlu termoduplu, li huwa l-unità bażika tal-ġeneratur termoelettriku.

Il-modulu termoelettriku huwa dispożitiv li jinkludi ħafna termodupli magħquda elektrikament fis-serje u termikament fl-paralell. Il-modulu termoelettriku għandu żewġ sidon: l-ħalqa u l-qalida. Meta l-ħalqa tittieħed għal sors tal-ħalq u l-qalida tittieħed għal sink tal-ħalq, jiġi kkreat differenza tempuraturi fuq il-modulu, li jikkausar flus tal-kurrent permezz tal-ċirkwit. Il-kurrent jista' jiġi użat biex jipprovdi kariga esterna jew jirriċarġa batteja. Il-voltagġ u l-output tal-potenza tal-modulu termoelettriku ideppendenti mill-numru ta' termodupli, l-differenza tempuraturi, il-koeffiċjent Seebeck, u l-resistenzi elettrika u termika tal-materiali.

L-effiċjenza tal-ġeneratur termoelettriku hi definita bħala rapport tal-output tal-enerġija elettrika għal l-input tal-ħalq mis-sors. L-effiċjenza tal-ġeneratur termoelettriku hija limitata mill-effiċjenza Carnot, li hi l-ebda possibbli għal quddiem tal-ħalq operanti bejn żewġ tempuraturi. L-effiċjenza Carnot hija data bħal:

ηCarnot=1−ThTc

fejn Tc hi l-tempuratura tal-lanġas, u Th hi l-tempuratura tal-ħalqa.

L-effiċjenza reale tal-ġeneratur termoelettriku hija xieraq mill-effiċjenza Carnot għal diversi ħsara, kif l-ħalq Joule, l-konduzzjoni termika, u l-radiazzjoni termika. L-effiċjenza reale tal-ġeneratur termoelettriku ideppendenti mill-merit figure (ZT) tal-materiali termoelettriki, li huwa parametru dimensionless li jimmis l-prestazzjoni tal-material għal applikazzjonijiet termoelettriki. Il-merit figure huwa dat bħal:

ZT=κα2σT

fejn α hu l-koeffiċjent Seebeck, σ hu l-konduzzjoni elettrika, κ hu l-konduzzjoni termika, u T hu l-tempuratura assoluta.

Illum qattar il-merit figure, iktar qattar l-effiċjenza tal-ġeneratur termoelettriku. Il-merit figure ideppendenti minn propjetajiet intrinsequi (kif l-trasport tal-elektronji u phonons) u extrinsequi (kif l-livell ta' doping u geometria) tal-materiali. L-obiettiv tal-riċerka tal-materiali termoelettriki huwa biex tintlaq jew tiddesigna materiali li jkollhom koeffiċjent Seebeck qattar, konduzzjoni elettrika qattar, u konduzzjoni termika bassa, li huma spissimex rikjesti konflittuali.

Li Huma Materiali Termoelettriki Komuni?

Il-materiali termoelettriki jistgħu jiġu klassifikati fi tliet kategoriji: metali, semicondutturi, u komplessi.

Il-metali għandhom konduzzjoni elettrika qattar imma koeffiċjent Seebeck bassa u konduzzjoni termika qattar, li jiġi kkreat merit figure bassa. Il-metali huma użati kif elektrodi jew interconnessioni fi moduli termoelettriki.

Is-semicondutturi għandhom konduzzjoni elettrika u koeffiċjent Seebeck moderati imma konduzzjoni termika qattar, li jiġi kkreat merit figure moderat. Is-semicondutturi jistgħu jiġu dopati biex jiġu kkreati materiali n-type jew p-type b'differenti livelli ta' karriġer u mobilità. Is-semicondutturi huma użati wisq kif materiali termoelettriki għal applikazzjonijiet bil-temperatura bassa (ax-xejn 200°C).

Il-komplessi għandhom konduzzjoni elettrika bassa imma koeffiċjent Seebeck qattar u konduzzjoni termika bassa, li jiġi kkreat merit figure qattar. Il-komplessi solitament huma miftuħ minn elementi differenti b'differenti stati valenzi u strutturi kristalli, li jkkrea strutturi bandi elettroniki u mekanismi skatter tal-phonon li jżidu l-prestazzjoni termoelettrika. Il-komplessi huma użati wisq kif materiali termoelettriki għal applikazzjonijiet bil-temperatura qattar (ux-200°C).

Esempi ta' materiali termoelettriki komuni huma:

• Bismut tellurido (Bi2Te3) u sojiet: Dawn huma l-materiali termoelettriki akbar użati għal applikazzjonijiet bil-temperatura bassa (ax-xejn 200°C), kif is-silġ tal-apparat u t-tikkonverti tal-enerġija mit-tfarrig tal-ħalq. Il-Bi2Te3 għandu struttura stratificata li tkun miftuħa minn quintuple layers ta' Bi2 u Te3 atoms miktar bl-forza van der Waals. Din is-struttura tiġi kkreat konduzzjoni termika bassa għal skatter tal-phonon fuq l-layer boundaries. Il-Bi2Te3 jistgħu jiġu sojjiti b'elementi oħra kif antimonju (Sb), selenium (Se), jew sulfur (S) biex jituneja l-proprietajiet elettrika u t-optimita l-merit figure tagħhom.

• Plumb tellurido (PbTe) u sojiet: Dawn huma waħda mill-materiali termoelettriki akbar użati għal applikazzjonijiet bil-temperatura medja (200-600°C), kif t-tikkonverti tal-enerġija mid-exhaust tal-automobili jew tfarrig tal-ħalq industriali. Il-PbTe għandu struttura rock-salt li tkun miftuħa minn layers alternativi ta' Pb2+ u Te2- ions miktar bl-forza jonika. Din is-struttura tiġi kkreat koeffiċjent Seebeck qattar għal Pb atoms kbira li jkkrea band degeneracy kbir qrib il-Fermi level. Il-PbTe jistgħu jiġu sojjiti b'elementi oħra kif tin (Sn), thallju (Tl), jew sodju (Na) biex jżidu l-merit figure tagħhom.

• Skutterudites: Dawn huma komplessi biformula generika MX3, fejn M hu metal transizzjoni (kif kobalt, Co) u X hu pnictogen (kif antimon, Sb).

           
   

• Is-skutterudites għandhom struttura kubika li tkun miftuħa minn network tridimensjonali ta' units M4X12 b'voids kbira li jistgħu jikkuntieni guest atoms (kif elements rare earth, RE). Il-guest atoms jopraw bħala skatter tal-phonon li jżidu l-konduzzjoni termika, mentri l-host atoms jipprovdu konduzzjoni elettrika u koeffiċjent Seebeck qattar. Is-skutterudites huma materiali promettenti għal applikazzjonijiet bil-temperatura medja u qattar (300-800°C), kif t-tikkonverti tal-enerġija mit-tfarrig tal-ħalq u silġ tal-ħalq koncentrat.

• Half-Heusler compounds: Dawn huma ternary compounds biformula generika XYZ, fejn X hu metal transizzjoni (kif titanium, Ti), Y hu metal transizzjoni oħrajn (kif nickel, Ni), u Z hu element grupp prinċipali (kif tin, Sn).

           
   

• Il-Half-Heusler compounds għandhom struttura kubika li tkun miftuħa minn fcc sublattices interpenetrating erba', wieħed okkupat minn X atoms u l-oħrajn tri okkupati minn Y u Z atoms b'rapport 1:2. Il-Half-Heusler compounds għandhom koeffiċjent Seebeck u konduzzjoni elettrika qattar għal strutturi bandi elettroniki kompliċati u konduzzjoni termika bassa għal constituent atoms kbira. Il-Half-Heusler compounds huma materiali promettenti għal applikazzjonijiet bil-temperatura qattar (ux-800°C), kif t-tikkonverti tal-enerġija mil-reactors nuclear jew engines aerospace.

Esempi ta' Applikazzjonijiet tal-Ġeneraturi Termoelettriki?

Il-ġeneraturi termoelettriki għandhom diversi applikazzjonijiet f'diversi fields, dipendenti mill-range tal-temperatura, l-output tal-potenza, u l-disponibilità tal-sors tal-ħalq. Esempi ta' applikazzjonijiet tal-ġeneraturi termoelettriki huma:

• Apparat tal-silġ: Il-ġeneraturi termoelettriki jistgħu jiġu użati biex jisilġu komponenti elettroniki, kif microprocessors, lasers, jew sensors, biex japplikaw kurrent elettriku biex jikkreu differenza tempuraturi bejn l-ħalqa u l-qalida tal-modulu. Din il-proċess hija tassweta thermoelectric cooling jew l-effett Peltier, li hu l-invers tal-effett Seebeck. L-apparat tal-silġ termoelettriki għandhom avantaggi fuq metodi konvenzjonali, kif kompakta, affidabilità, noiselessness, u kontrollo preċiż tal-tempuratura.

• Tikkonverti tal-enerġija mit-tfarrig tal-ħalq: Il-ġeneraturi termoelettriki jistgħu jiġu użati biex jirkolu l-ħalq mit-tfarrig minn sorsi differenti, kif processi industriali, automobili, impianti tal-enerġija, u anke l-ħalq tal-ħaddiem, u t-tikkonverti f'enerġija elettrika utili. Dan jista' jżid l-effiċjenza tal-enerġija u jżid l-emissjonijiet tal-gas greenhouse ta' dawn