Thermoelektrische Generatoren: Principe Materialen en Toepassingen
Een thermoelektrische generator (TEG) is een apparaat dat warmte-energie omzet in elektrische energie met behulp van het Seebeck-effect. Het Seebeck-effect is een verschijnsel dat optreedt wanneer er een temperatuurverschil bestaat tussen twee verschillende geleiders of een circuit van geleiders, wat een elektrisch potentiaalverschil creëert. TEG's zijn vaste toestellen die geen bewegende delen hebben en geruisloos en betrouwbaar kunnen werken voor lange periodes. TEG's kunnen worden gebruikt om restwarmte te verzamelen uit verschillende bronnen, zoals industriële processen, auto's, energiecentrales en zelfs lichaamswarmte, en deze om te zetten in bruikbare elektriciteit. TEG's kunnen ook worden gebruikt om afgelegen apparaten, zoals sensoren, draadloze transmitters en ruimtevaartuigen, te voeden door gebruik te maken van radio-isotopen of zonnehitte als warmtebron.
Hoe werkt een thermoelektrische generator?
Een thermoelektrische generator bestaat uit twee hoofdcomponenten: thermoelektrische materialen en thermoelektrische modules.
Thermoelektrische materialen zijn materialen die het Seebeck-effect vertonen, wat betekent dat ze een elektrische spanning genereren wanneer ze blootgesteld worden aan een temperatuurgradiënt. Thermoelektrische materialen kunnen worden ingedeeld in twee types: n-type en p-type. N-type materialen hebben een overmaat aan elektronen, terwijl p-type materialen een tekort aan elektronen hebben. Wanneer een n-type materiaal en een p-type materiaal in serie worden verbonden door metalen elektroden, vormen ze een thermokoppel, dat de basis eenheid is van een thermoelektrische generator.
Een thermoelektrische module is een apparaat dat vele thermokoppels bevat die elektrisch in serie en thermisch parallel zijn verbonden. Een thermoelektrische module heeft twee zijden: een warme kant en een koude kant. Wanneer de warme kant wordt blootgesteld aan een warmtebron en de koude kant aan een warmteafvoer, ontstaat er een temperatuurverschil over de module, waardoor er stroom door het circuit loopt. De stroom kan worden gebruikt om een externe belasting te voeden of een batterij op te laden. De spanning en de vermogensuitvoer van een thermoelektrische module hangen af van het aantal thermokoppels, het temperatuurverschil, de Seebeck-coëfficiënt en de elektrische en thermische weerstanden van de materialen.
De efficiëntie van een thermoelektrische generator wordt gedefinieerd als het verhouding van de elektrische vermogensuitvoer tot de warmte-invoer van de bron. De efficiëntie van een thermoelektrische generator is beperkt door de Carnot-efficiëntie, die de maximale mogelijke efficiëntie is voor elke warmtemachine die werkt tussen twee temperaturen. De Carnot-efficiëntie wordt gegeven door:
ηCarnot=1−ThTc
waarbij Tc de temperatuur van de koude kant is en Th de temperatuur van de warme kant.
De werkelijke efficiëntie van een thermoelektrische generator is veel lager dan de Carnot-efficiëntie vanwege verschillende verliezen zoals Joule-verwarming, thermische geleiding en thermische straling. De werkelijke efficiëntie van een thermoelektrische generator hangt af van het figuur van verdienste (ZT) van de thermoelektrische materialen, wat een dimensieloze parameter is die de prestaties van een materiaal voor thermoelektrische toepassingen meet. Het figuur van verdienste wordt gegeven door:
ZT=κα2σT
waarbij α de Seebeck-coëfficiënt is, σ de elektrische geleidbaarheid, κ de thermische geleidbaarheid en T de absolute temperatuur.
Hoe hoger het figuur van verdienste, hoe hoger de efficiëntie van de thermoelektrische generator. Het figuur van verdienste hangt af van zowel intrinsieke eigenschappen (zoals elektron- en fonontransport) als extrinsieke eigenschappen (zoals dopinglevel en geometrie) van de materialen. Het doel van onderzoek naar thermoelektrische materialen is om materialen te vinden of te ontwerpen die een hoge Seebeck-coëfficiënt, hoge elektrische geleidbaarheid en lage thermische geleidbaarheid hebben, wat vaak conflicterende eisen zijn.
Welke zijn enkele gangbare thermoelektrische materialen?
Thermoelektrische materialen kunnen worden ingedeeld in drie categorieën: metalen, halfgeleiders en complexe verbindingen.
Metalen hebben een hoge elektrische geleidbaarheid, maar een lage Seebeck-coëfficiënt en een hoge thermische geleidbaarheid, wat resulteert in een laag figuur van verdienste. Metalen worden voornamelijk gebruikt als elektroden of interconnecties in thermoelektrische modules.
Halfgeleiders hebben een matige elektrische geleidbaarheid en Seebeck-coëfficiënt, maar een hoge thermische geleidbaarheid, wat resulteert in een matig figuur van verdienste. Halfgeleiders kunnen gedopeerd worden om n-type of p-type materialen te creëren met verschillende draaggelden en mobiliteiten. Halfgeleiders worden breed gebruikt als thermoelektrische materialen voor lage temperatuurtoepassingen (onder de 200°C).
Complexe verbindingen hebben een lage elektrische geleidbaarheid, maar een hoge Seebeck-coëfficiënt en lage thermische geleidbaarheid, wat resulteert in een hoog figuur van verdienste. Complexe verbindingen bestaan meestal uit meerdere elementen met verschillende valentiestaten en kristalstructuren, die complexe elektronische bandstructuren en fononscatteringmechanismen creëren die de thermoelektrische prestaties versterken. Complexe verbindingen worden breed gebruikt als thermoelektrische materialen voor hoge temperatuurtoepassingen (boven de 200°C).
Enkele voorbeelden van gangbare thermoelektrische materialen zijn:
Bismut telluuride (Bi2Te3) en zijn legeringen: Dit zijn de meest gebruikte thermoelektrische materialen voor lage temperatuurtoepassingen (onder de 200°C), zoals koelapparaten en energieopwekking uit restwarmtebronnen. Bi2Te3 heeft een gestructureerde opbouw die bestaat uit wisselende quintuple lagen van Bi2 en Te3 atomen die gebonden zijn door zwakke van der Waalskrachten. Deze structuur resulteert in een lage thermische geleidbaarheid door fononscattering aan de laagsgrenzen. Bi2Te3 kan worden gelegd met andere elementen zoals antimoon (Sb), selenium (Se) of zwavel (S) om de elektrische eigenschappen te tunen en het figuur van verdienste te optimaliseren.
Loodtelluuride (PbTe) en zijn legeringen: Dit zijn onder de meest gebruikte thermoelektrische materialen voor middelhoge temperatuurtoepassingen (200-600°C), zoals energieopwekking uit auto-uitlaten of industriële restwarmtebronnen. PbTe heeft een rotszoutstructuur die bestaat uit wisselende lagen van Pb2+ en Te2- ionen die gebonden zijn door sterke ionische krachten. Deze structuur resulteert in een hoge Seebeck-coëfficiënt door zware Pb-atomen die grote banddegeneratie nabij het Fermi-niveau creëren. PbTe kan worden gelegd met andere elementen zoals tin (Sn), thallium (Tl) of natrium (Na) om het figuur van verdienste te versterken.
Skutterudieten: Dit zijn complexe verbindingen met de algemene formule MX3, waarbij M een overgangsmetaal (zoals kobalt, Co) is en X een pnictogeen (zoals antimoon, Sb).
Skutterudieten hebben een kubische structuur die bestaat uit een driedimensionaal netwerk van M4X12-eenheden met grote holtes die gastatomen (zoals zeldzame aardelementen, RE) kunnen bevatten. De gastatomen fungeren als fononscatterers die de thermische geleidbaarheid verlagen, terwijl de gastatomen hoge elektrische geleidbaarheid en Seebeck-coëfficiënt leveren. Skutterudieten zijn veelbelovende thermoelektrische materialen voor middelhoge tot hoge temperatuurtoepassingen (300-800°C), zoals energieopwekking uit restwarmteherwinning of geconcentreerde zonne-energie.
Half-Heuslerverbindingen: Dit zijn ternaire verbindingen met de algemene formule XYZ, waarbij X een overgangsmetaal (zoals titanium, Ti) is, Y een ander overgangsmetaal (zoals nikkel, Ni) en Z een hoofdgroepelement (zoals tin, Sn).
Half-Heuslerverbindingen hebben een kubische structuur die bestaat uit vier doorsnijdende fcc-subroosters, één bezet door X-atomen en de andere drie bezet door Y en Z-atomen in een 1:2-verhouding. Half-Heuslerverbindingen hebben een hoge Seebeck-coëfficiënt en elektrische geleidbaarheid door hun complexe elektronische bandstructuren en lage thermische geleidbaarheid door hun zware constituerende atomen. Half-Heuslerverbindingen zijn veelbelovende thermoelektrische materialen voor hoge temperatuurtoepassingen (boven de 800°C), zoals energieopwekking uit kernreactoren of ruimtevaartmotoren.
Welke zijn enkele toepassingen van thermoelektrische generatoren?
Thermoelektrische generatoren hebben diverse toepassingen in verschillende sectoren, afhankelijk van het temperatuurbereik, vermogensoutput en beschikbaarheid van warmtebronnen. Enkele voorbeelden van toepassingen van thermoelektrische generatoren zijn:
Koelapparaten: Thermoelektrische generatoren kunnen worden gebruikt om elektronische componenten, zoals microprocessors, lasers of sensoren, te koelen door een elektrische stroom toe te passen om een temperatuurverschil te creëren tussen de warme en koude kant van de module. Dit proces wordt thermoelektrische koeling of het Peltier-effect genoemd, wat het omgekeerde is van het Seebeck-effect. Thermoelektrische koelapparaten hebben voordelen ten opzichte van conventionele koelmethode, zoals compactheid, betrouwbaarheid, stilte en nauwkeurige temperatuurregeling.
Energieopwekking uit restwarmte: Thermoelektrische generatoren kunnen worden gebruikt om restwarmte te verzamelen uit verschillende bronnen, zoals industriële processen, auto's, energiecentrales en zelfs lichaamswarmte, en deze om te zetten in bruikbare elektriciteit. Dit kan de energie-efficiëntie verbeteren en de broeikasgasemissies van deze bronnen verminderen. Bijvoorbeeld, thermoelektrische generatoren kunnen worden geïntegreerd in auto-uitlaatsystemen om enkele van de hitte die tijdens de verbranding verloren gaat te herwinnen en elektriciteit op te wekken voor boordapparatuur of acculading. Thermoelektrische generatoren kunnen ook aan de huid of kleding worden bevestigd om elektriciteit te genereren uit lichaamswarmte voor het voeden van draagbare apparaten of medische implantaat.
Energieopwekking uit radioisotopen: Thermoelektrische generatoren kunnen worden gebruikt om afgelegen apparaten, zoals sensoren, draadloze transmitters en ruimtevaartuigen, te voeden door gebruik te maken van radioisotopen als warmtebron.
Radioisotopen zijn onstabiele isotopen die straling uitzenden en vervallen tot andere elementen. De straling kan worden omgezet in warmte door gebruik te maken van een materiaal dat deze absorbeert, zoals lood of wolfraam. De warmte kan vervolgens worden omgezet in elektriciteit door gebruik te maken van thermoelektrische modules. Radioisotoop-thermoelektrische generatoren (RTG's) hebben voordelen ten opzichte van andere energiebronnen, zoals batterijen of zonnepanelen, in termen van lange levensduur, hoge betrouwbaarheid en onafhankelijkheid van omgevingsomstandigheden. RTG's zijn gebruikt om veel ruimtemissies te voeden, zoals Voyager 1 en 2, Curiosity rover en Perseverance rover.
