Termoelektriske generatorer: Prinsipper materialer og anvendelser

En termoelektrisk generator (TEG) er en enhet som konverterer varmeenergi til elektrisk energi ved hjelp av Seebeck-effekten. Seebeck-effekten er et fenomen som oppstår når det er en temperaturforskjell mellom to forskjellige leder eller en sirkuit av ledere, og dette skaper en elektrisk potensialforskjell. TEG-er er fasttilstands-enheter uten bevegelige deler, og de kan operere stille og pålitelig over lange tidsperioder. TEG-er kan brukes til å høste spillet varme fra ulike kilder, som industriprosesser, biler, kraftverk, og selv menneskelig kroppevarme, og konvertere den til nyttig elektrisitet. TEG-er kan også brukes til å forsyne fjerne enheter, som sensorer, trådløse transmittere og romfartøy, ved å bruke radioisotoper eller solvarme som varmekilde.

Hvordan fungerer en termoelektrisk generator?

En termoelektrisk generator består av to hovedkomponenter: termoelektriske materialer og termoelektriske moduler.

Termoelektriske materialer er materialer som viser Seebeck-effekten, noe som betyr at de genererer en elektrisk spenning når de utsattes for en temperaturgradient. Termoelektriske materialer kan inndelas i to typer: n-type og p-type. N-type-materialer har overskudd av elektroner, mens p-type-materialer har mangel på elektroner. Når et n-type-material og et p-type-material kobles sammen i serie med metallektroder, danner de en termokuppel, som er den grunnleggende enheten i en termoelektrisk generator.

En termoelektrisk modul er en enhet som inneholder mange termokupper koblet elektrisk i serie og termisk parallelt. En termoelektrisk modul har to sider: en varm side og en kald side. Når den varme siden er utsatt for en varmekilde, og den kalde siden er utsatt for en varmesink, oppstår det en temperaturforskjell over modulen, noe som fører til at en strøm flyter gjennom kretsen. Strømmen kan brukes til å forsyne en ekstern last eller lade en batteri. Spennings- og effektutgangen av en termoelektrisk modul avhenger av antallet termokupper, temperaturforskjellen, Seebeck-koeffisienten, og de elektriske og termiske motstandene til materialene.

Effekten til en termoelektrisk generator defineres som forholdet mellom den elektriske effektutgangen og varmeanlegget fra kilden. Effekten til en termoelektrisk generator er begrenset av Carnot-effekten, som er den maksimale mulige effekten for noen varmekjølsmaskin som opererer mellom to temperaturer. Carnot-effekten er gitt av:

ηCarnot=1−ThTc

der Tc er temperaturen på den kalde siden, og Th er temperaturen på den varme siden.

Den faktiske effekten til en termoelektrisk generator er mye lavere enn Carnot-effekten på grunn av ulike tap, som Joule-varme, termisk konduksjon og termisk stråling. Den faktiske effekten til en termoelektrisk generator avhenger av verdien av fortjenesten (ZT) til termoelektriske materialer, som er en dimensjonsløs parameter som måler ytelsen til et materiale for termoelektriske applikasjoner. Verdien av fortjenesten er gitt av:

ZT=κα2σT

der α er Seebeck-koeffisienten, σ er elektrisk ledningsevne, κ er termisk ledningsevne, og T er absolutttemperaturen.

Jo høyere verdien av fortjenesten, jo høyere effekten til termoelektrisk generator. Verdien av fortjenesten avhenger av både intrinsiske egenskaper (som elektron- og fonontransport) og ekstrinsiske egenskaper (som dopingsnivå og geometri) til materialene. Målet med forskning på termoelektriske materialer er å finne eller designe materialer som har høy Seebeck-koeffisient, høy elektrisk ledningsevne, og lav termisk ledningsevne, som ofte er motstridende krav.

Hva er noen vanlige termoelektriske materialer?

Termoelektriske materialer kan inndelas i tre kategorier: metall, halvledere og komplekse forbindelser.

Metaller har høy elektrisk ledningsevne, men lav Seebeck-koeffisient og høy termisk ledningsevne, noe som resulterer i en lav verdi av fortjenesten. Metaller brukes hovedsakelig som elektroder eller forbindelsesledd i termoelektriske moduler.

Halvledere har moderat elektrisk ledningsevne og Seebeck-koeffisient, men høy termisk ledningsevne, noe som resulterer i en moderat verdi av fortjenesten. Halvledere kan dopes for å skape n-type eller p-type-materialer med ulike partikelkonvensjoner og mobilitet. Halvledere brukes vidtstrekt som termoelektriske materialer for lavtemperaturapplikasjoner (under 200°C).

Komplekse forbindelser har lav elektrisk ledningsevne, men høy Seebeck-koeffisient og lav termisk ledningsevne, noe som resulterer i en høy verdi av fortjenesten. Komplekse forbindelser består ofte av flere elementer med ulike valensi-tilstander og kristallstrukturer, noe som skaper komplekse elektroniske bandstrukturer og fonon-sprøyttemekanismer som forbedrer termoelektrisk ytelse. Komplekse forbindelser brukes vidtstrekt som termoelektriske materialer for høytemperaturapplikasjoner (over 200°C).

Noen eksempler på vanlige termoelektriske materialer er:

• Bismutt tellurid (Bi2Te3) og dets legeringer: Dette er de mest brukte termoelektriske materialene for lavtemperaturapplikasjoner (under 200°C), som kjøleværktøy og strømproduksjon fra spillet varme. Bi2Te3 har en laget struktur som består av alternerende kvintuple lag av Bi2 og Te3 atomer sammenbundet med svake van der Waals-krefter. Denne strukturen resulterer i lav termisk ledningsevne på grunn av fonon-sprøytting ved lagets grenser. Bi2Te3 kan legere med andre elementer som antimon (Sb), selenium (Se) eller svovel (S) for å justere dens elektriske egenskaper og optimere dens verdi av fortjenesten.

• Bly tellurid (PbTe) og dets legeringer: Dette er blant de mest brukte termoelektriske materialene for mediumtemperaturapplikasjoner (200-600°C), som strømproduksjon fra automobilavgasser eller industrispillvarme. PbTe har en rock-salt-struktur som består av alternerende lag av Pb2+ og Te2- ioner bundet sammen med sterke ioniske krefter. Denne strukturen resulterer i høy Seebeck-koeffisient på grunn av tunge Pb-atomer som skaper stor band-degenerasjon nær Fermi-nivået. PbTe kan legere med andre elementer som tin (Sn), tallium (Tl) eller natrium (Na) for å forbedre sin verdi av fortjenesten.

• Skutteruditer: Dette er komplekse forbindelser med den generelle formelen MX3, hvor M er et overgangsmetal (som kobolt, Co) og X er et pniktogen (som antimon, Sb).

           
   

• Skutteruditer har en kubisk struktur som består av et tredimensjonalt nettverk av M4X12-enhetene med store tomrom som kan akkommodere gjesteatomer (som sjeldne jordmetaller, RE). Gjesteatomer fungerer som fonon-sprøyttere som reduserer termisk ledningsevne, mens vertsatomer gir høy elektrisk ledningsevne og Seebeck-koeffisient. Skutteruditer er lovende termoelektriske materialer for medium- til høytemperaturapplikasjoner (300-800°C), som strømproduksjon fra varmegjenopptak eller koncentrert solkraft.

• Half-Heusler-forbindelser: Dette er ternære forbindelser med den generelle formelen XYZ, hvor X er et overgangsmetal (som titan, Ti), Y er et annet overgangsmetal (som nikkel, Ni), og Z er et hovedgruppelement (som tin, Sn).

           
   

• Half-Heusler-forbindelser har en kubisk struktur som består av fire gjennomsnittlige fcc-subgitter, et opptatt av X-atomer og de tre andre opptatt av Y og Z-atomer i et forhold på 1:2. Half-Heusler-forbindelser har høy Seebeck-koeffisient og elektrisk ledningsevne på grunn av deres komplekse elektroniske bandstrukturer og lav termisk ledningsevne på grunn av deres tunge konstituerende atomer. Half-Heusler-forbindelser er lovende termoelektriske materialer for høytemperaturapplikasjoner (over 800°C), som strømproduksjon fra kjernekraftreaktorer eller romfartsmotorer.

Hva er noen anvendelser av termoelektriske generatorer?

Termoelektriske generatorer har ulike anvendelser i forskjellige felt, avhengig av temperaturområdet, effektutgangen og tilgjengeligheten av varmekilde. Noen eksempler på anvendelser av termoelektriske generatorer er:

• Kjøleværktøy: Termoelektriske generatorer kan brukes til å kjøle elektroniske komponenter, som mikroprosessorer, lasere eller sensorer, ved å anvende en elektrisk strøm for å opprette en temperaturforskjell mellom den varme og kalde siden av modulen. Denne prosessen kalles termoelektrisk kjøling eller Peltier-effekten, som er motsatt av Seebeck-effekten. Termoelektriske kjøleværktøy har fordeler sammenlignet med konvensjonelle kjølemetoder, som kompakthet, pålitelighet, lydløshet og nøyaktig temperaturkontroll.

• Strømproduksjon fra spillet varme: Termoelektriske generatorer kan brukes til å høste spillet varme fra ulike kilder, som industriprosesser, biler, kraftverk, og selv menneskelig kroppevarme, og konvertere den til nyttig elektrisitet. Dette kan forbedre energieffektiviteten og redusere drivhusgassutslippene fra disse kildene. For eksempel kan termoelektriske generatorer integreres i utluftssystemer i biler for å gjenoppta noe av vannheten som går tapt under forbrenning og generere elektrisitet for ombord-elektronikk eller batterilading. Termoelektriske generatorer kan også monteres på menneskelig hud eller klær for å generere elektrisitet fra kroppevarme for å drive bærbare enheter eller medisinsk innplantede enheter.

• Strømproduksjon fra radioisotoper: Termoelektriske generatorer kan brukes til å forsyne fjerne enheter, som sensorer, trådløse transmittere og romfartøy, ved å bruke radioisotoper som varmekilde.

           
   

• Radioisotoper er ustabile isotoper som utsender stråling og henfaller til andre elementer. Strålingen kan konverteres til varme ved å bruke et materiale som absorberer den, som bly eller tungsten. Varmen kan deretter konverteres til elektrisitet ved hjelp av termoelektriske moduler. Radioisotop-termoelektriske generatorer (RTG-er) har fordeler sammenlignet med andre strømkilder, som batterier eller solpaneler, i form av lang levetid, høy pålitelighet