Generatory termoelektryczne: zasady działania materiały i zastosowania

Generator termoelektryczny (TEG) to urządzenie, które przekształca energię cieplną w energię elektryczną wykorzystując efekt Seebecka. Efekt Seebecka to zjawisko występujące, gdy istnieje różnica temperatur między dwoma różnymi przewodnikami lub obwodem przewodników, tworząc różnicę potencjału elektrycznego. TEG są urządzeniami półprzewodnikowymi, które nie mają poruszających się części i mogą działać cicho i niezawodnie przez długie okresy czasu. TEG można używać do odzyskiwania ciepła odpadowego z różnych źródeł, takich jak procesy przemysłowe, samochody, elektrownie, a nawet ciepło ciała ludzkiego, i przekształcania go w przydatną energię elektryczną. TEG mogą również służyć do zasilania zdalnych urządzeń, takich jak czujniki, nadajniki bezprzewodowe i statki kosmiczne, wykorzystując radioizotopy lub ciepło słoneczne jako źródło ciepła.

Jak działa generator termoelektryczny?

Generator termoelektryczny składa się z dwóch głównych komponentów: materiałów termoelektrycznych i modułów termoelektrycznych.

Materiały termoelektryczne to materiały, które wykazują efekt Seebecka, co oznacza, że generują napięcie elektryczne, gdy poddane są gradientowi temperatury. Materiały termoelektryczne można podzielić na dwa typy: typ n i typ p. Materiały typu n mają nadmiar elektronów, podczas gdy materiały typu p mają niedobór elektronów. Gdy materiał typu n i materiał typu p są połączone szeregowo za pomocą elektrod metalowych, tworzą termoparę, która jest podstawową jednostką generatora termoelektrycznego.

Moduł termoelektryczny to urządzenie zawierające wiele termopar połączonych elektrycznie szeregowo i termicznie równolegle. Moduł termoelektryczny ma dwie strony: gorącą i zimną. Gdy strona gorąca jest narażona na źródło ciepła, a strona zimna na ujście ciepła, powstaje różnica temperatur w module, powodując przepływ prądu przez obwód. Prąd może być wykorzystany do zasilania zewnętrznego obciążenia lub ładowania baterii. Napięcie i moc wyjściowa modułu termoelektrycznego zależą od liczby termopar, różnicy temperatur, współczynnika Seebecka oraz oporów elektrycznych i termicznych materiałów.

Efektywność generatora termoelektrycznego definiuje się jako stosunek mocy elektrycznej wyjściowej do ciepła wejściowego z źródła. Efektywność generatora termoelektrycznego jest ograniczona efektywnością Carnota, która jest maksymalną możliwą efektywnością dla dowolnego silnika cieplnego działającego między dwiema temperaturami. Efektywność Carnota wynosi:

ηCarnot=1−ThTc

gdzie Tc to temperatura strony zimnej, a Th to temperatura strony gorącej.

Rzeczywista efektywność generatora termoelektrycznego jest znacznie niższa od efektywności Carnota ze względu na różne straty, takie jak grzanie Joula, przewodzenie ciepła i promieniowanie termiczne. Rzeczywista efektywność generatora termoelektrycznego zależy od wskaźnika wartości (ZT) materiałów termoelektrycznych, który jest bezwymiarowym parametrem mierzącym wydajność materiału w zastosowaniach termoelektrycznych. Wskaźnik wartości wyraża się wzorem:

ZT=κα2σT

gdzie α to współczynnik Seebecka, σ to przewodność elektryczna, κ to przewodność cieplna, a T to temperatura absolutna.

Im wyższy wskaźnik wartości, tym wyższa efektywność generatora termoelektrycznego. Wskaźnik wartości zależy zarówno od właściwości wewnętrznych (takich jak transport elektronów i fononów), jak i zewnętrznych (takich jak stopień domieszkowania i geometria) materiałów. Celem badań nad materiałami termoelektrycznymi jest znalezienie lub zaprojektowanie materiałów o wysokim współczynniku Seebecka, wysokiej przewodności elektrycznej i niskiej przewodności cieplnej, co często są sprzeczne wymagania.

Jakie są niektóre powszechne materiały termoelektryczne?

Materiały termoelektryczne można podzielić na trzy kategorie: metale, półprzewodniki i złożone związki.

Metale mają wysoką przewodność elektryczną, ale niski współczynnik Seebecka i wysoką przewodność cieplną, co skutkuje niskim wskaźnikiem wartości. Metale są głównie używane jako elektrody lub połączenia w modułach termoelektrycznych.

Półprzewodniki mają umiarkowaną przewodność elektryczną i współczynnik Seebecka, ale wysoką przewodność cieplną, co skutkuje umiarkowanym wskaźnikiem wartości. Półprzewodniki można domieszczać, aby stworzyć materiały typu n lub p o różnych stężeniach nośników ładunku i mobilności. Półprzewodniki są szeroko stosowane jako materiały termoelektryczne w zastosowaniach niskotemperaturowych (poniżej 200°C).

Złożone związki mają niską przewodność elektryczną, ale wysoki współczynnik Seebecka i niską przewodność cieplną, co skutkuje wysokim wskaźnikiem wartości. Złożone związki są zwykle składane z wielu elementów o różnych stanach walencyjnych i strukturach krystalicznych, co tworzy złożone struktury pasm elektronowych i mechanizmy rozproszenia fononów, które wzmacniają wydajność termoelektryczną. Złożone związki są szeroko stosowane jako materiały termoelektryczne w zastosowaniach wysokotemperaturowych (powyżej 200°C).

Niektóre przykłady powszechnych materiałów termoelektrycznych to:

• Bismut telur (Bi2Te3) i jego stopy: Są to najbardziej rozpowszechnione materiały termoelektryczne w zastosowaniach niskotemperaturowych (poniżej 200°C), takich jak urządzenia chłodzące i generacja energii z ciepła odpadowego. Bi2Te3 ma warstwową strukturę składającą się z naprzemiennych warstw quintuple Bi2 i Te3 atomów połączonych słabymi siłami van der Waalsa. Ta struktura powoduje niską przewodność cieplną ze względu na rozproszenie fononów na granicach warstw. Bi2Te3 można domieszczać innymi elementami, takimi jak antymon (Sb), selen (Se) lub siarka (S), aby dostosować jego właściwości elektryczne i zoptymalizować wskaźnik wartości.

• Ołów telur (PbTe) i jego stopy: Są to spośród najbardziej rozpowszechnionych materiałów termoelektrycznych w zastosowaniach średnio temperaturowych (200-600°C), takich jak generacja energii z spalin samochodowych lub ciepła odpadowego z procesów przemysłowych. PbTe ma strukturę soli kamiennej składającą się z naprzemiennych warstw jonów Pb2+ i Te2- połączonych silnymi siłami jonowymi. Ta struktura powoduje wysoki współczynnik Seebecka ze względu na ciężkie atomy ołowiu, które tworzą duże degeneracje pasm w pobliżu poziomu Fermiego. PbTe można domieszczać innymi elementami, takimi jak cyna (Sn), tal (Tl) lub sód (Na), aby wzmacniać wskaźnik wartości.

• Skutterudity: To złożone związki o ogólnej formule MX3, gdzie M to metal przejściowy (taki jak kobalt, Co), a X to pniktogen (taki jak antymon, Sb).

           
   

• Skutterudity mają strukturę sześcianową składającą się z trójwymiarowej sieci jednostek M4X12 z dużymi pustkami, które mogą pomieścić atomy gościa (takie jak pierwiastki ziem rzadkich, RE). Atomy gościa działają jako rozpraszacze fononów, które zmniejszają przewodność cieplną, podczas gdy atomy gospodarza zapewniają wysoką przewodność elektryczną i współczynnik Seebecka. Skutterudity są obiecującymi materiałami termoelektrycznymi w zastosowaniach średnio- do wysokotemperaturowych (300-800°C), takich jak generacja energii z odzysku ciepła odpadowego lub skoncentrowanej energii słonecznej.

• Połówki Heuslera: To tlenki trójkomponentowe o ogólnej formule XYZ, gdzie X to metal przejściowy (taki jak tytan, Ti), Y to inny metal przejściowy (taki jak nikel, Ni), a Z to pierwiastek grupy główna (taki jak cyna, Sn).

           
   

• Połówki Heuslera mają strukturę sześcianową składającą się z czterech wzajemnie przenikających siebie podsieci fcc, jedna zajmowana przez atomy X, a trzy pozostałe przez atomy Y i Z w stosunku 1:2. Połówki Heuslera mają wysoki współczynnik Seebecka i przewodność elektryczną ze względu na ich złożone struktury pasm elektronowych i niską przewodność cieplną ze względu na ciężkie atomy składające się na nie. Połówki Heuslera są obiecującymi materiałami termoelektrycznymi w zastosowaniach wysokotemperaturowych (powyżej 800°C), takich jak generacja energii z reaktorów jądrowych lub silników lotniczych.

Jakie są niektóre zastosowania generatorów termoelektrycznych?

Generatory termoelektryczne mają różne zastosowania w różnych dziedzinach, w zależności od zakresu temperatur, mocy wyjściowej i dostępności źródła ciepła. Niektóre przykłady zastosowań generatorów termoelektrycznych to:

• Urządzenia chłodzące: Generatory termoelektryczne można wykorzystać do chłodzenia elementów elektronicznych, takich jak mikroprocesory, lasery lub czujniki, poprzez zastosowanie prądu elektrycznego, aby stworzyć różnicę temperatur między stroną gorącą i zimną modułu. Ten proces nazywany jest chłodzeniem termoelektrycznym lub efektem Peltiera, który jest odwrotnością efektu Seebecka. Urządzenia chłodzące termoelektryczne mają przewagi nad tradycyjnymi metodami chłodzenia, takie jak zwarta budowa, niezawodność, brak hałasu i precyzyjna kontrola temperatury.

• Generacja energii z ciepła odpadowego: Generatory termoelektryczne można wykorzystać do odzyskiwania ciepła odpadowego z różnych źródeł, takich jak procesy przemysłowe, samochody, elektrownie, a nawet ciepło ciała ludzkiego, i przekształcania go w przydatną energię elektryczną. Może to poprawić efektywność energetyczną i zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych tych źródeł. Na przykład, generatory termoelektryczne można zintegrować z systemami spalin samochodowych, aby odzyskać część ciepła utraconego podczas spalania i wygenerować energię elektryczną dla elektroniki pokładowej lub ładowania baterii. Generatory termoelektryczne można również zamontować na skórze lub ubraniu, aby generować energię z ciepła ciała do zasilania urządzeń noszonych lub implantów medycznych.

• Generacja energii z radioizotopów: Generatory termoelektryczne można wykorzystać do zasilania zdalnych urządzeń, takich jak czujniki, nadajniki bezprzewodowe i statki kosmiczne, wykorzystując radioizotopy jako źródło ciepła.