Термоэлектрические генераторы: принципы работы материалы и применение

Термоэлектрический генератор (ТЕГ) - это устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую с использованием эффекта Зеебека. Эффект Зеебека - это явление, возникающее, когда между двумя различными проводниками или цепью проводников существует разность температур, что создает электрический потенциал. ТЕГи - это твердотельные устройства, не имеющие движущихся частей, и могут работать бесшумно и надежно длительное время. ТЕГи могут использоваться для сбора отходящего тепла из различных источников, таких как промышленные процессы, автомобили, электростанции и даже тепло человеческого тела, и преобразования его в полезную электроэнергию. ТЕГи также могут использоваться для питания удаленных устройств, таких как датчики, беспроводные передатчики и космические аппараты, используя радиоизотопы или солнечное тепло в качестве источника тепла.

Как работает термоэлектрический генератор?

Термоэлектрический генератор состоит из двух основных компонентов: термоэлектрических материалов и термоэлектрических модулей.

Термоэлектрические материалы - это материалы, которые демонстрируют эффект Зеебека, то есть они генерируют электрическое напряжение при воздействии температурного градиента. Термоэлектрические материалы можно разделить на два типа: n-типа и p-типа. Материалы n-типа имеют избыток электронов, а материалы p-типа имеют недостаток электронов. Когда материал n-типа и материал p-типа соединены последовательно металлическими электродами, они образуют термопару, которая является основной единицей термоэлектрического генератора.

Термоэлектрический модуль - это устройство, содержащее множество термопар, соединенных электрически последовательно и термически параллельно. Термоэлектрический модуль имеет две стороны: горячую и холодную. Когда горячая сторона подвергается воздействию источника тепла, а холодная сторона подвергается воздействию теплового приемника, создается разница температур по модулю, вызывая течение тока через цепь. Этот ток можно использовать для питания внешней нагрузки или зарядки аккумулятора. Напряжение и выходная мощность термоэлектрического модуля зависят от числа термопар, разности температур, коэффициента Зеебека и электрического и теплового сопротивления материалов.

Эффективность термоэлектрического генератора определяется как отношение выходной электрической мощности к тепловому входу от источника. Эффективность термоэлектрического генератора ограничена эффективностью Карно, которая является максимальной возможной эффективностью для любого теплового двигателя, работающего между двумя температурами. Эффективность Карно определяется следующим образом:

ηCarnot=1−ThTc

где Tc - температура холодной стороны, а Th - температура горячей стороны.

Фактическая эффективность термоэлектрического генератора значительно ниже эффективности Карно из-за различных потерь, таких как нагревание Джоуля, теплопроводность и тепловое излучение. Фактическая эффективность термоэлектрического генератора зависит от показателя качества (ZT) термоэлектрических материалов, который является безразмерным параметром, измеряющим производительность материала для термоэлектрических применений. Показатель качества определяется следующим образом:

ZT=κα2σT

где α - коэффициент Зеебека, σ - электропроводность, κ - теплопроводность, а T - абсолютная температура.

Чем выше показатель качества, тем выше эффективность термоэлектрического генератора. Показатель качества зависит как от внутренних свойств (таких как перенос электронов и фононов), так и от внешних свойств (таких как уровень легирования и геометрия) материалов. Цель исследований термоэлектрических материалов - найти или разработать материалы, обладающие высоким коэффициентом Зеебека, высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что часто являются противоречивыми требованиями.

Какие материалы наиболее часто используются в термоэлектрике?

Термоэлектрические материалы можно разделить на три категории: металлы, полупроводники и сложные соединения.

Металлы имеют высокую электропроводность, но низкий коэффициент Зеебека и высокую теплопроводность, что приводит к низкому показателю качества. Металлы в основном используются в качестве электродов или межсоединений в термоэлектрических модулях.

Полупроводники имеют умеренную электропроводность и коэффициент Зеебека, но высокую теплопроводность, что приводит к умеренному показателю качества. Полупроводники можно легировать, чтобы создать материалы n-типа или p-типа с различными концентрациями и подвижностью носителей. Полупроводники широко используются в качестве термоэлектрических материалов для низкотемпературных применений (ниже 200°C).

Сложные соединения имеют низкую электропроводность, но высокий коэффициент Зеебека и низкую теплопроводность, что приводит к высокому показателю качества. Сложные соединения обычно состоят из нескольких элементов с разными валентными состояниями и кристаллическими структурами, которые создают сложные электронные зонные структуры и механизмы рассеяния фононов, повышающие термоэлектрическую производительность. Сложные соединения широко используются в качестве термоэлектрических материалов для высокотемпературных применений (выше 200°C).

Некоторые примеры распространенных термоэлектрических материалов:

• Бисмуттеллурид (Bi2Te3) и его сплавы: Это самые широко используемые термоэлектрические материалы для низкотемпературных применений (ниже 200°C), таких как охлаждающие устройства и выработка электроэнергии из отходящего тепла. Bi2Te3 имеет слоистую структуру, состоящую из чередующихся пятикратных слоев Bi2 и Te3 атомов, связанных слабыми силами ван дер Ваальса. Такая структура приводит к низкой теплопроводности из-за рассеяния фононов на границах слоев. Bi2Te3 можно сплавить с другими элементами, такими как сурьма (Sb), селен (Se) или сера (S), чтобы настроить его электрические свойства и оптимизировать его показатель качества.

• Свинецтеллурид (PbTe) и его сплавы: Эти материалы среди самых широко используемых для среднетемпературных применений (200-600°C), таких как выработка электроэнергии из автомобильных выхлопов или промышленного отходящего тепла. PbTe имеет структуру рок-соль, состоящую из чередующихся слоев ионов Pb2+ и Te2-, связанных сильными ионными связями. Такая структура приводит к высокому коэффициенту Зеебека из-за тяжелых атомов свинца, создающих большую вырожденность зон близко к уровню Ферми. PbTe можно сплавить с другими элементами, такими как олово (Sn), таллий (Tl) или натрий (Na), чтобы повысить его показатель качества.

• Скадтерудиты: Это сложные соединения с общей формулой MX3, где M - переходный металл (например, кобальт, Co), а X - пниктоген (например, сурьма, Sb).

           
   

• Скадтерудиты имеют кубическую структуру, состоящую из трехмерной сети M4X12 единиц с большими пустотами, которые могут вместить гостевые атомы (например, редкоземельные элементы, RE). Гостевые атомы действуют как рассеиватели фононов, снижая теплопроводность, в то время как атомы-носители обеспечивают высокую электропроводность и коэффициент Зеебека. Скадтерудиты являются перспективными термоэлектрическими материалами для среднетемпературных и высокотемпературных применений (300-800°C), таких как выработка электроэнергии из отходящего тепла или концентрированной солнечной энергии.

• Полувуслеровские соединения: Это тройные соединения с общей формулой XYZ, где X - переходный металл (например, титан, Ti), Y - другой переходный металл (например, никель, Ni), а Z - элемент главной группы (например, олово, Sn).

           
   

• Полувуслеровские соединения имеют кубическую структуру, состоящую из четырех взаимопроникающих fcc подрешеток, одна из которых занята атомами X, а три другие - атомами Y и Z в соотношении 1:2. Полувуслеровские соединения имеют высокий коэффициент Зеебека и электропроводность из-за их сложных электронных зонных структур и низкую теплопроводность из-за тяжелых составляющих атомов. Полувуслеровские соединения являются перспективными термоэлектрическими материалами для высокотемпературных применений (выше 800°C), таких как выработка электроэнергии из ядерных реакторов или авиационных двигателей.

Какие применения имеют термоэлектрические генераторы?

Термоэлектрические генераторы имеют различные применения в разных областях, в зависимости от диапазона температур, выходной мощности и доступности источника тепла. Некоторые примеры применения термоэлектрических генераторов:

• Охлаждающие устройства: Термоэлектрические генераторы можно использовать для охлаждения электронных компонентов, таких как микропроцессоры, лазеры или датчики, применяя электрический ток, чтобы создать разницу температур между горячей и холодной сторонами модуля. Этот процесс называется термоэлектрическим охлаждением или эффектом Пельтье, который является обратным эффекту Зеебека. Устройства термоэлектрического охлаждения имеют преимущества перед традиционными методами охлаждения, такие как компактность, надежность, бесшумность и точное управление температурой.

• Выработка электроэнергии из отходящего тепла: Термоэлектрические генераторы можно использовать для сбора отходящего тепла из различных источников, таких как промышленные процессы, автомобили, электростанции и даже тепло человеческого тела, и преобразования его в полезную электроэнергию. Это может улучшить энергоэффективность и снизить выбросы парниковых газов этих источников. Например, термоэлектрические генераторы можно интегрировать в системы выхлопа автомобилей, чтобы восстановить часть тепла, потерянного во время сгорания, и вырабатывать электроэнергию для бортовой электроники или зарядки аккумуляторов. Термоэлектрические генераторы также можно прикрепить к коже человека или одежде, чтобы вырабатывать электроэнергию из тепла тела для питания носимых устройств или медицинских имплантатов.

• Выработка электроэнергии из радиоизотопов: Термоэлектрические генераторы можно использовать для питания удаленных устройств, таких как датчики, беспроводные передатчики и космические аппараты, используя радиоизотопы в качестве источника тепла.