Toplinsko-električni generatorji: načela materiali in uporabe

Termoelektrični generator (TEG) je naprava, ki pretvarja toplinsko energijo v električno energijo z uporabo Seebeckovega učinka. Seebeckov učinek je pojav, ki se zgodi, ko obstaja temperaturna razlika med dvema različnima prevodniki ali krmilom prevodnikov, kar ustvari električni potencialni razpon. TEG-ji so trdnofazne naprave, ki nimajo gibanj delov in lahko dolgo časa tiho in zanesljivo delujejo. TEG-je lahko uporabimo za skupanje odpadne toplote iz različnih virov, kot so industrijski postopki, avtomobili, elektrarne in celo toplina telesa ljudi, in njeno pretvorbo v uporabno električno energijo. TEG-je lahko uporabimo tudi za opskrbovanje oddaljenih naprav, kot so senzorji, brezžični prenašalniki in vesoljske ladje, s pomočjo radioizotopov ali sončne toplote kot vira toplote.

Kako deluje termoelektrični generator?

Termoelektrični generator se sestoji iz dveh glavnih komponent: termoelektričnih materialov in termoelektričnih modulov.

Termoelektrični materiali so materiali, ki kažejo Seebeckov učinek, kar pomeni, da generirajo električni napetost, ko so izpostavljeni temperaturnemu gradientu. Termoelektrične materiale lahko razdelimo na dva tipa: n-tip in p-tip. N-tip materiali imajo presežek elektronov, medtem ko p-tip materiali manjkajo elektronov. Ko je n-tip material in p-tip material povezan v zaporedje z metalnimi elektrodami, oblikujeta termokoplo, ki je osnovna enota termoelektričnega generatorja.

Termoelektrični modul je naprava, ki vsebuje mnogo termokopli, povezanih električno zaporedoma in toplinsko vzporedno. Termoelektrični modul ima dve strani: topljo stran in hladno stran. Ko je topla stran izpostavljena viru toplote in hladna stran izpostavljena hladilniku, se ustvari temperaturna razlika skozi modul, kar povzroči tok skozi krmilo. Tok se lahko uporabi za opskrbovanje zunanje optike ali nabiranje baterije. Napetost in močna izhod termoelektričnega modula odvisna je od števila termokopli, temperaturne razlike, Seebeckovega koeficienta in električne in toplinske odpornosti materialov.

Učinkovitost termoelektričnega generatorja je definirana kot razmerje med električnim močnim izhodom in toplinskim vhodom iz vira. Učinkovitost termoelektričnega generatorja je omejena z Carnotovo učinkovitostjo, ki je najvišja možna učinkovitost za katerega koli toplinski motor, ki deluje med dvema temperaturama. Carnotova učinkovitost je podana z:

ηCarnot=1−ThTc

kjer je Tc temperatura hladne strani, Th pa temperatura tople strani.

Dejanska učinkovitost termoelektričnega generatorja je veliko nižja od Carnotove učinkovitosti zaradi različnih izgub, kot so Jouleova segrevanja, toplinska prevodnost in toplinska radiacija. Dejanska učinkovitost termoelektričnega generatorja je odvisna od meritvenega parametra (ZT) termoelektričnih materialov, ki je brezrazsežen parameter, ki meri učinkovitost materiala za termoelektrične uporabe. Meritveni parameter je podan z:

ZT=κα2σT

kjer je α Seebeckov koeficient, σ električna prevodnost, κ toplinska prevodnost in T absolutna temperatura.

Večji meritveni parameter pomeni večjo učinkovitost termoelektričnega generatorja. Meritveni parameter je odvisen od oba notranjih lastnosti (kot so transport elektronov in fononov) in zunanje lastnosti (kot so raven dotiranja in geometrija) materialov. Cilj raziskovanja termoelektričnih materialov je najti ali oblikovati materiale, ki imajo visok Seebeckov koeficient, visoko električno prevodnost in nizko toplinsko prevodnost, ki so pogosto nasprotujoče zahteve.

Kateri so nekateri pogosti termoelektrični materiali?

Termoelektrične materiale lahko razdelimo na tri kategorije: metale, polprevodnike in kompleksne spojine.

Metale imajo visoko električno prevodnost, vendar nizki Seebeckov koeficient in visoko toplinsko prevodnost, kar privede do nizkega meritvenega parametra. Metale predvsem uporabljamo kot elektrode ali povezave v termoelektričnih modulih.

Polprevodniki imajo srednjo električno prevodnost in Seebeckov koeficient, vendar visoko toplinsko prevodnost, kar privede do srednje visokega meritvenega parametra. Polprevodnike lahko dotiramo, da ustvarimo n-tip ali p-tip materiale z različnimi koncentracijami nosilcev in mobilnostmi. Polprevodnike široko uporabljamo kot termoelektrične materiale za nizkotemperature (pod 200°C).

Kompleksne spojine imajo nizko električno prevodnost, vendar visoki Seebeckov koeficient in nizko toplinsko prevodnost, kar privede do visokega meritvenega parametra. Kompleksne spojine so običajno sestavljene iz več elementov z različnimi valentnimi stanji in kristalnimi strukturami, ki ustvarjajo kompleksne elektronske pasove in mehanizme za roščenje fononov, ki izboljšujejo termoelektrično učinkovitost. Kompleksne spojine široko uporabljamo kot termoelektrične materiale za visokotemperature (nad 200°C).

Nekateri primeri pogostih termoelektričnih materialov so:

• Bismut tellurid (Bi2Te3) in njegove zmese: To so najpogosteje uporabljeni termoelektrični materiali za nizkotemperature (pod 200°C), kot so hladilne naprave in proizvodnja električne energije iz odpadne toplote. Bi2Te3 ima slojevno strukturo, sestavljeno iz vrstic petkratnih slojev Bi2 in Te3 atomov povezanih s šibkimi van der Waalsovimi silami. Ta struktura privede do nizke toplinske prevodnosti zaradi roščenja fononov na mejah slojev. Bi2Te3 ga lahko zmeseš s drugimi elementi, kot so antimon (Sb), selen (Se) ali živek (S), da prilagodiš njegove električne lastnosti in optimiziraš meritveni parameter.

• Olovni tellurid (PbTe) in njegove zmese: To so med najpogosteje uporabljenimi termoelektričnimi materiali za srednje temperature (200-600°C), kot so proizvodnja električne energije iz avtomobilskega izpuha ali industrijske odpadne toplote. PbTe ima strukturo soli, sestavljeno iz vrstic Pb2+ in Te2- ionov, povezanih z močnimi jonosnimi silami. Ta struktura privede do visokega Seebeckovega koeficienta zaradi težkih Pb atomov, ki ustvarjajo veliko degeneracijo pasov blizu Fermijeve ravni. PbTe ga lahko zmeseš s drugimi elementi, kot so kalaj (Sn), talij (Tl) ali natrij (Na), da izboljšaš meritveni parameter.

• Skutteruditi: To so kompleksne spojine z splošno formulo MX3, kjer je M prehodni kovin (kot je kobalt, Co) in X pniktogen (kot je antimon, Sb).

           
   

• Skutteruditi imajo kubično strukturo, sestavljeno iz trehdimenzionalne mreže M4X12 enot z velikimi luknjami, ki lahko sprejemajo gostunske atome (kot so redki zemeljski elementi, RE). Gostunske atome delujejo kot roščevalci fononov, ki zmanjšujejo toplinsko prevodnost, medtem ko gostiteljski atomi zagotavljajo visoko električno prevodnost in Seebeckov koeficient. Skutteruditi so obetavni termoelektrični materiali za srednje do visoke temperature (300-800°C), kot so proizvodnja električne energije iz odpadne toplote ali koncentrirane sončne energije.

• Half-Heuslerjeve spojine: To so ternarne spojine z splošno formulo XYZ, kjer je X prehodni kovin (kot je titan, Ti), Y drug prehodni kovin (kot je nikl, Ni) in Z element glavne skupine (kot je kalaj, Sn).

           
   

• Half-Heuslerjeve spojine imajo kubično strukturo, sestavljeno iz štirih prepletanih fcc podmrež, ena zasedena z X atomi, ostale tri z Y in Z atomi v razmerju 1:2. Half-Heuslerjeve spojine imajo visok Seebeckov koeficient in električno prevodnost zaradi svojih kompleksnih elektronskih pasov in nizko toplinsko prevodnost zaradi težkih sestavnih atomov. Half-Heuslerjeve spojine so obetavni termoelektrični materiali za visoke temperature (nad 800°C), kot so proizvodnja električne energije iz jedrske reaktorjev ali vesoljskih motorjev.

Kateri so nekateri uporabni primeri termoelektričnih generatorjev?

Termoelektrični generatorji imajo različne uporabe v različnih področjih, odvisno od temperaturnega obsega, močnega izhoda in dostopnosti vira toplote. Nekateri primeri uporab termoelektričnih generatorjev so:

• Hladilne naprave: Termoelektrične generatorje lahko uporabimo za hladilne elektronske komponente, kot so mikroprocesorji, laserji ali senzorji, tako, da uporabimo električni tok za ustvarjanje temperaturne razlike med toplim in hladnim delom modula. Ta postopek se imenuje termoelektrično hladilje ali Peltierjev učinek, ki je obratni Seebeckovemu učinku. Termoelektrične hladilne naprave imajo prednosti pred konvencionalnimi hladilnimi metodami, kot so kompaktnost, zanesljivost, brezšumost in natančno nadzorovanje temperature.

• Proizvodnja električne energije iz odpadne toplote: Termoelektrične generatorje lahko uporabimo za skupanje odpadne toplote iz različnih virov, kot so industrijski postopki, avtomobili, elektrarne in celo toplina telesa ljudi, in njeno pretvorbo v uporabno električno energijo. To lahko izboljša energetsko učinkovitost in zmanjša emisije toplogrednih plinov teh virov. Na primer, termoelektrične generatorje lahko integriramo v avtomobilske izpuhne sisteme, da prevedemo nekaj toplote, izgubljene med gorivom, in generiramo električno energijo za zaboardne elektronike ali nabiranje baterij. Termoelektrične generatorje lahko tudi pripevite na kožo ali