Termoelektrični generatori: Principi materijali i primene

Termoelektrični generator (TEG) je uređaj koji pretvara toplinsku energiju u električnu energiju koristeći Seebeck-ov efekat. Seebeck-ov efekat je fenomen koji se javlja kada postoji razlika temperature između dva različita vodiljka ili kruga vodiljaka, stvarajući električnu potencijalnu razliku. TEG-ovi su čvrstostani uređaji bez pokretnih dijelova i mogu raditi tiho i pouzdano duže vrijeme. TEG-ovi mogu se koristiti za iskorišćenje neiskorišćene topline iz različitih izvora, kao što su industrijski procesi, automobili, elektrane i čak i toplina ljudskog tijela, pretvarajući je u korisnu električnu energiju. TEG-ovi mogu se koristiti i za snabdijevanje daljinskih uređaja, poput senzora, bežičnih emitera i svemirske opreme, koristeći radioizotope ili sunčevu toplinu kao izvor topline.

Kako radi termoelektrični generator?

Termoelektrični generator sastoji se od dva glavna komponenta: termoelektričnih materijala i termoelektričnih modula.

Termoelektrični materijali su materijali koji pokazuju Seebeck-ov efekat, što znači da generišu električnu napon kada su izloženi gradijentu temperature. Termoelektrični materijali mogu se klasificirati u dva tipa: n-tip i p-tip. Materijali n-tipa imaju višak elektrona, dok materijali p-tipa imaju nedostatak elektrona. Kada je materijal n-tipa i materijal p-tipa spojeni serijalno metaličkim elektrodama, formiraju termoduplu, koja je osnovna jedinica termoelektričnog generatora.

Termoelektrični modul je uređaj koji sadrži mnogo termodupli spojenih električno serijalno i toplinsko paralelno. Termoelektrični modul ima dvije strane: vruću stranu i hladnu stranu. Kada je vruća strana izložena izvoru topline, a hladna strana izložena toplinskom prijemniku, stvara se razlika temperature na modulu, što uzrokuje tok struje kroz krug. Struja se može koristiti za snabdijevanje spoljnog opterećenja ili punjenje baterije. Naponski i snaga izlaza termoelektričnog modula zavisi od broja termodupli, razlike temperature, Seebeck-ovog koeficijenta i električnih i toplinskih otpora materijala.

Efikasnost termoelektričnog generatora definisana je kao omjer električne snage izlaza i toplinskog ulaza iz izvora. Efikasnost termoelektričnog generatora ograničena je Carnot-ovom efikasnošću, koja je maksimalna moguća efikasnost za bilo koji toplinski motor koji radi između dvije temperature. Carnot-ova efikasnost data je:

ηCarnot=1−ThTc

gdje je Tc temperatura hladne strane, a Th temperatura vruće strane.

Stvarna efikasnost termoelektričnog generatora mnogo je niža od Carnot-ove efikasnosti zbog različitih gubitaka, kao što su Joule-ovo zagrijavanje, toplinska provodljivost i toplinska radiacija. Stvarna efikasnost termoelektričnog generatora zavisi od figure zasluge (ZT) termoelektričnih materijala, koja je bezdimenzioni parametar koji mjeri performanse materijala za termoelektrične primene. Figura zasluge data je:

ZT=κα2σT

gdje je α Seebeck-ov koeficijent, σ električna provodljivost, κ toplinska provodljivost, a T apsolutna temperatura.

Što je veća figura zasluge, veća je efikasnost termoelektričnog generatora. Figura zasluge zavisi od oba intrinzička svojstva (poput transporta elektrona i fonona) i ekstrinzička svojstva (poput doziranja i geometrije) materijala. Cilj istraživanja termoelektričnih materijala jeste pronalazak ili dizajn materijala koji imaju visok Seebeck-ov koeficijent, visoku električnu provodljivost i nisku toplinsku provodljivost, što su često konfliktni zahtevi.

Koji su neki česti termoelektrični materijali?

Termoelektrični materijali mogu se klasificirati u tri kategorije: metali, poluprovodnici i kompleksni spojevi.

Metali imaju visoku električnu provodljivost, ali niski Seebeck-ov koeficijent i visoku toplinsku provodljivost, što rezultira niskom figurom zasluge. Metali se uglavnom koriste kao elektrodi ili vezive u termoelektričnim modulima.

Poluprovodnici imaju umjerenu električnu provodljivost i Seebeck-ov koeficijent, ali visoku toplinsku provodljivost, što rezultira umjerenoj figuri zasluge. Poluprovodnike se mogu dopirati kako bi se stvorili materijali n-tipa ili p-tipa sa različitim koncentracijama nosilaca i mobilnostima. Poluprovodnici se široko koriste kao termoelektrični materijali za primene na niskim temperaturama (ispod 200°C).

Kompleksni spojevi imaju nisku električnu provodljivost, ali visok Seebeck-ov koeficijent i nisku toplinsku provodljivost, što rezultira visokom figurom zasluge. Kompleksni spojevi obično su sastavljeni od više elemenata sa različitim valentnim stanjima i kristalnim strukturama, što stvara složene elektronske zonske strukture i mehanizme rasipanja fonona koji unapređuju termoelektrične performanse. Kompleksni spojevi se široko koriste kao termoelektrični materijali za primene na visokim temperaturama (iznad 200°C).

Neki primeri čestih termoelektričnih materijala su:

• Bismut tellurid (Bi2Te3) i njegove legure: Ovo su najčešći termoelektrični materijali za primene na niskim temperaturama (ispod 200°C), kao što su hlađeći uređaji i proizvodnja električne energije iz neiskorišćene topline. Bi2Te3 ima slojevitu strukturu koja sastoji se od alternirajućih pet-stranih slojeva Bi2 i Te3 atoma vezanih slabim van der Waals-ovim silama. Ova struktura rezultira niskom toplinskom provodljivošću zbog rasipanja fonona na granicama slojeva. Bi2Te3 se može legirati s drugim elementima, kao što su antimon (Sb), selenium (Se) ili sirovac (S), kako bi se optimizirala njegova figura zasluge.

• Olovni tellurid (PbTe) i njegove legure: Ovo su među najčešćim termoelektričnim materijalima za primene na srednjim temperaturama (200-600°C), kao što je proizvodnja električne energije iz automobilske izlučenosti ili industrijske neiskorišćene topline. PbTe ima strukturu soli koja sastoji se od alternirajućih slojeva Pb2+ i Te2- iona vezanih jakim jon-skim silama. Ova struktura rezultira visokim Seebeck-ovim koeficijentom zbog teških Pb atoma koji stvaraju veliku degeneraciju zone blizu Ferminove ravni. PbTe se može legirati s drugim elementima, kao što su tin (Sn), talij (Tl) ili natrijum (Na), kako bi se poboljšala njegova figura zasluge.

• Skutteruditi: Ovo su kompleksni spojevi sa opštim formulom MX3, gdje je M prelazni metal (kao što je kobalt, Co) i X pniktogen (kao što je antimon, Sb).

           
   

• Skutteruditi imaju kubnu strukturu koja sastoji se od trodimenzionalne mreže M4X12 jedinica sa velikim prazninama koje mogu smjestiti gost atomske (kao što su rijeti zemlji, RE). Gost atomske djeluju kao rasipači fonona koji smanjuju toplinsku provodljivost, dok host atomske pružaju visoku električnu provodljivost i Seebeck-ov koeficijent. Skutteruditi su obećavajući termoelektrični materijali za primene na srednjim do visokim temperaturama (300-800°C), kao što je proizvodnja električne energije iz neiskorišćene topline ili koncentrisane sunčane energije.

• Half-Heusler spojevi: Ovo su ternarni spojevi sa opštim formulom XYZ, gdje je X prelazni metal (kao što je titan, Ti), Y još jedan prelazni metal (kao što je nikl, Ni), a Z element glavne grupe (kao što je tin, Sn).

           
   

• Half-Heusler spojevi imaju kubnu strukturu koja sastoji se od četiri interpenetrirajuće fcc podmreže, jedno zauzeto X atomima, a ostala tri zauzeta Y i Z atomima u omjeru 1:2. Half-Heusler spojevi imaju visok Seebeck-ov koeficijent i električnu provodljivost zbog složenih elektronskih zonskih struktura i niske toplinske provodljivosti zbog teških sastavnih atoma. Half-Heusler spojevi su obećavajući termoelektrični materijali za primene na visokim temperaturama (iznad 800°C), kao što je proizvodnja električne energije iz nuklearnih reaktora ili aerospace motora.

Koji su neki primeni termoelektričnih generatora?

Termoelektrični generatori imaju različite primene u različitim oblastima, ovisno o temperaturnom opsegu, snazi izlaza i dostupnosti izvora topline. Neki primeri primena termoelektričnih generatora su:

• Hlađeći uređaji: Termoelektrični generatori se mogu koristiti za hlađenje elektronskih komponenti, kao što su mikroprocesori, laserski uređaji ili senzori, primjenom električne struje kako bi se stvorila razlika temperature između vruće i hladne strane modula. Ovaj proces se naziva termoelektrično hlađenje ili Peltier-ov efekt, koji je obrnuti Seebeck-ovom efektu. Uređaji za termoelektrično hlađenje imaju prednosti nad konvencionalnim metodama hlađenja, kao što su kompaktnost, pouzdanost, tiha rada i precizna kontrola temperature.

• Proizvodnja električne energije iz neiskorišćene topline: Termoelektrični generatori se mogu koristiti za iskorišćenje neiskorišćene topline iz različitih izvora, kao što su industrijski procesi, automobili, elektrane i čak i toplina ljudskog tijela, i pretvaranje je u korisnu električnu energiju. To može poboljšati energetske učinkovitosti i smanjiti emisije stakleničkih gasova ovih izvora. Na primjer, termoelektrični generatori se mogu integrirati u automobilske sisteme za izlučenost kako bi se oporavio deo topline izgubljene tokom sagorevanja i generisanje električne energije za nadogradnju elektronike ili punjenje baterija. Termoelektrični generatori se takođe mogu pričvrstiti na ljudsku kožu ili odjeću kako bi se generisala električna energija iz topline tij