Termoelektriska generatorer: Principer material och tillämpningar

En termoelektrisk generator (TEG) är en enhet som omvandlar värmeenergi till elektrisk energi med hjälp av Seebeck-effekten. Seebeck-effekten inträffar när det finns en temperatur skillnad mellan två olika ledare eller en krets av ledare, vilket skapar en elektrisk spännings skillnad. TEG är fasttillstånds-enheter som saknar rörliga delar och kan fungera tyst och pålitligt under långa perioder. TEG kan användas för att hämta spillvärme från olika källor, såsom industriella processer, bilar, kraftverk och även människokroppens värme, och omvandla den till användbar elektricitet. TEG kan också användas för att driva fjärranordningar, såsom sensorer, trådlösa sändare och rymdfarkoster, genom att använda radioisotoper eller solvärme som värme källa.

Hur fungerar en termoelektrisk generator?

En termoelektrisk generator består av två huvudkomponenter: termoelektriska material och termoelektriska moduler.

Termoelektriska material är material som visar Seebeck-effekten, vilket innebär att de genererar en elektrisk spänning när de utsätts för en temperaturgradient. Termoelektriska material kan indelas i två typer: n-typ och p-typ. N-typ-material har ett överskott av elektroner, medan p-typ-material har ett underskott av elektroner. När ett n-typ-material och ett p-typ-material ansluts i serie med metall elektroder, bildar de en termopar, vilket är den grundläggande enheten i en termoelektrisk generator.

En termoelektrisk modul är en enhet som innehåller många termoparer som är anslutna elektriskt i serie och termiskt parallellt. En termoelektrisk modul har två sidor: en varm sida och en kall sida. När den varma sidan exponeras för en värmekälla och den kalla sidan exponeras för en värmeavledare, skapas en temperatur skillnad över modulen, vilket orsakar att en ström flyter genom kretsen. Strömmen kan användas för att driva en extern belastning eller ladda en batteri. Spänningen och effekten från en termoelektrisk modul beror på antalet termoparer, temperatur skillnaden, Seebeck-koefficienten och de elektriska och termiska motstånden hos materialen.

Effektiviteten för en termoelektrisk generator definieras som förhållandet mellan den elektriska effekten ut och den värme energin in från källan. Effektiviteten för en termoelektrisk generator begränsas av Carnots effektivitet, vilket är den maximala möjliga effektiviteten för någon värme motor som opererar mellan två temperaturer. Carnots effektivitet ges av:

ηCarnot=1−ThTc

där Tc är temperaturen på den kalla sidan, och Th är temperaturen på den varma sidan.

Den faktiska effektiviteten för en termoelektrisk generator är mycket lägre än Carnots effektivitet på grund av olika förluster såsom Joules uppvärmning, termisk konduktion och termisk strålning. Den faktiska effektiviteten för en termoelektrisk generator beror på meritfiguren (ZT) för termoelektriska material, vilket är en dimensionslös parameter som mäter materialets prestanda för termoelektriska tillämpningar. Meritfiguren ges av:

ZT=κα2σT

där α är Seebeck-koefficienten, σ är den elektriska ledningsförmågan, κ är den termiska ledningsförmågan, och T är den absoluta temperaturen.

Ju högre meritfigur, desto högre effektivitet för termoelektriska generatoren. Meritfiguren beror på både inre egenskaper (som elektron- och fonontransport) och yttre egenskaper (som dopnings nivå och geometri) hos materialen. Målet med forskningen om termoelektriska material är att hitta eller designa material som har en hög Seebeck-koefficient, hög elektrisk ledningsförmåga och låg termisk ledningsförmåga, vilka ofta är motsättande krav.

Vilka är några vanliga termoelektriska material?

Termoelektriska material kan indelas i tre kategorier: metaller, halvledare och komplexa föreningar.

Metaller har hög elektrisk ledningsförmåga men låg Seebeck-koefficient och hög termisk ledningsförmåga, vilket resulterar i en låg meritfigur. Metaller används främst som elektroder eller kopplingar i termoelektriska moduler.

Halvledare har måttlig elektrisk ledningsförmåga och Seebeck-koefficient men hög termisk ledningsförmåga, vilket resulterar i en måttlig meritfigur. Halvledare kan dopas för att skapa n-typ eller p-typ material med olika bärarkoncentrationer och mobilitet. Halvledare används flitigt som termoelektriska material för lågtemperaturtillämpningar (under 200°C).

Komplexa föreningar har låg elektrisk ledningsförmåga men en hög Seebeck-koefficient och låg termisk ledningsförmåga, vilket resulterar i en hög meritfigur. Komplexa föreningar består ofta av flera element med olika valens tillstånd och kristallstrukturer, vilket skapar komplexa elektronbandstrukturer och fononspridningsmekanismer som förbättrar termoelektrisk prestanda. Komplexa föreningar används flitigt som termoelektriska material för högtemperaturtillämpningar (över 200°C).

Några exempel på vanliga termoelektriska material är:

• Bismut tellurid (Bi2Te3) och dess legeringar: Dessa är de mest använda termoelektriska materialen för lågtemperaturtillämpningar (under 200°C), såsom kylenheter och elproduktion från spillvärme källor. Bi2Te3 har en lagerstruktur som består av alternerande kvintuple lager av Bi2 och Te3 atomer fastlagda av svaga van der Waals krafter. Denna struktur resulterar i låg termisk ledningsförmåga på grund av fononspridning vid lagergränser. Bi2Te3 kan legieras med andra element såsom antimon (Sb), selenium (Se) eller svavel (S) för att justera dess elektriska egenskaper och optimera dess meritfigur.

• Blytellurid (PbTe) och dess legeringar: Dessa är bland de mest använda termoelektriska materialen för medeltemperaturtillämpningar (200-600°C), såsom elproduktion från fordonsexhaust eller industriell spillvärme. PbTe har en rocksaltstruktur som består av alternerande lager av Pb2+ och Te2- ioner fastlagda av starka joniska krafter. Denna struktur resulterar i en hög Seebeck-koefficient på grund av tunga Pb-atomer som skapar stor banddegenerering nära Fermi-nivån. PbTe kan legieras med andra element såsom tin (Sn), tallium (Tl) eller natrium (Na) för att förbättra dess meritfigur.

• Skutteruditer: Dessa är komplexa föreningar med den generella formeln MX3, där M är en övergångsmetal (som kobolt, Co) och X är en pniktogen (som antimon, Sb).

           
   

• Skutteruditer har en kubisk struktur som består av ett tredimensionellt nätverk av M4X12-enheter med stora tomrum som kan inhysa gästatomer (som jordslipade element, RE). Gäsatomen fungerar som fononspridare som minskar den termiska ledningsförmågan, medan värdatomen ger hög elektrisk ledningsförmåga och Seebeck-koefficient. Skutteruditer är lovande termoelektriska material för medel- till högtemperaturtillämpningar (300-800°C), såsom elproduktion från spillvärmeåtervinning eller koncentrerad solenergi.

• Half-Heusler-föreningar: Dessa är ternära föreningar med den generella formeln XYZ, där X är en övergångsmetal (som titan, Ti), Y är en annan övergångsmetal (som nickel, Ni) och Z är ett huvudgruppselement (som tin, Sn).

           
   

• Half-Heusler-föreningar har en kubisk struktur som består av fyra genomsyrade fcc-undernät, ett befolkat av X-atomer och de tre andra befolkat av Y- och Z-atomer i ett 1:2-förhållande. Half-Heusler-föreningar har hög Seebeck-koefficient och elektrisk ledningsförmåga på grund av deras komplexa elektronbandstrukturer och låg termisk ledningsförmåga på grund av deras tunga konstituents atomer. Half-Heusler-föreningar är lovande termoelektriska material för högtemperaturtillämpningar (över 800°C), såsom elproduktion från kärnkraftverk eller rymdmotorer.

Vilka är några tillämpningar för termoelektriska generatorer?

Termoelektriska generatorer har olika tillämpningar inom olika områden, beroende på temperaturintervallet, effekten och tillgängligheten av värme källor. Några exempel på tillämpningar för termoelektriska generatorer är:

• Kylenheter: Termoelektriska generatorer kan användas för att kyla elektroniska komponenter, såsom mikroprocessorer, laser eller sensorer, genom att applicera en elektrisk ström för att skapa en temperatur skillnad mellan den varma och kalla sidan av modulen. Detta process kallas termoelektrisk kylning eller Peltier-effekten, vilket är det omvända av Seebeck-effekten. Termoelektriska kylenheter har fördelar jämfört med konventionella kylningsmetoder, såsom kompakthet, pålitlighet, ljudlöshet och noggrann temperaturkontroll.

• Elproduktion från spillvärme: Termoelektriska generatorer kan användas för att hämta spillvärme från olika källor, såsom industriella processer, fordon, kraftverk och även människokroppens värme, och omvandla den till användbar elektricitet. Detta kan förbättra energieffektiviteten och minska växthusgasutsläppen från dessa källor. Till exempel kan termoelektriska generatorer integreras i fordonsexhaustsystem för att återvinna en del av värmen som går förlorad under förbränning och generera elektricitet för ombordssystem eller batteriladdning. Termoelektriska generatorer kan också monteras på människohud eller kläder för att generera elektricitet från kroppsvärme för att driva bärbara enheter eller medicinska implantat.

• Elproduktion från radioisotoper: Termoelektriska generatorer kan användas för att driva fjärranordningar, såsom sensorer, trådlösa sändare och rymdfarkoster, genom att använda radioisotoper som värme källa.

           
   

• Radioisotoper är instabila isotoper som emitterar strålning och sönderfaller till andra ämnen. Strålningen kan omvandlas till värme genom att använda ett material som absorberar den, som bly eller wolfram. Värmen kan sedan omvandlas till elektricitet genom att använda termoelektriska moduler. Radioisotop termoelektriska generatorer (RTG) har fördelar jämfört med andra energikällor, såsom batterier eller solpaneler, i termer av lång livslängd