Mga Thermoelectric Generators: Mga Prinsipyo Materiales at mga Aplikasyon

Ang thermoelectric generator (TEG) ay isang aparato na nagkokonbert ng enerhiyang paninita sa elektrikong enerhiya gamit ang Seebeck effect. Ang Seebeck effect ay isang phenomenon na nangyayari kapag may pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng dalawang iba't ibang conductor o circuit ng mga conductor, na naglilikha ng electric potential difference. Ang mga TEG ay solid-state devices na walang moving parts at maaaring mag-operate nang tahimik at maasahan para sa mahabang panahon. Maaaring gamitin ang mga TEG upang iharvest ang waste heat mula sa iba't ibang pinagmulan, tulad ng industrial processes, automobiles, power plants, at kahit pa ang init ng katawan ng tao, at ikonberto ito sa makabuluhang kuryente. Maaari ring gamitin ang mga TEG upang pumatak ng malalayong mga aparato, tulad ng mga sensor, wireless transmitters, at spacecraft, gamit ang radioisotopes o solar heat bilang pinagmulan ng init.

Paano Gumagana ang Thermoelectric Generator?

Ang thermoelectric generator ay binubuo ng dalawang pangunahing komponente: thermoelectric materials at thermoelectric modules.

Ang mga thermoelectric materials ay mga materyales na nagpapakita ng Seebeck effect, na nangangahulugang nagbibigay sila ng electric voltage kapag inilapat ang temperature gradient. Maaaring ikategorya ang mga thermoelectric materials sa dalawang uri: n-type at p-type. Ang mga n-type materials ay may excess ng electrons, samantalang ang mga p-type materials ay may kakulangan ng electrons. Kapag konektado ang isang n-type material at isang p-type material sa serye gamit ang metal electrodes, nabubuo ang isang thermocouple, na ang basic unit ng isang thermoelectric generator.

Ang isang thermoelectric module ay isang aparato na may maraming thermocouples na konektado electrically sa serye at thermally sa parallel. Mayroon ang isang thermoelectric module ng dalawang gilid: ang mainit na gilid at ang malamig na gilid. Kapag inilapat ang mainit na gilid sa isang pinagmulan ng init at inilapat ang malamig na gilid sa isang heat sink, nabubuo ang isang temperature difference sa pamamagitan ng module, na nagdudulot ng pag-flow ng current sa circuit. Maaaring gamitin ang current upang pumatak ng external load o i-charge ang battery. Ang voltage at power output ng isang thermoelectric module ay depende sa bilang ng mga thermocouples, ang temperature difference, ang Seebeck coefficient, at ang electrical at thermal resistances ng mga materyales.

Ang efficiency ng isang thermoelectric generator ay inilalarawan bilang ang ratio ng electrical power output sa heat input mula sa source. Ang efficiency ng isang thermoelectric generator ay limitado ng Carnot efficiency, na ang maximum possible efficiency para sa anumang heat engine na nag-ooperate sa pagitan ng dalawang temperatura. Ang Carnot efficiency ay ibinibigay ng:

ηCarnot=1−ThTc

kung saan ang Tc ay ang temperatura ng malamig na gilid, at Th ay ang temperatura ng mainit na gilid.

Ang aktwal na efficiency ng isang thermoelectric generator ay mas mababa kaysa sa Carnot efficiency dahil sa iba't ibang losses tulad ng Joule heating, thermal conduction, at thermal radiation. Ang aktwal na efficiency ng isang thermoelectric generator ay depende sa figure of merit (ZT) ng mga thermoelectric materials, na isang dimensionless parameter na sumusukat sa performance ng isang materyal para sa thermoelectric applications. Ang figure of merit ay ibinibigay ng:

ZT=κα2σT

kung saan ang α ay ang Seebeck coefficient, σ ang electrical conductivity, κ ang thermal conductivity, at T ang absolute temperature.

Ang mas mataas na figure of merit, mas mataas ang efficiency ng thermoelectric generator. Ang figure of merit ay depende sa parehong intrinsic properties (tulad ng electron at phonon transport) at extrinsic properties (tulad ng doping level at geometry) ng mga materyales. Ang layunin ng research sa thermoelectric materials ay hanapin o disenyo ng mga materyales na may mataas na Seebeck coefficient, mataas na electrical conductivity, at mababang thermal conductivity, na madalas kontra-karaniwang requirements.

Ano ang Ilang Karaniwang Thermoelectric Materials?

Maaaring ikategorya ang mga thermoelectric materials sa tatlong kategorya: metals, semiconductors, at complex compounds.

Ang mga metals ay may mataas na electrical conductivity ngunit mababang Seebeck coefficient at mataas na thermal conductivity, na nagreresulta sa mababang figure of merit. Ginagamit ang mga metals bilang electrodes o interconnects sa thermoelectric modules.

Ang mga semiconductors ay may moderate na electrical conductivity at Seebeck coefficient ngunit mataas na thermal conductivity, na nagreresulta sa moderate na figure of merit. Maaaring doped ang mga semiconductors upang lumikha ng n-type o p-type materials na may iba't ibang carrier concentrations at mobilities. Malawakang ginagamit ang mga semiconductors bilang thermoelectric materials para sa low-temperature applications (below 200°C).

Ang mga complex compounds ay may mababang electrical conductivity ngunit mataas na Seebeck coefficient at mababang thermal conductivity, na nagreresulta sa mataas na figure of merit. Kadalasang binubuo ang mga complex compounds ng maraming elements na may iba't ibang valence states at crystal structures, na naglilikha ng complex electronic band structures at phonon scattering mechanisms na nagpapataas ng thermoelectric performance. Malawakang ginagamit ang mga complex compounds bilang thermoelectric materials para sa high-temperature applications (above 200°C).

Ilang halimbawa ng karaniwang thermoelectric materials ay:

• Bismuth telluride (Bi2Te3) at ang mga alloys nito: Ito ang pinakakaraniwang ginagamit na thermoelectric materials para sa low-temperature applications (below 200°C), tulad ng cooling devices at power generation mula sa waste heat sources. Ang Bi2Te3 ay may layered structure na binubuo ng alternating quintuple layers ng Bi2 at Te3 atoms na nakabond sa pamamagitan ng weak van der Waals forces. Nagreresulta ito sa mababang thermal conductivity dahil sa phonon scattering sa layer boundaries. Maaaring alloyed ang Bi2Te3 sa iba pang elements tulad ng antimony (Sb), selenium (Se), o sulfur (S) upang ayusin ang electrical properties at optimize ang figure of merit nito.

• Lead telluride (PbTe) at ang mga alloys nito: Ito ang isa sa pinakakaraniwang ginagamit na thermoelectric materials para sa medium-temperature applications (200-600°C), tulad ng power generation mula sa automotive exhaust o industrial waste heat sources. Ang PbTe ay may rock-salt structure na binubuo ng alternating layers ng Pb2+ at Te2- ions na nakabond sa pamamagitan ng strong ionic forces. Nagreresulta ito sa mataas na Seebeck coefficient dahil sa heavy Pb atoms na naglilikha ng large band degeneracy near the Fermi level. Maaaring alloyed ang PbTe sa iba pang elements tulad ng tin (Sn), thallium (Tl), o sodium (Na) upang palakihin ang figure of merit nito.

• Skutterudites: Ito ay mga complex compounds na may general formula MX3, kung saan ang M ay isang transition metal (tulad ng cobalt, Co) at X ay isang pnictogen (tulad ng antimony, Sb).

           
   

• Ang mga skutterudites ay may cubic structure na binubuo ng three-dimensional network ng M4X12 units na may malalaking voids na maaaring accommodate guest atoms (tulad ng rare earth elements, RE). Ang mga guest atoms ay gumagana bilang phonon scatterers na nagbabawas ng thermal conductivity, habang ang host atoms ay nagbibigay ng mataas na electrical conductivity at Seebeck coefficient. Mga promising thermoelectric materials ang mga skutterudites para sa medium- to high-temperature applications (300-800°C), tulad ng power generation mula sa waste heat recovery o concentrated solar power.

• Half-Heusler compounds: Ito ay ternary compounds na may general formula XYZ, kung saan ang X ay isang transition metal (tulad ng titanium, Ti), Y ay isa pang transition metal (tulad ng nickel, Ni), at Z ay isang main group element (tulad ng tin, Sn).

           
   

• Ang mga half-Heusler compounds ay may cubic structure na binubuo ng apat na interpenetrating fcc sublattices, isa na occupied ng X atoms at ang iba pang tatlo na occupied ng Y at Z atoms sa 1:2 ratio. Ang mga half-Heusler compounds ay may mataas na Seebeck coefficient at electrical conductivity dahil sa kanilang complex electronic band structures at mababang thermal conductivity dahil sa kanilang heavy constituent atoms. Mga promising thermoelectric materials ang mga half-Heusler compounds para sa high-temperature applications (above 800°C), tulad ng power generation mula sa nuclear reactors o aerospace engines.

Ano ang Ilang Application ng Thermoelectric Generators?

May iba't ibang application ang mga thermoelectric generators sa iba't ibang field, depende sa temperature range, power output, at heat source availability. Ilang halimbawa ng application ng thermoelectric generator ay:

• Cooling devices: Maaaring gamitin ang mga thermoelectric generators upang palamigin ang mga electronic components, tulad ng microprocessors, lasers, o sensors, sa pamamagitan ng pag-apply ng electric current upang lumikha ng temperature difference sa pagitan ng mainit at malamig na gilid ng module. Ang prosesong ito ay tinatawag na thermoelectric cooling o Peltier effect, na ang reverse ng Seebeck effect. Ang mga thermoelectric cooling devices ay may mga advantage sa higit sa conventional cooling methods, tulad ng compactness, reliability, noiselessness, at precise temperature control.

• Power generation mula sa waste heat: Maaaring gamitin ang mga thermoelectric generators upang iharvest ang waste heat mula sa iba't ibang pinagmulan, tulad ng industrial processes, automobiles, power plants, at kahit pa ang init ng katawan ng tao, at ikonberto ito sa useful electricity. Ito ay maaaring mapabuti ang energy efficiency at bawasan ang greenhouse gas emissions ng mga pinagmulan. Halimbawa, maaaring integrado ang mga thermoelectric generators sa automotive exhaust systems upang makuha ang ilang bahagi ng init na nawala sa combustion at bumuo ng kuryente para sa onboard electronics o battery charging. Maaari rin ang mga thermoelectric generators na i-attach sa balat o damit ng tao upang bumuo ng kuryente mula sa init ng katawan para sa powering ng wearable devices o medical implants.

• Power generation mula sa radioisotopes: Maaaring gamitin ang mga thermoelectric generators upang pumatak ng malalayong mga aparato, tulad ng mga sensor, wireless transmitters, at spacecraft, sa pamamagitan ng paggamit ng radioisotopes bilang pinagmulan ng init.

           
   

• Ang mga radioisotopes ay unstable isotopes na nagsisilbing radiation at nagdaraos sa ibang elements. Ang radiation ay maaaring ikonberto sa init sa pamamagitan ng paggamit ng materyal na nagsosorb nito, tulad ng lead o tungsten. Ang init ay maaaring ikonberto sa kuryente sa pamamagitan ng paggamit ng thermoelectric modules. Ang mga radioisotope thermoelectric generators (RTGs) ay may mga advantage sa higit sa iba pang power sources, tulad ng batteries o solar panels, sa termino ng long lifetime, high reliability, at independence mula sa environmental conditions. Ginamit ang mga RTGs upang pumatak ng maraming space missions, tulad ng Voyager 1 at 2, Curiosity rover, at Perseverance rover.

Ano ang Ilang Challenges at Future Directions para sa Thermoelectric Generators?