Termoelektrik Jeneratörler: İlkeler Malzemeler ve Uygulamalar

Termoelektrik bir jeneratör (TEG), Seebeck etkisi kullanarak ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Seebeck etkisi, iki farklı iletken veya iletken devresi arasında sıcaklık farkı olduğunda, elektriksel potansiyel farkı oluşturur. TEG'ler hareketli parçalı olmayan katı hal cihazlardır ve uzun süre sessiz ve güvenilir olarak çalışabilirler. TEG'ler, endüstriyel süreçler, otomobiller, enerji santralleri ve hatta insan vücut ısısı gibi çeşitli kaynaklardan atık ısıyı toplayıp, bunu faydalı elektrik enerjisine dönüştürebilir. Ayrıca, sensörler, kablosuz verici üniteler ve uzay araçları gibi uzak cihazlara radyoizotoplar veya güneş ısısı gibi ısı kaynağı kullanılarak güç sağlayabilirler.

Termoelektrik Jeneratör Nasıl Çalışır?

Bir termoelektrik jeneratör, iki ana bileşenden oluşur: termoelektrik malzemeler ve termoelektrik modüller.

Termoelektrik malzemeler, Seebeck etkisini gösteren malzemelerdir, yani sıcaklık gradyanına maruz kalınca elektrik gerilimi üretirler. Termoelektrik malzemeler, n-tipi ve p-tipi olmak üzere ikiye ayrılabilir. N-tipi malzemeler fazladan elektronlara sahipken, p-tipi malzemeler elektron eksikliğine sahiptir. Bir n-tipi malzeme ve bir p-tipi malzeme metal elektrotlarla seri bağlı olduğunda, temel bir termoelektrik jeneratör birimi olan termokuple oluşur.

Bir termoelektrik modül, birçok termokupleyi elektriksel olarak seri ve termal olarak paralel bağlanan bir cihazdır. Bir termoelektrik modülün iki yüzü vardır: sıcak yüz ve soğuk yüz. Sıcak yüz bir ısı kaynağına, soğuk yüz ise bir ısı havzasına maruz kaldığında, modülün üzerinde bir sıcaklık farkı oluşur ve bu da devrede bir akım akışına neden olur. Bu akım, dış yükü çalıştırmak veya bir bataryayı şarj etmek için kullanılabilir. Bir termoelektrik modülün gerilim ve güç çıkışı, termokupllerin sayısı, sıcaklık farkı, Seebeck katsayısı ve malzemelerin elektriksel ve termal dirençlerine bağlıdır.

Bir termoelektrik jeneratörün verimliliği, kaynağın ısı girişiyle orantılı olarak elektriksel güç çıktısı oranıdır. Bir termoelektrik jeneratörün verimliliği, iki sıcaklık arasında çalışan herhangi bir ısı motoru için maksimum olası verimlilik olan Carnot verimliliği tarafından sınırlıdır. Carnot verimliliği şu şekilde verilir:

ηCarnot=1−ThTc

burada Tc soğuk yüzünün sıcaklığı, Th ise sıcak yüzünün sıcaklığıdır.

Bir termoelektrik jeneratörün gerçek verimliliği, Joule ısıtma, termal iletim ve termal ışınım gibi çeşitli kayıplar nedeniyle Carnot verimliliğinden çok daha düşüktür. Bir termoelektrik jeneratörün gerçek verimliliği, ZT adı verilen boyutsuz parametreye bağlıdır. ZT, bir malzemenin termoelektrik uygulamalar için performansını ölçer. ZT değeri şu şekilde verilir:

ZT=κα2σT

burada α Seebeck katsayısı, σ elektriksel iletkenlik, κ termal iletkenlik ve T mutlak sıcaklıktır.

ZT değeri ne kadar yüksekse, termoelektrik jeneratörün verimliliği de o kadar yüksektir. ZT değeri, malzemenin iç özelliklerine (elektron ve fonon taşınımı gibi) ve dış özelliklerine (doping seviyesi ve geometri gibi) bağlıdır. Termoelektrik malzemeler araştırmasının amacı, yüksek Seebeck katsayısı, yüksek elektriksel iletkenlik ve düşük termal iletkenliğe sahip malzemeler bulmak veya tasarlamaktır, bu genellikle çelişkili gereksinimlerdir.

Bazı Yaygın Termoelektrik Malzemeler Nedir?

Termoelektrik malzemeler, metaller, yarıiletkenler ve karmaşık bileşikler olmak üzere üç kategoriye ayrılabilir.

Metaller, yüksek elektriksel iletkenliğe sahip ancak düşük Seebeck katsayısı ve yüksek termal iletkenliğe sahip olup, düşük bir ZT değerine sahiptir. Metaller, genellikle termoelektrik modüllerde elektrot veya bağlantı hatları olarak kullanılır.

Yarıiletkenler, orta düzeyde elektriksel iletkenlik ve Seebeck katsayısına sahip ancak yüksek termal iletkenliğe sahip olup, orta düzeyde bir ZT değerine sahiptir. Yarıiletkenler, n-tipi veya p-tipi malzemeler oluşturmak için dozlanabilir. Yarıiletkenler, düşük sıcaklık uygulamaları (200°C'nin altında) için yaygın olarak termoelektrik malzemeler olarak kullanılır.

Karmaşık bileşikler, düşük elektriksel iletkenliğe sahip ancak yüksek Seebeck katsayısı ve düşük termal iletkenliğe sahip olup, yüksek bir ZT değerine sahiptir. Karmaşık bileşikler genellikle farklı valans durumlarına ve kristal yapılarına sahip birden fazla elementten oluşur, bu da karmaşık elektronik bant yapılarını ve fonon saçılmasını artıran mekanizmalar oluşturur. Karmaşık bileşikler, yüksek sıcaklık uygulamaları (200°C'nin üzerinde) için yaygın olarak termoelektrik malzemeler olarak kullanılır.

Bazı yaygın termoelektrik malzemeler şunlardır:

• Bizmut tellürit (Bi2Te3) ve alaşımları: Bu, düşük sıcaklık uygulamaları (200°C'nin altında) için en yaygın kullanılan termoelektrik malzemelerdir, örneğin soğutma cihazları ve atık ısı kaynaklarından elektrik üretimi. Bi2Te3, zayıf van der Waals kuvvetleriyle bağlanmış alternatif beşlü Bi2 ve Te3 atom tabakalarından oluşan tabakalı bir yapıya sahiptir. Bu yapı, phononların tabaka sınırlarında saçılması nedeniyle düşük termal iletkenliğe neden olur. Bi2Te3, antimon (Sb), selenyum (Se) veya sülfür (S) gibi diğer elementlerle alaşımlaştırılarak elektriksel özellikleri ayarlanabilir ve ZT değeri optimize edilebilir.

• Kurşun tellürit (PbTe) ve alaşımları: Bu, orta sıcaklık uygulamaları (200-600°C) için en yaygın kullanılan termoelektrik malzemeler arasındadır, örneğin otomobil egzozundan veya endüstriyel atık ısı kaynaklarından elektrik üretimi. PbTe, güçlü iyonik kuvvetlerle bağlanmış alternatif Pb2+ ve Te2- iyon tabakalarından oluşan tuz kristal yapısına sahiptir. Bu yapı, büyük band çaprazlaması Fermi seviyesinde ağır Pb atomları nedeniyle yüksek bir Seebeck katsayısına neden olur. PbTe, kurşun (Sn), talli (Tl) veya sodyum (Na) gibi diğer elementlerle alaşımlaştırılarak ZT değeri artırılabilir.

• Skutteruditler: Bu, MX3 genel formülüne sahip karmaşık bileşiklerdir, burada M bir geçiş metali (örneğin kobalt, Co) ve X bir pniktogen (örneğin antimon, Sb).

           
   

• Skutteruditler, büyük boşlukları olan M4X12 birimlerin üç boyutlu ağından oluşan kübik bir yapıya sahiptir. Bu boşluklar, zayıf yerler (örneğin nadir toprak elementleri, RE) barındırabilir. Zayıf yerler, termal iletkenliği azaltırken, ana maddeler yüksek elektriksel iletkenlik ve Seebeck katsayısına sahiptir. Skutteruditler, orta ila yüksek sıcaklık uygulamaları (300-800°C) için vaat edici termoelektrik malzemelerdir, örneğin atık ısı kurtarma veya yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ile elektrik üretimi.

• Half-Heusler bileşikleri: Bu, XYZ genel formülüne sahip üçlü bileşiklerdir, burada X bir geçiş metali (örneğin titanyum, Ti), Y başka bir geçiş metali (örneğin nikel, Ni) ve Z bir ana grup elementidir (örneğin çinko, Sn).

           
   

• Half-Heusler bileşikleri, X atomları tarafından işgal edilen ve Y ve Z atomları 1:2 oranında işgal edilen dört iç içe geçmiş fcc alt kafeslerden oluşan kübik bir yapıya sahiptir. Half-Heusler bileşikleri, karmaşık elektronik bant yapıları nedeniyle yüksek Seebeck katsayısı ve elektriksel iletkenliğe sahiptir ve ağır ana maddeleri nedeniyle düşük termal iletkenliğe sahiptir. Half-Heusler bileşikleri, yüksek sıcaklık uygulamaları (800°C'nin üzerinde) için vaat edici termoelektrik malzemelerdir, örneğin nükleer reaktörler veya havacılık motorlarından elektrik üretimi.

Termoelektrik Jeneratörlerin Bazı Uygulamaları Nelerdir?

Termoelektrik jeneratörler, sıcaklık aralığı, güç çıkışı ve ısı kaynağı uygunluğu bağlı olarak farklı alanlarda çeşitli uygulamalara sahiptir. Bazı termoelektrik jeneratör uygulamaları şunlardır:

• Soğutma cihazları: Termoelektrik jeneratörler, mikro işlemciler, lazerler veya sensörler gibi elektronik bileşenleri soğutmak için modülün sıcak ve soğuk yüzleri arasındaki sıcaklık farkını oluşturmak üzere bir elektrik akımı uygulanarak kullanılabilir. Bu süreç, Peltier etkisi olarak da bilinen termodinamik soğutma veya Seebeck etkisinin tersi olarak adlandırılır. Termodinamik soğutma cihazları, kompaklık, güvenilirlik, ses yokluğu ve hassas sıcaklık kontrolü gibi avantajlarıyla geleneksel soğutma yöntemlerine göre üstündür.

• Atık ısıdan güç üretimi: Termoelektrik jeneratörler, endüstriyel süreçler, otomobiller, enerji santralleri ve hatta insan vücut ısısı gibi çeşitli kaynaklardan atık ısıyı toplayıp, bunu faydalı elektrik enerjisine dönüştürebilir. Bu, bu kaynakların enerji verimliliğini artırmaya ve sera gaz emisyonlarını azaltmaya yardımcı olabilir. Örneğin, termoelektrik jeneratörler, yanma sırasında kaybedilen ısıyı bir kısmını kurtarmak ve ekipman elektroniği veya batarya şarjı için elektrik üretmek üzere otomobil egzos sistemlerine entegre edilebilir. Termoelektrik jeneratörler ayrıca, giysilere veya ciltteki sensörlere takılarak, vücut ısısından elde edilen elektriği giyilebilir cihazlar veya tıbbi implantlar için güç sağlayabilir.

• Radyoizotoplardan güç üretimi: Termoelektrik jeneratörler, sensörler, kablosuz verici üniteler ve uzay araçları gibi uzak cihazlara güç sağlamak için radyoizotopları ısı kaynağı olarak kullanabilir.

           
   

• Radyoizotoplar, radyasyon yayıp diğer elementlere dönüşen kararsız izotoplardır. Radyasyon, kurşun veya tungsten gibi onu emen bir malzeme kullanılarak ısıya dönüştürülebilir. Isı, ardından termoelektrik modüller kullanılarak elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Radyoizotop termoelektrik jeneratörleri (RTG'ler), pil veya güneş panelleri gibi diğer güç kaynaklarına kıyasla uzun ömü