Термoeлектричні генератори: принципи, матеріали та застосування
Термoeлектричний генератор (ТЕГ) — це пристрій, який перетворює теплову енергію на електричну за допомогою ефекту Зебека. Ефект Зебека — це явище, яке виникає, коли між двома різними провідниками або контуром провідників існує різниця температур, що створює електричний потенціал. ТЕГ — це твердотільні пристрої, які не мають рухомих частин і можуть працювати тихо і надійно довгий час. ТЕГ можна використовувати для збору відходного тепла з різних джерел, таких як промислові процеси, автомобілі, електростанції і навіть тепло людського тіла, і перетворення його на корисну електроенергію. ТЕГ також можна використовувати для живлення віддалених пристроїв, таких як датчики, бездротові передавачі і космічні апарати, використовуючи радіоізотопи або сонячне тепло як джерело тепла.
Як працює термоелектричний генератор?
Термоелектричний генератор складається з двох основних компонентів: термоелектричних матеріалів і термоелектричних модулів.
Термоелектричні матеріали — це матеріали, які демонструють ефект Зебека, тобто вони генерують електричний напругу при наявності градієнту температури. Термоелектричні матеріали можна поділити на два типи: n-тип і p-тип. Матеріали n-типу мають перевищенню електронів, тоді як матеріали p-типу мають недостаток електронів. Коли матеріал n-типу і матеріал p-типу з'єднуються послідовно металевими електродами, вони формують термопару, яка є основною одиницею термоелектричного генератора.
Термоелектричний модуль — це пристрій, який містить багато термопар, з'єднаних електрично послідовно і термічно паралельно. Термоелектричний модуль має дві сторони: гарячу і холодну. Коли гаряча сторона відкрита до джерела тепла, а холодна сторона відкрита до теплового резервуара, створюється різниця температур по модулю, що спричиняє потік струму через контур. Струм можна використовувати для живлення зовнішнього навантаження або зарядки акумулятора. Напруга і потужність виводу термоелектричного модуля залежать від кількості термопар, різниці температур, коефіцієнта Зебека та електричних і теплових опорів матеріалів.
Ефективність термоелектричного генератора визначається як відношення електричної потужності виводу до теплової енергії, надійної від джерела. Ефективність термоелектричного генератора обмежена ефективністю Карно, яка є максимальною можливою ефективністю для будь-якого теплового двигуна, що працює між двома температурами. Ефективність Карно задається формулою:
ηCarnot=1−ThTc
де Tc — температура холодної сторони, а Th — температура гарячої сторони.
Фактична ефективність термоелектричного генератора набагато нижча за ефективність Карно через різні втрати, такі як нагрівання Джоуля, теплопровідність і теплове випромінювання. Фактична ефективність термоелектричного генератора залежить від показника достоїнства (ZT) термоелектричних матеріалів, який є безрозмірним параметром, що вимірює продуктивність матеріалу для термоелектричних застосувань. Показник достоїнства задається формулою:
ZT=κα2σT
де α — коефіцієнт Зебека, σ — електрична провідність, κ — теплопровідність, а T — абсолютна температура.
Чим вищий показник достоїнства, тим вища ефективність термоелектричного генератора. Показник достоїнства залежить як від внутрішніх властивостей (таких як транспорт електронів і фононів), так і від зовнішніх властивостей (таких як рівень легування і геометрія) матеріалів. Мета досліджень термоелектричних матеріалів полягає у знаходженні або проектуванні матеріалів, які мають високий коефіцієнт Зебека, високу електричну провідність і низьку теплопровідність, що часто є протиріччям вимогам.
Які найпоширеніші термоелектричні матеріали?
Термоелектричні матеріали можна поділити на три категорії: метали, напівпровідники та складні сполуки.
Метали мають високу електричну провідність, але низький коефіцієнт Зебека і високу теплопровідність, що призводить до низького показника достоїнства. Метали в основному використовуються як електроди або міжзв'язки в термоелектричних модулях.
Напівпровідники мають середню електричну провідність і коефіцієнт Зебека, але високу теплопровідність, що призводить до середнього показника достоїнства. Напівпровідники можна легувати для створення матеріалів n-типу або p-типу з різними концентраціями носіїв заряду і мобільністю. Напівпровідники широко використовуються як термоелектричні матеріали для застосувань при низьких температурах (нижче 200°C).
Складні сполуки мають низьку електричну провідність, але високий коефіцієнт Зебека і низьку теплопровідність, що призводить до високого показника достоїнства. Складні сполуки зазвичай складаються з кількох елементів з різними валентними станами і кристалічними структурами, що створюють складні електронні зони та механізми розсіяння фононів, що підвищують термоелектричну продуктивність. Складні сполуки широко використовуються як термоелектричні матеріали для застосувань при високих температурах (вище 200°C).
Ось деякі приклади поширених термоелектричних матеріалів:
Бісмут телурит (Bi2Te3) та його сплави: Це найпоширеніші термоелектричні матеріали для застосувань при низьких температурах (нижче 200°C), таких як охолоджувальні пристрої та генерація електроенергії з відходного тепла. Bi2Te3 має шарувату структуру, яка складається з чергування квінтуплетних шарів Bi2 і Te3 атомів, з'єднаних слабкими ван-дер-Ваальсовими силами. Ця структура призводить до низької теплопровідності через розсіяння фононів на границях шарів. Bi2Te3 можна легувати іншими елементами, такими як антимон (Sb), селен (Se) або сірка (S), для налаштування його електричних властивостей та оптимізації показника достоїнства.
Свинець телурит (PbTe) та його сплави: Це одні з найпоширеніших термоелектричних матеріалів для застосувань при середніх температурах (200-600°C), таких як генерація електроенергії з автомобільного вибухових газів або відходного тепла промисловості. PbTe має структуру кам'яної солі, яка складається з чергування шарів Pb2+ і Te2- іонів, з'єднаних сильними іонними силами. Ця структура призводить до високого коефіцієнту Зебека завдяки важким Pb атомам, які створюють велику виродженість зон близько рівня Фермі. PbTe можна легувати іншими елементами, такими як олово (Sn), талій (Tl) або натрій (Na), для підвищення показника достоїнства.
Скуттерудіти: Це складні сполуки з загальною формулою MX3, де M — це перехідний метал (такий як кобальт, Co), а X — пніктоген (такий як антимон, Sb).
Скуттерудіти мають кубічну структуру, яка складається з тривимірної мережі M4X12 одиниць з великими порожнинами, які можуть вміщувати гостьові атоми (такі як рідкоземельні елементи, RE). Гостьові атоми діють як розсіювачі фононів, що зменшують теплопровідність, тоді як хост-атоми забезпечують високу електричну провідність і коефіцієнт Зебека. Скуттерудіти є перспективними термоелектричними матеріалами для застосувань при середніх до високих температурах (300-800°C), таких як генерація електроенергії з відновлення відходного тепла або концентрованої сонячної енергії.
Пів-Гейслери: Це тернарні сполуки з загальною формулою XYZ, де X — це перехідний метал (такий як титан, Ti), Y — інший перехідний метал (такий як нікель, Ni), а Z — елемент головної групи (такий як олово, Sn).
Пів-Гейслери мають кубічну структуру, яка складається з чотирьох взаємнопроникнутих fcc підрешіток, одна з яких зайнята X атомами, а інші три зайняті Y і Z атомами в співвідношенні 1:2. Пів-Гейслери мають високий коефіцієнт Зебека і електричну провідність завдяки своїм складним електронним зонам і низьку теплопровідність завдяки важким складовим атомам. Пів-Гейслери є перспективними термоелектричними матеріалами для застосувань при високих температурах (вище 800°C), таких як генерація електроенергії з ядерних реакторів або авіаційних двигунів.
Які застосування мають термоелектричні генератори?
