Термоэлектр генераторлар: Принциплар, материаллар ва қолланмалар
Termoelektrik generator (TEG) bu bir qurilma bo'lib, u issiqlik energiyasini Seebeck effekti yordamida elektr energiyasiga o'zgartiradi. Seebeck effekti - bu ikki turli konduktor yoki konduktorlar zanjiri orasida temperaturaning farqi bor bo'lganda yuz beradigan jarayon, shunda elektr potentsialining farqi paydo bo'ladi. TEGlar - bu hech qanday harakat qiluvchi qismga ega bo'lmagan solid holatdagi qurilmalar bo'lib, ular uzoq muddat davom etib, samarali va nishon tortmaydi. TEGlarni aniq ish jarayonlari, avtomobillar, elektr stansiyalari va hatta odamlarning tanasi hissiz chiqarilgan issiqlikni foydali elektr energiyasiga o'zgartirish uchun ishlatish mumkin. TEGlarni radiyoaktiv sochliklar yoki quyosh issiqlik manbalari kabi issiqlik manbalari yordamida tomonlovchi qurilmalar, masalan, sensorlar, beysabit transmettorlar va kosmik qurilmalar bilan ta'minlashda ham ishlatish mumkin.
Termoelektrik generator qanday ishlaydi?
Termoelektrik generator ikki asosiy komponentdan iborat: termoelektrik materiallar va termoelektrik modullar.
Termoelektrik materiallar - bu Seebeck effektini ko'rsatadigan materiallar, ya'ni ular temperaturaning gradientesiga tabii bo'lganda elektr shim tushiradilar. Termoelektrik materiallarni n-turli va p-turli guruhlarga bo'lish mumkin. N-turli materiallardagi elektronlar soni ortiqcha, p-turli materiallardagi elektronlar soni kam. Agar n-turli material va p-turli material metallik elektrodlar orqali seriada ulangan bo'lsa, ular termochetvorlikka aylanadi, bu esa termoelektrik generatorning asosiy birlikdir.
Termoelektrik modul - bu ko'plab termochetvorliklarni elektr jihatidan seriada, issiqlik jihatidan parallel ulangan qurilma. Termoelektrik modul ikkita tomoniga ega: issiqlik tomoni va sovuq tomoni. Agar issiqlik tomoni issiqlik manbasi bilan, sovuq tomoni esa sovuq manbasi bilan bog'langanda, moduldagi temperaturaning farqi yuz beradi va shuntga aralashish boshlanadi. Shunt foydalanish uchun tashqi yukni ta'minlash yoki batareyani zaryadlash uchun ishlatilishi mumkin. Termoelektrik modulning shim va quvvat chiqishi termochetvorliklar soniga, temperaturaning farqiga, Seebeck koeffitsiyentiga va materiallarning elektr va issiqlik qarshiliklariga bog'liq.
Termoelektrik generatorning samaradorligi - bu manbadan kelgan issiqlik kirishiga nisbatan elektr energiyasining chiqishi. Termoelektrik generatorning samaradorligi Carnot samaradorligi tomonidan cheklanadi, bu esa ixtiyoriy ikki temperaturada ishlaydigan har qanday issiqlik motorining eng yuqori mumkin bo'lgan samaradorligi. Carnot samaradorligi quyidagicha beriladi:
ηCarnot=1−ThTc
bu yerda Tc - sovuq tomonining temperaturasi, Th - issiqlik tomonining temperaturasi.
Termoelektrik generatorning asosiy effektivligi, Joule issiq qopish, termal oqish va termal nurlanish kabi turli yo'qolishlar sababli Carnot effektivligidan ancha past bo'ladi. Termoelektrik generatorning asosiy effektivligi, materialning termoelektrik taqdimotlari (ZT) ga bog'liq, bu esa materialning termoelektrik taqdimotlarini o'lchovchi o'lchovsiz parametrdir. Taqdimot qiymati quyidagicha beriladi:
ZT=κα2σT
bu yerda α - Seebeck koeffitsienti, σ - elektr oqish, κ - termal oqish, T - absolyut temperatura.
Taqdimot qiymati yuqori bo'lsa, termoelektrik generatorning effektivligi ham yuqori bo'ladi. Taqdimot qiymati materialning ichki xususiyatlarga (masalan, elektron va fonon transporti) va tashqi xususiyatlarga (masalan, dopirovka darajasi va geometriya) bog'liq. Termoelektrik materiallar orqali maqsad, yuqori Seebeck koeffitsienti, yuqori elektr oqishi va past termal oqishga ega bo'lgan materiallarni topish yoki dizayn etishdir, bu ko'pincha muvozanatsiz talablar hisoblanadi.
Qanday qilib eng umumiy termoelektrik materiallar?
Termoelektrik materiallarni metallar, poluprovodniklar va murakkab shakllar uchun uch toifaga bo'lish mumkin.
Metallar yuqori elektr oqishga ega, lekin past Seebeck koeffitsienti va yuqori termal oqishga ega, bu esa past taqdimot qiymatini beradi. Metallar asosan termoelektrik modullarda elektrodlar yoki ulanishlar sifatida ishlatiladi.
Poluprovodniklar o'rtacha elektr oqish va Seebeck koeffitsientiga ega, lekin yuqori termal oqishga ega, bu esa o'rtacha taqdimot qiymatini beradi. Poluprovodniklarni n-turli yoki p-turli materiallarga dopirovka qilish orqali turli noshisuvchilar soni va kutilmaganlik bilan dasturlash mumkin. Poluprovodniklar keng tarqalgan termoelektrik materiallar sifatida ishlatiladi, juda past temperaturada (200°C dan past).
Murakkab shakllar past elektr oqishga ega, lekin yuqori Seebeck koeffitsienti va past termal oqishga ega, bu esa yuqori taqdimot qiymatini beradi. Murakkab shakllar ko'pincha turli valent holatlari va kristal strukturalari bilan birgalikda joylashgan bir nechta elementlardan iborat, bu esa kompleks elektron band strukturalar va fonon chetkalash mekanizmlarini yaratadi, bu esa termoelektrik performansni oshiradi. Murakkab shakllar keng tarqalgan termoelektrik materiallar sifatida ishlatiladi, juda yuqori temperaturada (200°C dan yuqori).
Umumiy termoelektrik materiallarning ba'zi misollarini quyidagilardan ko'rsatish mumkin:
Bismut tellurit (Bi2Te3) va uning legirleri: Bu eng keng tarqalgan termoelektrik materiallar sifatida, past temperaturada (200°C dan past), sovuq qurilmalar va atrof-muhitdan energiya yaratish uchun ishlatiladi. Bi2Te3 zanjirli strukturaga ega, bu esa Bi2 va Te3 atomlari orasidagi zayıf van der Vaals kuchlari bilan bog'langan. Bu struktura, qatlam chegaralarida fonon chetkalash orqali past termal oqishni beradi. Bi2Te3 antimon (Sb), selen (Se) yoki gaz (S) kabi boshqa elementlarga legirlanishi mumkin, bu esa uning elektr xususiyatlarini moslashtirish va taqdimot qiymatini optimallashtirish uchun amalga oshiriladi.
Plom bismuti (PbTe) va uning legirleri: Bu orasida o'rtacha temperaturadagi qo'llanmalar (200-600°C), masalan, avtomobil cho'qqisi yoki sanoat chiqindilardan energiya ishlab chiqarish uchun eng keng qo'llaniladigan termoelektr materiallardan biri. PbTe tash-salit strukturasiga ega, bu struktura Pb2+ va Te2- ionlarining qat'iy ioniy kuchlar bilan bog'langan bo'lgan qatlamalardan iborat. Bu struktura juda og'ir Pb atomlari sababli Fermi darajasiga yaqin joyda katta band degeneratsiyasini yaratadi. PbTe kalay (Sn), talliy (Tl) yoki sodiy (Na) kabi boshqa elementlar bilan legirlanishi mumkin, shuning bilan uning xususiy xususiyati oshiriladi.
Skutteruditlar: Bu umumiy formulasi MX3 bo'lgan murakkab sozlamalar, bu yerda M - ko'nik metal (masalan, kobalt, Co) va X - pnictogen (masalan, antimon, Sb).
Skutteruditlar kvadrat strukturaga ega, bu struktura M4X12 birliklardan tashkil topgan uch o'lchovli tarmoqni ifodalaydi, bu tarmoqda katta bo'sh joylar mavjud, bu joylar misol uchun rear zemnomu elementlari (RE) kabi mehmon atomlarni joylashtirish imkoniyatini beradi. Mehmon atomlari termal konduktivitetni pasaytiruvchi fonon skatterlar vazifasini bajaradi, aloqa atomlari esa yuqori elektrik konduktivitet va Seebeck koeffitsiyentini ta'minlaydi. Skutteruditlar o'rtacha va yuqori temperaturadagi qo'llanmalarda (300-800°C), masalan, chiqindi issiqlikdan energiya ishlab chiqarish yoki to'plashgan quyosh energiyasidan energiya ishlab chiqarish uchun umidvor termoelektr materiallardir.
Half-Heusler sozlamalari: Bu XYZ umumiy formulaga ega ternary sozlamalar, bu yerda X - ko'nik metal (masalan, titaniy, Ti), Y - boshqa ko'nik metal (masalan, nikel, Ni) va Z - asosiy guruh elementi (masalan, kalay, Sn).
Half-Heusler sozlamalari kvadrat strukturaga ega, bu struktura to'rtta kesishayotgan fcc subretsidlardan tashkil topgan, biri X atomlari bilan, ikkinchi uchta esa 1:2 nisbatda Y va Z atomlari bilan to'ldirilgan. Half-Heusler sozlamalari ularning murakkab elektron band strukturasi sababli yuqori Seebeck koeffitsiyenti va elektrik konduktiviteti, shuningdek ularning og'ir komponent atomlari sababli past termal konduktiviteti bor. Half-Heusler sozlamalari yuqori temperaturadagi qo'llanmalarda (800°C dan yuqori), masalan, yadro reaktorlaridan yoki aviakosmos motorlaridan energiya ishlab chiqarish uchun umidvor termoelektr materiallardir.
Termoelektr generatorlarning qanday qo'llanmalariga ega?
Termoelektr generatorlarning turli sohalarda, temperatura diapazoni, energiya chiqishi va issiqlik manbayi mavjudligiga qarab aniq qo'llanmalar mavjud. Termoelektr generatorlarning qo'llanma misollaridan qaysilar:
Sovalgich qurilmalar: Termoelektr generatorlarni elektron komponentlar, masalan, mikroprotsessorlar, lazeryoki sensorlarni sovutish uchun ishlatish mumkin, bu erda moduldagi issiq va sovuq tomonlari orasidagi temperatura farqini yaratish uchun elektrik tokini qo'llash orqali. Bu jarayon termoelektr sovutish yoki Peltier effekti deb ataladi, bu Seebeck effektining teskarisi. Termoelektr sovutish qurilmalari kompaktlilik, ishonchli ishlash, sessezgi va aniq temperatura boshqarish kabi afzalliklarga ega.
Chiqindi issiqlikdan energiya ishlab chiqarish: Termoelektr generatorlarni sanoat jarayonlari, avtomobillar, elektr stansiyalari va hatta odam tanasi issiqligidan kelayotgan chiqindi issiqlikni ishlatib, foydali elektr energiyasiga aylantirish uchun ishlatish mumkin. Bu energiya samaradorligini yaxshilaydi va bu manbalarning stekloqadoz gaz ichki tortilishini kamaytiradi. Masalan, termoelektr generatorlarni avtomobil cho'qqi tizimlariga integratsiya qilish orqali yanma jarayonda yo'qotilgan issiqlikni qisman tiklash va elektromashinalar uchun elektr energiyasini yoki batareya zaryadini ishlab chiqarish mumkin. Termoelekri generatorlarni odam terisiga yoki kiyimlariga ulash orqali tanadan keladigan issiqlikdan energiya ishlab chiqarish orqali portativ qurilmalarni yoki tibbi implantatlarni energiyasini ta'minlash mumkin.
Radioizotoplardan energiya ishlab chiqarish: Termoelektr generatorlarni radioaktiv izotoplarni issiqlik manbai sifatida ishlatib, masalan, sensorlar, radiyo transmetrlar va kosmik apparatlarni energiyasini ta'minlash uchun ishlatish mumkin.
Radioizotoplar - bu nisbiy o'zgaruvchan izotoplar, ular radiatsiyani yuboradi va boshqa elementlarga ajraladi. Radiatsiya lead yoki tungsten kabi uni o'zlashtiradigan material orqali issiqlikka aylantirilishi mumkin. So'ngra termoelektr modullar orqali issiqlik elektr energiyasiga aylantirilishi mumkin. Radioizotopli termoelektr generatorlar (RTG) batareya yoki quyosh paneli kabi boshqa energiya manbalari bilan solishtirganda uzun omillik muddat, yuqori ishonch va muhit sharoitlardan mustaqil bo'lish kabi afzalliklarga ega. RTG Voyager 1 va 2, Curiosity rover va Perseverance rover kabi ko'plab kosmik missiyalarni energiyasini ta'minlash uchun ishlatilgan.
Thermoelektrik generatorlar uchun qanday muammolarga va kelajak yo'nalishlari nimalar?
Thermoelektrik generatorlar energiya o'tkazib berish va to'plash ishlarida ko'plab ehtiyojli imkoniyatlarga ega, lekin ular ham bir qator muammolarga va cheklanmalarga ega bo'lib, amaliy qo'llanish uchun yechilishi kerak. Bu muammolar orasida quyidagilar mavjud:
Past effektivlik: Thermoelektrik generatorlar effektivligi Carnot effektivligi va thermoelektrik materiallarining xususiy qiymati tomonidan cheklanadi. Joriy eng yaxshi thermoelektrik materiallar o'rtacha haroratda 1-2 va yuqori haroratda 2-3 xususiy qiymatga ega, bu esa eng yaxshisi 5-10% effektivlikka olib kelyapti. Yuqori effektivlikni boshqarish uchun, yangi thermoelektrik materiallar band struktura inshooti, nanostrukturni, doplangan, legirlandi yoki geterostrukturani ishlatgan holda aniqlanishi yoki dizayn etilishi kerak.
Yuqori narx: Thermoelektrik generatorlar narxi asosan thermoelektrik materiallar va modullar narxiga bog'liq. Joriy thermoelektrik materiallar tez-tez seyrli yoki zahriy elementlardan iborat, ular qimmat yoki olishi qiyin. Thermoelektrik modullarni ishlab chiqarish sohada sofistikatsiya qilingan jarayonlar va jihozlar talab qilinadi, bu esa narxni oshiradi. Thermoelektrik generatorlar narxini pasaytirish uchun, samarali, arzon va atrof-muhit doirasiga mos keladigan alternativ materiallar ishlab chiqarilishi yoki aniqlanishi kerak. Thermoelektrik modullarni ishlab chiqarish jarayonlari ham soddalashtirilishi va massov tarzda o'rinli qilinishi kerak, shunda ishlab chiqarish narxi pasaydi va ishlab chiqarish tezligi oshadi.
Issiq boshqaruv: Thermoelektrik generatorlar effektivligi modulning issiq va soyog' tomonga harorat farqi orqali aniqlanadi. Shuning uchun, samarali issiq o'tish va tortish muhimdir, bu esa yuqori quvvat chiqishi va ishonchli emas. Issiq manbasi va issiq tortish joyi to'g'ri dizaynlanishi va thermoelektrik modulgacha moslashtirilishi kerak, bu esa optimal issiq o'tish va harorat taqsimlanishi uchun zarur. Modul va issiq manba yoki tortish joyi orasidagi issiq aloqa qarshiliklari minimallashtirilishi kerak, shunda issiq yo'qotmalar kamayadi. Thermoelektrik materiallar va modullar yuqori harorat va issiq bosimlar bilan urushishi mumkin, bu esa degradatsiya yoki buzilishsiz qoldiradi.
Tizim integratsiyasi: Thermoelektrik generatorlar mustaqil qurilmalar emas, balki issiq almashtirgichlar, elektrik konverterlar, boshqaruvchilar, sensorlar va batareya kabi boshqa elementlarni o'z ichiga olgan katta tizimning komponentlari. Bu elementlarni muvofiqlik va funktsional tizimga integratsiyasi turli parametrlarni dastlabki tuzilish va optimallashtirish talab qiladi, masalan, elektrik impedans, voltaj nazorati, quvvat holatini yaxshilash, yuk moslash, va tizim boshqaruv. Tizim integratsiyasi ham aniq qo'llanma talablarni hisobga olishi kerak, masalan, hajmi, vazni, narxi, omillik, xavfsizlik va atrof-muhit ta'siri.
Thermoelektrik generatorlar izoh va rivojlanish uchun kelajak yo'nalishlari:
Yangi thermoelektrik materiallar: Yuqori xususiy qiymatga ega yangi thermoelektrik materiallar aniqlanishi yoki dizayn etilishi thermoelektrik generatorlar effektivligini va konkurentlik darajasini oshirish uchun muhimdir. Yangi thermoelektrik materiallar band strukturani inshoot, nanostrukturni, doplangan, legirlandi yoki geterostrukturani ishlatib, materiallarning elektron va fonon xususiyatlarini boshqarish orqali olinishi mumkin. Yangi thermoelektrik materiallar ham organik, gibrid yoki topologik materiallar kabi yangi materiallar sinflarini o'rganib, aniq yoki yaxshilangan thermoelektrik effektlarni olish orqali olinishi mumkin.
Ishlab chiqarilgan yangi thermoelektrik modullar: Samarali va ishonchli yangi thermoelektrik modullar ishlab chiqarilishi termoelektrik generatorlar izoh va rivojlanish uchun muhim yo'nalishlardan biri. Ishlab chiqarilgan yangi thermoelektrik modullar yuqori xususiy qiymatga ega yangi thermoelektrik materiallarni ishlatish yoki quvvat chiqishi oshirish yoki issiq yo'qotmalar kamaytirish uchun yangi modul arxitekturalarini yoki konfiguratsiyalarini ishlatish orqali erishilishi mumkin. Ishlab chiqarilgan yangi thermoelektrik modullar ham yangi ishlab chiqarish usullarini yoki usullarini ishlatish orqali modullar narxini kamaytirish yoki sifatini oshirish orqali erishilishi mumkin.
Innovatsion thermoelektrik tizimlar: Innovatsion thermoelektrik tizimlar yangi dizaynlar va qo'llanmalar bilan termoelektrik generatorlar izoh va rivojlanish uchun umidvar yo'nalish. Innovatsion thermoelektrik tizimlar yuqori yoki stabiyl harorat farqlarini ta'minlaydigan yangi issiq manbalari yoki tortish joylari ishlatish orqali yoki tizimning samaradorligini yoki funksiyasini optimallashtirish uchun yangi integratsiya skemalari yoki strategiyalari ishlatish orqali erishilishi mumkin. Innovatsion thermoelektrik tizimlar ham yangi qo'llanma sohalarini yoki scenariylarni o'rganish orqali thermoelektrik generatorlar imkoniyatlaridan foydalanish mumkin.
Xulosa
Termoelektrik generatordalar issiqlik energiyasini Seebeck effekti yordamida elektrik energiyasiga oʻtkazish imkoniyatiga ega boʻlgan qurilmalar. Termoelektrik generatordalar kichiklik, ishonch, tizhlik va toʻgʻri oʻzgarishi kabi afzalliklar bilan farqlanadi. Ushbu generatordalar sovuq qilish qurilmalari, axirgi issiqlikdan elektr energiyasi yaratish va radioizotoplardan elektr energiyasi yaratish kabi turli sohalarda qoʻllaniladi. Biroq, termoelektrik generatordalar amaliy qoʻllanish uchun yechilib oʻtilishi kerak boʻlgan bir qancha muammolarga va cheklanmalarga ega, yaʼni past effektivlik, yuqori narx, issiqlik boshqaruv va tizim integratsiyasi. Termoelektrik generatorlarni oʻrganish va rivojlantirish boʻyicha kelajak yoʻnalishlari yangi termoelektrik materiallar, qadirdon termoelektrik modullar va innovatsion termoelektrik tizimlar oʻrnida. Termoelektrik generatordalar turli sohalar va holatlarda energiya oʻzgartirish va yigʻish uchun katta potentsialga ega.
Eslatma: Asl matnka hursand bo'ling, yaxshi maqolalar ulashishga xos, agar huquq buzilsa, o'chirish uchun bog'laning.
