Máy phát điện nhiệt điện: Nguyên lý Cơ bản Vật liệu và Ứng dụng

Máy phát nhiệt điện (TEG) là thiết bị chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng Seebeck là hiện tượng xảy ra khi có sự khác biệt nhiệt độ giữa hai vật dẫn hoặc mạch dẫn khác nhau, tạo ra một chênh lệch điện thế. TEGs là các thiết bị bán dẫn không có bộ phận di chuyển và có thể hoạt động im lặng và đáng tin cậy trong thời gian dài. TEGs có thể được sử dụng để thu nhiệt thải từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như quy trình công nghiệp, ô tô, nhà máy điện, thậm chí nhiệt từ cơ thể con người, và chuyển đổi nó thành điện hữu ích. TEGs cũng có thể được sử dụng để cấp điện cho các thiết bị xa, như cảm biến, thiết bị truyền tín hiệu không dây và tàu vũ trụ, bằng cách sử dụng radioisotope hoặc nhiệt từ mặt trời làm nguồn nhiệt.

Máy phát nhiệt điện hoạt động như thế nào?

Máy phát nhiệt điện bao gồm hai thành phần chính: vật liệu nhiệt điện và mô-đun nhiệt điện.

Vật liệu nhiệt điện là các vật liệu biểu hiện hiệu ứng Seebeck, nghĩa là chúng tạo ra điện áp khi chịu sự chênh lệch nhiệt độ. Vật liệu nhiệt điện có thể được phân loại thành hai loại: n-type và p-type. Vật liệu n-type có dư thừa electron, trong khi vật liệu p-type thiếu hụt electron. Khi một vật liệu n-type và một vật liệu p-type được kết nối theo chuỗi bằng điện cực kim loại, chúng tạo thành một cặp nhiệt, đó là đơn vị cơ bản của máy phát nhiệt điện.

Mô-đun nhiệt điện là thiết bị chứa nhiều cặp nhiệt được kết nối điện theo chuỗi và nhiệt theo song song. Mô-đun nhiệt điện có hai mặt: mặt nóng và mặt lạnh. Khi mặt nóng tiếp xúc với nguồn nhiệt và mặt lạnh tiếp xúc với bộ tản nhiệt, một chênh lệch nhiệt độ được tạo ra trên mô-đun, gây ra dòng điện chạy qua mạch. Dòng điện này có thể được sử dụng để cấp điện cho tải bên ngoài hoặc sạc pin. Điện áp và công suất đầu ra của mô-đun nhiệt điện phụ thuộc vào số cặp nhiệt, chênh lệch nhiệt độ, hệ số Seebeck, và điện trở và nhiệt trở của vật liệu.

Hiệu suất của máy phát nhiệt điện được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất điện đầu ra và nhiệt lượng đầu vào từ nguồn. Hiệu suất của máy phát nhiệt điện bị giới hạn bởi hiệu suất Carnot, đó là hiệu suất tối đa có thể cho bất kỳ động cơ nhiệt nào hoạt động giữa hai nhiệt độ. Hiệu suất Carnot được tính bằng:

ηCarnot=1−ThTc

trong đó Tc là nhiệt độ của mặt lạnh, và Th là nhiệt độ của mặt nóng.

Hiệu suất thực tế của máy phát nhiệt điện thấp hơn nhiều so với hiệu suất Carnot do các tổn thất như đốt cháy Joule, dẫn nhiệt, và bức xạ nhiệt. Hiệu suất thực tế của máy phát nhiệt điện phụ thuộc vào chỉ số giá trị (ZT) của vật liệu nhiệt điện, đó là tham số vô hướng đo lường hiệu suất của vật liệu cho các ứng dụng nhiệt điện. Chỉ số giá trị được tính bằng:

ZT=κα2σT

trong đó α là hệ số Seebeck, σ là điện dẫn, κ là nhiệt dẫn, và T là nhiệt độ tuyệt đối.

Chỉ số giá trị càng cao, hiệu suất của máy phát nhiệt điện càng cao. Chỉ số giá trị phụ thuộc vào cả các tính chất nội tại (như vận chuyển electron và phonon) và ngoại vi (như mức độ pha tạp và hình học) của vật liệu. Mục tiêu của nghiên cứu vật liệu nhiệt điện là tìm hoặc thiết kế các vật liệu có hệ số Seebeck cao, điện dẫn cao, và nhiệt dẫn thấp, những yêu cầu thường mâu thuẫn với nhau.

Những vật liệu nhiệt điện thông dụng là gì?

Vật liệu nhiệt điện có thể được phân loại thành ba loại: kim loại, bán dẫn, và hợp chất phức tạp.

Kim loại có điện dẫn cao nhưng hệ số Seebeck thấp và nhiệt dẫn cao, dẫn đến chỉ số giá trị thấp. Kim loại chủ yếu được sử dụng làm điện cực hoặc liên kết trong các mô-đun nhiệt điện.

Bán dẫn có điện dẫn trung bình và hệ số Seebeck trung bình nhưng nhiệt dẫn cao, dẫn đến chỉ số giá trị trung bình. Bán dẫn có thể được pha tạp để tạo ra vật liệu n-type hoặc p-type với các nồng độ và khả năng di chuyển khác nhau. Bán dẫn được sử dụng rộng rãi làm vật liệu nhiệt điện cho các ứng dụng ở nhiệt độ thấp (dưới 200°C).

Hợp chất phức tạp có điện dẫn thấp nhưng hệ số Seebeck cao và nhiệt dẫn thấp, dẫn đến chỉ số giá trị cao. Hợp chất phức tạp thường bao gồm nhiều nguyên tố với các trạng thái hóa trị và cấu trúc tinh thể khác nhau, tạo ra các cấu trúc băng điện tử phức tạp và cơ chế tán xạ phonon tăng cường hiệu suất nhiệt điện. Hợp chất phức tạp được sử dụng rộng rãi làm vật liệu nhiệt điện cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao (trên 200°C).

Một số ví dụ về vật liệu nhiệt điện phổ biến là:

• Telluride bismuth (Bi2Te3) và các hợp kim của nó: Đây là các vật liệu nhiệt điện được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng ở nhiệt độ thấp (dưới 200°C), như thiết bị làm mát và tạo điện từ nguồn nhiệt thải. Bi2Te3 có cấu trúc tầng lớp bao gồm các lớp ngũ giác xen kẽ của Bi2 và Te3 nguyên tử được liên kết bởi lực van der Waals yếu. Cấu trúc này dẫn đến nhiệt dẫn thấp do tán xạ phonon ở biên giới lớp. Bi2Te3 có thể được pha tạp với các nguyên tố khác như antimon (Sb), selenium (Se), hoặc sulfur (S) để điều chỉnh các tính chất điện và tối ưu hóa chỉ số giá trị.

• Telluride chì (PbTe) và các hợp kim của nó: Đây là các vật liệu nhiệt điện được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng ở nhiệt độ trung bình (200-600°C), như tạo điện từ khí thải ô tô hoặc nguồn nhiệt thải công nghiệp. PbTe có cấu trúc rock-salt bao gồm các lớp xen kẽ của ion Pb2+ và Te2- được liên kết bởi lực ion mạnh. Cấu trúc này dẫn đến hệ số Seebeck cao do nguyên tử chì nặng tạo ra sự thoái hóa lớn gần mức Fermi. PbTe có thể được pha tạp với các nguyên tố khác như thiếc (Sn), thallium (Tl), hoặc natri (Na) để tăng cường chỉ số giá trị.

• Skutterudites: Đây là các hợp chất phức tạp với công thức tổng quát MX3, trong đó M là kim loại chuyển tiếp (như coban, Co) và X là pnictogen (như antimon, Sb).

           
   

• Skutterudites có cấu trúc lập phương bao gồm mạng lưới ba chiều của các đơn vị M4X12 với các khoảng trống lớn có thể chứa các nguyên tử khách (như các nguyên tố đất hiếm, RE). Các nguyên tử khách hoạt động như các tán xạ phonon giảm nhiệt dẫn, trong khi các nguyên tử chủ cung cấp điện dẫn và hệ số Seebeck cao. Skutterudites là các vật liệu nhiệt điện hứa hẹn cho các ứng dụng ở nhiệt độ trung bình đến cao (300-800°C), như tạo điện từ thu hồi nhiệt thải hoặc năng lượng mặt trời tập trung.

• Hợp chất Half-Heusler: Đây là các hợp chất tam nguyên với công thức tổng quát XYZ, trong đó X là kim loại chuyển tiếp (như titan, Ti), Y là một kim loại chuyển tiếp khác (như nickel, Ni), và Z là nguyên tố nhóm chính (như thiếc, Sn).

           
   

• Hợp chất Half-Heusler có cấu trúc lập phương bao gồm bốn mạng fcc xuyên suốt, một mạng được chiếm bởi các nguyên tử X và ba mạng còn lại được chiếm bởi các nguyên tử Y và Z theo tỷ lệ 1:2. Hợp chất Half-Heusler có hệ số Seebeck và điện dẫn cao do cấu trúc băng điện tử phức tạp và nhiệt dẫn thấp do các nguyên tử thành phần nặng. Hợp chất Half-Heusler là các vật liệu nhiệt điện hứa hẹn cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao (trên 800°C), như tạo điện từ lò phản ứng hạt nhân hoặc động cơ hàng không vũ trụ.

Ứng dụng của máy phát nhiệt điện là gì?

Máy phát nhiệt điện có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ, công suất đầu ra, và khả năng cung cấp nguồn nhiệt. Một số ví dụ về ứng dụng của máy phát nhiệt điện là:

• Thiết bị làm mát: Máy phát nhiệt điện có thể được sử dụng để làm mát các thành phần điện tử, như bộ xử lý, laser, hoặc cảm biến, bằng cách áp dụng dòng điện để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh của mô-đun. Quá trình này được gọi là làm mát nhiệt điện hoặc hiệu ứng Peltier, đó là ngược lại với hiệu ứng Seebeck. Thiết bị làm mát nhiệt điện có lợi thế so với các phương pháp làm mát thông thường, như nhỏ gọn, đáng tin cậy, không gây tiếng ồn, và kiểm soát nhiệt độ chính xác.

• Tạo điện từ nhiệt thải: Máy phát nhiệt điện có thể được sử dụng để thu nhiệt thải từ nhiều nguồn khác nhau, như quy trình công nghiệp, ô tô, nhà máy điện, và thậm chí nhiệt từ cơ thể con người, và chuyển đổi nó thành điện hữu ích. Điều này có thể cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm lượng khí thải nhà kính từ các nguồn này. Ví dụ, máy phát nhiệt điện có thể được tích hợp vào hệ thống khí thải ô tô để thu hồi một phần nhiệt mất đi trong quá trình đốt cháy và tạo điện cho các thiết bị điện trên xe hoặc sạc pin. Máy phát nhiệt điện cũng có thể được gắn lên da hoặc quần áo của con người để tạo điện từ nhiệt cơ thể cho việc cấp điện cho các thiết bị đeo hoặc cấy ghép y tế.

• Tạo điện từ radioisotope: Máy phát nhiệt điện có thể được sử dụng để cấp điện cho các thiết bị xa, như cảm biến, thiết bị truyền tín hiệu không dây, và tàu vũ trụ, bằng cách sử dụng radioisotope làm nguồn nhiệt.

           
   

• Radioisotope là các đồng vị không ổn định phát ra bức xạ và phân rã thành các nguyên tố khác. Bức xạ có thể được chuyển đổi thành nhiệt bằng cách sử dụng vật liệu hấp thụ bức xạ, như chì hoặc wolfram. Nhiệt sau đó có thể được chuyển đổi thành điện bằng cách sử dụng các mô-đun nhiệt điện. Máy phát nhiệt điện từ radioisotope (RTGs) có lợi thế so với các nguồn điện khác, như pin hoặc tấm pin mặt trời, về tuổi thọ dài, độ tin cậy cao, và độc lập với điều kiện môi trường. RTGs đã được sử dụng để cấp điện cho nhiều nhiệm vụ không gian, như Voyager 1 và 2, Curiosity rover, và Perseverance rover.

Thách thức và hướng phát triển tương lai cho máy phát nhiệt điện là gì?

Máy phát nhiệt điện có nhiều lợi ích tiềm năng cho các ứng dụng chuyển đổi và thu hoạch năng lượng, nhưng chúng cũng phải đối mặt với một số thách thức và hạn chế cần vượt qua để thực hiện. Một số thách thức đó là:

• Hiệu suất thấp: Hiệu suất của máy phát nhiệt điện bị giới hạn bởi hiệu suất Carnot và chỉ số giá trị của vật liệu nhiệt điện. Các vật liệu nhiệt điện tiên tiến hiện nay có chỉ số giá trị khoảng 1-2 ở nhiệt độ phòng và 2-3 ở nhiệt độ cao, dẫn đến hiệu suất tối đa 5-10%. Để đạt