Wat is Thermoelektriese Kragopwekkers?

Wat is 'n Termoelektriese Kragopwekker?

Definisie van 'n Termoelektriese Kragopwekker

'n Termoelektriese kragopwekker (TEG) is 'n toestel wat hitte-energie omskakel na elektriese energie deur gebruik te maak van die Seebeck-effek. Die Seebeck-effek is 'n verskynsel wat plaasvind wanneer daar 'n temperatuurverskil bestaan tussen twee verskillende geleiders of 'n sirkel van geleiders, wat 'n elektriese potensiaalverskil skep. TEG's is vaste-toestandstoestelle sonder bewegende dele en kan geruisloos en betroubaar vir lang tydperke funksioneer. TEG's kan gebruik word om afvalhitte van verskeie bronne, soos industriële prosesse, motors, kragstasies, en selfs menslike liggaamshitte, te oes en dit om te skakel na bruikbare elektrisiteit. TEG's kan ook gebruik word om afgeleë toestelle, soos sensore, draadlose oorsenders, en ruimtesondes, met radio-isotoppe of sonlig as hittebron, te voorsien van krag.

Werkprinsipe

'n Termoelektriese kragopwekker bestaan uit twee hoofkomponente: termoelektriese materiaal en termoelektriese module.

Termoelektriese materiale is materiale wat die Seebeck-effek vertoon, wat 'n elektriese spanning genereer wanneer daar 'n temperatuurverskil is. Hulle word in twee tipes geklassifiseer: n-tipe en p-tipe. N-tipe materiale het ekstra elektrone, terwyl p-tipe materiale tekort aan elektrone hê. Wanneer hierdie materiale in reeks met metaalelektrodes verbonden word, vorm hulle 'n termokoppel, die basiese eenheid van 'n termoelektriese kragopwekker.

'n Termoelektriese module is 'n toestel wat baie termokoppels bevat wat elektries in reeks en termies parallel verbonden is. 'n Termoelektriese module het twee kante: 'n warm kant en 'n koue kant. Wanneer die warm kant blootgestel word aan 'n hittebron en die koue kant aan 'n hitteafvoer, word 'n temperatuurverskil geskep oor die module, wat 'n stroom veroorsaak wat deur die sirkel vloei. Die stroom kan gebruik word om 'n buitentoebehorende belasting te voorsien of 'n batterij op te laai. Die spanning en kraguitset van 'n termoelektriese module hang af van die aantal termokoppels, die temperatuurverskil, die Seebeck-koeffisiënt, en die elektriese en termiese weerstande van die materiale.

Die effektiwiteit van 'n termoelektriese kragopwekker word gedefinieer as die verhouding van elektriese kraguitset tot hitte-invoer. Hierdie effektiwiteit word beperk deur die Carnot-effektiwiteit, die maksimum moontlike effektiwiteit vir enige hittemotor tussen twee temperature. Die Carnot-effektiwiteit word gegee deur:

waar Tc die temperatuur van die koue kant is, en Th die temperatuur van die warm kant is.

Die werklike effektiwiteit van 'n termoelektriese kragopwekker is veel lager as die Carnot-effektiwiteit weens verskeie verliese soos Joule-verhitting, termiese geleiding, en termiese straling. Die werklike effektiwiteit van 'n termoelektriese kragopwekker hang af van die verdienstegetal (ZT) van die termoelektriese materiale, 'n dimensielose parameter wat die prestasie van 'n materiaal vir termoelektriese toepassings meet. Die verdienstegetal word gegee deur:

waar α die Seebeck-koeffisiënt is, σ die elektriese geleidbaarheid, κ die termiese geleidbaarheid, en T die absolute temperatuur.

Hoe hoër die verdienstegetal, hoe hoër die effektiwiteit van die termoelektriese kragopwekker. Die verdienstegetal hang af van beide intrinsieke eienskappe (soos elektron- en fonontransport) en extrinsieke eienskappe (soos dopvlak en geometrie) van die materiale. Die doel van termoelektriese materiaalnavorsing is om materiale te vind of te ontwerp wat 'n hoë Seebeck-koeffisiënt, hoë elektriese geleidbaarheid, en lae termiese geleidbaarheid het, wat dikwels teenstrydige vereistes is.

Algemene Materiale

• Bismut telluuride (Bi2Te3) en sy legers

• Lood telluuride (PbTe) en sy legers

• Skutterudites

• Half-Heusler komposiete

Toepassings

• Koeltoestelle

• Kragopwekking van afvalhitte

• Kragopwekking van radio-isotoppe

 Uitdagings

• Laag effektiwiteit

• Hoë koste

• Termiese bestuur

• Sistemberginnering

Toekomstige Rigtings

• Nuwe termoelektriese materiale

• Geavanceerde termoelektriese module

• Innovatiewe termoelektriese stelsels

Gevolgtrekking

Termoelektriese kragopwekkers is toestelle wat hitte-energie kan omskakel na elektriese energie deur gebruik te maak van die Seebeck-effek. Termoelektriese kragopwekkers het baie voordele bo tradisionele kragopwekkingmetodes, soos kompaktheid, betroubaarheid, geruisloosheid, en direkte omskakeling. Termoelektriese kragopwekkers het verskeie toepassings in verskillende velde, soos koeltoestelle, kragopwekking van afvalhitte, en kragopwekking van radio-isotoppe. Echter, termoelektriese kragopwekkers staan ook voor sommige uitdagings en beperkings wat oorkom moet word vir praktiese implementering, soos lae effektiwiteit, hoë koste, termiese bestuur, en sistemberginnering. Die toekomstige rigtings vir termoelektriese kragopwekker-navorsing en -ontwikkeling sluit nuwe termoelektriese materiale, geavanceerde termoelektriese module, en innovatiewe termoelektriese stelsels in. Termoelektriese kragopwekkers het groot potensiaal vir energie-omskakeling en -vergaringstoepassings in verskeie sektore en scenario's.