Какви са термоелектричните генератори за производство на електричество?

Какво са термоелектрични генератори?

Дефиниция на термоелектричния генератор

Термоелектричният генератор (TEG) е устройство, което преобразува топлинна енергия в електрическа енергия, използвайки Себековия ефект. Себековият ефект е феномен, който се проявява, когато има разлика в температурата между два различни проводника или цепта от проводници, създавайки електрическо потенциално напрежение. TEG-товете са твърдотелни устройства, които нямат движещи части и могат да работят безшумно и надеждно за дълги периоди от време. TEG-товете могат да бъдат използвани за усвояване на остатъчна топлина от различни източници, такива като индустриални процеси, автомобили, електроцентрали и дори човешко телесно загряване, и да я преобразуват в полезна електроенергия. TEG-товете могат също да бъдат използвани за осигуряване на енергия на отдалечени устройства, такива като сензори, радиопредаватели и космически апарати, използвайки радиоизотопи или слънчева топлина като източник на топлина.

Принцип на действие

Термоелектричният генератор се състои от две основни компонента: термоелектрични материали и термоелектрични модули.

Термоелектричните материали са материали, които показват Себековия ефект, генерирайки електрическо напрежение, когато има разлика в температурата. Те се класифицират в два типа: n-тип и p-тип. Материалите от n-типа имат допълнителни електрони, докато материалите от p-типа липсват на електрони. Когато са свързани в ред с метални електроди, тези материали образуват термопара, основната единица на термоелектричния генератор.

Термоелектричният модул е устройство, което съдържа много термопари, свързани електрически в ред и топлинно паралелно. Термоелектричният модул има две страни: гореща и студена. Когато горещата страна е изложена на източник на топлина, а студената страна е изложена на топлоизточник, се създава разлика в температурата през модула, причинявайки преместване на тока през цептата. Токът може да бъде използван за подхранване на външен потребител или зареждане на батерия. Напрежението и мощността на изхода на термоелектричния модул зависят от броя на термопарите, разликата в температурата, Себековия коефициент и електрическите и топлинните съпротивления на материалите.

Ефективността на термоелектричния генератор се дефинира като отношението на електрическата мощност на изхода към топлинния вход. Тази ефективност е ограничена от Кантовата ефективност, максималната възможна ефективност за всеки топлинен двигател между две температури. Кантовата ефективност се дава от:

където Tc е температурата на студената страна, а Th е температурата на горещата страна.

Фактическата ефективност на термоелектричния генератор е много по-ниска от Кантовата ефективност поради различни загуби, такива като Йоулово затопляне, топлинна проводимост и топлинно излъчване. Фактическата ефективност на термоелектричния генератор зависи от показателя на заслуга (ZT) на термоелектричните материали, който е безразмерен параметър, който измерва производителността на материал за термоелектрични приложения. Показателят на заслуга се дава от:

където α е Себековия коефициент, σ е електрическата проводимост, κ е топлинната проводимост, а T е абсолютната температура.

По-високият показател на заслуга води до по-висока ефективност на термоелектричния генератор. Показателят на заслуга зависи както от вътрешни свойства (като транспортирането на електрони и фонони), така и от външни свойства (като равнището на допиране и геометрията) на материалите. Целта на изследванията в областта на термоелектричните материали е да се намерят или да се конструират материали, които имат висок Себеков коефициент, висока електрическа проводимост и ниска топлина проводимост, които често са противоречащи изисквания.

Общи материали

• Бисмуттелурид (Bi2Te3) и неговите сплави

• Свинцова телур (PbTe) и неговите сплави

• Скутерудити

• Половин-Хейслерови съединения

Приложения

• Охладителни устройства

• Генериране на енергия от остатъчна топлина

• Генериране на енергия от радиоизотопи

 Предизвикателства

• Ниска ефективност

• Висока цена

• Топлинно управление

• Интеграция на системата

Бъдещи насоки

• Нови термоелектрични материали

• Современни термоелектрични модули

• Иновативни термоелектрични системи

Заключение

Термоелектричните генератори са устройства, които могат да преобразуват топлинна енергия в електрическа енергия, използвайки Себековия ефект. Термоелектричните генератори имат много предимства пред конвенционалните методи за генериране на енергия, такива като компактност, надеждност, безшумност и директно преобразуване. Термоелектричните генератори имат различни приложения в различни области, такива като охладителни устройства, генериране на енергия от остатъчна топлина и генериране на енергия от радиоизотопи. Обаче, термоелектричните генератори също срещат някои предизвикателства и ограничения, които трябва да бъдат преодолени за практическата имплементация, такива като ниска ефективност, висока цена, топлинно управление и интеграция на системата. Бъдещите насоки за изследванията и развитието на термоелектричните генератори включват нови термоелектрични материали, современни термоелектрични модули и иновативни термоелектрични системи. Термоелектричните генератори имат голям потенциал за приложения в областта на преобразуването и усвояването на енергия в различни сектори и сценарии.