Co jsou termoelektrické elektrárny?

Co jsou termoelektrické generátory?

Definice termoelektrického generátoru

Termoelektrický generátor (TEG) je zařízení, které převádí tepelnou energii na elektrickou energii pomocí Seebeckova efektu. Seebeckův efekt je jev, který nastává, když existuje rozdíl teplot mezi dvěma různými vodiči nebo obvodem vodičů, což vytváří elektrický potenciální rozdíl. TEG jsou pevné stavy bez pohyblivých částí, které mohou pracovat tiše a spolehlivě po dlouhou dobu. TEG lze použít k využití odpadního tepla z různých zdrojů, jako jsou průmyslové procesy, automobily, elektrárny a dokonce i lidské tělesné teplo, a převést ho na užitečnou elektrickou energii. TEG lze také použít k napájení vzdálených zařízení, jako jsou senzory, bezdrátové přenosy a kosmické sondy, pomocí radioizotopů nebo slunečního tepla jako zdroje tepla.

Princip fungování

Termoelektrický generátor se skládá ze dvou hlavních komponent: termoelektrických materiálů a termoelektrických modulů.

Termoelektrické materiály jsou materiály, které ukazují Seebeckův efekt, generují elektrické napětí, když existuje rozdíl teplot. Dělí se na dva typy: n-typ a p-typ. Materiály n-typu mají navíc elektrony, zatímco materiály p-typu chybí elektrony. Když jsou spojeny v sérii s kovovými elektrodami, tyto materiály tvoří termokupli, základní jednotku termoelektrického generátoru.

Termoelektrický modul je zařízení, které obsahuje mnoho termokuplí spojených elektricky v sérii a tepelně paralelně. Termoelektrický modul má dvě strany: horkou a studenou. Když je horká strana vystavena zdroji tepla a studená strana vystavena tepelnému úložišti, vytváří se v modulu rozdíl teplot, což způsobuje proudění elektrického proudu v obvodu. Proudy lze použít k napájení externího zatížení nebo nabíjení baterie. Napětí a výkon termoelektrického modulu závisí na počtu termokuplí, rozdílu teplot, Seebeckově koeficientu a elektrické a tepelné odporu materiálů.

Účinnost termoelektrického generátoru je definována jako poměr elektrického výstupu k tepelnému vstupu. Tato účinnost je omezena Carnotovou účinností, maximální možnou účinností pro jakýkoli tepelný stroj mezi dvěma teplotami. Carnotova účinnost je dána:

kde Tc je teplota studené strany a Th je teplota horké strany.

Skutečná účinnost termoelektrického generátoru je mnohem nižší než Carnotova účinnost kvůli různým ztrátám, jako je Jouleovo teplo, tepelná vodivost a tepelné záření. Skutečná účinnost termoelektrického generátoru závisí na hodnotě zásluhy (ZT) termoelektrických materiálů, která je bezrozměrný parametr, který měří výkon materiálu pro termoelektrické aplikace. Hodnota zásluhy je dána:

kde α je Seebeckův koeficient, σ je elektrická vodivost, κ je tepelná vodivost a T je absolutní teplota.

Čím vyšší je hodnota zásluhy, tím vyšší je účinnost termoelektrického generátoru. Hodnota zásluhy závisí na jak vnitřních vlastnostech (např. transport elektronů a fononů), tak vnějších vlastnostech (např. úroveň dotace a geometrie) materiálů. Cílem výzkumu termoelektrických materiálů je najít nebo navrhnout materiály, které mají vysoký Seebeckův koeficient, vysokou elektrickou vodivost a nízkou tepelnou vodivost, což jsou často konfliktní požadavky.

Běžné materiály

• Bismutový tellurid (Bi2Te3) a jeho slitiny

• Olovnatý tellurid (PbTe) a jeho slitiny

• Skutterudity

• Half-Heuslerovy komplexní sloučeniny

Aplikace

• Chladicí zařízení

• Výroba energie z odpadního tepla

• Výroba energie z radioizotopů

 Výzvy

• Nízká účinnost

• Vysoké náklady

• Tepelné řízení

• Integrace systému

Budoucí směry

• Nové termoelektrické materiály

• Pokročilé termoelektrické moduly

• Inovativní termoelektrické systémy

Závěr

Termoelektrické generátory jsou zařízení, která mohou převádět tepelnou energii na elektrickou energii pomocí Seebeckova efektu. Termoelektrické generátory mají mnoho výhod oproti tradičním metodám výroby energie, jako jsou kompaktnost, spolehlivost, tichost a přímý převod. Termoelektrické generátory mají různé aplikace v různých oblastech, jako jsou chladicí zařízení, výroba energie z odpadního tepla a výroba energie z radioizotopů. Nicméně, termoelektrické generátory čelí také některým výzvám a omezením, které je třeba překonat pro praktické použití, jako je nízká účinnost, vysoké náklady, tepelné řízení a integrace systému. Budoucí směry výzkumu a vývoje termoelektrických generátorů zahrnují nové termoelektrické materiály, pokročilé termoelektrické moduly a inovativní termoelektrické systémy. Termoelektrické generátory mají velký potenciál pro aplikace v oblasti převodu a využití energie v různých odvětvích a scénářích.