Hvad er termoelektriske strømforsyninger?

Hvad er termoelektriske strømforsyninger?

Definition af termoelektrisk generator

En termoelektrisk generator (TEG) er en enhed, der konverterer varmeenergi til elektrisk energi ved hjælp af Seebeck-effekten. Seebeck-effekten er et fænomen, der opstår, når der findes en temperaturforskelle mellem to forskellige ledere eller en kredsløb af ledere, hvilket skaber en elektrisk spændingsforskel. TEG'er er faststofenheder, der ikke har bevægelige dele og kan fungere stille og pålideligt over lange perioder. TEG'er kan bruges til at udnytte spildvarme fra forskellige kilder, såsom industrielle processer, biler, kraftværker og endda menneskelig kropsvarme, og konvertere det til nyttig elektricitet. TEG'er kan også bruges til at forsyne fjernliggende enheder, som sensorer, trådløse transmittere og rumfartøj, med strøm ved hjælp af radioisotoper eller solvarme som varmekilde.

Arbejdsprincip

En termoelektrisk generator består af to hovedkomponenter: termoelektriske materialer og termoelektriske moduler.

Termoelektriske materialer er materialer, der viser Seebeck-effekten, og genererer en elektrisk spænding, når der er en temperaturforskelle. De inddeles i to typer: n-type og p-type. N-type materialer har ekstra elektroner, mens p-type materialer mangler elektroner. Når de forbinder i serie med metal-elektroder, dannes disse materialer et termokuplet, den grundlæggende enhed i en termoelektrisk generator.

Et termoelektrisk modul er en enhed, der indeholder mange termokupler forbundet elektrisk i serie og termisk parallel. Et termoelektrisk modul har to sider: en varm side og en kold side. Når den varme side udsættes for en varmekilde, og den kolde side udsættes for en varmesink, opstår der en temperaturforskelle over modulen, hvilket forårsager, at en strøm løber gennem kredsløbet. Strømmen kan bruges til at forsyne en ekstern last eller oplade en batteri. Spændingen og effekten fra et termoelektrisk modul afhænger af antallet af termokupler, temperaturforskellen, Seebeck-koefficienten og de elektriske og termiske resistancer i materialerne.

Effektiviteten af en termoelektrisk generator defineres som forholdet mellem den elektriske effektudbytte og varmeanvendelse. Denne effektivitet er begrænset af Carnot-effektiviteten, den maksimale mulige effektivitet for ethvert varmeforbrug mellem to temperaturer. Carnot-effektiviteten er givet ved:

hvor Tc er temperaturen på den kolde side, og Th er temperaturen på den varme side.

Den faktiske effektivitet af en termoelektrisk generator er meget lavere end Carnot-effektiviteten på grund af forskellige tab som Joule-varme, termisk konduktion og termisk stråling. Den faktiske effektivitet af en termoelektrisk generator afhænger af figuren af fortjeneste (ZT) af de termoelektriske materialer, som er en dimensionsløs parameter, der måler ydeevnen af et materiale til termoelektriske anvendelser. Figuren af fortjeneste er givet ved:

hvor α er Seebeck-koefficienten, σ er den elektriske ledeevne, κ er den termiske ledeevne, og T er den absolute temperatur.

Jo højere figuren af fortjeneste, jo højere effektivitet har termoelektriske generator. Figuren af fortjeneste afhænger både af intrinske egenskaber (som elektron- og fonontransport) og ekstrinske egenskaber (som dopningsniveau og geometri) af materialerne. Målet for forskning i termoelektriske materialer er at finde eller designe materialer, der har en høj Seebeck-koefficient, høj elektrisk ledeevne og lav termisk ledeevne, som ofte er modsatrettede krav.

Almindelige materialer

• Bismuttellurid (Bi2Te3) og dets legemer

• Blytellurid (PbTe) og dets legemer

• Skutteruditer

• Half-Heusler kompounder

Anvendelser

• Køleanordninger

• Strømfremstilling fra spildvarme

• Strømfremstilling fra radioisotoper

 Udfordringer

• Lav effektivitet

• Høj pris

• Termisk forvaltning

• Systemintegration

Fremtidige retninger

• Nye termoelektriske materialer

• Avancerede termoelektriske moduler

• Innovative termoelektriske systemer

Konklusion

Termoelektriske generatorer er enheder, der kan konvertere varmee