Τι είναι Θερμοηλεκτρικοί Μετατροπείς Ενέργειας;

Τι είναι οι Θερμοηλεκτρικοί Γεννήτριες;

Ορισμός του Θερμοηλεκτρικού Γεννήτρια

Ένας θερμοηλεκτρικός γεννήτρια (TEG) είναι ένα συστήμα που μετατρέπει θερμητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Seebeck. Το φαινόμενο Seebeck είναι ένα φαινόμενο που παρουσιάζεται όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο διαφορετικών αγωγών ή ενός κυκλώματος αγωγών, δημιουργώντας μια διαφορά ηλεκτρικής δυναμικής. Οι TEGs είναι στερεά συστήματα που δεν έχουν κινούμενα μέρη και μπορούν να λειτουργούν ήρεμα και αξιόπιστα για μεγάλες περίοδες. Οι TEGs μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποσυμπίεση απορριμματικής θερμότητας από διάφορες πηγές, όπως βιομηχανικές διαδικασίες, αυτοκίνητα, ηλεκτροπαραγωγικά, και ακόμη και θερμότητα από το ανθρώπινο σώμα, και να την μετατρέπουν σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Οι TEGs μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ενεργοποίηση απομακρυσμένων συστημάτων, όπως αισθητήρες, ασύρματοι μεταδοτές, και διαστημόπλοια, χρησιμοποιώντας ραδιοϊσότοπα ή ηλιακή θερμότητα ως πηγή θερμότητας.

Αρχή Λειτουργίας

Ένας θερμοηλεκτρικός γεννήτρια αποτελείται από δύο βασικά συστατικά: θερμοηλεκτρικά υλικά και θερμοηλεκτρικά μόντουλα.

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά είναι υλικά που εμφανίζουν το φαινόμενο Seebeck, δημιουργώντας ηλεκτρική τάση όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας. Κατατάσσονται σε δύο τύπους: n-τύπου και p-τύπου. Τα υλικά n-τύπου έχουν περισσότερους ηλεκτρόνια, ενώ τα υλικά p-τύπου έχουν έλλειψη ηλεκτρονίων. Όταν συνδέονται σε σειρά με μεταλλικά ηλεκτρόδια, αυτά τα υλικά σχηματίζουν ένα θερμοηλεκτρικό ζευγάρι, τη βασική μονάδα ενός θερμοηλεκτρικού γεννητή.

Ένα θερμοηλεκτρικό μόντουλο είναι ένα συστήμα που περιέχει πολλά θερμοηλεκτρικά ζευγάρια συνδεδεμένα ηλεκτρικά σε σειρά και θερμικά παράλληλα. Ένα θερμοηλεκτρικό μόντουλο έχει δύο πλευρές: μια θερμή και μια κρύα. Όταν η θερμή πλευρά εκτίθεται σε μια πηγή θερμότητας και η κρύα πλευρά σε έναν θερμικό απορροφητή, δημιουργείται μια διαφορά θερμοκρασίας στο μόντουλο, προκαλώντας την ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα. Το ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση εξωτερικού φορτίου ή την φόρτιση μιας μπαταρίας. Η τάση και η ισχύς εξόδου ενός θερμοηλεκτρικού μόντουλου εξαρτάται από τον αριθμό των θερμοηλεκτρικών ζευγαριών, τη διαφορά θερμοκρασίας, τον συντελεστή Seebeck, και τις ηλεκτρικές και θερμικές αντιστάσεις των υλικών.

Η αποτελεσματικότητα ενός θερμοηλεκτρικού γεννητή ορίζεται ως το πηλίκο της ηλεκτρικής ισχύος εξόδου προς την θερμητική είσοδο. Αυτή η αποτελεσματικότητα περιορίζεται από την αποτελεσματικότητα Carnot, τη μέγιστη δυνατή αποτελεσματικότητα για οποιοδήποτε θερμικό μηχανή μεταξύ δύο θερμοκρασιών. Η αποτελεσματικότητα Carnot δίνεται από:

όπου Tc είναι η θερμοκρασία της κρύας πλευράς, και Th είναι η θερμοκρασία της θερμής πλευράς.

Η πραγματική αποτελεσματικότητα ενός θερμοηλεκτρικού γεννητή είναι πολύ χαμηλότερη από την αποτελεσματικότητα Carnot λόγω διάφορων απωλειών, όπως η θερμότητα Joule, η θερμική διάχυση, και η θερμική ακτινοβολία. Η πραγματική αποτελεσματικότητα ενός θερμοηλεκτρικού γεννητή εξαρτάται από τον δείκτη αξίας (ZT) των θερμοηλεκτρικών υλικών, ο οποίος είναι ένα αδιάστατο παράμετρο που μετρά την απόδοση ενός υλικού για θερμοηλεκτρικές εφαρμογές. Ο δείκτης αξίας δίνεται από:

όπου α είναι ο συντελεστής Seebeck, σ είναι η ηλεκτρική συνεκτικότητα, κ είναι η θερμική συνεκτικότητα, και T είναι η απόλυτη θερμοκρασία.

Όσο υψηλότερος είναι ο δείκτης αξίας, τόσο υψηλότερη είναι η αποτελεσματικότητα του θερμοηλεκτρικού γεννητή. Ο δείκτης αξίας εξαρτάται από τόσο εγγενείς ιδιότητες (όπως η μεταφορά ηλεκτρόνιων και φωνόνιων) όσο και εξωγενείς ιδιότητες (όπως η επίπεδος δόπανσης και η γεωμετρία) των υλικών. Το στόχος της έρευνας των θερμοηλεκτρικών υλικών είναι να βρεθούν ή να σχεδιαστούν υλικά που έχουν υψηλό συντελεστή Seebeck, υψηλή ηλεκτρική συνεκτικότητα, και χαμηλή θερμική συνεκτικότητα, οι οποίες είναι συχνά συγκρουσιακές απαιτήσεις.

Κοινά Υλικά

• Βισμούθιο τελλυύριο (Bi2Te3) και τα σύμμικτά του

• Μολύβδιο τελλυύριο (PbTe) και τα σύμμικτά του

• Σκάτερουδιτες

• Παράγωγοι Half-Heusler

Εφαρμογές

• Συστήματα ψύξης

• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από απορριμματική θερμότητα

• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ραδιοϊσότοπα

 Προκλήσεις

• Χαμηλή αποτελεσματικότητα

• Υψηλό κόστος

• Θερμική διαχείριση

• Ενσωμάτωση συστήματος

Μέλλοντα Προοπτικές

• Νέα θερμοηλεκτρικά υλικά

• Προηγμένα θερμοηλεκτρικά μόντουλα

• Innovative thermoelectric systems

Συμπέρασμα

Οι θερμοηλεκτρικοί γεννήτριες είναι συστήματα που μπορούν να μετατρέπουν θερμητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Seebeck. Οι θερμοηλεκτρικοί γεννήτριες έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών μεθόδων παραγωγής ενέργειας, όπως η συμπαγήτητα, η αξιοπιστία, η ηρεμία, και η άμεση μετατροπή. Οι θερμοηλεκτρικοί γεννήτριες έχουν διάφορες εφαρμογές σε διάφορους τομείς, όπως συστήματα ψύξης, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από απορριμματική θερμότητα, και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ραδιοϊσότοπα. Ωστόσο, οι θερμοηλεκτρικοί γεννήτριες αντιμετωπίζουν επίσης κάποιες προκλήσεις και περιορισμούς που πρέπει να ξεπεραστούν για την πρακτική εφαρμογή, όπως η χαμηλή αποτελεσματικότητα, το υψηλό κόστος, η θερμική διαχείριση, και η ενσωμάτωση συστήματος. Οι μέλλοντες διαδρομοί έρευνας και ανάπτυξης για θερμοηλεκτρικούς γεννητές περιλαμβάνουν νέα θερμοηλεκτρικά υλικά, προηγμένα θερμοηλεκτρικά μόντουλα, και καινοτόμα θερμοηλεκτρικά συστήματα. Οι θερμοηλεκτρικοί γεννήτριες έχουν μεγάλο δυναμικό για εφαρμογές μετατροπής και αποσυμπίεσης ενέργειας σε διάφορους τομείς και σενάρια.