Mitä ovat termoelektriset sähköntuotantolaitteet

Mitä ovat termoelektriset sähköntuotantolaitteet?

Termoelektrisen sähköntuotantolaitteen määritelmä

Termoelektrinen sähköntuotantolaitte (TEG) on laite, joka muuttaa lämpöenergian sähköenergiaksi käyttäen Seebeck-efektiä. Seebeck-efekti on ilmiö, joka syntyy, kun kahdella eri johtimella tai johtimien silmukassa on lämpötilaero, mikä luo sähköisen potentiaalieron. TEG:t ovat kiinteän aineen laitteita, joilla ei ole liikkuvia osia, ja ne voivat toimia hiljaisesti ja luotettavasti pitkään aikaan. TEG:itä voidaan käyttää erilaisten lähteiden, kuten teollisuusprosessien, autojen, voimaloiden ja jopa ihmisen kehon lämmön hyödyntämiseen ja muuntamiseen käyttökelpoiseksi sähköksi. TEG:it voidaan myös käyttää etäpaikalla olevien laitteiden, kuten anturien, langattomien lähetystoiminnan ja avaruusalustojen, toimittamiseen käyttämällä radioisotooppia tai aurinkolämpöä lämpölähdeksi.

Toimintaperiaate

Termoelektrinen sähköntuotantolaitte koostuu kahdesta pääkomponentista: termoelektrisistä materiaaleista ja termoelektrisistä moduleista.

Termoelektriset materiaalit ovat materiaaleja, jotka näyttävät Seebeck-efektia, eli ne tuottavat sähköisen jännitteen, kun niissä on lämpötilaero. Ne luokitellaan kahteen tyyppiin: n-tyypin ja p-tyypin. N-tyypin materiaaleissa on ylimääräisiä elektroneja, kun taas p-tyypin materiaaleissa elektronit puuttuvat. Kun nämä materiaalit yhdistetään sarjana metallijohdin avulla, ne muodostavat termoparin, jonka perusyksikkö termoelektrisessä sähköntuotantolaitteessa.

Termoelektrinen moduuli on laite, jossa on useita termopareja, jotka ovat yhdistetty sähköisesti sarjana ja lämpöllisesti rinnakkaan. Termoelektrisellä moduulilla on kaksi puolta: kuuma puoli ja kylmä puoli. Kun kuuma puoli altistetaan lämpölähdeelle ja kylmä puoli lämpövirtaukselle, moduulin yli luodaan lämpötilaero, mikä aiheuttaa sähkövirran kulkevan piirin kautta. Sähkövirtaa voidaan käyttää ulkoisen kuorman tai akun lataamiseen. Termoelektrisen moduulin jännite ja tehon output riippuvat termopareiden määrästä, lämpötilaerosta, Seebeck-kerroin arvosta sekä materiaalien sähköisestä ja lämpöllisestä vastusta.

Termoelektrisen sähköntuotantolaitteen tehokkuus määritellään sähköisen tehon outputin suhteena lämpöenergian inputtiin. Tämä tehokkuus on rajoitettu Carnot-tehokkuudella, mikä on maksimaalisesti mahdollinen tehokkuus millä tahansa lämpömoottorille kahden lämpötilan välillä. Carnot-tehokkuus annetaan seuraavasti:

missä Tc on kylmän puolen lämpötila, ja Th on kuuman puolen lämpötila.

Termoelektrisen sähköntuotantolaitteen todellinen tehokkuus on paljon alhaisempi kuin Carnot-tehokkuus erilaisten häviöiden, kuten Joule-lämmityksen, lämpöjohtumisen ja lämpöradiaation vuoksi. Termoelektrisen sähköntuotantolaitteen todellinen tehokkuus riippuu termoelektristen materiaalien ansioarvosta (ZT), joka on mittava tunnusluku, joka mitataa materiaalin soveltuvuutta termoelektrisiin sovelluksiin. Ansioarvo annetaan seuraavasti:

missä α on Seebeck-kerroin, σ on sähköinen johtavuus, κ on lämpöjohtavuus ja T on absoluuttinen lämpötila.

Ansioarvon korkeampi, sitä korkeampi termoelektrisen sähköntuotantolaitteen tehokkuus. Ansioarvo riippuu sekä intrinsiikseistä ominaisuuksista (kuten elektronien ja fononien kuljetuksesta) että extrinsiikseistä ominaisuuksista (kuten dopesointitasosta ja geometriasta). Termoelektristen materiaalien tutkimuksen tavoitteena on löytää tai suunnitella materiaaleja, joilla on korkea Seebeck-kerroin, korkea sähköinen johtavuus ja matala lämpöjohtavuus, jotka usein ovat ristiriidassa toistensa kanssa.

Yleisiä materiaaleja

• Bismutteluridi (Bi2Te3) ja sen alligaatit

• Lyhdyn telluriidi (PbTe) ja sen alligaatit

• Skutterudit

• Half-Heusler-kompoksit

Sovellukset

• Jäähdytyslaitteet

• Sähköntuotanto jätteelämmöstä

• Sähköntuotanto radioisotooppien avulla

 Haasteet

• Alhainen tehokkuus

• Korkea hinta

• Lämpöhallinta

• Järjestelmän integraatio

Tulevaisuuden suunnat

• Uudet termoelektriset materiaalit

• Edistykselliset termoelektriset moduulit

• Innovaatiiviset termoelektriset järjestelmät

Johtopäätös

Termoelektriset sähköntuotantolaitteet ovat laitteita, jotka voivat muuntaa lämpöenergian sähköenergiaksi käyttäen Seebeck-efektiä. Termoelektriset sähköntuotantolaitteet tarjoavat monia etuja perinteisiä sähköntuotantomenetelmiä vasten, kuten kompaktisuuden, luotettavuuden, hiljaisuuden ja suoran muuntamisen. Termoelektriset sähköntuotantolaitteet ovat käytössä eri aloilla, kuten jäähdytyslaitteissa, sähköntuotannossa jätteelämmöstä ja sähköntuotannossa radioisotooppien avulla. Kuitenkin termoelektriset sähköntuotantolaitteet kohtaavat myös haasteita ja rajoitteita, jotka on voitettava käytännön toteuttamiseksi, kuten alhainen tehokkuus, korkea hinta, lämpöhallinta ja järjestelmän integraatio. Termoelektristen sähköntuotantolaitteiden tutkimuksen ja kehityksen tulevat suunnat sisältävät uusia termoelektrisiä materiaaleja, edistyksellisiä termoelektrisiä moduleja ja innovaatiivisia termoelektrisiä järjestelmiä. Termoelektriset sähköntuotantolaitteet tarjoavat suuren potentiaalin energiamuuntamiselle ja energiaharvestaukselle eri sektoreissa ja skenaarioissa.