מה הם גנרטורי חשמל תרמואלקטריים

מהן מתקני גנרטור חשמל תרמו-אלקטריים?

הגדרת גנרטור תרמו-אלקטרי

גנרטור תרמו-אלקטרי (TEG) הוא מכשיר הממיר אנרגיה חום לאנרגיה חשמלית באמצעות אפקט ה-Seebeck. אפקט ה-Seebeck הוא תופעה המתרחשת כאשר ישנה הפרש טמפרטורות בין שני מוליכים שונים או מעגל של מוליכים, מה שמייצר הפרש פוטנציאל חשמלי. גנרטורים תרמו-אלקטריים הם מכשירים קשיחים ללא חלקים נעים ויכולים לפעול בשקט ובאמינות לאורך זמן רב. ניתן להשתמש בגנרטורים תרמו-אלקטריים כדי להפיק אנרגיה חום ממקורות שונים כגון תהליכים תעשייתיים, רכבים, תחנות כוח ואפילו חום גוף אנושי, ולהמיר אותה לאנרגיה חשמלית שימושית. גנרטורים תרמו-אלקטריים יכולים גם לספק אנרגיה למכשירים מרוחקים כגון חיישנים, משדרים אלחוטיים וחלליות, באמצעות שימוש ברדיואיזוטופים או חום סולרי כמקור החום.

עקרון פעולה

גנרטור תרמו-אלקטרי מורכב משני רכיבים עיקריים: חומרים תרמו-אלקטריים ומודולים תרמו-אלקטריים.

חומרים תרמו-אלקטריים הם חומרים המראים את אפקט ה-Seebeck, היוצרря напряжение при разности температур. Они делятся на два типа: n-типа и p-типа. Материалы n-типа имеют избыточные электроны, в то время как материалы p-типа недостаток электронов. Когда они соединены последовательно с металлическими электродами, эти материалы образуют термопару, которая является основной единицей термоэлектрического генератора.

מודול תרמו-אלקטרי הוא מכשיר המכיל מספר גדול של תרמוכפלים המחוברים חשמלית בטור ובפרצוף טרמי מקביל. לממדול תרמו-אלקטרי יש שתי צדדים: צד חם וצד קר. כאשר הצד החם חשוף למקור חום והצד הקר חשוף לספיגת חום, נוצר הפרש טמפרטורות במודול, מה שגורם לזרם לזרום דרך המעגל. הזרם יכול לשמש להפעלת עומס חיצוני או לטעינת סוללה. המתח והפלט החשמלי של מודול תרמו-אלקטרי תלוי במספר התרמוכפלים, בהפרש הטמפרטורה, במקדם ה-Seebeck ובהתנגדויות החשמלית והטמפרטורתית של החומרים.

יעילות הגנרטור התרמו-אלקטרי מוגדרת כיחס בין הפלט החשמלי לקלט החום. יעילות זו מוגבלת על ידי יעילות Carnot, היעילות המרבית האפשרית לכל מנוע חום בין שתי טמפרטורות. יעילות Carnot נתונה על ידי:

כאשר Tc היא הטמפרטורה של הצד הקר, ו-Th היא הטמפרטורה של הצד החם.

היעילות האמיתית של גנרטור תרמו-אלקטרי היא הרבה יותר נמוכה מיעילות Carnot בשל אובדן מגוון כמו חימום Joule, מוליכות טרמית ואירידציה טרמית. היעילות האמיתית של גנרטור תרמו-אלקטרי תלויה במדד הצטיינות (ZT) של החומרים התרמו-אלקטריים, שהוא פרמטר חסר מימד המודד את הביצועים של חומר עבור יישומים תרמו-אלקטריים. מדד הצטיינות נתון על ידי:

כאשר α הוא מקדם ה-Seebeck, σ היא מוליכות חשמלית, κ היא מוליכות טרמית, ו-T היא הטמפרטורה המוחלטת.

чем выше коэффициент полезного действия, тем выше эффективность термоэлектрического генератора. Коэффициент полезного действия зависит как от внутренних свойств (таких как транспорт электронов и фононов), так и от внешних свойств (таких как уровень легирования и геометрия) материалов. Цель исследований в области термоэлектрических материалов - найти или разработать материалы с высоким коэффициентом Зебека, высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что часто являются противоречивыми требованиями.

חומרים נפוצים

• ביסמוט טלוריד (Bi2Te3) ובריאנטיו

• פלדת טלוריד (PbTe) ובריאנטיו

• סקאטרודיטים

• האלף-היוסלר

יישומים

• מכשירי קירור

• ייצור חשמל מאנרגיה חום פסולת

• ייצור חשמל מאיזוטופים רדיואקטיביים

 אתגרים

• יעילות נמוכה

• מחיר גבוה

• ניהול טמפרטורה

• שילוב מערכת

כיוונים עתידיים

• חומרים תרמו-אלקטריים חדשים

• מודולים תרמו-אלקטריים מתקדמים

• מערכות תרמו-אלקטריות חדשניות

מסקנה

גנרטורים תרמו-אלקטריים הם מכשירים שממירים אנרגיה חום לאנרגיה חשמלית באמצעות אפקט ה-Seebeck. לגנרטורים תרמו-אלקטריים יש יתרונות רבים על פני שיטות ייצור חשמל קונבנציונליות, כגון קומפקטיות, אמינות, שתיקה ומרהצה ישירה. לגנרטורים תרמו-אלקטריים יש יישומים שונים בז'אנרים שונים, כגון מכשירי קירור, ייצור חשמל מאנרגיה חום פסולת וייצור חשמל מאיזוטופים רדיואקטיביים. עם זאת, לגנרטורים תרמו-אלקטריים יש גם אתגרים וגבילויות שצריכים להתגבר עליהם ליישום מעשי, כגון יעילות נמוכה, מחיר גבוה, ניהול טמפרטורה ושילוב מערכת. הכיוונים העתידיים לחקר ופיתוח גנרטורים תרמו-אלקטריים כוללים חומרים תרמו-אלקטריים חדשים, מודולים תרמו-אלקטריים מתקדמים ומערכות תרמו-אלקטריות חדשניות. לגנרטורים תרמו-אלקטריים יש פוטנציאל גדול ליישומי המרה והפקת אנרגיה בסקטורים שונים ובסצנריות שונות.