Što su termoelektrični generatori električne energije
Što su termoelektrični generatori snage?
Definicija termoelektričnog generatora
Termoelektrični generator (TEG) je uređaj koji pretvara toplinsku energiju u električnu energiju koristeći Seebeckov učinak. Seebeckov učinak je pojava koja se događa kada postoji razlika temperature između dvaju različitih vodilaca ili kruga vodilaca, stvarajući električni potencijalni pad. TEG-ovi su čvrsto stanja uređaji bez pokretnih dijelova i mogu raditi tiho i pouzdano tijekom dugo vremena. TEG-ovi mogu se koristiti za iskorištavanje odlaganog toplinskog zračenja iz različitih izvora, poput industrijskih procesa, automobila, elektrana i čak topline ljudskog tijela, te pretvaranje toga u korisnu električnu energiju. TEG-ovi se također mogu koristiti za opskrbu udaljenih uređaja, poput senzora, bežičnih nadajnika i svemirske opreme, koristeći radioizotope ili sunčevu toplinu kao izvor toplinske energije.
Načelo rada
Termoelektrični generator sastoji se od dvije glavne komponente: termoelektričnih materijala i termoelektričnih modula.
Termoelektrični materijali su materijali koji pokazuju Seebeckov učinak, generirajući električni napon kada postoji razlika temperature. Klasiču se u dvije vrste: n-tip i p-tip. Materijali n-tipa imaju dodatne elektrone, dok materijali p-tipa nedostaju elektrone. Kada su spojeni u seriju s metalnim elektrodama, ti materijali formiraju termopar, osnovnu jedinicu termoelektričnog generatora.
Termoelektrični modul je uređaj koji sadrži mnogo termopara spojenih električno u seriju i toplinski paralelno. Termoelektrični modul ima dvije strane: vruću stranu i hladnu stranu. Kada je vruća strana izložena izvoru topline, a hladna strana izložena hlađenju, stvara se razlika temperature na modulu, što uzrokuje tok struje kroz krug. Struja se može koristiti za opskrbu vanjskog opterećenja ili punjenje baterije. Napon i snaga izlaza termoelektričnog modula ovisi o broju termopara, razlici temperature, Seebeckovom koeficijentu i električkoj i toplinskoj otpornosti materijala.
Učinkovitost termoelektričnog generatora definira se kao omjer električne snage izlaza i toplinske ulazne snage. Ova učinkovitost ograničena je Carnotovom učinkovitosti, maksimalnom mogućom učinkovitosti za bilo koji toplinski motor između dvije temperature. Carnotova učinkovitost dana je formulom:
gdje je Tc temperatura hladne strane, a Th temperatura vruće strane.
Stvarna učinkovitost termoelektričnog generatora znatno je niža od Carnotove učinkovitosti zbog različitih gubitaka, poput Jouleove topline, toplinske provodnosti i toplinske radijacije. Stvarna učinkovitost termoelektričnog generatora ovisi o faktoru zasluge (ZT) termoelektričnih materijala, dimenzioniranom parametru koji mjeri performanse materijala za termoelektrične primjene. Faktor zasluge dan je formulom:
gdje je α Seebeckov koeficijent, σ električna provodnost, κ toplinska provodnost, a T apsolutna temperatura.
Viši faktor zasluge rezultira višom učinkovitosti termoelektričnog generatora. Faktor zasluge ovisi o intrinsičkim svojstvima (poput transporta elektrona i fonona) i ekstrinsičkim svojstvima (poput razina dopiranja i geometrije) materijala. Cilj istraživanja termoelektričnih materijala je pronaći ili dizajnirati materijale koji imaju visok Seebeckov koeficijent, visoku električnu provodnost i nisku toplinsku provodnost, što često predstavlja konfliktna zahtjeva.
Uobičajeni materijali
Bismut tellurid (Bi2Te3) i njegove legure
Svibanj tellurid (PbTe) i njegove legure
Skutteruditi
Polu-Heuslerove spojeve
Primjene
Hlađiva uređaja
Proizvodnja snage iz odlaganog toplinskog zračenja
Proizvodnja snage iz radioizotopa
Izazovi
Niska učinkovitost
Visoka cijena
Upravljanje toplinom
Integracija sustava
Buduće smjerove
Novi termoelektrični materijali
Napredni termoelektrični moduli
Inovativni termoelektrični sustavi
Zaključak
Termoelektrični generatori su uređaji koji mogu pretvoriti toplinsku energiju u električnu energiju koristeći Seebeckov učinak. Termoelektrični generatori imaju mnoge prednosti u usporedbi s konvencionalnim metodama proizvodnje snage, poput kompaktnosti, pouzdanosti, bezšumnosti i direktnog prebacivanja. Termoelektrični generatori imaju razne primjene u različitim područjima, poput hlađiva uređaja, proizvodnje snage iz odlaganog toplinskog zračenja i proizvodnje snage iz radioizotopa. Međutim, termoelektrični generatori suočavaju se i s nekim izazovima i ograničenjima koje treba prevladati za praktičnu implementaciju, poput niske učinkovitosti, visoke cijene, upravljanja toplinom i integracije sustava. Buduće smjerove istraživanja i razvoja termoelektričnih generatora uključuju nove termoelektrične materijale, napredne termoelektrične module i inovativne termoelektrične sustave. Termoelektrični generatori imaju veliki potencijal za primjene u pretvorbi i iskorištavanju energije u različitim sektorima i scenarijima.
