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.