Mik a termoelektromos energia termelők?
Mik az a termoelektromos erőmű?
Termoelektromos erőmű definíció
A termoelektromos erőmű (TEG) olyan eszköz, amely hőenergiát átalakít elektrikus energiává a Seebeck-hatás segítségével. A Seebeck-hatás egy jelenség, amely akkor lép fel, ha két különböző vezető vagy vezetők egy sora között hőmérséklet-különbség van, ami elektromos potenciális különbséget hoz létre. A TEG-ek szilárdtestes eszközök, melyeknek nincsenek mozgó részei, és hosszú ideig csendesen és megbízhatóan működhetnek. A TEG-eket használhatjuk különböző forrásokból származó hulladékmeleg felhasználására, mint például ipari folyamatok, járművek, erőművek, sőt, még emberi testhő is, és ezt átalakítják hasznos elektromossággá. A TEG-eket távoli eszközök, mint például érzékelők, vezeték nélküli adóók, űrhajók ellátására is használhatjuk, radioizotópok vagy napfény hőforrásaival.
Működési elv
A termoelektromos erőmű két fő komponensből áll: termoelektromos anyagokból és termoelektromos modulokból.
A termoelektromos anyagok olyan anyagok, melyek a Seebeck-hatást mutatják, elektromos feszültséget generálva, ha hőmérséklet-különbség van. Két típusba sorolhatók: n-típusú és p-típusú. Az n-típusú anyagokban extra elektronok vannak, míg a p-típusú anyagokban hiányzik az elektron. Amikor ezeket a fém elektrodákkal sorban kötjük össze, termopár alakul ki, ami a termoelektromos erőmű alapvető egysége.
A termoelektromos modul olyan eszköz, mely tartalmaz sok termopárt, melyek elektrikusan sorban, hőileg párhuzamosan vannak kötve. A termoelektromos modulnak két oldala van: egy forró és egy hideg. Amikor a forró oldalt hőforráshoz és a hideg oldalt hőtárolóhoz kapcsoljuk, hőmérséklet-különbség jön létre a modulon, ami áramot okoz a körben. Az áramot külső terhelés ellátására vagy akkumulátor töltésére használhatjuk. A termoelektromos modul feszültsége és teljesítménye függ a termopárok számától, a hőmérséklet-különbségtől, a Seebeck-együtthatótól, valamint az anyagok elektromos és hővezetési ellenállásától.
A termoelektromos erőmű hatékonysága az elektromos teljesítmény kimenetének és a hőenergia bemenetének arányaként definiálható. Ez a hatékonyság korlátozva van a Carnot-hatékonysággal, ami bármilyen hőmotor maximum lehetséges hatékonysága két hőmérséklet között. A Carnot-hatékonyság a következő képlettel adható meg:
ahol Tc a hideg oldal hőmérséklete, Th pedig a forró oldal hőmérséklete.
A termoelektromos erőmű tényleges hatékonysága sokkal alacsonyabb, mint a Carnot-hatékonyság, mivel különböző veszteségek miatt, mint például a Joule-féle hőleadás, a hővezetés és a hősugárzás. A termoelektromos erőmű tényleges hatékonysága függ a termoelektromos anyagok előrelátható minőségétől (ZT), ami dimenziótlan paraméter, ami méri az anyag teljesítményét termoelektromos alkalmazásokban. Az előrelátható minőség a következő képlettel adható meg:
ahol α a Seebeck-együttható, σ az elektromos vezetékenység, κ a hővezetékenység, és T az abszolút hőmérséklet.
Minél magasabb az előrelátható minőség, annál magasabb a termoelektromos erőmű hatékonysága. Az előrelátható minőség mind a belső (mint például az elektron- és fonon-utazás), mind a külső (mint például a dopolázási szint és a geometria) tulajdonságoktól függ. A termoelektromos anyagok kutatásának célja olyan anyagok megtalálása vagy tervezése, melyek magas Seebeck-együtthatóval, magas elektromos vezetékenységgel és alacsony hővezetékenységgel rendelkeznek, melyek gyakran konfliktuáló követelmények.
Gyakori anyagok
Bizmut-tellurid (Bi2Te3) és annak ligazatai
Ólom-tellurid (PbTe) és annak ligazatai
Skutteruditek
Half-Heusler vegyületek
Alkalmazások
Hűtőeszközök
Hulladékmelegből származó energia-termelés
Radioizotópokból származó energia-termelés
Kihívások
Alacsony hatékonyság
Magas költség
Hőkezelés
Rendszerintegráció
Jövőbeli irányok
Új termoelektromos anyagok
Fejlett termoelektromos modulok
Innovatív termoelektromos rendszerek
Összefoglalás
A termoelektromos erőműk olyan eszközök, melyek hőenergiát átalakítanak elektrikus energiává a Seebeck-hatás segítségével. A termoelektromos erőműk számos előnnyel bírnak a hagyományos energia-termelési módszerekhez képest, mint például a kompaktság, a megbízhatóság, a zajmentesség és a közvetlen átalakítás. A termoelektromos erőműk számos alkalmazásban használhatók különböző területeken, mint például hűtőeszközök, hulladékmelegből származó energia-termelés, radioizotópokból származó energia-termelés. Ugyanakkor a termoelektromos erőműkkel szemben néhány kihívás és korlátozás is áll, melyeket a gyakorlati alkalmazás előtt meg kell oldani, mint például az alacsony hatékonyság, a magas költség, a hőkezelés és a rendszerintegráció. A termoelektromos erőműk kutatásának és fejlesztésének jövőbeli irányai új termoelektromos anyagok, fejlett termoelektromos modulok és innovatív termoelektromos rendszerek. A termoelektromos erőműk nagy potenciált reprezentálnak az energia-átalakítás és -harvesting alkalmazások számára különböző szektorokban és helyzetekben.
