რით არის ტერმოელექტრული ენერგიის გენერატორები?

რა არის თერმოელექტრული ენერგიის გენერატორები?

თერმოელექტრული გენერატორის განმარტება

თერმოელექტრული გენერატორი (TEG) არის მოწყობილობა, რომელიც აკეთებს სიცხელის ენერგიის ელექტრულ ენერგიად გარდაქმნას სებეკის ეფექტის გამოყენებით. სებეკის ეფექტი არის ფენომენი, რომელიც ხდება, როდესაც ორ სხვადასხვა შემძღვრას ან შემძღვრების წრედში არსებობს ტემპერატურის განსხვავება, რაც იწვევს ელექტრულ პოტენციალურ განსხვავებას. TEG-ები არიან სოლიდ-სტეიტ მოწყობილობები, რომლებს არ აქვთ მოძრავი ნაწილები და შეიძლება გამუდმებით და ნელდან მუშაობდნენ. TEG-ები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა წყაროებიდან სიცხელის შესარჩევად, როგორიცაა საინდუსტრიო პროცესები, ავტომობილები, ენერგეტიკული სადგურები და dokladno celi cheloveka, და ამ სიცხელის გარდაქმნას სარგებელი ელექტროენერგიად. TEG-ები შეიძლება გამოყენებულ იქნას საშუალებით რადიოიზოტოპების ან სოლარული სიცხელის წყაროების გამო შურის მანძილის მოწყობილობების, როგორიცაა სენსორები, უკაბელო ტრანსმიტორები და კოსმოსური აპარატები.

მუშაობის პრინციპი

თერმოელექტრული გენერატორი შედგება ორი ძირითადი კომპონენტისგან: თერმოელექტრული მასალები და თერმოელექტრული მოდულები.

თერმოელექტრული მასალები არიან მასალები, რომლებიც გამოიწვევენ სებეკის ეფექტს, რომელიც იწვევს ელექტრულ ვოლტაჟს ტემპერატურის განსხვავების შემდეგ. ისინი კლასიფიცირდებიან ორ ტიპად: n-ტიპის და p-ტიპის. N-ტიპის მასალებში არის დამატებითი ელექტრონები, ხოლო p-ტიპის მასალებში ელექტრონები არ არის საკმარისი. როდესაც ამ მასალებს შეერთებენ მეტალურ ელექტროდებთან სერიულად, ისინი ქმნიან თერმოკუპლებს, რომლებიც არიან თერმოელექტრული გენერატორის ბაზისური ერთეულები.

თერმოელექტრული მოდული არის მოწყობილობა, რომელიც შეიცავს ბევრ თერმოკუპლებს, რომლებიც ელექტრულად შეერთებული არიან სერიულად და თერმალურად პარალელურად. თერმოელექტრული მოდული აქვს ორი მხარე: ცხელი და ცივი. როდესაც ცხელი მხარე არის გამოყენებული სიცხელის წყაროს მიერ და ცივი მხარე არის გამოყენებული სიცხელის სინკის მიერ, მოდულში შეიქმნება ტემპერატურის განსხვავება, რაც იწვევს სართულში ელექტრული დენის გარეშე დენს. ეს დენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ექსტერნალური ტვირთის ან ბატარეიის შევსებისთვის. თერმოელექტრული მოდულის ვოლტაჟი და მომხმარებლის გამომუშავება დამოკიდებულია თერმოკუპლების რაოდენობაზე, ტემპერატურის განსხვავებაზე, სებეკის კოეფიციენტზე და მასალების ელექტრულ და თერმალურ რეზისტენციებზე.

თერმოელექტრული გენერატორის ეფექტიურობა განისაზღვრება როგორც ელექტრული მომხმარებლის გამომუშავების და სიცხელის შესარჩევად გადაცემული ენერგიის შეფარდება. ეს ეფექტიურობა შეზღუდულია კარნოტის ეფექტით, რომელიც არის ნებისმიერი სიცხელის მანქანის მაქსიმალური შესაძლო ეფექტიურობა ორ ტემპერატურას შორის. კარნოტის ეფექტი გამოითვლება შემდეგი ფორმულით:

სადაც Tc არის ცივი მხარის ტემპერატურა, ხოლო Th არის ცხელი მხარის ტემპერატურა.

თერმოელექტრული გენერატორის არეალური ეფექტიურობა არის ბევრად დაბალი კარნოტის ეფექტზე დამუშავების შედეგად სხვადასხვა დაკარგვების, როგორიცაა ჯულის გათბობა, თერმალური დატვირთვა და თერმალური რადიაცია. თერმოელექტრული გენერატორის არეალური ეფექტიურობა დამოკიდებულია თერმოელექტრული მასალების ზედმეტი პარამეტრების (ZT) ზე, რომელიც არის განზომილების გარეშე პარამეტრი, რომელიც ზომავს მასალის თერმოელექტრული აპლიკაციებისთვის პერფორმანსს. ზედმეტი პარამეტრი გამოითვლება შემდეგი ფორმულით:

სადაც α არის სებეკის კოეფიციენტი, σ არის ელექტრული გადატაცების კოეფიციენტი, κ არის თერმალური გადატაცების კოეფიციენტი, ხოლო T არის აბსოლუტური ტემპერატურა.

ზედმეტი პარამეტრის უფრო მაღალი მნიშვნელობა უფრო მაღალი ეფექტიურობას უზრუნველყოფს თერმოელექტრულ გენერატორში. ზედმეტი პარამეტრი დამოკიდებულია მასალის ინტრინსიკურ თვისებებზე (როგორიცაა ელექტრონის და ფონონის ტრანსპორტი) და ექსტრინსიკურ თვისებებზე (როგორიცაა დოპირების დოზა და გეომეტრია). თერმოელექტრული მასალების კვლევის მიზანი არის პოვნა ან დიზაინი მასალების, რომელთა შემთხვევაში არის მაღალი სებეკის კოეფიციენტი, მაღალი ელექტრული გადატაცების კოეფიციენტი და დაბალი თერმალური გადატაცების კოეფიციენტი, რომლებიც ხშირად არიან მოპირდაპირე მოთხოვნები.

სავარაუდო მასალები

• ბისმუთის ტელურიდი (Bi2Te3) და მისი ალოიები

• ლეადის ტელურიდი (PbTe) და მისი ალოიები

• სკუტერუდიტები

• Half-Heusler კომპონენტები

აპლიკაციები

• დაცემის მოწყობილობები

• ენერგიის წარმოება ნაშთობ სიცხელიდან

• ენერგიის წარმოება რადიოიზოტოპებიდან

 პრობლემები

• დაბალი ეფექტიურობა

• მაღალი ღირებულება

• თერმალური მენეჯმენტი

• სისტემის ინტეგრაცია

მომავალი მიმართულებები

• ახალი თერმოელექტრული მასალები

• დაუწინაარებელი თერმოელექტრული მოდულები

• ინოვაციური თერმოელექტრული სისტემები

დასკვნა

თერმოელექტრული გენერატორები არიან მოწყობილობები, რომლებიც შეძლებენ სიცხელის ენერგიის ელექტრულ ენერგიად გარდაქმნას სებეკის ეფექტის გამოყენებით. თერმოელექტრული გენერატორები არიან სხვადასხვა სარგებელი ტრადიციული ენერგიის წარმოების მეთოდებთან შედარებით, როგორიცაა კომპაქტურობა, ნადежность, бесшумность и прямое преобразование. Термоэлектрические генераторы имеют различные применения в различных областях, таких как охлаждающие устройства, производство электроэнергии из отходящего тепла и производство электроэнергии из радиоизотопов. Однако термоэлектрические генераторы также сталкиваются с рядом проблем и ограничений, которые необходимо преодолеть для практического внедрения, такими как низкая эффективность, высокая стоимость, тепловое управление и интеграция системы. Будущие направления исследований и разработок термоэлектрических генераторов включают новые термоэлектрические материалы, передовые термоэлектрические модули и инновационные термоэлектрические системы. Термоэлектрические генераторы имеют большой потенциал для применения в различных секторах и сценариях энергетического преобразования и сбора энергии.