Kas ir termoelektriskie elektroenerģijas ģeneratori?

Kas ir termoelektriskie elektroapgādes ģenerātori?

Termoelektriskā ģenerātora definīcija

Termoelektriskais ģenerātors (TEG) ir ierīce, kas pārveido siltuma enerģiju elektriskā enerģijā, izmantojot Sebecka efektu. Sebecka efekts ir parādība, kas notiek, kad starp diviem dažādiem vedējiem vai vedēju šķērsli pastāv temperatūras atšķirība, veidojot elektrisko potenciāla atšķirību. TEG ir solid-state ierīces, kuru nav kustīgās detaļas, un tās var strādā klusāk un uzticami ilgu laiku. TEG var izmantot, lai sagaidītu atkritumu siltumu no dažādiem avotiem, piemēram, rūpnieciskos procesos, automašīnās, enerģijas ražošanas iekārtās un pat cilvēka ķermeņa siltumā, un to pārvērst noderīgā elektrībā. TEG var arī izmantot, lai nodrošinātu attālinātas ierīces, piemēram, sensorus, bezvadu pārraides ierīces un kosmosa aparatūru, izmantojot radioizotopus vai saules siltumu kā siltuma avotu.

Darbības princips

Termoelektriskais ģenerātors sastāv no diviem galvenajiem komponentiem: termoelektriskiem materiāliem un termoelektriskajiem moduļiem.

Termoelektriskie materiāli ir materiāli, kas parāda Sebecka efektu, ģenerējot elektrisko spriegumu, ja pastāv temperatūras atšķirība. Tie tiek sadalīti divās kategorijās: n-tipa un p-tipa. N-tipa materiāliem ir papildu elektroni, savukārt p-tipa materiāliem trūkst elektronu. Kad tie tiek savienoti ar metāla elektrodām, šie materiāli veido termokoppi, kas ir termoelektriskā ģenerātora pamatelementa vienība.

Termoelektriskais modulis ir ierīce, kas satur daudzus termokoppus, kas savienoti elektriski sērijā un termiski paralēli. Termoelektriskajam modulim ir divas puses: karstā pusē un saldenā pusē. Ja karstā pusē tiek izmantots siltuma avots un saldenā pusē - siltuma izplūdinātājs, tad modulī radās temperatūras atšķirība, kas izraisa strāvas plūsmu šķērslī. Šo strāvu var izmantot, lai piegādātu enerģiju ārējam slodzei vai uzlādētu akumulatoru. Termoelektriskā moduļa spriegums un jaudas iznākums atkarīgs no termokoppu skaita, temperatūras atšķirības, Sebecka koeficienta un materiālu elektriskajiem un termiskajiem pretestības parametriem.

Termoelektriskā ģenerātora efektivitāte ir definēta kā attiecība starp elektriskās jaudas iznākumu un siltuma ievadi. Šī efektivitāte ir ierobežota Carnota efektivitāti, kas ir maksimālā iespējamā efektivitāte jebkuram siltuma dzinējam starp divām temperatūrām. Carnota efektivitāte ir dota:

kur Tc ir saldenās puses temperatūra, un Th ir karstās puses temperatūra.

Faktiskā termoelektriskā ģenerātora efektivitāte ir daudz zemāka par Carnota efektivitāti tādēļ, ka notiek dažādas zaudējumi, piemēram, Joule sildīšanās, termiskā vedība un termiskā starojums. Faktiskā termoelektriskā ģenerātora efektivitāte atkarīga no materiālu vērtības rādītāja (ZT), kas ir bezdimensionāls parametrs, kas mēra materiāla veiktspēku termoelektriskajām lietojumprogrammām. Vērtības rādītājs ir dota:

kur α ir Sebecka koeficients, σ ir elektriskā vedība, κ ir termiskā vedība, un T ir absolūtā temperatūra.

Jo augstāks vērtības rādītājs, jo augstāka termoelektriskā ģenerātora efektivitāte. Vērtības rādītājs atkarīgs gan no intriņskajām īpašībām (piemēram, elektronu un fononu transporta), gan no ekstrīniem (piemēram, dopingu līmenis un ģeometrija) materiālos. Termoelektriskā materiālu pētniecības mērķis ir atrast vai izstrādāt materiālus, kuriem ir augsts Sebecka koeficients, augsta elektriskā vedība un zema termiskā vedība, kas bieži ir konfliktojoši prasības.

Izplatīti materiāli

• Bismūta telūrids (Bi2Te3) un tā legālie

• Svina telūrids (PbTe) un tā legālie

• Skutterūditi

• Pusheuslera savienojumi

Lietojumi

• Dzesēšanas ierīces

• Enerģijas ražošana no atkritumu siltuma

• Enerģijas ražošana no radioizotopi

 Izmaiņas

• Zema efektivitāte

• Augsta cena

• Termiskā pārvaldība

• Sistēmas integrācija

Nākotnes virzieni

• Jauni termoelektriskie materiāli

• Uzlaboti termoelektriskie moduļi

• Inovatīvas termoelektriskās sistēmas

Secinājums

Termoelektriskie ģenerātori ir ierīces, kas var pārveidot siltuma enerģiju elektriskā enerģijā, izmantojot Sebecka efektu. Termoelektriskie ģenerātori ir daudz priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām enerģijas ražošanas metodēm, piemēram, kompaktnību, uzticamību, klusumu un tiešo pārveidošanu. Termoelektriskie ģenerātori ir dažādos lietojumos dažādās nozarēs, piemēram, dzesēšanas ierīcēs, enerģijas ražošanā no atkritumu siltuma un enerģijas ražošanā no radioizotopi. Tomēr termoelektriskie ģenerātori saskaras arī ar dažādiem izaicinājumiem un ierobežojumiem, kas jāpārvar praktiskai īstenošanai, piemēram, zema efektivitāte, augsta cena, termiskā pārvaldība un sistēmas integrācija. Termoelektriskā ģenerātora pētniecības un attīstības nākotnes virzieni ietver jaunus termoelektriskos materiālus, uzlabotus termoelektriskos moduļus un inovatīvas termoelektriskās sistēmas. Termoelektriskie ģenerātori ir lieliska potenciāla enerģijas pārveidošanai un gadošanai dažādās nozarēs un situācijās.