Wat zijn Thermoelektrische Energiegeneratoren?

Wat zijn Thermoelektrische Energiegeneratoren?

Definitie van een Thermoelektrische Generator

Een thermoelektrische generator (TEG) is een apparaat dat warmte-energie omzet in elektrische energie door gebruik te maken van het Seebeck-effect. Het Seebeck-effect is een verschijnsel dat optreedt wanneer er een temperatuurverschil bestaat tussen twee verschillende geleiders of een circuit van geleiders, wat resulteert in een elektrisch potentiaalverschil. TEG's zijn vaste-stoffenapparaten die geen bewegende delen hebben en geruisloos en betrouwbaar voor lange periodes kunnen werken. TEG's kunnen worden gebruikt om afvalwarmte te oogsten uit verschillende bronnen, zoals industriële processen, auto's, energiecentrales en zelfs lichaamswarmte, en deze om te zetten in bruikbare elektriciteit. TEG's kunnen ook worden gebruikt om externe apparaten, zoals sensoren, draadloze zenders en ruimtesondes, te voeden, waarbij radio-isotopen of zonnehitte als warmtebron worden gebruikt.

Werkingsprincipe

Een thermoelektrische generator bestaat uit twee hoofdcomponenten: thermoelektrische materialen en thermoelektrische modules.

Thermoelektrische materialen zijn materialen die het Seebeck-effect vertonen, waardoor een elektrische spanning wordt opgewekt bij een temperatuurverschil. Ze worden ingedeeld in twee types: n-type en p-type. N-type materialen hebben extra elektronen, terwijl p-type materialen elektronen ontbreken. Wanneer deze materialen in serie worden verbonden met metalen elektroden, vormen ze een thermokoppel, de basis-eenheid van een thermoelektrische generator.

Een thermoelektrische module is een apparaat dat veel thermokoppels bevat, die elektrisch in serie en thermisch parallel zijn verbonden. Een thermoelektrische module heeft twee zijden: een hete kant en een koude kant. Wanneer de hete kant wordt blootgesteld aan een warmtebron en de koude kant aan een warmteafvoer, wordt er een temperatuurverschil gecreëerd over de module, wat resulteert in een stroom door het circuit. De stroom kan worden gebruikt om een externe belasting te voeden of een accu op te laden. De spanning en vermogensoutput van een thermoelektrische module hangt af van het aantal thermokoppels, het temperatuurverschil, de Seebeck-coëfficiënt en de elektrische en thermische weerstanden van de materialen.

De efficiëntie van een thermoelektrische generator wordt gedefinieerd als het verhouding van de elektrische vermogensoutput tot de warmte-invoer. Deze efficiëntie is beperkt door de Carnot-efficiëntie, de maximale mogelijke efficiëntie voor elke warmtemotor tussen twee temperaturen. De Carnot-efficiëntie wordt gegeven door:

waarbij Tc de temperatuur van de koude kant is, en Th de temperatuur van de hete kant.

De werkelijke efficiëntie van een thermoelektrische generator is veel lager dan de Carnot-efficiëntie vanwege verschillende verliezen, zoals Joule-verwarming, thermische geleiding en thermische straling. De werkelijke efficiëntie van een thermoelektrische generator hangt af van het figuur van verdienste (ZT) van de thermoelektrische materialen, een dimensieloos parameter die de prestaties van een materiaal voor thermoelektrische toepassingen meet. Het figuur van verdienste wordt gegeven door:

waarbij α de Seebeck-coëfficiënt is, σ de elektrische geleidbaarheid, κ de thermische geleidbaarheid, en T de absolute temperatuur.

Hoe hoger het figuur van verdienste, hoe hoger de efficiëntie van de thermoelektrische generator. Het figuur van verdienste hangt af van zowel intrinsieke eigenschappen (zoals elektron- en fonontransport) als extrinsieke eigenschappen (zoals dopinglevel en geometrie) van de materialen. Het doel van het onderzoek naar thermoelektrische materialen is om materialen te vinden of te ontwerpen die een hoge Seebeck-coëfficiënt, hoge elektrische geleidbaarheid en lage thermische geleidbaarheid hebben, wat vaak tegenstrijdige eisen zijn.

Gangbare Materialen

• Bismut-telluuride (Bi2Te3) en zijn legeringen

• Lood-telluuride (PbTe) en zijn legeringen

• Skutterudieten

• Half-Heuslerverbindingen

Toepassingen

• Koelapparaten

• Energieopwekking uit afvalwarmte

• Energieopwekking uit radio-isotopen

 Uitdagingen

• Lage efficiëntie

• Hoge kosten

• Thermisch beheer

• Systeemintegratie

Toekomstige Richtingen

• Nieuwe thermoelektrische materialen

• Geavanceerde thermoelektrische modules

• Innovatieve thermoelektrische systemen

Conclusie

Thermoelektrische generatoren zijn apparaten die warmte-energie omzetten in elektrische energie door gebruik te maken van het Seebeck-effect. Thermoelektrische generatoren hebben vele voordelen ten opzichte van conventionele methoden van energieopwekking, zoals compactheid, betrouwbaarheid, geluidloosheid en directe conversie. Thermoelektrische generatoren hebben diverse toepassingen in verschillende sectoren, zoals koelapparaten, energieopwekking uit afvalwarmte en energieopwekking uit radio-isotopen. Echter, thermoelektrische generatoren staan ook voor enkele uitdagingen en beperkingen die moeten worden overwonnen voor praktische implementatie, zoals lage efficiëntie, hoge kosten, thermisch beheer en systeemintegratie. De toekomstige richtingen voor het onderzoek en de ontwikkeling van thermoelektrische generatoren omvatten nieuwe thermoelektrische materialen, geavanceerde thermoelektrische modules en innovatieve thermoelektrische systemen. Thermoelektrische generatoren hebben groot potentieel voor energieconversie en -winning in verschillende sectoren en scenario's.