Hva er termoelektriske strømgeneratorene?

Hva er termoelektriske strømgeneratore?

Definisjon av termoelektrisk generator

En termoelektrisk generator (TEG) er en enhet som konverterer varmeenergi til elektrisk energi ved hjelp av Seebeck-effekten. Seebeck-effekten er et fenomen som oppstår når det er en temperaturforskjell mellom to forskjellige leder eller en sirkel av ledere, som skaper en elektrisk potensialforskjell. TEG-er er fasttilstands-enheter som har ingen bevegelige deler og kan operere stille og pålitelig over lange perioder. TEG-er kan brukes til å høste spilte varme fra ulike kilder, som industrielle prosesser, biler, kraftverk, og selv menneskelig kroppevarme, og konvertere den til nyttig elektrisitet. TEG-er kan også brukes til å forsyne fjerne enheter, som sensorer, trådløse sendere og romfartøy, med strøm ved å bruke radioisotoper eller solvarme som varmekilde.

Arbeidsprinsipp

En termoelektrisk generator består av to hovedkomponenter: termoelektriske materialer og termoelektriske moduler.

Termoelektriske materialer er materialer som viser Seebeck-effekten, som genererer en elektrisk spenning når det er en temperaturforskjell. De er klassifisert i to typer: n-type og p-type. N-type-materialer har ekstra elektroner, mens p-type-materialer mangler elektroner. Når de kobles sammen i serie med metall-elektroder, danner disse materialene en termokobling, den grunnleggende enheten i en termoelektrisk generator.

En termoelektrisk modul er en enhet som inneholder mange termokoblinger koblet elektrisk i serie og termisk parallelt. En termoelektrisk modul har to sider: en varm side og en kald side. Når den varme siden er utsatt for en varmekilde og den kalde siden er utsatt for en varmesink, oppstår det en temperaturforskjell over modulen, som fører til at en strøm flyter gjennom kretsen. Strømmen kan brukes til å drive en ekstern last eller lade en batteri. Spennings- og effektutdataen til en termoelektrisk modul avhenger av antall termokoblinger, temperaturforskjellen, Seebeck-koeffisienten, samt de elektriske og termiske motstandene i materialene.

Effekten til en termoelektrisk generator defineres som forholdet mellom elektrisk effektutdata og varmeeinngang. Denne effekten er begrenset av Carnot-effekten, den maksimale mulige effekten for enhver varmekjede mellom to temperaturer. Carnot-effekten er gitt ved:

der Tc er temperaturen på den kalde siden, og Th er temperaturen på den varme siden.

Den faktiske effekten til en termoelektrisk generator er mye lavere enn Carnot-effekten på grunn av ulike tap, som Joule-varme, termisk konduksjon, og termisk stråling. Den faktiske effekten til en termoelektrisk generator avhenger av verdien av fortjenesten (ZT) til termoelektriske materialer, som er en dimensjonsløs parameter som måler ytelsen til et materiale for termoelektriske applikasjoner. Verdien av fortjenesten er gitt ved:

der α er Seebeck-koeffisienten, σ er elektrisk ledningsevne, κ er termisk ledningsevne, og T er absolutt temperatur.

Jo høyere verdien av fortjenesten, jo høyere effekten til termoelektrisk generator. Verdien av fortjenesten avhenger både av intrinske egenskaper (som elektron- og fonontransport) og ekstrinske egenskaper (som dopningsnivå og geometri) til materialene. Målet med forskning på termoelektriske materialer er å finne eller designe materialer som har høy Seebeck-koeffisient, høy elektrisk ledningsevne, og lav termisk ledningsevne, som ofte er motstridende krav.

Vanlige materialer

• Bismuttellurid (Bi2Te3) og dens legemer

• Blytellurid (PbTe) og dens legemer

• Skutteruditer

• Half-Heusler-forbindelser

Anvendelser

• Kjølingsenheter

• Strømproduksjon fra spilte varme

• Strømproduksjon fra radioisotoper

 Ufordeler

• Lav effektivitet

• Høy kostnad

• Termisk forvaltning

• Systemintegrering

Fremtidige retninger

• Nye termoelektriske materialer

• Avanserte termoelektriske moduler

• Innovative termoelektriske systemer

Konklusjon

Termoelektriske generatoren er enheter som kan konvertere varmeenergi til elektrisk energi ved hjelp av Seebeck-effekten. Termoelektriske generatoren har mange fordeler sammenlignet med konvensjonelle strømproduksjonsmetoder, som kompakthet, pålitelighet, lyshet, og direkte konvertering. Termoelektriske generatoren har ulike anvendelser i forskjellige felt, som kjølingsenheter, strømproduksjon fra spilte varme, og strømproduksjon fra radioisotoper. Imidlertid møter termoelektriske generatoren også noen utfordringer og begrensninger som må overvinnings for praktisk implementasjon, som lav effektivitet, høy kostnad, termisk forvaltning, og systemintegrering. Fremtidige retninger for forskning og utvikling av termoelektriske generatoren inkluderer nye termoelektriske materialer, avanserte termoelektriske moduler, og innovative termoelektriske systemer. Termoelektriske generatoren har stor potensial for energikonvertering og -høsting i ulike sektorer og scenarier.