Czym są termoelektryczne generatory energii elektrycznej

Co to są termoelektryczne generatory energii?

Definicja termoelektrycznego generatora

Termoelektryczny generator (TEG) to urządzenie, które przekształca ciepło w energię elektryczną za pomocą zjawiska Seebecka. Zjawisko Seebecka występuje, gdy istnieje różnica temperatur między dwoma różnymi przewodnikami lub obwodem przewodników, co powoduje powstanie potencjału elektrycznego. TEG są urządzeniami o stanie stałym, nie mają ruchomych części i mogą działać cicho i niezawodnie przez długie okresy czasu. TEG można wykorzystać do odzyskiwania odpadów ciepła z różnych źródeł, takich jak procesy przemysłowe, pojazdy, elektrownie, a nawet ciepło ciała ludzkiego, i przekształcania go w użyteczną energię elektryczną. TEG mogą również służyć do zasilania zdalnych urządzeń, takich jak czujniki, nadajniki bezprzewodowe i statki kosmiczne, wykorzystując radioizotopy lub ciepło słoneczne jako źródło ciepła.

Zasada działania

Termoelektryczny generator składa się z dwóch głównych komponentów: materiałów termoelektrycznych i modułów termoelektrycznych.

Materiały termoelektryczne to materiały, które wykazują zjawisko Seebecka, generując napięcie elektryczne, gdy występuje różnica temperatur. Klasyfikowane są na dwa typy: typ n i typ p. Materiały typu n mają dodatkowe elektrony, podczas gdy materiały typu p brakują elektronów. Po połączeniu szeregowo z elektrodami metalowymi, te materiały tworzą termoparę, podstawową jednostkę termoelektrycznego generatora.

Moduł termoelektryczny to urządzenie zawierające wiele termopar połączonych elektrycznie szeregowo i termicznie równolegle. Moduł termoelektryczny ma dwie strony: gorącą i zimną. Gdy strona gorąca jest narażona na źródło ciepła, a strona zimna na chłodnicę, powstaje różnica temperatur w module, co powoduje przepływ prądu przez obwód. Prąd ten może być wykorzystany do zasilania zewnętrznego obciążenia lub ładowania baterii. Napięcie i moc wyjściowa modułu termoelektrycznego zależy od liczby termopar, różnicy temperatur, współczynnika Seebecka oraz oporów elektrycznych i termicznych materiałów.

Efektywność termoelektrycznego generatora definiuje się jako stosunek mocy elektrycznej wyjściowej do wprowadzonego ciepła. Ta efektywność jest ograniczona przez efektywność Carnota, maksymalną możliwą efektywność dla każdego silnika cieplnego między dwiema temperaturami. Efektywność Carnota wynosi:

gdzie Tc to temperatura strony zimnej, a Th to temperatura strony gorącej.

Rzeczywista efektywność termoelektrycznego generatora jest znacznie niższa od efektywności Carnota ze względu na różne straty, takie jak grzanie Joule'a, przewodzenie ciepła i promieniowanie ciepłowe. Rzeczywista efektywność termoelektrycznego generatora zależy od wartości zasługującej (ZT) materiałów termoelektrycznych, która jest bezwymiarowym parametrem mierzącym wydajność materiału w zastosowaniach termoelektrycznych. Wartość zasługująca wynosi:

gdzie α to współczynnik Seebecka, σ to przewodność elektryczna, κ to przewodność cieplna, a T to bezwzględna temperatura.

Im wyższa wartość zasługująca, tym wyższa efektywność termoelektrycznego generatora. Wartość zasługująca zależy zarówno od właściwości wewnętrznych (takich jak transport elektronów i fononów), jak i zewnętrznych (takich jak poziom domieszkowania i geometria) materiałów. Celem badań nad materiałami termoelektrycznymi jest znalezienie lub zaprojektowanie materiałów o wysokim współczynniku Seebecka, wysokiej przewodności elektrycznej i niskiej przewodności cieplnej, co często są sprzeczne wymagania.

Wspólne materiały

• Bismut tellurku (Bi2Te3) i jego stopie

• Ołów tellurku (PbTe) i jego stopie

• Skutterudyty

• Połówki Heuslera

Zastosowania

• Urządzenia chłodzące

• Generowanie energii z odpadów ciepła

• Generowanie energii z radioizotopów

 Wyzwania

• Niska efektywność

• Wysoka cena

• Zarządzanie ciepłem

• Integracja systemu

Kierunki rozwoju

• Nowoczesne materiały termoelektryczne

• Zaawansowane moduły termoelektryczne

• Innowacyjne systemy termoelektryczne

Podsumowanie

Termoelektryczne generatory to urządzenia, które mogą przekształcać ciepło w energię elektryczną za pomocą zjawiska Seebecka. Termoelektryczne generatory mają wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi metodami generowania energii, takimi jak zwarta budowa, niezawodność, cicha praca i bezpośrednia konwersja. Termoelektryczne generatory mają różne zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak urządzenia chłodzące, generowanie energii z odpadów ciepła i generowanie energii z radioizotopów. Jednak termoelektryczne generatory stoją przed pewnymi wyzwaniami i ograniczeniami, które muszą zostać pokonane, aby były praktycznie zastosowane, takimi jak niska efektywność, wysoka cena, zarządzanie ciepłem i integracja systemu. Kierunki rozwoju badań i rozwoju termoelektrycznych generatorów obejmują nowoczesne materiały termoelektryczne, zaawansowane moduły termoelektryczne i innowacyjne systemy termoelektryczne. Termoelektryczne generatory mają ogromny potencjał do zastosowań w zakresie konwersji i pozyskiwania energii w różnych sektorach i scenariuszach.