Что такое термоэлектрические генераторы?

Что такое термоэлектрические генераторы?

Определение термоэлектрического генератора

Термоэлектрический генератор (ТЕГ) — это устройство, которое преобразует тепловую энергию в электрическую с использованием эффекта Зеебека. Эффект Зеебека — это явление, возникающее при наличии разности температур между двумя различными проводниками или цепью проводников, что создает электрическую разность потенциалов. ТЕГи — это твердотельные устройства, не имеющие движущихся частей, и могут работать бесшумно и надежно длительное время. ТЕГи можно использовать для сбора отработанного тепла из различных источников, таких как промышленные процессы, автомобили, электростанции и даже тепло человеческого тела, и преобразования его в полезную электроэнергию. ТЕГи также могут использоваться для питания удаленных устройств, таких как датчики, беспроводные передатчики и космические аппараты, используя радиоизотопы или солнечное тепло в качестве источника тепла.

Принцип работы

Термоэлектрический генератор состоит из двух основных компонентов: термоэлектрических материалов и термоэлектрических модулей.

Термоэлектрические материалы — это материалы, которые демонстрируют эффект Зеебека, генерируя электрическое напряжение при наличии разности температур. Они классифицируются на два типа: n-тип и p-тип. Материалы n-типа имеют дополнительные электроны, тогда как материалы p-типа недостаток электронов. Когда эти материалы соединены последовательно с металлическими электродами, они образуют термопару, которая является базовой единицей термоэлектрического генератора.

Термоэлектрический модуль — это устройство, содержащее множество термопар, соединенных электрически последовательно и термически параллельно. Термоэлектрический модуль имеет две стороны: горячую и холодную. Когда горячая сторона подвергается воздействию источника тепла, а холодная сторона подвергается воздействию холодильника, создается разность температур по модулю, вызывая течение тока через цепь. Этот ток можно использовать для питания внешней нагрузки или зарядки аккумулятора. Напряжение и мощность выхода термоэлектрического модуля зависят от числа термопар, разности температур, коэффициента Зеебека и электрических и тепловых сопротивлений материалов.

Эффективность термоэлектрического генератора определяется как отношение выходной электрической мощности к тепловому входу. Эта эффективность ограничена эффективностью Карно, максимальной возможной эффективностью для любого теплового двигателя между двумя температурами. Эффективность Карно определяется следующим образом:

где Tc — температура холодной стороны, а Th — температура горячей стороны.

Фактическая эффективность термоэлектрического генератора значительно ниже эффективности Карно из-за различных потерь, таких как нагревание Джоуля, теплопроводность и тепловое излучение. Фактическая эффективность термоэлектрического генератора зависит от показателя качества (ZT) термоэлектрических материалов, который является безразмерным параметром, измеряющим производительность материала для термоэлектрических применений. Показатель качества определяется следующим образом:

где α — коэффициент Зеебека, σ — электрическая проводимость, κ — теплопроводность, а T — абсолютная температура.

Чем выше показатель качества, тем выше эффективность термоэлектрического генератора. Показатель качества зависит как от внутренних свойств (таких как перенос электронов и фононов), так и от внешних свойств (таких как уровень легирования и геометрия) материалов. Цель исследований термоэлектрических материалов — найти или разработать материалы, обладающие высоким коэффициентом Зеебека, высокой электрической проводимостью и низкой теплопроводностью, что часто являются противоречащими требованиями.

Общие материалы

• Бисмуттеллурид (Bi2Te3) и его сплавы

• Свинецтеллурид (PbTe) и его сплавы

• Скандтерудиты

• Полу-Хеуслеровы соединения

Применения

• Устройства охлаждения

• Генерация энергии из отработанного тепла

• Генерация энергии из радиоизотопов

 Проблемы

• Низкая эффективность

• Высокая стоимость

• Тепловое управление

• Интеграция системы

Перспективы развития

• Новые термоэлектрические материалы

• Продвинутые термоэлектрические модули

• Инновационные термоэлектрические системы

Заключение

Термоэлектрические генераторы — это устройства, которые могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую с использованием эффекта Зеебека. Термоэлектрические генераторы имеют много преимуществ по сравнению с традиционными методами генерации энергии, такими как компактность, надежность, бесшумность и прямое преобразование. Термоэлектрические генераторы имеют различные применения в различных областях, таких как устройства охлаждения, генерация энергии из отработанного тепла и генерация энергии из радиоизотопов. Однако термоэлектрические генераторы также сталкиваются с некоторыми проблемами и ограничениями, которые необходимо преодолеть для практического внедрения, такими как низкая эффективность, высокая стоимость, тепловое управление и интеграция системы. Перспективы исследований и разработок термоэлектрических генераторов включают новые термоэлектрические материалы, продвинутые термоэлектрические модули и инновационные термоэлектрические системы. Термоэлектрические генераторы имеют большой потенциал для применения в области преобразования и сбора энергии в различных секторах и сценариях.