Kaj so termoelektrični generatorji električne energije?

Kaj so termoelektrični generatorji električne energije?

Definicija termoelektričnega generatorja

Termoelektrični generator (TEG) je naprava, ki pretvarja toplinsko energijo v električno energijo z uporabo Seebeckovega efekta. Seebeckov učinek je pojav, ki nastane, ko obstaja razlika temperature med dvema različnima vodičoma ali vezjem vodičev, kar ustvari električno potencialno razliko. TEG-ji so pevni stanje naprave, ki nimajo gibljivih delov in lahko tiho in zanesljivo delujejo dolgo časa. TEG-je se lahko uporabljajo za prenos odpadne toplote iz različnih virov, kot so industrijski postopki, avtomobili, elektrarne in celo ljudska telesna toplota, in njeno pretvorbo v uporabno električno energijo. TEG-je se lahko uporabljajo tudi za oskrbovanje oddaljenih naprav, kot so senzorji, brezžični prenašalniki in vesoljske letala, s pomočjo radioizotopov ali sončne toplote kot vira toplote.

Načelo delovanja

Termoelektrični generator sestavlja dva glavna komponenta: termoelektrični materiali in termoelektrični moduli.

Termoelektrični materiali so materiali, ki kažejo Seebeckov učinek, ki generira električni napon, ko obstaja razlika temperature. Ti so razdeljeni na dva tipa: n-tip in p-tip. Materiali n-tipa imajo dodatne elektrone, medtem ko materiali p-tipa manjkajo elektronov. Ko so povezani zaporedno z metalnimi elektrodi, ti materiali oblikujejo termokuplo, temeljno enoto termoelektričnega generatorja.

Termoelektrični modul je naprava, ki vsebuje veliko termokuplov, povezanih električno zaporedno in toplinsko vzporedno. Termoelektrični modul ima dve strani: toplo stran in hladno stran. Ko je toplo stran izpostavljena viru toplote in hladna stran izpostavljena hladilniku, se ustvari razlika temperature skozi modul, kar povzroči tok električnega toka skozi vezje. Tok se lahko uporablja za oskrbovanje zunanje obremenitve ali polnjenje baterije. Napon in močni izhod termoelektričnega modula odvisen je od števila termokuplov, razlike temperature, Seebeckovega koeficienta in električnih in toplinskih upornosti materialov.

Učinkovitost termoelektričnega generatorja je definirana kot razmerje med električnim močnim izhodom in toplinskimi vhodnimi podatki. Ta učinkovitost je omejena Carnotovo učinkovitostjo, največjo možno učinkovitostjo za kateri koli toplinski motor med dvema temperaturama. Carnotova učinkovitost je dana z:

kjer je Tc temperatura hladne strani, Th pa temperatura topel strani.

Dejanska učinkovitost termoelektričnega generatorja je veliko nižja od Carnotove učinkovitosti zaradi različnih izgub, kot so Jouleovo segrevanje, toplinska prevodnost in toplinska radiacija. Dejanska učinkovitost termoelektričnega generatorja je odvisna od meritvenega parametra (ZT) termoelektričnih materialov, ki je brezrazsežen parameter, ki meri zmogljivost materiala za termoelektrične aplikacije. Meritveni parameter je dan z:

kjer je α Seebeckov koeficient, σ električna prevodnost, κ toplinska prevodnost in T absolutna temperatura.

Večja meritvena vrednost pomeni večja učinkovitost termoelektričnega generatorja. Meritvena vrednost je odvisna od tako notranjih lastnosti (kot so transport elektronov in fononov) kot tudi zunanjih lastnosti (kot so raven dopiranja in geometrija) materialov. Cilj raziskav termoelektričnih materialov je najti ali zasnovati materiali, ki imajo visok Seebeckov koeficient, visoko električno prevodnost in nizko toplinsko prevodnost, ki so pogosto konfliktne zahteve.

Pogosti materiali

• Bismut tellurid (Bi2Te3) in njegove zlitve

• Olovo tellurid (PbTe) in njegove zlitve

• Skutteruditi

• Pol-Heuslerjevi spoji

Uporaba

• Hladilne naprave

• Proizvodnja električne energije iz odpadne toplote

• Proizvodnja električne energije iz radioizotopov

 Izazovi

• Nizka učinkovitost

• Visoka cena

• Toplinsko upravljanje

• Sistemsko združevanje

Prihodnje smeri

• Novi termoelektrični materiali

• Napredni termoelektrični moduli

• Inovativni termoelektrični sistemi

Zaključek

Termoelektrični generatorji so naprave, ki lahko pretvarjajo toplinsko energijo v električno energijo z uporabo Seebeckovega efekta. Termoelektrični generatorji imajo mnogo prednosti nad konvencionalnimi metodami proizvodnje električne energije, kot so kompaktnost, zanesljivost, brezšum, in neposredna pretvorba. Termoelektrični generatorji imajo različne uporabe v različnih področjih, kot so hladilne naprave, proizvodnja električne energije iz odpadne toplote in proizvodnja električne energije iz radioizotopov. Vendar pa se termoelektrični generatorji soočajo tudi s nekaterimi izzivi in omejitvami, ki jih je treba premostiti za praktično uporabo, kot so nizka učinkovitost, visoka cena, toplinsko upravljanje in sistemsko združevanje. Prihodnje smeri raziskav in razvoja termoelektričnih generatorjev vključujejo nove termoelektrične materiale, napredne termoelektrične module in inovativne termoelektrične sisteme. Termoelektrični generatorji imajo velik potencial za uporabo v različnih sektorjih in scenarijih za pretvorbo in nabiranje energije.