Šta su termoelektrični generatori električne energije?
Šta su termoelektrični generatori snage?
Definicija termoelektričnog generatora
Termoelektrični generator (TEG) je uređaj koji pretvara toplinsku energiju u električnu energiju koristeći Seebeckov efekat. Seebeckov efekat je fenomen koji se javlja kada postoji razlika temperature između dva različita vodiljka ili kruga vodiljaka, stvarajući električnu potencijalnu razliku. TEG-ovi su čvrstostani uređaji bez pokretnih dijelova i mogu raditi tiho i pouzdano duže vrijeme. TEG-ovi mogu se koristiti za sakupljanje odbačene topline iz različitih izvora, kao što su industrijski procesi, automobili, elektrane i čak ljudska toplina tela, te pretvoriti je u korisnu električnu energiju. TEG-ovi se takođe mogu koristiti za opskrbljivanje udaljenih uređaja, poput senzora, bežičnih emitera i svemirske opreme, koristeći radioizotope ili sunčevu toplinu kao izvor topline.
Princip rada
Termoelektrični generator sastoji se od dva glavna komponenta: termoelektričnih materijala i termoelektričnih modula.
Termoelektrični materijali su materijali koji pokazuju Seebeckov efekat, generirajući električni napon kada postoji razlika temperature. Oni se klasificiraju u dva tipa: n-tip i p-tip. Materijali n-tipa imaju dodatne elektrone, dok materijali p-tipa nedostaju elektrone. Kada su spojeni u seriju sa metalnim elektrodama, ovi materijali formiraju termopar, osnovnu jedinicu termoelektričnog generatora.
Termoelektrični modul je uređaj koji sadrži mnogo termopara spojenih električno u seriju i toplinsko paralelno. Termoelektrični modul ima dvije strane: vruću stranu i hladnu stranu. Kada je vruća strana izložena izvoru topline, a hladna strana izložena toplinskom sinku, stvara se razlika temperature na modulu, što dovodi do protoka struje kroz krug. Struja se može koristiti za opskrbljivanje vanjskog opterećenja ili punjenje baterije. Napon i snaga izlaza termoelektričnog modula zavisi od broja termopara, razlike temperature, Seebeckovog koeficijenta i električnih i toplinskih otpora materijala.
Efikasnost termoelektričnog generatora definira se kao omjer električne snage izlaza i toplinskog unosa. Ova efikasnost ograničena je Carnotovom efikasnošću, maksimalnom mogućom efikasnošću bilo kojeg toplinskog motora između dvije temperature. Carnotova efikasnost data je:
gdje je Tc temperatura hladne strane, a Th temperatura vruće strane.
Stvarna efikasnost termoelektričnog generatora mnogo je niža od Carnotove efikasnosti zbog različitih gubitaka, kao što su Jouleovo zagrijavanje, toplinska provodljivost i toplinsko zračenje. Stvarna efikasnost termoelektričnog generatora zavisi od figure zasluge (ZT) termoelektričnih materijala, koja je bezdimenzionalni parametar koji mjeri performanse materijala za termoelektrične primjene. Figura zasluge data je:
gdje je α Seebeckov koeficijent, σ električna provodljivost, κ toplinska provodljivost, a T apsolutna temperatura.
Više figura zasluge, veća je efikasnost termoelektričnog generatora. Figura zasluge zavisi od intrinzičnih svojstava (poput transporta elektrona i fonona) i ekstrinzičnih svojstava (poput razine dopiranja i geometrije) materijala. Cilj istraživanja termoelektričnih materijala je pronaći ili dizajnirati materijale koji imaju visok Seebeckov koeficijent, visoku električnu provodljivost i nisku toplinsku provodljivost, što su često kontradiktorna zahtjeva.
Uobičajeni materijali
Bismut tellurid (Bi2Te3) i njegove legure
Olovni tellurid (PbTe) i njegove legure
Skutteruditi
Half-Heusler spojevi
Primjene
Hlađenje uređaja
Proizvodnja snage iz odbačene topline
Proizvodnja snage iz radioizotopa
Izazovi
Niska efikasnost
Visoka cijena
Toplinsko upravljanje
Integracija sistema
Buduće smjerove
Novi termoelektrični materijali
Napredni termoelektrični moduli
Inovativni termoelektrični sistemi
Zaključak
Termoelektrični generatori su uređaji koji mogu pretvoriti toplinsku energiju u električnu energiju koristeći Seebeckov efekat. Termoelektrični generatori imaju mnoge prednosti nad konvencionalnim metodama proizvodnje snage, poput kompaktnosti, pouzdanosti, bezšumnosti i direktnog prevođenja. Termoelektrični generatori imaju razne primjene u različitim područjima, poput hlađenja uređaja, proizvodnje snage iz odbačene topline i proizvodnje snage iz radioizotopa. Međutim, termoelektrični generatori suoče i nekim izazovima i ograničenjima koje treba prevazmoći za praktičnu implementaciju, poput niske efikasnosti, visoke cijene, toplinskog upravljanja i integracije sistema. Budući smjerovi istraživanja i razvoja termoelektričnih generatora uključuju nove termoelektrične materijale, napredne termoelektrične module i inovativne termoelektrične sisteme. Termoelektrični generatori imaju veliki potencijal za primjenu u prevođenju i sakupljanju energije u različitim sektorima i scenarijima.
