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.