Vad är termoelektriska elkraftgeneratorer?
Vad är termoelektriska elgeneratorer?
Definition av termoelektrisk generator
En termoelektrisk generator (TEG) är en enhet som omvandlar värmeenergi till elektrisk energi med hjälp av Seebeck-effekten. Seebeck-effekten är ett fenomen som uppstår när det finns en temperatur skillnad mellan två olika ledare eller en krets av ledare, vilket skapar en elektrisk spännings skillnad. TEG:er är fasta tillstånds enheter som saknar rörliga delar och kan fungera tyst och pålitligt under långa perioder. TEG:er kan användas för att utvinna restvärme från olika källor, såsom industriella processer, bilar, kraftverk och till och med människokroppens värme, och omvandla den till användbar elektricitet. TEG:er kan också användas för att driva fjärrenheter, såsom sensorer, trådlösa sändare och rymdfarkoster, genom att använda radioisotoper eller solvärme som värme källa.
Arbetsprincip
En termoelektrisk generator består av två huvudkomponenter: termoelektriska material och termoelektriska moduler.
Termoelektriska material är material som visar Seebeck-effekten, vilket genererar en elektrisk spänning när det finns en temperatur skillnad. De indelas i två typer: n-typ och p-typ. N-typ material har extra elektroner, medan p-typ material saknar elektroner. När de ansluts i serie med metall elektroder, bildar dessa material en termopar, den grundläggande enheten i en termoelektrisk generator.
En termoelektrisk modul är en enhet som innehåller många termoparer anslutna elektriskt i serie och termiskt parallellt. En termoelektrisk modul har två sidor: en varm sida och en kall sida. När den varma sidan exponeras för en värme källa och den kalla sidan exponeras för en värme avsugs, skapas en temperatur skillnad över modulen, vilket orsakar att en ström flyter genom kretsen. Strömmen kan användas för att driva en extern belastning eller ladda en batteri. Spänningen och effekten från en termoelektrisk modul beror på antalet termoparer, temperatur skillnaden, Seebeck-koefficienten och de elektriska och termiska resistanserna hos materialen.
Effektiviteten för en termoelektrisk generator definieras som förhållandet mellan elektrisk effektutdata och värmeeinmatning. Denna effektivitet begränsas av Carnot-effektiviteten, den maximala möjliga effektiviteten för någon värme motor mellan två temperaturer. Carnot-effektiviteten ges av:
där Tc är temperaturen på den kalla sidan, och Th är temperaturen på den varma sidan.
Den faktiska effektiviteten för en termoelektrisk generator är mycket lägre än Carnot-effektiviteten på grund av olika förluster såsom Joule-värmning, termisk konduktion och termisk strålning. Den faktiska effektiviteten för en termoelektrisk generator beror på meritfigur (ZT) för termoelektriska material, vilket är en dimensionslös parameter som mäter prestandan av ett material för termoelektriska tillämpningar. Meritfiguren ges av:
där α är Seebeck-koefficienten, σ är elektrisk ledningsförmåga, κ är termisk ledningsförmåga, och T är den absoluta temperaturen.
Ju högre meritfiguren, desto högre effektiviteten för termoelektriska generatorn. Meritfiguren beror både på inre egenskaper (som elektron- och fonontransport) och yttre egenskaper (som dopningsnivå och geometri) hos materialen. Målet med forskningen om termoelektriska material är att hitta eller designa material som har en hög Seebeck-koefficient, hög elektrisk ledningsförmåga och låg termisk ledningsförmåga, vilka ofta är motstridiga krav.
Vanliga material
Bismuttellurid (Bi2Te3) och dess legningar
Blytellurid (PbTe) och dess legningar
Skutteruditer
Half-Heusler-förbindelser
Tillämpningar
Kylapparater
Energiegenskap från restvärme
Energiegenskap från radioisotoper
Utväxlingar
Låg effektivitet
Hög kostnad
Termisk hantering
Systemintegration
Framtidsperspektiv
Nya termoelektriska material
Avancerade termoelektriska moduler
Innovativa termoelektriska system
Slutsats
Termoelektriska generatorer är enheter som kan omvandla värmeenergi till elektrisk energi med hjälp av Seebeck-effekten. Termoelektriska generatorer har många fördelar jämfört med konventionella metoder för elproduktion, såsom kompakthet, pålitlighet, tysthet och direkt omvandling. Termoelektriska generatorer har olika tillämpningar inom olika områden, såsom kylapparater, elproduktion från restvärme och elproduktion från radioisotoper. Dock står termoelektriska generatorer inför vissa utmaningar och begränsningar som behöver övervinnas för praktisk implementering, såsom låg effektivitet, hög kostnad, termisk hantering och systemintegration. Framtidsriktningar för forskning och utveckling av termoelektriska generatorer inkluderar nya termoelektriska material, avancerade termoelektriska moduler och innovativa termoelektriska system. Termoelektriska generatorer har stor potential för energiomvandling och energiutvinning i olika sektorer och scenarier.
