Termoelektrik Güç Jeneratörleri Nedir?

Termoelektrik Güç Üreticileri Nedir?

Termoelektrik Üretici Tanımı

Bir termoelektrik üretici (TEG), Seebeck etkisi kullanarak ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Seebeck etkisi, iki farklı iletken veya iletken devre arasında sıcaklık farkı olduğunda ortaya çıkan bir elektrik potansiyel farkıdır. TEG'ler hareketli parçaları olmayan katı hal cihazlardır ve uzun süre sessiz ve güvenilir şekilde çalışabilirler. TEG'ler, endüstriyel süreçler, otomobiller, güç santralleri ve hatta insan vücudundan kaynaklanan atık ısıyı toplayıp bunu faydalı elektriğe dönüştürmek için kullanılabilir. Ayrıca, sensörler, kablosuz verici cihazlar ve uzay araçları gibi uzak cihazları radyoizotoplar veya güneş ısısı gibi ısı kaynağı kullanarak çalıştırma amacıyla da kullanılabilirler.

Çalışma Prensibi

Bir termoelektrik üretici, termoelektrik malzemeler ve termoelektrik modüller olmak üzere iki ana bileşenden oluşur.

Termoelektrik malzemeler, sıcaklık farkı olduğunda elektrik gerilimi üreten Seebeck etkisini gösteren malzemelerdir. Bu malzemeler, n-tipi ve p-tipi olmak üzere ikiye ayrılır. N-tipi malzemeler fazladan elektronlara sahiptir, p-tipi malzemeler ise elektron eksiklidir. Bu malzemeler, metal elektrotlarla seri bağlı olduğunda bir termokuple oluştururlar, bu da bir termoelektrik üreticinin temel birimidir.

Bir termoelektrik modül, birçok termokupleyi elektriksel olarak seri ve termal olarak paralel bağlantılı olan bir cihazdır. Bir termoelektrik modülün iki tarafı vardır: sıcak taraf ve soğuk taraf. Sıcak taraf bir ısı kaynağına maruz bırakıldığında ve soğuk taraf bir ısı emiciye maruz kalırken, modül üzerinde bir sıcaklık farkı oluşur ve bu, devrede bir akımın akmasına neden olur. Bu akım, dış yükü çalıştırmak veya bir bataryayı şarj etmek için kullanılabilir. Bir termoelektrik modülün voltaj ve güç çıkışı, termokupllerin sayısı, sıcaklık farkı, Seebeck katsayısı ve malzemelerin elektriksel ve termal dirençlerine bağlıdır.

Bir termoelektrik üreticinin verimliliği, elektriksel güç çıkışı ile ısı girişi arasındaki oran olarak tanımlanır. Bu verimlilik, herhangi bir ısı motoru için iki sıcaklık arasında mümkün olan maksimum verimlilik olan Carnot verimliliği tarafından sınırlıdır. Carnot verimliliği şu şekilde verilir:

burada Tc soğuk tarafın sıcaklığı, Th ise sıcak tarafın sıcaklığıdır.

Joule ısılması, termal iletim ve termal ışınım gibi çeşitli kayıplar nedeniyle, bir termoelektrik üreticinin gerçek verimliliği Carnot verimliliğinden çok daha düşüktür. Bir termoelektrik üreticinin gerçek verimliliği, malzemenin termoelektrik uygulamalar için performansını ölçen boyutsuz bir parametre olan değerlik (ZT) değerine bağlıdır. Değerlik şu şekilde verilir:

burada α Seebeck katsayısı, σ elektriksel iletkenlik, κ termal iletkenlik ve T mutlak sıcaklıktır.

Degerlik değeri ne kadar yüksekse, termoelektrik üreticinin verimliliği de o kadar yüksektir. Degerlik, malzemelerin hem iç özelliklerine (elektron ve fonon taşıma gibi) hem de dış özelliklerine (doping seviyesi ve geometri gibi) bağlıdır. Termoelektrik malzemeler araştırma amacına göre, yüksek Seebeck katsayısına, yüksek elektriksel iletkenliğe ve düşük termal iletkenliğe sahip malzemeler bulmak veya tasarlamaktır, ki bu genellikle çelişen gereksinimlerdir.

Sıkça Kullanılan Malzemeler

• Bizmut tellürit (Bi2Te3) ve alaşımları

• Kurşun tellürit (PbTe) ve alaşımları

• Skutteruditler

• Yarı-Heusler bileşikleri

Uygulamalar

• Soğutma cihazları

• Atık ısıdan güç üretimi

• Radyoizotoplardan güç üretimi

 Zorluklar

• Düşük verimlilik

• Yüksek maliyet

• Termal yönetim

• Sistem entegrasyonu

Gelecek Yönler

• Yeni nesil termoelektrik malzemeler

• İleri düzey termoelektrik modüller

• Yenilikçi termoelektrik sistemler

Sonuç

Termoelektrik üreticiler, Seebeck etkisi kullanarak ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebilen cihazlardır. Termoelektrik üreticiler, kompaktness, güvenilirlik, sesizlik ve doğrudan dönüşüm gibi avantajları sayesinde geleneksel güç üretim yöntemlerine göre birçok avantaja sahiptir. Termoelektrik üreticiler, soğutma cihazları, atık ısıdan güç üretimi ve radyoizotoplardan güç üretimi gibi çeşitli alanlarda uygulamalarına sahiptir. Ancak, termoelektrik üreticiler aynı zamanda düşük verimlilik, yüksek maliyet, termal yönetim ve sistem entegrasyonu gibi bazı zorluklar ve sınırlamalarla karşı karşıyadır. Termoelektrik üreticilerin araştırmaları ve geliştirilmesi için gelecekteki yönler, yeni nesil termoelektrik malzemeler, gelişmiş termoelektrik modüller ve yenilikçi termoelektrik sistemler içerir. Termoelektrik üreticiler, çeşitli sektörler ve senaryolarda enerji dönüşümü ve toplama uygulamaları için büyük potansiyele sahiptir.