Що таке термоелектричні генератори електроенергії?

Що таке термоелектричні генератори?

Визначення термоелектричного генератора

Термоелектричний генератор (ТЕГ) — це пристрій, який перетворює теплову енергію на електричну за допомогою ефекту Зеебека. Ефект Зеебека — це явище, яке виникає, коли між двома різними провідниками або контуром провідників існує різниця температур, що створює електричний потенціал. ТЕГи — це твердотільні пристрої, які не мають рухомих частин, можуть працювати безшумно та надійно довгий час. ТЕГи можна використовувати для відновлення відходів тепла з різних джерел, таких як промислові процеси, автомобілі, електростанції та навіть тепло людського тіла, і перетворювати його на корисне електричество. ТЕГи також можна використовувати для живлення віддалених пристроїв, таких як датчики, бездротові передавачі та космічні апарати, використовуючи радіоізотопи або сонячне тепло як джерело тепла.

Принцип роботи

Термоелектричний генератор складається з двох основних компонентів: термоелектричних матеріалів та термоелектричних модулів.

Термоелектричні матеріали — це матеріали, які демонструють ефект Зеебека, генеруючи електричний напругу при наявності різниці температур. Вони поділяються на два типи: n-типу та p-типу. Матеріали n-типу мають надлишок електронів, тоді як матеріали p-типу бракують електронів. Коли вони з'єднуються в серію з металевими електродами, ці матеріали формують термопару, базову одиницю термоелектричного генератора.

Термоелектричний модуль — це пристрій, який містить багато термопар, з'єднаних електрично в серію і термічно паралельно. Термоелектричний модуль має дві сторони: гарячу і холодну. Коли гаряча сторона викладена до джерела тепла, а холодна сторона — до теплоносія, створюється різниця температур по модулю, що спричиняє потік струму через контур. Струм можна використовувати для живлення зовнішнього навантаження або зарядки акумулятора. Напруга та вивід електричної потужності термоелектричного модуля залежать від кількості термопар, різниці температур, коефіцієнту Зеебека та електричних та термічних опор матеріалів.

Ефективність термоелектричного генератора визначається як співвідношення електричної потужності виводу до теплового входу. Ця ефективність обмежена ефективністю Карно, максимальною можливою ефективністю будь-якого теплового двигуна між двома температурами. Ефективність Карно визначається:

де Tc — це температура холодної сторони, а Th — температура гарячої сторони.

Фактична ефективність термоелектричного генератора набагато нижча за ефективність Карно через різні втрати, такі як нагрівання Джоуля, теплопровідність та теплове випромінювання. Фактична ефективність термоелектричного генератора залежить від значення показника достоїнства (ZT) термоелектричних матеріалів, який є безрозмірним параметром, що вимірює продуктивність матеріалу для термоелектричних застосувань. Показник достоїнства визначається:

де α — коефіцієнт Зеебека, σ — електрична провідність, κ — теплопровідність, а T — абсолютна температура.

Чим вищий показник достоїнства, тим вища ефективність термоелектричного генератора. Показник достоїнства залежить як від внутрішніх властивостей (таких як транспорт електронів та фононів), так і від зовнішніх властивостей (таких як рівень легування та геометрія) матеріалів. Мета досліджень термоелектричних матеріалів полягає у пошуку або проектуванні матеріалів, які мають високий коефіцієнт Зеебека, високу електричну провідність та низьку теплопровідність, що часто є протиріччям.

Поширені матеріали

• Бісмут телурід (Bi2Te3) та його сплави

• Свинець телурід (PbTe) та його сплави

• Скюттерудіти

• Полу-Гейслерові сполуки

Застосування

• Охолоджувальні пристрої

• Генерація електроенергії з відходів тепла

• Генерація електроенергії з радіоізотопів

 Виклики

• Низька ефективність

• Висока вартість

• Теплове управління

• Інтеграція системи

Перспективи

• Нові термоелектричні матеріали

• Прогресивні термоелектричні модулі

• Інноваційні термоелектричні системи

Висновок

Термоелектричні генератори — це пристрої, які можуть перетворювати теплову енергію на електричну за допомогою ефекту Зеебека. Термоелектричні генератори мають багато переваг порівняно з традиційними методами генерації електроенергії, такими як компактність, надійність, безшумність та пряме перетворення. Термоелектричні генератори мають різні застосування у різних галузях, таких як охолоджувальні пристрої, генерація електроенергії з відходів тепла та генерація електроенергії з радіоізотопів. Проте, термоелектричні генератори також стикаються з деякими викликами та обмеженнями, які потрібно подолати для практичного застосування, такими як низька ефективність, висока вартість, теплове управління та інтеграція системи. Перспективи досліджень та розробок термоелектричних генераторів включають нові термоелектричні матеріали, прогресивні термоелектричні модулі та інноваційні термоелектричні системи. Термоелектричні генератори мають великий потенціал для застосування в енергетичному перетворенні та відновленні енергії в різних секторах та сценаріях.