Điều gì là Bộ phát điện Nhiệt điện?

Thermoelectric Power Generators là gì?

Định nghĩa của Thermoelectric Generator

Máy phát điện nhiệt điện (TEG) là thiết bị chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng Seebeck là hiện tượng xảy ra khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai dây dẫn khác nhau hoặc mạch dây dẫn, tạo ra một hiệu điện thế. TEGs là thiết bị rắn không có bộ phận di chuyển và có thể hoạt động im lặng và đáng tin cậy trong thời gian dài. TEGs có thể được sử dụng để thu thập nhiệt dư từ các nguồn khác nhau, chẳng hạn như quy trình công nghiệp, ô tô, nhà máy điện, và thậm chí cả nhiệt cơ thể con người, và chuyển đổi nó thành điện hữu ích. TEGs cũng có thể được sử dụng để cấp điện cho các thiết bị xa xôi, như cảm biến, bộ truyền tín hiệu không dây và tàu vũ trụ, bằng cách sử dụng chất phóng xạ hoặc nhiệt mặt trời làm nguồn nhiệt.

Nguyên lý hoạt động

Một máy phát điện nhiệt điện bao gồm hai thành phần chính: vật liệu nhiệt điện và mô-đun nhiệt điện.

Vật liệu nhiệt điện là những vật liệu hiển thị hiệu ứng Seebeck, tạo ra điện áp khi có sự khác biệt về nhiệt độ. Chúng được phân loại thành hai loại: n-type và p-type. Vật liệu n-type có thêm electron, trong khi vật liệu p-type thiếu electron. Khi kết nối theo chuỗi với điện cực kim loại, những vật liệu này tạo thành cặp nhiệt, đơn vị cơ bản của máy phát điện nhiệt điện.

Mô-đun nhiệt điện là thiết bị chứa nhiều cặp nhiệt kết nối điện theo chuỗi và nhiệt theo song song. Mô-đun nhiệt điện có hai mặt: mặt nóng và mặt lạnh. Khi mặt nóng tiếp xúc với nguồn nhiệt và mặt lạnh tiếp xúc với bộ tản nhiệt, một sự khác biệt về nhiệt độ được tạo ra trên mô-đun, gây ra dòng điện chảy qua mạch. Dòng điện này có thể được sử dụng để cấp điện cho tải bên ngoài hoặc sạc pin. Điện áp và công suất đầu ra của mô-đun nhiệt điện phụ thuộc vào số lượng cặp nhiệt, sự khác biệt về nhiệt độ, hệ số Seebeck, và điện trở và nhiệt điện của vật liệu.

Hiệu suất của máy phát điện nhiệt điện được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất điện đầu ra và nhiệt đầu vào. Hiệu suất này bị giới hạn bởi hiệu suất Carnot, hiệu suất tối đa có thể cho bất kỳ động cơ nhiệt nào giữa hai nhiệt độ. Hiệu suất Carnot được tính bằng:

trong đó Tc là nhiệt độ của mặt lạnh, và Th là nhiệt độ của mặt nóng.

Hiệu suất thực tế của máy phát điện nhiệt điện thấp hơn nhiều so với hiệu suất Carnot do các tổn thất khác nhau như đốt nóng Joule, dẫn nhiệt, và bức xạ nhiệt. Hiệu suất thực tế của máy phát điện nhiệt điện phụ thuộc vào chỉ số ưu việt (ZT) của vật liệu nhiệt điện, đây là tham số vô chiều đo lường hiệu suất của vật liệu cho ứng dụng nhiệt điện. Chỉ số ưu việt được tính bằng:

trong đó α là hệ số Seebeck, σ là điện dẫn, κ là nhiệt dẫn, và T là nhiệt độ tuyệt đối.

Chỉ số ưu việt càng cao, hiệu suất của máy phát điện nhiệt điện càng cao. Chỉ số ưu việt phụ thuộc vào cả tính chất nội tại (như vận chuyển electron và phonon) và tính chất ngoại vi (như mức độ pha tạp và hình học) của vật liệu. Mục tiêu của nghiên cứu vật liệu nhiệt điện là tìm kiếm hoặc thiết kế vật liệu có hệ số Seebeck cao, điện dẫn cao, và nhiệt dẫn thấp, những yêu cầu thường mâu thuẫn.

Vật liệu thông dụng

• Bismuth telluride (Bi2Te3) và hợp kim của nó

• Lead telluride (PbTe) và hợp kim của nó

• Skutterudites

• Hợp chất Half-Heusler

Ứng dụng

• Thiết bị làm mát

• Sản xuất điện từ nhiệt dư

• Sản xuất điện từ chất phóng xạ

 Thách thức

• Hiệu suất thấp

• Chi phí cao

• Quản lý nhiệt

• Tích hợp hệ thống

Hướng đi tương lai

• Vật liệu nhiệt điện mới

• Mô-đun nhiệt điện tiên tiến

• Hệ thống nhiệt điện sáng tạo

Kết luận

Máy phát điện nhiệt điện là thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng Seebeck. Máy phát điện nhiệt điện có nhiều ưu điểm so với các phương pháp sản xuất điện thông thường, như kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy, không gây tiếng ồn, và chuyển đổi trực tiếp. Máy phát điện nhiệt điện có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như thiết bị làm mát, sản xuất điện từ nhiệt dư, và sản xuất điện từ chất phóng xạ. Tuy nhiên, máy phát điện nhiệt điện cũng gặp phải một số thách thức và hạn chế cần khắc phục để triển khai thực tế, như hiệu suất thấp, chi phí cao, quản lý nhiệt, và tích hợp hệ thống. Hướng đi tương lai cho nghiên cứu và phát triển máy phát điện nhiệt điện bao gồm vật liệu nhiệt điện mới, mô-đun nhiệt điện tiên tiến, và hệ thống nhiệt điện sáng tạo. Máy phát điện nhiệt điện có tiềm năng lớn cho việc chuyển đổi và thu hoạch năng lượng trong nhiều ngành và kịch bản khác nhau.