Generator termoelektryczny (termogenerator TEG) to urządzenie elektryczne, które wykorzystuje efekty Seebecka, Thomsona i Peltiera do generowania energii elektrycznej przez termo-EMF. Efekt termo-EMF został odkryty przez niemieckiego naukowca Thomasa Johanna Seebecka (efekt Seebecka) w 1821 roku. W 1851 roku William Thomson (później Lord Kelvin) kontynuował badania termodynamiczne i udowodnił, że źródłem siły elektromotorycznej (EMF) jest różnica temperatur.
W 1834 roku francuski wynalazca i zegarmistrz Jean Charles Peltier odkrył drugi efekt termoelektryczny, odkrył, że różnica temperatur występuje na styku dwóch różnych rodzajów materiałów pod wpływem prądu elektrycznego (efekt Peltiera). W szczególności przewidział, że pole elektromagnetyczne rozwinie się w jednym przewodniku, gdy wystąpi różnica temperatur.
W 1950 roku rosyjski akademik i badacz Abram Ioffe odkrył termoelektryczne właściwości półprzewodników. Generator prądu termoelektrycznego zaczął być stosowany wautonomiczne systemy zasilania w niedostępnych obszarach. Badanie kosmosu, spacer kosmiczny człowieka dał potężny impuls do szybkiego rozwoju przetworników termoelektrycznych.
Radioizotopowe źródło energii zostało po raz pierwszy zainstalowane na statkach kosmicznych i stacjach orbitalnych. Zaczynają być wykorzystywane w dużym przemyśle naftowym i gazowym do ochrony antykorozyjnej gazociągów, w pracach badawczych na Dalekiej Północy, w medycynie jako rozruszniki serca oraz w budownictwie mieszkaniowym jako autonomiczne źródła zasilania.
Zjawisko termoelektryczne i wymiana ciepła w układach elektronicznych
Generatory termoelektryczne, których zasada działania opiera się na złożonym wykorzystaniu efektu trzech naukowców (Seebeck, Thomson, Peltier), zostały opracowane prawie 150 lat po odkryciach znacznie wyprzedzających swoje czasy.
Zjawisko termoelektryczne to następujące zjawisko. Do chłodzenia lub wytwarzania energii elektrycznej stosuje się „moduł” składający się z elektrycznie połączonych par. Każda para składa się z materiału półprzewodnikowego p (S> 0) i n (S<0). Te dwa materiały są połączone przewodem, którego moc termoelektryczna przyjmuje się jako zero. Dwie gałęzie (p i n) oraz wszystkie inne pary tworzące moduł są połączone szeregowo w obwodzie elektrycznym i równolegle w obwodzie termicznym. TEG (generator termoelektryczny) przy takim układzie stwarza warunki do optymalizacji przepływu ciepła, które przechodzi przez moduł, pokonując goopór elektryczny. Prąd elektryczny działa w taki sposób, że nośniki ładunku (elektrony i dziury) przemieszczają się od źródła zimnego do źródła gorącego (w sensie termodynamicznym) w dwóch gałęziach pary. Jednocześnie przyczyniają się do przeniesienia entropii ze źródła zimnego do gorącego, do przepływu ciepła, który będzie odporny na przewodzenie ciepła.
Jeżeli wybrane materiały mają dobre właściwości termoelektryczne, strumień ciepła generowany przez ruch nośników ładunku będzie większy niż przewodność cieplna. Dzięki temu system przeniesie ciepło z zimnego źródła do gorącego i będzie pełnił funkcję lodówki. W przypadku wytwarzania energii elektrycznej przepływ ciepła powoduje przemieszczenie nośników ładunku i pojawienie się prądu elektrycznego. Im większa różnica temperatur, tym więcej energii elektrycznej można uzyskać.
Sprawność TEG
Ocenione na podstawie współczynnika wydajności. Moc generatora termoelektrycznego zależy od dwóch krytycznych czynników:
- Ilość przepływu ciepła, która może skutecznie przejść przez moduł (przepływ ciepła).
- Delty temperatur (DT) - różnica temperatur między gorącą i zimną stroną generatora. Im większa delta, tym wydajniej działa, dlatego należy konstruktywnie zapewnić warunki, zarówno dla maksymalnego dostarczania zimna, jak i maksymalnego odprowadzania ciepła ze ścian generatora.
Termin „sprawność generatorów termoelektrycznych” jest podobny do terminu stosowanego do wszystkich innych typówsilniki cieplne. Jak dotąd jest on bardzo niski i wynosi nie więcej niż 17% skuteczności Carnota. Sprawność generatora TEG jest ograniczona sprawnością Carnota i w praktyce sięga tylko kilku procent (2-6%) nawet w wysokich temperaturach. Wynika to z niskiej przewodności cieplnej materiałów półprzewodnikowych, co nie sprzyja wydajnemu wytwarzaniu energii. Dlatego potrzebne są materiały o niskiej przewodności cieplnej, ale jednocześnie o najwyższej możliwej przewodności elektrycznej.
Półprzewodniki radzą sobie lepiej niż metale, ale wciąż daleko im do wskaźników, które sprowadziłyby generator termoelektryczny do poziomu produkcji przemysłowej (przy co najmniej 15% wykorzystaniu ciepła wysokotemperaturowego). Dalszy wzrost wydajności TEG zależy od właściwości materiałów termoelektrycznych (termoelektryków), których poszukiwaniem zajmuje się obecnie cały potencjał naukowy planety.
Opracowanie nowych termoelektryków jest stosunkowo złożone i kosztowne, ale jeśli się powiedzie, spowodują rewolucję technologiczną w systemach wytwarzania.
Materiały termoelektryczne
Termoelektryki składają się ze specjalnych stopów lub związków półprzewodnikowych. Ostatnio do właściwości termoelektrycznych stosuje się polimery przewodzące prąd elektryczny.
Wymagania dotyczące termoelektryków:
- wysoka wydajność dzięki niskiej przewodności cieplnej i wysokiej przewodności elektrycznej, wysoki współczynnik Seebecka;
- odporność na wysokie temperatury i termomechanicznewpływ;
- dostępność i bezpieczeństwo środowiska;
- odporność na wibracje i nagłe zmiany temperatury;
- długoterminowa stabilność i niski koszt;
- automatyzacja procesu produkcyjnego.
Obecnie trwają eksperymenty mające na celu dobranie optymalnych termopar, które zwiększą wydajność TEG. Półprzewodnikowy materiał termoelektryczny jest stopem tellurku i bizmutu. Został specjalnie wyprodukowany, aby zapewnić pojedyncze bloki lub elementy o różnych charakterystykach „N” i „P”.
Materiały termoelektryczne są najczęściej wytwarzane przez kierunkową krystalizację z metalurgii stopionych lub sprasowanych proszków. Każda metoda produkcji ma swoją szczególną zaletę, ale najczęściej stosowane są materiały ukierunkowane na wzrost. Oprócz tellurynu bizmutu (Bi 2 Te 3) istnieją inne materiały termoelektryczne, w tym stopy ołowiu i tellurynu (PbTe), krzemu i germanu (SiGe), bizmutu i antymonu (Bi-Sb), które mogą być sprawy. Podczas gdy termopary bizmutu i tellurku są najlepsze dla większości TEG.
Godność TEG
Zalety generatorów termoelektrycznych:
- energia elektryczna jest generowana w zamkniętym, jednostopniowym obwodzie bez użycia skomplikowanych systemów przesyłowych i używania części ruchomych;
- brak cieczy roboczych i gazów;
- brak emisji szkodliwych substancji, ciepła odpadowego i zanieczyszczenia środowiska hałasem;
- device długi czas pracy na bateriifunkcjonowanie;
- wykorzystanie ciepła odpadowego (wtórne źródła ciepła) w celu oszczędzania zasobów energetycznych
- pracuj w dowolnej pozycji obiektu, niezależnie od środowiska pracy: przestrzeń, woda, ziemia;
- Generowanie niskiego napięcia DC;
- odporność na zwarcia;
- Nieograniczony okres przydatności do spożycia, w 100% gotowy do użycia.
Obszary zastosowania generatora termoelektrycznego
Zalety TEG określiły perspektywy rozwoju i jego najbliższą przyszłość:
- badanie oceanu i przestrzeni;
- zastosowanie w małych (krajowych) alternatywnych źródłach energii;
- wykorzystywanie ciepła z samochodowych rur wydechowych;
- w systemach recyklingu;
- w systemach chłodzenia i klimatyzacji;
- w systemach pomp ciepła do natychmiastowego nagrzewania silników Diesla lokomotyw spalinowych i samochodów;
- ogrzewanie i gotowanie w warunkach polowych;
- ładowanie urządzeń elektronicznych i zegarków;
- odżywianie sensorycznych bransoletek dla sportowców.
Termoelektryczny przetwornik Peltiera
Element Peltiera (EP) to konwerter termoelektryczny działający z wykorzystaniem efektu Peltiera o tej samej nazwie, jednego z trzech efektów termoelektrycznych (Seebeck i Thomson).
Francuz Jean-Charles Peltier połączył ze sobą przewody miedziane i bizmutowe i połączył je z akumulatorem, tworząc w ten sposób parę połączeń dwóchróżne metale. Po włączeniu akumulatora jedno ze złączy nagrzewało się, a drugie stygło.
Urządzenia z efektem Peltiera są wyjątkowo niezawodne, ponieważ nie mają ruchomych części, nie wymagają konserwacji, nie emitują szkodliwych gazów, są kompaktowe i działają dwukierunkowo (ogrzewanie i chłodzenie) w zależności od kierunku prądu.
Niestety są nieefektywne, mają niską wydajność, emitują dość dużo ciepła, co wymaga dodatkowej wentylacji i zwiększa koszt urządzenia. Takie urządzenia zużywają dość dużo energii elektrycznej i mogą powodować przegrzanie lub kondensację. Prawie nigdy nie znaleziono elementów Peltiera większych niż 60 mm x 60 mm.
Zakres ES
Wprowadzenie zaawansowanych technologii w produkcji termoelektryków doprowadziło do obniżenia kosztów produkcji EP i zwiększenia dostępności rynku.
Dziś EP jest szeroko stosowany:
- w przenośnych lodówkach, do chłodzenia małych urządzeń i komponentów elektronicznych;
- w osuszaczach do usuwania wody z powietrza;
- w statku kosmicznym, aby zrównoważyć wpływ bezpośredniego światła słonecznego na jedną stronę statku, jednocześnie rozpraszając ciepło na drugą stronę;
- do chłodzenia detektorów fotonów teleskopów astronomicznych i wysokiej jakości aparatów cyfrowych w celu zminimalizowania błędów obserwacji spowodowanych przegrzaniem;
- do chłodzenia komponentów komputera.
Ostatnio jest szeroko stosowany do celów domowych:
- w urządzeniach chłodzących zasilanych przez port USB do chłodzenia lub podgrzewania napojów;
- w postaci dodatkowego stopnia chłodzenia lodówek kompresyjnych ze spadkiem temperatury do -80 stopni dla chłodzenia jednostopniowego i do -120 dla chłodzenia dwustopniowego;
- w samochodach do tworzenia autonomicznych lodówek lub grzejników.
Chiny uruchomiły produkcję elementów Peltiera w modyfikacjach TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 o wartości do 7 euro, które mogą zapewnić moc do 200 W według schematów „ciepło-zimno”, o żywotności do 200 000 godzin pracy w strefie temperatur od -30 do 138 stopni Celsjusza.
Baterie jądrowe RITEG
Radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG) to urządzenie, które wykorzystuje termopary do konwersji ciepła z rozpadu materiału radioaktywnego na energię elektryczną. Ten generator nie ma ruchomych części. RITEG był używany jako źródło energii na satelitach, statkach kosmicznych, zdalnych latarniach morskich zbudowanych przez ZSRR dla koła podbiegunowego.
RTG są zazwyczaj najbardziej preferowanym źródłem zasilania dla urządzeń wymagających kilkuset watów mocy. W ogniwach paliwowych, bateriach lub generatorach zainstalowanych w miejscach, w których ogniwa słoneczne są nieefektywne. Generator termoelektryczny radioizotopów wymaga ścisłej obsługi radioizotopów podczasdługi czas po zakończeniu okresu użytkowania.
W Rosji jest około 1000 RTG, które były wykorzystywane głównie jako źródła zasilania na środkach dalekiego zasięgu: latarnie morskie, radiolatarnie i inny specjalny sprzęt radiowy. Pierwszym kosmicznym RTG na polon-210 był Limon-1 w 1962 roku, potem Orion-1 o mocy 20 W. Najnowsza modyfikacja została zainstalowana na satelitach Strela-1 i Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 i Mars-96 używały RTG w swoich systemach grzewczych.
Zrób to sam generator termoelektryczny
Tak złożone procesy zachodzące w TEG nie powstrzymują lokalnych „kulibinów” w ich pragnieniu włączenia się do globalnego procesu naukowego i technicznego tworzenia TEG. Stosowanie domowych TEG jest stosowane od dawna. Podczas Wielkiej Wojny Ojczyźnianej partyzanci wykonali uniwersalny generator termoelektryczny. Generował energię elektryczną do ładowania radia.
Wraz z pojawieniem się na rynku elementów Peltiera w przystępnych cenach dla gospodarstw domowych, możliwe jest samodzielne wykonanie TEG, postępując zgodnie z poniższymi krokami.
- Kup dwa radiatory ze sklepu IT i nałóż pastę termoprzewodzącą. Ten ostatni ułatwi połączenie elementu Peltiera.
- Oddziel grzejniki dowolnym izolatorem ciepła.
- Zrób otwór w izolatorze, aby pomieścić element Peltiera i przewody.
- Zmontuj konstrukcję i doprowadź źródło ciepła (świecę) do jednego z grzejników. Im dłuższe ogrzewanie, tym więcej prądu będzie generowane z domowego termoelektrykagenerator.
To urządzenie działa cicho i jest lekkie. Generator termoelektryczny ic2, w zależności od rozmiaru, może podłączyć ładowarkę do telefonu komórkowego, włączyć małe radio i włączyć oświetlenie LED.
Obecnie wielu znanych światowych producentów uruchomiło produkcję różnych niedrogich gadżetów przy użyciu TEG dla entuzjastów samochodów i podróżników.
Perspektywy rozwoju generacji termoelektrycznej
Oczekuje się, że popyt na konsumpcję TEG w gospodarstwach domowych wzrośnie o 14%. Perspektywy rozwoju generacji termoelektrycznej zostały opublikowane przez Market Research Future, wydając artykuł „Global Thermoelectric Generators Market Research Report – Forecast to 2022” – analiza rynku, wielkość, udział, postęp, trendy i prognozy. Raport potwierdza obietnicę TEG w zakresie recyklingu odpadów samochodowych oraz kogeneracji energii elektrycznej i ciepła dla obiektów domowych i przemysłowych.
Geograficznie światowy rynek generatorów termoelektrycznych został podzielony na Amerykę, Europę, Azję i Pacyfik, Indie i Afrykę. Azja i Pacyfik jest uważany za najszybciej rozwijający się segment we wdrażaniu rynku TEG.
Wśród tych regionów Ameryka, według ekspertów, jest głównym źródłem dochodu na globalnym rynku TEG. Oczekuje się, że wzrost popytu na czystą energię zwiększy popyt w Ameryce.
Europa również wykaże stosunkowo szybki wzrost w okresie prognozy. Indie i Chiny będąwzrost zużycia w znaczącym tempie ze względu na wzrost popytu na pojazdy, co doprowadzi do wzrostu rynku generatorów.
Firmy motoryzacyjne, takie jak Volkswagen, Ford, BMW i Volvo, we współpracy z NASA, już rozpoczęły opracowywanie mini-TEG do systemu odzyskiwania ciepła i oszczędzania paliwa w pojazdach.
