Thermoelectric generator (TEG thermogenerator) egy elektromos eszköz, amely a Seebeck, Thomson és Peltier effektusokat használja fel elektromos áram előállítására termo-EMF-en keresztül. A termo-EMF hatást Thomas Johann Seebeck (Seebeck-effektus) német tudós fedezte fel 1821-ben. 1851-ben William Thomson (később Lord Kelvin) folytatta a termodinamikai kutatásokat, és bebizonyította, hogy az elektromotoros erő (EMF) forrása a hőmérséklet-különbség..
1834-ben Jean Charles Peltier francia feltaláló és óragyártó felfedezte a második termoelektromos hatást, és megállapította, hogy a hőmérséklet-különbség két különböző típusú anyag találkozásánál keletkezik elektromos áram hatására (Peltier-effektus). Konkrétan azt jósolta, hogy hőmérséklet-különbség esetén EMF alakul ki egyetlen vezetőn belül.
1950-ben Abram Ioffe orosz akadémikus és kutató felfedezte a félvezetők termoelektromos tulajdonságait. A termoelektromos áramfejlesztőt elkezdték használniautonóm áramellátó rendszerek elérhetetlen helyeken. A világűr tanulmányozása, az ember űrsétája erőteljes lökést adott a termoelektromos átalakítók gyors fejlődéséhez.
A radioizotópos energiaforrást először űrhajókon és orbitális állomásokon telepítették. A nagy olaj- és gáziparban kezdik alkalmazni a gázvezetékek korrózió elleni védelmére, a távol-északon a kutatási munkákban, az orvostudományban, mint pacemakerként és a háznál, mint autonóm áramforrásként.
Termoelektromos hatás és hőátadás elektronikus rendszerekben
A termoelektromos generátorokat, amelyek működési elve három tudós (Seebeck, Thomson, Peltier) hatásának komplex felhasználásán alapul, csaknem 150 évvel a korukat messze meghaladó felfedezések után fejlesztették ki.
A termoelektromos hatás a következő jelenség. Hűtésre vagy elektromos áram előállítására elektromosan összekapcsolt párokból álló "modult" használnak. Mindegyik pár p (S> 0) és n (S<0) félvezető anyagból áll. Ezt a két anyagot egy vezető köti össze, amelynek termoelektromos teljesítményét nullának tételezzük fel. Két ág (p és n) és a modult alkotó összes többi pár sorba van kötve az elektromos áramkörben és párhuzamosan a termikus áramkörben. A TEG (termoelektromos generátor) ezzel az elrendezéssel megteremti a feltételeket a modulon áthaladó hőáramlás optimalizálásához, leküzdve aztelektromos ellenállás. Az elektromos áram úgy hat, hogy a töltéshordozók (elektronok és lyukak) a pár két ágában hideg forrásból meleg forrásba (termodinamikai értelemben) mozognak. Ugyanakkor hozzájárulnak az entrópia átviteléhez a hideg forrásból a forró forrásba, olyan hőáramba, amely ellenáll a hővezetésnek.
Ha a kiválasztott anyagok jó termoelektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, akkor ez a töltéshordozók mozgása által generált hőáram nagyobb lesz, mint a hővezető képesség. Ezért a rendszer átadja a hőt a hideg forrásról a melegre, és hűtőszekrényként működik. Villamosenergia-termelés esetén a hőáramlás töltéshordozók elmozdulását, elektromos áram megjelenését okozza. Minél nagyobb a hőmérséklet-különbség, annál több elektromos áram nyerhető.
TEG hatékonyság
A hatékonysági tényező alapján értékelve. A termoelektromos generátor teljesítménye két kritikus tényezőtől függ:
- A hőáram mennyisége, amely sikeresen át tud mozogni a modulon (hőáramlás).
- Hőmérséklet-delták (DT) – a hőmérséklet-különbség a generátor meleg és hideg oldala között. Minél nagyobb a delta, annál hatékonyabban működik, ezért a feltételeket konstruktívan kell biztosítani, mind a maximális hidegellátáshoz, mind a maximális hőelvezetéshez a generátor falairól.
A "termoelektromos generátorok hatékonysága" kifejezés hasonló az összes többi típusra alkalmazott kifejezéshezhőmotorok. Eddig nagyon alacsony, és nem éri el Carnot hatékonyságának 17%-át. A TEG generátor hatásfokát a Carnot hatásfok korlátozza, és a gyakorlatban magas hőmérsékleten is csak néhány százalékot (2-6%) ér el. Ennek oka a félvezető anyagok alacsony hővezető képessége, ami nem segíti elő a hatékony energiatermelést. Így olyan anyagokra van szükség, amelyek alacsony hővezető képességű, de ugyanakkor a lehető legnagyobb elektromos vezetőképességgel rendelkeznek.
A félvezetők jobban teljesítenek, mint a fémek, de még mindig nagyon messze vannak azoktól a mutatóktól, amelyek egy termoelektromos generátort az ipari termelés szintjére hoznának (legalább 15%-os magas hőmérsékletű hő felhasználással). A TEG hatékonyságának további növekedése a termoelektromos anyagok (termoelektromos anyagok) tulajdonságaitól függ, amelyek keresését jelenleg a bolygó teljes tudományos potenciálja foglalkoztatja.
Az új termoelektromos szerek kifejlesztése viszonylag bonyolult és költséges, de ha sikerül, technológiai forradalmat idéznek elő a generációs rendszerekben.
Hőelektromos anyagok
A hőelektromos anyagok speciális ötvözetekből vagy félvezető vegyületekből állnak. A közelmúltban elektromosan vezető polimereket használnak a termoelektromos tulajdonságokra.
A termoelektromos anyagokra vonatkozó követelmények:
- nagy hatásfok az alacsony hővezetőképességnek és a nagy elektromos vezetőképességnek, valamint a magas Seebeck-együtthatónak köszönhetően;
- magas hőmérsékletnek és termomechanikusnak ellenállhatás;
- Hozzáférhetőség és környezetbiztonság;
- rezgésekkel és hirtelen hőmérséklet-változásokkal szembeni ellenállás;
- hosszú távú stabilitás és alacsony költség;
- gyártási folyamat automatizálása.
Jelenleg kísérletek folynak az optimális hőelemek kiválasztására, amelyek növelik a TEG hatékonyságát. A termoelektromos félvezető anyag tellurid és bizmut ötvözete. Speciálisan úgy készült, hogy egyedi blokkokat vagy elemeket biztosítson különböző "N" és "P" jellemzőkkel.
A termoelektromos anyagokat leggyakrabban olvadt vagy préselt porkohászatból irányított kristályosítással állítják elő. Mindegyik gyártási módszernek megvan a maga sajátos előnye, de az irányított növekedésű anyagok a leggyakoribbak. A bizmuttelluriton (Bi 2 Te 3) kívül más termoelektromos anyagok is léteznek, beleértve az ólom és tellurit (PbTe), szilícium és germánium (SiGe), bizmut és antimon (Bi-Sb) ötvözeteit, amelyek speciálisan felhasználhatók. esetek. Míg a legtöbb TEG-hez a bizmut és a tellurid hőelemek a legjobbak.
A TEG méltósága
A termoelektromos generátorok előnyei:
- az áramot zárt, egyfokozatú áramkörben állítják elő bonyolult átviteli rendszerek és mozgó alkatrészek használata nélkül;
- munkafolyadékok és gázok hiánya;
- nincs káros anyagok kibocsátása, hulladékhő és zajszennyezés a környezetre;
- eszköz hosszú akkumulátor-élettartamműködőképes;
- hulladékhő (másodlagos hőforrások) felhasználása az energiaforrások megtakarítása érdekében
- dolgozzon az objektum bármely pozíciójában, függetlenül a működési környezettől: tér, víz, föld;
- DC kisfeszültségű generálás;
- rövidzárlati védelem;
- Korlátlan eltarthatóság, 100%-ban használatra kész.
A termoelektromos generátor alkalmazási területei
A TEG előnyei meghatározták a fejlődési kilátásokat és a közeljövőt:
- az óceán és az űr tanulmányozása;
- alkalmazás kis (hazai) alternatív energiákban;
- az autó kipufogócsövéből származó hő felhasználása;
- újrahasznosító rendszerekben;
- hűtő- és légkondicionáló rendszerekben;
- hőszivattyús rendszerekben dízelmozdonyok és személygépkocsik dízelmotorjainak azonnali felfűtésére;
- fűtés és főzés helyszíni körülmények között;
- elektronikus eszközök és órák töltése;
- érzékszervi karkötők táplálkozása sportolóknak.
Termoelektromos Peltier-átalakító
Peltier elem (EP) egy termoelektromos átalakító, amely az azonos nevű Peltier-effektussal működik, amely a három termoelektromos hatás egyike (Seebeck és Thomson).
A francia Jean-Charles Peltier réz- és bizmuthuzalokat csatlakoztatott egymáshoz, és egy akkumulátorhoz kötötte, így két összeköttetést hozott létreeltérő fémek. Amikor az akkumulátort bekapcsolták, az egyik csomópont felmelegszik, a másik pedig lehűl.
A Peltier-effektus készülékek rendkívül megbízhatóak, mert nincsenek mozgó alkatrészeik, nem igényelnek karbantartást, nem bocsátanak ki káros gázokat, kompaktak és az áram irányától függően kétirányú működésűek (fűtés és hűtés).
Sajnos nem hatékonyak, alacsony hatásfokúak, elég sok hőt bocsátanak ki, ami további szellőztetést igényel, és megnöveli a készülék költségét. Az ilyen eszközök meglehetősen sok áramot fogyasztanak, és túlmelegedést vagy páralecsapódást okozhatnak. 60 mm x 60 mm-nél nagyobb Peltier elemek szinte soha nem találhatók.
Az ES hatálya
A fejlett technológiák bevezetése a termoelektromos anyagok gyártásában az EP gyártási költségeinek csökkenéséhez és a piachoz való hozzáférés bővüléséhez vezetett.
Ma az EP-t széles körben használják:
- hordozható hűtőben, kisméretű készülékek és elektronikus alkatrészek hűtésére;
- párátlanítókban a víz elszívására a levegőből;
- űrhajókban, hogy kiegyensúlyozza a közvetlen napfény hatását a hajó egyik oldalán, miközben a hőt a másik oldalra tereli;
- csillagászati teleszkópok és kiváló minőségű digitális kamerák fotondetektorainak hűtésére a túlmelegedés miatti megfigyelési hibák minimalizálása érdekében;
- számítógép-alkatrészek hűtésére.
A közelmúltban széles körben használták háztartási célokra:
- USB-porton keresztül működő hűtőeszközökben italok hűtésére vagy melegítésére;
- kompressziós hűtőszekrények további hűtési fokozata formájában, a hőmérséklet -80 fokos csökkentésével egyfokozatú hűtéshez és -120 fokig kétfokozatú hűtéshez;
- autókban autonóm hűtők vagy fűtőberendezések létrehozásához.
Kína elindította a TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 módosítású Peltier-elemek gyártását akár 7 euró értékben, amelyek a „meleg-hideg” séma szerint akár 200 W teljesítményt is képesek biztosítani, akár 200 000 üzemórás üzemidővel a -30 és 138 Celsius fok közötti hőmérsékleti zónában.
RITEG nukleáris akkumulátorok
A radioizotópos termoelektromos generátor (RTG) olyan eszköz, amely hőelemeket használ a radioaktív anyagok bomlásából származó hő elektromos árammá alakítására. Ennek a generátornak nincsenek mozgó alkatrészei. A RITEG-et energiaforrásként használták műholdakon, űrhajókon és távoli világítótornyokon, amelyeket a Szovjetunió épített az Északi-sarkkör számára.
Az RTG-k általában a legelőnyösebb áramforrások a több száz watt teljesítményt igénylő eszközök számára. Üzemanyagcellákban, akkumulátorokban vagy olyan helyeken telepített generátorokban, ahol a napelemek nem hatékonyak. A radioizotópos termoelektromos generátor szigorú radioizotópkezelést igényelhosszú ideig az élettartam lejárta után.
Körülbelül 1000 RTG van Oroszországban, amelyeket főként nagy hatótávolságú eszközök áramforrására használtak: világítótornyok, rádiójelzők és egyéb speciális rádióberendezések. Az első űr-RTG polónium-210-en a Limon-1 volt 1962-ben, majd az Orion-1 20 W-os teljesítménnyel. A legújabb módosítást a Strela-1 és a Kosmos-84/90 műholdakra telepítették. A Lunokhods-1, 2 és Mars-96 RTG-ket használtak fűtési rendszereikben.
DIY termoelektromos generátor
Az ilyen összetett folyamatok, amelyek a TEG-ben játszódnak le, nem akadályozzák meg a helyi „kulibineket” abban, hogy csatlakozzanak a TEG létrehozásának globális tudományos és műszaki folyamatához. A házi készítésű TEG-eket már régóta használják. A Nagy Honvédő Háború alatt a partizánok univerzális termoelektromos generátort készítettek. Áramot termelt a rádió töltéséhez.
A Peltier-elemek megjelenésével a háztartási fogyasztók számára elérhető áron elérhető áron, az alábbi lépések követésével saját maga is elkészítheti a TEG-et.
- Szerezzen be két hűtőbordát egy informatikai üzletből, és alkalmazzon hőpasztát. Ez utóbbi megkönnyíti a Peltier elem csatlakoztatását.
- Válassza el a radiátorokat bármilyen hőszigetelővel.
- Készítsen lyukat a szigetelőn a Peltier elem és a vezetékek elhelyezéséhez.
- Szerelje össze a szerkezetet, és vigye a hőforrást (gyertyát) az egyik radiátorhoz. Minél hosszabb a fűtés, annál több áram keletkezik az otthoni termoelektromos egységbőlgenerátor.
Ez az eszköz hangtalanul működik, és könnyű. Az ic2 termoelektromos generátor a mérettől függően mobiltelefon töltőt csatlakoztathat, kis rádiót és LED világítást kapcsolhat.
Jelenleg számos jól ismert globális gyártó indította el a TEG segítségével megfizethető kütyük gyártását az autók szerelmeseinek és az utazóknak.
A termoelektromos termelés fejlesztésének kilátásai
A háztartási TEG-fogyasztás iránti kereslet várhatóan 14%-kal nő. A termoelektromos termelés fejlesztési kilátásait a Market Research Future tette közzé a „Global Thermoelectric Generators Market Research Report – Forecast to 2022” című dokumentumban – piacelemzés, mennyiség, részesedés, előrehaladás, trendek és előrejelzések. A jelentés megerősíti a TEG ígéretét az autóipari hulladékok újrahasznosítása, valamint a háztartási és ipari létesítmények villamosenergia- és hőtermelése terén.
Földrajzilag a globális termoelektromos generátorpiac Amerikára, Európára, Ázsia-Csendes-óceáni térségre, Indiára és Afrikára oszlik. Az ázsiai-csendes-óceáni térség a leggyorsabban növekvő szegmensnek számít a TEG-piac megvalósításában.
E régiók közül a szakértők szerint Amerika a fő bevételi forrás a globális TEG-piacon. A tiszta energia iránti kereslet növekedése várhatóan növeli a keresletet Amerikában.
Európa is viszonylag gyors növekedést fog mutatni az előrejelzési időszakban. India és Kína megteszijelentős ütemben növeli a fogyasztást a járművek iránti kereslet növekedése miatt, ami a generátorpiac növekedéséhez vezet.
Az olyan autóipari vállalatok, mint a Volkswagen, a Ford, a BMW és a Volvo, a NASA-val együttműködve, már megkezdték a járművek hővisszanyerő és üzemanyag-takarékos rendszerének mini-TEG-ek kifejlesztését.
