Termoelektrični generator: naprava, princip delovanja in uporaba

Termoelektrični generator (TEG termoelektrični) - je električni aparat uporabo Seebeck učinek, Peltierjev in Thomson za proizvodnjo električne energije zaradi toplotnega elektromotorne sile. Učinek toplotne EMF je odkril nemščina znanstvenik Thomas Johann Seebeck (Seebeck učinek) v 1821. V 1851, William Thomson (kasneje Lord Kelvin) nadaljevali termodinamske študije in dokazali, da je vir elektromotorna sila (EMF) Temperaturna razlika.

Leta 1834 je francoski izumitelj in čarovnik Jean Charles Peltier odkril drugi termoelektrični učinek, ugotovil, da se razlika v temperaturi pojavlja na stiku dveh različnih vrst materialov pod vplivom električnega toka (Peltierov učinek). Predvsem je napovedal, da se EMF pojavi znotraj enega vodnika, kadar obstaja razlika v temperaturi.

Leta 1950 je ruski akademik in raziskovalec Abram Ioffe odkril termoelektrične lastnosti polprevodnikov. Termoelektrični generator je bil uporabljen v avtonomnih sistemih napajanja na nedostopnih območjih. Študija vesolja, človekov vstop v vesolje je močno spodbudil hiter razvoj termoelektričnih pretvornikov.

Vir radioaktivnega izotopa je bil prvič nameščen na vesoljskih plovilih in na orbitalnih postajah. Uporabljajo se v veliki industriji nafte in plina za protikorozijsko zaščito plinovoda, raziskovalnega dela na Far North, na področju medicine kot spodbujevalnikov in v stanovanjskem sektorju kot avtonomnih oskrbovalnih naprav.

Termoelektrični učinek in prenos toplote v elektronskih sistemih

Termoelektrični generatorji, ki temeljijo na kombinirani uporabi učinka treh znanstvenikov (Seebeck, Thomson, Peltier), so se razvili skoraj 150 let po odkritjih, ki so bile precej pred njihovim časom.

Termoelektrični učinek je naslednji pojav. Za hlajenje ali generiranje električne energije se uporablja "modul", sestavljen iz električno vezanih parov. Vsak par sestavlja polprevodniški material p (S> 0) in n (S<0). Ta dva materiala sta povezana s prevodnikom, katerega termoelektrična moč naj bi bila nič. Dve veji (p in n) in vsi drugi paro, ki sestavljajo modul, so v električnem krogu zaporedno povezani in vzporedno v toplotnem krogu. TEG (termoelektrični generator) s to ureditvijo ustvarja pogoje za optimizacijo toplotnega toka, ki prehaja skozi modul in premaga električni upor. Električni tok deluje tako, da se nosilci polnjenja (elektroni in luknje) premikajo iz hladnega vira v vroči izvor (v termodinamičnem smislu) v dveh vejah para. Hkrati olajšajo prenos entropije iz hladnega vira v vročo, v toplotni tok, ki bo vzdrževal toplotno prevodnost.

Če imajo izbrani materiali dobre termoelektrične lastnosti, bo ta toplotni tok, ki ga povzroča gibanje nosilcev polnjenja, večji od toplotne prevodnosti. Zato sistem prenese toploto iz hladnega vira v vročo in deluje kot hladilnik. Pri proizvodnji električne energije toplotni tok povzroči premikanje nosilcev polnjenja in videz električnega toka. Večja je razlika v temperaturi, več električne energije lahko dobite.

Učinkovitost TEG

Ocenjuje se s koeficientom učinkovitosti. Moč termoelektričnega generatorja je odvisna od dveh ključnih dejavnikov:

1. Količina toplotnega toka, ki jo je mogoče uspešno prenesti skozi modul (toplotni tok).
2. Delta temperature (DT) - razlika v temperaturi med vročo in hladno stranjo generatorja. Več delta, bolj učinkovito deluje, zato morajo biti pogoji konstruktivno predvideni tako za maksimalno oskrbo s hladno energijo kot tudi za maksimalno odvajanje toplote iz sten generatorja.

Izraz "učinkovitost termoelektričnih generatorjev" je podoben izrazu, ki se uporablja za vse druge vrste termičnih motorjev. Medtem ko je zelo nizka in ni večja od 17% učinkovitosti Carnot. Učinkovitost generatorja TEG omejuje učinkovitost Carnot in v praksi doseže le nekaj odstotkov (2-6%) tudi pri visokih temperaturah. To je posledica nizke toplotne prevodnosti v polprevodniških materialih, kar ne prispeva k učinkoviti proizvodnji električne energije. Zato so potrebni materiali z nizko toplotno prevodnostjo, vendar hkrati z najvišjo možno električno prevodnostjo.

Polprevodniki se lahko bolje soočajo s to nalogo kot s kovinami, vendar so še vedno daleč od indeksov, ki bi termoelektrični generator prinesli na raven industrijske proizvodnje (vsaj s 15% pri visokotemperaturni toploti). Nadaljnje povečanje učinkovitosti TEG je odvisno od lastnosti termoelektričnih materialov (termoelektrike), katerih iskanje trenutno zaseda ves znanstveni potencial planeta.

Razvoj novih termoelektrik je relativno zapleten in drastičen, a če bo uspešen, bodo sprožili tehnološko revolucijo v proizvodnih sistemih.

Termoelektrični materiali

Termoelektriki so sestavljeni iz posebnih zlitin ali polprevodniških spojin. V zadnjem času so bili uporabljeni električno prevodni polimeri za termoelektrične lastnosti.

Zahteve za termoelektriko:

• visoka učinkovitost, ki je posledica nizke toplotne prevodnosti in visoke električne prevodnosti, visokega Seebeckovega koeficienta;
• odpornost na visoke temperature in termomehanske učinke;
• dostopnost in okoljska varnost;
• odpornost na vibracije in nenadne spremembe temperature;
• dolgoročna stabilnost in poceni;
• avtomatizacija proizvodnega procesa.

Trenutno se nadaljujejo poskusi izbire optimalnih termoelementov, kar bo povečalo učinkovitost TEG. Termoelektrični polprevodniški material je zlitina telurida in bizmuta. Posebej izdelana je bila za izdelavo ločenih blokov ali elementov z različnimi značilnostmi "N" in "P".

Termoelektrični materiali se najpogosteje proizvajajo z usmerjeno kristalizacijo iz taljene ali stiskane prašne metalurgije. Vsaka metoda izdelave ima svojo posebno prednost, vendar so najpogostejši materiali z usmerjeno rastjo. Poleg tellurite bizmuta (Bi 2 Te 3) obstajajo drugi termoelektrični materiali, vključno zlitin svinca in tellurite (PbTe), silicijev germanij (SiGe), bizmuta in antimona (Bi-Sb), ki se lahko uporabljajo v posebnih primerih. Medtem ko so termoparji bizmuta in telurida najbolj primerni za večino TEG.

Prednosti TEG

Prednosti termoelektričnih generatorjev:

• Proizvodnja električne energije se zgodi v zaprti enostopenjski shemi brez uporabe kompleksnih prenosnih sistemov in uporabe pogonskih delov;
• odsotnost delovnih tekočin in plinov;
• brez emisij škodljivih snovi, odpadne toplote in obremenitev s hrupom okolja;
• naprava za dolgoročno avtonomno delovanje;
• uporaba odpadne toplote (sekundarni viri toplote) za varčevanje z energijo
• delo v katerem koli položaju objekta ne glede na operativno okolje: prostor, voda, zemljišče;
• generiranje enosmernega toka pri nizki napetosti;
• imuniteta kratkega stika;
• neomejen rok trajanja, 100% pripravljenost za delo.

Uporaba termoelektričnega generatorja

Prednosti TEG določajo možnosti za razvoj in njeno bližnjo prihodnost:

• študij oceanov in vesolja;
• uporaba v majhni (gospodinjski) alternativni energiji;
• uporaba toplote iz izpušnih cevi avtomobilov;
• v sistemih za predelavo smeti;
• v hladilnih in klimatskih sistemih;
• v sistemih toplotnih črpalk, za takojšnje segrevanje dizelskih motorjev dizelskih lokomotiv in avtomobilov;
• ogrevanje in kuhanje v pogojih marširanja;
• polnjenje elektronskih naprav in ročnih ur;
• hrana senzorične zapestnice za športnike.

Termoelektrični pretvornik Peltier

Element Peltier (EP) je termoelektrični pretvornik, ki deluje z enakim Peltierjevim učinkom, eden od treh termoelektričnih učinkov (Seebeck in Thomson).

Francoz Jean-Charles Peltier je med seboj povezoval žice bakra in bizmuta ter jih povezal z baterijo in tako ustvaril par spojin dveh različnih kovin. Ko je bil akumulator vklopljen, je bil eden od prehodov segret in drugi je bil ohlajen.

Naprave, ki temeljijo na efektu Peltier, so zelo zanesljive, saj nimajo gibljivih delov, ne potrebujejo vzdrževanja, nimajo škodljivih emisij plinov, so kompaktne in imajo možnost dvosmernega dela (ogrevanje in hlajenje), odvisno od smeri toka.

Na žalost so neučinkoviti, imajo nizko učinkovitost, dajejo veliko toplote, kar zahteva dodatno prezračevanje in poveča stroške naprave. Takšne naprave porabijo veliko električne energije in lahko povzročijo pregrevanje ali kondenzacijo. Peltier elementi z dimenzijami nad 60 mm x 60 mm praktično niso na voljo.

Področje uporabe EP

Uvedba naprednih tehnologij na področju proizvodnje termoelektrijev je privedla do zmanjšanja stroškov proizvodnje EP in širitve dostopa do trga.

Danes se EP pogosto uporablja:

• v prenosnih hladilnikih, za hlajenje majhnih naprav in elektronskih komponent;
• v razvlaževalce za odvajanje vode iz zraka;
• v vesoljskih vozilih, da bi izravnali učinek neposredne sončne svetlobe na eni strani ladje, odvajanje toplote na drugo stran;
• za hlajenje fotonskih detektorjev astronomskih teleskopov in visokokakovostnih digitalnih fotoaparatov, da bi se zmanjšale opazovalne napake, ki so posledica pregrevanja;
• za hlajenje računalniških komponent.

V zadnjem času se je široko uporabljal za vsakodnevne namene:

• v napravah hladilnikov, ki se hranijo prek USB-priključka za hlajenje ali segrevanje pijač;
• v obliki dodatne stopnje hlajenja za kompresijske hladilnike s temperaturnim padcem -80 stopinj za enostopenjsko hlajenje in do -120 za dvostopenjsko hlajenje;
• v osebnih avtomobilih za izdelavo avtonomnih hladilnikov ali grelcev.

Kitajska začela s proizvodnjo Peltier elementi sprememb TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 stroški do 7 EUR, ki lahko deluje v temperaturnem območju zagotoviti na "toplo-hladno", moči do 200 W, življenjska doba do 200 000 ur na - 30 do 138 stopinj Celzija.

Jedrske baterije RTG

Radioizotopski termoelektrični generator (RTG) je naprava, ki uporablja termoelement za pretvorbo toplote, ki se sprosti iz razpada radioaktivnega materiala v električno energijo. Ta generator nima gibljivih delov. RTG je bil uporabljen kot vir energije na satelitih, vesoljskih plovilih, oddaljenih svetilnikih, ki jih je zgradil ZSSR za Arktični krog.

RTG-ji so na splošno najprimernejši vir energije za naprave, ki zahtevajo več sto vatov moči. V gorivnih celicah, baterijah ali generatorjih, nameščenih na mestih, kjer so sončne celice neučinkovite. Radioizotopski termoelektrični generator zahteva strogo upoštevanje skrbnega ravnanja z radioizotopi že dolgo po koncu življenjske dobe.

V Rusiji je približno 1.000 RTG-jev, ki se uporabljajo predvsem za vire energije z daljinskimi napravami: svetilniki, radijski svetilniki in druga posebna radijska oprema. Prvi kozmični RTG na polonij-210 je bil "Limon-1" leta 1962, nato pa "Orion-1" z močjo 20 vatov. Zadnja sprememba je bila nameščena na satelitih Strela-1 in Kosmos-84/90. "Lunokhods" -1.2 in "Mars-96" sta uporabljali RTG-je v ogrevalnih sistemih.

Naprava termoelektričnega generatorja z lastnimi rokami

Takšni kompleksni procesi, ki potekajo v TEG, ne ustavijo lokalnega "kulibina", da bi se pridružili svetovnemu znanstvenemu in tehničnemu procesu za oblikovanje TEG. Uporaba samo-izdelane TEG je bila dolgo časa uporabljena. V času Velike patriotske vojne so partizani postali univerzalni termoelektrični generator. Proizvedel je električni tok za polnjenje radia.

S prihodom Peltierjevih elementov na trg za dostopne cene za domače potrošnike, je mogoče TEG sama narediti tako, da sledite korakom.

1. Kupite dva radiatorja v IT trgovini in uporabite toplotno mast. Slednji bo olajšal povezavo Peltierjevega elementa.
2. Razdelite radiatorje s katerimkoli toplotnim izolatorjem.
3. V izolatorju naredite luknjo, da namestite element Peltier in žice.
4. Sestavite strukturo in prenesite vir toplote (sveč) v enega od radiatorjev. Daljši čas ogrevanja, večji tok bo nastal iz domačega termoelektričnega generatorja.

Ta naprava deluje tiho in ima majhno težo. Termoelektrični generator IC2, odvisno od velikosti, lahko poveže polnjenje mobilnega telefona, vklopi majhen radijski sprejemnik in LED osvetlitev.

Trenutno mnogi znani svetovni proizvajalci uporabljajo različne razpoložljive pripomočke, ki uporabljajo TEG za avtomobilske navdušence in popotnike.

Obeti za razvoj termoelektrične proizvodnje

Pričakuje se, da se bo povpraševanje po gospodinjskih porabah TEG povečalo za 14%. Možnosti za razvoj termoelektrični generacije objavljene tržne raziskave Future, izdal dokument "Poročilo o globalni termoelektrični generator tržne raziskave - Napoved za leto 2022", - analize trga, obseg, delež, potezo, trende in napovedi. Poročilo potrjuje možnost TEG pri recikliranju avtomobilskih odpadkov in sistemih skupne proizvodnje električne in toplotne energije za gospodinjske in industrijske objekte.

Geografsko je bil svetovni trg za termoelektrične generatorje razdeljen na Ameriko, Evropo, Azijo, Pacifik, Indijo in Afriko. APR se šteje za najhitreje rastoči segment na področju uvajanja trga TEG.

Med temi regijami je Amerika po mnenju strokovnjakov glavni vir prihodkov na svetovnem trgu TEG. Pričakuje se, da bo povečanje povpraševanja po čisti energiji povečalo povpraševanje po njej v Ameriki.

V predvidenem obdobju bo tudi Evropa pokazala razmeroma hitro rast. Indija in Kitajska bosta zaradi povečanega povpraševanja po vozilih povečala porabo, kar bo pripeljalo do povečanja trga generatorjev.

Avtomobilska podjetja, kot so Volkswagen, Ford, BMW in Volvo v sodelovanju z NASO, so že začela razvijati mini-TEG za sistem za rekuperacijo toplote in prihranek goriva v avtomobilu.