Termoelektrični generator (TEG termogenerator) je električna naprava, ki uporablja učinke Seebeck, Thomson in Peltier za proizvodnjo električne energije s pomočjo termo-EMF. Učinek termo-EMF je leta 1821 odkril nemški znanstvenik Thomas Johann Seebeck (efekt Seebeck). Leta 1851 je William Thomson (pozneje Lord Kelvin) nadaljeval termodinamične raziskave in dokazal, da je vir elektromotorne sile (EMF) temperaturna razlika.
Leta 1834 je francoski izumitelj in urar Jean Charles Peltier odkril drugi termoelektrični učinek in ugotovil, da se temperaturna razlika pojavi na stičišču dveh različnih vrst materialov pod vplivom električnega toka (Peltierjev učinek). Natančneje, napovedal je, da se bo EMF razvil znotraj enega vodnika, ko bo prišlo do temperaturne razlike.
Leta 1950 je ruski akademik in raziskovalec Abram Ioffe odkril termoelektrične lastnosti polprevodnikov. Termoelektrični generator se je začel uporabljati vsistemi za avtonomno oskrbo z električno energijo na nedostopnih območjih. Študija vesolja, človekova vesoljska hoja je dala močan zagon hitremu razvoju termoelektričnih pretvornikov.
Radioizotopski vir energije je bil najprej nameščen na vesoljska plovila in orbitalne postaje. Začnejo se uporabljati v veliki naftni in plinski industriji za protikorozijsko zaščito plinovodov, pri raziskovalnem delu na skrajnem severu, na področju medicine kot srčni spodbujevalniki in v stanovanjih kot avtonomni vir napajanja.
Termoelektrični učinek in prenos toplote v elektronskih sistemih
Termoelektrični generatorji, katerih princip delovanja temelji na kompleksni uporabi učinka treh znanstvenikov (Seebeck, Thomson, Peltier), so bili razviti skoraj 150 let po odkritjih, ki so bila daleč pred svojim časom.
Termoelektrični učinek je naslednji pojav. Za hlajenje ali proizvodnjo električne energije se uporablja "modul", sestavljen iz električno povezanih parov. Vsak par je sestavljen iz polprevodniškega materiala p (S> 0) in n (S<0). Ta dva materiala sta povezana s prevodnikom, katerega termoelektrična moč je predpostavljena nič. Dve veji (p in n) in vsi ostali pari, ki sestavljajo modul, sta v električnem tokokrogu zaporedno povezana, v termičnem pa vzporedno. TEG (termoelektrični generator) s to postavitvijo ustvarja pogoje za optimizacijo toplotnega toka, ki prehaja skozi modul in ga premagaelektrični upor. Električni tok deluje tako, da se nosilci naboja (elektroni in luknje) premikajo iz hladnega vira v vroč vir (v termodinamičnem smislu) v dveh vejah para. Hkrati prispevajo k prenosu entropije iz hladnega vira na vroč, v toplotni tok, ki se bo upiral toplotni prevodnosti.
Če imajo izbrani materiali dobre termoelektrične lastnosti, bo ta toplotni tok, ki nastane zaradi gibanja nosilcev naboja, večji od toplotne prevodnosti. Zato bo sistem prenašal toploto iz hladnega vira v vroč in deloval kot hladilnik. V primeru proizvodnje električne energije toplotni tok povzroči premik nosilcev naboja in pojav električnega toka. Večja kot je temperaturna razlika, več električne energije je mogoče pridobiti.
TEG učinkovitost
Ocenjeno s faktorjem učinkovitosti. Moč termoelektričnega generatorja je odvisna od dveh kritičnih dejavnikov:
- Količina toplotnega toka, ki se lahko uspešno premika skozi modul (toplotni tok).
- Temperaturne delte (DT) - temperaturna razlika med toplo in hladno stranjo generatorja. Večja kot je delta, bolj učinkovito deluje, zato je treba konstruktivno zagotoviti pogoje, tako za maksimalno oskrbo s hladom kot za maksimalno odvajanje toplote iz sten generatorja.
Izraz "učinkovitost termoelektričnih generatorjev" je podoben izrazu, ki se uporablja za vse druge vrstetermični motorji. Zaenkrat je zelo nizka in ne znaša več kot 17 % Carnotove učinkovitosti. Učinkovitost TEG generatorja je omejena s Carnotovim izkoristkom in v praksi doseže le nekaj odstotkov (2-6%) tudi pri visokih temperaturah. To je posledica nizke toplotne prevodnosti v polprevodniških materialih, ki ne prispeva k učinkoviti proizvodnji električne energije. Tako so potrebni materiali z nizko toplotno prevodnostjo, a hkrati z najvišjo možno električno prevodnostjo.
Polprevodniki opravljajo delo bolje kot kovine, vendar so še zelo daleč od tistih kazalnikov, ki bi termoelektrični generator pripeljali na raven industrijske proizvodnje (z vsaj 15-odstotno uporabo visokotemperaturne toplote). Nadaljnje povečanje učinkovitosti TEG je odvisno od lastnosti termoelektričnih materialov (termoelektrikov), katerih iskanje trenutno zaseda celoten znanstveni potencial planeta.
Razvoj novih termoelektrikov je razmeroma zapleten in drag, a če bo uspešen, bo povzročil tehnološko revolucijo v proizvodnih sistemih.
Termoelektrični materiali
Termoelektriki so sestavljeni iz posebnih zlitin ali polprevodniških spojin. Nedavno so se za termoelektrične lastnosti uporabljali električno prevodni polimeri.
Zahteve za termoelektriko:
- visok izkoristek zaradi nizke toplotne prevodnosti in visoke električne prevodnosti, visok Seebeckov koeficient;
- odpornost na visoke temperature in termomehanskovpliv;
- dostopnost in okoljska varnost;
- odpornost na vibracije in nenadne spremembe temperature;
- dolgoročna stabilnost in nizki stroški;
- avtomatizacija proizvodnega procesa.
Trenutno potekajo poskusi za izbiro optimalnih termočlenov, ki bodo povečali učinkovitost TEG. Termoelektrični polprevodniški material je zlitina telurida in bizmuta. Izdelan je bil posebej za zagotavljanje posameznih blokov ali elementov z različnimi značilnostmi "N" in "P".
Termoelektrični materiali so najpogosteje izdelani s smerno kristalizacijo iz staljene ali stisnjene prašne metalurgije. Vsak način izdelave ima svojo posebno prednost, vendar so najpogostejši materiali za usmerjeno rast. Poleg bizmutovega telurita (Bi 2 Te 3) obstajajo tudi drugi termoelektrični materiali, vključno z zlitinami svinca in telurita (PbTe), silicija in germanija (SiGe), bizmuta in antimona (Bi-Sb), ki se lahko uporabljajo v specifičnih primerih. Medtem ko so bizmutov in telurid termoelementi najboljši za večino TEG.
Dostojanstvo TEG
Prednosti termoelektričnih generatorjev:
- elektrika se proizvaja v zaprtem, enostopenjskem krogu brez uporabe zapletenih prenosnih sistemov in uporabe gibljivih delov;
- pomanjkanje delovnih tekočin in plinov;
- brez emisij škodljivih snovi, odpadne toplote in hrupnega onesnaževanja okolja;
- naprava dolga življenjska doba baterijedelovanje;
- uporaba odpadne toplote (sekundarni viri toplote) za varčevanje z energetskimi viri
- delo v katerem koli položaju predmeta, ne glede na delovno okolje: prostor, voda, zemlja;
- generacija nizke napetosti DC;
- odpornost proti kratkemu stiku;
- Neomejen rok uporabnosti, 100 % pripravljen za uporabo.
Področja uporabe termoelektričnega generatorja
Prednosti TEG so določile razvojne možnosti in njegovo bližnjo prihodnost:
- preučevanje oceana in vesolja;
- uporaba v majhni (domači) alternativni energiji;
- uporaba toplote iz avtomobilskih izpušnih cevi;
- v sistemih za recikliranje;
- v sistemih za hlajenje in klimatizacijo;
- v sistemih toplotnih črpalk za takojšnje ogrevanje dizelskih motorjev dizelskih lokomotiv in avtomobilov;
- ogrevanje in kuhanje v poljskih razmerah;
- polnjenje elektronskih naprav in ur;
- prehrana senzoričnih zapestnic za športnike.
termoelektrični Peltierjev pretvornik
Peltierjev element (EP) je termoelektrični pretvornik, ki deluje z uporabo istoimenskega Peltierjevega učinka, enega od treh termoelektričnih učinkov (Seebeck in Thomson).
Francoz Jean-Charles Peltier je med seboj povezal bakrene in bizmutne žice in ju povezal z baterijo ter tako ustvaril par povezav dvehrazlične kovine. Ko je bila baterija vklopljena, bi se eno od stičišč segrelo, drugo pa ohladilo.
Naprave z učinkom Peltierja so izjemno zanesljive, ker nimajo gibljivih delov, ne potrebujejo vzdrževanja, ne oddajajo škodljivih plinov, so kompaktne in imajo dvosmerno delovanje (ogrevanje in hlajenje), odvisno od smeri toka.
Na žalost so neučinkoviti, imajo nizek izkoristek, oddajajo precej toplote, kar zahteva dodatno prezračevanje in podraži napravo. Takšne naprave porabijo precej električne energije in lahko povzročijo pregrevanje ali kondenzacijo. Peltierjevih elementov, večjih od 60 mm x 60 mm, skoraj nikoli ne najdemo.
Obseg ES
Uvedba naprednih tehnologij v proizvodnji termoelektrikov je privedla do znižanja stroškov proizvodnje EP in razširitve tržne dostopnosti.
Danes je EP široko uporabljen:
- v prenosnih hladilnikih za hlajenje majhnih naprav in elektronskih komponent;
- v razvlaževalcih zraka za črpanje vode iz zraka;
- v vesoljskem plovilu za uravnoteženje učinka neposredne sončne svetlobe na eni strani ladje, medtem ko odvaja toploto na drugo stran;
- za hlajenje fotonskih detektorjev astronomskih teleskopov in visokokakovostnih digitalnih kamer za zmanjšanje opazovalnih napak zaradi pregrevanja;
- za hlajenje računalniških komponent.
V zadnjem času se pogosto uporablja za domače namene:
- v hladilnih napravah, ki jih napajajo vrata USB za hlajenje ali ogrevanje pijač;
- v obliki dodatne stopnje hlajenja kompresijskih hladilnikov z znižanjem temperature na -80 stopinj za enostopenjsko hlajenje in do -120 za dvostopenjsko;
- v avtomobilih za ustvarjanje avtonomnih hladilnikov ali grelnikov.
Kitajska je začela s proizvodnjo Peltierjevih elementov modifikacij TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 v vrednosti do 7 evrov, ki lahko zagotovijo moč do 200 W po shemah "toplota-hladno", z življenjsko dobo do 200.000 ur delovanja v temperaturnem območju od -30 do 138 stopinj Celzija.
RITEG jedrske baterije
Radioizotopni termoelektrični generator (RTG) je naprava, ki uporablja termoelemente za pretvarjanje toplote iz razpada radioaktivnega materiala v električno energijo. Ta generator nima gibljivih delov. RITEG je bil uporabljen kot vir energije na satelitih, vesoljskih plovilih, oddaljenih objektih svetilnikov, ki jih je ZSSR zgradila za arktični krog.
RTG-ji so na splošno najbolj priljubljen vir energije za naprave, ki zahtevajo več sto vatov moči. V gorivnih celicah, baterijah ali generatorjih, nameščenih na mestih, kjer so sončne celice neučinkovite. Radioizotopni termoelektrični generator zahteva strogo ravnanje z radioizotopidolgo po koncu njegove življenjske dobe.
V Rusiji je približno 1000 RTG-jev, ki so se večinoma uporabljali za vire energije na sredstvih velikega dosega: svetilnike, radijske svetilnike in drugo posebno radijsko opremo. Prvi vesoljski RTG na poloniju-210 je bil leta 1962 Limon-1, nato Orion-1 z močjo 20 W. Najnovejša modifikacija je bila nameščena na satelitih Strela-1 in Kosmos-84/90. Lunohodi-1, 2 in Mars-96 so uporabljali RTG v svojih ogrevalnih sistemih.
DIY termoelektrični generator
Tako zapleteni procesi, ki se odvijajo v TEG, ne ustavijo lokalnih "Kulibincev" v njihovi želji po vključitvi v globalni znanstveno-tehnični proces za nastanek TEG. Uporaba domačih TEG-jev se uporablja že dolgo. Med veliko domovinsko vojno so partizani izdelali univerzalni termoelektrični generator. Proizvajal je elektriko za polnjenje radia.
S prihodom Peltierjevih elementov na trg po dostopnih cenah za gospodinjskega potrošnika je mogoče TEG izdelati sami, tako da sledite spodnjim korakom.
- Pridobite dva hladilnika v trgovini IT in nanesite termalno pasto. Slednji bo olajšal povezavo Peltierjevega elementa.
- Radiatorje ločite s poljubnim toplotnim izolatorjem.
- Naredite luknjo v izolatorju za namestitev Peltierjevega elementa in žic.
- Sestavite konstrukcijo in prinesite vir toplote (svečo) do enega od radiatorjev. Dlje kot je ogrevanje, več toka bo nastajalo iz domačega termoelektrikagenerator.
Ta naprava deluje tiho in je lahka. Termoelektrični generator ic2 glede na velikost lahko priključi polnilec za mobilni telefon, prižge majhen radio in vklopi LED osvetlitev.
Trenutno so številni znani svetovni proizvajalci začeli s proizvodnjo različnih cenovno ugodnih pripomočkov z uporabo TEG za avtomobilske navdušence in popotnike.
Možnosti razvoja termoelektrične proizvodnje
Povpraševanje po porabi TEG v gospodinjstvu naj bi naraslo za 14 %. Obeti razvoja termoelektrične proizvodnje je objavil Market Research Future z izdajo prispevka "Globalno poročilo o raziskavah trga termoelektričnih generatorjev - Napoved do leta 2022" - analiza trga, obseg, delež, napredek, trendi in napovedi. Poročilo potrjuje obljubo TEG pri recikliranju avtomobilskih odpadkov ter soproizvodnji električne in toplotne energije za gospodinjske in industrijske objekte.
Geografsko je bil svetovni trg termoelektričnih generatorjev razdeljen na Ameriko, Evropo, Azijo-Pacifik, Indijo in Afriko. Azijsko-pacifiški segment velja za najhitreje rastoči segment pri implementaciji trga TEG.
Med temi regijami je Amerika po mnenju strokovnjakov glavni vir dohodka na svetovnem trgu TEG. Povečanje povpraševanja po čisti energiji naj bi povečalo povpraševanje v Ameriki.
Evropa bo v napovedanem obdobju pokazala tudi relativno hitro rast. Indija in Kitajska bostamočno povečati porabo zaradi povečanega povpraševanja po vozilih, kar bo vodilo v rast trga generatorjev.
Automobilska podjetja, kot so Volkswagen, Ford, BMW in Volvo, so v sodelovanju z NASA že začela razvijati mini-TEG za sistem rekuperacije toplote in varčne porabe goriva v vozilih.
