Termoelektrični generator: uređaj, princip rada i primjena

Termoelektrični generator (TEG termo) - je električni aparat pomoću Seebeck učinak, Peltier i Thomson za proizvodnju električne energije zbog toplinske elektromotorna sila. Učinak toplinske EMF je otkrio njemački znanstvenik Thomas Johann Seebeck (Seebeck posljedica) u 1821. Godine 1851., William Thomson (kasnije Lord Kelvin) je nastavio termodinamičkih studije i dokazao da je izvor elektromotorna sila (EMS) razlika temperatura.

Francuski je izumitelj i satnica Jean Charles Peltier 1834. godine otkrio drugi termoelektrični učinak, ustanovio je da se temperaturna razlika događa na spoju dviju različitih tipova materijala pod utjecajem električne struje (Peltierov efekt). Posebno je predvidio da se EMF pojavljuje unutar jednog vodiča kada postoji temperaturna razlika.

Godine 1950. ruski akademik i istraživač Abram Ioffe otkrio je termoelektrična svojstva poluvodiča. Termoelektrični generator je korišten u autonomnim sustavima napajanja u nedostupnim područjima. Proučavanje vanjskog prostora, ulazak čovjeka u svemir daje snažan poticaj brzom razvoju termoelektričnih pretvarača.

Izvor energije radioizotopa prvi je put instaliran na letjelicama i orbitalnim postajama. Oni počinju da se koristi u industriji velikih nafte i plina za zaštitu od korozije cjevovoda, za istraživački rad na dalekom sjeveru, u području medicine kao elektrostimulatora u kućištu kao samostalni izvor napajanja.

Termoelektrični učinak i prijenos topline u elektroničkim sustavima

Termoelektrični generatori, temeljeni na kombiniranoj upotrebi učinka tri znanstvenika (Seebeck, Thomson, Peltier), razvijeni su gotovo 150 godina nakon otkrića koja su bila mnogo ispred svog vremena.

Termoelektrični efekt je sljedeći fenomen. Za hlađenje ili generiranje struje, koristi se "modul" koji se sastoji od električno spojenih parova. Svaki par se sastoji od poluvodičkog materijala p (S> 0) i n (S<0). Ta dva materijala povezuju vodič čija termoelektrična snaga se pretpostavlja da je nula. Dvije grane (p i n) i svi ostali parovi koji čine modul su spojeni u seriji u električnom krugu i paralelno u toplinskom krugu. TEG (termoelektrični generator) s ovim rasporedom stvara uvjete za optimiziranje toka topline koji prolazi kroz modul, nadilazeći njegov električni otpor. Električna struja djeluje na takav način da se nosači punjenja (elektroni i rupe) kreću iz hladnog izvora u vrući izvor (u termodinamičkom smislu) u dvije grane para. Istodobno olakšavaju prijenos entropije s hladnog izvora na vruće, do toplinskog toka koji će izdržati toplinsku vodljivost.

Ako odabrani materijali imaju dobra termoelektrična svojstva, taj toplinski tok generiran pokretanjem nosača naboja bit će veći od toplinske vodljivosti. Stoga, sustav će prenijeti toplinu od hladnog izvora do vruće i djelovati kao hladnjak. U slučaju proizvodnje električne energije toplotni tok uzrokuje pomicanje nosača punjenja i pojavu električne struje. Što je veća razlika u temperaturi, to više struje možete dobiti.

Učinkovitost TEG-a

Procjenjuje se koeficijentom učinkovitosti. Snaga termoelektričnog generatora ovisi o dva ključna čimbenika:

1. Količina protoka topline koja se može uspješno prenijeti kroz modul (toplinski tok).
2. Delta temperature (DT) - temperaturna razlika između vruće i hladne strane generatora. Što je više delta, to učinkovitije radi, tako da uvjeti moraju biti konstruktivno predviđeni kako za maksimalnu hladno opskrbu tako i za maksimalno uklanjanje topline iz zidova generatora.

Izraz "učinkovitost termoelektričnih generatora" sličan je terminu koji se koristi za sve ostale vrste toplinskih motora. Iako je vrlo niska i ne više od 17% Carnotove učinkovitosti. Učinkovitost TEG generatora ograničena je učinkovitosti Carnot-a i praktično doseže samo nekoliko posto (2-6%) čak i pri visokim temperaturama. To je zbog niske toplinske vodljivosti u poluvodičkim materijalima, što ne pridonosi učinkovitoj proizvodnji električne energije. Stoga su potrebni materijali s niskom toplinskom vodljivošću, ali istodobno s najvećom mogućom električnom vodljivošću.

Poluvodiči se bolje mogu nositi s tim zadatkom od metala, ali još uvijek su daleko od indeksa koji bi termoelektrični generator doveo do razine industrijske proizvodnje (najmanje 15% pomoću topline topline). Daljnje povećanje učinkovitosti TEG-a ovisi o svojstvima termoelektričnih materijala (termoelektrika), čija potraga trenutno zauzima čitav znanstveni potencijal planeta.

Razvoj novih termoelektrika relativno je složen i skup, ali ako bude uspješan, oni će pokrenuti tehnološku revoluciju u generacijskim sustavima.

Termoelektrični materijali

Termoelektrika se sastoji od posebnih legura ili poluvodičkih spojeva. Nedavno su korišteni električki vodljivi polimeri za termoelektrična svojstva.

Zahtjevi za termoelemente:

• visoka učinkovitost, što je zbog niske toplinske vodljivosti i visoke električne vodljivosti, visokog Seebeckovog koeficijenta;
• otpornost na visoke temperature i termomehaničke učinke;
• dostupnost i zaštita okoliša;
• otpornost na vibracije i nagle promjene temperature;
• dugoročnu stabilnost i jeftinost;
• automatizacija proizvodnog procesa.

Trenutno se eksperimenti nastavljaju na izboru optimalnih termopara, što će povećati učinkovitost TEG-a. Termoelektrični poluvodički materijal je legura tellurida i bizmut. Posebno je proizveden da osigurava odvojene blokove ili elemente s različitim karakteristikama "N" i "P".

Termo materijala obično su izrađeni od smjera skrućivanja iz tekućeg ili kompaktnog metalurgije praha. Svaka metoda proizvodnje ima svoju posebnu prednost, no najčešći su materijali s usmjerenim rastom. Osim teluridna bizmut (Bi 2 Te 3) postoje drugi termo materijali, uključujući legure olova i teluridna (PbTe), silicij germanij (sIgE), bizmut i antimon (Bi-Sb), koji se mogu koristiti u određenim slučajevima. Dok su termoparovi bizmut i tellurid najprikladniji za većinu TEG-ova.

Prednosti TEG

Prednosti termoelektričnih generatora:

• Generiranje električne energije događa se u zatvorenoj jednostupanjskoj shemi bez uporabe složenih prijenosnih sustava i uporabe dijelova za vožnju;
• odsutnost radnih tekućina i plinova;
• nema emisija štetnih tvari, otpadne topline i onečišćenja šuma okoliša;
• uređaj za dugoročno samostalno upravljanje;
• uporabu otpadne topline (sekundarni izvori topline) kako bi se uštedjeli energetski resursi
• raditi u bilo kojem položaju objekta neovisno o operativnom okruženju: prostor, voda, zemlja;
• stvaranje izravne struje pri niskom naponu;
• imunitet kratkog spoja;
• neograničen rok trajanja, 100% spremnost na rad.

Primjena termoelektričnog generatora

Prednosti TEG-a odredile su izglede za razvoj i blisku budućnost:

• proučavanje oceana i svemira;
• primjena u malim (kućanskim) alternativnim energijama;
• korištenje topline iz ispušnih cijevi automobila;
• u sustavima za preradu smeća;
• u sustavima hlađenja i klimatizacije;
• u sustavima toplinskih crpki, za instant grijanje dizel motora diesel lokomotiva i automobila;
• grijanje i kuhanje u uvjetima marširanja;
• punjenje elektroničkih uređaja i satova;
• hranjive senzorske narukvice za sportaše.

Termoelektrični pretvarač Peltier

Peltierov element (EP) je termoelektrični pretvarač koji radi s istim Peltierovim učinkom, jedan od tri termoelektrične efekte (Seebeck i Thomson).

Francuz Jean-Charles Peltier povezao je žice bakra i bizmut međusobno i povezao ih s baterijom, stvarajući tako par spojeva od dva različita metala. Kada je baterija uključena, jedan od prijelaza je bio zagrijavan, a drugi je hlađen.

Uređaji na temelju Peltijeovog efekta, izuzetno je pouzdan jer nemaju pokretnih dijelova, ne zahtijevaju održavanje, nemaju štetnih plinova su kompaktne i nisu u stanju dvosmjerno rada (grijanje i hlađenje), ovisno o trenutnom smjeru.

Nažalost, oni su neučinkoviti, imaju nisku učinkovitost, daju puno topline, što zahtijeva dodatnu ventilaciju i povećava trošak uređaja. Takvi uređaji troše puno struje i mogu uzrokovati pregrijavanje ili kondenzaciju. Dimenzije 60 x 60 mm praktički nisu pronađene.

Područje primjene EP

Uvođenje naprednih tehnologija na području termoelektrične proizvodnje dovelo je do smanjenja troškova proizvodnje EP i širenja tržišnog pristupa.

Danas EP je naširoko koristi:

• u prijenosnim hladnjaka, za hlađenje malih uređaja i elektroničkih komponenti;
• u odvlaživačima za vađenje vode iz zraka;
• u svemirskim vozilima kako bi balansirala učinak direktne sunčeve svjetlosti na jednoj strani broda, raspršujući toplinu na drugu stranu;
• za hlađenje fotonskih detektora astronomskih teleskopa i visokokvalitetnih digitalnih fotoaparata kako bi se minimizirale pogreške promatranja koje proizlaze iz pregrijavanja;
• za hlađenje računalnih komponenti.

Nedavno je naširoko koristi u svakodnevne svrhe:

• u uređajima hladnjaka, hranjenje putem USB porta za hlađenje ili zagrijavanje pića;
• u obliku dodatne faze hlađenja za kompresijske hladnjake s padom temperature od -80 stupnjeva za jednofazno hlađenje i do -120 za dvostupanjsko hlađenje;
• u osobnim automobilima za stvaranje autonomnih hladnjaka ili grijača.

Kina počela proizvodnju Peltijeovog elementi modifikacije TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 troškova do 7 eura, što se može raditi u zoni temperature kako bi se na „toplo-hladno” snage do 200 W, život i do 200 000 sati - 30 do 138 stupnjeva Celzijusa.

Nuklearne baterije RTG-a

Termoelektrični generator radioizotopa (RTG) je uređaj koji koristi termoelement za pretvorbu topline oslobođene od propadanja radioaktivnog materijala u električnu energiju. Ovaj generator nema pokretnih dijelova. RTG je korišten kao izvor energije na satelitima, letjelicama, udaljenim objektima svjetionika koje je SSSR izgradio za Arktički krug.

RTG-ovi su općenito najpoželjniji izvor energije za uređaje koji zahtijevaju nekoliko stotina snage snage. U ćelijama za gorivo, baterije ili generatore instalirane na mjestima gdje solarne ćelije nisu učinkovite. Termoelektrični generator radioizotopa zahtijeva strogo pridržavanje pažljivog rukovanja radioizotopima dugo nakon završetka svog života.

U Rusiji je oko 1.000 RTG-a koje su uglavnom korištene za izvore energije s dugoročnim objektima: beacons, radio beacons i druge posebne radio opreme. Prvi kozmički RTG na poloniju 210 bio je "Limon-1" 1962., a zatim "Orion-1" s snagom od 20 vata. Posljednja izmjena ugrađena je na satelite Strela-1 i Kosmos-84/90. "Lunokhods" -1,2 i "Mars-96" koristili su RTG sustave grijanja.

Uređaj termoelektričnog generatora s vlastitim rukama

Takvi složeni procesi koji se odvijaju u TEG-u, ne zaustavljaju lokalni "kulibin" u nastojanju da se pridruže svjetskom znanstvenom i tehničkom procesu stvaranja TEG-a. Korištenje samostalnog TEG-a već dugo se koristi. Tijekom Velikog Domovinskog rata partizani su napravili univerzalni termoelektrični generator. Proizveo je struju za napajanje radija.

Dolaskom Peltierovih elemenata na tržište za pristupačne cijene domaćih potrošača, moguće je napraviti TEG sam po slijedećim koracima.

1. Kupite dva radijatora u IT trgovini i nanesite toplinsku masnoću. Potonji će olakšati povezivanje Peltierovog elementa.
2. Podijelite radijatore s bilo kakvim izolatorom topline.
3. Učvrstite rupu u izolatoru kako biste prilagodili Peltierov element i žice.
4. Skupite strukturu i dovedite izvor topline (svijeće) na jedan od radijatora. Što je duže zagrijavanje, više će struje biti generirano od kućnog termoelektričnog generatora.

Ovaj uređaj radi tiho i ima malu težinu. Termoelektrični generator ic2, ovisno o veličini, može povezati punjenje mobilnog telefona, uključiti mali radio prijamnik i LED rasvjetu.

Trenutno, mnogi poznati svjetski proizvođači pokrenuli su razne dostupne gadgete koristeći TEG za entuzijaste i putnike automobila.

Izgledi za razvoj termoelektrične proizvodnje

Očekuje se da će potražnja za potrošnjom kućanstva TEG porasti za 14%. Izgledi za razvoj termo generacije objavljen Istraživanje tržišta Budućnost, izdao je dokument „Izvješće o Global Termoelektrični generatori istraživanje tržišta - Prognoza za 2022”, - analiza tržišta, volumen, dijeljenje, premjestiti, trendove i prognoze. Izvješće potvrđuje mogućnost TEG-a u recikliranju automobilskog otpada i sustava zajedničke proizvodnje električne i toplinske energije za kućanske i industrijske objekte.

Geografski, globalno tržište za termoelektrične generatore podijeljeno je u Ameriku, Europu, Azije i Pacifik, Indiju i Afriku. Travanj se smatra najbrže rastućim segmentom na području uvođenja TEG tržišta.

Među tim regijama Amerika je, prema riječima stručnjaka, glavni izvor prihoda na globalnom tržištu TEG-a. Očekuje se da će povećanje potražnje za čistom energijom povećati potražnju za njom u Americi.

Europa će također pokazivati ​​relativno brži rast tijekom razdoblja predviđanja. Indija i Kina povećat će potrošnju na znatnoj mjeri zbog povećane potražnje za vozilima što će dovesti do povećanja tržišta generatora.

proizvodnja automobila tvrtke kao što su Volkswagen, Ford, BMW i Volvo je u suradnji s NASA-a, već su počele razvijati mini-teg povrata topline sustava i goriva u vozilu.