Termoelektrisk generator (TEG termogenerator) er en elektrisk enhed, der bruger Seebeck-, Thomson- og Peltier-effekterne til at generere elektricitet gennem termo-EMF. Termo-EMF-effekten blev opdaget af den tyske videnskabsmand Thomas Johann Seebeck (Seebeck-effekten) i 1821. I 1851 fortsatte William Thomson (senere Lord Kelvin) termodynamisk forskning og beviste, at kilden til den elektromotoriske kraft (EMF) er en temperaturforskel.
I 1834 opdagede den franske opfinder og urmager Jean Charles Peltier den anden termoelektriske effekt, og fandt ud af, at temperaturforskellen opstår ved krydset mellem to forskellige typer materialer under indflydelse af en elektrisk strøm (Peltier-effekt). Specifikt forudsagde han, at en EMF ville udvikle sig inden for en enkelt leder, når der var en temperaturforskel.
I 1950 opdagede den russiske akademiker og forsker Abram Ioffe halvlederes termoelektriske egenskaber. Termoelektrisk strømgenerator begyndte at blive brugt iautonome strømforsyningssystemer i utilgængelige områder. Studiet af det ydre rum, menneskets rumvandring gav en kraftig impuls til den hurtige udvikling af termoelektriske omformere.
Radioisotopenergikilden blev først installeret på rumfartøjer og orbitale stationer. De begynder at blive brugt i den store olie- og gasindustri til anti-korrosionsbeskyttelse af gasrørledninger, i forskningsarbejde i det fjerne nord, inden for medicin som pacemakere og i boliger som autonome strømforsyningskilder.
Termoelektrisk effekt og varmeoverførsel i elektroniske systemer
Termoelektriske generatorer, hvis funktionsprincip er baseret på den komplekse brug af effekten af tre videnskabsmænd (Seebeck, Thomson, Peltier), blev udviklet næsten 150 år efter opdagelser, der var langt forud for deres tid.
Termoelektrisk effekt er følgende fænomen. Til afkøling eller generering af elektricitet anvendes et "modul" bestående af elektrisk forbundne par. Hvert par består af halvledermateriale p (S> 0) og n (S<0). Disse to materialer er forbundet med en leder, hvis termoelektriske effekt antages at være nul. To grene (p og n) og alle andre par, der udgør modulet, er forbundet i serie i det elektriske kredsløb og parallelt i det termiske kredsløb. TEG (termoelektrisk generator) med dette layout skaber betingelser for at optimere varmestrømmen, der passerer gennem modulet, og overvinde denelektrisk modstand. Elektrisk strøm virker på en sådan måde, at ladningsbærere (elektroner og huller) bevæger sig fra en kold kilde til en varm kilde (i termodynamisk forstand) i to grene af parret. Samtidig bidrager de til overførsel af entropi fra en kold kilde til en varm, til en varmestrøm, der vil modstå varmeledning.
Hvis de valgte materialer har gode termoelektriske egenskaber, vil denne varmeflux genereret af ladningsbærernes bevægelse være større end den termiske ledningsevne. Derfor vil systemet overføre varme fra en kold kilde til en varm og fungere som et køleskab. I tilfælde af elproduktion forårsager varmestrømmen forskydning af ladningsbærere og fremkomsten af en elektrisk strøm. Jo større temperaturforskellen er, jo mere elektricitet kan opnås.
TEG-effektivitet
Vurderet ved effektivitetsfaktoren. Effekten af en termoelektrisk generator afhænger af to kritiske faktorer:
- Mængden af varmeflow, der med succes kan bevæge sig gennem modulet (varmeflow).
- Temperature deltas (DT) - temperaturforskellen mellem den varme og kolde side af generatoren. Jo større deltaet er, desto mere effektivt fungerer det, derfor skal betingelserne tilvejebringes konstruktivt, både for maksimal kuldeforsyning og maksimal varmeafledning fra generatorvæggene.
Udtrykket "effektivitet af termoelektriske generatorer" svarer til det udtryk, der anvendes på alle andre typertermiske motorer. Indtil videre er den meget lav og udgør ikke mere end 17 % af Carnots effektivitet. Effektiviteten af TEG-generatoren er begrænset af Carnot-effektiviteten og når i praksis kun et par procent (2-6%) selv ved høje temperaturer. Dette skyldes den lave termiske ledningsevne i halvledermaterialer, som ikke er befordrende for effektiv energiproduktion. Der er således brug for materialer med lav varmeledningsevne, men samtidig med den højest mulige elektriske ledningsevne.
Halvledere gør et bedre stykke arbejde end metaller, men er stadig meget langt fra de indikatorer, der ville bringe en termoelektrisk generator til niveauet for industriel produktion (med mindst 15 % brug af højtemperaturvarme). En yderligere stigning i effektiviteten af TEG afhænger af egenskaberne af termoelektriske materialer (termoelektriske), som søgningen efter i øjeblikket er optaget af hele planetens videnskabelige potentiale.
Udviklingen af ny termoelektrik er relativt kompleks og dyr, men hvis den lykkes, vil den forårsage en teknologisk revolution inden for generationssystemer.
Termoelektriske materialer
Termoelektrik består af specielle legeringer eller halvlederforbindelser. For nylig er elektrisk ledende polymerer blevet brugt til termoelektriske egenskaber.
Krav til termoelektrik:
- høj effektivitet på grund af lav termisk ledningsevne og høj elektrisk ledningsevne, høj Seebeck-koefficient;
- modstand mod høje temperaturer og termomekaniskeffekt;
- tilgængelighed og miljøsikkerhed;
- modstand mod vibrationer og pludselige temperaturændringer;
- langsigtet stabilitet og lave omkostninger;
- automatisering af fremstillingsprocessen.
I øjeblikket er der eksperimenter i gang for at vælge optimale termoelementer, som vil øge TEG-effektiviteten. Det termoelektriske halvledermateriale er en legering af tellurid og bismuth. Den er specielt fremstillet til at give individuelle blokke eller elementer med forskellige "N"- og "P"-karakteristika.
Termoelektriske materialer fremstilles oftest ved retningsbestemt krystallisation fra smeltet eller presset pulvermetallurgi. Hver fremstillingsmetode har sin egen særlige fordel, men retningsbestemte vækstmaterialer er de mest almindelige. Ud over vismuttellurit (Bi 2 Te 3) er der andre termoelektriske materialer, herunder legeringer af bly og tellurit (PbTe), silicium og germanium (SiGe), vismut og antimon (Bi-Sb), som kan anvendes i specifikke sager. Mens vismut- og tellurid-termoelementer er bedst til de fleste TEG'er.
Dignity of TEG
Fordele ved termoelektriske generatorer:
- elektricitet genereres i et lukket, et-trins kredsløb uden brug af komplekse transmissionssystemer og brug af bevægelige dele;
- mangel på arbejdsvæsker og gasser;
- ingen emissioner af skadelige stoffer, spildvarme og støjforurening af miljøet;
- enhed lang batterilevetidfungerer;
- brug af spildvarme (sekundære varmekilder) for at spare energiressourcer
- arbejde i enhver position af objektet, uanset driftsmiljøet: rum, vand, jord;
- DC lavspændingsgenerering;
- kortslutningsimmunitet;
- Ubegrænset holdbarhed, 100 % klar til brug.
Anvendelsesområder for termoelektrisk generator
Fordelene ved TEG afgjorde udviklingsmulighederne og dens nærmeste fremtid:
- studie af havet og rummet;
- anvendelse i små (hjemme) alternativ energi;
- brug af varme fra biludstødningsrør;
- i genbrugssystemer;
- i køle- og klimaanlæg;
- i varmepumpesystemer til øjeblikkelig opvarmning af dieselmotorer til diesellokomotiver og biler;
- opvarmning og madlavning under markforhold;
- opladning af elektroniske enheder og ure;
- ernæring af sensoriske armbånd til atleter.
Termoelektrisk Peltier-konverter
Peltier-element (EP) er en termoelektrisk konverter, der bruger Peltier-effekten af samme navn, en af de tre termoelektriske effekter (Seebeck og Thomson).
Franskmanden Jean-Charles Peltier forbandt kobber- og vismutledninger til hinanden og forbandt dem til et batteri og skabte således et par forbindelser af touens metaller. Når batteriet blev tændt, blev et af krydsene varmet op, og det andet ville køle af.
Peltier-effektenheder er ekstremt pålidelige, fordi de ikke har nogen bevægelige dele, er vedligeholdelsesfrie, udsender ingen skadelige gasser, er kompakte og har tovejsdrift (opvarmning og køling) afhængigt af strømmens retning.
Desværre er de ineffektive, har lav effektivitet, udsender ret meget varme, hvilket kræver ekstra ventilation og øger prisen på enheden. Sådanne enheder bruger ret meget elektricitet og kan forårsage overophedning eller kondens. Peltier-elementer større end 60 mm x 60 mm findes næsten aldrig.
Omfang af ES
Introduktionen af avancerede teknologier i produktionen af termoelektrik har ført til en reduktion i produktionsomkostningerne for EP og udvidelse af markedstilgængelighed.
I dag er EP'en meget brugt:
- i bærbare kølere til køling af små apparater og elektroniske komponenter;
- i affugtere til at trække vand ud af luften;
- i rumfartøjer for at afbalancere effekten af direkte sollys på den ene side af skibet, mens varme spredes til den anden side;
- for at afkøle fotondetektorerne i astronomiske teleskoper og højkvalitets digitale kameraer for at minimere observationsfejl på grund af overophedning;
- til køling af computerkomponenter.
For nylig er det blevet meget brugt til husholdningsformål:
- i køligere enheder, der drives af USB-port til at køle eller opvarme drikkevarer;
- i form af et ekstra trin af køling af kompressionskøleskabe med et fald i temperaturen til -80 grader for et-trins køling og op til -120 for to-trins;
- i biler for at skabe autonome køleskabe eller varmeapparater.
Kina har lanceret produktionen af Peltier-elementer med modifikationer TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 til en værdi af op til 7 euro, som kan levere strøm op til 200 W i henhold til "varme-kold"-ordningerne, med en levetid på op til 200.000 timers drift i temperaturzonen fra -30 til 138 grader Celsius.
RITEG-atombatterier
En radioisotop termoelektrisk generator (RTG) er en enhed, der bruger termoelementer til at omdanne varme fra henfaldet af radioaktivt materiale til elektricitet. Denne generator har ingen bevægelige dele. RITEG blev brugt som energikilde på satellitter, rumfartøjer, fjerntliggende fyrtårnsfaciliteter bygget af USSR til polarcirklen.
RTG'er er generelt den mest foretrukne strømkilde til enheder, der kræver flere hundrede watt strøm. I brændselsceller, batterier eller generatorer installeret på steder, hvor solceller er ineffektive. En radioisotop termoelektrisk generator kræver streng radioisotophåndtering underlang tid efter udløbet af dens levetid.
Der er omkring 1.000 RTG'er i Rusland, som hovedsageligt blev brugt til strømkilder på langtrækkende midler: fyrtårne, radiofyr og andet specielt radioudstyr. Den første rum-RTG på polonium-210 var Limon-1 i 1962, derefter Orion-1 med en effekt på 20 W. Den seneste modifikation blev installeret på Strela-1 og Kosmos-84/90 satellitterne. Lunokhods-1, 2 og Mars-96 brugte RTG'er i deres varmesystemer.
DIY termoelektrisk generatorenhed
Sådanne komplekse processer, der finder sted i TEG, stopper ikke de lokale "Kulibins" i deres ønske om at tilslutte sig den globale videnskabelige og tekniske proces for oprettelsen af TEG. Brugen af hjemmelavede TEG'er har været brugt i lang tid. Under den store patriotiske krig lavede partisaner en universel termoelektrisk generator. Den genererede elektricitet til at oplade radioen.
Med fremkomsten af Peltier-elementer på markedet til overkommelige priser for husholdningsforbrugeren, er det muligt selv at lave en TEG ved at følge nedenstående trin.
- Få to køleplader fra en it-butik og påfør termisk pasta. Sidstnævnte vil lette tilslutningen af Peltier-elementet.
- Adskil radiatorerne med en hvilken som helst varmeisolator.
- Lav et hul i isolatoren for at rumme Peltier-elementet og ledningerne.
- Saml strukturen og bring varmekilden (stearinlyset) til en af radiatorerne. Jo længere opvarmning, jo mere strøm vil der blive genereret fra hjemmets termoelektriskegenerator.
Denne enhed fungerer lydløst og er let i vægt. ic2 termoelektriske generator kan alt efter størrelse tilslutte mobiltelefonoplader, tænde en lille radio og tænde LED-belysning.
I øjeblikket har mange kendte globale producenter lanceret produktionen af forskellige overkommelige gadgets ved hjælp af TEG til bilentusiaster og rejsende.
Udsigter for udvikling af termoelektrisk produktion
Efterspørgslen efter husholdningernes forbrug af TEG'er forventes at vokse med 14 %. Udsigterne for udvikling af termoelektrisk generation blev offentliggjort af Market Research Future ved at udgive papiret "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - markedsanalyse, volumen, andel, fremskridt, tendenser og prognoser. Rapporten bekræfter løftet om TEG i genanvendelse af bilaffald og samproduktion af elektricitet og varme til husholdnings- og industrianlæg.
Geografisk er det globale termoelektriske generatormarked blevet opdelt i Amerika, Europa, Asien-Stillehavsområdet, Indien og Afrika. Asia-Pacific anses for at være det hurtigst voksende segment i implementeringen af TEG-markedet.
Blandt disse regioner er Amerika ifølge eksperter den vigtigste indtægtskilde på det globale TEG-marked. En stigning i efterspørgslen efter ren energi forventes at øge efterspørgslen i Amerika.
Europa vil også vise relativt hurtig vækst i prognoseperioden. Indien og Kina viløge forbruget i et betydeligt tempo på grund af stigningen i efterspørgslen efter køretøjer, hvilket vil føre til væksten på generatormarkedet.
Bilvirksomheder som Volkswagen, Ford, BMW og Volvo er i samarbejde med NASA allerede begyndt at udvikle mini-TEG'er til varmegenvindings- og brændstoføkonomisystemet i køretøjer.
