Termoelektrinis generatorius (TEG termogeneratorius) yra elektrinis prietaisas, kuris naudoja Seebeck, Thomson ir Peltier efektus elektros energijai gaminti naudojant termo-EMF. Termo-EMF efektą 1821 m. atrado vokiečių mokslininkas Thomas Johann Seebeck (Seebeck efektas). 1851 m. Williamas Thomsonas (vėliau lordas Kelvinas) tęsė termodinaminius tyrimus ir įrodė, kad elektromotorinės jėgos (EMF) š altinis yra temperatūrų skirtumas..
1834 m. prancūzų išradėjas ir laikrodininkas Jeanas Charlesas Peltier atrado antrąjį termoelektrinį efektą ir nustatė, kad temperatūrų skirtumas atsiranda dviejų skirtingų tipų medžiagų sandūroje, veikiant elektros srovei (Peltjė efektas). Tiksliau, jis numatė, kad esant temperatūrų skirtumui viename laidininke išsivystys EML.
1950 m. rusų akademikas ir tyrinėtojas Abramas Ioffe'as atrado puslaidininkių termoelektrines savybes. Pradėtas naudoti termoelektrinis generatoriusautonominės maitinimo sistemos nepasiekiamose vietose. Kosmoso tyrimas, žmogaus ėjimas į kosmosą davė galingą impulsą sparčiai termoelektrinių keitiklių plėtrai.
Radioizotopų energijos š altinis pirmą kartą buvo įdiegtas erdvėlaiviuose ir orbitinėse stotyse. Jie pradedami naudoti didelėje naftos ir dujų pramonėje dujotiekių apsaugai nuo korozijos, moksliniams tyrimams Tolimojoje Šiaurėje, medicinos srityje kaip širdies stimuliatoriai ir būstuose kaip autonominiai maitinimo š altiniai.
Termoelektrinis efektas ir šilumos perdavimas elektroninėse sistemose
Termoelektriniai generatoriai, kurių veikimo principas pagrįstas kompleksiniu trijų mokslininkų (Seebecko, Thomsono, Peltier) efekto panaudojimu, buvo sukurti praėjus beveik 150 metų po atradimų, kurie gerokai pralenkė savo laiką.
Termoelektrinis efektas yra toks reiškinys. Aušinimui arba elektros gamybai naudojamas "modulis", susidedantis iš elektra sujungtų porų. Kiekvieną porą sudaro puslaidininkinė medžiaga p (S> 0) ir n (S<0). Šios dvi medžiagos yra sujungtos laidininku, kurio termoelektrinė galia laikoma lygi nuliui. Dvi šakos (p ir n) ir visos kitos poros, sudarančios modulį, yra sujungtos nuosekliai elektros grandinėje ir lygiagrečiai šiluminėje grandinėje. TEG (termoelektrinis generatorius) su šiuo išdėstymu sukuria sąlygas optimizuoti šilumos srautą, einantį per modulį, jį įveikiantelektrinė varža. Elektros srovė veikia taip, kad krūvininkai (elektronai ir skylės) iš š alto š altinio pereina į karštą š altinį (termodinamine prasme) dviem poros atšakomis. Tuo pačiu metu jie prisideda prie entropijos perdavimo iš š alto š altinio į karštą, į šilumos srautą, kuris bus atsparus šilumos laidumui.
Jei pasirinktos medžiagos pasižymi geromis termoelektrinėmis savybėmis, šis šilumos srautas, atsirandantis dėl krūvininkų judėjimo, bus didesnis už šilumos laidumą. Todėl sistema perduos šilumą iš š alto š altinio į karštą ir veiks kaip šaldytuvas. Elektros energijos gamybos atveju šilumos srautas sukelia krūvininkų poslinkį ir elektros srovės atsiradimą. Kuo didesnis temperatūrų skirtumas, tuo daugiau elektros energijos galima gauti.
TEG efektyvumas
Vertinama pagal efektyvumo koeficientą. Termoelektrinio generatoriaus galia priklauso nuo dviejų svarbių veiksnių:
- Šilumos srauto kiekis, kuris gali sėkmingai judėti per modulį (šilumos srautas).
- Temperatūros deltai (DT) – temperatūrų skirtumas tarp karštosios ir š altosios generatoriaus pusės. Kuo didesnė delta, tuo ji veikia efektyviau, todėl reikia konstruktyviai sudaryti sąlygas tiek maksimaliam šalčio tiekimui, tiek maksimaliam šilumos pašalinimui iš generatoriaus sienelių.
Sąvoka „termoelektrinių generatorių efektyvumas“yra panaši į terminą, taikomą visiems kitiems tipamsšiluminiai varikliai. Kol kas jis yra labai mažas ir sudaro ne daugiau kaip 17% Carnot efektyvumo. TEG generatoriaus efektyvumą riboja Carnot efektyvumas ir praktiškai net esant aukštai temperatūrai siekia vos kelis procentus (2-6%). Taip yra dėl mažo puslaidininkinių medžiagų šilumos laidumo, kuris nėra palankus efektyviai energijos gamybai. Taigi reikalingos medžiagos, turinčios mažą šilumos laidumą, bet tuo pačiu ir didžiausią įmanomą elektros laidumą.
Puslaidininkiai atlieka geresnį darbą nei metalai, bet dar labai toli iki tų rodiklių, kurie padėtų termoelektros generatorių pasiekti pramoninės gamybos lygį (su ne mažiau kaip 15 % aukštos temperatūros šilumos panaudojimo). Tolesnis TEG efektyvumo didėjimas priklauso nuo termoelektrinių medžiagų (termoelektrikos) savybių, kurių paieška šiuo metu yra skirta visam planetos moksliniam potencialui.
Naujų termoelektrinių gaminių kūrimas yra gana sudėtingas ir brangus, tačiau, jei pasiseks, jie sukels technologinę revoliuciją generavimo sistemose.
Termoelektrinės medžiagos
Termoelektrikai yra sudaryti iš specialių lydinių arba puslaidininkių junginių. Pastaruoju metu elektrai laidūs polimerai buvo naudojami termoelektrinėms savybėms užtikrinti.
Reikalavimai termoelektrikai:
- didelis efektyvumas dėl mažo šilumos laidumo ir didelio elektros laidumo, didelio Seebecko koeficiento;
- atsparumas aukštai temperatūrai ir termomechaninispoveikis;
- prieinamumas ir aplinkos sauga;
- atsparumas vibracijai ir staigiems temperatūros pokyčiams;
- ilgalaikis stabilumas ir maža kaina;
- gamybos proceso automatizavimas.
Šiuo metu vyksta eksperimentai siekiant parinkti optimalias termoporas, kurios padidins TEG efektyvumą. Termoelektrinė puslaidininkinė medžiaga yra telūrido ir bismuto lydinys. Jis buvo specialiai pagamintas taip, kad atskiri blokai ar elementai būtų su skirtingomis "N" ir "P" charakteristikomis.
Termoelektrinės medžiagos dažniausiai gaminamos kryptinės kristalizacijos būdu iš išlydyto arba presuoto miltelių metalurgijos. Kiekvienas gamybos būdas turi savo ypatingų pranašumų, tačiau dažniausiai naudojamos kryptinio augimo medžiagos. Be bismuto telurito (Bi 2 Te 3), yra ir kitų termoelektrinių medžiagų, įskaitant švino ir telurito (PbTe), silicio ir germanio (SiGe), bismuto ir stibio (Bi-Sb) lydinius, kurios gali būti naudojamos specifinėse srityse. atvejų. Nors bismuto ir telurido termoporos yra geriausios daugumai TEG.
TEG orumas
Termoelektrinių generatorių privalumai:
- elektra gaminama uždaroje, vienos pakopos grandinėje nenaudojant sudėtingų perdavimo sistemų ir nenaudojant judančių dalių;
- darbinių skysčių ir dujų trūkumas;
- nėra kenksmingų medžiagų išmetimo, atliekinės šilumos ir aplinkos akustinės taršos;
- įrenginys ilgas akumuliatoriaus veikimo laikasveikiantis;
- atliekinės šilumos (antrinių šilumos š altinių) naudojimas energijos ištekliams taupyti
- dirbkite bet kurioje objekto padėtyje, nepriklausomai nuo darbo aplinkos: erdvės, vandens, žemės;
- DC žemos įtampos generavimas;
- atsparumas trumpajam jungimui;
- Neribotas galiojimo laikas, 100 % paruošta naudoti.
Termoelektrinio generatoriaus taikymo sritys
TEG pranašumai nulėmė plėtros perspektyvas ir artimiausią ateitį:
- vandenyno ir kosmoso tyrimas;
- taikymas mažoje (buitinėje) alternatyvioje energetikoje;
- naudojant automobilio išmetimo vamzdžių šilumą;
- perdirbimo sistemose;
- aušinimo ir oro kondicionavimo sistemose;
- šilumos siurblių sistemose, skirtose momentiniam dyzelinių lokomotyvų ir automobilių dyzelinių variklių pašildymui;
- šildymas ir gaminimas lauko sąlygomis;
- elektroninių prietaisų ir laikrodžių įkrovimas;
- jutimų apyrankių sportininkams mityba.
Termoelektrinis Peltier keitiklis
Peltjė elementas (EP) yra termoelektrinis keitiklis, veikiantis naudojant to paties pavadinimo Peltier efektą, vieną iš trijų termoelektrinių efektų (Seebeck ir Thomson).
Prancūzas Jeanas-Charlesas Peltier sujungė varinius ir bismuto laidus vienas su kitu ir prijungė juos prie akumuliatoriaus, taip sukurdamas dviejų jungčių porąskirtingi metalai. Kai akumuliatorius buvo įjungtas, viena iš jungčių įkaisdavo, o kita atvėsdavo.
Deja, jie yra neefektyvūs, mažo efektyvumo, išskiria gana daug šilumos, todėl reikalingas papildomas vėdinimas ir išauga įrenginio savikaina. Tokie prietaisai sunaudoja gana daug elektros energijos ir gali perkaisti arba kondensuotis. Didesnių nei 60 mm x 60 mm Peltier elementų beveik niekada nerasta.
ES taikymo sritis
Pažangių technologijų įdiegimas termoelektrinių gaminių gamyboje sumažino EP gamybos sąnaudas ir padidino rinkos prieinamumą.
Šiandien EP yra plačiai naudojamas:
- nešiojamuose aušintuvuose, skirtuose mažiems prietaisams ir elektroniniams komponentams vėsinti;
- sausintuvuose vandeniui iš oro ištraukti;
- erdvėlaivyje, siekiant subalansuoti tiesioginių saulės spindulių poveikį vienoje laivo pusėje, o šilumą išsklaidyti į kitą pusę;
- atvėsinti astronominių teleskopų ir aukštos kokybės skaitmeninių fotoaparatų fotonų detektorius, kad būtų sumažintos stebėjimo klaidos dėl perkaitimo;
- kompiuterio komponentams vėsinti.
Pastaruoju metu jis buvo plačiai naudojamas buityje:
- aušintuvuose įrenginiuose, maitinamuose per USB prievadą gėrimams vėsinti arba šildyti;
- kaip papildoma kompresinių šaldytuvų aušinimo pakopa, kai temperatūra sumažinama iki -80 laipsnių vienpakopiam vėsinimui ir iki -120 dviejų pakopų aušinimui;
- automobiliuose, kad sukurtumėte autonominius šaldytuvus ar šildytuvus.
Kinija pradėjo iki 7 eurų vertės TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 modifikacijų Peltier elementų gamybą, kurie pagal „šilumos-š alto“schemas gali užtikrinti iki 200 W galią, kurių eksploatavimo laikas yra iki 200 000 darbo valandų temperatūros zonoje nuo -30 iki 138 laipsnių Celsijaus.
RITEG branduolinės baterijos
Radioizotopinis termoelektrinis generatorius (RTG) – tai prietaisas, kuris naudoja termoporas radioaktyviųjų medžiagų skilimo šilumai paversti elektros energija. Šis generatorius neturi judančių dalių. RITEG buvo naudojamas kaip energijos š altinis palydovuose, erdvėlaiviuose ir nuotoliniuose švyturiuose, kuriuos SSRS pastatė poliariniam ratui.
RTG paprastai yra labiausiai pageidaujamas maitinimo š altinis įrenginiams, kuriems reikia kelių šimtų vatų galios. Kuro elementuose, baterijose ar generatoriuose, įrengtuose vietose, kur saulės elementai yra neefektyvūs. Radioizotopinis termoelektrinis generatorius reikalauja griežto radioizotopų tvarkymoilgą laiką po jo eksploatavimo pabaigos.
Rusijoje yra apie 1000 RTG, kurie daugiausia buvo naudojami energijos š altiniams tolimojo nuotolio priemonėse: švyturiuose, radijo švyturiuose ir kitose specialiose radijo įrangose. Pirmasis kosminis RTG ant polonio-210 buvo Limon-1 1962 m., tada Orion-1, kurio galia buvo 20 W. Naujausia modifikacija buvo įdiegta palydovuose Strela-1 ir Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 ir Mars-96 savo šildymo sistemose naudojo RTG.
„Pasidaryk pats“termoelektrinis generatorius
Tokie sudėtingi procesai, vykstantys TEG, nesustabdo vietinių „Kulibinų“troškimo prisijungti prie pasaulinio mokslinio ir techninio TEG kūrimo proceso. Naminiai TEG buvo naudojami ilgą laiką. Didžiojo Tėvynės karo metu partizanai pagamino universalų termoelektrinį generatorių. Jis gamino elektros energiją radijui įkrauti.
Kai rinkoje pasirodė Peltier elementai už prieinamą kainą buitiniam vartotojui, TEG galima pasidaryti patiems, atlikus toliau nurodytus veiksmus.
- Įsigykite du radiatorius iš IT parduotuvės ir užtepkite termopasta. Pastarasis palengvins Peltier elemento prijungimą.
- Atskirkite radiatorius bet kokiu šilumos izoliatoriumi.
- Padarykite izoliatoriuje skylę, kad tilptų Peltier elementas ir laidai.
- Sumontuokite konstrukciją ir atveskite šilumos š altinį (žvakę) prie vieno iš radiatorių. Kuo ilgesnis šildymas, tuo daugiau srovės bus generuojama iš namų termoelektrosgeneratorius.
Šis įrenginys veikia tyliai ir yra lengvas. ic2 termoelektrinis generatorius pagal dydį gali prijungti mobiliojo telefono įkroviklį, įjungti nedidelį radiją ir įjungti LED apšvietimą.
Šiuo metu daugelis žinomų pasaulio gamintojų pradėjo gaminti įvairius įperkamus įtaisus naudodami TEG, skirtą automobilių entuziastams ir keliautojams.
Termoelektrinės kartos plėtros perspektyvos
Numatoma, kad namų ūkių vartojimo TEG paklausa padidės 14 %. Termoelektros generavimo plėtros perspektyvas paskelbė Market Research Future, išleisdamas dokumentą „Global Thermoelectric Generators Market Research Report – Forecast to 2022“– rinkos analizė, apimtis, dalis, pažanga, tendencijos ir prognozės. Ataskaita patvirtina TEG pažadą perdirbti automobilių atliekas ir kartu gaminti elektrą bei šilumą namų ir pramonės objektams.
Geografiškai pasaulinė termoelektrinių generatorių rinka suskirstyta į Ameriką, Europą, Azijos ir Ramiojo vandenyno regioną, Indiją ir Afriką. Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas laikomas sparčiausiai augančiu segmentu įgyvendinant TEG rinką.
Tarp šių regionų Amerika, ekspertų teigimu, yra pagrindinis pajamų š altinis pasaulinėje TEG rinkoje. Tikimasi, kad padidėjus švarios energijos paklausai padidės paklausa Amerikoje.
Prognozuojamu laikotarpiu Europa taip pat rodys gana spartų augimą. Indija ir Kinija tai padarysdideliu greičiu padidinti suvartojimą dėl padidėjusios transporto priemonių paklausos, o tai lems generatorių rinkos augimą.
Automobilių įmonės, tokios kaip Volkswagen, Ford, BMW ir Volvo, bendradarbiaudamos su NASA, jau pradėjo kurti mini-TEG, skirtus transporto priemonių šilumos atgavimo ir degalų taupymo sistemoms.
