Termoelektrisk generator (TEG termogenerator) är en elektrisk enhet som använder Seebeck-, Thomson- och Peltier-effekterna för att generera elektricitet genom termo-EMF. Termo-EMF-effekten upptäcktes av den tyske vetenskapsmannen Thomas Johann Seebeck (Seebeck-effekten) 1821. År 1851 fortsatte William Thomson (senare Lord Kelvin) termodynamisk forskning och bevisade att källan till den elektromotoriska kraften (EMF) är en temperaturskillnad.
År 1834 upptäckte den franske uppfinnaren och urmakaren Jean Charles Peltier den andra termoelektriska effekten, fann att temperaturskillnaden uppstår vid föreningspunkten mellan två olika typer av material under påverkan av en elektrisk ström (Peltier-effekten). Specifikt förutspådde han att en EMF skulle utvecklas inom en enda ledare när det fanns en temperaturskillnad.
År 1950 upptäckte den ryske akademikern och forskaren Abram Ioffe de termoelektriska egenskaperna hos halvledare. Termoelektrisk kraftgenerator började användas iautonoma strömförsörjningssystem i otillgängliga områden. Studiet av yttre rymden, människans rymdvandring gav en kraftfull impuls till den snabba utvecklingen av termoelektriska omvandlare.
Radioisotopenergikällan installerades först på rymdfarkoster och orbitalstationer. De börjar användas i den stora olje- och gasindustrin för korrosionsskydd av gasledningar, i forskningsarbete i Fjärran Norden, inom medicinområdet som pacemaker och i bostäder som autonoma kraftkällor.
Termoelektrisk effekt och värmeöverföring i elektroniska system
Termoelektriska generatorer, vars funktionsprincip är baserad på den komplexa användningen av effekten av tre forskare (Seebeck, Thomson, Peltier), utvecklades nästan 150 år efter upptäckter som var långt före sin tid.
Termoelektrisk effekt är följande fenomen. För kylning eller generering av el används en "modul" bestående av elektriskt anslutna par. Varje par består av halvledarmaterial p (S> 0) och n (S<0). Dessa två material är förbundna med en ledare vars termoelektriska effekt antas vara noll. Två grenar (p och n) och alla andra par som utgör modulen är seriekopplade i den elektriska kretsen och parallellt i den termiska kretsen. TEG (termoelektrisk generator) med denna layout skapar förutsättningar för att optimera värmeflödet som passerar genom modulen och övervinner detelektrisk resistans. Elektrisk ström verkar på ett sådant sätt att laddningsbärare (elektroner och hål) rör sig från en kall källa till en varm källa (i termodynamisk mening) i två grenar av paret. Samtidigt bidrar de till överföringen av entropi från en kall källa till en varm, till ett värmeflöde som kommer att motstå värmeledning.
Om de valda materialen har goda termoelektriska egenskaper kommer detta värmeflöde som genereras av laddningsbärarnas rörelse att vara större än värmeledningsförmågan. Därför kommer systemet att överföra värme från en kall källa till en varm och fungera som ett kylskåp. Vid elproduktion orsakar värmeflödet förskjutning av laddningsbärare och uppkomsten av en elektrisk ström. Ju större temperaturskillnaden är, desto mer elektricitet kan erhållas.
TEG-effektivitet
Bedöms av effektivitetsfaktorn. Effekten hos en termoelektrisk generator beror på två kritiska faktorer:
- Mängden värmeflöde som framgångsrikt kan röra sig genom modulen (värmeflöde).
- Temperature deltas (DT) - temperaturskillnaden mellan den varma och kalla sidan av generatorn. Ju större delta, desto mer effektivt fungerar det, därför måste förhållanden tillhandahållas konstruktivt, både för maximal kyltillförsel och maximal värmeavledning från generatorväggarna.
Termen "effektivitet hos termoelektriska generatorer" liknar termen som används för alla andra typertermiska motorer. Hittills är den mycket låg och uppgår till högst 17 % av Carnots effektivitet. Effektiviteten hos TEG-generatorn begränsas av Carnot-verkningsgraden och når i praktiken endast några få procent (2-6%) även vid höga temperaturer. Detta beror på den låga värmeledningsförmågan i halvledarmaterial, vilket inte bidrar till effektiv kraftgenerering. Det behövs alltså material med låg värmeledningsförmåga, men samtidigt med högsta möjliga elektriska ledningsförmåga.
Halvledare gör ett bättre jobb än metaller, men är fortfarande mycket långt ifrån de indikatorer som skulle få en termoelektrisk generator till nivån för industriell produktion (med minst 15 % användning av högtemperaturvärme). En ytterligare ökning av effektiviteten hos TEG beror på egenskaperna hos termoelektriska material (termoelektriska), vars sökande för närvarande upptas av hela planetens vetenskapliga potential.
Utvecklingen av ny termoelektrik är relativt komplex och dyr, men om den lyckas kommer den att orsaka en teknisk revolution inom generationssystem.
Termoelektriska material
Termoelektrik består av speciella legeringar eller halvledarföreningar. På senare tid har elektriskt ledande polymerer använts för termoelektriska egenskaper.
Krav för termoelektrisk:
- hög verkningsgrad på grund av låg värmeledningsförmåga och hög elektrisk konduktivitet, hög Seebeck-koefficient;
- beständighet mot höga temperaturer och termomekaniskeffekt;
- tillgänglighet och miljösäkerhet;
- motstånd mot vibrationer och plötsliga temperaturförändringar;
- långsiktig stabilitet och låg kostnad;
- automatisering av tillverkningsprocessen.
För närvarande pågår experiment för att välja optimala termoelement, vilket kommer att öka TEG-effektiviteten. Det termoelektriska halvledarmaterialet är en legering av tellurid och vismut. Den har tillverkats speciellt för att ge enskilda block eller element med olika "N"- och "P"-egenskaper.
Termoelektriska material tillverkas oftast genom riktad kristallisation från smält eller pressat pulvermetallurgi. Varje tillverkningsmetod har sin egen speciella fördel, men riktade tillväxtmaterial är de vanligaste. Förutom vismuttellurit (Bi 2 Te 3) finns det andra termoelektriska material, inklusive legeringar av bly och tellurit (PbTe), kisel och germanium (SiGe), vismut och antimon (Bi-Sb), som kan användas i specifika fall. Vismut- och tellurid-termoelement är bäst för de flesta TEG:er.
Dignity of TEG
Fördelar med termoelektriska generatorer:
- elektricitet genereras i en sluten enstegskrets utan användning av komplexa transmissionssystem och användning av rörliga delar;
- brist på arbetsvätskor och gaser;
- inga utsläpp av skadliga ämnen, spillvärme och bullerföroreningar i miljön;
- enhet lång batteritidfungerar;
- användning av spillvärme (sekundära värmekällor) för att spara energiresurser
- arbeta i vilken position som helst av objektet, oavsett driftsmiljö: rymd, vatten, jord;
- DC lågspänningsgenerering;
- kortslutningsimmunitet;
- Obegränsad hållbarhet, 100 % redo att användas.
Tillämpningsområden för termoelektrisk generator
Fördelarna med TEG avgjorde utvecklingsutsikterna och dess nära framtid:
- studie av havet och rymden;
- applikation i liten (hushålls) alternativ energi;
- använder värme från bilavgasrör;
- i återvinningssystem;
- i kyl- och luftkonditioneringssystem;
- i värmepumpssystem för omedelbar uppvärmning av dieselmotorer till diesellokomotiv och personbilar;
- uppvärmning och matlagning under fältförhållanden;
- laddar elektroniska enheter och klockor;
- näring av sensoriska armband för idrottare.
Termoelektrisk Peltier-omvandlare
Peltier-element (EP) är en termoelektrisk omvandlare som använder Peltier-effekten med samma namn, en av de tre termoelektriska effekterna (Seebeck och Thomson).
Fransmannen Jean-Charles Peltier kopplade koppar- och vismuttrådar till varandra och kopplade dem till ett batteri, vilket skapade ett par anslutningar om tvåolika metaller. När batteriet slogs på värmdes en av korsningarna upp och den andra svalnade.
Peltiereffektenheter är extremt pålitliga eftersom de inte har några rörliga delar, är underhållsfria, avger inga skadliga gaser, är kompakta och har dubbelriktad drift (värme och kyla) beroende på strömriktningen.
Tyvärr är de ineffektiva, har låg effektivitet, avger ganska mycket värme, vilket kräver extra ventilation och ökar kostnaden för enheten. Sådana enheter förbrukar ganska mycket elektricitet och kan orsaka överhettning eller kondens. Peltierelement som är större än 60 mm x 60 mm hittas nästan aldrig.
Omfattning av ES
Introduktionen av avancerad teknik för produktion av termoelektrik har lett till en minskning av produktionskostnaden för EP och utökad marknadstillgänglighet.
Idag EP används flitigt:
- i bärbara kylare, för kylning av små apparater och elektroniska komponenter;
- i avfuktare för att extrahera vatten ur luften;
- i rymdfarkoster för att balansera effekten av direkt solljus på ena sidan av fartyget samtidigt som värmen avleds till den andra sidan;
- för att kyla fotondetektorerna i astronomiska teleskop och högkvalitativa digitalkameror för att minimera observationsfel på grund av överhettning;
- för kylning av datorkomponenter.
Nyligen har den använts i stor utsträckning för hushållsändamål:
- i kallare enheter som drivs av USB-port för att kyla eller värma drycker;
- i form av ett ytterligare nedkylningssteg av kompressionskylskåp med temperatursänkning till -80 grader för enstegskylning och upp till -120 för tvåstegskylning;
- i bilar för att skapa autonoma kylskåp eller värmare.
Kina har lanserat produktionen av Peltier-element med modifikationer TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 värda upp till 7 euro, som kan ge effekt upp till 200 W enligt "värme-kall"-scheman, med en livslängd på upp till 200 000 timmars drift i temperaturzonen från -30 till 138 grader Celsius.
RITEG kärnkraftsbatterier
En radioisotop termoelektrisk generator (RTG) är en enhet som använder termoelement för att omvandla värme från sönderfallet av radioaktivt material till elektricitet. Denna generator har inga rörliga delar. RITEG användes som energikälla på satelliter, rymdfarkoster, avlägsna fyranläggningar byggda av Sovjetunionen för polcirkeln.
RTG:er är i allmänhet den mest föredragna strömkällan för enheter som kräver flera hundra watts ström. I bränsleceller, batterier eller generatorer installerade på platser där solceller är ineffektiva. En radioisotop termoelektrisk generator kräver strikt radioisotophantering underlång tid efter slutet av dess livslängd.
Det finns cirka 1 000 RTG:er i Ryssland, som huvudsakligen användes för kraftkällor på långväga medel: fyrar, radiofyrar och annan speciell radioutrustning. Den första rymd-RTG på polonium-210 var Limon-1 1962, sedan Orion-1 med en effekt på 20 W. Den senaste modifieringen installerades på satelliterna Strela-1 och Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 och Mars-96 använde RTG i sina värmesystem.
DIY termoelektrisk generatorenhet
Sådana komplexa processer som äger rum i TEG stoppar inte de lokala "Kulibinerna" i deras önskan att gå med i den globala vetenskapliga och tekniska processen för skapandet av TEG. Användningen av hemgjorda TEGs har använts under lång tid. Under det stora fosterländska kriget tillverkade partisaner en universell termoelektrisk generator. Den genererade elektricitet för att ladda radion.
Med intåget av Peltier-element på marknaden till överkomliga priser för hushållskonsumenten är det möjligt att göra en TEG själv genom att följa stegen nedan.
- Få två kylflänsar från en IT-butik och applicera termisk pasta. Det senare kommer att underlätta anslutningen av Peltier-elementet.
- Separera radiatorerna med valfri värmeisolator.
- Gör ett hål i isolatorn för att rymma Peltier-elementet och ledningarna.
- Montera strukturen och för värmekällan (ljus) till en av radiatorerna. Ju längre uppvärmning, desto mer ström kommer att genereras från hemmets termoelektriskagenerator.
Denna enhet fungerar tyst och är lätt i vikt. Den termoelektriska generatorn ic2, beroende på storlek, kan ansluta mobiltelefonladdare, slå på en liten radio och tända LED-belysning.
För närvarande har många välkända globala tillverkare lanserat produktionen av olika prisvärda prylar med hjälp av TEG för bilentusiaster och resenärer.
Utsikter för utveckling av termoelektrisk produktion
Efterfrågan på hushållens konsumtion av TEG förväntas öka med 14 %. Termoelektrisk generations utvecklingsutsikter publicerades av Market Research Future genom att ge ut artikeln "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - marknadsanalys, volym, andel, framsteg, trender och prognoser. Rapporten bekräftar löftet om TEG i återvinningen av bilavfall och samproduktion av el och värme för hushålls- och industrianläggningar.
Geografiskt sett har den globala marknaden för termoelektriska generatorer delats upp i Amerika, Europa, Asien-Stillahavsområdet, Indien och Afrika. Asien-Stillahavsområdet anses vara det snabbast växande segmentet i implementeringen av TEG-marknaden.
Bland dessa regioner är Amerika, enligt experter, den främsta inkomstkällan på den globala TEG-marknaden. En ökad efterfrågan på ren energi förväntas öka efterfrågan i Amerika.
Europa kommer också att visa relativt snabb tillväxt under prognosperioden. Indien och Kina kommeröka förbrukningen i en betydande takt på grund av den ökade efterfrågan på fordon, vilket kommer att leda till tillväxten på generatormarknaden.
Bilföretag som Volkswagen, Ford, BMW och Volvo har i samarbete med NASA redan börjat utveckla mini-TEG för värmeåtervinning och bränsleekonomi i fordon.
