Termoelektrický generátor: zařízení, provozní princip a aplikace

Termoelektrický generátor (TEG termoelektrický) - je elektrický přístroj pomocí Seebeckův efekt Peltier a Thomson k výrobě elektrické energie v důsledku tepelné elektromotorické síly. Vliv tepelného EMF objevil německý vědec Thomas Johann Seebeck Seebeck (efekt) v roce 1821. V roce 1851, William Thomson (později lord Kelvin) pokračoval ve studiu termodynamické a dokázal, že zdrojem elektromotorické síly (EMF) je teplotní rozdíl.

V roce 1834 objevil francouzský vynálezce a hodinář Jean Charles Peltier druhý termoelektrický efekt, zjistil, že teplotní rozdíl nastává na křižovatce dvou různých typů materiálů pod vlivem elektrického proudu (Peltierův efekt). Zejména předpověděl, že EMF vzniká uvnitř jednoho vodiče, když je teplotní rozdíl.

V roce 1950 objevil ruský akademik a badatel Abram Ioffe termoelektrické vlastnosti polovodičů. Generátor termoelektrické energie byl používán v autonomních napájecích systémech v nepřístupných oblastech. Studium vesmíru, vstup člověka do vesmíru poskytl silný impuls rychlému rozvoji termoelektrických měničů.

Radioizotopové zdroje energie byl nejprve instalován na kosmických lodí a vesmírných stanic. Začínají se používat ve velkém měřítku ropném a plynárenském průmyslu pro ochranu proti korozi potrubí, pro vědeckou práci v dalekém severu, v oblasti medicíny jako kardiostimulátorů v oblasti bydlení jako samonosná napájení.

Termoelektrický efekt a přenos tepla v elektronických systémech

Termoelektrické generátory, založené na kombinovaném využití efektu tří vědců (Seebeck, Thomson, Peltier), byly vyvinuty téměř 150 let po objevech, které byly mnohem před časem.

Termoelektrický efekt je následující fenomén. Pro chlazení nebo generování elektřiny se používá "modul" sestávající z elektricky spojených párů. Každá dvojice sestává z polovodičového materiálu p (S> 0) a n (S<0). Tyto dva materiály jsou spojeny vodičem, jehož termoelektrický výkon je považován za nulový. Dvě větve (p a n) a všechny ostatní páry tvořící modul jsou zapojeny do série v elektrickém obvodu a paralelně v tepelném obvodu. TEG (termoelektrický generátor) s tímto uspořádáním vytváří podmínky pro optimalizaci toku tepla, který prochází modulem a překonává jeho elektrický odpor. Elektrický proud působí tak, že nosiče náboje (elektrony a otvory) se pohybují od studeného zdroje k horkému zdroji (v termodynamickém smyslu) v obou větvích dvojice. Zároveň usnadňují přenos entropie ze studeného zdroje na horký zdroj na tepelný tok, který odolá tepelné vodivosti.

Pokud mají vybrané materiály dobré termoelektrické vlastnosti, tento tepelný tok způsobený pohybem nosičů náboje bude vyšší než tepelná vodivost. Proto systém přenáší teplo z chladného zdroje na horký a bude působit jako chladnička. V případě výroby elektřiny způsobuje tepelný tok posunutí nosičů náboje a vzhled elektrického proudu. Čím vyšší je teplotní rozdíl, tím více energie získáte.

Účinnost TEG

Odhaduje se koeficientem účinnosti. Síla termoelektrického generátoru závisí na dvou kritických faktorech:

1. Množství toku tepla, které lze úspěšně přenést přes modul (proud tepla).
2. Delta teplota (DT) - teplotní rozdíl mezi horkou a studenou stranou generátoru. Čím více delty, tím účinnější funguje, takže podmínky musí být konstrukčně zajištěny jak pro maximální dodávku chladiva, tak pro maximální odvod tepla z stěn generátoru.

Termín "účinnost termoelektrických generátorů" je podobný termínu používanému pro všechny ostatní typy tepelných motorů. Zatímco je velmi nízká a nepřekračuje 17% účinnosti společnosti Carnot. Účinnost generátoru TEG je omezena účinností Carnotu a v praxi dosahuje pouze několika procent (2 až 6%) i při vysokých teplotách. To je způsobeno nízkou tepelnou vodivostí v polovodičových materiálech, která nepřispívá k efektivní výrobě elektrické energie. Proto jsou potřebné materiály s nízkou tepelnou vodivostí, ale zároveň s nejvyšší možnou elektrickou vodivostí.

Polovodiče se s tímto úkolem lépe dokáží vypořádat s kovy, ale jsou stále daleko od indexů, které přinesou termoelektrický generátor na úroveň průmyslové výroby (alespoň o 15% za použití vysokoteplotního tepla). Další zvýšení účinnosti TEG závisí na vlastnostech termoelektrických materiálů (termoelektriky), jejichž hledání je v současnosti obsazeno celým vědeckým potenciálem planety.

Vývoj nových termoelektrik je poměrně složitý a drahý, ale pokud bude úspěšný, vyvolá technologickou revoluci v generačních systémech.

Termoelektrické materiály

Termoelektrika se skládá ze speciálních slitin nebo polovodičových sloučenin. Nedávno byly pro termoelektrické vlastnosti použity elektricky vodivé polymery.

Požadavky na termoelektrikum:

• vysoká účinnost, která je způsobena nízkou tepelnou vodivostí a vysokou elektrickou vodivostí, vysokým koeficientem Seebeck;
• odolnost proti vysokým teplotám a termomechanickým účinkům;
• dostupnosti a bezpečnosti životního prostředí;
• odolnost proti vibracím a náhlým změnám teploty;
• dlouhodobou stabilitu a nízkou cenu;
• automatizace výrobního procesu.

V současné době pokračovaly experimenty s výběrem optimálních termočlánků, což zvýší účinnost TEG. Termoelektrický polovodičový materiál je slitina telluridu a vizmuti. Byl speciálně vyroben tak, aby poskytoval samostatné bloky nebo prvky s různými vlastnostmi "N" a "P".

Termoelektrické materiály jsou obvykle vyrobeny usměrněným tuhnutím z roztaveného nebo kompaktní práškové metalurgie. Každá výrobní způsob má zejména tu výhodu, ale nejčastější materiály ke směru růstu. Kromě vizmutu teluritu (Bi 2 Te 3) jsou další termoelektrické materiály, včetně slitin olova a teluritu (PbTe), křemík germanium (SiGe), bismutu a antimonu (Bi-Sb), které mohou být použity v konkrétních případech. Zatímco vizmutu telluridu termočlánků a se nejlépe hodí pro většinu TEG.

Výhody TEG

Výhody termoelektrických generátorů:

• Výroba elektřiny probíhá v uzavřeném jednostupňovém schématu bez použití komplexních přenosových systémů a použití hnacích částí;
• absence pracovních kapalin a plynů;
• žádné emise škodlivých látek, odpadní teplo a hluk životního prostředí;
• zařízení pro dlouhodobou autonomní provoz;
• využívání odpadního tepla (sekundární zdroje tepla) za účelem šetření energetických zdrojů
• pracovat v jakékoli poloze objektu bez ohledu na provozní prostředí: prostor, voda, půda;
• generování stejnosměrného proudu při nízkém napětí;
• zkratová odolnost;
• neomezená trvanlivost, 100% připravenost k práci.

Aplikace termoelektrického generátoru

Výhody TEG určily perspektivy vývoje a jeho blízké budoucnosti:

• studium oceánu a vesmíru;
• aplikace v malé (domácnosti) alternativní energii;
• použití tepla z výfuku automobilů;
• v systémech zpracování odpadků;
• v chladicích a klimatizačních systémech;
• v systémech tepelných čerpadel, pro okamžité ohřev dieselových motorů dieselových lokomotiv a automobilů;
• vytápění a vaření v pochodových podmínkách;
• nabíjení elektronických přístrojů a hodin;
• potravinové senzorické náramky pro sportovce.

Termoelektrický konvertor Peltier

Peltierův prvek (EP) je termoelektrický převodník pracující se stejným Peltierovým efektem, jedním ze tří termoelektrických efektů (Seebeck a Thomson).

Francouz Jean-Charles Peltier spojil vodiče mědi a bismutu navzájem a připojil je k baterii, čímž vytvořil dvojici sloučenin dvou nerovných kovů. Když byla baterie zapnutá, jeden z přechodů byl ohříván a druhý byl ochlazen.

Přístroje založené na Peltierova jevu, je velmi spolehlivý, protože nemají žádné pohyblivé části, nevyžaduje žádnou údržbu, nemají žádné škodlivé plyny, jsou kompaktní a jsou schopny obousměrné zpracování (vytápění a chlazení), v závislosti na směru proudu.

Bohužel jsou neúčinné, mají nízkou účinnost, vydávají spoustu tepla, což vyžaduje dodatečné větrání a zvyšuje náklady na zařízení. Taková zařízení spotřebovávají spoustu elektrické energie a mohou způsobit přehřátí nebo kondenzace. Peltierovy prvky o rozměrech nad 60 mm x 60 mm se prakticky nenacházejí.

Oblast použití EP

Zavedení vyspělých technologií v oblasti výroby termoelektrické energie vedlo ke snížení výrobních nákladů EP a rozšíření přístupu na trh.

Dnes EP je široce používán:

• v přenosných chladičích, pro chlazení malých spotřebičů a elektronických součástek;
• v odvlhčovačích pro odvod vody z ovzduší;
• ve vesmírných vozidlech k vyrovnání vlivu přímého slunečního světla na jedné straně lodi, odvádění tepla na druhou stranu;
• pro chlazení fotonických detektorů astronomických dalekohledů a vysoce kvalitních digitálních fotoaparátů s cílem minimalizovat chyby pozorování vznikající při přehřátí;
• pro chlazení komponent počítačů.

V poslední době je široce používán pro každodenní účely:

• v zařízeních chladičů, napájení přes USB port pro chlazení nebo ohřev nápojů;
• ve formě přídavného chladicího stupně pro kompresní chladničky s poklesem teploty o -80 ° C pro jednostupňové chlazení a až na -120 ° pro dvoustupňové chlazení;
• v osobních automobilech pro vytvoření autonomních chladniček nebo ohřívačů.

Čína zahájila výrobu Peltier Elementy modifikace TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 náklady až do výše 7 euro, které mohou pracovat v teplotním pásmu poskytovat na „horký-studený“ výkonem do 200 W, životnost až 200 000 hodin - 30-138 stupňů Celsia.

Jaderné baterie RTG

Radioizotopový termoelektrický generátor (RTG) je zařízení používající termočlánek k přeměně tepla uvolněného z rozpadu radioaktivního materiálu na elektřinu. Tento generátor nemá žádné pohyblivé části. RTG byla použita jako zdroj energie na družicích, kosmických lodích, vzdálených majákových objektech postavených SSSR pro arktický okruh.

RTG jsou obecně nejvíce preferovaným zdrojem energie pro zařízení, která vyžadují několik set wattů výkonu. V palivových článcích, bateriích nebo generátorech instalovaných na místech, kde jsou solární články neúčinné. Rádioizotopový termoelektrický generátor vyžaduje přísné dodržování pečlivého zacházení s radioizotopy po dlouhou dobu po skončení jeho životnosti.

V Rusku existuje asi 1000 RTGs byly použity především pro napájení k prostředkům pro další činnost: majáky, majáky a další speciální rádiových zařízení. První prostor RTG až polonia-210 byl "Lemon-1" v roce 1962, následovaný "Orion-1" 20W. Poslední modifikace byla nastavena na satelity „šipka-1“ a „Space-84/90.“ Dále jen „Lunokhod“ a -1,2 „Mars-96“ se používá v topných systémech RTG.

Zařízení termoelektrického generátoru s vlastními rukama

Takové složité procesy, které se vyskytují v TEG nezastaví místní „kulibinyh“ ve snaze připojit se k celosvětové vědecké a technické proces vytváření TEG. Používání domácí TEG se používá po dlouhou dobu. Během druhé světové války partyzáni také univerzální termoelektrický generátor. To vytváří elektrický proud pro nabíjení vysílačku.

S příchodem Peltierových prvků na trhu za přijatelné ceny pro domácí spotřebitele je možné provést vlastní TEG podle kroků.

1. Koupit dva radiátory v IT úložišti a používat termické mazivo. Toto zařízení usnadní propojení prvku Peltier.
2. Rozdělíte radiátory na tepelný izolátor.
3. Proveďte otvor v izolátoru, aby se uchytil prvek Peltier a vodiče.
4. Sestavte strukturu a přiveďte zdroj tepla (svíčku) na jeden z radiátorů. Čím delší je vytápění, tím větší proud bude generován z domácího termoelektrického generátoru.

Toto zařízení pracuje tiše a má nízkou hmotnost. Tepelný generátor ic2 může v závislosti na velikosti připojit nabíjení mobilního telefonu, zapnout malý rádiový přijímač a LED osvětlení.

V současné době mnoho známých světových výrobců uvedlo do prodeje různé gadgety, které používají TEG pro nadšence a cestující.

Perspektivy vývoje termoelektrické generace

Očekává se, že poptávka po domácí spotřebu TEG poroste o 14%. Perspektivy rozvoje termoelektrického generace zveřejněné Průzkum trhu Future, vydal dokument „Zprávu o globální Termoelektrické generátory Market Research - Předpověď na rok 2022,“ - analýza trhu, objem, podíl, pohyb, trendy a prognózy. Zpráva potvrzuje perspektivní TEG na recyklaci automobilů a odpadní systémy a elektřinu koprodukci tepla pro domácí i průmyslové objekty.

Geograficky se světový trh termoelektrických generátorů rozdělil na Ameriku, Evropu, Asie, Tichomoří, Indii a Afriku. APR se považuje za nejrychleji se rozvíjející segment v oblasti uvedení na trh TEG.

Mezi těmito regiony je podle expertů Amerika hlavním zdrojem příjmů na globálním trhu TEG. Očekává se, že zvýšení poptávky po čisté energii zvýší poptávku po Americe.

V průběhu prognózy bude Evropa vykazovat relativně rychlý růst. Indie a Čína zvýší spotřebu výrazným tempem kvůli zvýšené poptávce po vozidlech, což povede ke zvýšení trhu s generátory.

výrobní vůz společnosti jako Volkswagen, Ford, BMW a Volvo, ve spolupráci s NASA, již začaly rozvíjet mini-TEG systémy rekuperace tepla a spotřeby paliva ve vozidle.