Generatorul termoelectric (termogenerator TEG) este un dispozitiv electric care utilizează efectele Seebeck, Thomson și Peltier pentru a genera electricitate prin termo-EMF. Efectul termo-EMF a fost descoperit de omul de știință german Thomas Johann Seebeck (efectul Seebeck) în 1821. În 1851, William Thomson (mai târziu Lord Kelvin) a continuat cercetările termodinamice și a demonstrat că sursa forței electromotoare (EMF) este o diferență de temperatură..
În 1834, inventatorul și ceasornicarul francez Jean Charles Peltier a descoperit al doilea efect termoelectric, a constatat că diferența de temperatură are loc la joncțiunea a două tipuri diferite de materiale sub influența unui curent electric (efectul Peltier). Mai exact, el a prezis că un EMF se va dezvolta într-un singur conductor atunci când există o diferență de temperatură.
În 1950, academicianul și cercetătorul rus Abram Ioffe a descoperit proprietățile termoelectrice ale semiconductorilor. Generatorul de energie termoelectrică a început să fie utilizat însisteme de alimentare autonome în zone inaccesibile. Studiul spațiului cosmic, plimbarea în spațiu a omului a dat un impuls puternic dezvoltării rapide a convertoarelor termoelectrice.
Sursa de energie cu radioizotop a fost instalată pentru prima dată pe nave spațiale și stații orbitale. Ele încep să fie folosite în marea industrie a petrolului și gazelor pentru protecția anticoroziune a conductelor de gaz, în activități de cercetare în nordul îndepărtat, în domeniul medicinei ca stimulatoare cardiace și în locuințe ca surse autonome de alimentare cu energie.
Efect termoelectric și transfer de căldură în sistemele electronice
Generatoarele termoelectrice, al căror principiu de funcționare se bazează pe utilizarea complexă a efectului a trei oameni de știință (Seebeck, Thomson, Peltier), au fost dezvoltate la aproape 150 de ani după descoperiri care au fost cu mult înaintea timpului lor.
Efectul termoelectric este următorul fenomen. Pentru răcirea sau generarea de energie electrică se folosește un „modul” format din perechi conectate electric. Fiecare pereche constă din material semiconductor p (S> 0) și n (S<0). Aceste două materiale sunt conectate printr-un conductor a cărui putere termoelectrică se presupune că este zero. Două ramuri (p și n) și toate celel alte perechi care alcătuiesc modulul sunt conectate în serie în circuitul electric și în paralel în circuitul termic. TEG (generator termoelectric) cu acest aspect creează condiții pentru optimizarea fluxului de căldură care trece prin modul, depășindu-lrezistență electrică. Curentul electric acționează în așa fel încât purtătorii de sarcină (electroni și găuri) se deplasează de la o sursă rece la una fierbinte (în sensul termodinamic) în două ramuri ale perechii. În același timp, ele contribuie la transferul entropiei de la o sursă rece la una fierbinte, la un flux de căldură care va rezista la conducerea căldurii.
Dacă materialele selectate au proprietăți termoelectrice bune, acest flux de căldură generat de mișcarea purtătorilor de sarcină va fi mai mare decât conductivitatea termică. Prin urmare, sistemul va transfera căldură de la o sursă rece la una fierbinte și va acționa ca un frigider. În cazul producerii de energie electrică, fluxul de căldură determină deplasarea purtătorilor de sarcină și apariția unui curent electric. Cu cât diferența de temperatură este mai mare, cu atât se poate obține mai multă energie electrică.
Eficiență TEG
Evaluat prin factorul de eficiență. Puterea unui generator termoelectric depinde de doi factori critici:
- Cantitatea de flux de căldură care se poate deplasa cu succes prin modul (flux de căldură).
- Delta de temperatură (DT) - diferența de temperatură dintre partea caldă și cea rece a generatorului. Cu cât delta este mai mare, cu atât funcționează mai eficient, prin urmare, condițiile trebuie asigurate constructiv, atât pentru alimentarea maximă a frigului, cât și pentru eliminarea maximă a căldurii de pe pereții generatorului.
Termenul „eficiența generatoarelor termoelectrice” este similar cu termenul aplicat tuturor celorl alte tipurimotoare termice. Până acum, este foarte scăzut și nu depășește 17% din eficiența lui Carnot. Eficiența generatorului TEG este limitată de eficiența Carnot și atinge în practică doar câteva procente (2-6%) chiar și la temperaturi ridicate. Acest lucru se datorează conductivității termice scăzute a materialelor semiconductoare, care nu este propice pentru generarea eficientă a energiei. Astfel, sunt necesare materiale cu conductivitate termică scăzută, dar în același timp cu conductivitate electrică cât mai mare.
Semiconductorii fac o treabă mai bună decât metalele, dar sunt încă foarte departe de acei indicatori care ar aduce un generator termoelectric la nivelul producției industriale (cu cel puțin 15% utilizarea căldurii la temperatură în altă). O creștere suplimentară a eficienței TEG depinde de proprietățile materialelor termoelectrice (termoelectrice), a căror căutare este ocupată în prezent de întregul potențial științific al planetei.
Dezvoltarea de noi termoelectrice este relativ complexă și costisitoare, dar dacă va avea succes, acestea vor provoca o revoluție tehnologică în sistemele de generare.
Materiale termoelectrice
Termoelectricele sunt formate din aliaje speciale sau compuși semiconductori. Recent, polimeri conductori electric au fost folosiți pentru proprietăți termoelectrice.
Cerințe pentru termoelectrice:
- eficiență ridicată datorită conductibilității termice scăzute și conductibilității electrice ridicate, coeficientului Seebeck ridicat;
- rezistenta la temperaturi ridicate si termomecanicaimpact;
- accesibilitate și siguranță pentru mediu;
- rezistenta la vibratii si schimbari bruste de temperatura;
- stabilitate pe termen lung și costuri reduse;
- automatizarea procesului de fabricație.
În prezent, sunt în curs de desfășurare experimente pentru selectarea termocuplurilor optime, care vor crește eficiența TEG. Materialul semiconductor termoelectric este un aliaj de telurura si bismut. A fost fabricat special pentru a oferi blocuri sau elemente individuale cu diferite caracteristici „N” și „P”.
Materialele termoelectrice sunt cel mai adesea realizate prin cristalizare direcțională din metalurgia pulberilor topite sau presate. Fiecare metodă de fabricație are propriul avantaj particular, dar materialele de creștere direcțională sunt cele mai comune. Pe lângă teluritul de bismut (Bi 2 Te 3), există și alte materiale termoelectrice, inclusiv aliaje de plumb și telurit (PbTe), siliciu și germaniu (SiGe), bismut și antimoniu (Bi-Sb), care pot fi utilizate în special cazuri. În timp ce termocuplurile cu bismut și telururi sunt cele mai bune pentru majoritatea TEG-urilor.
Demnitatea TEG
Avantajele generatoarelor termoelectrice:
- electricitatea este generată într-un circuit închis, cu o singură treaptă, fără utilizarea unor sisteme complexe de transmisie și utilizarea unor părți mobile;
- lipsa lichidelor și gazelor de lucru;
- fără emisii de substanțe nocive, căldură reziduală și poluare fonică a mediului;
- Durată lungă de viață a bateriei pentru dispozitivfuncționează;
- folosirea căldurii reziduale (surse secundare de căldură) pentru economisirea resurselor de energie
- lucrați în orice poziție a obiectului, indiferent de mediul de operare: spațiu, apă, pământ;
- generare de joasă tensiune DC;
- imunitate la scurtcircuit;
- Perioada de valabilitate nelimitată, 100% gata de utilizare.
Domenii de aplicare ale generatorului termoelectric
Avantajele TEG au determinat perspectivele de dezvoltare și viitorul apropiat:
- studiu al oceanului și al spațiului;
- aplicație în energie alternativă mică (internă);
- folosind căldura din țevile de eșapament ale mașinii;
- în sistemele de reciclare;
- în sistemele de răcire și aer condiționat;
- în sistemele cu pompe de căldură pentru încălzirea instantanee a motoarelor diesel ale locomotivelor și mașinilor diesel;
- incalzire si gatit in conditii de camp;
- încărcare dispozitive electronice și ceasuri;
- nutriția brățărilor senzoriale pentru sportivi.
Convertor termoelectric Peltier
Elementul Peltier (EP) este un convertor termoelectric care funcționează folosind efectul Peltier cu același nume, unul dintre cele trei efecte termoelectrice (Seebeck și Thomson).
Francezul Jean-Charles Peltier a conectat fire de cupru și bismut între ele și le-a conectat la o baterie, creând astfel o pereche de conexiuni de douămetale diferite. Când bateria era pornită, una dintre joncțiuni se încălzea, iar ceal altă se răcea.
Dispozitivele cu efect Peltier sunt extrem de fiabile deoarece nu au piese în mișcare, nu necesită întreținere, nu emit gaze nocive, sunt compacte și au funcționare bidirecțională (încălzire și răcire) în funcție de direcția curentului.
Din păcate, sunt ineficiente, au o eficiență scăzută, emit destul de multă căldură, ceea ce necesită o ventilație suplimentară și crește costul dispozitivului. Astfel de dispozitive consumă destul de multă energie electrică și pot provoca supraîncălzire sau condens. Elementele Peltier mai mari de 60 mm x 60 mm nu se găsesc aproape niciodată.
Domeniul de aplicare al ES
Introducerea tehnologiilor avansate în producția de termoelectrice a condus la o reducere a costului de producție a EP și la extinderea accesibilității pieței.
Today EP este folosit pe scară largă:
- în răcitoarele portabile, pentru răcirea aparatelor mici și a componentelor electronice;
- în dezumidificatoare pentru a extrage apa din aer;
- în nave spațiale pentru a echilibra efectul luminii directe a soarelui pe o parte a navei în timp ce disipă căldura pe ceal altă parte;
- pentru a răci detectoarele de fotoni ale telescoapelor astronomice și ale camerelor digitale de în altă calitate, pentru a minimiza erorile de observare din cauza supraîncălzirii;
- pentru răcirea componentelor computerului.
Recent, a fost utilizat pe scară largă în scopuri domestice:
- în dispozitive mai răcoritoare alimentate de portul USB pentru a răci sau încălzi băuturi;
- sub forma unei etape suplimentare de răcire a frigiderelor cu compresie cu o scădere a temperaturii până la -80 de grade pentru răcirea într-o etapă și până la -120 pentru două trepte;
- în mașini pentru a crea frigidere sau încălzitoare autonome.
China a lansat producția de elemente Peltier ale modificărilor TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 în valoare de până la 7 euro, care pot furniza putere de până la 200 W conform schemelor „căldură-rece”, cu o durată de viață de până la 200.000 de ore de funcționare în zona de temperatură de la -30 la 138 de grade Celsius.
baterii nucleare RITEG
Un generator termoelectric cu radioizotopi (RTG) este un dispozitiv care utilizează termocupluri pentru a transforma căldura din degradarea materialului radioactiv în electricitate. Acest generator nu are piese mobile. RITEG a fost folosit ca sursă de energie pe sateliți, nave spațiale, faruri la distanță construite de URSS pentru Cercul Arctic.
RTG-urile sunt, în general, cea mai preferată sursă de energie pentru dispozitivele care necesită câteva sute de wați. În pile de combustie, baterii sau generatoare instalate în locuri în care celulele solare sunt ineficiente. Un generator termoelectric cu radioizotopi necesită o manipulare strictă a radioizotopilor în timpulmult timp după sfârșitul duratei de viață.
În Rusia există aproximativ 1.000 de RTG, care au fost folosite în principal pentru surse de energie pe mijloace cu rază lungă de acțiune: faruri, radiofaruri și alte echipamente radio speciale. Primul RTG spațial pe poloniu-210 a fost Limon-1 în 1962, apoi Orion-1 cu o putere de 20 W. Cea mai recentă modificare a fost instalată pe sateliții Strela-1 și Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 și Mars-96 au folosit RTG-uri în sistemele lor de încălzire.
Dispozitiv generator termoelectric DIY
Astfel de procese complexe care au loc în TEG nu îi oprește pe „Kulibins” locali în dorința lor de a se alătura procesului științific și tehnic global pentru crearea TEG. Utilizarea TEG-urilor de casă a fost folosită de mult timp. În timpul Marelui Război Patriotic, partizanii au făcut un generator termoelectric universal. A generat electricitate pentru a încărca radioul.
Odată cu apariția elementelor Peltier pe piață la prețuri accesibile pentru consumatorul casnic, este posibil să-ți faci singur un TEG urmând pașii de mai jos.
- Ia două radiatoare de la un magazin IT și aplică pastă termică. Acesta din urmă va facilita conectarea elementului Peltier.
- Separați caloriferele cu orice izolator termic.
- Fă o gaură în izolator pentru a găzdui elementul Peltier și firele.
- Asamblați structura și aduceți sursa de căldură (lumânare) la unul dintre calorifere. Cu cât încălzirea este mai lungă, cu atât se va genera mai mult curent din termoelectricul de acasăgenerator.
Acest dispozitiv funcționează silențios și este ușor. Generatorul termoelectric ic2, în funcție de dimensiune, poate conecta încărcătorul de telefon mobil, poate porni un radio mic și aprinde iluminarea LED.
În prezent, mulți producători mondiali cunoscuți au lansat producția de diverse gadgeturi la prețuri accesibile folosind TEG pentru pasionații de mașini și călători.
Perspective pentru dezvoltarea generației termoelectrice
Cererea pentru consumul casnic de TEG-uri este de așteptat să crească cu 14%. Perspectiva dezvoltării generației termoelectrice a fost publicată de Market Research Future prin publicarea lucrării „Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022” - analiză de piață, volum, cotă, progres, tendințe și previziuni. Raportul confirmă promisiunea TEG în reciclarea deșeurilor de automobile și cogenerarea de electricitate și căldură pentru instalațiile casnice și industriale.
Geografic, piața globală a generatoarelor termoelectrice a fost împărțită în America, Europa, Asia-Pacific, India și Africa. Asia-Pacific este considerat segmentul cu cea mai rapidă creștere în implementarea pieței TEG.
Dintre aceste regiuni, America, conform experților, este principala sursă de venit pe piața globală de TEG. Se preconizează că o creștere a cererii de energie curată va crește cererea în America.
Europa va avea, de asemenea, o creștere relativ rapidă în perioada de prognoză. India și China vorcreșterea consumului într-un ritm semnificativ datorită creșterii cererii de vehicule, ceea ce va duce la creșterea pieței generatoarelor.
Companii de automobile precum Volkswagen, Ford, BMW și Volvo, în colaborare cu NASA, au început deja să dezvolte mini-TEG-uri pentru recuperarea căldurii și sistemul de economisire a combustibilului în vehicule.
