Η θερμοηλεκτρική γεννήτρια (TEG thermogenerator) είναι μια ηλεκτρική συσκευή που χρησιμοποιεί τα εφέ Seebeck, Thomson και Peltier για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω θερμο-EMF. Το φαινόμενο θερμο-EMF ανακαλύφθηκε από τον Γερμανό επιστήμονα Thomas Johann Seebeck (φαινόμενο Seebeck) το 1821. Το 1851, ο William Thomson (αργότερα Λόρδος Kelvin) συνέχισε τη θερμοδυναμική έρευνα και απέδειξε ότι η πηγή της ηλεκτροκινητικής δύναμης (EMF) είναι μια διαφορά θερμοκρασίας.
Το 1834, ο Γάλλος εφευρέτης και ωρολογοποιός Jean Charles Peltier ανακάλυψε το δεύτερο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, διαπίστωσε ότι η διαφορά θερμοκρασίας εμφανίζεται στη διασταύρωση δύο διαφορετικών τύπων υλικών υπό την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος (φαινόμενο Peltier). Συγκεκριμένα, προέβλεψε ότι ένα EMF θα αναπτυσσόταν μέσα σε έναν μόνο αγωγό όταν υπήρχε διαφορά θερμοκρασίας.
Το 1950, ο Ρώσος ακαδημαϊκός και ερευνητής Abram Ioffe ανακάλυψε τις θερμοηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών. Η θερμοηλεκτρική γεννήτρια άρχισε να χρησιμοποιείται σεαυτόνομα συστήματα τροφοδοσίας σε δυσπρόσιτες περιοχές. Η μελέτη του εξωτερικού διαστήματος, ο διαστημικός περίπατος του ανθρώπου έδωσε ισχυρή ώθηση στην ταχεία ανάπτυξη των θερμοηλεκτρικών μετατροπέων.
Η πηγή ενέργειας ραδιοϊσοτόπων εγκαταστάθηκε για πρώτη φορά σε διαστημόπλοια και τροχιακούς σταθμούς. Αρχίζουν να χρησιμοποιούνται στη μεγάλη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου για αντιδιαβρωτική προστασία αγωγών αερίου, σε ερευνητικές εργασίες στον Άπω Βορρά, στον τομέα της ιατρικής ως βηματοδότες και στη στέγαση ως αυτόνομες πηγές τροφοδοσίας ρεύματος.
Θερμοηλεκτρικό φαινόμενο και μεταφορά θερμότητας σε ηλεκτρονικά συστήματα
Οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, η αρχή της λειτουργίας των οποίων βασίζεται στην πολύπλοκη χρήση της επίδρασης τριών επιστημόνων (Seebeck, Thomson, Peltier), αναπτύχθηκαν σχεδόν 150 χρόνια μετά τις ανακαλύψεις που ήταν πολύ μπροστά από την εποχή τους.
Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το ακόλουθο φαινόμενο. Για την ψύξη ή την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιείται μια «μονάδα» που αποτελείται από ηλεκτρικά συνδεδεμένα ζεύγη. Κάθε ζεύγος αποτελείται από ημιαγωγικό υλικό p (S> 0) και n (S<0). Αυτά τα δύο υλικά συνδέονται με έναν αγωγό του οποίου η θερμοηλεκτρική ισχύς θεωρείται μηδέν. Δύο κλάδοι (p και n) και όλα τα άλλα ζεύγη που αποτελούν τη μονάδα συνδέονται σε σειρά στο ηλεκτρικό κύκλωμα και παράλληλα στο θερμικό κύκλωμα. Το TEG (θερμοηλεκτρική γεννήτρια) με αυτήν τη διάταξη δημιουργεί συνθήκες για τη βελτιστοποίηση της ροής θερμότητας που διέρχεται από τη μονάδα, ξεπερνώντας τηνηλεκτρική αντίσταση. Το ηλεκτρικό ρεύμα ενεργεί με τέτοιο τρόπο ώστε οι φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές) να μετακινούνται από μια ψυχρή πηγή σε μια θερμή πηγή (με τη θερμοδυναμική έννοια) σε δύο κλάδους του ζεύγους. Ταυτόχρονα, συμβάλλουν στη μεταφορά της εντροπίας από μια ψυχρή πηγή σε μια θερμή, σε μια ροή θερμότητας που θα αντισταθεί στη αγωγιμότητα της θερμότητας.
Εάν τα επιλεγμένα υλικά έχουν καλές θερμοηλεκτρικές ιδιότητες, αυτή η ροή θερμότητας που δημιουργείται από την κίνηση των φορέων φορτίου θα είναι μεγαλύτερη από τη θερμική αγωγιμότητα. Επομένως, το σύστημα θα μεταφέρει θερμότητα από μια κρύα πηγή σε μια ζεστή και θα λειτουργεί ως ψυγείο. Στην περίπτωση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η ροή θερμότητας προκαλεί τη μετατόπιση των φορέων φορτίου και την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας, τόσο περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να ληφθεί.
TEG αποδοτικότητα
Αξιολογήθηκε με βάση τον παράγοντα απόδοσης. Η ισχύς μιας θερμοηλεκτρικής γεννήτριας εξαρτάται από δύο κρίσιμους παράγοντες:
- Η ποσότητα της ροής θερμότητας που μπορεί να μετακινηθεί με επιτυχία μέσω της μονάδας (ροή θερμότητας).
- Δέλτα θερμοκρασίας (DT) - η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής και της ψυχρής πλευράς της γεννήτριας. Όσο μεγαλύτερο είναι το δέλτα, τόσο πιο αποτελεσματικά λειτουργεί, επομένως, πρέπει να παρέχονται εποικοδομητικά οι συνθήκες, τόσο για μέγιστη παροχή ψυχρού όσο και για μέγιστη απομάκρυνση θερμότητας από τα τοιχώματα της γεννήτριας.
Ο όρος "απόδοση θερμοηλεκτρικών γεννητριών" είναι παρόμοιος με τον όρο που χρησιμοποιείται σε όλους τους άλλους τύπουςθερμικές μηχανές. Μέχρι στιγμής, είναι πολύ χαμηλή και δεν υπερβαίνει το 17% της αποτελεσματικότητας του Carnot. Η απόδοση της γεννήτριας TEG περιορίζεται από την απόδοση Carnot και στην πράξη φτάνει μόνο σε λίγα τοις εκατό (2-6%) ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό οφείλεται στη χαμηλή θερμική αγωγιμότητα σε ημιαγωγικά υλικά, η οποία δεν ευνοεί την αποδοτική παραγωγή ενέργειας. Έτσι χρειάζονται υλικά με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, αλλά ταυτόχρονα με τη μεγαλύτερη δυνατή ηλεκτρική αγωγιμότητα.
Οι ημιαγωγοί κάνουν καλύτερη δουλειά από τα μέταλλα, αλλά εξακολουθούν να απέχουν πολύ από εκείνους τους δείκτες που θα έφερναν μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια στο επίπεδο της βιομηχανικής παραγωγής (με τουλάχιστον 15% χρήση θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας). Μια περαιτέρω αύξηση της απόδοσης του TEG εξαρτάται από τις ιδιότητες των θερμοηλεκτρικών υλικών (θερμοηλεκτρικά), η αναζήτηση των οποίων καταλαμβάνεται επί του παρόντος από ολόκληρο το επιστημονικό δυναμικό του πλανήτη.
Η ανάπτυξη νέων θερμοηλεκτρικών είναι σχετικά περίπλοκη και δαπανηρή, αλλά εάν είναι επιτυχής, θα προκαλέσει μια τεχνολογική επανάσταση στα συστήματα παραγωγής.
Θερμοηλεκτρικά υλικά
Τα θερμοηλεκτρικά αποτελούνται από ειδικά κράματα ή ενώσεις ημιαγωγών. Πρόσφατα, ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή έχουν χρησιμοποιηθεί για θερμοηλεκτρικές ιδιότητες.
Απαιτήσεις για θερμοηλεκτρικά:
- υψηλή απόδοση λόγω χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας και υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας, υψηλός συντελεστής Seebeck;
- αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και θερμομηχανικήαντίκτυπος;
- προσβασιμότητα και περιβαλλοντική ασφάλεια;
- αντοχή σε κραδασμούς και απότομες αλλαγές θερμοκρασίας;
- μακροπρόθεσμη σταθερότητα και χαμηλό κόστος;
- αυτοματισμός της διαδικασίας παραγωγής.
Επί του παρόντος, διεξάγονται πειράματα για την επιλογή βέλτιστων θερμοστοιχείων, τα οποία θα αυξήσουν την απόδοση του TEG. Το θερμοηλεκτρικό υλικό ημιαγωγών είναι ένα κράμα τελλουρίου και βισμούθιου. Έχει κατασκευαστεί ειδικά για να παρέχει μεμονωμένα μπλοκ ή στοιχεία με διαφορετικά χαρακτηριστικά "N" και "P".
Τα θερμοηλεκτρικά υλικά κατασκευάζονται συχνότερα με κατευθυντική κρυστάλλωση από τηγμένη ή συμπιεσμένη μεταλλουργία σκόνης. Κάθε μέθοδος κατασκευής έχει το δικό της ιδιαίτερο πλεονέκτημα, αλλά τα κατευθυντικά υλικά ανάπτυξης είναι τα πιο κοινά. Εκτός από τον τελλουρίτη βισμούθου (Bi 2 Te 3), υπάρχουν και άλλα θερμοηλεκτρικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των κραμάτων μολύβδου και τελλουρίτη (PbTe), πυριτίου και γερμανίου (SiGe), βισμούθιου και αντιμονίου (Bi-Sb), τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συγκεκριμένα περιπτώσεις. Ενώ τα θερμοστοιχεία βισμούθιου και τελλουριδίου είναι τα καλύτερα για τα περισσότερα TEG.
Αξιοπρέπεια της TEG
Πλεονεκτήματα των θερμοηλεκτρικών γεννητριών:
- η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σε ένα κλειστό, μονοβάθμιο κύκλωμα χωρίς τη χρήση πολύπλοκων συστημάτων μετάδοσης και τη χρήση κινητών μερών.
- έλλειψη λειτουργικών υγρών και αερίων;
- καμία εκπομπή επιβλαβών ουσιών, σπατάλη θερμότητας και ηχορύπανση του περιβάλλοντος,
- Μεγάλη διάρκεια μπαταρίας συσκευήςλειτουργία;
- χρήση απορριπτόμενης θερμότητας (δευτερογενείς πηγές θερμότητας) για εξοικονόμηση ενεργειακών πόρων
- εργασία σε οποιαδήποτε θέση του αντικειμένου, ανεξάρτητα από το περιβάλλον λειτουργίας: διάστημα, νερό, γη;
- παραγωγή DC χαμηλής τάσης;
- ανοσία βραχυκυκλώματος;
- Απεριόριστη διάρκεια ζωής, 100% έτοιμο για χρήση.
Πεδία εφαρμογής θερμοηλεκτρικής γεννήτριας
Τα πλεονεκτήματα της TEG καθόρισαν τις προοπτικές ανάπτυξης και το εγγύς μέλλον της:
- μελέτη του ωκεανού και του διαστήματος;
- εφαρμογή σε μικρή (οικιακή) εναλλακτική ενέργεια;
- χρήση θερμότητας από σωλήνες εξάτμισης αυτοκινήτων;
- στα συστήματα ανακύκλωσης;
- σε συστήματα ψύξης και κλιματισμού;
- σε συστήματα αντλιών θερμότητας για άμεση θέρμανση κινητήρων ντίζελ μηχανών ντίζελ και αυτοκινήτων,
- θέρμανση και μαγείρεμα σε συνθήκες αγρού;
- φόρτιση ηλεκτρονικών συσκευών και ρολογιών;
- διατροφή βραχιολιών αισθήσεων για αθλητές.
Θερμοηλεκτρικός μετατροπέας Peltier
Το στοιχείο Peltier (EP) είναι ένας θερμοηλεκτρικός μετατροπέας που λειτουργεί χρησιμοποιώντας το ομώνυμο φαινόμενο Peltier, ένα από τα τρία θερμοηλεκτρικά εφέ (Seebeck και Thomson).
Ο Γάλλος Jean-Charles Peltier συνέδεσε καλώδια χαλκού και βισμούθιου μεταξύ τους και τα συνέδεσε σε μια μπαταρία, δημιουργώντας έτσι ένα ζεύγος συνδέσεων δύοανόμοια μέταλλα. Όταν άνοιγε η μπαταρία, ένας από τους κόμβους θα θερμαινόταν και ο άλλος θα κρυώσει.
Οι συσκευές εφέ Peltier είναι εξαιρετικά αξιόπιστες επειδή δεν έχουν κινούμενα μέρη, δεν χρειάζονται συντήρηση, δεν εκπέμπουν επιβλαβή αέρια, είναι συμπαγείς και έχουν αμφίδρομη λειτουργία (θέρμανση και ψύξη) ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος.
Δυστυχώς, είναι αναποτελεσματικά, έχουν χαμηλή απόδοση, εκπέμπουν αρκετά μεγάλη θερμότητα, η οποία απαιτεί επιπλέον αερισμό και αυξάνει το κόστος της συσκευής. Τέτοιες συσκευές καταναλώνουν πολύ ηλεκτρικό ρεύμα και μπορεί να προκαλέσουν υπερθέρμανση ή συμπύκνωση. Στοιχεία Peltier μεγαλύτερα από 60 mm x 60 mm δεν βρέθηκαν σχεδόν ποτέ.
Πεδίο εφαρμογής ES
Η εισαγωγή προηγμένων τεχνολογιών στην παραγωγή θερμοηλεκτρικών έχει οδηγήσει σε μείωση του κόστους παραγωγής EP και επέκταση της προσβασιμότητας στην αγορά.
Σήμερα το EP χρησιμοποιείται ευρέως:
- σε φορητά ψυγεία, για ψύξη μικρών συσκευών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων;
- σε αφυγραντήρες για την εξαγωγή νερού από τον αέρα;
- σε διαστημόπλοιο για να εξισορροπήσει την επίδραση του άμεσου ηλιακού φωτός στη μία πλευρά του πλοίου ενώ διαχέει τη θερμότητα στην άλλη πλευρά,
- για ψύξη των ανιχνευτών φωτονίων των αστρονομικών τηλεσκοπίων και των ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών υψηλής ποιότητας για την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων παρατήρησης λόγω υπερθέρμανσης·
- για ψύξη εξαρτημάτων υπολογιστή.
Πρόσφατα, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για οικιακούς σκοπούς:
- σε πιο κρύες συσκευές που τροφοδοτούνται από θύρα USB για ψύξη ή θέρμανση ποτών;
- με τη μορφή πρόσθετου σταδίου ψύξης των ψυγείων συμπίεσης με μείωση της θερμοκρασίας στους -80 βαθμούς για ψύξη ενός σταδίου και έως -120 για την ψύξη δύο σταδίων;
- στα αυτοκίνητα για να δημιουργήσετε αυτόνομα ψυγεία ή θερμάστρες.
Η Κίνα ξεκίνησε την παραγωγή στοιχείων Peltier των τροποποιήσεων TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 αξίας έως 7 ευρώ, τα οποία μπορούν να παρέχουν ισχύ έως και 200 W σύμφωνα με τα σχήματα «θερμότητας-κρύου», με διάρκεια ζωής έως και 200.000 ώρες λειτουργίας στη ζώνη θερμοκρασίας από -30 έως 138 βαθμούς Κελσίου.
πυρηνικές μπαταρίες RITEG
Μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων (RTG) είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί θερμοστοιχεία για να μετατρέπει τη θερμότητα από τη διάσπαση ραδιενεργού υλικού σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η γεννήτρια δεν έχει κινούμενα μέρη. Το RITEG χρησιμοποιήθηκε ως πηγή ενέργειας σε δορυφόρους, διαστημόπλοια, απομακρυσμένες εγκαταστάσεις φάρων που κατασκευάστηκαν από την ΕΣΣΔ για τον Αρκτικό Κύκλο.
Τα Τα RTG είναι γενικά η πιο προτιμώμενη πηγή ενέργειας για συσκευές που απαιτούν αρκετές εκατοντάδες watt ισχύος. Σε κυψέλες καυσίμου, μπαταρίες ή γεννήτριες που είναι εγκατεστημένες σε μέρη όπου οι ηλιακές κυψέλες είναι αναποτελεσματικές. Μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων απαιτεί αυστηρό χειρισμό ραδιοϊσοτόπων κατά τη διάρκειαπολύ καιρό μετά το τέλος της ζωής του.
Υπάρχουν περίπου 1.000 RTG στη Ρωσία, που χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για πηγές ενέργειας σε μέσα μεγάλης εμβέλειας: φάρους, ραδιοφάρους και άλλο ειδικό ραδιοεξοπλισμό. Το πρώτο διαστημικό RTG στο πολώνιο-210 ήταν το Limon-1 το 1962, μετά το Orion-1 με ισχύ 20 W. Η τελευταία τροποποίηση εγκαταστάθηκε στους δορυφόρους Strela-1 και Kosmos-84/90. Τα Lunokhods-1, 2 και Mars-96 χρησιμοποίησαν RTG στα συστήματα θέρμανσης.
Συσκευή θερμοηλεκτρικής γεννήτριας DIY
Τέτοιες πολύπλοκες διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στο TEG δεν σταματούν τους τοπικούς "Kulibin" στην επιθυμία τους να ενταχθούν στην παγκόσμια επιστημονική και τεχνική διαδικασία για τη δημιουργία του TEG. Η χρήση των σπιτικών TEG έχει χρησιμοποιηθεί εδώ και πολύ καιρό. Κατά τη διάρκεια του Μεγάλου Πατριωτικού Πολέμου, οι παρτιζάνοι κατασκεύασαν μια γενική θερμοηλεκτρική γεννήτρια. Παρήγαγε ηλεκτρισμό για να φορτίσει το ραδιόφωνο.
Με την εμφάνιση των στοιχείων Peltier στην αγορά σε προσιτές τιμές για τον οικιακό καταναλωτή, μπορείτε να φτιάξετε ένα TEG μόνοι σας ακολουθώντας τα παρακάτω βήματα.
- Αποκτήστε δύο ψύκτρες από ένα κατάστημα πληροφορικής και εφαρμόστε θερμική πάστα. Το τελευταίο θα διευκολύνει τη σύνδεση του στοιχείου Peltier.
- Διαχωρίστε τα καλοριφέρ με οποιοδήποτε θερμομονωτικό.
- Κάντε μια τρύπα στο μονωτικό για να χωρέσετε το στοιχείο Peltier και τα σύρματα.
- Συναρμολογήστε τη δομή και φέρτε την πηγή θερμότητας (κερί) σε ένα από τα καλοριφέρ. Όσο μεγαλύτερη είναι η θέρμανση, τόσο περισσότερο ρεύμα θα παράγεται από το οικιακό θερμοηλεκτρικόγεννήτρια.
Αυτή η συσκευή λειτουργεί αθόρυβα και είναι ελαφριά σε βάρος. Η θερμοηλεκτρική γεννήτρια ic2, ανάλογα με το μέγεθος, μπορεί να συνδέσει φορτιστή κινητού τηλεφώνου, να ενεργοποιήσει ένα μικρό ραδιόφωνο και να ανάψει φωτισμό LED.
Επί του παρόντος, πολλοί γνωστοί παγκόσμιοι κατασκευαστές έχουν ξεκινήσει την παραγωγή διαφόρων προσιτών gadget χρησιμοποιώντας TEG για τους λάτρεις του αυτοκινήτου και τους ταξιδιώτες.
Προοπτικές για την ανάπτυξη της θερμοηλεκτρικής παραγωγής
Η ζήτηση για οικιακή κατανάλωση TEG αναμένεται να αυξηθεί κατά 14%. Οι προοπτικές ανάπτυξης της θερμοηλεκτρικής παραγωγής δημοσιεύθηκαν από την Market Research Future εκδίδοντας την εργασία "Παγκόσμια Έκθεση Έρευνας Αγοράς Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών - Πρόβλεψη έως το 2022" - ανάλυση αγοράς, όγκος, μερίδιο, πρόοδος, τάσεις και προβλέψεις. Η έκθεση επιβεβαιώνει την υπόσχεση της TEG για την ανακύκλωση απορριμμάτων αυτοκινήτων και τη συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας για οικιακές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις.
Γεωγραφικά, η παγκόσμια αγορά θερμοηλεκτρικών γεννητριών έχει χωριστεί σε Αμερική, Ευρώπη, Ασία-Ειρηνικό, Ινδία και Αφρική. Η Ασία-Ειρηνικός θεωρείται το ταχύτερα αναπτυσσόμενο τμήμα στην εφαρμογή της αγοράς TEG.
Μεταξύ αυτών των περιοχών, η Αμερική, σύμφωνα με τους ειδικούς, είναι η κύρια πηγή εισοδήματος στην παγκόσμια αγορά TEG. Η αύξηση της ζήτησης για καθαρή ενέργεια αναμένεται να αυξήσει τη ζήτηση στην Αμερική.
Η Ευρώπη θα παρουσιάσει επίσης σχετικά γρήγορη ανάπτυξη κατά την περίοδο πρόβλεψης. Η Ινδία και η Κίνα θα το κάνουναύξηση της κατανάλωσης με σημαντικό ρυθμό λόγω της αύξησης της ζήτησης για οχήματα, η οποία θα οδηγήσει στην ανάπτυξη της αγοράς γεννητριών.
Οι εταιρείες αυτοκινήτων όπως η Volkswagen, η Ford, η BMW και η Volvo, σε συνεργασία με τη NASA, έχουν ήδη ξεκινήσει την ανάπτυξη mini-TEG για το σύστημα ανάκτησης θερμότητας και οικονομίας καυσίμου στα οχήματα.
