Termoelektrický generátor (TEG termogenerátor) je elektrické zariadenie, ktoré využíva Seebeckov, Thomsonov a Peltierov efekt na výrobu elektriny prostredníctvom termo-EMF. Termo-EMF efekt objavil nemecký vedec Thomas Johann Seebeck (Seebeckov efekt) v roku 1821. V roku 1851 William Thomson (neskôr lord Kelvin) pokračoval v termodynamickom výskume a dokázal, že zdrojom elektromotorickej sily (EMF) je teplotný rozdiel.
V roku 1834 objavil francúzsky vynálezca a hodinár Jean Charles Peltier druhý termoelektrický jav, keď zistil, že teplotný rozdiel vzniká na styku dvoch rôznych druhov materiálov pod vplyvom elektrického prúdu (Peltierov jav). Konkrétne predpovedal, že EMF sa vyvinie v rámci jedného vodiča, keď dôjde k teplotnému rozdielu.
V roku 1950 ruský akademik a výskumník Abram Ioffe objavil termoelektrické vlastnosti polovodičov. Termoelektrický generátor sa začal používať v rautonómne systémy napájania v neprístupných oblastiach. Štúdium kozmického priestoru, ľudská vesmírna cesta dala silný impulz rýchlemu vývoju termoelektrických konvertorov.
Rádioizotopový zdroj energie bol prvýkrát nainštalovaný na kozmických lodiach a orbitálnych staniciach. Začínajú sa využívať vo veľkom ropnom a plynárenskom priemysle na protikoróznu ochranu plynovodov, pri výskumných prácach na Ďalekom severe, v oblasti medicíny ako kardiostimulátory a v bytovej výstavbe ako autonómne zdroje napájania.
Termoelektrický efekt a prenos tepla v elektronických systémoch
Termoelektrické generátory, ktorých princíp činnosti je založený na komplexnom využití efektu troch vedcov (Seebeck, Thomson, Peltier), boli vyvinuté takmer 150 rokov po objavoch, ktoré ďaleko predbehli dobu.
Termoelektrický efekt je nasledujúci jav. Na chladenie alebo výrobu elektriny sa používa „modul“pozostávajúci z elektricky prepojených párov. Každý pár pozostáva z polovodičového materiálu p (S> 0) a n (S<0). Tieto dva materiály sú spojené vodičom, ktorého termoelektrický výkon sa považuje za nulový. Dve vetvy (p a n) a všetky ostatné páry, ktoré tvoria modul, sú zapojené sériovo v elektrickom obvode a paralelne v tepelnom obvode. TEG (termoelektrický generátor) s týmto usporiadaním vytvára podmienky na optimalizáciu tepelného toku, ktorý prechádza modulom a prekonáva hoelektrický odpor. Elektrický prúd pôsobí tak, že nosiče náboja (elektróny a diery) sa presúvajú zo studeného zdroja do horúceho zdroja (v termodynamickom zmysle) v dvoch vetvách páru. Zároveň prispievajú k prenosu entropie zo studeného zdroja na horúci, k tepelnému toku, ktorý bude odolávať vedeniu tepla.
Ak majú vybrané materiály dobré termoelektrické vlastnosti, tento tepelný tok generovaný pohybom nosičov náboja bude väčší ako tepelná vodivosť. Preto bude systém prenášať teplo zo studeného zdroja na horúci a bude pôsobiť ako chladnička. V prípade výroby elektriny tepelný tok spôsobuje premiestnenie nosičov náboja a vznik elektrického prúdu. Čím väčší je teplotný rozdiel, tým viac elektriny je možné získať.
Účinnosť TEG
Posudzuje sa podľa faktora účinnosti. Výkon termoelektrického generátora závisí od dvoch kritických faktorov:
- Množstvo tepelného toku, ktorý sa môže úspešne pohybovať cez modul (tepelný tok).
- Temperature deltas (DT) - teplotný rozdiel medzi horúcou a studenou stranou generátora. Čím väčšia je delta, tým efektívnejšie funguje, preto je potrebné konštruktívne zabezpečiť podmienky pre maximálny prívod chladu a maximálny odvod tepla zo stien generátora.
Pojem „účinnosť termoelektrických generátorov“je podobný ako pri všetkých ostatných typochtepelné motory. Zatiaľ je veľmi nízka a nedosahuje viac ako 17 % Carnotovej účinnosti. Účinnosť TEG generátora je limitovaná Carnotovou účinnosťou a v praxi dosahuje len niekoľko percent (2-6%) aj pri vysokých teplotách. Je to spôsobené nízkou tepelnou vodivosťou polovodičových materiálov, ktorá neprispieva k efektívnej výrobe energie. Potrebné sú teda materiály s nízkou tepelnou vodivosťou, no zároveň s čo najvyššou elektrickou vodivosťou.
Polovodiče odvádzajú lepšiu prácu ako kovy, no stále sú veľmi vzdialené od ukazovateľov, ktoré by termoelektrický generátor posunuli na úroveň priemyselnej výroby (s minimálne 15% využitím vysokoteplotného tepla). Ďalšie zvýšenie účinnosti TEG závisí od vlastností termoelektrických materiálov (termoelektrík), ktorých hľadaním sa v súčasnosti zaoberá celý vedecký potenciál planéty.
Vývoj nových termoelektrík je relatívne zložitý a drahý, no ak bude úspešný, spôsobí technologickú revolúciu vo výrobných systémoch.
Termoelektrické materiály
Termoelektrika sú vyrobené zo špeciálnych zliatin alebo polovodičových zlúčenín. V poslednej dobe sa pre termoelektrické vlastnosti používajú elektricky vodivé polyméry.
Požiadavky na termoelektriku:
- vysoká účinnosť vďaka nízkej tepelnej vodivosti a vysokej elektrickej vodivosti, vysokému Seebeckovmu koeficientu;
- odolnosť voči vysokým teplotám a termomechanickévplyv;
- dostupnosť a environmentálna bezpečnosť;
- odolnosť voči vibráciám a náhlym zmenám teploty;
- dlhodobá stabilita a nízke náklady;
- automatizácia výrobného procesu.
V súčasnosti prebiehajú experimenty na výber optimálnych termočlánkov, ktoré zvýšia účinnosť TEG. Termoelektrický polovodičový materiál je zliatina teluridu a bizmutu. Bol špeciálne vyrobený tak, aby poskytoval jednotlivé bloky alebo prvky s rôznymi charakteristikami "N" a "P".
Termoelektrické materiály sa najčastejšie vyrábajú smerovou kryštalizáciou z roztavenej alebo lisovanej práškovej metalurgie. Každá výrobná metóda má svoju osobitnú výhodu, ale materiály so smerovým rastom sú najbežnejšie. Okrem teluritu bizmutu (Bi 2 Te 3) existujú ďalšie termoelektrické materiály vrátane zliatin olova a teluritu (PbTe), kremíka a germánia (SiGe), bizmutu a antimónu (Bi-Sb), ktoré možno použiť v špecifických prípady. Zatiaľ čo bizmutové a teluridové termočlánky sú najlepšie pre väčšinu TEG.
Dôstojnosť TEG
Výhody termoelektrických generátorov:
- elektrina sa vyrába v uzavretom, jednostupňovom okruhu bez použitia zložitých prenosových systémov a použitia pohyblivých častí;
- nedostatok pracovných kvapalín a plynov;
- žiadne emisie škodlivých látok, odpadové teplo a hlukové znečistenie životného prostredia;
- dlhá výdrž batérie zariadeniafungovanie;
- využitie odpadového tepla (sekundárne zdroje tepla) na šetrenie energetických zdrojov
- pracujte v akejkoľvek polohe objektu, bez ohľadu na prevádzkové prostredie: vesmír, voda, zem;
- generácia jednosmerného nízkeho napätia;
- odolnosť proti skratu;
- Neobmedzená trvanlivosť, 100 % pripravené na použitie.
Oblasti použitia termoelektrického generátora
Výhody TEG určili vyhliadky rozvoja a jeho blízku budúcnosť:
- štúdium oceánu a vesmíru;
- aplikácia v malej (domácej) alternatívnej energii;
- využívanie tepla z výfukového potrubia auta;
- v recyklačných systémoch;
- v chladiacich a klimatizačných systémoch;
- v systémoch tepelných čerpadiel na okamžité zahrievanie dieselových motorov dieselových lokomotív a automobilov;
- vykurovanie a varenie v poľných podmienkach;
- nabíjanie elektronických zariadení a hodiniek;
- výživa senzorických náramkov pre športovcov.
Termoelektrický Peltierov konvertor
Peltierov prvok (EP) je termoelektrický konvertor, ktorý využíva rovnomenný Peltierov jav, jeden z troch termoelektrických efektov (Seebeck a Thomson).
Francúz Jean-Charles Peltier spojil medené a bizmutové drôty navzájom a spojil ich s batériou, čím vytvoril pár spojení dvochrozdielne kovy. Keď bola batéria zapnutá, jeden zo spojov by sa zahrieval a druhý sa ochladzoval.
Zariadenia s Peltierovým efektom sú mimoriadne spoľahlivé, pretože nemajú žiadne pohyblivé časti, nevyžadujú údržbu, nevypúšťajú žiadne škodlivé plyny, sú kompaktné a majú obojsmernú prevádzku (ohrievanie a chladenie) v závislosti od smeru prúdu.
Bohužiaľ, sú neefektívne, majú nízku účinnosť, vydávajú pomerne veľa tepla, čo si vyžaduje dodatočné vetranie a zvyšuje náklady na zariadenie. Takéto zariadenia spotrebúvajú dosť veľa elektriny a môžu spôsobiť prehriatie alebo kondenzáciu. Peltierove prvky väčšie ako 60 mm x 60 mm sa takmer nikdy nenachádzajú.
Rozsah ES
Zavedenie pokročilých technológií vo výrobe termoelektriky viedlo k zníženiu nákladov na výrobu EP a rozšíreniu dostupnosti trhu.
Dnes je EP široko používané:
- v prenosných chladičoch, na chladenie malých spotrebičov a elektronických komponentov;
- v odvlhčovačoch na extrakciu vody zo vzduchu;
- v kozmickej lodi na vyrovnanie účinku priameho slnečného žiarenia na jednej strane lode a zároveň na odvádzanie tepla na druhú stranu;
- na chladenie fotónových detektorov astronomických ďalekohľadov a vysokokvalitných digitálnych fotoaparátov, aby sa minimalizovali chyby pozorovania spôsobené prehriatím;
- na chladenie počítačových komponentov.
V poslednej dobe sa široko používa na domáce účely:
- v chladiacich zariadeniach napájaných cez USB port na chladenie alebo ohrievanie nápojov;
- vo forme dodatočného stupňa chladenia kompresných chladničiek s poklesom teploty na -80 stupňov pre jednostupňové chladenie a až -120 stupňov pre dvojstupňové;
- v autách na vytváranie autonómnych chladničiek alebo ohrievačov.
Čína spustila výrobu Peltierových prvkov modifikácií TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 v hodnote do 7 eur, ktoré dokážu poskytnúť výkon až 200 W podľa schém „teplo-chlad“, so životnosťou až 200 000 hodín prevádzky v teplotnom pásme od -30 do 138 stupňov Celzia.
RITEG jadrové batérie
Rádioizotopový termoelektrický generátor (RTG) je zariadenie, ktoré využíva termočlánky na premenu tepla z rozpadu rádioaktívneho materiálu na elektrinu. Tento generátor nemá žiadne pohyblivé časti. RITEG sa používal ako zdroj energie na satelitoch, kozmických lodiach a zariadeniach vzdialených majákov postavených ZSSR pre polárny kruh.
RTG sú vo všeobecnosti najvýhodnejším zdrojom energie pre zariadenia vyžadujúce niekoľko stoviek wattov energie. V palivových článkoch, batériách alebo generátoroch inštalovaných na miestach, kde sú solárne články neefektívne. Rádioizotopový termoelektrický generátor vyžaduje prísne zaobchádzanie s rádioizotopmi počasdlhý čas po skončení životnosti.
V Rusku je asi 1 000 RTG, ktoré sa používali hlavne ako zdroje energie na prostriedkoch s dlhým dosahom: majáky, rádiové majáky a iné špeciálne rádiové zariadenia. Prvým vesmírnym RTG na polóniu-210 bol Limon-1 v roku 1962, potom Orion-1 s výkonom 20 W. Najnovšia modifikácia bola nainštalovaná na satelitoch Strela-1 a Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 a Mars-96 používali RTG vo svojich vykurovacích systémoch.
DIY termoelektrické generátorové zariadenie
Takéto zložité procesy, ktoré prebiehajú v TEG, nezastavia miestnych „Kulibinov“v ich túžbe zapojiť sa do globálneho vedeckého a technického procesu vytvárania TEG. Používanie domácich TEG sa používa už dlho. Počas Veľkej vlasteneckej vojny partizáni vyrobili univerzálny termoelektrický generátor. Vyrábalo elektrinu na nabíjanie rádia.
S príchodom Peltierových prvkov na trh za dostupné ceny pre spotrebiteľa v domácnosti je možné vyrobiť TEG svojpomocne podľa nižšie uvedených krokov.
- Získajte dva chladiče z obchodu IT a naneste teplovodivú pastu. Ten uľahčí pripojenie Peltierovho prvku.
- Oddeľte radiátory akýmkoľvek tepelným izolátorom.
- V izolátore urobte dieru na umiestnenie Peltierovho prvku a drôtov.
- Zostavte konštrukciu a priveďte zdroj tepla (sviečku) k jednému z radiátorov. Čím dlhšie bude kúrenie, tým väčší prúd sa bude generovať z domácej termoelektrikygenerátor.
Toto zariadenie funguje ticho a má nízku hmotnosť. Termoelektrický generátor ic2 podľa veľkosti dokáže pripojiť nabíjačku mobilného telefónu, zapnúť malé rádio a zapnúť LED osvetlenie.
V súčasnosti mnohí známi svetoví výrobcovia spustili výrobu rôznych cenovo dostupných zariadení pomocou technológie TEG pre automobilových nadšencov a cestovateľov.
Perspektívy rozvoja termoelektrickej výroby
Očakáva sa, že dopyt po spotrebe TEG v domácnostiach vzrastie o 14 %. Výhľad vývoja termoelektrickej výroby zverejnil Market Research Future vydaním článku „Global Thermoelectric Generators Market Research Report – Forecast to 2022“– analýza trhu, objem, podiel, pokrok, trendy a prognózy. Správa potvrdzuje prísľub TEG v oblasti recyklácie automobilového odpadu a kogenerácie elektriny a tepla pre domáce a priemyselné zariadenia.
Z geografického hľadiska je globálny trh s termoelektrickými generátormi rozdelený na Ameriku, Európu, Áziu a Tichomorie, Indiu a Afriku. Ázia a Tichomorie sa považuje za najrýchlejšie rastúci segment v implementácii trhu TEG.
Medzi týmito regiónmi je Amerika podľa odborníkov hlavným zdrojom príjmov na globálnom trhu TEG. Očakáva sa, že zvýšený dopyt po čistej energii zvýši dopyt v Amerike.
Európa bude počas prognózovaného obdobia tiež vykazovať relatívne rýchly rast. India a Čína budúzvýšiť spotrebu výrazným tempom v dôsledku nárastu dopytu po vozidlách, čo povedie k rastu trhu s generátormi.
Automobilové spoločnosti ako Volkswagen, Ford, BMW a Volvo už v spolupráci s NASA začali vyvíjať mini-TEG pre systém rekuperácie tepla a úspory paliva vo vozidlách.
