Термоелектрически генератор (TEG термогенератор) е електрическо устройство, което използва ефектите на Seebeck, Thomson и Peltier за генериране на електричество чрез термо-EMF. Термо-ЕМП ефектът е открит от немския учен Томас Йохан Зеебек (ефектът на Зеебек) през 1821 г. През 1851 г. Уилям Томсън (по-късно лорд Келвин) продължава термодинамичните изследвания и доказва, че източникът на електродвижещата сила (EMF) е температурна разлика.
През 1834 г. френският изобретател и часовникар Жан Чарлз Пелтие открива втория термоелектричен ефект, установява, че температурната разлика се появява на кръстопътя на два различни вида материали под въздействието на електрически ток (ефект на Пелтие). По-конкретно, той прогнозира, че ЕМП ще се развие в рамките на един проводник, когато има температурна разлика.
През 1950 г. руският академик и изследовател Абрам Йофе открива термоелектричните свойства на полупроводниците. Термоелектрическият генератор на енергия започва да се използва вавтономни електрозахранващи системи в труднодостъпни зони. Изучаването на космическото пространство, разходката на човека в космоса даде мощен тласък на бързото развитие на термоелектрически преобразуватели.
Радиоизотопният енергиен източник е инсталиран за първи път на космически кораб и орбитални станции. Те започват да се използват в голямата нефтена и газова промишленост за антикорозионна защита на газопроводи, в изследователска работа в Далечния север, в областта на медицината като пейсмейкъри и в жилищата като автономни източници на захранване.
Термоелектричен ефект и пренос на топлина в електронни системи
Термоелектричните генератори, чийто принцип на действие се основава на комплексното използване на ефекта на трима учени (Зеебек, Томсън, Пелтие), са разработени почти 150 години след открития, които са далеч изпреварили времето си.
Термоелектрическият ефект е следното явление. За охлаждане или генериране на електричество се използва "модул", състоящ се от електрически свързани двойки. Всяка двойка се състои от полупроводников материал p (S> 0) и n (S<0). Тези два материала са свързани с проводник, чиято термоелектрическа мощност се приема за нула. Два клона (p и n) и всички останали двойки, които съставляват модула, са свързани последователно в електрическата верига и паралелно в термичната верига. TEG (термоелектричен генератор) с това разположение създава условия за оптимизиране на топлинния поток, който преминава през модула, преодолявайки гоелектрическо съпротивление. Електрическият ток действа по такъв начин, че носителите на заряд (електрони и дупки) се движат от студен източник към горещ източник (в термодинамичен смисъл) в два клона на двойката. В същото време те допринасят за прехвърлянето на ентропията от студен източник към горещ, към топлинен поток, който ще устои на топлопроводимост.
Ако избраните материали имат добри термоелектрични свойства, този топлинен поток, генериран от движението на носителите на заряд, ще бъде по-голям от топлопроводимостта. Следователно системата ще прехвърля топлина от студен източник към горещ и ще действа като хладилник. При производството на електроенергия топлинният поток предизвиква изместване на носителите на заряд и появата на електрически ток. Колкото по-голяма е температурната разлика, толкова повече електроенергия може да се получи.
TEG ефективност
Оценява се от коефициента на ефективност. Мощността на термоелектрически генератор зависи от два критични фактора:
- Количеството топлинен поток, което може успешно да премине през модула (топлинен поток).
- Температурни делти (DT) - температурната разлика между горещата и студената страна на генератора. Колкото по-голяма е делтата, толкова по-ефективно работи, следователно, трябва да се осигурят конструктивни условия, както за максимално студено подаване, така и за максимално отвеждане на топлината от стените на генератора.
Терминът "ефективност на термоелектрически генератори" е подобен на термина, прилаган за всички други видоветермични двигатели. Засега тя е много ниска и възлиза на не повече от 17% от ефективността на Карно. Ефективността на TEG генератора е ограничена от ефективността на Карно и на практика достига само няколко процента (2-6%) дори при високи температури. Това се дължи на ниската топлопроводимост в полупроводниковите материали, която не е благоприятна за ефективно генериране на енергия. По този начин са необходими материали с ниска топлопроводимост, но в същото време с възможно най-висока електропроводимост.
Полупроводниците вършат по-добра работа от металите, но все още са много далеч от онези показатели, които биха довели термоелектрически генератор до нивото на промишленото производство (с поне 15% използване на високотемпературна топлина). По-нататъшното повишаване на ефективността на TEG зависи от свойствата на термоелектричните материали (термоелектриците), търсенето на които в момента е заето от целия научен потенциал на планетата.
Разработването на нови термоелектрици е сравнително сложно и скъпо, но ако успее, те ще предизвикат технологична революция в системите за генериране.
Термоелектрически материали
Термоелектриците са изградени от специални сплави или полупроводникови съединения. Напоследък електропроводими полимери се използват за термоелектрични свойства.
Изисквания за термоелектричество:
- висока ефективност поради ниска топлопроводимост и висока електрическа проводимост, висок коефициент на Seebeck;
- устойчивост на високи температури и термомеханичнавъздействие;
- достъпност и безопасност на околната среда;
- устойчивост на вибрации и внезапни промени в температурата;
- дългосрочна стабилност и ниска цена;
- автоматизиране на производствения процес.
В момента се провеждат експерименти за избор на оптимални термодвойки, които ще повишат ефективността на TEG. Термоелектричният полупроводников материал е сплав от телурид и бисмут. Той е специално произведен за осигуряване на отделни блокове или елементи с различни "N" и "P" характеристики.
Термоелектричните материали най-често се произвеждат чрез насочена кристализация от стопена или пресована прахова металургия. Всеки метод на производство има своето специално предимство, но материалите за насочен растеж са най-често срещаните. В допълнение към бисмутовия телурит (Bi 2 Te 3), има и други термоелектрични материали, включително сплави от олово и телурит (PbTe), силиций и германий (SiGe), бисмут и антимон (Bi-Sb), които могат да се използват в специфични случаи. Докато бисмутовите и телуридните термодвойки са най-добри за повечето TEG.
Достойнство на TEG
Предимства на термоелектрически генератори:
- електричеството се генерира в затворена, едностепенна верига без използване на сложни предавателни системи и използване на движещи се части;
- липса на работни течности и газове;
- без емисии на вредни вещества, отпадна топлина и шумово замърсяване на околната среда;
- устройство дълъг живот на батериятафункциониращ;
- използване на отпадна топлина (вторични източници на топлина) за спестяване на енергийни ресурси
- работете във всяка позиция на обекта, независимо от работната среда: космос, вода, земя;
- генериране на ниско напрежение на постоянен ток;
- имунитет срещу късо съединение;
- Неограничен срок на годност, 100% готов за употреба.
Области на приложение на термоелектрически генератор
Предимствата на TEG определиха перспективите за развитие и близкото му бъдеще:
- изследване на океана и космоса;
- прилагане в малка (битова) алтернативна енергия;
- използване на топлина от изпускателните тръби на автомобила;
- в системи за рециклиране;
- в охладителни и климатични системи;
- в термопомпени системи за моментално загряване на дизелови двигатели на дизелови локомотиви и автомобили;
- отопление и готвене в полеви условия;
- зареждане на електронни устройства и часовници;
- хранене на сензорни гривни за спортисти.
Термоелектричен преобразувател на Пелтие
Пелтиер елемент (EP) е термоелектричен преобразувател, работещ с помощта на едноименния ефект на Пелтие, един от трите термоелектрически ефекта (Seebeck и Thomson).
Французинът Jean-Charles Peltier свърза медни и бисмутови проводници един към друг и ги свърза към батерия, като по този начин създаде двойка връзки от дверазнородни метали. Когато батерията бъде включена, единият от връзките ще се нагрее, а другият ще се охлади.
Устройствата с ефект на Пелтие са изключително надеждни, защото нямат движещи се части, не изискват поддръжка, не отделят вредни газове, компактни са и имат двупосочна работа (отопление и охлаждане) в зависимост от посоката на тока.
За съжаление, те са неефективни, имат ниска ефективност, отделят доста много топлина, което изисква допълнителна вентилация и оскъпява устройството. Такива устройства консумират доста електричество и могат да причинят прегряване или кондензация. Елементи на Пелтие, по-големи от 60 mm x 60 mm, почти никога не се намират.
Обхват на ES
Въвеждането на модерни технологии в производството на термоелектрици доведе до намаляване на разходите за производство на EP и разширяване на пазарната достъпност.
Днес EP е широко използван:
- в преносими охладители, за охлаждане на малки уреди и електронни компоненти;
- в изсушители за извличане на вода от въздуха;
- в космически кораб за балансиране на ефекта на пряката слънчева светлина от едната страна на кораба, като същевременно разсейва топлината от другата страна;
- за охлаждане на фотонните детектори на астрономически телескопи и висококачествени цифрови камери за минимизиране на грешките при наблюдение поради прегряване;
- за охлаждане на компютърни компоненти.
Напоследък се използва широко за домашни цели:
- в охладителни устройства, захранвани от USB порт за охлаждане или затопляне на напитки;
- под формата на допълнителен етап на охлаждане на компресионни хладилници с намаляване на температурата до -80 градуса за едностепенно охлаждане и до -120 за двустепенно;
- в автомобили за създаване на автономни хладилници или нагреватели.
Китай стартира производството на елементи на Пелтие от модификации TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 на стойност до 7 евро, които могат да осигурят мощност до 200 W по схемите „топло-студено“, с експлоатационен живот до 200 000 часа работа в температурната зона от -30 до 138 градуса по Целзий.
Ядрени батерии RITEG
Радиоизотопният термоелектричен генератор (RTG) е устройство, което използва термодвойки за преобразуване на топлина от разпадането на радиоактивен материал в електричество. Този генератор няма движещи се части. RITEG се използва като източник на енергия за спътници, космически кораби, отдалечени съоръжения за фарове, построени от СССР за Арктическия кръг.
RTG обикновено са най-предпочитаният източник на захранване за устройства, изискващи няколкостотин вата мощност. В горивни клетки, батерии или генератори, инсталирани на места, където слънчевите клетки са неефективни. Радиоизотопният термоелектричен генератор изисква стриктно боравене с радиоизотопдълго време след края на експлоатационния му живот.
В Русия има около 1000 RTG, които са били използвани главно за източници на енергия на далечни средства: фарове, радиомаяци и друго специално радиооборудване. Първият космически RTG на полоний-210 е Лимон-1 през 1962 г., след това Орион-1 с мощност 20 W. Последната модификация е инсталирана на спътниците "Стрела-1" и "Космос-84/90". Луноход-1, 2 и Марс-96 използваха RTG в своите отоплителни системи.
Направи си сам термоелектрически генератор
Толкова сложни процеси, които протичат в ТЕГ, не спират местните "кулибини" в желанието им да се включат в глобалния научно-технически процес за създаване на ТЕГ. Използването на домашно приготвени ТЕГ се използва от дълго време. По време на Великата отечествена война партизаните направиха универсален термоелектричен генератор. Той генерира електричество за зареждане на радиото.
С появата на елементите на Пелтие на пазара на достъпни цени за домакинския потребител, е възможно да направите TEG сами, като следвате стъпките по-долу.
- Вземете два радиатора от ИТ магазин и нанесете термо паста. Последното ще улесни свързването на елемента на Пелтие.
- Разделете радиаторите с всеки топлоизолатор.
- Направете дупка в изолатора, за да поставите елемента на Пелтие и проводниците.
- Сглобете конструкцията и донесете източника на топлина (свещ) до един от радиаторите. Колкото по-дълго е отоплението, толкова повече ток ще се генерира от домашния термоелектрикгенератор.
Това устройство работи безшумно и е леко. Термоелектрическият генератор ic2, според размера, може да свърже зарядно за мобилен телефон, да включи малко радио и да включи LED осветление.
Понастоящем много известни световни производители стартираха производството на различни достъпни джаджи, използващи TEG за любители на автомобили и пътници.
Перспективи за развитие на термоелектрическо производство
Търсенето на ТЕГ от домакинствата се очаква да нарасне с 14%. Перспективата за развитие на термоелектрическото производство беше публикувана от Market Research Future чрез издаване на статията „Global Thermoelectric Generators Market Research Report – Forecast to 2022“– пазарен анализ, обем, дял, напредък, тенденции и прогнози. Докладът потвърждава обещанието на TEG за рециклиране на автомобилни отпадъци и съвместно производство на електроенергия и топлина за битови и промишлени съоръжения.
Географски глобалният пазар на термоелектрически генератори е разделен на Америка, Европа, Азиатско-Тихоокеанския регион, Индия и Африка. Азиатско-тихоокеанският регион се счита за най-бързо развиващия се сегмент в внедряването на пазара на TEG.
Сред тези региони Америка, според експерти, е основният източник на доходи на глобалния пазар на TEG. Очаква се увеличаването на търсенето на чиста енергия да увеличи търсенето в Америка.
Европа също ще покаже относително бърз растеж през прогнозния период. Индия и Китай ще го направятувеличаване на потреблението със значителни темпове поради увеличаването на търсенето на превозни средства, което ще доведе до растеж на пазара на генератори.
Автомобилни компании като Volkswagen, Ford, BMW и Volvo, в сътрудничество с НАСА, вече започнаха да разработват мини-TEG за системата за възстановяване на топлината и икономия на гориво в превозните средства.
