Termoelektrický generátor (TEG termogenerátor) je elektrické zařízení, které využívá Seebeckova, Thomsonova a Peltierova jevu k výrobě elektřiny prostřednictvím termo-EMF. Termo-EMF efekt objevil německý vědec Thomas Johann Seebeck (Seebeckův efekt) v roce 1821. V roce 1851 William Thomson (později lord Kelvin) pokračoval v termodynamickém výzkumu a dokázal, že zdrojem elektromotorické síly (EMF) je teplotní rozdíl.
V roce 1834 objevil francouzský vynálezce a hodinář Jean Charles Peltier druhý termoelektrický jev, když zjistil, že k teplotnímu rozdílu dochází na spojení dvou různých typů materiálů pod vlivem elektrického proudu (Peltierův jev). Konkrétně předpověděl, že EMF se vyvine v jediném vodiči, když dojde k teplotnímu rozdílu.
V roce 1950 ruský akademik a výzkumník Abram Ioffe objevil termoelektrické vlastnosti polovodičů. Začal se používat termoelektrický generátorautonomní napájecí systémy v nepřístupných oblastech. Studium kosmického prostoru, lidské vesmírné procházky dalo silný impuls rychlému vývoji termoelektrických konvertorů.
Zdroj radioizotopové energie byl poprvé instalován na kosmických lodích a orbitálních stanicích. Začínají se používat ve velkém ropném a plynárenském průmyslu pro antikorozní ochranu plynovodů, při výzkumných pracích na Dálném severu, v oblasti medicíny jako kardiostimulátory a v bydlení jako autonomní zdroje napájení.
Termoelektrický efekt a přenos tepla v elektronických systémech
Termoelektrické generátory, jejichž princip činnosti je založen na komplexním využití efektu tří vědců (Seebeck, Thomson, Peltier), byly vyvinuty téměř 150 let po objevech, které výrazně předběhly dobu.
Termoelektrický jev je následující jev. Pro chlazení nebo výrobu elektřiny se používá „modul“skládající se z elektricky propojených párů. Každý pár se skládá z polovodičového materiálu p (S> 0) an (S<0). Tyto dva materiály jsou spojeny vodičem, jehož termoelektrický výkon se předpokládá nulový. Dvě větve (p a n) a všechny ostatní páry, které tvoří modul, jsou zapojeny sériově v elektrickém obvodu a paralelně v tepelném obvodu. TEG (termoelektrický generátor) s tímto uspořádáním vytváří podmínky pro optimalizaci tepelného toku, který prochází modulem a překonává jejelektrický odpor. Elektrický proud působí tak, že nosiče náboje (elektrony a díry) se pohybují od studeného zdroje ke zdroji horkému (v termodynamickém smyslu) ve dvou větvích páru. Zároveň přispívají k přenosu entropie ze studeného zdroje na horký, k tepelnému toku, který bude odolávat vedení tepla.
Pokud mají vybrané materiály dobré termoelektrické vlastnosti, bude tento tepelný tok generovaný pohybem nosičů náboje větší než tepelná vodivost. Proto bude systém přenášet teplo ze studeného zdroje na horký a bude fungovat jako chladnička. V případě výroby elektřiny způsobuje tepelný tok vytěsnění nosičů náboje a vznik elektrického proudu. Čím větší je teplotní rozdíl, tím více elektřiny lze získat.
Účinnost TEG
Posuzováno podle faktoru účinnosti. Výkon termoelektrického generátoru závisí na dvou kritických faktorech:
- Množství tepelného toku, které se může úspěšně pohybovat modulem (tepelný tok).
- Temperature deltas (DT) - teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou generátoru. Čím větší je delta, tím efektivněji funguje, proto je nutné konstruktivně zajistit podmínky, jak pro maximální přívod chladu, tak pro maximální odvod tepla ze stěn generátoru.
Pojem „účinnost termoelektrických generátorů“je podobný jako u všech ostatních typůtepelné motory. Dosud je velmi nízká a nedosahuje více než 17 % Carnotovy účinnosti. Účinnost generátoru TEG je omezena účinností Carnot a v praxi dosahuje pouze několika procent (2-6 %) i při vysokých teplotách. To je způsobeno nízkou tepelnou vodivostí polovodičových materiálů, která nevede k efektivní výrobě energie. Jsou tedy potřeba materiály s nízkou tepelnou vodivostí, ale zároveň s nejvyšší možnou elektrickou vodivostí.
Polovodiče odvádějí lepší práci než kovy, ale stále jsou velmi daleko od ukazatelů, které by termoelektrický generátor přivedly na úroveň průmyslové výroby (s minimálně 15% využitím vysokoteplotního tepla). Další zvýšení účinnosti TEG závisí na vlastnostech termoelektrických materiálů (termoelektrik), jejichž hledání v současnosti zaměstnává celý vědecký potenciál planety.
Vývoj nových termoelektrik je poměrně složitý a nákladný, ale pokud budou úspěšné, způsobí technologickou revoluci ve výrobních systémech.
Termoelektrické materiály
Termoelektrika se skládají ze speciálních slitin nebo polovodičových sloučenin. V poslední době se pro termoelektrické vlastnosti používají elektricky vodivé polymery.
Požadavky na termoelektriku:
- vysoká účinnost díky nízké tepelné vodivosti a vysoké elektrické vodivosti, vysoký Seebeckův koeficient;
- odolnost vůči vysokým teplotám a termomechanickédopad;
- dostupnost a ekologická bezpečnost;
- odolnost vůči vibracím a náhlým změnám teploty;
- dlouhodobá stabilita a nízké náklady;
- automatizace výrobního procesu.
V současné době probíhají experimenty na výběr optimálních termočlánků, které zvýší účinnost TEG. Termoelektrický polovodičový materiál je slitina teluridu a vizmutu. Byl speciálně vyroben tak, aby poskytoval jednotlivé bloky nebo prvky s různými charakteristikami "N" a "P".
Termoelektrické materiály se nejčastěji vyrábějí směrovou krystalizací z roztavené nebo lisované práškové metalurgie. Každá výrobní metoda má svou zvláštní výhodu, ale nejběžnější jsou materiály se směrovým růstem. Kromě teluritu vizmutu (Bi 2 Te 3) existují další termoelektrické materiály, včetně slitin olova a teluritu (PbTe), křemíku a germania (SiGe), vizmutu a antimonu (Bi-Sb), které lze použít ve specifických případy. Zatímco vizmutové a telluridové termočlánky jsou nejlepší pro většinu TEG.
Důstojnost TEG
Výhody termoelektrických generátorů:
- elektřina se vyrábí v uzavřeném jednostupňovém okruhu bez použití složitých přenosových systémů a použití pohyblivých částí;
- nedostatek pracovních kapalin a plynů;
- žádné emise škodlivých látek, odpadní teplo a hlukové znečištění životního prostředí;
- zařízení s dlouhou výdrží bateriefunkční;
- využití odpadního tepla (sekundární zdroje tepla) k úspoře energetických zdrojů
- pracujte v jakékoli poloze objektu, bez ohledu na provozní prostředí: vesmír, voda, země;
- generace stejnosměrného nízkého napětí;
- odolnost proti zkratu;
- Neomezená trvanlivost, 100% připraveno k použití.
Oblasti použití termoelektrického generátoru
Výhody TEG určily vyhlídky rozvoje a jeho blízkou budoucnost:
- studium oceánu a vesmíru;
- aplikace v malé (domácí) alternativní energii;
- využívá teplo z výfukového potrubí automobilu;
- v recyklačních systémech;
- v chladicích a klimatizačních systémech;
- v systémech tepelných čerpadel pro okamžitý ohřev dieselových motorů dieselových lokomotiv a automobilů;
- topení a vaření v polních podmínkách;
- nabíjení elektronických zařízení a hodinek;
- výživa smyslových náramků pro sportovce.
Termoelektrický Peltierův konvertor
Peltierův článek (EP) je termoelektrický konvertor pracující pomocí stejnojmenného Peltierova jevu, jednoho ze tří termoelektrických efektů (Seebeck a Thomson).
Francouz Jean-Charles Peltier spojil měděné a vizmutové dráty k sobě a připojil je k baterii, čímž vytvořil pár spojení dvounepodobné kovy. Když byla baterie zapnuta, jeden z přechodů se zahřál a druhý se ochladil.
Zařízení s Peltierovým efektem jsou extrémně spolehlivá, protože nemají žádné pohyblivé části, nevyžadují údržbu, nevypouštějí žádné škodlivé plyny, jsou kompaktní a mají obousměrný provoz (ohřev a chlazení) v závislosti na směru proudu.
Bohužel jsou neefektivní, mají nízkou účinnost, vydávají poměrně hodně tepla, což vyžaduje dodatečné větrání a zvyšuje náklady na zařízení. Taková zařízení spotřebovávají poměrně hodně elektřiny a mohou způsobit přehřátí nebo kondenzaci. Peltierovy prvky větší než 60 mm x 60 mm téměř nikdy nenajdeme.
Rozsah ES
Zavedení pokročilých technologií ve výrobě termoelektriky vedlo ke snížení nákladů na výrobu EP a rozšíření dostupnosti trhu.
Dnes je EP široce používáno:
- v přenosných chladičích, pro chlazení malých spotřebičů a elektronických součástek;
- v odvlhčovačích pro extrakci vody ze vzduchu;
- v kosmické lodi k vyrovnání účinku přímého slunečního světla na jedné straně lodi a zároveň k odvádění tepla na druhou stranu;
- k chlazení fotonových detektorů astronomických dalekohledů a vysoce kvalitních digitálních fotoaparátů, aby se minimalizovaly chyby pozorování způsobené přehříváním;
- pro chlazení počítačových komponent.
V poslední době se široce používá pro domácí účely:
- v chladicích zařízeních napájených portem USB pro chlazení nebo ohřívání nápojů;
- ve formě dodatečného stupně chlazení kompresních chladniček s poklesem teploty na -80 stupňů pro jednostupňové chlazení a až -120 pro dvoustupňové;
- v autech k vytvoření autonomních chladniček nebo ohřívačů.
Čína zahájila výrobu Peltierových prvků modifikací TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 v hodnotě až 7 eur, které mohou poskytnout výkon až 200 W podle schémat „teplo-chlazení“, s životností až 200 000 hodin provozu v teplotní zóně od -30 do 138 stupňů Celsia.
RITEG jaderné baterie
Radioizotopový termoelektrický generátor (RTG) je zařízení, které využívá termočlánky k přeměně tepla z rozpadu radioaktivního materiálu na elektřinu. Tento generátor nemá žádné pohyblivé části. RITEG byl použit jako zdroj energie na satelitech, kosmických lodích a zařízeních vzdálených majáků postavených SSSR pro polární kruh.
RTG jsou obecně nejpreferovanějším zdrojem energie pro zařízení vyžadující několik set wattů energie. V palivových článcích, bateriích nebo generátorech instalovaných v místech, kde jsou solární články neúčinné. Radioizotopový termoelektrický generátor vyžaduje přísné zacházení s radioizotopy běhemdlouhou dobu po skončení životnosti.
V Rusku je asi 1000 RTG, které se používaly hlavně jako zdroje energie na prostředcích s dlouhým dosahem: majáky, rádiové majáky a další speciální rádiová zařízení. První vesmírné RTG na poloniu-210 byl Limon-1 v roce 1962, poté Orion-1 s výkonem 20 W. Poslední modifikace byla instalována na družice Strela-1 a Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 a Mars-96 používaly RTG ve svých topných systémech.
DIY termoelektrické generátorové zařízení
Takto složité procesy, které probíhají v TEG, nezastaví místní "Kulibiny" v jejich touze zapojit se do globálního vědeckého a technického procesu pro vytvoření TEG. Používání domácích TEG se používá již dlouhou dobu. Během Velké vlastenecké války vyrobili partyzáni univerzální termoelektrický generátor. Vyráběla elektřinu pro nabíjení rádia.
S příchodem Peltierových prvků na trh za dostupné ceny pro spotřebitele v domácnostech je možné si TEG vyrobit sami podle následujících kroků.
- Získejte dva chladiče z obchodu IT a naneste teplovodivou pastu. Ten usnadní připojení Peltierova prvku.
- Oddělte radiátory jakýmkoli tepelným izolátorem.
- Udělejte v izolátoru otvor pro umístění Peltierova prvku a vodičů.
- Sestavte konstrukci a přiveďte zdroj tepla (svíčku) k jednomu z radiátorů. Čím delší bude topení, tím více proudu bude generovat domácí termoelektrikugenerátor.
Toto zařízení funguje tiše a má nízkou hmotnost. Termoelektrický generátor ic2 může podle velikosti připojit nabíječku mobilního telefonu, zapnout malé rádio a rozsvítit LED osvětlení.
V současné době zahájilo mnoho známých světových výrobců výrobu různých cenově dostupných gadgetů pomocí TEG pro automobilové nadšence a cestovatele.
Vyhlídky na rozvoj termoelektrické generace
Poptávka po spotřebě TEG v domácnostech se očekává růst o 14 %. Výhled vývoje termoelektrické generace zveřejnil Market Research Future vydáním článku „Global Thermoelectric Generators Market Research Report – Forecast to 2022“– analýza trhu, objem, podíl, pokrok, trendy a prognózy. Zpráva potvrzuje příslib TEG v recyklaci automobilového odpadu a kogeneraci elektřiny a tepla pro domácí a průmyslová zařízení.
Z geografického hlediska je globální trh s termoelektrickými generátory rozdělen na Ameriku, Evropu, Asii a Tichomoří, Indii a Afriku. Asie a Tichomoří je považována za nejrychleji rostoucí segment v implementaci trhu TEG.
Mezi těmito regiony je Amerika podle odborníků hlavním zdrojem příjmů na globálním trhu TEG. Očekává se, že zvýšení poptávky po čisté energii zvýší poptávku v Americe.
Evropa bude během prognózovaného období také vykazovat relativně rychlý růst. Indie a Čína budouzvýšit spotřebu výrazným tempem kvůli nárůstu poptávky po vozidlech, což povede k růstu trhu generátorů.
Automobilové společnosti jako Volkswagen, Ford, BMW a Volvo ve spolupráci s NASA již začaly vyvíjet mini-TEG pro systém rekuperace tepla a úspory paliva ve vozidlech.
