Termoelektriline generaator (TEG termogeneraator) on elektriseade, mis kasutab termo-EMF-i kaudu elektrienergia tootmiseks Seebecki, Thomsoni ja Peltieri efekte. Termo-EMF-efekti avastas saksa teadlane Thomas Johann Seebeck (Seebecki efekt) aastal 1821. 1851. aastal jätkas William Thomson (hiljem Lord Kelvin) termodünaamilisi uuringuid ja tõestas, et elektromotoorjõu (EMF) allikaks on temperatuuride erinevus..
1834. aastal avastas prantsuse leiutaja ja kellassepp Jean Charles Peltier teise termoelektrilise efekti, avastades, et temperatuuride erinevus tekib kahe erinevat tüüpi materjali ristmikul elektrivoolu mõjul (Peltier' efekt). Täpsem alt ennustas ta, et temperatuuri erinevuse korral tekib elektromagnetväljas ühes juhis.
1950. aastal avastas vene akadeemik ja teadlane Abram Ioffe pooljuhtide termoelektrilised omadused. aastal hakati kasutama termoelektrigeneraatoritautonoomsed toitesüsteemid ligipääsmatutes piirkondades. Kosmose uurimine, inimese kosmoseskõnd, andis võimsa tõuke termoelektriliste muundurite kiirele arengule.
Radioisotoopide energiaallikas paigaldati esmakordselt kosmoselaevadele ja orbitaaljaamadele. Neid hakatakse kasutama suures nafta- ja gaasitööstuses gaasijuhtmete korrosioonivastaseks kaitseks, Kaug-Põhjas asuvates uurimistöödes, meditsiini valdkonnas südamestimulaatoritena ja eluruumides autonoomsete toiteallikatena.
Termoelektriline efekt ja soojusülekanne elektroonikasüsteemides
Termoelektrilised generaatorid, mille tööpõhimõte põhineb kolme teadlase (Seebeck, Thomson, Peltier) efekti komplekssel kasutamisel, töötati välja peaaegu 150 aastat pärast oma ajast tunduv alt ees olnud avastusi.
Termoelektriline efekt on järgmine nähtus. Jahutamiseks või elektrienergia tootmiseks kasutatakse elektriliselt ühendatud paaridest koosnevat "moodulit". Iga paar koosneb pooljuhtmaterjalist p (S> 0) ja n (S<0). Need kaks materjali on ühendatud juhiga, mille termoelektriline võimsus on null. Kaks haru (p ja n) ja kõik teised paarid, mis moodustavad mooduli, on ühendatud järjestikku elektriahelas ja paralleelselt soojusahelas. Selle paigutusega TEG (termoelektriline generaator) loob tingimused moodulit läbiva soojusvoo optimeerimiseks, ületades selleelektritakistus. Elektrivool toimib nii, et laengukandjad (elektronid ja augud) liiguvad paari kahes harus külmast allikast kuuma allikasse (termodünaamilises mõttes). Samal ajal aitavad need kaasa entroopia ülekandmisele külmast allikast kuumale, soojusvoolule, mis takistab soojusjuhtivust.
Kui valitud materjalidel on head termoelektrilised omadused, on see laengukandjate liikumisel tekkiv soojusvoog suurem kui soojusjuhtivus. Seetõttu edastab süsteem soojuse külmast allikast kuumale ja toimib külmikuna. Elektritootmise korral põhjustab soojusvoog laengukandjate nihkumist ja elektrivoolu ilmnemist. Mida suurem on temperatuuride erinevus, seda rohkem elektrit saab.
TEG tõhusus
Hinnatud efektiivsusteguri järgi. Termoelektrilise generaatori võimsus sõltub kahest kriitilisest tegurist:
- Soojusvoo hulk, mis suudab eduk alt läbi mooduli liikuda (soojusvoog).
- Temperatuuri deltad (DT) – generaatori sooja ja külma külje temperatuuride erinevus. Mida suurem on delta, seda tõhusam alt see töötab, seetõttu tuleb luua konstruktiivsed tingimused nii maksimaalseks külmavarustuseks kui ka maksimaalseks soojuse eemaldamiseks generaatori seintelt.
Termina "termoelektriliste generaatorite tõhusus" on sarnane terminiga, mida kasutatakse kõigi teiste tüüpide kohtasoojusmootorid. Siiani on see väga madal ja ei moodusta rohkem kui 17% Carnot' efektiivsusest. TEG-generaatori kasutegur on piiratud Carnot' kasuteguriga ja ulatub praktikas ka kõrgetel temperatuuridel vaid mõne protsendini (2-6%). Selle põhjuseks on pooljuhtmaterjalide madal soojusjuhtivus, mis ei soodusta tõhusat elektritootmist. Seega on vaja madala soojusjuhtivusega, kuid samal ajal võimalikult suure elektrijuhtivusega materjale.
Pooljuhid teevad paremat tööd kui metallid, kuid on siiski väga kaugel nendest näitajatest, mis viiksid termoelektrilise generaatori tööstusliku tootmise tasemele (vähem alt 15% kõrgtemperatuurse soojuse kasutamisega). TEG efektiivsuse edasine tõus sõltub termoelektriliste materjalide (termoelektriliste) omadustest, mille otsimises on praegu hõivatud kogu planeedi teaduslik potentsiaal.
Uute termoelektriliste seadmete väljatöötamine on suhteliselt keeruline ja kulukas, kuid edu korral põhjustab see tootmissüsteemides tehnoloogilise revolutsiooni.
Termoelektrilised materjalid
Termoelektrikud koosnevad spetsiaalsetest sulamitest või pooljuhtühenditest. Viimasel ajal on termoelektriliste omaduste jaoks kasutatud elektrit juhtivaid polümeere.
Nõuded termoelektrile:
- kõrge efektiivsus madala soojusjuhtivuse ja kõrge elektrijuhtivuse ning kõrge Seebecki koefitsiendi tõttu;
- vastupidavus kõrgetele temperatuuridele ja termomehaanilinemõju;
- juurdepääsetavus ja keskkonnaohutus;
- vastupidavus vibratsioonile ja äkilistele temperatuurimuutustele;
- pikaajaline stabiilsus ja madal hind;
- tootmisprotsessi automatiseerimine.
Praegu käivad katsed optimaalsete termopaaride valimiseks, mis suurendavad TEG efektiivsust. Termoelektriline pooljuhtmaterjal on telluriidi ja vismuti sulam. See on spetsiaalselt valmistatud selleks, et pakkuda üksikuid plokke või elemente, millel on erinevad "N" ja "P" omadused.
Termoelektrilisi materjale valmistatakse kõige sagedamini sula- või pressitud pulbermetallurgia suundkristallimise teel. Igal tootmismeetodil on oma eriline eelis, kuid kõige levinumad on suunatud kasvu materjalid. Lisaks vismuttelluriidile (Bi 2 Te 3) on ka teisi termoelektrilisi materjale, sealhulgas plii ja telluriidi (PbTe), räni ja germaaniumi (SiGe), vismuti ja antimoni (Bi-Sb) sulamid, mida saab kasutada spetsiifilistes juhtudel. Kuigi vismuti ja telluriidi termopaarid on enamiku TEG-de jaoks parimad.
TEG-i väärikus
Termoelektriliste generaatorite eelised:
- elekter toodetakse suletud üheastmelises vooluringis ilma keerulisi ülekandesüsteeme ja liikuvaid osi kasutamata;
- töövedelike ja gaaside puudumine;
- puuduvad kahjulike ainete heide, heitsoojus ja keskkonna mürasaaste;
- seadme pikk aku tööigatoimib;
- jääksoojuse (teiseste soojusallikate) kasutamine energiaressursside säästmiseks
- töötage objekti mis tahes asendis, olenemata töökeskkonnast: ruum, vesi, maa;
- Alalisvoolu madalpinge genereerimine;
- lühisekindlus;
- Piiramatu säilivusaeg, 100% kasutusvalmis.
Termoelektrilise generaatori kasutusvaldkonnad
TEG eelised määrasid arenguväljavaated ja selle lähituleviku:
- ookeani ja kosmose uurimine;
- rakendus väikeses (kodumaises) alternatiivenergias;
- auto väljalasketorude soojuse kasutamine;
- taaskasutussüsteemides;
- jahutus- ja kliimaseadmetes;
- soojuspumbasüsteemides diiselvedurite ja autode diiselmootorite koheseks soojendamiseks;
- küte ja toiduvalmistamine välitingimustes;
- elektroonikaseadmete ja kellade laadimine;
- sportlaste sensoorsete käevõrude toitumine.
Termoelektriline Peltieri muundur
Peltier element (EP) on termoelektriline muundur, mis töötab samanimelise Peltieri efekti abil, mis on üks kolmest termoelektrilisest efektist (Seebeck ja Thomson).
Prantslane Jean-Charles Peltier ühendas vask- ja vismuttraadid omavahel ning ühendas need akuga, luues nii kahe ühenduse paarierinevad metallid. Kui aku oli sisse lülitatud, kuumenes üks ristmik ja teine jahtus.
Peltier-efektiga seadmed on äärmiselt töökindlad, kuna neil pole liikuvaid osi, need ei vaja hooldust, ei eralda kahjulikke gaase, on kompaktsed ja neil on kahesuunaline töö (küte ja jahutus) sõltuv alt voolu suunast.
Kahjuks on need ebaefektiivsed, madala kasuteguriga, eraldavad üsna palju soojust, mis nõuab täiendavat ventilatsiooni ja suurendab seadme maksumust. Sellised seadmed tarbivad üsna palju elektrit ja võivad põhjustada ülekuumenemist või kondenseerumist. Peltieri elemente, mis on suuremad kui 60 mm x 60 mm, ei leita peaaegu kunagi.
ES-i ulatus
Täiustatud tehnoloogiate kasutuselevõtt termoelektriliste seadmete tootmises on kaasa toonud EP tootmiskulude vähenemise ja turule juurdepääsu laienemise.
Tänapäeva EP-d kasutatakse laialdaselt:
- kaasaskantavates jahutites, väikeste seadmete ja elektroonikakomponentide jahutamiseks;
- kuivatites õhust vee eemaldamiseks;
- kosmoselaevas, et tasakaalustada otsese päikesevalguse mõju laeva ühel küljel, hajutades samal ajal soojust teisele poole;
- astronoomiliste teleskoopide ja kvaliteetsete digikaamerate footonidetektorite jahutamiseks, et minimeerida ülekuumenemisest tingitud vaatlusvigu;
- arvuti komponentide jahutamiseks.
Viimasel ajal on seda laialdaselt kasutatud koduseks otstarbeks:
- jookide jahutamiseks või soojendamiseks USB-pordi toitega jahedamates seadmetes;
- kompressioonkülmikute täiendava jahutamise etapi näol, mille temperatuur langeb kuni -80 kraadini üheastmelise jahutamise korral ja kuni -120 kraadini kaheastmelise jahutamise korral;
- autodes autonoomsete külmikute või küttekehade loomiseks.
Hiina on alustanud kuni 7 euro väärtuses TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 modifikatsioonide Peltier elementide tootmist, mis suudavad anda võimsust kuni 200 W vastav alt “sooja-külma” skeemidele, kasutusiga kuni 200 000 töötundi temperatuuritsoonis -30 kuni 138 kraadi Celsiuse järgi.
RITEG tuumapatareid
Radioisotooptermoelektriline generaator (RTG) on seade, mis kasutab termopaare, et muuta radioaktiivse materjali lagunemisel tekkiv soojus elektriks. Sellel generaatoril pole liikuvaid osi. RITEG-i kasutati energiaallikana satelliitidel, kosmoselaevadel ja kaugemates tuletornides, mille NSV Liit ehitas polaarjoone jaoks.
RTG-d on üldiselt eelistatuim toiteallikas seadmete jaoks, mis nõuavad mitusada vatti võimsust. Kütuseelementides, akudes või generaatorites, mis on paigaldatud kohtadesse, kus päikesepatareid on ebaefektiivsed. Radioisotoopide termoelektriline generaator nõuab selle ajal ranget radioisotoopide käsitlemistpikka aega pärast selle kasutusea lõppu.
Venemaal on umbes 1000 RTG-d, mida kasutati peamiselt kaugsõiduvahendite toiteallikana: tuletornid, raadiomajakad ja muud spetsiaalsed raadioseadmed. Esimene poloonium-210 kosmose-RTG oli 1962. aastal Limon-1, seejärel 20 W võimsusega Orion-1. Viimane modifikatsioon paigaldati satelliitidele Strela-1 ja Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 ja Mars-96 kasutasid oma küttesüsteemides RTG-sid.
DIY termoelektriline generaator
Sellised keerulised protsessid, mis TEG-s toimuvad, ei peata kohalikke "Kulibinasid" nende soovis ühineda ülemaailmse teadusliku ja tehnilise protsessiga TEG loomise nimel. Omatehtud TEG-de kasutamist on kasutatud pikka aega. Suure Isamaasõja ajal valmistasid partisanid universaalse termoelektrilise generaatori. See tootis raadio laadimiseks elektrit.
Peltieri elementide tulekuga kodutarbijale taskukohase hinnaga turule on võimalik TEG-i ise teha, järgides alltoodud samme.
- Hankige IT-poest kaks jahutusradiaatorit ja kandke peale termopasta. Viimane hõlbustab Peltier elemendi ühendamist.
- Eraldage radiaatorid mis tahes soojusisolaatoriga.
- Peltieri elemendi ja juhtmete mahutamiseks tehke isolaatorisse auk.
- Pange konstruktsioon kokku ja viige soojusallikas (küünal) ühe radiaatori juurde. Mida pikem on küte, seda rohkem voolu tekib kodusest termoelektristgeneraator.
See seade töötab vaikselt ja on kerge. ic2 termoelektriline generaator võib vastav alt suurusele ühendada mobiiltelefoni laadija, lülitada sisse väikese raadio ja LED-valgustuse.
Praegu on paljud tuntud ülemaailmsed tootjad autohuvilistele ja reisijatele TEG-i kasutades käivitanud erinevate taskukohaste vidinate tootmise.
Termoelektri tootmise arendamise väljavaated
Nõudlus kodumajapidamistes tarbitavate TEG-de järele peaks kasvama 14%. Termoelektri tootmise arengu väljavaated avaldas Market Research Future, andes välja paberi "Global Thermoelectric Generators Market Research Report – Forecast to 2022" – turuanalüüs, maht, osakaal, edusammud, trendid ja prognoosid. Aruanne kinnitab TEG lubadust autojäätmete ringlussevõtul ning elektri ja soojuse koostootmisel kodu- ja tööstusrajatiste jaoks.
Geograafiliselt on ülemaailmne termoelektriliste generaatorite turg jagatud Ameerikaks, Euroopaks, Aasia ja Vaikse ookeani piirkonna riikideks, Indiaks ja Aafrikaks. Aasia ja Vaikse ookeani piirkonda peetakse TEG turu rakendamisel kõige kiiremini kasvavaks segmendiks.
Nende piirkondade seas on Ameerika ekspertide sõnul ülemaailmsel TEG-turul peamine sissetulekuallikas. Arvatakse, et nõudluse kasv puhta energia järele suurendab nõudlust Ameerikas.
Ka Euroopa näitab prognoosiperioodil suhteliselt kiiret kasvu. India ja Hiina teevadsuurendada tarbimist märkimisväärses tempos, kuna nõudlus sõidukite järele kasvab, mis toob kaasa generaatorituru kasvu.
Autoettevõtted, nagu Volkswagen, Ford, BMW ja Volvo, on koostöös NASAga juba alustanud mini-TEG-ide väljatöötamist sõidukite soojustagastuse ja kütusesäästliku süsteemi jaoks.
