Termoelektriskais ģenerators (TEG termoģenerators) ir elektriskā ierīce, kas izmanto Zēbeka, Tomsona un Peltjē efektu, lai ražotu elektroenerģiju, izmantojot termo-EMF. Termo-EMF efektu 1821. gadā atklāja vācu zinātnieks Tomass Johans Zībeks (Zēbeka efekts). 1851. gadā Viljams Tomsons (vēlāk lords Kelvins) turpināja termodinamiskos pētījumus un pierādīja, ka elektromotora spēka (EMF) avots ir temperatūras starpība..
1834. gadā franču izgudrotājs un pulksteņmeistars Žans Šarls Peltjē atklāja otro termoelektrisko efektu, atklājot, ka temperatūras starpība rodas divu dažādu veidu materiālu savienojuma vietā elektriskās strāvas ietekmē (Peltjē efekts). Konkrēti, viņš paredzēja, ka EML attīstīsies vienā vadītājā, ja būs temperatūras atšķirība.
1950. gadā krievu akadēmiķis un pētnieks Ābrams Jofs atklāja pusvadītāju termoelektriskās īpašības. gadā sāka izmantot termoelektrisko elektroenerģijas ģeneratoruautonomas elektroapgādes sistēmas nepieejamās vietās. Kosmosa izpēte, cilvēka iziešana kosmosā, deva spēcīgu impulsu termoelektrisko pārveidotāju straujai attīstībai.
Radioizotopu enerģijas avots vispirms tika uzstādīts kosmosa kuģos un orbitālajās stacijās. Tos sāk izmantot lielajā naftas un gāzes rūpniecībā gāzes cauruļvadu pretkorozijas aizsardzībai, pētniecībā Tālajos Ziemeļos, medicīnas jomā kā elektrokardiostimulatorus un mājokļos kā autonomus barošanas avotus.
Termoelektriskais efekts un siltuma pārnese elektroniskajās sistēmās
Termoelektriskie ģeneratori, kuru darbības princips ir balstīts uz trīs zinātnieku (Zēbeka, Tomsona, Peltjē) efekta kompleksu izmantošanu, tika izstrādāti gandrīz 150 gadus pēc atklājumiem, kas krietni apsteidza savu laiku.
Termoelektriskais efekts ir šāda parādība. Dzesēšanai vai elektroenerģijas ražošanai tiek izmantots "modulis", kas sastāv no elektriski savienotiem pāriem. Katrs pāris sastāv no pusvadītāju materiāla p (S> 0) un n (S<0). Šie divi materiāli ir savienoti ar vadītāju, kura termoelektriskā jauda tiek pieņemta kā nulle. Divi zari (p un n) un visi pārējie pāri, kas veido moduli, ir virknē savienoti elektriskajā ķēdē un paralēli siltuma ķēdē. TEG (termoelektriskais ģenerators) ar šo izkārtojumu rada apstākļus, lai optimizētu siltuma plūsmu, kas iet caur moduli, pārvarot toelektriskā pretestība. Elektriskā strāva darbojas tā, ka lādiņu nesēji (elektroni un caurumi) pāriet no auksta avota uz karstu avotu (termodinamiskā nozīmē) divos pāra atzaros. Tajā pašā laikā tie veicina entropijas pārnešanu no auksta avota uz karstu, uz siltuma plūsmu, kas pretojas siltuma vadīšanai.
Ja atlasītajiem materiāliem ir labas termoelektriskās īpašības, šī siltuma plūsma, ko rada lādiņnesēju kustība, būs lielāka par siltumvadītspēju. Tāpēc sistēma nodos siltumu no aukstā avota uz karsto un darbosies kā ledusskapis. Elektroenerģijas ražošanas gadījumā siltuma plūsma izraisa lādiņnesēju pārvietošanos un elektriskās strāvas parādīšanos. Jo lielāka temperatūras starpība, jo vairāk elektrības var iegūt.
TEG efektivitāte
Novērtēts pēc lietderības koeficienta. Termoelektriskā ģeneratora jauda ir atkarīga no diviem kritiskiem faktoriem:
- Siltuma plūsmas daudzums, kas var veiksmīgi pārvietoties pa moduli (siltuma plūsma).
- Temperatūras deltas (DT) - temperatūras starpība starp ģeneratora karsto un auksto pusi. Jo lielāka delta, jo efektīvāk tā darbojas, tāpēc konstruktīvi jānodrošina apstākļi gan maksimālai aukstuma padevei, gan maksimālai siltuma noņemšanai no ģeneratora sienām.
Termins "termoelektrisko ģeneratoru efektivitāte" ir līdzīgs terminam, ko lieto visiem citiem veidiemsiltuma dzinēji. Līdz šim tas ir ļoti zems un nepārsniedz 17% no Carnot efektivitātes. TEG ģeneratora efektivitāti ierobežo Carnot efektivitāte un praksē tā sasniedz tikai dažus procentus (2-6%) pat augstā temperatūrā. Tas ir saistīts ar zemo siltumvadītspēju pusvadītāju materiālos, kas neveicina efektīvu enerģijas ražošanu. Tādējādi ir nepieciešami materiāli ar zemu siltumvadītspēju, bet tajā pašā laikā ar visaugstāko iespējamo elektrovadītspēju.
Pusvadītāji veic labāku darbu nekā metāli, taču joprojām ir ļoti tālu no tiem rādītājiem, kas novestu termoelektrisko ģeneratoru līdz rūpnieciskās ražošanas līmenim (ar vismaz 15% augstas temperatūras siltuma izmantošanu). Tālāka TEG efektivitātes paaugstināšana ir atkarīga no termoelektrisko materiālu (termoelektriķu) īpašībām, kuru meklējumos šobrīd ir viss planētas zinātniskais potenciāls.
Jaunu termoelektriķu izstrāde ir salīdzinoši sarežģīta un dārga, taču, ja tā būs veiksmīga, tā izraisīs tehnoloģisku revolūciju ģenerēšanas sistēmās.
Termoelektriskie materiāli
Termoelektriskie elementi ir izgatavoti no īpašiem sakausējumiem vai pusvadītāju savienojumiem. Nesen elektriski vadošus polimērus izmanto termoelektriskajām īpašībām.
Prasības termoelektriķiem:
- augsta efektivitāte, pateicoties zemai siltumvadītspējai un augstai elektrovadītspējai, augsts Zēbeka koeficients;
- izturība pret augstām temperatūrām un termomehāniskaietekme;
- pieejamība un vides drošība;
- izturība pret vibrācijām un pēkšņām temperatūras izmaiņām;
- ilgtermiņa stabilitāte un zemas izmaksas;
- ražošanas procesa automatizācija.
Šobrīd notiek eksperimenti, lai izvēlētos optimālos termopārus, kas paaugstinās TEG efektivitāti. Termoelektriskais pusvadītāju materiāls ir telurīda un bismuta sakausējums. Tas ir īpaši izgatavots, lai nodrošinātu atsevišķus blokus vai elementus ar dažādiem "N" un "P" raksturlielumiem.
Termoelektriskos materiālus visbiežāk izgatavo ar virziena kristalizāciju no kausēta vai presēta pulvermetalurģijas. Katrai ražošanas metodei ir savas īpašās priekšrocības, taču visizplatītākie ir virziena augšanas materiāli. Papildus bismuta telurītam (Bi 2 Te 3) ir arī citi termoelektriski materiāli, tostarp svina un telurīta (PbTe), silīcija un germānija (SiGe), bismuta un antimona (Bi-Sb) sakausējumi, ko var izmantot īpašās jomās. gadījumiem. Lai gan bismuta un telurīda termopāri ir vislabākie lielākajai daļai TEG.
TEG cieņa
Termoelektrisko ģeneratoru priekšrocības:
- elektrība tiek ražota slēgtā, vienpakāpes ķēdē, neizmantojot sarežģītas transmisijas sistēmas un kustīgas daļas;
- darba šķidrumu un gāzu trūkums;
- bez kaitīgo vielu emisijām, siltuma pārpalikuma un trokšņa piesārņojuma videi;
- ierīcei ilgs akumulatora darbības laiksdarbojas;
- atkrituma siltuma (sekundāro siltuma avotu) izmantošana energoresursu taupīšanai
- strādājiet jebkurā objekta pozīcijā, neatkarīgi no darbības vides: telpa, ūdens, zeme;
- līdzstrāvas zemsprieguma ģenerēšana;
- īssavienojuma imunitāte;
- Neierobežots glabāšanas laiks, 100% gatavs lietošanai.
Termoelektriskā ģeneratora pielietojuma jomas
TEG priekšrocības noteica attīstības perspektīvas un tās tuvāko nākotni:
- okeāna un kosmosa izpēte;
- pielietojums mazajā (sadzīves) alternatīvajā enerģijā;
- izmantojot siltumu no automašīnas izplūdes caurulēm;
- otrreizējās pārstrādes sistēmās;
- dzesēšanas un gaisa kondicionēšanas sistēmās;
- siltumsūkņu sistēmās dīzeļlokomotīvju un automašīnu dīzeļdzinēju tūlītējai uzsildīšanai;
- sildīšana un gatavošana lauka apstākļos;
- elektronisko ierīču un pulksteņu uzlāde;
- sensoro aproču uzturs sportistiem.
Termoelektriskais Peltjē pārveidotājs
Peltjē elements (EP) ir termoelektrisks pārveidotājs, kas darbojas, izmantojot tāda paša nosaukuma Peltjē efektu, kas ir viens no trim termoelektriskajiem efektiem (Zēbeks un Tomsons).
Francūzis Žans Šarls Peltjē savienoja vara un bismuta vadus savā starpā un savienoja tos ar akumulatoru, tādējādi izveidojot divu savienojumu pāriatšķirīgi metāli. Kad akumulators tika ieslēgts, viens no krustojumiem uzkarst, bet otrs atdzisa.
Peltier efekta ierīces ir ārkārtīgi uzticamas, jo tām nav kustīgu daļu, tām nav nepieciešama apkope, tās neizdala kaitīgas gāzes, ir kompaktas un darbojas divos virzienos (sildīšana un dzesēšana) atkarībā no strāvas virziena.
Diemžēl tie ir neefektīvi, ar zemu efektivitāti, izdala diezgan daudz siltuma, kas prasa papildu ventilāciju un sadārdzina iekārtu. Šādas ierīces patērē diezgan daudz elektrības un var izraisīt pārkaršanu vai kondensāciju. Peltjē elementi, kas lielāki par 60 mm x 60 mm, gandrīz nekad nav atrasti.
ES darbības joma
Progresīvu tehnoloģiju ieviešana termoelektriķu ražošanā ir izraisījusi EP ražošanas izmaksu samazināšanos un tirgus pieejamības paplašināšanos.
Šodien EP tiek plaši izmantots:
- pārnēsājamos dzesētājos, mazu ierīču un elektronisko komponentu dzesēšanai;
- sausinātājos, lai izņemtu ūdeni no gaisa;
- kosmosa kuģī, lai līdzsvarotu tiešu saules staru ietekmi uz vienu kuģa pusi, vienlaikus izkliedējot siltumu uz otru pusi;
- , lai atdzesētu astronomisko teleskopu fotonu detektorus un augstas kvalitātes digitālās kameras, lai samazinātu novērojumu kļūdas pārkaršanas dēļ;
- datora komponentu dzesēšanai.
Pēdējā laikā to plaši izmanto sadzīves vajadzībām:
- dzesētājos ierīcēs, ko darbina USB ports, lai atdzesētu vai uzsildītu dzērienus;
- kompresijas ledusskapju dzesēšanas papildu posma veidā ar temperatūras pazemināšanu līdz -80 grādiem vienpakāpes dzesēšanai un līdz -120 divpakāpju dzesēšanai;
- automašīnās, lai izveidotu autonomus ledusskapjus vai sildītājus.
Ķīnā ir uzsākta TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 modifikāciju Peltjē elementu ražošana līdz 7 eiro vērtībā, kas var nodrošināt jaudu līdz 200 W pēc “siltuma-aukstuma” shēmām, ar kalpošanas laiku līdz 200 000 darba stundām temperatūras zonā no -30 līdz 138 grādiem pēc Celsija.
RITEG kodolakumulatori
Radioizotopu termoelektriskais ģenerators (RTG) ir ierīce, kas izmanto termopārus, lai pārvērstu siltumu no radioaktīvā materiāla sabrukšanas elektroenerģijā. Šim ģeneratoram nav kustīgu daļu. RITEG tika izmantots kā enerģijas avots uz satelītiem, kosmosa kuģiem un attālām bākām, ko PSRS uzbūvēja polārajam lokam.
RTG parasti ir vispiemērotākais strāvas avots ierīcēm, kurām nepieciešama vairāku simtu vatu jauda. Kurināmā elementos, baterijās vai ģeneratoros, kas uzstādīti vietās, kur saules baterijas ir neefektīvas. Radioizotopu termoelektriskajam ģeneratoram laikā ir nepieciešama stingra radioizotopu apstrādeilgu laiku pēc tā kalpošanas laika beigām.
Krievijā ir aptuveni 1000 RTG, kas galvenokārt tika izmantoti liela attāluma avoti: bākas, radiobākas un citas īpašas radioiekārtas. Pirmais kosmiskais RTG uz polonija-210 bija Limon-1 1962. gadā, pēc tam Orion-1 ar 20 W jaudu. Jaunākā modifikācija tika uzstādīta uz satelītiem Strela-1 un Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 un Mars-96 savās apkures sistēmās izmantoja RTG.
DIY termoelektriskā ģeneratora ierīce
Tādi sarežģīti procesi, kas notiek TEG, neattur vietējos "Kulibiņus" vēlmē pievienoties globālajam zinātniski tehniskajam procesam TEG izveidei. Mājas TEG izmantošana ir izmantota jau ilgu laiku. Lielā Tēvijas kara laikā partizāni izgatavoja universālu termoelektrisko ģeneratoru. Tas radīja elektrību, lai uzlādētu radio.
Līdz ar Peltjē elementu ienākšanu tirgū par mājsaimniecības patērētājiem pieņemamām cenām, TEG ir iespējams izgatavot pats, veicot tālāk norādītās darbības.
- Iegādājieties IT veikalā divus radiatorus un uzklājiet termopastu. Pēdējais atvieglos Peltjē elementa savienošanu.
- Atdaliet radiatorus ar jebkuru siltumizolatoru.
- Izveidojiet caurumu izolatorā, lai tajā ievietotu Peltjē elementu un vadus.
- Samontējiet konstrukciju un nogādājiet siltuma avotu (sveci) uz vienu no radiatoriem. Jo ilgāka apkure, jo lielāka strāva tiks ģenerēta no mājas termoelektriskāģenerators.
Šī ierīce darbojas klusi un ir viegla. ic2 termoelektriskais ģenerators atbilstoši izmēram var pievienot mobilā tālruņa lādētāju, ieslēgt nelielu radio un ieslēgt LED apgaismojumu.
Šobrīd daudzi pazīstami pasaules ražotāji ir uzsākuši dažādu sīkrīku ražošanu par pieņemamu cenu, izmantojot TEG, kas paredzēti automašīnu entuziastiem un ceļotājiem.
Termoelektriskās paaudzes attīstības perspektīvas
Paredzams, ka pieprasījums pēc TEG patēriņa mājsaimniecībās pieaugs par 14%. Termoelektriskās ražošanas attīstības perspektīvas publicēja Market Research Future, izdodot dokumentu "Globālo termoelektrisko ģeneratoru tirgus izpētes ziņojums – prognoze līdz 2022. gadam" - tirgus analīze, apjoms, daļa, progress, tendences un prognozes. Ziņojums apstiprina TEG solījumu saistībā ar automobiļu atkritumu pārstrādi un elektroenerģijas un siltuma koģenerāciju sadzīves un rūpniecības objektiem.
Ģeogrāfiski globālais termoelektrisko ģeneratoru tirgus ir sadalīts Amerikā, Eiropā, Āzijas un Klusā okeāna reģionā, Indijā un Āfrikā. Āzijas un Klusā okeāna reģionā tiek uzskatīts par visstraujāk augošo segmentu TEG tirgus ieviešanā.
Šo reģionu vidū Amerika, pēc ekspertu domām, ir galvenais ienākumu avots globālajā TEG tirgū. Paredzams, ka pieprasījuma pieaugums pēc tīras enerģijas palielinās pieprasījumu Amerikā.
Arī Eiropa prognozējamā periodā uzrādīs salīdzinoši strauju izaugsmi. Indija un Ķīna to darīsievērojami palielināt patēriņu, jo palielinās pieprasījums pēc transportlīdzekļiem, kas izraisīs ģeneratoru tirgus izaugsmi.
Automobiļu uzņēmumi, piemēram, Volkswagen, Ford, BMW un Volvo, sadarbībā ar NASA jau ir sākuši izstrādāt mini-TEG transportlīdzekļu siltuma atgūšanas un degvielas ekonomijas sistēmai.
