Термоелектрически генератор: устройство, принцип на работа и приложение

А Термогенератор (TEG термоелектрически) - е електрически апарат, като се използва ефекта Зеебек, Пелтие и Thomson за генериране на електричество поради топлинна електродвижеща сила. Ефектът на топлинна EMF е бил открит от немския учен Томас Йохан Зеебек (Зеебек ефект) през 1821 През 1851 г., Уилям Томсън (по-късно лорд Келвин) продължава термодинамични изследвания и се оказа, че източникът на електродвижещото напрежение (ЕМП) е температурната разлика.

През 1834 г. френският изобретател и часовникар Жан Чарлс Пелтие открива втория термоелектрически ефект, установява, че температурната разлика се проявява при съединението на два различни типа материали под влиянието на електрически ток (ефектът на Peltier). По-специално, той предсказа, че ЕМП възниква вътре в един проводник, когато има разлика в температурата.

През 1950 г. руският академик и изследовател Абрам Йоф открива термоелектрическите свойства на полупроводниците. Генераторът на термоелектрическа енергия е използван в автономни системи за захранване в недостъпни райони. Изучаването на космическото пространство, влизането на човека в космоса даде мощен импулс за бързото развитие на термоелектричните преобразуватели.

Радиоизотопният източник на енергия е инсталиран за пръв път на космически кораби и орбитални станции. Те започват да се използват в голям мащаб нефтената и газовата промишленост за защита от корозия на тръбопроводи, за изследователска работа в Далечния север, в областта на медицината като пейсмейкъри в жилища като автономен захранване.

Термоелектричен ефект и топлопредаване в електронни системи

Термоелектрическите генератори, основаващи се на комбинираното използване на ефекта от трима учени (Seebeck, Thomson, Peltier), са разработени почти 150 години след откритията, които са много по-напред от времето си.

Термоелектричният ефект е следният феномен. За охлаждане или генериране на електричество се използва "модул", състоящ се от електрически двойки. Всяка двойка се състои от полупроводников материал p (S> 0) и n (S<0). Тези два материала са свързани чрез проводник, чиято термоелектрическа мощност се приема за нула. Двата клона (p и n) и всички други двойки, съставляващи модула, са свързани последователно в електрическата верига и паралелно в термичната верига. ТЕГ (термоелектрически генератор) с това устройство създава условия за оптимизиране на топлинния поток, който преминава през модула, преодолявайки неговото електрическо съпротивление. Електрическият ток действа по такъв начин, че носителите на заряда (електрони и дупки) се преместват от студения източник към горещия източник (в термодинамичен смисъл) в двата клона на двойката. В същото време те улесняват прехвърлянето на ентропията от студен източник към горещ, към топлинен поток, който ще издържа на топлинната проводимост.

Ако избраните материали имат добри термоелектрически свойства, този топлинен поток, генериран от движението на носителите на заряд, ще бъде по-голям от топлопроводимостта. Следователно системата ще прехвърля топлината от студения източник към горещия и ще действа като хладилник. В случай на генериране на електроенергия топлинният поток предизвиква изместване на носителите на заряди и появата на електрически ток. Колкото по-голяма е разликата в температурата, толкова повече ток можете да получите.

Ефективност на TEG

Оценява се с коефициента на ефективност. Силата на един термоелектрически генератор зависи от два критични фактора:

1. Количеството топлинен поток, който може успешно да се прехвърли чрез модула (топлинен поток).
2. Делта температура (DT) - температурната разлика между горещата и студената страна на генератора. Колкото по-голяма делта, толкова по-ефективна е тя, така че условията трябва да бъдат конструктивно осигурени както за максимално подаване на студ, така и за максимално отвеждане на топлината от стените на генератора.

Терминът "ефективност на термоелектрическите генератори" е подобен на термина, използван за всички други видове термични двигатели. Въпреки че е много ниска и не е повече от 17% от ефективността на Carnot. Ефективността на генератора TEG е ограничена от ефективността на Carnot и на практика достига само няколко процента (2-6%) дори при високи температури. Това се дължи на ниската топлопроводимост в полупроводниковите материали, която не допринася за ефективното производство на електроенергия. По този начин са необходими материали с ниска топлопроводимост, но в същото време с възможно най-висока електрическа проводимост.

Полупроводниците са по-способни да се справят с тази задача, отколкото металите, но те все още са далеч от индексите, които биха довели термоелектрическия генератор до нивото на индустриалното производство (най-малко с 15% при висока температура). По-нататъшното повишаване на ефективността на ТЕГ зависи от свойствата на термоелектрическите материали (термоелектрици), чието търсене понастоящем е заето от целия научен потенциал на планетата.

Развитието на нови термоелектрици е сравнително сложно и скъпо, но ако бъде успешно, те ще предизвикат технологична революция в системите за генериране.

Термоелектрични материали

Термоелектриците се състоят от специални сплави или полупроводникови съединения. Напоследък са използвани електропроводими полимери за термоелектрични свойства.

Изисквания към термоелектриците:

• висока ефективност, дължаща се на ниска топлопроводимост и висока електрическа проводимост, висок коефициент Seebeck;
• устойчивост на високи температури и термомеханични ефекти;
• достъпност и безопасност на околната среда;
• устойчивост на вибрации и внезапни промени в температурата;
• дългосрочна стабилност и евтиност;
• автоматизация на производствения процес.

Понастоящем продължават експериментите за избор на оптимални термодвойки, което ще увеличи ефективността на ТЕГ. Термоелектричният полупроводников материал е сплав от телурид и бисмут. Той е специално произведен, за да осигури отделни блокове или елементи с различни характеристики на "N" и "P".

Термоелектрическите материали най-често се получават чрез директна кристализация от разтопена или пресована металургия на прах. Всеки метод на производство има свое специално предимство, но най-често се използват материали с насочен растеж. В допълнение към бисмут телурит (Bi 2 Te 3) има и други термоелектрически материали, включително сплави на олово и телурит (PbTe), силиций, германий (SiGe), бисмут, и антимон (Bi-Sb), които могат да се използват в специфични случаи. Докато термодвойките на бисмут и телурид са най-подходящи за повечето ТЕГ.

Предимства на TEG

Предимства на термоелектрически генератори:

• Производството на електричество се извършва в затворена едноетапна схема без използване на сложни предавателни системи и използване на части за управление;
• отсъствие на работни флуиди и газове;
• без емисии на вредни вещества, отпадъчна топлина и шумово замърсяване на околната среда;
• устройство за дългосрочна автономна работа;
• използване на отпадната топлина (вторични източници на топлина), за да се спестят енергийни ресурси
• работят във всяка позиция на обекта, независимо от работната среда: пространство, вода, земя;
• генериране на постоянен ток при ниско напрежение;
• късо съединение имунитет;
• неограничен срок на годност, 100% готовност за работа.

Приложения на термоелектрическия генератор

Предимствата на TEG определят перспективите за развитие и близкото му бъдеще:

• проучването на океана и космическото пространство;
• приложение в малка (домакинска) алтернативна енергия;
• използване на топлина от изпускателните тръби на автомобилите;
• в системи за обработка на отпадъци;
• в охладителни и климатични системи;
• в системи за термопомпи, за бързо нагряване на дизелови двигатели на дизелови локомотиви и автомобили;
• отопление и готвене при маршируващи условия;
• зареждане на електронни устройства и часовници;
• хранителни сензорни гривни за спортисти.

Термоелектричен конвертор Peltier

Елементът на Peltier (ЕП) е термоелектричен датчик, работещ със същия ефект на Peltier, един от трите термоелектрически ефекта (Seebeck и Thomson).

Французинът Жан-Чарлс Пелтие свързва кабелите на мед и бисмут един с друг и ги свързва с батерията, като по този начин създава двойка съединения от два различни метала. Когато батерията беше включена, един от преходите беше загрят и другият беше охладен.

Устройства, базирани на ефекта на Пелтие, е изключително надеждни, тъй като те нямат движещи се части, не се нуждаят от поддръжка, има никакви вредни газове, са компактни и са в състояние да двупосочно работно (отопление и охлаждане) в зависимост от посоката на тока.

За съжаление, те са неефективни, имат ниска ефективност, отделят много топлина, което изисква допълнителна вентилация и увеличава цената на устройството. Такива устройства консумират доста електричество и могат да причинят прегряване или кондензация. Елементите Peltier с размери над 60 мм х 60 мм практически не са намерени.

Област на приложение на ЕП

Въвеждането на съвременни технологии в областта на термоелектрическото производство доведе до намаляване на производствените разходи на ЕП и разширяване на достъпа до пазара.

Днес ЕП се използва широко:

• в преносими охладители, за охлаждане на малки уреди и електронни компоненти;
• в изсушители за извличане на вода от въздуха;
• в космическите превозни средства да се балансира ефектът от пряката слънчева светлина от едната страна на кораба, разсейвайки топлината от другата страна;
• за охлаждане на фотонни детектори на астрономически телескопи и висококачествени цифрови фотоапарати, за да се сведат до минимум грешките при наблюдение, възникващи от прегряване;
• за охлаждане на компютърните компоненти.

Напоследък е широко използван за ежедневни цели:

• в устройствата на охладителите, подаване чрез USB-порт за охлаждане или нагряване на напитки;
• под формата на допълнително охлаждане за компресорни хладилници с температурен спад от -80 градуса за едностепенно охлаждане и до -120 за двустепенно охлаждане;
• в леките автомобили за създаване на автономни хладилници или нагреватели.

Китай започна производство на Пелтие елементи модификации TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 цена до 7 евро, които могат да работят в температурен зона за предоставяне на "топло-студено" мощност до 200 W, живот до 200 000 часа по - 30 до 138 градуса по Целзий.

Ядрени батерии на RTG

Радиоизотопният термоелектрически генератор (RTG) е устройство, използващо термодвойка за преобразуване на топлината, освободена от разпадането на радиоактивен материал в електричество. Този генератор няма движещи се части. RTG се използва като източник на енергия за сателити, космически кораби, отдалечени фарски обекти, построени от СССР за Арктическия кръг.

RTG обикновено са най-предпочитаният източник на енергия за устройства, които изискват няколко стотин вата мощност. В горивните клетки, батерии или генератори, инсталирани на места, където слънчевите клетки са неефективни. Радиоизотопният термоелектрически генератор изисква стриктно спазване на внимателното боравене с радиоизотопи за дълго време след края на неговия живот.

В Русия има около 1000 RTG, които са били използвани предимно за източници на електроенергия с устройства за далечни разстояния: маяци, радиосигнали и други специални радиосъоръжения. Първата космична RTG на полоний-210 е "Лимон-1" през 1962 г., а след това "Орион-1" с мощност от 20 вата. Последната модификация е инсталирана на сателитите Strela-1 и Kosmos-84/90. "Lunokhods" -1.2 и "Mars-96" използват RTG в отоплителните системи.

Устройството на термоелектрически генератор със собствени ръце

Тези сложни процеси, които се извършват в ТЕГ, не спират местния "kulibin" в опит да се присъединят към световния научен и технически процес за създаването на TEG. Използването на самостоятелно изработена ТЕГ е използвано дълго време. По време на Великата отечествена война партизаните направиха универсален термоелектрически генератор. Той произвел електрически ток за зареждане на радиото.

С появата на елементите на Peltier на пазара на достъпни цени за битови потребители е възможно да се направи самата ТЕГ, като се следват стъпките.

1. Купете два радиатора в IT магазина и използвайте термична мазнина. Последният ще улесни свързването на елемента Peltier.
2. Разделете радиаторите с топлоизолатор.
3. Направете дупка в изолатора, за да приберете елемента и проводниците на Peltier.
4. Сглобете структурата и донесете източника на топлина (свещ) на един от радиаторите. Колкото по-дълго е отоплението, толкова по-ток ще се генерира от домашния термоелектрически генератор.

Това устройство работи безшумно и има леко тегло. Термоелектрическият генератор ic2, в зависимост от размера, може да свърже зареждането на мобилен телефон, да включи малък радиоприемник и LED осветление.

Понастоящем много известни световни производители пуснаха на пазара различни налични приспособления, използващи TEG за ентусиасти и пътници.

Перспективи за развитие на термоелектричното производство

Очаква се търсенето на домакинска консумация на TEG да нарасне с 14%. Перспективи за развитие на топлоелектрическа поколение публикувани Market Research Future, издадени документ "Доклад за проучване на пазара на Глобалния термоелектрически генератори - Прогноза за 2022", - анализ на пазара, обем, акции, ход, тенденции и прогнози. Докладът потвърждава перспектива TEG при рециклирането на автомобилни и отпадъчни системи и ток копродукция на топлинна енергия за битови и промишлени съоръжения.

Географски, глобалният пазар на термоелектрически генератори беше разделен на Америка, Европа, Азия-Тихия океан, Индия и Африка. АПР се счита за най-бързо развиващия се сегмент в областта на въвеждането на TEG на пазара.

Сред тези региони Америка, според експерти, е основният източник на приходи на световния пазар на ТЕГ. Очаква се увеличаването на търсенето на чиста енергия да увеличи търсенето в Америка.

Европа също ще покаже сравнително бърз растеж през прогнозния период. Индия и Китай ще увеличат значително потреблението поради по-голямото търсене на автомобили, което ще доведе до увеличаване на пазара на генератори.

Автомобилните компании като Volkswagen, Ford, BMW и Volvo в сътрудничество с НАСА вече са започнали разработването на мини-TEG за система за рециклиране на топлина и спестяване на гориво в кола.