Generator termoelectric: dispozitiv, principiu de funcționare și aplicare

Un generator termoelectric (TEG termoelectrică) - este un aparat electric folosind efectul Seebeck, Peltier și Thomson pentru a genera energie electrică, datorită forței electromotoare termice. Efectul EMF termic a fost descoperit de către om de știință german Thomas Johann Seebeck (efect Seebeck) în 1821. În 1851, William Thomson (mai tarziu Lord Kelvin) a continuat studiile termodinamice și au dovedit că sursa forței electromotoare (CEM) este o diferență de temperatură.

In 1834, un inventator francez și ceasornicar Jean Charles Peltier a descoperit al doilea efect termoelectric, a constatat că diferența de temperatură are loc la intersecția a două tipuri diferite de materiale sub influența unui curent electric (efect Peltier). În special, el a prezis că EMF apare în interiorul unui conductor atunci când există o diferență de temperatură.

În 1950, un academician și cercetător rus Abram Ioffe a descoperit proprietățile termoelectrice ale semiconductorilor. Generatorul termoelectric a fost utilizat în sisteme autonome de alimentare cu energie în zone inaccesibile. Studiul spațiului cosmic, intrarea omului în spațiu a dat un impuls puternic dezvoltării rapide a convertoarelor termoelectrice.

O sursă de energie radioizotropă a fost instalată pentru prima dată pe nave spațiale și pe stații orbitale. Ele încep să fie utilizate în industria de petrol și gaze pe scară largă pentru protecția împotriva coroziunii a conductelor, pentru activitatea de cercetare în Extremul Nord, în domeniul medicinii ca stimulatoare cardiace în locuințe ca o sursă de alimentare de sine stătătoare.

Efectul termoelectric și transferul de căldură în sistemele electronice

Generatoarele termoelectrice, bazate pe utilizarea combinată a efectului a trei oameni de știință (Seebeck, Thomson, Peltier), au fost dezvoltate aproape 150 de ani după descoperiri care au fost mult înainte de timpul lor.

Efectul termoelectric este următorul fenomen. Pentru răcirea sau generarea energiei electrice, se utilizează un "modul" format din perechi cuplate electric. Fiecare pereche constă dintr-un material semiconductor p (S> 0) și n (S<0). Aceste două materiale sunt conectate printr-un conductor a cărui putere termoelectrică este presupusă a fi zero. Cele două ramuri (p și n) și toate celelalte perechi care alcătuiesc modulul sunt conectate în serie în circuitul electric și în paralel în circuitul termic. Generatorul termoelectric (TEG) cu acest aranjament creează condițiile pentru optimizarea fluxului de căldură care trece prin modul, depășind rezistența sa electrică. Curentul electric acționează astfel încât suporții de încărcături (electroni și orificii) se deplasează de la sursa rece la sursa fierbinte (în sens termodinamic) în cele două ramuri ale perechii. În același timp, ele facilitează transferul entropiei de la o sursă rece la unul fierbinte, la un flux de căldură care va rezista conductivității termice.

Dacă materialele selectate au proprietăți termoelectrice bune, acest flux de căldură generat de mișcarea purtătorilor de sarcină va fi mai mare decât conductivitatea termică. Prin urmare, sistemul va transfera căldură de la sursa rece la cea caldă și va acționa ca un frigider. În cazul generării de energie electrică, fluxul de căldură determină deplasarea suporturilor de încărcare și apariția unui curent electric. Cu cât diferența de temperatură este mai mare, cu atât mai multă energie electrică puteți obține.

Eficiența TEG

Se estimează prin coeficientul de eficiență. Puterea unui generator termoelectric depinde de doi factori critici:

1. Cantitatea de flux de căldură care poate fi transferată cu succes prin modul (fluxul de căldură).
2. Temperatura Delta (DT) - diferența de temperatură dintre partea caldă și cea rece a generatorului. Cu cat este mai mare delta, cu atat functioneaza mai eficient, astfel incat conditiile trebuie sa fie asigurate in mod constructiv atat pentru alimentarea maxima la rece cat si pentru eliminarea maxima a caldurii din peretii generatorului.

Termenul "eficiența generatoarelor termoelectrice" este similar cu termenul utilizat pentru toate celelalte tipuri de motoare termice. Deși este foarte scăzută și nu depășește 17% din eficiența lui Carnot. Eficiența generatorului TEG este limitată de eficiența lui Carnot și în practică atinge doar câteva procente (2-6%) chiar și la temperaturi ridicate. Acest lucru se datorează conductivității termice scăzute din materialele semiconductoare, care nu contribuie la generarea eficientă de energie electrică. Astfel, sunt necesare materiale cu conductivitate termică scăzută, dar în același timp cu cea mai mare conductivitate electrică posibilă.

Semiconductorii sunt mai capabili să facă față acestei sarcini decât metalele, dar sunt departe de indicii care ar aduce generatorul termoelectric la nivelul producției industriale (cel puțin cu 15% folosind căldură la temperaturi ridicate). Creșterea suplimentară a eficienței TEG depinde de proprietățile materialelor termoelectrice (termoelectrice), căutarea căreia este ocupată în prezent de întregul potențial științific al planetei.

Dezvoltarea noilor termoelectrice este relativ complexă și costisitoare, dar dacă va fi reușită, acestea vor declanșa o revoluție tehnologică în sistemele de generare.

Materiale termoelectrice

Termoelectricele constau în aliaje speciale sau compuși semiconductori. Recent, polimerii conductivi electrici au fost utilizați pentru proprietățile termoelectrice.

Cerințe pentru termoelectrice:

• eficiență ridicată, datorată conductivității termice scăzute și conductivității electrice ridicate, coeficientului Seebeck ridicat;
• rezistență la temperaturi ridicate și efecte termomecanice;
• accesibilitatea și siguranța mediului;
• rezistență la vibrații și schimbări bruște de temperatură;
• stabilitatea pe termen lung și ieftinitatea;
• automatizarea procesului de fabricație.

În prezent, experimentele continuă cu privire la alegerea termocuplilor optimi, ceea ce va crește eficiența TEG. Materialul semiconductor termoelectric este un aliaj de telură și bismut. Acesta a fost special fabricat pentru a furniza blocuri separate sau elemente cu caracteristici diferite de "N" și "P".

Materialele termoelectrice sunt cel mai adesea produse prin cristalizare directă din metalurgia pulberilor topite sau presate. Fiecare metodă de fabricare are un avantaj propriu, dar cele mai frecvente sunt materialele cu creștere directă. În plus față de Telurit bismut (Bi 2 Te 3) există alte materiale termoelectrice, inclusiv aliaje de plumb și telurit (PbTe), germaniu siliciu (SiGe), bismut și antimoniu (Bi-Sb), care pot fi utilizate în anumite cazuri. În timp ce termocuplurile de bismut și telură sunt cele mai potrivite pentru majoritatea TEG-urilor.

Avantajele TEG

Avantaje ale generatoarelor termoelectrice:

• Generarea de energie electrică are loc într-o schemă închisă într-o singură etapă, fără utilizarea sistemelor complexe de transmisie și a utilizării părților de conducere;
• absența fluidelor și a gazelor de lucru;
• fără emisii de substanțe nocive, căldură reziduală și poluare sonoră a mediului;
• dispozitiv pentru funcționarea autonomă pe termen lung;
• utilizarea căldurii reziduale (surse secundare de căldură) pentru a economisi resursele energetice
• lucrează în orice poziție a obiectului, indiferent de mediul operațional: spațiu, apă, pământ;
• generarea curentului direct la tensiune joasă;
• imunitate la scurtcircuit;
• nelimitat termen de valabilitate, 100% disponibilitatea de a lucra.

Aplicații ale generatorului termoelectric

Avantajele TEG au determinat perspectivele de dezvoltare și viitorul său apropiat:

• studiul oceanului și a spațiului cosmic;
• aplicarea în energie alternativă mică (casnic);
• utilizarea căldurii de la conductele de eșapament ale autoturismelor;
• în sistemele de procesare a gunoiului;
• în sistemele de răcire și climatizare;
• în sistemele de pompe de căldură, pentru încălzirea instantanee a motoarelor diesel ale locomotivelor și autoturismelor diesel;
• încălzirea și gătitul în condiții de mers;
• Încărcarea dispozitivelor electronice și a ceasurilor;
• brățări senzoriale alimentare pentru sportivi.

Convertor termoelectric Peltier

Elementul Peltier (EP) este un traductor termoelectric care funcționează cu același efect Peltier, unul dintre cele trei efecte termoelectrice (Seebeck și Thomson).

Francezul Jean-Charles Peltier a legat firele de cupru și bismut unul de altul și le-a conectat la baterie, creând astfel o pereche de compuși de două metale diferite. Când bateria a fost pornită, una dintre tranziții a fost încălzită, iar cealaltă a fost răcită.

Aparate bazate pe efectul Peltier, este extrem de fiabile, deoarece acestea nu au componente în mișcare, nu necesită întreținere, nu au gaze nocive, sunt compacte și sunt capabili de a lucra bi-direcțională (încălzire și răcire), în funcție de direcția curentului.

Din păcate, acestea sunt ineficiente, au eficiență scăzută, dau multă căldură, ceea ce necesită o ventilație suplimentară și crește costul dispozitivului. Aceste dispozitive consumă destulă energie electrică și pot provoca supraîncălzirea sau condensarea. Elementele Peltier cu dimensiuni peste 60 mm x 60 mm nu sunt practic găsite.

Domeniul de aplicare al PE

Introducerea de tehnologii avansate în domeniul producției de termoelectrice a condus la o reducere a costurilor de producție ale PE și la extinderea accesului pe piață.

Astăzi EP este utilizat pe scară largă:

• în răcitoare portabile, pentru răcirea aparatelor mici și a componentelor electronice;
• în dezumidificatoare pentru a extrage apa din aer;
• în vehiculele spațiale, pentru a echilibra efectul luminii directe a soarelui pe o parte a navei, disipând căldura pe cealaltă parte;
• pentru răcirea detectoarelor fotonice ale telescoapelor astronomice și a camerelor digitale de înaltă calitate pentru a reduce la minimum erorile de observație generate de supraîncălzire;
• pentru răcirea componentelor calculatorului.

Recent, a fost utilizat pe scară largă în scopuri zilnice:

• în dispozitivele de răcire, alimentarea prin port USB pentru răcirea sau încălzirea băuturilor;
• sub forma unei etape suplimentare de răcire pentru frigidere de compresie cu o scădere a temperaturii de -80 grade pentru răcirea cu o singură treaptă și până la -120 pentru o răcire în două etape;
• în autoturisme pentru crearea de frigidere sau încălzitoare autonome.

China a început producția de Peltier elemente modificări TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 cost cu o schimbare de până la 7 euro, care pot lucra într-o zonă de temperatură pentru a oferi un „cald-rece“ putere de până la 200 W, de viață de până la 200 000 de ore cu - 30 până la 138 de grade Celsius.

Baterii nucleare ale RTG-urilor

Un generator termoelectric radioizotop (RTG) este un dispozitiv care utilizează un termocuplu pentru a transforma căldura eliberată din decăderea materialului radioactiv în energie electrică. Acest generator nu are componente în mișcare. RTG a fost folosit ca sursă de energie pentru sateliți, nave spațiale, obiecte de faruri de la distanță construite de URSS pentru Cercul Arctic.

RTG-urile sunt, în general, cea mai preferată sursă de energie pentru dispozitivele care necesită câteva sute de puteri. În celulele de combustie, bateriile sau generatoarele instalate în locuri unde celulele solare sunt ineficiente. Un generator termoelectric radioizotop necesită respectarea strictă a manipulării atente a radioizotopilor pentru o lungă perioadă de timp după terminarea duratei sale de viață.

În Rusia există au fost utilizate în principal pentru alimentarea cu energie a mijloacelor de acțiuni suplimentare despre 1000 RTGS: faruri, balize și alte echipamente radio speciale. Primele RTGS spațiu la poloniu-210 a fost "Lemon-1" în 1962, urmat de "Orion-1" 20W. Ultima modificare a fost instalată pe sateliții Strela-1 și Kosmos-84/90. De „Lunokhod“ și -1.2 „Mars-96“ este utilizat în sistemele de încălzire RTG.

Dispozitivul unui generator termoelectric cu mâinile proprii

Astfel de procese complexe care au loc în TEG, nu opresc culibinul local într-un efort de a se alătura procesului științific și tehnic mondial pentru crearea TEG. Utilizarea TEG auto-fabricat a fost folosită de mult timp. În timpul Marelui Război Patriotic, partizanii au făcut un generator termoelectric universal. El a produs un curent electric pentru încărcarea radioului.

Odată cu apariția elementelor Peltier pe piață pentru prețuri accesibile pentru consumatorii casnici, este posibil să se facă TEG în sine urmând pașii.

1. Cumpărați două radiatoare în magazinul IT și aplicați unsoare termică. Acesta din urmă va facilita conectarea elementului Peltier.
2. Împărțiți radiatoarele cu orice izolator termic.
3. Faceți o gaură în izolator pentru a acoperi elementul și firele Peltier.
4. Asamblați structura și aduceți sursa de căldură (lumânare) la unul dintre radiatoare. Cu cât este mai mare încălzirea, cu atât va fi generat mai mult curent de la generatorul termoelectric de acasă.

Acest dispozitiv funcționează în tăcere și are o greutate redusă. Generatorul termoelectric ic2, în funcție de dimensiune, poate conecta încărcarea unui telefon mobil, porni un mic receptor radio și iluminare cu LED.

În prezent, mulți producători de renume mondial au lansat diverse gadget-uri disponibile folosind TEG pentru pasionații de mașini și călători.

Perspective pentru dezvoltarea generației termoelectrice

Se așteaptă ca cererea pentru consumul gospodăriilor populației TEG să crească cu 14%. Perspectivele de dezvoltare a generării termoelectric publicate Cercetare de piață viitoare, a emis un document „Raport privind Generator Global Thermoelectric Studiu de piață - Prognoza pentru 2022“, - analize de piață, volumul, cota, muta, tendințe și previziuni. Raportul confirmă perspectiva TEG în reciclarea deșeurilor și sisteme auto și electricitate co-producție de energie termică pentru instalațiile casnice și industriale.

Din punct de vedere geografic, piața globală a generatoarelor termoelectrice a fost împărțită în America, Europa, Asia-Pacific, India și Africa. APR este considerat segmentul cu cea mai rapidă creștere în domeniul introducerii pe piață a TEG.

Dintre aceste regiuni, America, potrivit experților, este principala sursă de venituri pe piața TEG globală. Se așteaptă ca o creștere a cererii de energie curată să sporească cererea în America.

Europa va prezenta, de asemenea, o creștere relativ rapidă în perioada de prognoză. India și China vor crește consumul într-un ritm semnificativ datorită creșterii cererii de vehicule, ceea ce va duce la o creștere a pieței generatoarelor.

companii producatoare de autoturisme, cum ar fi Volkswagen, Ford, BMW și Volvo, în colaborare cu NASA, au început deja să se dezvolte un sisteme de recuperare a căldurii și economie de combustibil mini-TEG în vehicul.