Termo-elektriese kragopwekker (TEG-termogenerator) is 'n elektriese toestel wat die Seebeck-, Thomson- en Peltier-effekte gebruik om elektrisiteit deur termo-EMF op te wek. Die termo-EMF-effek is ontdek deur die Duitse wetenskaplike Thomas Johann Seebeck (Seebeck-effek) in 1821. In 1851 het William Thomson (later Lord Kelvin) termodinamiese navorsing voortgesit en bewys dat die bron van die elektromotoriese krag (EMF) 'n temperatuurverskil is.
In 1834 het die Franse uitvinder en horlosiemaker Jean Charles Peltier die tweede termo-elektriese effek ontdek, en gevind dat die temperatuurverskil plaasvind by die aansluiting van twee verskillende soorte materiale onder die invloed van 'n elektriese stroom (Peltier-effek). Hy het spesifiek voorspel dat 'n EMK binne 'n enkele geleier sou ontwikkel wanneer daar 'n temperatuurverskil was.
In 1950 het die Russiese akademikus en navorser Abram Ioffe die termo-elektriese eienskappe van halfgeleiers ontdek. Termo-elektriese kragopwekker het begin gebruik word inoutonome kragtoevoerstelsels in ontoeganklike gebiede. Die studie van die buitenste ruimte, die mens se ruimtewandeling het 'n kragtige stukrag gegee aan die vinnige ontwikkeling van termo-elektriese omsetters.
Die radio-isotoop-energiebron is die eerste keer op ruimtetuie en orbitale stasies geïnstalleer. Hulle begin gebruik word in die groot olie- en gasbedryf vir korrosiebeskerming van gaspypleidings, in navorsingswerk in die Verre Noorde, op die gebied van medisyne as pasaangeërs, en in behuising as outonome bronne van kragvoorsiening.
Termo-elektriese effek en hitte-oordrag in elektroniese stelsels
Termo-elektriese kragopwekkers, waarvan die werkingsbeginsel gebaseer is op die komplekse gebruik van die effek van drie wetenskaplikes (Seebeck, Thomson, Peltier), is byna 150 jaar ná ontdekkings ontwikkel wat hul tyd ver vooruit was.
Termo-elektriese effek is die volgende verskynsel. Vir verkoeling of opwekking van elektrisiteit word 'n "module" wat uit elektries gekoppelde pare bestaan, gebruik. Elke paar bestaan uit halfgeleiermateriaal p (S> 0) en n (S<0). Hierdie twee materiale word verbind deur 'n geleier waarvan die termo-elektriese drywing as nul aanvaar word. Twee takke (p en n) en alle ander pare waaruit die module bestaan, is in serie in die elektriese stroombaan en parallel in die termiese stroombaan gekoppel. TEG (termo-elektriese kragopwekker) met hierdie uitleg skep toestande om die hittevloei wat deur die module gaan, te optimaliseer en dit te oorkomelektriese weerstand. Elektriese stroom werk op so 'n manier dat ladingdraers (elektrone en gate) van 'n koue bron na 'n warm bron (in die termodinamiese sin) in twee vertakkings van die paar beweeg. Terselfdertyd dra hulle by tot die oordrag van entropie van 'n koue bron na 'n warm een, tot 'n hittevloei wat hittegeleiding sal weerstaan.
As die geselekteerde materiale goeie termo-elektriese eienskappe het, sal hierdie hittevloed wat deur die beweging van ladingdraers gegenereer word, groter wees as die termiese geleidingsvermoë. Daarom sal die stelsel hitte van 'n koue bron na 'n warm een oordra en as 'n yskas dien. In die geval van elektrisiteitsopwekking veroorsaak die hittevloei die verplasing van ladingdraers en die voorkoms van 'n elektriese stroom. Hoe groter die temperatuurverskil, hoe meer elektrisiteit kan verkry word.
TEG-doeltreffendheid
Beoordeel deur die doeltreffendheidsfaktor. Die krag van 'n termo-elektriese kragopwekker hang van twee kritieke faktore af:
- Die hoeveelheid hittevloei wat suksesvol deur die module kan beweeg (hittevloei).
- Temperature deltas (DT) - die temperatuurverskil tussen die warm en koue kant van die kragopwekker. Hoe groter die delta, hoe doeltreffender werk dit, daarom moet toestande konstruktief voorsien word, beide vir maksimum koue toevoer en maksimum hitte verwydering van die generator mure.
Die term "doeltreffendheid van termo-elektriese kragopwekkers" is soortgelyk aan die term wat op alle ander tipes gebruik wordtermiese enjins. Tot dusver is dit baie laag en beloop nie meer as 17% van Carnot se doeltreffendheid nie. Die doeltreffendheid van die TEG-opwekker word beperk deur die Carnot-doeltreffendheid en bereik in die praktyk slegs 'n paar persent (2-6%) selfs by hoë temperature. Dit is as gevolg van die lae termiese geleidingsvermoë in halfgeleiermateriale, wat nie bevorderlik is vir doeltreffende kragopwekking nie. Dus word materiale met lae termiese geleidingsvermoë, maar terselfdertyd met die hoogste moontlike elektriese geleidingsvermoë benodig.
Halfgeleiers doen 'n beter werk as metale, maar is steeds baie ver van daardie aanwysers wat 'n termo-elektriese kragopwekker tot die vlak van industriële produksie sal bring (met ten minste 15% gebruik van hoë-temperatuur hitte). 'n Verdere toename in die doeltreffendheid van TEG hang af van die eienskappe van termo-elektriese materiale (termo-elektriese stowwe), waarna die soektog tans deur die hele wetenskaplike potensiaal van die planeet in beslag geneem word.
Die ontwikkeling van nuwe termo-elektriese toestelle is relatief kompleks en duur, maar as dit suksesvol is, sal dit 'n tegnologiese omwenteling in generasiestelsels veroorsaak.
Termo-elektriese materiale
Termo-elektriese elemente bestaan uit spesiale legerings of halfgeleierverbindings. Onlangs is elektries geleidende polimere gebruik vir termo-elektriese eienskappe.
Vereistes vir termo-elektries:
- hoë doeltreffendheid as gevolg van lae termiese geleidingsvermoë en hoë elektriese geleidingsvermoë, hoë Seebeck-koëffisiënt;
- weerstand teen hoë temperature en termomeganiesimpak;
- toeganklikheid en omgewingsveiligheid;
- weerstand teen vibrasies en skielike veranderinge in temperatuur;
- langtermynstabiliteit en lae koste;
- outomatisering van die vervaardigingsproses.
Eksperimente is tans aan die gang om optimale termokoppels te kies, wat die TEG-doeltreffendheid sal verhoog. Die termo-elektriese halfgeleiermateriaal is 'n legering van telluried en bismut. Dit is spesiaal vervaardig om individuele blokke of elemente met verskillende "N"- en "P"-eienskappe te voorsien.
Termo-elektriese materiale word meestal gemaak deur rigting-kristallisasie van gesmelte of geperste poeiermetallurgie. Elke vervaardigingsmetode het sy eie besondere voordeel, maar rigtinggroeimateriale is die algemeenste. Benewens bismuttelluriet (Bi 2 Te 3), is daar ander termo-elektriese materiale, insluitend legerings van lood en telluriet (PbTe), silikon en germanium (SiGe), bismut en antimoon (Bi-Sb), wat in spesifieke gebruike gebruik kan word. gevalle. Terwyl bismut- en telluried-termokoppels die beste is vir die meeste TEG's.
Dignity of TEG
Voordele van termo-elektriese kragopwekkers:
- elektrisiteit word opgewek in 'n geslote, enkelstadiumkring sonder die gebruik van komplekse transmissiestelsels en die gebruik van bewegende dele;
- gebrek aan werkende vloeistowwe en gasse;
- geen vrystelling van skadelike stowwe, afvalhitte en geraasbesoedeling van die omgewing;
- toestel lang batterylewefunksioneer;
- gebruik van afvalhitte (sekondêre hittebronne) om energiebronne te bespaar
- werk in enige posisie van die voorwerp, ongeag die bedryfsomgewing: ruimte, water, aarde;
- DC-laespanning-opwekking;
- kortsluiting-immuniteit;
- Onbeperkte raklewe, 100% gereed om te gebruik.
Toepassingsvelde van termo-elektriese kragopwekker
Die voordele van TEG het die ontwikkelingsvooruitsigte en sy nabye toekoms bepaal:
- studie van die see en ruimte;
- toepassing in klein (huishoudelike) alternatiewe energie;
- gebruik hitte van motoruitlaatpype;
- in herwinningstelsels;
- in verkoeling- en lugversorgingstelsels;
- in hittepompstelsels vir kitsverhitting van dieselenjins van diesellokomotiewe en motors;
- verhitting en kook in veldtoestande;
- laai elektroniese toestelle en horlosies;
- voeding van sensoriese armbande vir atlete.
Termo-elektriese Peltier-omskakelaar
Peltier-element (EP) is 'n termo-elektriese omsetter wat gebruik maak van die Peltier-effek met dieselfde naam, een van die drie termo-elektriese effekte (Seebeck en Thomson).
Fransman Jean-Charles Peltier het koper- en bismutdrade aan mekaar gekoppel en aan 'n battery gekoppel, en sodoende 'n paar verbindings van twee geskepverskillende metale. Wanneer die battery aangeskakel is, sou een van die aansluitings verhit word en die ander sou afkoel.
Peltier-effektoestelle is uiters betroubaar omdat hulle geen bewegende dele het nie, onderhoudsvry is, geen skadelike gasse vrystel nie, kompak is en tweerigtingwerking het (verhitting en verkoeling) afhangende van die rigting van die stroom.
Ongelukkig is hulle ondoeltreffend, het 'n lae doeltreffendheid, straal nogal baie hitte uit, wat bykomende ventilasie vereis en die koste van die toestel verhoog. Sulke toestelle verbruik redelik baie elektrisiteit en kan oorverhitting of kondensasie veroorsaak. Peltier-elemente groter as 60 mm x 60 mm word amper nooit gevind nie.
Omvang van ES
Die bekendstelling van gevorderde tegnologieë in die vervaardiging van termo-elektriese toestelle het gelei tot 'n verlaging in die produksiekoste van EP en uitbreiding van marktoeganklikheid.
Vandag word EP wyd gebruik:
- in draagbare verkoelers, vir die verkoeling van klein toestelle en elektroniese komponente;
- in luchtontvochtigers om water uit die lug te onttrek;
- in ruimtetuie om die effek van direkte sonlig aan die een kant van die skip te balanseer terwyl hitte na die ander kant versprei word;
- om die fotondetektors van astronomiese teleskope en hoë kwaliteit digitale kameras af te koel om waarnemingsfoute as gevolg van oorverhitting te minimaliseer;
- vir die verkoeling van rekenaarkomponente.
Onlangs is dit wyd gebruik vir huishoudelike doeleindes:
- in koeler toestelle wat deur USB-poort aangedryf word om drankies af te koel of te verhit;
- in die vorm van 'n bykomende stadium van verkoeling van kompressie-yskaste met 'n afname in temperatuur tot -80 grade vir een-fase verkoeling en tot -120 vir twee-stadium;
- in motors om outonome yskaste of verwarmers te skep.
China het die vervaardiging van Peltier-elemente van wysigings TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 ter waarde van tot 7 euro van stapel gestuur, wat krag tot 200 W kan verskaf volgens die "hitte-koue" skemas, met 'n dienslewe van tot 200 000 werksure in die temperatuursone van -30 tot 138 grade Celsius.
RITEG-kernbatterye
'n Radio-isotoop termo-elektriese generator (RTG) is 'n toestel wat termokoppels gebruik om hitte van die verval van radioaktiewe materiaal in elektrisiteit om te skakel. Hierdie kragopwekker het geen bewegende dele nie. RITEG is gebruik as 'n energiebron op satelliete, ruimtetuie, afgeleë vuurtoringfasiliteite wat deur die USSR gebou is vir die Arktiese Sirkel.
RTG's is oor die algemeen die mees voorkeurkragbron vir toestelle wat etlike honderde watt krag benodig. In brandstofselle, batterye of kragopwekkers geïnstalleer op plekke waar sonselle ondoeltreffend is. 'n Radio-isotoop termo-elektriese kragopwekker vereis streng radio-isotoop hantering tydenslank na die einde van sy dienslewe.
Daar is ongeveer 1 000 RTG's in Rusland, wat hoofsaaklik gebruik is vir kragbronne op langafstandmiddele: vuurtorings, radiobakens en ander spesiale radiotoerusting. Die eerste ruimte-RTG op polonium-210 was Limon-1 in 1962, toe Orion-1 met 'n krag van 20 W. Die jongste wysiging is op die Strela-1- en Kosmos-84/90-satelliete geïnstalleer. Lunokhods-1, 2 en Mars-96 het RTG's in hul verhittingstelsels gebruik.
Self-termo-elektriese kragopwekkertoestel
Sulke komplekse prosesse wat in die TEG plaasvind stop nie die plaaslike "Kulibins" in hul begeerte om by die globale wetenskaplike en tegniese proses vir die skepping van die TEG aan te sluit nie. Die gebruik van tuisgemaakte TEG's word al lank gebruik. Tydens die Groot Patriotiese Oorlog het partisane 'n universele termo-elektriese kragopwekker gemaak. Dit het elektrisiteit opgewek om die radio te laai.
Met die koms van Peltier-elemente op die mark teen bekostigbare pryse vir die huishoudelike verbruiker, is dit moontlik om self 'n TEG te maak deur die stappe hieronder te volg.
- Kry twee heatsinks van 'n IT-winkel en wend termiese pasta aan. Laasgenoemde sal die verbinding van die Peltier-element vergemaklik.
- Skei die verkoelers met enige hitte-isolator.
- Maak 'n gaatjie in die isolator om die Peltier-element en drade te akkommodeer.
- Stel die struktuur bymekaar en bring die hittebron (kers) na een van die verkoelers. Hoe langer die verwarming, hoe meer stroom sal uit die huis se termo-elektriese gegenereer wordkragopwekker.
Hierdie toestel werk stil en is lig in gewig. Die ic2 termo-elektriese kragopwekker, volgens die grootte, kan selfoonlaaier koppel, 'n klein radio aanskakel en LED-beligting aanskakel.
Tans het baie bekende wêreldwye vervaardigers die vervaardiging van verskeie bekostigbare toestelle met TEG vir motor-entoesiaste en reisigers bekendgestel.
Vooruitsigte vir die ontwikkeling van termo-elektriese opwekking
Die vraag na huishoudelike verbruik van TEG's sal na verwagting met 14% groei. Termo-elektriese generasie-ontwikkelingsvooruitsigte is deur Market Research Future gepubliseer deur die uitreiking van die referaat "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - markanalise, volume, aandeel, vordering, tendense en voorspellings. Die verslag bevestig die belofte van TEG in die herwinning van motorafval en mede-opwekking van elektrisiteit en hitte vir huishoudelike en industriële fasiliteite.
Geografies is die wêreldwye termo-elektriese kragopwekkermark verdeel in Amerika, Europa, Asië-Stille Oseaan, Indië en Afrika. Asië-Stille Oseaan word beskou as die segment wat die vinnigste groei in die implementering van die TEG-mark.
Onder hierdie streke is Amerika, volgens kenners, die hoofbron van inkomste in die globale TEG-mark. 'n Toename in die vraag na skoon energie sal na verwagting die vraag in Amerika verhoog.
Europa sal ook relatief vinnige groei toon gedurende die voorspellingsperiode. Indië en China salverhoog verbruik teen 'n aansienlike tempo as gevolg van die toename in die vraag na voertuie, wat sal lei tot die groei van die kragopwekkermark.
Motormaatskappye soos Volkswagen, Ford, BMW en Volvo, in samewerking met NASA, het reeds begin met die ontwikkeling van mini-TEG's vir die hitteherwinning en brandstofverbruikstelsel in voertuie.
