Termoelektrični generator (TEG termogenerator) je električni uređaj koji koristi efekte Seebeck, Thomson i Peltier za proizvodnju električne energije putem termo-EMF. Termo-EMF efekt otkrio je njemački znanstvenik Thomas Johann Seebeck (Seebeck efekt) 1821. Godine 1851. William Thomson (kasnije Lord Kelvin) nastavio je termodinamička istraživanja i dokazao da je izvor elektromotorne sile (EMF) temperaturna razlika.
U 1834., francuski izumitelj i urar Jean Charles Peltier otkrio je drugi termoelektrični efekt, otkrio da se temperaturna razlika javlja na spoju dvije različite vrste materijala pod utjecajem električne struje (Peltierov efekt). Konkretno, predvidio je da će se EMF razviti unutar jednog vodiča kada postoji temperaturna razlika.
1950. godine ruski akademik i istraživač Abram Ioffe otkrio je termoelektrična svojstva poluvodiča. Termoelektrični generator se počeo koristiti usustavi autonomnog napajanja u nepristupačnim područjima. Proučavanje svemira, čovjekova svemirska šetnja dala je snažan poticaj brzom razvoju termoelektričnih pretvarača.
Radioizotopski izvor energije prvi je put instaliran na letjelice i orbitalne stanice. Počinju se koristiti u velikoj naftnoj i plinskoj industriji za antikorozivnu zaštitu plinovoda, u istraživačkom radu na Dalekom sjeveru, u području medicine kao pejsmejkeri i u stanovanju kao autonomni izvori napajanja.
Termoelektrični efekt i prijenos topline u elektroničkim sustavima
Termoelektrični generatori, čiji se princip rada temelji na kompleksnoj uporabi učinka triju znanstvenika (Seebeck, Thomson, Peltier), razvijeni su gotovo 150 godina nakon otkrića koja su bila daleko ispred svog vremena.
Termoelektrični efekt je sljedeći fenomen. Za hlađenje ili proizvodnju električne energije koristi se "modul" koji se sastoji od električno spojenih parova. Svaki par se sastoji od poluvodičkog materijala p (S> 0) i n (S<0). Ova dva materijala povezana su vodičem čija se termoelektrična snaga pretpostavlja da je nula. Dvije grane (p i n) i svi ostali parovi koji čine modul spojeni su serijski u električnom krugu i paralelno u toplinskom krugu. TEG (termoelektrični generator) s ovim rasporedom stvara uvjete za optimizaciju protoka topline koji prolazi kroz modul, prevladavajući gaelektrični otpor. Električna struja djeluje na način da se nosioci naboja (elektroni i rupe) kreću od hladnog izvora do vrućeg izvora (u termodinamičkom smislu) u dvije grane para. Istovremeno doprinose prijenosu entropije s hladnog izvora na vrući, na toplinski tok koji će se oduprijeti provođenju topline.
Ako odabrani materijali imaju dobra termoelektrična svojstva, ovaj toplinski tok generiran kretanjem nositelja naboja bit će veći od toplinske vodljivosti. Stoga će sustav prenijeti toplinu s hladnog izvora na vrući i djelovati kao hladnjak. U slučaju proizvodnje električne energije, toplinski tok uzrokuje pomicanje nositelja naboja i pojavu električne struje. Što je veća temperaturna razlika, to se više električne energije može dobiti.
TEG učinkovitost
Ocjenjuje se faktorom učinkovitosti. Snaga termoelektričnog generatora ovisi o dva kritična čimbenika:
- Količina toplinskog toka koja se može uspješno kretati kroz modul (toplinski tok).
- Temperaturne delte (DT) - temperaturna razlika između tople i hladne strane generatora. Što je delta veća, to učinkovitije radi, stoga se moraju konstruktivno osigurati uvjeti, kako za maksimalno dovod hladnoće tako i za maksimalno odvođenje topline sa zidova generatora.
Izraz "učinkovitost termoelektričnih generatora" sličan je izrazu koji se primjenjuje na sve druge vrstetoplinski motori. Do sada je vrlo nizak i ne iznosi više od 17% Carnotove učinkovitosti. Učinkovitost TEG generatora ograničena je Carnotovom učinkovitošću i u praksi čak i pri visokim temperaturama doseže samo nekoliko postotaka (2-6%). To je zbog niske toplinske vodljivosti u poluvodičkim materijalima, što ne pogoduje učinkovitoj proizvodnji energije. Dakle, potrebni su materijali niske toplinske vodljivosti, ali u isto vrijeme s najvećom mogućom električnom vodljivošću.
Poluvodiči rade bolje od metala, ali su još jako daleko od onih pokazatelja koji bi termoelektrični generator doveli na razinu industrijske proizvodnje (s najmanje 15% korištenja visokotemperaturne topline). Daljnje povećanje učinkovitosti TEG-a ovisi o svojstvima termoelektričnih materijala (termoelektrika), potraga za kojima je trenutno zaokupljena cjelokupnim znanstvenim potencijalom planeta.
Razvoj novih termoelektrika je relativno složen i skup, ali ako bude uspješan, prouzročit će tehnološku revoluciju u sustavima proizvodnje.
Termoelektrični materijali
Termoelektrici se sastoje od posebnih legura ili poluvodičkih spojeva. Nedavno su se električni vodljivi polimeri koristili za termoelektrična svojstva.
Zahtjevi za termoelektriku:
- visoka učinkovitost zbog niske toplinske vodljivosti i visoke električne vodljivosti, visoki Seebeck koeficijent;
- otpornost na visoke temperature i termomehaničkautjecaj;
- pristupačnost i sigurnost okoliša;
- otpornost na vibracije i nagle promjene temperature;
- dugoročna stabilnost i niska cijena;
- automatizacija procesa proizvodnje.
Trenutno su u tijeku eksperimenti za odabir optimalnih termoparova, koji će povećati učinkovitost TEG-a. Termoelektrični poluvodički materijal je legura telurida i bizmuta. Posebno je proizveden kako bi osigurao pojedinačne blokove ili elemente s različitim "N" i "P" karakteristikama.
Termoelektrični materijali najčešće se izrađuju usmjerenom kristalizacijom iz rastaljene ili prešane metalurgije praha. Svaka metoda proizvodnje ima svoju posebnu prednost, ali materijali usmjereni na rast su najčešći. Uz bizmut telurit (Bi 2 Te 3), postoje i drugi termoelektrični materijali, uključujući legure olova i telurita (PbTe), silicija i germanija (SiGe), bizmuta i antimona (Bi-Sb), koji se mogu koristiti u specifičnim slučajevima. Dok su termoelementi od bizmuta i telurida najbolji za većinu TEG-ova.
Dostojanstvo TEG-a
Prednosti termoelektričnih generatora:
- električna energija se proizvodi u zatvorenom, jednostupanjskom krugu bez upotrebe složenih prijenosnih sustava i upotrebe pokretnih dijelova;
- nedostatak radnih tekućina i plinova;
- bez emisija štetnih tvari, otpadne topline i onečišćenja okoliša bukom;
- uređaj dugi vijek trajanja baterijefunkcioniranje;
- korištenje otpadne topline (sekundarni izvori topline) za uštedu energetskih resursa
- rad na bilo kojem položaju objekta, bez obzira na radno okruženje: prostor, voda, zemlja;
- generacija niskog napona DC;
- imunitet na kratki spoj;
- Neograničen rok trajanja, 100% spreman za upotrebu.
Područja primjene termoelektričnog generatora
Prednosti TEG-a odredile su razvojne izglede i njegovu blisku budućnost:
- proučavanje oceana i svemira;
- primjena u maloj (domaćoj) alternativnoj energiji;
- koristeći toplinu iz ispušnih cijevi automobila;
- u sustavima za recikliranje;
- u sustavima hlađenja i klimatizacije;
- u sustavima toplinskih pumpi za trenutno grijanje dizel motora dizel lokomotiva i automobila;
- grijanje i kuhanje u poljskim uvjetima;
- punjenje elektroničkih uređaja i satova;
- prehrana senzornih narukvica za sportaše.
Termoelektrični Peltierov pretvarač
Peltier element (EP) je termoelektrični pretvarač koji radi korištenjem istoimenog Peltierovog efekta, jednog od tri termoelektrična efekta (Seebeck i Thomson).
Francuz Jean-Charles Peltier povezao je bakrene i bizmutne žice jedno s drugim i spojio ih na bateriju, stvarajući tako par spojeva od dvarazličiti metali. Kada bi se baterija uključila, jedan od spojeva bi se zagrijao, a drugi bi se ohladio.
Uređaji s Peltierovim efektom iznimno su pouzdani jer nemaju pokretne dijelove, ne zahtijevaju održavanje, ne ispuštaju štetne plinove, kompaktni su i imaju dvosmjerni rad (grijanje i hlađenje) ovisno o smjeru struje.
Nažalost, oni su neučinkoviti, imaju nisku učinkovitost, emitiraju dosta topline, što zahtijeva dodatnu ventilaciju i povećava cijenu uređaja. Takvi uređaji troše dosta električne energije i mogu uzrokovati pregrijavanje ili kondenzaciju. Peltierovi elementi veći od 60 mm x 60 mm gotovo se nikada ne nalaze.
Opseg ES
Uvođenje naprednih tehnologija u proizvodnju termoelektrika dovelo je do smanjenja troškova proizvodnje EP-a i proširenja dostupnosti tržištu.
Danas se EP široko koristi:
- u prijenosnim hladnjacima, za hlađenje malih uređaja i elektroničkih komponenti;
- u odvlaživačima za izvlačenje vode iz zraka;
- u svemirskoj letjelici kako bi se uravnotežio učinak izravne sunčeve svjetlosti na jednoj strani broda dok se toplina odvodi na drugu stranu;
- za hlađenje fotonskih detektora astronomskih teleskopa i visokokvalitetnih digitalnih kamera kako bi se minimizirale pogreške promatranja zbog pregrijavanja;
- za hlađenje komponenata računala.
Odnedavno se naširoko koristi u domaće svrhe:
- u rashladnim uređajima napajanim USB priključkom za hlađenje ili zagrijavanje pića;
- u obliku dodatne faze hlađenja kompresijskih hladnjaka sa smanjenjem temperature na -80 stupnjeva za jednostupanjsko hlađenje i do -120 za dvostupanjsko hlađenje;
- u automobilima za stvaranje autonomnih hladnjaka ili grijača.
Kina je pokrenula proizvodnju Peltierovih elemenata modifikacija TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 u vrijednosti do 7 eura, koji mogu osigurati snagu do 200 W prema shemama "toplina-hladno", sa vijekom trajanja do 200.000 sati rada u temperaturnoj zoni od -30 do 138 stupnjeva Celzija.
RITEG nuklearne baterije
Radioizotopni termoelektrični generator (RTG) je uređaj koji koristi termoelemente za pretvaranje topline iz raspada radioaktivnog materijala u električnu energiju. Ovaj generator nema pokretne dijelove. RITEG se koristio kao izvor energije na satelitima, svemirskim letjelicama, udaljenim svjetionicima koje je SSSR izgradio za Arktički krug.
RTG-ovi su općenito najpoželjniji izvor napajanja za uređaje koji zahtijevaju nekoliko stotina wata snage. U gorivnim ćelijama, baterijama ili generatorima instaliranim na mjestima gdje su solarne ćelije neučinkovite. Radioizotopni termoelektrični generator zahtijeva strogo rukovanje radioizotopom tijekomdugo nakon isteka radnog vijeka.
U Rusiji postoji oko 1.000 RTG-ova koji su se uglavnom koristili za izvore energije na dalekometnim sredstvima: svjetionici, radio svjetionici i druga specijalna radijska oprema. Prvi svemirski RTG na polonij-210 bio je Limon-1 1962. godine, zatim Orion-1 snage 20 W. Najnovija modifikacija instalirana je na satelitima Strela-1 i Kosmos-84/90. Lunohodi-1, 2 i Mars-96 koristili su RTG u svojim sustavima grijanja.
DIY termoelektrični generator
Tako složeni procesi koji se odvijaju u TEG-u ne zaustavljaju domaće "Kulibine" u njihovoj želji da se uključe u globalni znanstveno-tehnički proces za stvaranje TEG-a. Korištenje domaćih TEG-ova koristi se već duže vrijeme. Tijekom Velikog Domovinskog rata partizani su napravili univerzalni termoelektrični generator. Proizvodio je električnu energiju za punjenje radija.
Pojavom Peltierovih elemenata na tržištu po pristupačnim cijenama za potrošače u kućanstvu, moguće je sami izraditi TEG slijedeći korake u nastavku.
- Nabavite dva hladnjaka iz IT trgovine i nanesite termalnu pastu. Potonji će olakšati povezivanje Peltierovog elementa.
- Odvojite radijatore bilo kojim toplinskim izolatorom.
- Napravite rupu u izolatoru za smještaj Peltierovog elementa i žica.
- Sastavite strukturu i dovedite izvor topline (svijeću) do jednog od radijatora. Što je grijanje duže, to će se više struje stvarati iz kućne termoelektrikegenerator.
Ovaj uređaj radi tiho i lagan je. Termoelektrični generator ic2, prema veličini, može spojiti punjač za mobitel, uključiti mali radio i uključiti LED rasvjetu.
Trenutno su mnogi poznati svjetski proizvođači pokrenuli proizvodnju raznih pristupačnih gadgeta koji koriste TEG za ljubitelje automobila i putnike.
Izgledi za razvoj termoelektrične proizvodnje
Očekuje se da će potražnja za potrošnjom TEG-ova u kućanstvima porasti za 14%. Perspektive razvoja termoelektrične proizvodnje objavio je Market Research Future izdavanjem članka "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - analiza tržišta, volumen, udio, napredak, trendovi i prognoze. Izvješće potvrđuje obećanje TEG-a u recikliranju automobilskog otpada i kogeneraciji električne i toplinske energije za kućanske i industrijske objekte.
Geografski gledano, globalno tržište termoelektričnih generatora podijeljeno je na Ameriku, Europu, Aziju-Pacifik, Indiju i Afriku. Azijsko-pacifički ocean smatra se najbrže rastućim segmentom u implementaciji TEG tržišta.
Među tim regijama, Amerika je, prema mišljenju stručnjaka, glavni izvor prihoda na globalnom tržištu TEG-a. Očekuje se da će povećanje potražnje za čistom energijom povećati potražnju u Americi.
Europa će također pokazati relativno brz rast tijekom razdoblja predviđanja. Indija i Kina hoćepovećati potrošnju značajnom brzinom zbog povećanja potražnje za vozilima, što će dovesti do rasta tržišta generatora.
Automobilske tvrtke poput Volkswagena, Forda, BMW-a i Volva, u suradnji s NASA-om, već su počele razvijati mini-TEG-ove za povrat topline i sustav uštede goriva u vozilima.
