Termoelektrik jeneratör (TEG termojeneratör), termo-EMF yoluyla elektrik üretmek için Seebeck, Thomson ve Peltier etkilerini kullanan elektrikli bir cihazdır. Termo-EMF etkisi, Alman bilim adamı Thomas Johann Seebeck (Seebeck etkisi) tarafından 1821'de keşfedildi. 1851'de William Thomson (daha sonra Lord Kelvin) termodinamik araştırmalarına devam etti ve elektromotor kuvvetin (EMF) kaynağının bir sıcaklık farkı olduğunu kanıtladı..
1834'te Fransız mucit ve saatçi Jean Charles Peltier, ikinci termoelektrik etkiyi keşfetti ve sıcaklık farkının, bir elektrik akımının etkisi altında iki farklı malzeme türünün birleştiği yerde meydana geldiğini buldu (Peltier etkisi). Spesifik olarak, bir sıcaklık farkı olduğunda tek bir iletken içinde bir EMF'nin gelişeceğini tahmin etti.
1950'de Rus akademisyen ve araştırmacı Abram Ioffe yarı iletkenlerin termoelektrik özelliklerini keşfetti. Termoelektrik jeneratör kullanılmaya başlandı. Erişilemeyen alanlarda otonom güç kaynağı sistemleri. Uzayın incelenmesi, insanın uzay yürüyüşü, termoelektrik dönüştürücülerin hızlı gelişimine güçlü bir ivme kazandırdı.
Radyoizotop enerji kaynağı ilk olarak uzay araçlarına ve yörünge istasyonlarına kuruldu. Büyük petrol ve gaz endüstrisinde gaz boru hatlarının korozyona karşı korunması için, Uzak Kuzey'deki araştırma çalışmalarında, tıp alanında kalp pili olarak ve konutlarda otonom güç kaynağı kaynakları olarak kullanılmaya başlıyorlar.
Elektronik sistemlerde termoelektrik etki ve ısı transferi
Çalışma prensibi üç bilim insanının (Seebeck, Thomson, Peltier) etkisinin karmaşık kullanımına dayanan termoelektrik jeneratörler, zamanlarının çok ötesinde keşiflerden neredeyse 150 yıl sonra geliştirildi.
Termoelektrik etki aşağıdaki fenomendir. Soğutma veya elektrik üretimi için, elektriksel olarak bağlı çiftlerden oluşan bir "modül" kullanılır. Her bir çift, yarı iletken malzemeden p (S> 0) ve n (S<0) oluşur. Bu iki malzeme, termoelektrik gücü sıfır olduğu varsayılan bir iletken ile birbirine bağlanır. Modülü oluşturan iki kol (p ve n) ve diğer tüm çiftler, elektrik devresinde seri, termal devrede paralel olarak bağlanmıştır. Bu düzene sahip TEG (termoelektrik jeneratör), modülden geçen ısı akışını optimize etmek ve üstesinden gelmek için koşullar yaratır.elektrik direnci. Elektrik akımı, yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) çiftin iki kolunda soğuk bir kaynaktan sıcak bir kaynağa (termodinamik anlamda) hareket edecek şekilde hareket eder. Aynı zamanda, entropinin soğuk bir kaynaktan sıcak bir kaynağa, ısı iletimine direnecek bir ısı akışına transferine katkıda bulunurlar.
Seçilen malzemeler iyi termoelektrik özelliklere sahipse, yük taşıyıcıların hareketiyle üretilen bu ısı akısı, termal iletkenlikten daha büyük olacaktır. Bu nedenle sistem, soğuk bir kaynaktan ısıyı sıcak bir kaynağa aktaracak ve bir buzdolabı görevi görecektir. Elektrik üretimi durumunda, ısı akışı yük taşıyıcıların yer değiştirmesine ve bir elektrik akımının ortaya çıkmasına neden olur. Sıcaklık farkı ne kadar büyük olursa, o kadar fazla elektrik elde edilebilir.
TEG verimliliği
Verimlilik faktörü ile değerlendirilir. Bir termoelektrik jeneratörün gücü iki kritik faktöre bağlıdır:
- Modül içerisinde başarılı bir şekilde hareket edebilen ısı akışı miktarı (ısı akışı).
- Sıcaklık deltaları (DT) - jeneratörün sıcak ve soğuk tarafı arasındaki sıcaklık farkı. Delta ne kadar büyükse, o kadar verimli çalışır, bu nedenle, hem maksimum soğuk besleme hem de jeneratör duvarlarından maksimum ısı tahliyesi için koşullar yapıcı bir şekilde sağlanmalıdır.
"Termoelektrik jeneratörlerin verimliliği" terimi, diğer tüm türler için kullanılan terime benzertermal motorlar. Şimdiye kadar, çok düşük ve Carnot'un verimliliğinin %17'sinden fazla değil. TEG jeneratörünün verimliliği, Carnot verimliliği ile sınırlıdır ve pratikte yüksek sıcaklıklarda bile sadece yüzde birkaçına (%2-6) ulaşır. Bunun nedeni, verimli güç üretimine elverişli olmayan yarı iletken malzemelerdeki düşük termal iletkenliktir. Bu nedenle ısıl iletkenliği düşük ancak aynı zamanda mümkün olan en yüksek elektriksel iletkenliğe sahip malzemelere ihtiyaç vardır.
Yarı iletkenler metallerden daha iyi bir iş çıkarır, ancak yine de bir termoelektrik jeneratörü endüstriyel üretim düzeyine getirecek göstergelerden çok uzaktır (en az %15 yüksek sıcaklıkta ısı kullanımı ile). TEG'nin verimliliğinde daha fazla artış, şu anda gezegenin tüm bilimsel potansiyeli tarafından işgal edilen termoelektrik malzemelerin (termoelektriklerin) özelliklerine bağlıdır.
Yeni termoelektriklerin geliştirilmesi nispeten karmaşık ve pahalıdır, ancak başarılı olursa üretim sistemlerinde teknolojik bir devrime neden olacaktır.
Termoelektrik malzemeler
Termoelektrikler özel alaşımlardan veya yarı iletken bileşiklerden oluşur. Son zamanlarda, termoelektrik özellikler için elektriksel olarak iletken polimerler kullanılmıştır.
Termoelektrik için gereksinimler:
- Düşük ısı iletkenliği ve yüksek elektrik iletkenliği sayesinde yüksek verim, yüksek Seebeck katsayısı;
- yüksek sıcaklıklara ve termomekaniklere dayanıklılıketki;
- erişilebilirlik ve çevre güvenliği;
- titreşimlere ve sıcaklıktaki ani değişikliklere karşı direnç;
- uzun vadeli istikrar ve düşük maliyet;
- üretim sürecinin otomasyonu.
Şu anda, TEG verimliliğini artıracak optimum termokuplları seçmek için deneyler devam etmektedir. Termoelektrik yarı iletken malzeme, tellür ve bizmut alaşımıdır. Farklı "N" ve "P" özelliklerine sahip bireysel bloklar veya elemanlar sağlamak için özel olarak üretilmiştir.
Termoelektrik malzemeler çoğunlukla erimiş veya preslenmiş toz metalurjisinden yönlü kristalizasyonla yapılır. Her üretim yönteminin kendine özgü bir avantajı vardır, ancak yönlü büyüme malzemeleri en yaygın olanlarıdır. Bizmut tellürite (Bi 2 Te 3) ek olarak, belirli alanlarda kullanılabilen kurşun ve tellürit (PbTe), silikon ve germanyum (SiGe), bizmut ve antimon (Bi-Sb) alaşımları dahil olmak üzere başka termoelektrik malzemeler de vardır. vakalar. Bizmut ve tellür termokuplları çoğu TEG için en iyisidir.
TEG'in Onuru
Termoelektrik jeneratörlerin avantajları:
- elektrik, karmaşık iletim sistemleri ve hareketli parçalar kullanılmadan kapalı, tek kademeli bir devrede üretilir;
- çalışma sıvılarının ve gazlarının olmaması;
- zararlı madde emisyonu, atık ısı ve çevrenin gürültü kirliliği yok;
- cihaz uzun pil ömrüişleyen;
- enerji kaynaklarından tasarruf etmek için atık ısının (ikincil ısı kaynakları) kullanımı
- çalışma ortamından bağımsız olarak nesnenin herhangi bir konumunda çalışın: boşluk, su, toprak;
- DC alçak gerilim üretimi;
- kısa devre bağışıklığı;
- Sınırsız raf ömrü, %100 kullanıma hazır.
Termoelektrik jeneratörün uygulama alanları
TEG'nin avantajları gelişme beklentilerini ve yakın geleceğini belirledi:
- okyanus ve uzay çalışması;
- küçük (yerli) alternatif enerjide uygulama;
- araba egzoz borularından gelen ısıyı kullanma;
- geri dönüşüm sistemlerinde;
- soğutma ve iklimlendirme sistemlerinde;
- dizel lokomotif ve arabaların dizel motorlarının anında ısıtılması için ısı pompası sistemlerinde;
- tarla koşullarında ısıtma ve pişirme;
- elektronik cihazları ve saatleri şarj etme;
- sporcular için duyusal bileziklerin beslenmesi.
Termoelektrik Peltier dönüştürücü
Peltier elementi (EP), üç termoelektrik etkiden biri olan (Seebeck ve Thomson) aynı adı taşıyan Peltier etkisini kullanarak çalışan bir termoelektrik dönüştürücüdür.
Fransız Jean-Charles Peltier, bakır ve bizmut telleri birbirine bağlayarak bir pile bağladı, böylece bir çift bağlantı oluşturdu.farklı metaller. Pil açıldığında bağlantılardan biri ısınır diğeri soğur.
Peltier efekt cihazları hareketli parça içermemeleri, bakım gerektirmemeleri, zararlı gaz yaymamaları, kompakt olmaları ve akımın yönüne bağlı olarak çift yönlü (ısıtma ve soğutma) çalışması nedeniyle son derece güvenilirdir.
Maalesef verimsizdirler, verimleri düşüktür, oldukça fazla ısı yayarlar, bu da ek havalandırma gerektirir ve cihazın maliyetini artırır. Bu tür cihazlar oldukça fazla elektrik tüketir ve aşırı ısınmaya veya yoğuşmaya neden olabilir. 60 mm x 60 mm'den büyük Peltier elemanlar neredeyse hiç bulunmaz.
ES'nin Kapsamı
Termoelektrik üretiminde ileri teknolojilerin tanıtılması, EP üretim maliyetinin düşmesine ve pazar erişilebilirliğinin genişlemesine yol açmıştır.
Bugün EP yaygın olarak kullanılıyor:
- küçük cihazları ve elektronik bileşenleri soğutmak için portatif soğutucularda;
- havadan su çekmek için nem gidericilerde;
- Geminin bir tarafında doğrudan güneş ışığının etkisini dengelemek için uzay aracında diğer tarafa ısıyı dağıtmak için;
- Aşırı ısınmadan kaynaklanan gözlem hatalarını en aza indirmek için astronomik teleskopların ve yüksek kaliteli dijital kameraların foton dedektörlerini soğutmak için;
- bilgisayar bileşenlerini soğutmak için.
Son zamanlarda, ev içi amaçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır:
- içecekleri soğutmak veya ısıtmak için USB bağlantı noktasıyla çalışan soğutucu cihazlarda;
- tek aşamalı soğutma için -80 dereceye ve iki aşamalı soğutma için -120'ye kadar sıcaklıkta bir düşüşle sıkıştırmalı buzdolaplarının ek bir soğutma aşaması şeklinde;
- otonom buzdolapları veya ısıtıcılar oluşturmak için arabalarda.
Çin, "ısı-soğuk" şemalarına göre 200 W'a kadar güç sağlayabilen 7 avroya kadar değerde TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 modifikasyonlarının Peltier elemanlarının üretimini başlattı, -30 ila 138 santigrat derece sıcaklık bölgesinde 200.000 saate kadar çalışma ömrü ile.
RITEG nükleer piller
Bir radyoizotop termoelektrik jeneratörü (RTG), radyoaktif malzemenin bozunmasından gelen ısıyı elektriğe dönüştürmek için termokupl kullanan bir cihazdır. Bu jeneratörün hareketli parçası yoktur. RITEG, SSCB tarafından Kuzey Kutup Dairesi için inşa edilen uydular, uzay araçları, uzak deniz feneri tesislerinde enerji kaynağı olarak kullanıldı.
RTG'ler genellikle birkaç yüz watt güç gerektiren cihazlar için en çok tercih edilen güç kaynağıdır. Yakıt pillerinde, güneş pillerinin verimsiz olduğu yerlere kurulan piller veya jeneratörler. Bir radyoizotop termoelektrik jeneratörü, sırasında sıkı radyoizotop kullanımı gerektirir.hizmet ömrünün bitiminden uzun süre sonra.
Rusya'da, çoğunlukla uzun menzilli güç kaynakları için kullanılan yaklaşık 1.000 RTG vardır: deniz fenerleri, radyo işaretçileri ve diğer özel radyo ekipmanları. Polonium-210 üzerindeki ilk uzay RTG'si 1962'de Limon-1, ardından 20 W gücünde Orion-1 idi. En son değişiklik Strela-1 ve Kosmos-84/90 uydularına kuruldu. Lunokhods-1, 2 ve Mars-96, ısıtma sistemlerinde RTG'ler kullandı.
DIY termoelektrik jeneratör cihazı
TEG'de gerçekleşen bu tür karmaşık süreçler, yerel "Kulibinlerin" TEG'in yaratılması için küresel bilimsel ve teknik sürece katılma arzusunu durdurmaz. Ev yapımı TEG'lerin kullanımı uzun süredir kullanılmaktadır. Büyük Vatanseverlik Savaşı sırasında partizanlar evrensel bir termoelektrik jeneratörü yaptılar. Radyoyu şarj etmek için elektrik üretti.
Ev tüketicisi için uygun fiyatlarla piyasada Peltier elemanlarının ortaya çıkmasıyla, aşağıdaki adımları izleyerek kendiniz bir TEG yapmak mümkündür.
- Bir BT mağazasından iki soğutucu alın ve termal macun uygulayın. İkincisi, Peltier öğesinin bağlantısını kolaylaştıracaktır.
- Radyatörleri herhangi bir ısı yalıtkanıyla ayırın.
- Peltier elemanını ve telleri yerleştirmek için yalıtkanda bir delik açın.
- Yapıyı birleştirin ve ısı kaynağını (mum) radyatörlerden birine getirin. Isıtma ne kadar uzun olursa, evdeki termoelektrikten o kadar fazla akım üretilirjeneratör.
Bu cihaz sessiz çalışır ve hafiftir. ic2 termoelektrik jeneratör, boyutuna göre cep telefonu şarj cihazını bağlayabilir, küçük bir radyoyu açabilir ve LED aydınlatmayı açabilir.
Şu anda, birçok tanınmış küresel üretici, araba meraklıları ve gezginler için TEG kullanarak çeşitli uygun fiyatlı gadget'ların üretimini başlattı.
Termoelektrik üretiminin gelişimi için beklentiler
TEG'lerin hane halkı tüketimine yönelik talebin %14 oranında artması bekleniyor. Termoelektrik üretim geliştirme görünümü, Pazar Araştırması Geleceği tarafından "Küresel Termoelektrik Jeneratörler Pazar Araştırma Raporu - 2022'ye Kadar Tahmin" - pazar analizi, hacim, pay, ilerleme, eğilimler ve tahminler yayınlanarak yayınlandı. Rapor, TEG'in otomotiv atıklarının geri dönüşümü ve evsel ve endüstriyel tesisler için elektrik ve ısının ortak üretimi konusundaki vaadini doğruluyor.
Coğrafi olarak, küresel termoelektrik jeneratör pazarı Amerika, Avrupa, Asya-Pasifik, Hindistan ve Afrika'ya bölünmüştür. Asya-Pasifik, TEG pazarının uygulanmasında en hızlı büyüyen segment olarak kabul ediliyor.
Bu bölgeler arasında Amerika, uzmanlara göre küresel TEG pazarındaki ana gelir kaynağı. Temiz enerji talebindeki artışın Amerika'da talebi artırması bekleniyor.
Avrupa da tahmin döneminde nispeten hızlı bir büyüme gösterecek. Hindistan ve Çin olacakJeneratör pazarının büyümesine yol açacak olan araç talebindeki artış nedeniyle tüketimi önemli bir hızda artırmak.
Volkswagen, Ford, BMW ve Volvo gibi otomobil şirketleri, NASA ile işbirliği içinde, araçlarda ısı geri kazanımı ve yakıt ekonomisi sistemi için şimdiden mini-TEG'ler geliştirmeye başladılar.
