Ang Thermoelectric generator (TEG thermogenerator) ay isang de-koryenteng device na gumagamit ng Seebeck, Thomson at Peltier effects upang makabuo ng kuryente sa pamamagitan ng thermo-EMF. Ang thermo-EMF effect ay natuklasan ng German scientist na si Thomas Johann Seebeck (Seebeck effect) noong 1821. Noong 1851, ipinagpatuloy ni William Thomson (mamaya Lord Kelvin) ang thermodynamic research at pinatunayan na ang pinagmulan ng electromotive force (EMF) ay isang pagkakaiba sa temperatura.
Noong 1834, natuklasan ng French inventor at watchmaker na si Jean Charles Peltier ang pangalawang thermoelectric effect, nalaman na ang pagkakaiba ng temperatura ay nangyayari sa junction ng dalawang magkaibang uri ng materyales sa ilalim ng impluwensya ng electric current (Peltier effect). Sa partikular, hinulaan niya na ang isang EMF ay bubuo sa loob ng iisang konduktor kapag nagkaroon ng pagkakaiba sa temperatura.
Noong 1950, natuklasan ng Russian academician at researcher na si Abram Ioffe ang thermoelectric properties ng semiconductors. Ang Thermoelectric power generator ay nagsimulang gamitin saautonomous power supply system sa mga lugar na hindi naa-access. Ang pag-aaral ng outer space, ang spacewalk ng tao ay nagbigay ng malakas na puwersa sa mabilis na pag-unlad ng mga thermoelectric converter.
Ang pinagmumulan ng enerhiya ng radioisotope ay unang na-install sa mga istasyon ng spacecraft at orbital. Nagsisimula nang gamitin ang mga ito sa malaking industriya ng langis at gas para sa proteksyon laban sa kaagnasan ng mga pipeline ng gas, sa gawaing pananaliksik sa Far North, sa larangan ng medisina bilang mga pacemaker, at sa pabahay bilang mga autonomous na pinagmumulan ng power supply.
Thermoelectric effect at heat transfer sa mga electronic system
Thermoelectric generators, ang prinsipyo ng pagpapatakbo nito ay nakabatay sa masalimuot na paggamit ng epekto ng tatlong siyentipiko (Seebeck, Thomson, Peltier), ay binuo halos 150 taon pagkatapos ng mga pagtuklas na nauna sa kanilang panahon.
Thermoelectric effect ang sumusunod na phenomenon. Para sa paglamig o pagbuo ng kuryente, ginagamit ang isang "module" na binubuo ng mga pares na konektado sa kuryente. Ang bawat pares ay binubuo ng semiconductor material p (S> 0) at n (S<0). Ang dalawang materyales na ito ay konektado ng isang konduktor na ang thermoelectric na kapangyarihan ay ipinapalagay na zero. Dalawang sanga (p at n) at lahat ng iba pang mga pares na bumubuo sa module ay konektado sa serye sa electrical circuit at kahanay sa thermal circuit. Ang TEG (thermoelectric generator) na may ganitong layout ay lumilikha ng mga kundisyon upang ma-optimize ang daloy ng init na dumadaan sa module, na malampasan itopaglaban sa kuryente. Ang electric current ay kumikilos sa paraan na ang mga carrier ng singil (mga electron at butas) ay lumipat mula sa malamig na pinagmumulan patungo sa isang mainit na pinagmumulan (sa termodinamikong kahulugan) sa dalawang sangay ng pares. Kasabay nito, nag-aambag sila sa paglipat ng entropy mula sa isang malamig na pinagmumulan patungo sa isang mainit, sa isang daloy ng init na lumalaban sa pagpapadaloy ng init.
Kung ang mga napiling materyales ay may magandang thermoelectric na katangian, ang heat flux na ito na nabuo ng paggalaw ng mga charge carrier ay magiging mas malaki kaysa sa thermal conductivity. Samakatuwid, ang sistema ay maglilipat ng init mula sa isang malamig na mapagkukunan patungo sa isang mainit at magsisilbing isang refrigerator. Sa kaso ng pagbuo ng kuryente, ang daloy ng init ay nagiging sanhi ng pag-aalis ng mga carrier ng singil at ang hitsura ng isang electric current. Kung mas malaki ang pagkakaiba ng temperatura, mas maraming kuryente ang makukuha.
TEG na kahusayan
Tinasa ng salik ng kahusayan. Ang kapangyarihan ng isang thermoelectric generator ay nakasalalay sa dalawang kritikal na salik:
- Ang dami ng daloy ng init na maaaring matagumpay na lumipat sa module (heat flow).
- Temperature deltas (DT) - ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mainit at malamig na bahagi ng generator. Kung mas malaki ang delta, mas mahusay itong gumagana, samakatuwid, ang mga kundisyon ay dapat ibigay nang maayos, kapwa para sa maximum na supply ng malamig at maximum na pag-alis ng init mula sa mga pader ng generator.
Ang terminong "kahusayan ng mga thermoelectric generator" ay katulad ng terminong inilapat sa lahat ng iba pang urimga thermal engine. Sa ngayon, ito ay napakababa at hindi hihigit sa 17% ng kahusayan ng Carnot. Ang kahusayan ng TEG generator ay nalilimitahan ng kahusayan ng Carnot at sa pagsasanay ay umaabot lamang ng ilang porsyento (2-6%) kahit na sa mataas na temperatura. Ito ay dahil sa mababang thermal conductivity sa mga materyales ng semiconductor, na hindi nakakatulong sa mahusay na pagbuo ng kuryente. Kaya, ang mga materyales na may mababang thermal conductivity, ngunit sa parehong oras na may pinakamataas na posibleng electrical conductivity ay kailangan.
Nagagawa ng mga semiconductor ang mas mahusay na trabaho kaysa sa mga metal, ngunit napakalayo pa rin sa mga indicator na iyon na magdadala ng thermoelectric generator sa antas ng pang-industriyang produksyon (na may hindi bababa sa 15% na paggamit ng mataas na temperaturang init). Ang karagdagang pagtaas sa kahusayan ng TEG ay nakasalalay sa mga katangian ng mga thermoelectric na materyales (thermoelectrics), ang paghahanap kung saan ay kasalukuyang inookupahan ng buong potensyal na siyentipiko ng planeta.
Ang pagbuo ng mga bagong thermoelectric ay medyo kumplikado at magastos, ngunit kung matagumpay, magdudulot sila ng teknolohikal na rebolusyon sa mga sistema ng henerasyon.
Thermoelectric na materyales
Ang Thermoelectrics ay binubuo ng mga espesyal na haluang metal o semiconductor compound. Kamakailan, ginamit ang mga electrically conductive polymer para sa mga thermoelectric na katangian.
Mga kinakailangan para sa thermoelectrics:
- mataas na kahusayan dahil sa mababang thermal conductivity at mataas na electrical conductivity, mataas na Seebeck coefficient;
- paglaban sa mataas na temperatura at thermomechanicalepekto;
- accessibility at kaligtasan sa kapaligiran;
- paglaban sa mga vibrations at biglaang pagbabago sa temperatura;
- pangmatagalang katatagan at mababang gastos;
- automation ng proseso ng pagmamanupaktura.
Sa kasalukuyan, isinasagawa ang mga eksperimento upang piliin ang pinakamainam na thermocouples, na magpapataas sa kahusayan ng TEG. Ang thermoelectric semiconductor material ay isang haluang metal ng telluride at bismuth. Ito ay espesyal na ginawa upang magbigay ng mga indibidwal na bloke o elemento na may iba't ibang katangiang "N" at "P".
Ang Thermoelectric na materyales ay kadalasang ginagawa sa pamamagitan ng directional crystallization mula sa tinunaw o pressed powder metallurgy. Ang bawat paraan ng pagmamanupaktura ay may sariling partikular na kalamangan, ngunit ang mga materyales sa paglago ng direksyon ay ang pinakakaraniwan. Bilang karagdagan sa bismuth tellurite (Bi 2 Te 3), mayroong iba pang mga thermoelectric na materyales, kabilang ang mga haluang metal ng lead at tellurite (PbTe), silicon at germanium (SiGe), bismuth at antimony (Bi-Sb), na maaaring gamitin sa partikular kaso. Habang ang bismuth at telluride thermocouple ay pinakamainam para sa karamihan ng TEG.
Dignidad ng TEG
Mga kalamangan ng mga thermoelectric generator:
- nabubuo ang kuryente sa isang closed, single-stage circuit nang hindi gumagamit ng mga kumplikadong transmission system at gumagamit ng mga gumagalaw na bahagi;
- kakulangan ng gumaganang likido at gas;
- walang emissions ng mga mapaminsalang substance, waste heat at polusyon ng ingay sa kapaligiran;
- device mahabang buhay ng bateryagumagana;
- paggamit ng waste heat (secondary heat sources) para makatipid ng energy resources
- trabaho sa anumang posisyon ng object, anuman ang operating environment: space, water, earth;
- Pagbuo ng mababang boltahe ng DC;
- short circuit immunity;
- Unlimited shelf life, 100% ready to go.
Mga larangan ng aplikasyon ng thermoelectric generator
Ang mga bentahe ng TEG ay natukoy ang mga inaasahang pag-unlad at ang malapit na hinaharap nito:
- pag-aaral ng karagatan at kalawakan;
- application sa maliit (domestic) na alternatibong enerhiya;
- paggamit ng init mula sa mga tubo ng tambutso ng sasakyan;
- sa mga recycling system;
- sa mga cooling at air conditioning system;
- sa mga heat pump system para sa agarang pag-init ng mga diesel engine ng diesel locomotives at mga kotse;
- pagpainit at pagluluto sa mga kondisyon sa bukid;
- nagcha-charge ng mga electronic device at relo;
- nutrisyon ng sensory bracelets para sa mga atleta.
Thermoelectric Peltier converter
Ang Peltier element (EP) ay isang thermoelectric converter na gumagana gamit ang Peltier effect ng parehong pangalan, isa sa tatlong thermoelectric effect (Seebeck at Thomson).
Frenchman na si Jean-Charles Peltier ang nagkonekta ng mga wire ng tanso at bismuth sa isa't isa at ikinonekta ang mga ito sa isang baterya, kaya lumilikha ng isang pares ng koneksyon ng dalawamagkaibang mga metal. Kapag na-on ang baterya, mag-iinit ang isa sa mga junction at lalamig ang isa.
Ang mga device na may epekto ng Peltier ay lubos na maaasahan dahil wala silang mga gumagalaw na bahagi, walang maintenance, walang nakakapinsalang gas, compact at may bi-directional na operasyon (pagpainit at paglamig) depende sa direksyon ng kasalukuyang.
Sa kasamaang palad, ang mga ito ay hindi mahusay, may mababang kahusayan, naglalabas ng napakaraming init, na nangangailangan ng karagdagang bentilasyon at nagpapataas ng halaga ng device. Ang mga naturang device ay kumonsumo ng maraming kuryente at maaaring magdulot ng overheating o condensation. Ang mga elemento ng peltier na mas malaki sa 60 mm x 60 mm ay halos hindi na matagpuan.
Skop ng ES
Ang pagpapakilala ng mga advanced na teknolohiya sa produksyon ng thermoelectrics ay humantong sa pagbawas sa gastos ng produksyon ng EP at pagpapalawak ng accessibility sa merkado.
Ngayon EP ay malawakang ginagamit:
- sa mga portable cooler, para sa pagpapalamig ng maliliit na appliances at electronic na bahagi;
- sa mga dehumidifier para kumuha ng tubig mula sa hangin;
- sa spacecraft upang balansehin ang epekto ng direktang liwanag ng araw sa isang bahagi ng barko habang pinapawi ang init sa kabilang panig;
- upang palamig ang mga photon detector ng astronomical telescope at mataas na kalidad na digital camera para mabawasan ang mga error sa pagmamasid dahil sa sobrang init;
- para sa pagpapalamig ng mga bahagi ng computer.
Kamakailan, ito ay malawakang ginagamit para sa domestic na layunin:
- sa mga mas malalamig na device na pinapagana ng USB port para magpalamig o magpainit ng mga inumin;
- sa anyo ng karagdagang yugto ng paglamig ng mga compression refrigerator na may pagbaba sa temperatura hanggang -80 degrees para sa isang yugto ng paglamig at hanggang -120 para sa dalawang yugto;
- sa mga kotse para gumawa ng mga autonomous na refrigerator o heater.
Inilunsad ng China ang paggawa ng mga elemento ng Peltier ng mga pagbabago TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 na nagkakahalaga ng hanggang 7 euro, na maaaring magbigay ng kapangyarihan hanggang 200 W ayon sa mga scheme ng "init-lamig", na may buhay ng serbisyo na hanggang 200,000 oras ng operasyon sa temperatura zone mula -30 hanggang 138 degrees Celsius.
RITEG nuclear batteries
Ang radioisotope thermoelectric generator (RTG) ay isang device na gumagamit ng mga thermocouples upang gawing kuryente ang init mula sa pagkabulok ng radioactive material. Ang generator na ito ay walang gumagalaw na bahagi. Ginamit ang RITEG bilang pinagmumulan ng enerhiya sa mga satellite, spacecraft, malalayong pasilidad ng parola na itinayo ng USSR para sa Arctic Circle.
Ang RTG ay karaniwang ang pinakagustong pinagmumulan ng kuryente para sa mga device na nangangailangan ng ilang daang watts ng power. Sa mga fuel cell, mga baterya o generator na naka-install sa mga lugar kung saan ang mga solar cell ay hindi epektibo. Ang isang radioisotope thermoelectric generator ay nangangailangan ng mahigpit na radioisotope handling habangmahabang panahon pagkatapos ng katapusan ng buhay ng serbisyo nito.
Mayroong humigit-kumulang 1,000 RTG sa Russia, na pangunahing ginagamit para sa mga pinagmumulan ng kuryente sa malalayong paraan: mga parola, radio beacon at iba pang espesyal na kagamitan sa radyo. Ang unang space RTG sa polonium-210 ay Limon-1 noong 1962, pagkatapos ay Orion-1 na may lakas na 20 W. Ang pinakabagong pagbabago ay na-install sa Strela-1 at Kosmos-84/90 satellite. Gumamit ang Lunokhods-1, 2 at Mars-96 ng mga RTG sa kanilang mga heating system.
DIY thermoelectric generator device
Ang ganitong mga kumplikadong proseso na nagaganap sa TEG ay hindi pumipigil sa lokal na "Kulibins" sa kanilang pagnanais na sumali sa pandaigdigang prosesong siyentipiko at teknikal para sa paglikha ng TEG. Matagal nang ginagamit ang paggamit ng mga homemade na TEG. Sa panahon ng Great Patriotic War, ang mga partisan ay gumawa ng unibersal na thermoelectric generator. Lumilikha ito ng kuryente para i-charge ang radyo.
Sa pagdating ng mga elemento ng Peltier sa merkado sa abot-kayang presyo para sa consumer ng sambahayan, posibleng gumawa ng TEG mismo sa pamamagitan ng pagsunod sa mga hakbang sa ibaba.
- Kumuha ng dalawang heatsink mula sa isang IT store at maglagay ng thermal paste. Ang huli ay magpapadali sa koneksyon ng elemento ng Peltier.
- Paghiwalayin ang mga radiator gamit ang anumang heat insulator.
- Gumawa ng butas sa insulator para ma-accommodate ang Peltier element at mga wire.
- Ipunin ang istraktura at dalhin ang pinagmumulan ng init (kandila) sa isa sa mga radiator. Kung mas mahaba ang pag-init, mas maraming kasalukuyang bubuo mula sa thermoelectric sa bahaygenerator.
Ang device na ito ay gumagana nang tahimik at magaan ang timbang. Ang ic2 thermoelectric generator, ayon sa laki, ay maaaring kumonekta sa mobile phone charger, i-on ang isang maliit na radyo at i-on ang LED lighting.
Sa kasalukuyan, maraming kilalang pandaigdigang manufacturer ang naglunsad ng produksyon ng iba't ibang abot-kayang gadget gamit ang TEG para sa mga mahilig sa kotse at manlalakbay.
Mga prospect para sa pagbuo ng thermoelectric generation
Demand para sa pagkonsumo ng sambahayan ng mga TEG ay inaasahang tataas ng 14%. Thermoelectric generation development outlook ay inilathala ng Market Research Future sa pamamagitan ng paglalabas ng papel na "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - pagsusuri sa merkado, dami, bahagi, pag-unlad, mga uso at mga pagtataya. Kinukumpirma ng ulat ang pangako ng TEG sa pagre-recycle ng mga automotive waste at co-generation ng kuryente at init para sa mga domestic at industrial na pasilidad.
Sa heograpiya, ang pandaigdigang merkado ng thermoelectric generator ay nahahati sa America, Europe, Asia-Pacific, India at Africa. Ang Asia-Pacific ay itinuturing na pinakamabilis na lumalagong segment sa pagpapatupad ng TEG market.
Sa mga rehiyong ito, ang America, ayon sa mga eksperto, ang pangunahing pinagmumulan ng kita sa pandaigdigang merkado ng TEG. Ang pagtaas ng demand para sa malinis na enerhiya ay inaasahang tataas ang demand sa America.
Europe ay magpapakita din ng medyo mabilis na paglago sa panahon ng pagtataya. Gagawin ng India at Chinataasan ang pagkonsumo sa isang makabuluhang bilis dahil sa pagtaas ng demand para sa mga sasakyan, na hahantong sa paglago ng merkado ng generator.
Ang mga kumpanya ng sasakyan gaya ng Volkswagen, Ford, BMW at Volvo, sa pakikipagtulungan ng NASA, ay nagsimula na sa pagbuo ng mga mini-TEG para sa heat recovery at fuel economy system sa mga sasakyan.
