Lämpösähkögeneraattori (TEG-lämpögeneraattori) on sähkölaite, joka käyttää Seebeck-, Thomson- ja Peltier-ilmiöitä sähkön tuottamiseen lämpö-EMF:n avulla. Termo-EMF-ilmiön löysi saksalainen tiedemies Thomas Johann Seebeck (Seebeck-ilmiö) vuonna 1821. Vuonna 1851 William Thomson (myöhemmin Lord Kelvin) jatkoi termodynaamista tutkimusta ja osoitti, että sähkömotorisen voiman (EMF) lähde on lämpötilaero..
Vuonna 1834 ranskalainen keksijä ja kelloseppä Jean Charles Peltier löysi toisen lämpösähköisen ilmiön ja havaitsi, että lämpötilaero esiintyy kahden erityyppisen materiaalin risteyksessä sähkövirran vaikutuksesta (Peltier-ilmiö). Erityisesti hän ennusti, että EMF kehittyisi yhdessä johtimessa, kun lämpötilaerossa on.
Vuonna 1950 venäläinen akateemikko ja tutkija Abram Ioffe löysi puolijohteiden lämpösähköiset ominaisuudet. Lämpösähköistä generaattoria alettiin käyttää vuonnaautonomiset virtalähdejärjestelmät vaikeapääsyisillä alueilla. Ulkoavaruuden, ihmisen avaruuskävelyn, tutkimus antoi voimakkaan sysäyksen lämpösähköisten muuntajien nopealle kehitykselle.
Radioisotooppienergialähde asennettiin ensin avaruusaluksiin ja kiertorata-asemiin. Niitä aletaan käyttää suuressa öljy- ja kaasuteollisuudessa kaasuputkien korroosiosuojaukseen, tutkimustyössä Kaukopohjossa, lääketieteen alalla sydämentahdistimina ja asunnoissa autonomisina virtalähteinä.
Termoelektrinen vaikutus ja lämmönsiirto elektronisissa järjestelmissä
Lämpösähköiset generaattorit, joiden toimintaperiaate perustuu kolmen tiedemiehen (Seebeck, Thomson, Peltier) vaikutuksen monimutkaiseen käyttöön, kehitettiin lähes 150 vuotta aikaansa huomattavasti edellä olevien löytöjen jälkeen.
Lämpösähköinen vaikutus on seuraava ilmiö. Jäähdyttämiseen tai sähkön tuottamiseen käytetään "moduulia", joka koostuu sähköisesti kytketyistä pareista. Jokainen pari koostuu puolijohdemateriaalista p (S> 0) ja n (S<0). Nämä kaksi materiaalia on yhdistetty johtimella, jonka lämpösähköisen tehon oletetaan olevan nolla. Kaksi haaraa (p ja n) ja kaikki muut moduulin muodostavat parit on kytketty sarjaan sähköpiirissä ja rinnan lämpöpiirissä. TEG (lämpösähköinen generaattori) tällä asettelulla luo olosuhteet optimoida moduulin läpi kulkevaa lämpövirtaa ja voittaa sensähkövastus. Sähkövirta toimii siten, että varauksenkantajat (elektronit ja reiät) siirtyvät kylmästä lähteestä kuumaan lähteeseen (termodynaamisessa mielessä) parin kahdessa haarassa. Samalla ne edistävät entropian siirtymistä kylmästä lähteestä kuumaan lämpövirtaan, joka vastustaa lämmönjohtavuutta.
Jos valituilla materiaaleilla on hyvät lämpösähköiset ominaisuudet, tämä varauksenkuljettajien liikkeen synnyttämä lämpövirta on suurempi kuin lämmönjohtavuus. Siksi järjestelmä siirtää lämpöä kylmästä lähteestä kuumaan ja toimii jääkaapina. Sähköntuotannossa lämpövirta aiheuttaa varauksenkuljettajien siirtymisen ja sähkövirran ilmaantumisen. Mitä suurempi lämpötilaero, sitä enemmän sähköä voidaan saada.
TEG-tehokkuus
Hyötysuhdekertoimella arvioituna. Termosähköisen generaattorin teho riippuu kahdesta kriittisestä tekijästä:
- Lämpövirtauksen määrä, joka voi kulkea onnistuneesti moduulin läpi (lämpövirta).
- Lämpötilan deltat (DT) - lämpötilaero generaattorin kuuman ja kylmän puolen välillä. Mitä suurempi delta, sitä tehokkaammin se toimii, joten olosuhteet on luotava rakentavasti sekä maksimaaliselle kylmänsyötölle että maksimaaliselle lämmönpoistolle generaattorin seinistä.
Termi "lämpösähköisten generaattoreiden tehokkuus" on samanlainen kuin termi, jota käytetään kaikkiin muihin tyyppeihinlämpömoottorit. Toistaiseksi se on erittäin alhainen ja on enintään 17 % Carnotin tehokkuudesta. TEG-generaattorin tehokkuutta rajoittaa Carnotin hyötysuhde ja se saavuttaa käytännössä vain muutaman prosentin (2-6 %) korkeissakin lämpötiloissa. Tämä johtuu puolijohdemateriaalien alhaisesta lämmönjohtavuudesta, mikä ei edistä tehokasta sähköntuotantoa. Tarvitaan siis materiaaleja, joilla on alhainen lämmönjohtavuus, mutta samalla suurin mahdollinen sähkönjohtavuus.
Puolijohteet tekevät parempaa työtä kuin metallit, mutta ovat silti hyvin kaukana niistä indikaattoreista, jotka nostaisivat lämpösähkögeneraattorin teollisuustuotannon tasolle (vähintään 15 % korkean lämpötilan lämmön käyttö). TEG:n tehokkuuden lisääminen edelleen riippuu lämpösähköisten materiaalien (lämpösähköisten materiaalien) ominaisuuksista, joiden etsimiseen liittyy tällä hetkellä planeetan koko tieteellinen potentiaali.
Uuden lämpösähkön kehittäminen on suhteellisen monimutkaista ja kallista, mutta jos se onnistuu, se aiheuttaa teknologisen vallankumouksen tuotantojärjestelmissä.
Lämpösähköiset materiaalit
Lämpösähköiset koostuvat erikoisseoksista tai puolijohdeyhdisteistä. Viime aikoina sähköä johtavia polymeerejä on käytetty lämpösähköisiin ominaisuuksiin.
Lämpösähköä koskevat vaatimukset:
- korkea hyötysuhde alhaisen lämmönjohtavuuden ja korkean sähkönjohtavuuden ansiosta, korkea Seebeck-kerroin;
- kestävyys korkeille lämpötiloille ja termomekaaninenvaikutus;
- esteettömyys ja ympäristöturvallisuus;
- värinänkestävyys ja äkilliset lämpötilan muutokset;
- pitkän aikavälin vakaus ja alhaiset kustannukset;
- valmistusprosessin automatisointi.
Tällä hetkellä on käynnissä kokeita optimaalisten lämpöparien valitsemiseksi, mikä lisää TEG-tehokkuutta. Lämpösähköinen puolijohdemateriaali on telluridin ja vismutin seos. Se on erityisesti valmistettu tarjoamaan yksittäisiä lohkoja tai elementtejä, joilla on erilaiset "N" ja "P" ominaisuudet.
Lämpösähköiset materiaalit valmistetaan useimmiten suuntakiteytyksellä sulasta tai puristetusta jauhemetallurgiasta. Jokaisella valmistusmenetelmällä on omat erityiset etunsa, mutta suuntautuvat kasvumateriaalit ovat yleisimpiä. Vismuttitelliitin (Bi 2 Te 3) lisäksi on olemassa muita lämpösähköisiä materiaaleja, mukaan lukien lyijyn ja telluriitin (PbTe), piin ja germaniumin (SiGe), vismutti ja antimoni (Bi-Sb) seokset, joita voidaan käyttää erityisissä tapauksia. Vaikka vismutti- ja telluriditermoparit ovat parhaita useimpiin TEG:iin.
TEG:n arvokkuus
Lämpösähköisten generaattoreiden edut:
- sähköä tuotetaan suljetussa, yksivaiheisessa piirissä ilman monimutkaisia voimansiirtojärjestelmiä ja liikkuvia osia;
- työnesteiden ja kaasujen puute;
- ei haitallisten aineiden päästöjä, hukkalämpöä ja ympäristön melua;
- laitteen pitkä akunkestotoimiva;
- hukkalämmön käyttö (toissijaiset lämmönlähteet) energiavarojen säästämiseksi
- työskentele missä tahansa kohteen asennossa käyttöympäristöstä riippumatta: avaruus, vesi, maa;
- DC-matalajännitteen tuotanto;
- oikosulkusuojaus;
- Rajaton säilyvyys, 100 % valmis käyttöön.
Lämpösähkögeneraattorin käyttöalueet
TEG:n edut määrittelivät kehitysnäkymät ja sen lähitulevaisuuden:
- meren ja avaruuden tutkimus;
- sovellus pienessä (kotitalossa) vaihtoehtoisessa energiassa;
- auton pakoputkien lämmön käyttäminen;
- kierrätysjärjestelmissä;
- jäähdytys- ja ilmastointijärjestelmissä;
- lämpöpumppujärjestelmissä dieselvetureiden ja henkilöautojen dieselmoottoreiden välittömään lämmitykseen;
- lämmitys ja ruoanlaitto kenttäolosuhteissa;
- elektroniikkalaitteiden ja kellojen lataus;
- urheilijoiden sensoristen rannerenkaiden ravitsemus.
Lämpösähköinen Peltier-muunnin
Peltier-elementti (EP) on lämpösähköinen muunnin, joka käyttää samannimistä Peltier-ilmiötä, joka on yksi kolmesta lämpösähköisestä efektistä (Seebeck ja Thomson).
Ranskalainen Jean-Charles Peltier liitti kupari- ja vismuttilangat toisiinsa ja liitti ne akkuun, jolloin muodostui kahden kytkentäparinerilaisia metalleja. Kun akku kytkettiin päälle, yksi liitoskohta lämpeni ja toinen jäähtyi.
Peltier-efektilaitteet ovat erittäin luotettavia, koska niissä ei ole liikkuvia osia, ne ovat huoltovapaita, eivät aiheuta haitallisia kaasuja, ovat kompakteja ja toimivat kaksisuuntaisesti (lämmitys ja jäähdytys) virran suunnasta riippuen.
Valitettavasti ne ovat tehottomia, alhaisen hyötysuhteen, erittävät melko paljon lämpöä, mikä vaatii lisätuuletusta ja nostaa laitteen hintaa. Tällaiset laitteet kuluttavat melko paljon sähköä ja voivat aiheuttaa ylikuumenemista tai kondensaatiota. Peltier-elementtejä, jotka ovat suurempia kuin 60 mm x 60 mm, ei juuri koskaan löydy.
ES:n laajuus
Kehittyneiden teknologioiden käyttöönotto lämpösähköisten tuotteiden tuotannossa on johtanut EP:n tuotantokustannusten alenemiseen ja markkinoille pääsyn laajentamiseen.
Tänään EP:tä käytetään laaj alti:
- kannettavissa jäähdyttimissä pienten laitteiden ja elektronisten komponenttien jäähdyttämiseen;
- ilmankuivaajiin veden poistamiseksi ilmasta;
- avaruusaluksissa tasaamaan suoran auringonvalon vaikutusta aluksen toiselle puolelle samalla kun lämpöä haihdutetaan toiselle puolelle;
- tähtitieteellisten teleskooppien ja korkealaatuisten digitaalikameroiden fotoniilmaisimien jäähdyttämiseen ylikuumenemisen aiheuttamien havaintovirheiden minimoimiseksi;
- tietokoneen osien jäähdyttämiseen.
Viime aikoina sitä on käytetty laaj alti kotitalouksissa:
- kylmälaitteet, jotka saavat virtansa USB-portista juomien jäähdyttämiseen tai lämmittämiseen;
- kompressiojääkaappien lisäjäähdytysvaiheen muodossa, jossa lämpötila laskee -80 asteeseen yksivaiheisessa jäähdytyksessä ja -120 asteeseen kaksivaiheisessa jäähdytyksessä;
- autoissa autonomisten jääkaappien tai lämmittimien luomiseksi.
Kiina on käynnistänyt Peltier-elementtien valmistuksen modifikaatioista TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 jopa 7 euron arvosta, jotka voivat tuottaa jopa 200 W tehoa "lämpö-kylmä" -järjestelmien mukaan, käyttöikä jopa 200 000 käyttötuntia lämpötilavyöhykkeellä -30 - 138 celsiusastetta.
RITEG-ydinakut
Radioisotooppitermosähköinen generaattori (RTG) on laite, joka muuttaa radioaktiivisen materiaalin hajoamisesta syntyvän lämmön sähköksi lämpöparien avulla. Tässä generaattorissa ei ole liikkuvia osia. RITEGiä käytettiin energialähteenä satelliiteissa, avaruusaluksissa ja Neuvostoliiton napapiiriä varten rakentamissa etäisissä majakkalaitoksissa.
RTG:t ovat yleensä suosituin virtalähde laitteille, jotka vaativat useita satoja wattia tehoa. Polttokennoissa, akuissa tai generaattoreissa, jotka on asennettu paikkoihin, joissa aurinkokennot ovat tehottomia. Radioisotooppitermosähköinen generaattori vaatii tiukkaa radioisotooppikäsittelyä aikanakauan sen käyttöiän päätyttyä.
Venäjällä on noin 1000 RTG:tä, joita käytettiin pääasiassa pitkän kantaman voimanlähteinä: majakat, radiomajakat ja muut erikoisradiolaitteet. Ensimmäinen polonium-210:n avaruus-RTG oli Limon-1 vuonna 1962, sitten Orion-1, jonka teho oli 20 W. Viimeisin muutos asennettiin Strela-1- ja Kosmos-84/90-satelliitteihin. Lunokhods-1, 2 ja Mars-96 käyttivät RTG:itä lämmitysjärjestelmissään.
Tee itse termosähköinen generaattorilaite
Tällaiset monimutkaiset prosessit, jotka tapahtuvat TEG:ssä, eivät estä paikallisia "kulibineja" heidän halustaan liittyä maailmanlaajuiseen tieteelliseen ja tekniseen prosessiin TEG:n luomiseksi. Kotitekoisten TEG:ien käyttöä on käytetty pitkään. Suuren isänmaallisen sodan aikana partisaanit valmistivat yleisen lämpösähkögeneraattorin. Se tuotti sähköä radion lataamiseen.
Peltier-elementtien tullessa markkinoille edulliseen hintaan kotitalouskuluttajalle, on mahdollista tehdä TEG itse seuraamalla alla olevia ohjeita.
- Hanki kaksi jäähdytyselementtiä IT-liikkeestä ja levitä lämpötahnaa. Jälkimmäinen helpottaa Peltier-elementin liittämistä.
- Erota patterit millä tahansa lämmöneristeellä.
- Tee reikä eristimeen Peltier-elementin ja johtimien sovittamiseksi.
- Kokoa rakenne ja tuo lämmönlähde (kynttilä) johonkin patteriin. Mitä pidempi lämmitys, sitä enemmän virtaa syntyy kodin lämpösähköstägeneraattori.
Tämä laite toimii äänettömästi ja on kevyt. ic2-termosähkögeneraattori voi koon mukaan kytkeä matkapuhelimen laturin, kytkeä päälle pienen radion ja LED-valon.
Tällä hetkellä monet tunnetut maailmanlaajuiset valmistajat ovat käynnistäneet TEG:n avulla erilaisten edullisien laitteiden tuotannon autoharrastajille ja matkailijoille.
Lämpösähköisen tuotannon kehittämisen näkymät
TEG:iden kotitalouksien kulutuksen kysynnän odotetaan kasvavan 14 %. Lämpösähköisen tuotannon kehitysnäkymät julkaisi Market Research Future julkaisemalla paperin "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - markkina-analyysi, volyymi, osuus, edistyminen, trendit ja ennusteet. Raportti vahvistaa TEG:n lupauksen autojätteen kierrätyksessä sekä sähkön ja lämmön yhteistuotannossa kotitalous- ja teollisuuslaitoksissa.
Maantieteellisesti globaalit lämpösähköisten generaattoreiden markkinat on jaettu Amerikkaan, Eurooppaan, Aasian ja Tyynenmeren alueeseen, Intiaan ja Afrikkaan. Aasian ja Tyynenmeren aluetta pidetään nopeimmin kasvavana segmenttinä TEG-markkinoiden toteuttamisessa.
Näillä alueilla Amerikka on asiantuntijoiden mukaan tärkein tulonlähde maailmanlaajuisilla TEG-markkinoilla. Puhtaan energian kysynnän kasvun odotetaan lisäävän kysyntää Amerikassa.
Eurooppa tulee myös osoittamaan suhteellisen nopeaa kasvua ennustejaksolla. Intia ja Kiina tekevätlisää kulutusta merkittävästi ajoneuvojen kysynnän kasvun vuoksi, mikä johtaa generaattorimarkkinoiden kasvuun.
Autoyritykset, kuten Volkswagen, Ford, BMW ja Volvo, ovat jo alkaneet kehittää mini-TEG:itä ajoneuvojen lämmönt alteenotto- ja polttoainetalousjärjestelmiin.
