Penjana termoelektrik (TEG thermogenerator) ialah peranti elektrik yang menggunakan kesan Seebeck, Thomson dan Peltier untuk menjana elektrik melalui thermo-EMF. Kesan termo-EMF ditemui oleh saintis Jerman Thomas Johann Seebeck (kesan Seebeck) pada tahun 1821. Pada tahun 1851, William Thomson (kemudian Lord Kelvin) meneruskan penyelidikan termodinamik dan membuktikan bahawa sumber daya gerak elektrik (EMF) adalah perbezaan suhu.
Pada tahun 1834, pencipta dan pembuat jam tangan Perancis Jean Charles Peltier menemui kesan termoelektrik kedua, mendapati perbezaan suhu berlaku pada persimpangan dua jenis bahan yang berbeza di bawah pengaruh arus elektrik (kesan Peltier). Secara khusus, beliau meramalkan bahawa EMF akan berkembang dalam satu konduktor apabila terdapat perbezaan suhu.
Pada tahun 1950, ahli akademik dan penyelidik Rusia Abram Ioffe menemui sifat termoelektrik semikonduktor. Penjana kuasa termoelektrik mula digunakan dalamsistem bekalan kuasa autonomi di kawasan yang tidak boleh diakses. Kajian tentang angkasa lepas, laluan angkasa lepas manusia memberikan dorongan yang kuat kepada perkembangan pesat penukar termoelektrik.
Sumber tenaga radioisotop pertama kali dipasang pada kapal angkasa dan stesen orbit. Ia mula digunakan dalam industri minyak dan gas yang besar untuk perlindungan anti-karat saluran paip gas, dalam kerja penyelidikan di Far North, dalam bidang perubatan sebagai perentak jantung, dan dalam perumahan sebagai sumber bekalan kuasa autonomi.
Kesan termoelektrik dan pemindahan haba dalam sistem elektronik
Penjana termoelektrik, prinsip operasinya berdasarkan penggunaan kompleks kesan tiga saintis (Seebeck, Thomson, Peltier), dibangunkan hampir 150 tahun selepas penemuan yang jauh mendahului zaman mereka.
Kesan termoelektrik ialah fenomena berikut. Untuk menyejukkan atau menjana elektrik, "modul" yang terdiri daripada pasangan bersambung elektrik digunakan. Setiap pasangan terdiri daripada bahan semikonduktor p (S> 0) dan n (S<0). Kedua-dua bahan ini disambungkan oleh konduktor yang kuasa termoelektriknya diandaikan sifar. Dua cabang (p dan n) dan semua pasangan lain yang membentuk modul disambungkan secara bersiri dalam litar elektrik dan selari dalam litar haba. TEG (penjana termoelektrik) dengan susun atur ini mewujudkan keadaan untuk mengoptimumkan aliran haba yang melalui modul, mengatasinyarintangan elektrik. Arus elektrik bertindak sedemikian rupa sehingga pembawa cas (elektron dan lubang) bergerak dari sumber sejuk ke sumber panas (dalam pengertian termodinamik) dalam dua cabang pasangan itu. Pada masa yang sama, ia menyumbang kepada pemindahan entropi daripada sumber sejuk kepada sumber panas, kepada aliran haba yang akan menentang pengaliran haba.
Jika bahan yang dipilih mempunyai sifat termoelektrik yang baik, fluks haba yang dihasilkan oleh pergerakan pembawa cas ini akan lebih besar daripada kekonduksian terma. Oleh itu, sistem akan memindahkan haba dari sumber sejuk ke sumber panas dan bertindak sebagai peti sejuk. Dalam kes penjanaan elektrik, aliran haba menyebabkan anjakan pembawa cas dan kemunculan arus elektrik. Lebih besar perbezaan suhu, lebih banyak tenaga boleh diperolehi.
kecekapan TEG
Dinilai oleh faktor kecekapan. Kuasa penjana termoelektrik bergantung pada dua faktor kritikal:
- Jumlah aliran haba yang berjaya bergerak melalui modul (aliran haba).
- Delta suhu (DT) - perbezaan suhu antara bahagian panas dan sejuk penjana. Lebih besar delta, lebih cekap ia berfungsi, oleh itu, keadaan mesti disediakan secara konstruktif, kedua-duanya untuk bekalan sejuk maksimum dan penyingkiran haba maksimum dari dinding penjana.
Istilah "kecekapan penjana termoelektrik" adalah serupa dengan istilah yang digunakan untuk semua jenis lainenjin terma. Setakat ini, ia adalah sangat rendah dan berjumlah tidak lebih daripada 17% daripada kecekapan Carnot. Kecekapan penjana TEG dihadkan oleh kecekapan Carnot dan dalam amalan hanya mencapai beberapa peratus (2-6%) walaupun pada suhu tinggi. Ini disebabkan oleh kekonduksian terma yang rendah dalam bahan semikonduktor, yang tidak kondusif untuk penjanaan kuasa yang cekap. Oleh itu, bahan yang mempunyai kekonduksian terma yang rendah, tetapi pada masa yang sama dengan kekonduksian elektrik yang setinggi mungkin diperlukan.
Semikonduktor melakukan kerja yang lebih baik daripada logam, tetapi masih sangat jauh daripada penunjuk yang akan membawa penjana termoelektrik ke tahap pengeluaran perindustrian (dengan sekurang-kurangnya 15% penggunaan haba suhu tinggi). Peningkatan selanjutnya dalam kecekapan TEG bergantung pada sifat bahan termoelektrik (termoelektrik), pencarian yang kini diduduki oleh keseluruhan potensi saintifik planet ini.
Pembangunan termoelektrik baharu agak rumit dan mahal, tetapi jika berjaya, ia akan menyebabkan revolusi teknologi dalam sistem penjanaan.
Bahan termoelektrik
Termoelektrik terdiri daripada aloi khas atau sebatian semikonduktor. Baru-baru ini, polimer konduktif elektrik telah digunakan untuk sifat termoelektrik.
Keperluan untuk termoelektrik:
- kecekapan tinggi disebabkan oleh kekonduksian terma yang rendah dan kekonduksian elektrik yang tinggi, pekali Seebeck yang tinggi;
- rintangan kepada suhu tinggi dan termomekanikalkesan;
- kebolehcapaian dan keselamatan alam sekitar;
- rintangan kepada getaran dan perubahan mendadak dalam suhu;
- kestabilan jangka panjang dan kos rendah;
- automasi proses pembuatan.
Pada masa ini, percubaan sedang dijalankan untuk memilih termokopel optimum, yang akan meningkatkan kecekapan TEG. Bahan semikonduktor termoelektrik ialah aloi telluride dan bismut. Ia telah dihasilkan khas untuk menyediakan blok atau elemen individu dengan ciri "N" dan "P" yang berbeza.
Bahan termoelektrik paling kerap dibuat melalui penghabluran berarah daripada metalurgi serbuk cair atau ditekan. Setiap kaedah pembuatan mempunyai kelebihan tersendiri, tetapi bahan pertumbuhan berarah adalah yang paling biasa. Sebagai tambahan kepada tellurit bismut (Bi 2 Te 3), terdapat bahan termoelektrik lain, termasuk aloi plumbum dan tellurit (PbTe), silikon dan germanium (SiGe), bismut dan antimoni (Bi-Sb), yang boleh digunakan secara khusus. kes. Walaupun termokopel bismut dan telluride adalah yang terbaik untuk kebanyakan TEG.
Maruah TEG
Kelebihan penjana termoelektrik:
- elektrik dijana dalam litar tertutup satu peringkat tanpa menggunakan sistem penghantaran yang kompleks dan penggunaan bahagian bergerak;
- kekurangan cecair dan gas yang berfungsi;
- tiada pelepasan bahan berbahaya, haba buangan dan pencemaran bunyi alam sekitar;
- peranti hayat bateri yang panjangberfungsi;
- penggunaan haba buangan (sumber haba sekunder) untuk menjimatkan sumber tenaga
- bekerja dalam mana-mana kedudukan objek, tanpa mengira persekitaran operasi: ruang, air, bumi;
- Penjanaan voltan rendah DC;
- imuniti litar pintas;
- Hayat rak tanpa had, 100% sedia untuk digunakan.
Bidang penggunaan penjana termoelektrik
Kelebihan TEG menentukan prospek pembangunan dan masa depannya yang terdekat:
- kajian tentang lautan dan angkasa;
- aplikasi dalam tenaga alternatif kecil (domestik);
- menggunakan haba daripada paip ekzos kereta;
- dalam sistem kitar semula;
- dalam sistem penyejukan dan penyaman udara;
- dalam sistem pam haba untuk pemanasan segera enjin diesel lokomotif dan kereta diesel;
- memanaskan dan memasak dalam keadaan padang;
- mengecas peranti elektronik dan jam tangan;
- pemakanan gelang deria untuk atlet.
Penukar Peltier Termoelektrik
Elemen Peltier (EP) ialah penukar termoelektrik yang beroperasi menggunakan kesan Peltier dengan nama yang sama, salah satu daripada tiga kesan termoelektrik (Seebeck dan Thomson).
Lelaki Perancis Jean-Charles Peltier menyambung wayar tembaga dan bismut antara satu sama lain dan menyambungkannya ke bateri, sekali gus mencipta sepasang sambungan dualogam yang tidak serupa. Apabila bateri dihidupkan, salah satu persimpangan akan menjadi panas dan satu lagi akan menjadi sejuk.
Peranti kesan peltier sangat boleh dipercayai kerana ia tidak mempunyai bahagian yang bergerak, bebas penyelenggaraan, tidak mengeluarkan gas berbahaya, padat dan mempunyai operasi dua arah (pemanasan dan penyejukan) bergantung pada arah arus.
Malangnya, ia tidak cekap, mempunyai kecekapan rendah, mengeluarkan haba yang agak banyak, yang memerlukan pengudaraan tambahan dan meningkatkan kos peranti. Peranti sedemikian menggunakan banyak elektrik dan boleh menyebabkan terlalu panas atau pemeluwapan. Unsur peltier yang lebih besar daripada 60 mm x 60 mm hampir tidak ditemui.
Skop ES
Pengenalan teknologi termaju dalam pengeluaran termoelektrik telah membawa kepada pengurangan kos pengeluaran EP dan pengembangan kebolehcapaian pasaran.
EP hari ini digunakan secara meluas:
- dalam penyejuk mudah alih, untuk menyejukkan peralatan kecil dan komponen elektronik;
- dalam dehumidifier untuk mengeluarkan air dari udara;
- dalam kapal angkasa untuk mengimbangi kesan cahaya matahari langsung pada satu sisi kapal sambil menghilangkan haba ke sisi lain;
- untuk menyejukkan pengesan foton teleskop astronomi dan kamera digital berkualiti tinggi untuk meminimumkan ralat pemerhatian akibat terlalu panas;
- untuk menyejukkan komponen komputer.
Baru-baru ini, ia telah digunakan secara meluas untuk tujuan domestik:
- dalam peranti yang lebih sejuk yang dikuasakan oleh port USB untuk menyejukkan atau memanaskan minuman;
- dalam bentuk peringkat tambahan penyejukan peti sejuk mampatan dengan penurunan suhu kepada -80 darjah untuk penyejukan satu peringkat dan sehingga -120 untuk dua peringkat;
- dalam kereta untuk mencipta peti sejuk atau pemanas autonomi.
China telah melancarkan pengeluaran elemen Peltier pengubahsuaian TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 bernilai sehingga 7 euro, yang boleh memberikan kuasa sehingga 200 W mengikut skema "panas-sejuk", dengan hayat perkhidmatan sehingga 200,000 jam operasi dalam zon suhu dari -30 hingga 138 darjah Celsius.
Bateri nuklear RITEG
Penjana termoelektrik radioisotop (RTG) ialah peranti yang menggunakan termokopel untuk menukar haba daripada pereputan bahan radioaktif kepada elektrik. Penjana ini tidak mempunyai bahagian yang bergerak. RITEG telah digunakan sebagai sumber tenaga pada satelit, kapal angkasa, kemudahan rumah api terpencil yang dibina oleh USSR untuk Bulatan Artik.
RTG biasanya merupakan sumber kuasa yang paling disukai untuk peranti yang memerlukan beberapa ratus watt kuasa. Dalam sel bahan api, bateri atau penjana dipasang di tempat di mana sel solar tidak cekap. Penjana termoelektrik radioisotop memerlukan pengendalian radioisotop yang ketat semasalama selepas tamat hayat perkhidmatannya.
Terdapat kira-kira 1,000 RTG di Rusia, yang digunakan terutamanya untuk sumber kuasa pada cara jarak jauh: rumah api, suar radio dan peralatan radio khas yang lain. RTG ruang pertama pada polonium-210 ialah Limon-1 pada tahun 1962, kemudian Orion-1 dengan kuasa 20 W. Pengubahsuaian terkini telah dipasang pada satelit Strela-1 dan Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 dan Mars-96 menggunakan RTG dalam sistem pemanasan mereka.
Peranti penjana termoelektrik DIY
Proses kompleks sedemikian yang berlaku dalam TEG tidak menghalang "Kulibins" tempatan dalam keinginan mereka untuk menyertai proses saintifik dan teknikal global untuk penciptaan TEG. Penggunaan TEG buatan sendiri telah digunakan sejak sekian lama. Semasa Perang Patriotik Besar, partisan membuat penjana termoelektrik sejagat. Ia menjana elektrik untuk mengecas radio.
Dengan kemunculan elemen Peltier di pasaran pada harga yang berpatutan untuk pengguna isi rumah, anda boleh membuat TEG sendiri dengan mengikuti langkah di bawah.
- Dapatkan dua sinki haba daripada kedai IT dan sapukan pes haba. Yang terakhir akan memudahkan penyambungan elemen Peltier.
- Asingkan radiator dengan sebarang penebat haba.
- Buat lubang pada penebat untuk memuatkan elemen dan wayar Peltier.
- Pasang struktur dan bawa sumber haba (lilin) ke salah satu radiator. Semakin lama pemanasan, semakin banyak arus akan dijana daripada termoelektrik rumahpenjana.
Peranti ini berfungsi dengan senyap dan ringan. Penjana termoelektrik ic2, mengikut saiz, boleh menyambungkan pengecas telefon mudah alih, menghidupkan radio kecil dan menghidupkan lampu LED.
Pada masa ini, banyak pengeluar global terkenal telah melancarkan pengeluaran pelbagai alat mampu milik menggunakan TEG untuk penggemar kereta dan pengembara.
Prospek untuk pembangunan penjanaan termoelektrik
Permintaan untuk penggunaan isi rumah TEGs dijangka meningkat sebanyak 14%. Tinjauan pembangunan penjanaan termoelektrik telah diterbitkan oleh Market Research Future dengan mengeluarkan kertas kerja "Laporan Penyelidikan Pasaran Penjana Termoelektrik Global - Ramalan hingga 2022" - analisis pasaran, volum, bahagian, kemajuan, arah aliran dan ramalan. Laporan itu mengesahkan janji TEG dalam kitar semula sisa automotif dan penjanaan bersama elektrik dan haba untuk kemudahan domestik dan industri.
Secara geografi, pasaran penjana termoelektrik global telah dibahagikan kepada Amerika, Eropah, Asia-Pasifik, India dan Afrika. Asia-Pasifik dianggap sebagai segmen yang paling pesat berkembang dalam pelaksanaan pasaran TEG.
Di antara wilayah ini, Amerika, menurut pakar, merupakan sumber pendapatan utama dalam pasaran TEG global. Peningkatan permintaan untuk tenaga bersih dijangka meningkatkan permintaan di Amerika.
Eropah juga akan menunjukkan pertumbuhan yang agak pantas semasa tempoh ramalan. India dan China akanmeningkatkan penggunaan pada kadar yang ketara disebabkan oleh peningkatan dalam permintaan untuk kenderaan, yang akan membawa kepada pertumbuhan pasaran penjana.
Syarikat kereta seperti Volkswagen, Ford, BMW dan Volvo, dengan kerjasama NASA, telah pun mula membangunkan TEG mini untuk pemulihan haba dan sistem penjimatan bahan api dalam kenderaan.
