Termoelektrični generator (TEG termogenerator) je električni uređaj koji koristi Seebeck, Thomson i Peltier efekte za proizvodnju električne energije kroz termo-EMF. Termo-EMF efekat je otkrio nemački naučnik Thomas Johann Seebeck (Seebeck efekt) 1821. Godine 1851. William Thomson (kasnije Lord Kelvin) je nastavio termodinamička istraživanja i dokazao da je izvor elektromotorne sile (EMF) temperaturna razlika.
1834. godine, francuski pronalazač i časovničar Jean Charles Peltier otkrio je drugi termoelektrični efekat, otkrio da se temperaturna razlika javlja na spoju dva različita tipa materijala pod uticajem električne struje (Peltierov efekat). Konkretno, on je predvidio da će se EMF razviti unutar jednog provodnika kada postoji temperaturna razlika.
1950. godine, ruski akademik i istraživač Abram Ioffe otkrio je termoelektrična svojstva poluprovodnika. Termoelektrični generator je počeo da se koristi usistemi autonomnog napajanja u nepristupačnim područjima. Proučavanje svemira, čovjekova svemirska šetnja dala je snažan poticaj brzom razvoju termoelektričnih pretvarača.
Radioizotopski izvor energije je prvi put instaliran na svemirskim brodovima i orbitalnim stanicama. Počinju da se koriste u velikoj industriji nafte i gasa za antikorozivnu zaštitu gasovoda, u istraživačkom radu na krajnjem severu, u oblasti medicine kao pejsmejkeri i u stanovanju kao autonomni izvori napajanja.
Termoelektrični efekat i prenos toplote u elektronskim sistemima
Termoelektrični generatori, čiji je princip rada zasnovan na kompleksnoj upotrebi efekta tri naučnika (Seebeck, Thomson, Peltier), razvijeni su skoro 150 godina nakon otkrića koja su bila daleko ispred svog vremena.
Termoelektrični efekat je sljedeći fenomen. Za hlađenje ili proizvodnju električne energije koristi se "modul" koji se sastoji od električno povezanih parova. Svaki par se sastoji od poluvodičkog materijala p (S> 0) i n (S<0). Ova dva materijala povezana su provodnikom čija se termoelektrična snaga pretpostavlja da je nula. Dvije grane (p i n) i svi ostali parovi koji čine modul su povezani serijski u električnom kolu i paralelno u termalnom kolu. TEG (termoelektrični generator) sa ovim rasporedom stvara uslove za optimizaciju toplotnog toka koji prolazi kroz modul, prevazilazeći gaelektrični otpor. Električna struja djeluje na način da se nosioci naboja (elektroni i rupe) kreću od hladnog izvora do toplog izvora (u termodinamičkom smislu) u dva kraka para. Istovremeno, oni doprinose prijenosu entropije sa hladnog izvora na topli, u toplotni tok koji će se oduprijeti provodljivosti topline.
Ako odabrani materijali imaju dobra termoelektrična svojstva, ovaj toplotni tok koji nastaje kretanjem nosilaca naboja će biti veći od toplotne provodljivosti. Dakle, sistem će prenositi toplotu sa hladnog izvora na topli i delovati kao frižider. U slučaju proizvodnje električne energije, toplotni tok uzrokuje pomicanje nosilaca naboja i pojavu električne struje. Što je veća temperaturna razlika, više električne energije se može dobiti.
TEG efikasnost
Ocijenjeno faktorom efikasnosti. Snaga termoelektričnog generatora zavisi od dva kritična faktora:
- Količina toplotnog toka koja se može uspješno kretati kroz modul (toplotni tok).
- Temperaturne delte (DT) - temperaturna razlika između tople i hladne strane generatora. Što je delta veća, to efikasnije radi, stoga se moraju konstruktivno obezbediti uslovi, kako za maksimalno snabdevanje hladnoćom tako i za maksimalno odvođenje toplote sa zidova generatora.
Izraz "efikasnost termoelektričnih generatora" sličan je terminu koji se primjenjuje na sve druge vrstetermalni motori. Do sada je vrlo nizak i ne iznosi više od 17% Carnotove efikasnosti. Efikasnost TEG generatora je ograničena Carnot efikasnošću i u praksi dostiže samo nekoliko procenata (2-6%) čak i pri visokim temperaturama. To je zbog niske toplotne provodljivosti u poluvodičkim materijalima, što ne pogoduje efikasnoj proizvodnji energije. Dakle, potrebni su materijali sa niskom toplotnom provodljivošću, ali u isto vreme sa najvećom mogućom električnom provodljivošću.
Poluprovodnici rade bolji posao od metala, ali su i dalje veoma daleko od onih pokazatelja koji bi termoelektrični generator doveli na nivo industrijske proizvodnje (sa najmanje 15% korišćenja toplote visoke temperature). Dalje povećanje efikasnosti TEG-a zavisi od svojstava termoelektričnih materijala (termoelektrika), za kojima je potraga trenutno zaokupljena celokupnim naučnim potencijalom planete.
Razvoj novih termoelektrika je relativno složen i skup, ali ako bude uspješan, oni će izazvati tehnološku revoluciju u proizvodnim sistemima.
Termoelektrični materijali
Termoelektrici se sastoje od specijalnih legura ili poluprovodničkih jedinjenja. Nedavno su se električno provodljivi polimeri koristili za termoelektrična svojstva.
Zahtjevi za termoelektriku:
- visoka efikasnost zbog niske toplotne provodljivosti i visoke električne provodljivosti, visok Seebeck koeficijent;
- otpornost na visoke temperature i termomehaničkuutjecaj;
- pristupačnost i sigurnost životne sredine;
- otpornost na vibracije i nagle promjene temperature;
- dugoročna stabilnost i niska cijena;
- automatizacija procesa proizvodnje.
Trenutno su u toku eksperimenti za odabir optimalnih termoparova, koji će povećati efikasnost TEG-a. Termoelektrični poluvodički materijal je legura telurida i bizmuta. Posebno je proizveden da obezbedi pojedinačne blokove ili elemente sa različitim "N" i "P" karakteristikama.
Termoelektrični materijali se najčešće proizvode usmjerenom kristalizacijom iz rastopljene ili presovane metalurgije praha. Svaka metoda proizvodnje ima svoju posebnu prednost, ali materijali usmjereni na rast su najčešći. Osim bizmut telurita (Bi 2 Te 3), postoje i drugi termoelektrični materijali, uključujući legure olova i telurita (PbTe), silicijum i germanijum (SiGe), bizmut i antimon (Bi-Sb), koji se mogu koristiti u specifičnim slučajevima. Dok su termoparovi od bizmuta i telurida najbolji za većinu TEG-ova.
Dostojanstvo TEG
Prednosti termoelektričnih generatora:
- električna energija se proizvodi u zatvorenom, jednostepenom kolu bez upotrebe složenih sistema prenosa i upotrebe pokretnih dijelova;
- nedostatak radnih tečnosti i gasova;
- bez emisija štetnih materija, otpadne toplote i zagađenja okoline bukom;
- uređaj dug vek trajanja baterijefunkcioniranje;
- upotreba otpadne toplote (sekundarni izvori toplote) za uštedu energetskih resursa
- rad na bilo kojoj poziciji objekta, bez obzira na radno okruženje: prostor, voda, zemlja;
- DC niskonaponsko stvaranje;
- imunitet na kratki spoj;
- Neograničen rok trajanja, 100% spreman za upotrebu.
Oblasti primene termoelektričnog generatora
Prednosti TEG-a odredile su razvojne izglede i njegovu blisku budućnost:
- proučavanje okeana i svemira;
- primjena u maloj (domaćoj) alternativnoj energiji;
- koristeći toplinu iz izduvnih cijevi automobila;
- u sistemima za reciklažu;
- u sistemima hlađenja i klimatizacije;
- u sistemima toplotnih pumpi za trenutno zagrevanje dizel motora dizel lokomotiva i automobila;
- grijanje i kuhanje u poljskim uslovima;
- punjenje elektronskih uređaja i satova;
- prehrana senzornih narukvica za sportiste.
Termoelektrični Peltier pretvarač
Peltier element (EP) je termoelektrični pretvarač koji radi koristeći istoimeni Peltierov efekat, jedan od tri termoelektrična efekta (Seebeck i Thomson).
Francuz Jean-Charles Peltier je povezao bakarne i bizmutne žice jedne s drugima i povezao ih na bateriju, stvarajući tako par veza od dvarazličiti metali. Kada bi se baterija uključila, jedan od spojeva bi se zagrejao, a drugi bi se ohladio.
Uređaji sa Peltierovim efektom su izuzetno pouzdani jer nemaju pokretne dijelove, ne zahtijevaju održavanje, ne emituju štetne plinove, kompaktni su i imaju dvosmjerni rad (grijanje i hlađenje) ovisno o smjeru struje.
Nažalost, oni su neefikasni, imaju nisku efikasnost, emituju dosta toplote, što zahteva dodatnu ventilaciju i povećava cenu uređaja. Takvi uređaji troše dosta električne energije i mogu uzrokovati pregrijavanje ili kondenzaciju. Peltierovi elementi veći od 60 mm x 60 mm se gotovo nikada ne nalaze.
Obim ES
Uvođenje naprednih tehnologija u proizvodnju termoelektrika dovelo je do smanjenja troškova proizvodnje EP i proširenja dostupnosti tržištu.
Danas je EP u širokoj upotrebi:
- u prijenosnim hladnjacima, za hlađenje malih aparata i elektronskih komponenti;
- u odvlaživačima za izvlačenje vode iz zraka;
- u svemirskoj letjelici za balansiranje efekta direktne sunčeve svjetlosti na jednoj strani broda dok se toplota odvodi na drugu stranu;
- za hlađenje fotonskih detektora astronomskih teleskopa i visokokvalitetnih digitalnih kamera kako bi se minimizirale greške u posmatranju zbog pregrijavanja;
- za hlađenje kompjuterskih komponenti.
Odnedavno se naširoko koristi u domaće svrhe:
- u rashladnim uređajima koji se napajaju preko USB porta za hlađenje ili zagrijavanje pića;
- u obliku dodatne faze hlađenja kompresijskih frižidera sa smanjenjem temperature na -80 stepeni za jednostepeno hlađenje i do -120 za dvostepeno;
- u automobilima za stvaranje autonomnih frižidera ili grijača.
Kina je pokrenula proizvodnju Peltierovih elemenata modifikacija TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 u vrijednosti do 7 eura, koji mogu obezbijediti snagu do 200 W po shemi "toplo-hladno", sa vijekom trajanja do 200.000 sati rada u temperaturnoj zoni od -30 do 138 stepeni Celzijusa.
RITEG nuklearne baterije
Radioizotopni termoelektrični generator (RTG) je uređaj koji koristi termoelemente za pretvaranje toplote iz raspada radioaktivnog materijala u električnu energiju. Ovaj generator nema pokretne dijelove. RITEG se koristio kao izvor energije na satelitima, svemirskim letjelicama, udaljenim objektima svjetionika koje je SSSR izgradio za Arktički krug.
RTG-ovi su općenito najpoželjniji izvor napajanja za uređaje koji zahtijevaju nekoliko stotina vati snage. U gorivim ćelijama, baterijama ili generatorima instaliranim na mjestima gdje su solarne ćelije neefikasne. Radioizotopni termoelektrični generator zahtijeva strogo rukovanje radioizotopima 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-farovi i druga specijalna radio oprema. Prvi svemirski RTG na polonijum-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 sistemima grijanja.
DIY termoelektrični generator
Ovako složeni procesi koji se odvijaju u TEG-u ne zaustavljaju domaće "Kulibine" u njihovoj želji da se uključe u globalni naučno-tehnički proces za stvaranje TEG-a. Upotreba domaćih TEG-ova se koristi već duže vrijeme. Za vrijeme Velikog domovinskog rata partizani su napravili univerzalni termoelektrični generator. Proizvodio je električnu energiju za punjenje radija.
Sa pojavom Peltierovih elemenata na tržištu po pristupačnim cijenama za potrošače u domaćinstvu, moguće je sami napraviti TEG slijedeći korake ispod.
- Nabavite dva hladnjaka iz IT prodavnice i nanesite termalnu pastu. Ovo posljednje će olakšati povezivanje Peltierovog elementa.
- Odvojite radijatore bilo kojim toplotnim izolatorom.
- Napravite rupu u izolatoru za smještaj Peltierovog elementa i žica.
- Sastavite konstrukciju 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 mobilni telefon, uključiti mali radio i uključiti LED rasvjetu.
Trenutno su mnogi poznati svjetski proizvođači pokrenuli proizvodnju raznih pristupačnih gadžeta koristeći TEG za ljubitelje automobila i putnike.
Izgledi za razvoj termoelektrične proizvodnje
Očekuje se da će potražnja za potrošnjom TEG-a u domaćinstvima porasti za 14%. Perspektive razvoja termoelektrične proizvodnje objavio je Market Research Future izdavanjem rada „Globalno istraživanje tržišta termoelektričnih generatora – prognoza do 2022.“– analiza tržišta, obim, udio, napredak, trendovi i prognoze. Izveštaj potvrđuje obećanje TEG-a u reciklaži automobilskog otpada i kogeneraciji električne i toplotne energije za kućne i industrijske objekte.
Geografski, globalno tržište termoelektričnih generatora podijeljeno je na Ameriku, Evropu, Azijsko-pacifički region, Indiju i Afriku. Azijsko-pacifički region se smatra najbrže rastućim segmentom u implementaciji TEG tržišta.
Među ovim 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.
Evropa će takođe pokazati relativno brz rast tokom perioda predviđanja. Indija i Kina hoćepovećati potrošnju značajnim tempom zbog povećanja potražnje za vozilima, što će dovesti do rasta tržišta generatora.
Automobilske kompanije kao što su Volkswagen, Ford, BMW i Volvo, u saradnji sa NASA-om, već su počele da razvijaju mini-TEG za sistem povrata toplote i ekonomičnosti goriva u vozilima.
