Термоэлектрический генератор

редактировать

A термоэлектрический генератор (ТЭГ ), также называемый генератором Зеебека, - это твердотельное устройство, которое преобразует тепловой поток (разность температур ) непосредственно в электрическую энергию посредством явления, называемого эффектом Зеебека (a форма термоэлектрического эффекта ). Термоэлектрические генераторы работают как тепловые двигатели, но менее громоздки и не имеют движущихся частей. Однако ТЭГ, как правило, более дорогие и менее эффективные.

Термоэлектрические генераторы могут использоваться на электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную электроэнергию, а также в автомобилях как автомобильные термоэлектрические генераторы (ПТГ) для повышения топливной экономичности. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы используют радиоизотопы для создания необходимой разницы тепла для питания космических зондов.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Конструкция
    • 2.1 Термоэлектрические материалы
    • 2.2 Термоэлектрические преимущества
    • 2.3 Термоэлектрический модуль
    • 2.4 Термоэлектрические системы
  • 3 Материалы для ТЭГ
    • 3.1 Обычные материалы
    • 3.2 Новые материалы
    • 3.3 Новые технологии
  • 4 Эффективность
  • 5 Использует
  • 6 Практические ограничения
  • 7 Рынок будущего
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

История

В 1821 г. Томас Иоганн Зеебек заново открыл, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. В основе термоэлектрического эффекта лежит тот факт, что температурный градиент в проводящем материале приводит к тепловому потоку; это приводит к диффузии носителей заряда. Поток носителей заряда между горячей и холодной областями, в свою очередь, создает разницу напряжений. В 1834 году Жан Шарль Атаназ Пельтье обнаружил обратный эффект: прохождение электрического тока через соединение двух разнородных проводников может, в зависимости от направления тока, заставить его действовать как нагреватель или охладитель.

Конструкция

Эффект Зеебека в термобатареи из железных и медных проводов

Термоэлектрические генераторы энергии состоят из трех основных компонентов: термоэлектрических материалов, термоэлектрических модулей и термоэлектрических систем. этот интерфейс с источником тепла.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрические материалы генерируют энергию непосредственно из тепла путем преобразования разницы температур в электрическое напряжение. Эти материалы должны иметь как высокую электрическую проводимость (σ), так и низкую теплопроводность (κ), чтобы быть хорошими термоэлектрическими материалами. Низкая теплопроводность гарантирует, что когда одна сторона нагревается, другая сторона остается холодной, что помогает генерировать большое напряжение в условиях температурного градиента. Мера величины потока электронов в ответ на разницу температур в этом материале определяется коэффициентом Зеебека (S). Эффективность данного материала по выработке термоэлектрической энергии определяется его «добротностью » zT = SσT / κ.

В течение многих лет основными тремя полупроводниками, которые, как известно, имели как низкую теплопроводность, так и высокий коэффициент мощности, были теллурид висмута (Bi 2Te3), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Эти материалы содержат очень редкие элементы, которые делают их очень дорогими соединениями.

Сегодня теплопроводность полупроводников может быть снижена без влияния на их высокие электрические свойства с помощью нанотехнологии. Это может быть достигнуто путем создания наноразмерных элементов, таких как частицы, провода или границы раздела в объемных полупроводниковых материалах. Однако процессы производства наноматериалов все еще остаются сложными.

Термоэлектрическая цепь, состоящая из материалов с различным коэффициентом Зеебека (полупроводники с примесью p и n), сконфигурированная как термоэлектрический генератор.

Преимущества термоэлектрической энергии

Термоэлектрические генераторы являются полностью твердотельными устройствами которые не требуют жидкостей для топлива или охлаждения, что делает их независимыми от ориентации, что позволяет использовать их в условиях невесомости или в открытом море. Твердотельная конструкция позволяет работать в суровых условиях. Термоэлектрические генераторы не имеют движущихся частей, что обеспечивает более надежное устройство, не требующее обслуживания в течение длительного времени. Долговечность и устойчивость к окружающей среде сделали термоэлектрические приборы фаворитом для исследователей дальнего космоса НАСА среди других приложений. Одним из ключевых преимуществ термоэлектрических генераторов за пределами таких специализированных приложений является то, что они потенциально могут быть интегрированы в существующие технологии для повышения эффективности и снижения воздействия на окружающую среду за счет производства полезной энергии из отходящего тепла.

Термоэлектрический модуль

Термоэлектрический модуль - это цепь, содержащая термоэлектрические материалы, которые вырабатывают электричество непосредственно из тепла. Термоэлектрический модуль состоит из двух разнородных термоэлектрических материалов, соединенных на концах: полупроводника n-типа (с отрицательными носителями заряда) и p-типа (с положительными носителями заряда). В цепи будет протекать постоянный электрический ток, когда между краями материалов существует разница температур. Как правило, текущая величина прямо пропорциональна разнице температур:

J = - σ S ∇ T {\ displaystyle \ mathbf {J} = - \ sigma S \ nabla T}{\ displaystyle \ mathbf {J} = - \ sigma S \ nabla T}

где σ {\ displaystyle \ sigma}\ sigma - локальная проводимость, S - коэффициент Зеебека (также известный как термоЭДС), свойство местного материала, и ∇ T {\ displaystyle \ nabla T}{\ displaystyle \ nabla T} - температурный градиент.

На практике термоэлектрические модули в производстве электроэнергии работают в очень жестких механических и термических условиях. Поскольку они работают в условиях очень высокого температурного градиента, модули подвергаются большим термическим напряжениям и деформациям в течение длительных периодов времени. Они также подвержены механической усталости, вызванной большим количеством термических циклов.

Таким образом, стыки и материалы должны быть выбраны так, чтобы они выдерживали эти жесткие механические и термические условия. Кроме того, модуль должен быть спроектирован так, чтобы два термоэлектрических материала были термически параллельны, но электрически включены последовательно. На эффективность термоэлектрического модуля сильно влияет геометрия его конструкции.

Термоэлектрические системы

Используя термоэлектрические модули, термоэлектрическая система вырабатывает энергию, забирая тепло от источника, такого как горячий дымоход. Для работы системе необходим большой температурный градиент, что непросто в реальных приложениях. Холодная сторона должна охлаждаться воздухом или водой. Теплообменники используются с обеих сторон модулей для нагрева и охлаждения.

При разработке надежной системы ТЭГ, работающей при высоких температурах, возникает множество проблем. Достижение высокой эффективности в системе требует обширного инженерного проектирования, чтобы сбалансировать тепловой поток через модули и максимизировать температурный градиент между ними. Для этого разработка технологий теплообменников в системе является одним из наиболее важных аспектов проектирования ТЭГ. Кроме того, система требует минимизировать тепловые потери из-за границ раздела материалов в нескольких местах. Еще одно сложное ограничение - избежать больших перепадов давления между источниками нагрева и охлаждения.

Если требуется питание переменного тока (например, для питания оборудования, рассчитанного на работу от сети переменного тока), питание постоянного тока от модулей TE должно проходить через инвертор, который снижает эффективность и увеличивает стоимость и сложность системы.

Материалы для ТЭГ

Лишь несколько известных на сегодняшний день материалов идентифицированы как термоэлектрические материалы. Большинство термоэлектрических материалов сегодня имеют zT, добротность, значение около 1, например, в теллуриде висмута (Bi 2Te3) при комнатной температуре и в теллуриде свинца (PbTe). при 500–700 К. Однако, чтобы быть конкурентоспособными с другими системами выработки электроэнергии, материалы ТЭГ должны иметь набор 2–3. Большинство исследований в области термоэлектрических материалов было сосредоточено на увеличении коэффициента Зеебека (S) и уменьшении теплопроводности, особенно за счет изменения свойств термоэлектрических материалов. Поскольку как тепловая, так и электрическая проводимость коррелируют с носителями заряда, должны быть введены новые средства для устранения противоречия между высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, как это необходимо.

При выборе материалов для термоэлектрической генерации, необходимо учитывать ряд других факторов. В идеале во время работы термоэлектрический генератор имеет большой градиент температуры. Затем тепловое расширение приведет к возникновению напряжения в устройстве, которое может вызвать разрушение термоэлектрических ветвей или отделение от соединительного материала. Необходимо учитывать механические свойства материалов, а коэффициент теплового расширения материалов n- и p-типа должен быть достаточно хорошо согласован. В сегментированных термоэлектрических генераторах необходимо также учитывать совместимость материала.

Коэффициент совместимости материала определяется как

s = 1 - z T - 1 ST {\ displaystyle s = {\ frac {{\ sqrt {1-zT}} - 1} {ST}}}{\ displaystyle s = {\ frac {{\ sqrt {1-zT}} - 1} {ST}}} .

Когда коэффициент совместимости от одного сегмента к другому отличается более чем примерно в два раза, устройство не будет работать эффективно. Параметры материала, определяющие s (а также zT), зависят от температуры, поэтому коэффициент совместимости может изменяться от горячей стороны к холодной стороне устройства даже в одном сегменте. Такое поведение называется самосовместимостью и может стать важным для устройств, предназначенных для работы при низких температурах.

В общем, термоэлектрические материалы можно разделить на обычные и новые материалы:

Обычные материалы

Многие материалы ТЭГ сегодня используются в коммерческих приложениях. Эти материалы можно разделить на три группы в зависимости от диапазона рабочих температур:

  1. Низкотемпературные материалы (примерно до 450 K): сплавы на основе висмута (Bi) в сочетании с сурьмой. (Sb), теллур (Te) или селен (Se).
  2. Промежуточная температура (до 850 K): например, материалы на основе сплавов из свинца (Pb)
  3. Материал для самых высоких температур (до 1300 K): материалы, изготовленные из сплавов кремний-германий (SiGe).

Хотя эти материалы до сих пор остаются краеугольным камнем для коммерческих и практических применений в термоэлектрической генерации энергии, значительные успехи были достигнуты в синтезе новых материалов и изготовлении структур материалов с улучшенными термоэлектрическими характеристиками. Недавние исследования были сосредоточены на улучшении добротности материала (zT) и, следовательно, эффективности преобразования за счет снижения теплопроводности решетки.

Новые материалы

Генерация электричества за счет захвата обеих сторон гибкий PEDOT: PSS термоэлектрическое устройство PEDOT: модель на основе PSS, встроенная в перчатку для выработки электричества за счет тепла тела

Исследователи пытаются разработать новые термоэлектрические материалы для выработки электроэнергии, улучшая их характеристики. служебные заслуги zT. Одним из примеров этих материалов является полупроводниковое соединение ß-Zn 4Sb3, которое обладает исключительно низкой теплопроводностью и демонстрирует максимальное значение zT 1,3 при температуре 670 К. Этот материал также относительно недорог и стабилен до этой температуры в вакууме и может быть хорошей альтернативой в температурном диапазоне между материалами на основе Bi 2Te3и PbTe. Одним из наиболее интересных достижений в области термоэлектрических материалов была разработка монокристаллического селенида олова, который обеспечил рекордное значение zT 2,6 в одном направлении. Другие новые материалы, представляющие интерес, включают скуттерудиты, тетраэдриты и кристаллы гремящих ионов.

Помимо улучшения добротности, все большее внимание уделяется разработке новых материалов за счет увеличения выходной электрической мощности, снижения стоимости и экологической разработки дружественные материалы. Например, когда стоимость топлива низкая или почти бесплатная, как, например, в рекуперации отработанного тепла, тогда стоимость ватта определяется только мощностью на единицу площади и продолжительностью работы. В результате он инициировал поиск материалов с высокой выходной мощностью, а не эффективностью преобразования. Например, соединения редкоземельных элементов YbAl 3 имеют низкую добротность, но их выходная мощность по крайней мере вдвое выше, чем у любого другого материала, и они могут работать в диапазоне температур отходов.

Новая обработка

Чтобы повысить добротность (zT), необходимо минимизировать теплопроводность материала, а его электропроводность и коэффициент Зеебека - максимизировать. В большинстве случаев методы увеличения или уменьшения одного свойства приводят к такому же эффекту на другие свойства из-за их взаимозависимости. Новая технология обработки использует рассеяние на разных частотах фононов для избирательного уменьшения теплопроводности решетки без типичных отрицательных эффектов на электрическую проводимость из-за одновременного повышенного рассеяния электронов. В тройной системе висмута и сурьмы и теллура жидкофазное спекание используется для создания низкоэнергетических полукогерентных границ зерен, которые не оказывают значительного эффекта рассеяния на электронах. Прорыв затем заключается в приложении давления к жидкости в процессе спекания, которое создает переходный поток жидкости, богатой Te, и способствует образованию дислокаций, которые значительно снижают проводимость решетки. Возможность выборочного уменьшения проводимости решетки приводит к заявленному значению zT 1,86, что является значительным улучшением по сравнению с текущими коммерческими термоэлектрическими генераторами с zT ~ 0,3–0,6. Эти улучшения подчеркивают тот факт, что помимо разработки новых материалов для термоэлектрических применений, использование различных технологий обработки для создания микроструктуры является жизнеспособным и стоящим усилием. На самом деле, часто имеет смысл работать над оптимизацией как состава, так и микроструктуры.

КПД

Типичный КПД ТЭГ составляет около 5-8%. В более старых устройствах использовались биметаллические переходы и они были громоздкими. В более современных устройствах используются высоколегированные полупроводники, изготовленные из теллурида висмута (Bi 2Te3), теллурида свинца (PbTe), оксида кальция-марганца (Ca 2Mn3O8) или их комбинаций. в зависимости от температуры. Это твердотельные устройства, и в отличие от динамо не имеют движущихся частей, за редким исключением вентилятора или насоса.

Использование

Термоэлектрические генераторы имеют множество применений. Часто термоэлектрические генераторы используются для удаленных приложений с низким энергопотреблением или там, где более громоздкие, но более эффективные тепловые двигатели, такие как двигатели Стирлинга, были бы невозможны. В отличие от тепловых двигателей, твердотельные электрические компоненты , обычно используемые для преобразования тепловой энергии в электрическую, не имеют движущихся частей. Преобразование тепловой энергии в электрическую может выполняться с использованием компонентов, которые не требуют обслуживания, обладают высокой надежностью и могут использоваться для создания генераторов с длительным сроком службы без обслуживания. Это делает термоэлектрические генераторы хорошо подходящими для оборудования с низким или умеренным потреблением энергии в удаленных необитаемых или труднодоступных местах, таких как горные вершины, космический вакуум или глубокий океан.

Практические ограничения

Помимо низкой эффективности и относительно высокой стоимости, существуют практические проблемы при использовании термоэлектрических устройств в определенных типах приложений, возникающие из-за относительно высокого электрического выходного сопротивления, что увеличивает самонагревание и относительно низкую теплопроводность, что делает их непригодными для применений, где отвод тепла имеет решающее значение, например, с отводом тепла от электрического устройства, такого как микропроцессоры.

  • Высокое выходное сопротивление генератора: Для получения уровней выходного напряжения в диапазоне, требуемом цифровыми электрическими устройствами, общий подход заключается в последовательном размещении множества термоэлектрических элементов внутри модуля генератора. Напряжения элементов увеличиваются, но увеличивается и их выходное сопротивление. Теорема о максимальной передаче мощности диктует, что максимальная мощность передается на нагрузку, когда сопротивления источника и нагрузки идентичны. Для нагрузок с низким импедансом, близких к нулю, по мере увеличения сопротивления генератора мощность, подаваемая на нагрузку, уменьшается. Чтобы снизить выходное сопротивление, некоторые коммерческие устройства размещают больше отдельных элементов параллельно и меньше последовательно и используют повышающий регулятор для повышения напряжения до напряжения, необходимого для нагрузки.
  • Низкая теплопроводность: Потому что очень высокая теплопроводность необходима для отвода тепловой энергии от источника тепла, такого как цифровой микропроцессор, низкая теплопроводность термоэлектрических генераторов делает их непригодными для рекуперации тепла.
  • Отвод тепла с холодной стороны воздухом: На воздухе -охлаждаемые термоэлектрические устройства, такие как сбор тепловой энергии из картера автомобиля, большое количество тепловой энергии, которая должна рассеиваться в окружающий воздух, представляет собой серьезную проблему. По мере повышения температуры холодной стороны термоэлектрического генератора дифференциальная рабочая температура устройства уменьшается. С повышением температуры электрическое сопротивление устройства увеличивается, вызывая больший паразитный самонагрев генератора. В автомобилях иногда используется дополнительный радиатор для улучшения отвода тепла, хотя использование электрического водяного насоса для циркуляции охлаждающей жидкости увеличивает паразитные потери общей выходной мощности генератора. Водяное охлаждение холодной стороны термоэлектрического генератора, как при выработке термоэлектрической энергии из горячего картера бортового лодочного мотора, не страдает от этого недостатка. Воду - гораздо более эффективный хладагент, чем воздух.

Рынок будущего

Хотя технология ТЭГ использовалась в военных и аэрокосмических приложениях в течение десятилетий, новые материалы и системы ТЭ для выработки энергии разрабатываются. использование отходящего тепла низких или высоких температур, и это может предоставить значительные возможности в ближайшем будущем. Эти системы также можно масштабировать до любого размера и иметь более низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание.

В целом инвестиции в технологию ТЭГ быстро растут. Мировой рынок термоэлектрических генераторов оценивается в 320 миллионов долларов США в 2015 году. Согласно недавнему исследованию, ожидается, что TEG достигнет 720 миллионов долларов в 2021 году с темпами роста 14,5%. Сегодня Северная Америка занимает 66% доли рынка, и в ближайшем будущем она останется крупнейшим рынком. Однако, согласно прогнозам, рост в странах Азиатско-Тихоокеанского региона и Европы будет относительно более высокими. Исследование показало, что рынок Азиатско-Тихоокеанского региона будет расти со средним годовым темпом роста (CAGR) 18,3% в период с 2015 по 2020 год из-за высокого спроса на термоэлектрические генераторы со стороны автомобильной промышленности для повышения общей топливной эффективности. по мере роста индустриализации в регионе.

Малые термоэлектрические генераторы также находятся на ранних стадиях исследования носимых технологий, чтобы сократить или заменить зарядку и увеличить продолжительность зарядки. Недавние исследования были сосредоточены на новой разработке гибкого неорганического термоэлектрика, селенида серебра, на нейлоновой подложке. Термоэлектрики представляют собой особую синергию с носимыми устройствами, собирая энергию непосредственно из человеческого тела, создавая автономное устройство. В одном проекте использовался селенид серебра n-типа на нейлоновой мембране. Селенид серебра - это полупроводник с узкой запрещенной зоной, обладающий высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что делает его идеальным для термоэлектрических применений.

ТЭГ малой мощности или «субваттный» (то есть генерирующий пиковую мощность до 1 Вт) рынок растущая часть рынка ТЭГ с использованием новейших технологий. Основными приложениями являются датчики, приложения с низким энергопотреблением и более глобальные приложения Интернета вещей. Специализированная компания, занимающаяся исследованиями рынка, сообщила, что в 2014 году было отгружено 100 000 единиц, а к 2020 году ожидается 9 миллионов единиц в год.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-11 08:32:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте