Thermo-elektrische generator (TEG-thermogenerator) is een elektrisch apparaat dat de Seebeck-, Thomson- en Peltier-effecten gebruikt om elektriciteit op te wekken door middel van thermo-EMF. Het thermo-EMF-effect werd ontdekt door de Duitse wetenschapper Thomas Johann Seebeck (Seebeck-effect) in 1821. In 1851 zette William Thomson (later Lord Kelvin) thermodynamisch onderzoek voort en bewees dat de bron van de elektromotorische kracht (EMV) een temperatuurverschil is.
In 1834 ontdekte de Franse uitvinder en horlogemaker Jean Charles Peltier het tweede thermo-elektrische effect, hij ontdekte dat het temperatuurverschil optreedt op de kruising van twee verschillende soorten materialen onder invloed van een elektrische stroom (Peltier-effect). In het bijzonder voorspelde hij dat een EMV zich zou ontwikkelen binnen een enkele geleider als er een temperatuurverschil was.
In 1950 ontdekte de Russische academicus en onderzoeker Abram Ioffe de thermo-elektrische eigenschappen van halfgeleiders. Thermo-elektrische stroomgenerator begon te worden gebruikt inautonome stroomvoorzieningssystemen in ontoegankelijke gebieden. De studie van de ruimte, de ruimtewandeling van de mens, gaf een krachtige impuls aan de snelle ontwikkeling van thermo-elektrische omvormers.
De energiebron voor radio-isotopen werd voor het eerst geïnstalleerd op ruimtevaartuigen en orbitale stations. Ze beginnen te worden gebruikt in de grote olie- en gasindustrie voor corrosiebescherming van gaspijpleidingen, in onderzoekswerk in het hoge noorden, op het gebied van geneeskunde als pacemakers en in woningen als autonome bronnen van stroomvoorziening.
Thermo-elektrisch effect en warmteoverdracht in elektronische systemen
Thermo-elektrische generatoren, waarvan het werkingsprincipe is gebaseerd op het complexe gebruik van het effect van drie wetenschappers (Seebeck, Thomson, Peltier), werden bijna 150 jaar na ontdekkingen ontwikkeld die hun tijd ver vooruit waren.
Thermo-elektrisch effect is het volgende fenomeen. Voor het koelen of opwekken van elektriciteit wordt gebruik gemaakt van een "module" bestaande uit elektrisch verbonden paren. Elk paar bestaat uit halfgeleidermateriaal p (S> 0) en n (S<0). Deze twee materialen zijn verbonden door een geleider waarvan wordt aangenomen dat het thermo-elektrische vermogen nul is. Twee takken (p en n) en alle andere paren waaruit de module bestaat, zijn in serie geschakeld in het elektrische circuit en parallel in het thermische circuit. TEG (thermo-elektrische generator) met deze lay-out schept voorwaarden om de warmtestroom die door de module gaat, te optimaliseren en deze te overwinnenelektrische weerstand. Elektrische stroom werkt zo dat ladingsdragers (elektronen en gaten) in twee takken van het paar van een koude bron naar een hete bron (in thermodynamische zin) gaan. Tegelijkertijd dragen ze bij aan de overdracht van entropie van een koude bron naar een hete, naar een warmtestroom die warmtegeleiding zal weerstaan.
Als de geselecteerde materialen goede thermo-elektrische eigenschappen hebben, zal deze warmteflux die wordt gegenereerd door de beweging van ladingsdragers groter zijn dan de thermische geleidbaarheid. Daarom zal het systeem warmte overdragen van een koude bron naar een warme en fungeren als een koelkast. Bij elektriciteitsopwekking veroorzaakt de warmtestroom de verplaatsing van ladingsdragers en het verschijnen van een elektrische stroom. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer elektriciteit kan worden verkregen.
TEG-efficiëntie
Beoordeeld op de efficiëntiefactor. Het vermogen van een thermo-elektrische generator hangt af van twee kritische factoren:
- De hoeveelheid warmtestroom die met succes door de module kan bewegen (warmtestroom).
- Temperatuurdelta's (DT) - het temperatuurverschil tussen de warme en koude kant van de generator. Hoe groter de delta, hoe efficiënter het werkt, daarom moeten constructieve voorwaarden worden gecreëerd, zowel voor maximale koudetoevoer als maximale warmteafvoer van de generatorwanden.
De term "efficiëntie van thermo-elektrische generatoren" is vergelijkbaar met de term die wordt toegepast op alle andere typenthermische motoren. Tot nu toe is het erg laag en bedraagt het niet meer dan 17% van de efficiëntie van Carnot. Het rendement van de TEG-generator wordt beperkt door het Carnot-rendement en bereikt in de praktijk zelfs bij hoge temperaturen slechts enkele procenten (2-6%). Dit komt door de lage thermische geleidbaarheid in halfgeleidermaterialen, wat niet bevorderlijk is voor een efficiënte energieopwekking. Er zijn dus materialen nodig met een lage thermische geleidbaarheid, maar tegelijkertijd met de hoogst mogelijke elektrische geleidbaarheid.
Halfgeleiders doen het beter dan metalen, maar zijn nog ver verwijderd van die indicatoren die een thermo-elektrische generator op het niveau van industriële productie zouden brengen (met ten minste 15% gebruik van hogetemperatuurwarmte). Een verdere verhoging van de efficiëntie van TEG hangt af van de eigenschappen van thermo-elektrische materialen (thermo-elektrische materialen), waarvan de zoektocht momenteel wordt ingenomen door het volledige wetenschappelijke potentieel van de planeet.
De ontwikkeling van nieuwe thermo-elektriciteit is relatief complex en duur, maar als ze succesvol zijn, zullen ze een technologische revolutie teweegbrengen in opwekkingssystemen.
Thermo-elektrische materialen
Thermo-elektriciteit bestaat uit speciale legeringen of halfgeleiderverbindingen. Onlangs zijn elektrisch geleidende polymeren gebruikt voor thermo-elektrische eigenschappen.
Vereisten voor thermo-elektriciteit:
- hoog rendement door lage thermische geleidbaarheid en hoge elektrische geleidbaarheid, hoge Seebeck-coëfficiënt;
- weerstand tegen hoge temperaturen en thermomechanischimpact;
- toegankelijkheid en milieuveiligheid;
- weerstand tegen trillingen en plotselinge veranderingen in temperatuur;
- stabiliteit op lange termijn en lage kosten;
- automatisering van het productieproces.
Momenteel zijn experimenten aan de gang om optimale thermokoppels te selecteren, die de TEG-efficiëntie zullen verhogen. Het thermo-elektrische halfgeleidermateriaal is een legering van telluride en bismut. Het is speciaal vervaardigd om individuele blokken of elementen te voorzien van verschillende "N"- en "P"-kenmerken.
Thermo-elektrische materialen worden meestal gemaakt door gerichte kristallisatie uit gesmolten of geperste poedermetallurgie. Elke productiemethode heeft zijn eigen specifieke voordeel, maar gerichte groeimaterialen zijn de meest voorkomende. Naast bismuttelluriet (Bi 2 Te 3) zijn er andere thermo-elektrische materialen, waaronder legeringen van lood en telluriet (PbTe), silicium en germanium (SiGe), bismut en antimoon (Bi-Sb), die in specifieke gevallen. Terwijl bismut- en telluride-thermokoppels het beste zijn voor de meeste TEG's.
Dignity of TEG
Voordelen van thermo-elektrische generatoren:
- elektriciteit wordt opgewekt in een gesloten, eentraps circuit zonder het gebruik van complexe transmissiesystemen en het gebruik van bewegende delen;
- gebrek aan werkvloeistoffen en gassen;
- geen uitstoot van schadelijke stoffen, restwarmte en geluidsoverlast van de omgeving;
- apparaat lange batterijduurfunctioneren;
- gebruik van restwarmte (secundaire warmtebronnen) om energiebronnen te besparen
- werk in elke positie van het object, ongeacht de werkomgeving: ruimte, water, aarde;
- DC laagspanningsopwekking;
- kortsluiting immuniteit;
- Onbeperkte houdbaarheid, 100% klaar voor gebruik.
Toepassingsgebieden van thermo-elektrische generator
De voordelen van TEG bepaalden de ontwikkelingsvooruitzichten en de nabije toekomst:
- studie van de oceaan en de ruimte;
- toepassing in kleine (huishoudelijke) alternatieve energie;
- warmte gebruiken van uitlaatpijpen van auto's;
- in recyclingsystemen;
- in koel- en airconditioningsystemen;
- in warmtepompsystemen voor directe verwarming van dieselmotoren van diesellocomotieven en auto's;
- verwarmen en koken in veldomstandigheden;
- opladen van elektronische apparaten en horloges;
- voeding van sensorische armbanden voor atleten.
Thermo-elektrische Peltier-converter
Peltier-element (EP) is een thermo-elektrische omzetter die werkt met het gelijknamige Peltier-effect, een van de drie thermo-elektrische effecten (Seebeck en Thomson).
De Fransman Jean-Charles Peltier verbond koper- en bismutdraden met elkaar en verbond ze met een batterij, waardoor een paar verbindingen van twee ontstondongelijke metalen. Als de batterij werd ingeschakeld, zou een van de kruispunten opwarmen en de andere afkoelen.
Peltier-effectapparaten zijn uiterst betrouwbaar omdat ze geen bewegende delen hebben, onderhoudsvrij zijn, geen schadelijke gassen uitstoten, compact zijn en bidirectioneel werken (verwarmen en koelen) afhankelijk van de richting van de stroom.
Helaas zijn ze inefficiënt, hebben ze een laag rendement, stoten ze behoorlijk veel warmte uit, wat extra ventilatie vereist en de kosten van het apparaat verhoogt. Dergelijke apparaten verbruiken vrij veel elektriciteit en kunnen oververhitting of condensatie veroorzaken. Peltier-elementen groter dan 60 mm x 60 mm worden bijna nooit gevonden.
Omvang van ES
De introductie van geavanceerde technologieën bij de productie van thermo-elektriciteit heeft geleid tot een verlaging van de productiekosten van EP en een grotere toegankelijkheid van de markt.
Vandaag wordt EP veel gebruikt:
- in draagbare koelers, voor het koelen van kleine apparaten en elektronische componenten;
- in luchtontvochtigers om water uit de lucht te halen;
- in ruimtevaartuigen om het effect van direct zonlicht aan de ene kant van het schip in evenwicht te brengen terwijl de warmte naar de andere kant wordt afgevoerd;
- om de fotondetectoren van astronomische telescopen en hoogwaardige digitale camera's te koelen om waarnemingsfouten als gevolg van oververhitting te minimaliseren;
- voor het koelen van computercomponenten.
Onlangs is het veel gebruikt voor huishoudelijke doeleinden:
- in koelere apparaten aangedreven door een USB-poort om dranken te koelen of te verwarmen;
- in de vorm van een extra koelfase van compressiekoelkasten met een temperatuurdaling tot -80 graden voor eentrapskoeling en tot -120 voor tweetraps;
- in auto's om autonome koelkasten of verwarmingen te maken.
China heeft de productie gelanceerd van Peltier-elementen van modificaties TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 ter waarde van maximaal 7 euro, die vermogen tot 200 W kunnen leveren volgens de "warmte-koude" -schema's, met een levensduur tot 200.000 bedrijfsuren in de temperatuurzone van -30 tot 138 graden Celsius.
RITEG kernbatterijen
Een radio-isotoop thermo-elektrische generator (RTG) is een apparaat dat thermokoppels gebruikt om warmte van het verval van radioactief materiaal om te zetten in elektriciteit. Deze generator heeft geen bewegende delen. RITEG werd gebruikt als energiebron op satellieten, ruimtevaartuigen en afgelegen vuurtorenfaciliteiten gebouwd door de USSR voor de poolcirkel.
RTG's zijn over het algemeen de meest geprefereerde voedingsbron voor apparaten die enkele honderden watts vermogen nodig hebben. In brandstofcellen, batterijen of generatoren geïnstalleerd op plaatsen waar zonnecellen inefficiënt zijn. Een radio-isotoop thermo-elektrische generator vereist strikte behandeling van radio-isotopen tijdens:lange tijd na het einde van zijn levensduur.
Er zijn ongeveer 1.000 RTG's in Rusland, die voornamelijk werden gebruikt voor stroombronnen op lange afstand: vuurtorens, radiobakens en andere speciale radioapparatuur. De eerste ruimte-RTG op polonium-210 was Limon-1 in 1962, toen Orion-1 met een vermogen van 20 W. De laatste aanpassing is geïnstalleerd op de Strela-1 en Kosmos-84/90 satellieten. Lunokhods-1, 2 en Mars-96 gebruikten RTG's in hun verwarmingssystemen.
DIY thermo-elektrisch generatorapparaat
Dergelijke complexe processen die plaatsvinden in de TEG, stoppen de lokale "Kulibins" niet in hun verlangen om deel te nemen aan het wereldwijde wetenschappelijke en technische proces voor de oprichting van de TEG. Het gebruik van zelfgemaakte TEG's wordt al heel lang gebruikt. Tijdens de Grote Patriottische Oorlog maakten partizanen een universele thermo-elektrische generator. Het wekte elektriciteit op om de radio op te laden.
Met de komst van Peltier-elementen op de markt tegen betaalbare prijzen voor de huishoudelijke consument, is het mogelijk om zelf een TEG te maken door de onderstaande stappen te volgen.
- Koop twee koellichamen van een IT-winkel en breng koelpasta aan. Dit laatste zal de aansluiting van het Peltier-element vergemakkelijken.
- Scheid de radiatoren met een warmte-isolator.
- Maak een gat in de isolator om plaats te bieden aan het Peltier-element en de draden.
- Zet de structuur in elkaar en breng de warmtebron (kaars) naar een van de radiatoren. Hoe langer de verwarming, hoe meer stroom er wordt gegenereerd uit het thermo-elektrische huis in huisgenerator.
Dit apparaat werkt geruisloos en is licht in gewicht. De ic2 thermo-elektrische generator kan, afhankelijk van de grootte, een oplader voor mobiele telefoons aansluiten, een kleine radio inschakelen en LED-verlichting inschakelen.
Momenteel hebben veel bekende wereldwijde fabrikanten de productie gelanceerd van verschillende betaalbare gadgets met behulp van TEG voor autoliefhebbers en reizigers.
Vooruitzichten voor de ontwikkeling van thermo-elektrische opwekking
De vraag naar huishoudelijke consumptie van TEG's zal naar verwachting met 14% groeien. Vooruitzichten voor de ontwikkeling van thermo-elektrische generaties werden gepubliceerd door Market Research Future door de publicatie van het document "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - marktanalyse, volume, aandeel, voortgang, trends en voorspellingen. Het rapport bevestigt de belofte van TEG bij de recycling van auto-afval en warmtekrachtkoppeling van elektriciteit en warmte voor huishoudelijke en industriële installaties.
Geografisch gezien is de wereldwijde markt voor thermo-elektrische generatoren verdeeld in Amerika, Europa, Azië-Pacific, India en Afrika. Azië-Pacific wordt beschouwd als het snelst groeiende segment in de implementatie van de TEG-markt.
Van deze regio's is Amerika volgens experts de belangrijkste bron van inkomsten op de wereldwijde TEG-markt. Een toename van de vraag naar schone energie zal naar verwachting de vraag in Amerika doen toenemen.
Europa zal tijdens de prognoseperiode ook relatief snel groeien. India en China zullenhet verbruik in een aanzienlijk tempo verhogen vanwege de toename van de vraag naar voertuigen, wat zal leiden tot de groei van de generatormarkt.
Automobielbedrijven zoals Volkswagen, Ford, BMW en Volvo zijn, in samenwerking met NASA, al begonnen met het ontwikkelen van mini-TEG's voor het warmteterugwinnings- en brandstofbesparingssysteem in voertuigen.
