Gjeneratori termoelektrik (TEG termogjenerator) është një pajisje elektrike që përdor efektet Seebeck, Thomson dhe Peltier për të gjeneruar energji elektrike përmes termo-EMF. Efekti termo-EMF u zbulua nga shkencëtari gjerman Thomas Johann Seebeck (efekti Seebeck) në 1821. Në 1851, William Thomson (më vonë Lord Kelvin) vazhdoi kërkimin termodinamik dhe vërtetoi se burimi i forcës elektromotore (EMF) është një ndryshim në temperaturë.
Në vitin 1834, shpikësi dhe orarbërësi francez Jean Charles Peltier zbuloi efektin e dytë termoelektrik, zbuloi se ndryshimi i temperaturës ndodh në kryqëzimin e dy llojeve të ndryshme të materialeve nën ndikimin e një rryme elektrike (efekti Peltier). Në mënyrë të veçantë, ai parashikoi se një EMF do të zhvillohej brenda një përcjellësi të vetëm kur kishte një ndryshim të temperaturës.
Në vitin 1950, akademiku dhe studiuesi rus Abram Ioffe zbuloi vetitë termoelektrike të gjysmëpërçuesve. Gjeneratori i energjisë termoelektrike filloi të përdoret nësistemet autonome të furnizimit me energji elektrike në zona të paarritshme. Studimi i hapësirës së jashtme, ecja hapësinore e njeriut i dha një shtysë të fuqishme zhvillimit të shpejtë të konvertuesve termoelektrikë.
Burimi i energjisë radioizotopike u instalua fillimisht në anijen kozmike dhe stacionet orbitale. Ata kanë filluar të përdoren në industrinë e madhe të naftës dhe gazit për mbrojtjen kundër korrozionit të tubacioneve të gazit, në punën kërkimore në Veriun e Largët, në fushën e mjekësisë si stimulues kardiak dhe në strehim si burime autonome të furnizimit me energji elektrike.
Efekti termoelektrik dhe transferimi i nxehtësisë në sistemet elektronike
Gjeneratorët termoelektrikë, parimi i funksionimit të të cilëve bazohet në përdorimin kompleks të efektit të tre shkencëtarëve (Seebeck, Thomson, Peltier), u zhvilluan pothuajse 150 vjet pas zbulimeve që ishin shumë përpara kohës së tyre.
Efekti termoelektrik është fenomeni i mëposhtëm. Për ftohjen ose prodhimin e energjisë elektrike, përdoret një "modul" i përbërë nga çifte të lidhura elektrike. Çdo çift përbëhet nga materiali gjysmëpërçues p (S> 0) dhe n (S<0). Këto dy materiale lidhen me një përcjellës, fuqia termoelektrike e të cilit supozohet të jetë zero. Dy degë (p dhe n) dhe të gjitha çiftet e tjera që përbëjnë modulin janë të lidhura në seri në qarkun elektrik dhe paralelisht në qarkun termik. TEG (gjenerator termoelektrik) me këtë plan urbanistik krijon kushte për të optimizuar rrjedhën e nxehtësisë që kalon nëpër modul, duke e kapërcyer atërezistenca elektrike. Rryma elektrike vepron në atë mënyrë që transportuesit e ngarkesës (elektronet dhe vrimat) lëvizin nga një burim i ftohtë në një burim të nxehtë (në kuptimin termodinamik) në dy degë të çiftit. Në të njëjtën kohë, ato kontribuojnë në transferimin e entropisë nga një burim i ftohtë në një burim të nxehtë, në një rrjedhje nxehtësie që do t'i rezistojë përcjelljes së nxehtësisë.
Nëse materialet e zgjedhura kanë veti të mira termoelektrike, ky fluks nxehtësie i krijuar nga lëvizja e transportuesve të ngarkesës do të jetë më i madh se përçueshmëria termike. Prandaj, sistemi do të transferojë nxehtësinë nga një burim i ftohtë në një të nxehtë dhe do të veprojë si frigorifer. Në rastin e prodhimit të energjisë elektrike, rrjedha e nxehtësisë shkakton zhvendosjen e transportuesve të ngarkesës dhe shfaqjen e një rryme elektrike. Sa më i madh të jetë diferenca e temperaturës, aq më shumë energji elektrike mund të merret.
efikasiteti TEG
Vlerësohet nga faktori i efikasitetit. Fuqia e një gjeneratori termoelektrik varet nga dy faktorë kritikë:
- Sasia e rrjedhës së nxehtësisë që mund të lëvizë me sukses nëpër modul (rrjedhja e nxehtësisë).
- Deltat e temperaturës (DT) - ndryshimi i temperaturës midis anës së nxehtë dhe të ftohtë të gjeneratorit. Sa më e madhe të jetë delta, aq më efikase funksionon, prandaj duhet të sigurohen kushtet në mënyrë konstruktive, si për furnizim maksimal të ftohtë, ashtu edhe për largimin maksimal të nxehtësisë nga muret e gjeneratorit.
Termi "efikasiteti i gjeneratorëve termoelektrikë" është i ngjashëm me termin që përdoret për të gjitha llojet e tjeramotorët termikë. Deri më tani, ai është shumë i ulët dhe arrin në jo më shumë se 17% të efikasitetit të Carnot. Efikasiteti i gjeneratorit TEG është i kufizuar nga efikasiteti i Carnot dhe në praktikë arrin vetëm disa përqind (2-6%) edhe në temperatura të larta. Kjo është për shkak të përçueshmërisë së ulët termike në materialet gjysmëpërçuese, e cila nuk është e favorshme për prodhimin efikas të energjisë. Pra nevojiten materiale me përçueshmëri të ulët termike, por në të njëjtën kohë me përçueshmëri elektrike sa më të lartë.
Gjysmëpërçuesit bëjnë një punë më të mirë se metalet, por janë ende shumë larg atyre treguesve që do ta sillnin një gjenerator termoelektrik në nivelin e prodhimit industrial (me të paktën 15% përdorim të nxehtësisë me temperaturë të lartë). Një rritje e mëtejshme e efikasitetit të TEG varet nga vetitë e materialeve termoelektrike (termoelektrike), kërkimi për të cilin aktualisht është i zënë nga i gjithë potenciali shkencor i planetit.
Zhvillimi i termoelektrikëve të rinj është relativisht kompleks dhe i shtrenjtë, por nëse janë të suksesshëm, ato do të shkaktojnë një revolucion teknologjik në sistemet e gjenerimit.
Materiale termoelektrike
Termoelektrikët përbëhen nga lidhje të veçanta ose komponime gjysmëpërçuese. Kohët e fundit, polimerët përçues elektrik janë përdorur për vetitë termoelektrike.
Kërkesat për termoelektrikë:
- efikasitet i lartë për shkak të përçueshmërisë së ulët termike dhe përçueshmërisë së lartë elektrike, koeficienti i lartë Seebeck;
- rezistencë ndaj temperaturave të larta dhe termomekanikendikim;
- aksesueshmëria dhe siguria mjedisore;
- rezistencë ndaj dridhjeve dhe ndryshimeve të papritura të temperaturës;
- stabilitet afatgjatë dhe kosto e ulët;
- automatizimi i procesit të prodhimit.
Aktualisht, janë duke u zhvilluar eksperimente për zgjedhjen e termoçifteve optimale, të cilat do të rrisin efikasitetin e TEG. Materiali gjysmëpërçues termoelektrik është një aliazh teluridi dhe bismuti. Është prodhuar posaçërisht për të siguruar blloqe ose elementë individualë me karakteristika të ndryshme "N" dhe "P".
Materialet termoelektrike më së shpeshti bëhen nga kristalizimi i drejtuar nga metalurgjia e pluhurit të shkrirë ose të shtypur. Secila metodë e prodhimit ka avantazhin e saj të veçantë, por materialet e rritjes me drejtim janë më të zakonshmet. Përveç teluritit të bismutit (Bi 2 Te 3), ka materiale të tjera termoelektrike, duke përfshirë lidhjet e plumbit dhe teluritit (PbTe), silikonit dhe germaniumit (SiGe), bismutit dhe antimonit (Bi-Sb), të cilat mund të përdoren në veçanti. rastet. Ndërsa termoçiftet e bismutit dhe teluridit janë më të mirat për shumicën e TEG-ve.
Dinjiteti i TEG
Përparësitë e gjeneratorëve termoelektrikë:
- energjia elektrike prodhohet në një qark të mbyllur, njëfazësh pa përdorimin e sistemeve komplekse të transmetimit dhe përdorimin e pjesëve lëvizëse;
- mungesë e lëngjeve dhe gazeve të punës;
- nuk ka emetim të substancave të dëmshme, ngrohje të mbeturinave dhe ndotje akustike të mjedisit;
- jetesë e gjatë e baterisë e pajisjesfunksionon;
- përdorimi i nxehtësisë së mbetur (burimet dytësore të nxehtësisë) për të kursyer burimet e energjisë
- punoni në çdo pozicion të objektit, pavarësisht nga mjedisi i funksionimit: hapësira, uji, toka;
- gjenerimi i tensionit të ulët DC;
- imuniteti i qarkut të shkurtër;
- Jetëgjatësi e pakufizuar, 100% gati për të shkuar.
Fushat e aplikimit të gjeneratorit termoelektrik
Përparësitë e TEG përcaktuan perspektivat e zhvillimit dhe të ardhmen e tij të afërt:
- studim i oqeanit dhe hapësirës;
- aplikim në energjinë alternative të vogël (shtëpiake);
- përdorimi i nxehtësisë nga tubat e shkarkimit të makinave;
- në sistemet e riciklimit;
- në sistemet e ftohjes dhe ajrit të kondicionuar;
- në sistemet e pompës së nxehtësisë për ngrohjen e menjëhershme të motorëve me naftë të lokomotivave dhe makinave me naftë;
- ngrohje dhe gatim në kushte fushore;
- karikimi i pajisjeve elektronike dhe orëve;
- ushqyerja e byzylykëve ndijor për atletët.
Konvertuesi termoelektrik Peltier
Elementi Peltier (EP) është një konvertues termoelektrik që funksionon duke përdorur efektin Peltier me të njëjtin emër, një nga tre efektet termoelektrike (Seebeck dhe Thomson).
Francezi Jean-Charles Peltier lidhi telat e bakrit dhe bismutit me njëri-tjetrin dhe i lidhi me një bateri, duke krijuar kështu një palë lidhje dyshemetale të ndryshme. Kur bateria ishte ndezur, njëra nga kryqëzimet do të nxehej dhe tjetra do të ftohej.
Pajisjet me efekt Peltier janë jashtëzakonisht të besueshme sepse nuk kanë pjesë lëvizëse, nuk kërkojnë mirëmbajtje, nuk lëshojnë gazra të dëmshëm, janë kompakte dhe kanë funksionim të dyanshëm (ngrohje dhe ftohje) në varësi të drejtimit të rrymës.
Fatkeqësisht, ato janë joefikase, kanë efikasitet të ulët, lëshojnë mjaft nxehtësi, gjë që kërkon ventilim shtesë dhe rrit koston e pajisjes. Pajisjet e tilla konsumojnë mjaft energji elektrike dhe mund të shkaktojnë mbinxehje ose kondensim. Elementet Peltier më të mëdhenj se 60 mm x 60 mm pothuajse nuk gjenden kurrë.
Qëllimi i ES
Futja e teknologjive të avancuara në prodhimin e termoelektrikëve ka çuar në një ulje të kostos së prodhimit të EP dhe në zgjerimin e aksesit në treg.
Sot EP përdoret gjerësisht:
- në ftohës portativë, për ftohjen e pajisjeve të vogla dhe komponentëve elektronikë;
- në dehumidifikues për nxjerrjen e ujit nga ajri;
- në anijen kozmike për të balancuar efektin e dritës së drejtpërdrejtë të diellit në njërën anë të anijes ndërsa shpërndan nxehtësinë në anën tjetër;
- për të ftohur detektorët e fotoneve të teleskopëve astronomikë dhe kamerave dixhitale me cilësi të lartë për të minimizuar gabimet e vëzhgimit për shkak të mbinxehjes;
- për ftohjen e komponentëve të kompjuterit.
Kohët e fundit, është përdorur gjerësisht për qëllime shtëpiake:
- në pajisje më ftohëse të mundësuara nga porta USB për të ftohur ose ngrohur pije;
- në formën e një faze shtesë të ftohjes së frigoriferëve me kompresim me ulje të temperaturës në -80 gradë për ftohjen me një fazë dhe deri në -120 për ftohje me dy faza;
- në makina për të krijuar frigoriferë ose ngrohës autonome.
Kina ka nisur prodhimin e elementeve Peltier të modifikimeve TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 me vlerë deri në 7 euro, të cilat mund të ofrojnë fuqi deri në 200 W sipas skemave "nxehtësi-ftohje". me një jetë shërbimi deri në 200,000 orë funksionimi në zonën e temperaturës nga -30 në 138 gradë Celsius.
bateri bërthamore RITEG
Një gjenerator termoelektrik radioizotop (RTG) është një pajisje që përdor termoçiftet për të kthyer nxehtësinë nga kalbja e materialit radioaktiv në energji elektrike. Ky gjenerator nuk ka pjesë lëvizëse. RITEG u përdor si një burim energjie në satelitë, anije kozmike, objekte farash të largëta të ndërtuara nga BRSS për Rrethin Arktik.
RTG-të janë përgjithësisht burimi më i preferuar i energjisë për pajisjet që kërkojnë disa qindra vat fuqi. Në qelizat e karburantit, bateritë ose gjeneratorët e instaluar në vende ku qelizat diellore janë joefikase. Një gjenerator termoelektrik radioizotop kërkon trajtim të rreptë të radioizotopit gjatëshumë kohë pas përfundimit të jetës së tij të shërbimit.
Në Rusi ka rreth 1000 RTG, të cilat përdoreshin kryesisht për burime energjie në mjete me rreze të gjatë: farat, fenerët e radios dhe pajisje të tjera speciale radio. Hapësira e parë RTG në polonium-210 ishte Limon-1 në 1962, pastaj Orion-1 me një fuqi prej 20 W. Modifikimi i fundit u instalua në satelitët Strela-1 dhe Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 dhe Mars-96 përdorën RTG në sistemet e tyre të ngrohjes.
pajisje gjeneratori termoelektrik DIY
Procese të tilla komplekse që ndodhin në TEG nuk i ndalin "Kulibinët" vendas në dëshirën e tyre për t'iu bashkuar procesit shkencor dhe teknik global për krijimin e TEG. Përdorimi i TEG-ve shtëpiake është përdorur për një kohë të gjatë. Gjatë Luftës së Madhe Patriotike, partizanët bënë një gjenerator termoelektrik universal. Prodhonte energji elektrike për të karikuar radion.
Me daljen në treg të elementeve Peltier me çmime të përballueshme për konsumatorin familjar, është e mundur të bëni vetë një TEG duke ndjekur hapat e mëposhtëm.
- Merrni dy ftohës nga një dyqan IT dhe aplikoni pastë termike. Kjo e fundit do të lehtësojë lidhjen e elementit Peltier.
- Ndani radiatorët me çdo izolant nxehtësie.
- Bëni një vrimë në izolant për të vendosur elementin dhe telat Peltier.
- Mblidhni strukturën dhe sillni burimin e nxehtësisë (qiri) në një nga radiatorët. Sa më gjatë të jetë ngrohja, aq më shumë rrymë do të gjenerohet nga termoelektriku i shtëpisëgjenerator.
Kjo pajisje funksionon në heshtje dhe është e lehtë në peshë. Gjeneratori termoelektrik ic2, sipas madhësisë, mund të lidhë karikuesin e celularit, të ndezë një radio të vogël dhe të ndezë ndriçimin LED.
Aktualisht, shumë prodhues të mirënjohur globalë kanë nisur prodhimin e pajisjeve të ndryshme të përballueshme duke përdorur TEG për entuziastët dhe udhëtarët e makinave.
Perspektivat për zhvillimin e gjenerimit termoelektrik
Kërkesa për konsumin familjar për TEG pritet të rritet me 14%. Perspektiva e zhvillimit të gjenerimit termoelektrik u botua nga Market Research Future duke botuar punimin "Raporti i Kërkimit të Tregut të Gjeneratorëve Globalë Termoelektrikë - Parashikimi deri në 2022" - analiza e tregut, vëllimi, pjesa, progresi, tendencat dhe parashikimet. Raporti konfirmon premtimin e TEG në riciklimin e mbetjeve të automobilave dhe bashkëprodhimin e energjisë elektrike dhe ngrohjes për objektet shtëpiake dhe industriale.
Gjeografikisht, tregu global i gjeneratorëve termoelektrikë është ndarë në Amerikë, Evropë, Azi-Paqësor, Indi dhe Afrikë. Azia-Paqësori konsiderohet segmenti me rritje më të shpejtë në zbatimin e tregut TEG.
Ndër këto rajone, Amerika, sipas ekspertëve, është burimi kryesor i të ardhurave në tregun global të TEG. Një rritje e kërkesës për energji të pastër pritet të rrisë kërkesën në Amerikë.
Europa do të tregojë gjithashtu rritje relativisht të shpejtë gjatë periudhës së parashikimit. India dhe Kina dorritja e konsumit me ritme të konsiderueshme për shkak të rritjes së kërkesës për automjete, gjë që do të çojë në rritjen e tregut të gjeneratorëve.
Kompanitë e automobilave si Volkswagen, Ford, BMW dhe Volvo, në bashkëpunim me NASA, kanë filluar tashmë zhvillimin e mini-TEG për sistemin e rikuperimit të nxehtësisë dhe ekonomisë së karburantit në automjete.
