Termoelektrický generátor

Termoelektrický generátor je technické zařízení ( elektrický generátor ) určené k přímé přeměně tepelné energie na elektřinu pomocí termočlánků (termoelektrických materiálů) ve své konstrukci .

Historie vynálezu termoelektrických generátorů

V roce 1821 německý fyzik Thomas Johann Seebeck objevil, že teplotní gradient vytvořený mezi dvěma odlišnými vodiči může produkovat elektřinu. V roce 1822 publikoval výsledky svých pokusů v článku „O otázce magnetické polarizace určitých kovů a rud vznikajících za podmínek rozdílu teplot“, publikovaném ve zprávách Pruské akademie věd. [1] Termoelektrický Seebeckův jev je založen na skutečnosti, že teplotní gradient ve vodivém materiálu způsobuje tok tepla; to vede k přenosu nosičů náboje. Tok nosičů náboje mezi horkými a studenými oblastmi zase vytváří potenciální rozdíl.

V roce 1834 objevil Jean-Charles Peltier opačný efekt , při kterém se teplo uvolňuje nebo absorbuje, když elektrický proud prochází kontaktem dvou různých vodičů. [2]

Typy používaných termoelektrických generátorů

Palivo: teplo ze spalování paliva (zemní plyn , ropa , uhlí ) a teplo ze spalování pyrotechnických složek (dáma).
Radioizotopy : teplo z rozpadu izotopů (rozpad není řízen a práce je určena poločasem rozpadu ).
Jaderné: teplo jaderného reaktoru ( uran-233 , uran-235 , plutonium-238 , thorium ), zde je zpravidla druhým a třetím stupněm přeměny termoelektrický generátor.
Solární: teplo ze solárních kolektorů (zrcadla, čočky, tepelné trubice).

Využití: Teplo z jakýchkoli zdrojů, které vydávají odpadní teplo (výfukové a pecní plyny, teplo z petrolejových lamp atd.).
Gradient : na základě přirozeného teplotního rozdílu mezi prostředím a místností (zařízení, procesní potrubí s teplým dopravovaným médiem atd.) pomocí počátečního náběhového proudu. Tento typ termoelektrických generátorů je založen na využití části přijaté elektrické energie ze Seebeckova jevu k přeměně na tepelnou energii podle Joule-Lenzova zákona .
Termosifon: využití přirozeného tepla země nebo vody v případě negativních venkovních teplot. Tepelná energie země je prostřednictvím termosifonu instalovaného ve studni dodávána do termoelektrického generátoru vybaveného vzduchovým žebrovaným radiátorem. Vlivem rozdílu teplot vzniká elektrická energie.

Polovodičové materiály pro přímou přeměnu energie

Pro termoelektrické generátory se používají polovodičové termoelektrické materiály, které poskytují nejvyšší koeficient přeměny tepla na elektřinu. Seznam látek s termoelektrickými vlastnostmi je poměrně velký (tisíce slitin a sloučenin), ale jen málo z nich lze použít k přeměně tepelné energie. [3] Moderní věda neustále hledá nové a nové polovodičové kompozice a pokrok v této oblasti není dán ani tak teorií, jako spíše praxí, vzhledem ke složitosti fyzikálních procesů probíhajících v termoelektrických materiálech. Rozhodně lze říci, že dnes neexistuje termoelektrický materiál, který by svými vlastnostmi plně uspokojil průmysl a hlavním nástrojem při vytváření takového materiálu je experiment. Nejdůležitější vlastnosti polovodičového materiálu pro termoelektrické generátory jsou:

Účinnost: Je žádoucí co nejvyšší účinnost;
Vyrobitelnost: Možnost libovolných druhů zpracování;
Cena: Přednostně absence vzácných prvků ve složení nebo jejich menší množství, dostatečná surovinová základna (pro rozšíření oblastí asimilace a dostupnosti);
Koeficient termo-EMF: Je žádoucí co nejvyšší koeficient termo-EMF (pro zjednodušení návrhu);
Toxicita: Žádoucí je nepřítomnost nebo nízký obsah toxických prvků (např.: olovo , vizmut , telur , selen ) nebo jejich inertní stav (jako součást slitin);
Provozní teploty: Je žádoucí co nejširší teplotní rozsah, aby se využilo vysoké potenciální teplo a tím se zvýšil přeměněný tepelný výkon.

Způsoby rozvoje a zvyšování efektivity

Účinný termoelektrický materiál : Účinnost konverze, termo-EMF, tažnost, tenkovrstvý design.
Účinná chladicí kapalina z tekutého kovu kompatibilní s výměníkem tepla .
Rozšíření použití vysoce kvalitní keramiky v provedení TEG.
Sjednocení jednotek přizpůsobených pro různé aplikace.
Konečné zvýšení hustoty energie TEG na úroveň automobilových a leteckých motorů a výše.

Účinnost různých termoelektrických generátorů a jejich součástí [4] :

Typy termoelektrických generátorů a hlavní součásti generátorových jednotek	1965	1970	1975	1980	Carnot.
Sluneční energie bez koncentrace	0,8	0,85	0,9	0,92	0,96
Sluneční energie s koncentrací	0,65	0,7	0,75	0,8	0,9
Plynové hořáky	0,5	0,6	0,65	0,7	0,8
Plynové pece	0,75	0,8	0,85	0,9	0,92
izotopy	0,8	0,85	0,9	0,95	1,00
Jaderné reaktory	0,75	0,8	0,85	0,95	1,00
Nízkoteplotní termoelektrické materiály	0,06	0,08	0,1	0,12	0,5
Středněteplotní termoelektrické materiály	0,04	0,06	0,08	0,1	0,35
Vysokoteplotní termoelektrické materiály	0,04	0,05	0,06	0,07	0,23
Kaskádové termočlánky	0,12	0,14	0,18	0,20	0,77
Spínací termočlánek	0,9	0,93	0,95	0,98	0,99
Termopilová izolace	0,9	0,92	0,95	0,97	1,00
Tepelný kontakt	0,9	0,93	0,95	0,97	0,99
chladicí kapalina	0,9	0,92	0,93	0,94	0,98
Zemní chladicí žebra		0,55	0,6
Žebra prostorového chlazení		0,8	0,85
Solární prostorový termoelektrický generátor bez koncentrátoru	0,016	0,025	0,035	0,045	0,16
Solární prostorový termoelektrický generátor s koncentrátorem	0,017	0,029	0,043	0,061	0,25
Solární zemní termoelektrický generátor s koncentrátorem	0,029	0,044	0,088	0,145	0,59
Plynový termoelektrický generátor s žebry	0,013	0,023	0,030	0,043	0,20
Plynový termoelektrický generátor s tepelným nosičem	0,02	0,035	0,073	0,175	0,57
Radioizotopový termoelektrický generátor s žebry	0,021	0,032	0,049	0,12	0,36
Radioizotopový termoelektrický generátor s chladicí kapalinou	0,032	0,075	0,129	0,24	0,71
Prostorový termoelektrický generátor reaktoru	0,016	0,023	0,044	0,113	0,36
Zemní termoelektrický generátor reaktoru	0,03	0,047	0,121	0,24	0,71
Termoelektrický generátor typu parního kotle				0,226	0,66

Poznámka: Carnotův koeficient = 1 odpovídá 100 %.

Z tabulky je patrný výrazný nárůst účinnosti, především díky důkladnému zdokonalování technologií výroby materiálů, racionálnímu provádění konstrukcí a rozvoji materiálové vědy v oblasti termoelektriky .

Oblasti použití termoelektrických generátorů

Radioizotopové termoelektrické generátory se používají jako palubní zdroje energie pro kosmické lodě určené ke studiu oblastí sluneční soustavy vzdálených od Slunce. Konkrétně takové generátory využívající teplo plutoniových palivových článků jsou instalovány na kosmických lodích Cassini a New Horizons . V minulosti byla taková zařízení na Zemi používána také v navigačních majácích, radiomajácích, meteorologických stanicích a podobných zařízeních instalovaných v oblastech, kde z technických nebo ekonomických důvodů není možné použít jiné zdroje napájení.

V automobilové technice se v posledních letech používají termoelektrické generátory pro rekuperaci tepelné energie, například pro rekuperaci tepla z prvků výfukového systému.

Literatura

Generátory MHD a termoelektrická energetika . Kyjev. " Vědecké myšlení ". 1983.
Pozdnyakov B. S., Koptelov E. A. Termoelektrická energetika . Moskva: Atomizdat , 1974, 264 s.
Petrolejový termogenerátor // Stručná encyklopedie domácnosti. — M .: Sovětská encyklopedie , 1959.

Poznámky

↑ Termoelektřina, Peltierův jev, Seebeckův jev (nedostupný odkaz)
↑ Peltier. [ [1] v Google Books Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (Nové experimenty s tepelnými účinky elektrických proudů)] (fr.) // Annales de Chimie et de Physique :časopis. - 1834. - Sv. 56 . - str. 371-386 .
↑ Anatychuk L.I. , Bulat L.P. Polovodiče v extrémních teplotních podmínkách. - Petrohrad, Nauka, 2001. - Náklad 1500 výtisků. — c. 179
↑ Generátory MHD a termoelektrická energetika. Kyjev. "Vědecké myšlení" 1983.

Slovníky a encyklopedie	Skvělý norský Britannica (online) Britannica (online)
V bibliografických katalozích	J9U : 987007534159305171 LCCN : sh85134789