Термоэлектрдик генератор (TEG термогенератору) – термо-ЭМӨ аркылуу электр энергиясын өндүрүү үчүн Зейбек, Томсон жана Пельтиер эффекттерин колдонгон электрдик түзүлүш. Термо-ЭМӨ эффектисин 1821-жылы немис окумуштуусу Томас Иоганн Зеебек (Зебек эффекти) ачкан.1851-жылы Уильям Томсон (кийин лорд Кельвин) термодинамикалык изилдөөлөрдү улантып, электр кыймылдаткыч күчтүн (ЭМӨ) булагы температура айырмасы экенин далилдеген..
1834-жылы француз ойлоп табуучу жана саат устасы Жан Шарль Пелтье экинчи термоэлектрдик эффектти ачып, температуранын айырмасы электр тогунун (Пелтиер эффектиси) таасири астында эки башка типтеги материалдардын кошулган жеринде пайда болоорун аныктаган. Тактап айтканда, ал температура айырмасы болгондо EMF бир өткөргүчтүн ичинде пайда болорун алдын ала айткан.
1950-жылы орусиялык академик жана изилдөөчү Абрам Иоффе жарым өткөргүчтөрдүн термоэлектрдик касиеттерин ачкан. жылы термоэлектрдик генератор колдонула баштадыжетүүгө кыйын аймактарда автономдуу электр менен жабдуу системалары. Космос мейкиндигин изилдөө, адамдын космоско чыгуусу термоэлектрдик өзгөрткүчтөрдүн тез өнүгүшүнө кубаттуу түрткү берди.
Радиоизотоптук энергия булагы биринчи жолу космостук аппараттарга жана орбиталык станцияларга орнотулган. Алар ири нефть жана газ енер жайында газ проводдорун коррозияга каршы коргоо учун, Ыраакы Тундукто илимий-изилдее жумуштарында, кардиостимулятор катары медицина тармагында, электр менен жабдуунун автономиялуу булагы катары турак жайларда колдонула баштады.
Электрондук системалардагы термоэлектрдик эффект жана жылуулук берүү
Иштөө принциби үч окумуштуунун (Зибек, Томсон, Пелтье) эффектин комплекстүү колдонууга негизделген термоэлектрдик генераторлор өз доорунан алда канча алдыда болгон ачылыштардан дээрлик 150 жыл өткөндөн кийин иштелип чыккан.
Термоэлектрдик эффект төмөнкү кубулуш. Муздатуу же электр энергиясын өндүрүү үчүн электрдик туташкан жуптардан турган «модуль» колдонулат. Ар бир жуп жарым өткөргүч материал p (S> 0) жана n (S<0) турат. Бул эки материал термоэлектрдик күчү нөлгө барабар деп кабыл алынган өткөргүч менен туташтырылган. Модулду түзгөн эки бутак (p жана n) жана башка бардык түгөйлөр электр чынжырында катарлаш жана жылуулук чынжырында параллель туташкан. Бул макет менен TEG (термоэлектрдик генератор) модулдан өткөн жылуулук агымын оптималдаштырууга, аны жеңүүгө шарттарды түзөт.электр каршылык. Электр тогу заряд алып жүрүүчүлөр (электрондор жана тешиктер) жуптун эки бутагына муздак булактан ысык булакка (термодинамикалык мааниде) өтүүчүдөй аракеттенет. Ошол эле учурда алар энтропиянын муздак булактан ысыкка, жылуулук өткөрүмдүүлүккө туруштук бере турган жылуулук агымына өтүшүнө салым кошот.
Эгер тандалган материалдар жакшы термоэлектрдик касиетке ээ болсо, заряд алып жүрүүчүлөрдүн кыймылынан пайда болгон бул жылуулук агымы жылуулук өткөрүмдүүлүктөн чоң болот. Демек, система жылуулукту муздак булактан ысыкка өткөрүп, муздаткычтын милдетин аткарат. Электр энергиясын өндүрүүдө жылуулук агымы заряд алып жүрүүчүлөрдүн жылышына жана электр тогунун пайда болушуна алып келет. Температуранын айырмасы канчалык көп болсо, ошончолук көп электр энергиясын алууга болот.
TEG натыйжалуулугу
Эффективдүү коэффициент менен бааланган. Термоэлектрдик генератордун күчү эки маанилүү фактордон көз каранды:
- Модуль аркылуу ийгиликтүү жыла турган жылуулук агымынын көлөмү (жылуулук агымы).
- Температуранын дельталары (DT) - генератордун ысык жана муздак тарабынын ортосундагы температура айырмасы. Дельта канчалык чоң болсо, ал ошончолук натыйжалуу иштейт, андыктан максималдуу муздак менен камсыз кылуу жана генератордун дубалдарынан жылуулукту максималдуу алып салуу үчүн да конструктивдүү шарттар түзүлүшү керек.
"Термоэлектрогенераторлордун эффективдүүлүгү" термини бардык башка типтерге колдонулган терминге окшошжылуулук кыймылдаткычтары. Азырынча бул өтө төмөн жана Карнонун эффективдүүлүгүнүн 17% дан ашпайт. TEG генераторунун эффективдүүлүгү Карно эффективдүүлүгү менен чектелген жана иш жүзүндө жогорку температурада да бир нече пайызга (2-6%) жетет. Бул жарым өткөргүч материалдарда жылуулук өткөрүмдүүлүктүн төмөндүгүнө байланыштуу, бул электр энергиясын эффективдүү иштеп чыгууга шарт түзбөйт. Ошентип, жылуулук өткөргүчтүгү төмөн, бирок ошол эле учурда мүмкүн болушунча жогорку электр өткөрүмдүүлүккө ээ материалдар керек.
Жарым өткөргүчтөр металлдарга караганда жакшыраак иштешет, бирок термоэлектрдик генераторду өнөр жай өндүрүшүнүн деңгээлине жеткире турган көрсөткүчтөрдөн (жогорку температурадагы жылуулукту кеминде 15% колдонуу менен) өтө алыс. TEG эффективдуулугун мындан ары жогорулатуу термоэлектрдик материалдардын (термоэлектриктердин) касиеттерине жараша болот, аларды издеп табуу азыркы учурда планетанын буткул илимий потенциалы менен жургузулуп жатат.
Жаңы термоэлектрикаларды иштеп чыгуу салыштырмалуу татаал жана кымбат, бирок ийгиликтүү болсо, алар генерациялоо системаларында технологиялык революцияны жаратат.
Термоэлектрдик материалдар
Термоэлектриктер атайын эритмелерден же жарым өткөргүч кошулмалардан турат. Жакында эле электр өткөргүч полимерлер термоэлектрдик касиеттер үчүн колдонула баштады.
Термоэлектрикага талаптар:
- төмөн жылуулук өткөрүмдүүлүк жана жогорку электр өткөрүмдүүлүк, жогорку Зеебек коэффициентинен улам жогорку эффективдүүлүк;
- жогорку температурага жана термомеханикалык каршылыктаасир;
- жеткиликтүүлүк жана экологиялык коопсуздук;
- титирөөгө жана температуранын кескин өзгөрүшүнө каршылык;
- узак мөөнөттүү туруктуулук жана арзан баада;
- өндүрүш процессин автоматташтыруу.
Учурда оптималдуу термопарларды тандоо боюнча эксперименттер жүрүп жатат, бул TEG эффективдүүлүгүн жогорулатат. Термоэлектрдик жарым өткөргүч материал теллурид жана висмут эритмеси болуп саналат. Ал ар кандай "N" жана "P" мүнөздөмөлөрү бар жеке блокторду же элементтерди камсыз кылуу үчүн атайын өндүрүлгөн.
Термоэлектрдик материалдар көбүнчө эритилген же престелген порошок металлургиясынан багыттуу кристаллдашуу жолу менен жасалат. Ар бир өндүрүш ыкмасы өзүнүн өзгөчө артыкчылыгы бар, бирок багыттуу өстүрүүчү материалдар эң кеңири таралган. Висмут теллуритинен (Bi 2 Te 3) башка термоэлектрдик материалдар бар, анын ичинде коргошун жана теллурит (PbTe), кремний жана германий (SiGe), висмут жана сурьма (Bi-Sb) эритмелери бар, алар атайын өндүрүштө колдонулушу мүмкүн. учурлар. Висмут жана теллурид термопарлары көпчүлүк TEG үчүн эң жакшы.
TEG кадыр-баркы
Термоэлектрдик генераторлордун артыкчылыктары:
- электр энергиясы татаал берүү системаларын жана кыймылдуу бөлүктөрүн колдонбостон, жабык, бир баскычтуу схемада өндүрүлөт;
- жумушчу суюктуктардын жана газдардын жетишсиздиги;
- зыяндуу заттардын эмиссиясы жок, жылуулук калдыктары жана айлана-чөйрөнүн ызы-чуусу булганбайт;
- түзмөктүн батареясынын узак иштөө мөөнөтүиштейт;
- энергия ресурстарын үнөмдөө үчүн калдык жылуулукту (экинчи жылуулук булактарын) колдонуу
- иштөө чөйрөсүнө карабастан объекттин каалаган абалында иштөө: мейкиндик, суу, жер;
- DC төмөн чыңалуу түзүү;
- кыска туташуу иммунитети;
- Сактоо мөөнөтү чексиз, 100% колдонууга даяр.
Термоэлектр генераторунун колдонулуш тармактары
TEGтин артыкчылыктары өнүгүү келечегин жана анын жакынкы келечегин аныктады:
- океанды жана космосту изилдөө;
- кичинекей (тиричилик) альтернативдик энергияда колдонуу;
- унаадан чыккан газ түтүктөрүндөгү жылуулукту колдонуу;
- кайра иштетүү системаларында;
- муздатуу жана кондиционер системаларында;
- тепловоздордун жана вагондордун дизелдик кыймылдаткычтарын заматта жылытуу үчүн жылуулук насостук системаларда;
- талаа шарттарында жылытуу жана тамак жасоо;
- электрондук шаймандарды жана сааттарды кубаттоо;
- спортчулар үчүн сенсордук билериктердин азыктануусу.
Термоэлектрдик Пелтье конвертору
Пелтиер элементи (EP) - үч термоэлектрдик эффекттин (Зибек жана Томсон) бири болгон бирдей аталыштагы Пельтье эффектин колдонуу менен иштеген термоэлектрдик өзгөрткүч.
Француз Жан-Шарль Пельтиер жез жана висмут зымдарын бири-бирине туташтырды жана аларды батарейкага туташтырды, ошентип эки жуп туташуу пайда болдуокшош эмес металлдар. Батарея күйгүзүлгөндө, түйүндөрдүн бири ысып, экинчиси муздайт.
Пелтиер эффективдүү түзүлүштөрү өтө ишенимдүү, анткени алардын кыймылдуу бөлүктөрү жок, техникалык тейлөө талап кылынбайт, зыяндуу газдарды чыгарбайт, компакттуу жана токтун багытына жараша эки багыттуу иштеши (жылытуу жана муздатуу) бар.
Тилекке каршы, алар эффективдүү эмес, эффективдүүлүгү төмөн, жылуулукту көп бөлүп чыгарышат, бул кошумча желдетүүнү талап кылат жана аппараттын баасын жогорулатат. Мындай аппараттар бир топ электр энергиясын керектеп, ашыкча ысып же конденсацияга алып келиши мүмкүн. 60 мм x 60 ммден чоңураак Пельтиер элементтери дээрлик эч качан табылган эмес.
ES чөйрөсү
Термоэлектриктерди өндүрүүдө прогрессивдүү технологияларды киргизүү ЭӨ өндүрүшүнүн өздүк наркынын төмөндөшүнө жана рыноктун жеткиликтүүлүгүнүн кеңейишине алып келди.
Бүгүнкү күндө EP кеңири колдонулат:
- көчмө муздаткычтарда, кичинекей приборлорду жана электрондук тетиктерди муздатуу үчүн;
- абадан суу алуу үчүн кургаткычтарда;
- космостук аппаратта, жылуулукту экинчи тарапка таратып, кеменин бир тарабына тике күн нурунун таасирин тең салмактоо үчүн;
- астрономиялык телескоптордун жана жогорку сапаттагы санарип камералардын фотон детекторлорун муздатуу үчүн, ысып кетүүдөн улам байкоо каталарын азайтуу үчүн;
- компьютердин компоненттерин муздатуу үчүн.
Жакында ал тиричилик максаттарында кеңири колдонулууда:
- суусундуктарды муздатуу же жылытуу үчүн USB порту менен иштеген муздаткыч түзмөктөрдө;
- компрессиялык муздаткычтарды бир баскычтуу муздатуу үчүн температураны -80 градуска чейин жана эки баскычтуу үчүн -120 градуска чейин төмөндөтүү менен муздатуунун кошумча этабы түрүндө;
- Автономдуу муздаткычтарды же жылыткычтарды түзүү үчүн унааларда.
Кытай 7 еврого чейинки TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 модификацияларынын Peltier элементтерин чыгарууну баштады, алар «ысык-муздак» схемалары боюнча 200 Вт чейин электр энергиясын бере алат, -30дан 138 градус Цельсийге чейинки температуралык зонада 200 000 саатка чейин иштөө мөөнөтү менен.
RITEG өзөктүк батареялары
Радиоизотоптук термоэлектр генератору (RTG) – радиоактивдүү материалдын ажыроосунан жылуулукту электр энергиясына айландыруу үчүн термопарларды колдонгон түзүлүш. Бул генератордун кыймылдуу бөлүктөрү жок. RITEG спутниктерде, космостук аппараттарда, СССР тарабынан Арктика айланасы үчүн курулган алыскы маяк объектилеринде энергия булагы катары колдонулган.
RTGs көбүнчө бир нече жүз ватт кубаттуулукту талап кылган түзмөктөр үчүн эң тандалган кубат булагы. Күн батареялары эффективдүү болбогон жерлерде орнотулган күйүүчү май клеткаларында, батареяларда же генераторлордо. Радиоизотоптук термоэлектрдик генератор учурунда катуу радиоизотоп менен иштөөнү талап кылаткызмат мөөнөтү аяктагандан көп убакыт өткөндөн кийин.
Орусияда 1000ге жакын РТГ бар, алар негизинен алыскы аралыктагы каражаттардагы энергия булактары үчүн колдонулган: маяктар, радиомаяктар жана башка атайын радио жабдуулар. Полоний-210догу биринчи космостук RTG 1962-жылы Лимон-1, андан кийин 20 Вт кубаттуулуктагы Орион-1 болгон. Акыркы модификация «Стрела-1» жана «Космос-84/90» спутниктерине орнотулду. Луноходс-1, 2 жана Марс-96 жылытуу системаларында RTG колдонушкан.
DIY термоэлектр генератор түзмөгү
ТЕГде болуп жаткан мындай татаал процесстер жергиликтуу «кулибиндердин» ТЕГди тузуу боюнча дуйнелук илимий-техникалык процесске кошулууга умтулуусун токтотпойт. Үй TEGs пайдалануу көп убакыт бою колдонулат. Улуу Ата Мекендик согуштун жылдарында партизандар универсалдуу термоэлектрдик генератор жасашкан. Ал радиону кубаттоо үчүн электр энергиясын өндүргөн.
Рынокто Peltier элементтеринин тиричилик керектөөчүсү үчүн жеткиликтүү баада пайда болушу менен, төмөндөгү кадамдарды аткаруу менен TEG өзүңүз жасасаңыз болот.
- IT дүкөнүнөн эки жылыткыч алып, термикалык пастаны сүйкөңүз. Акыркысы Peltier элементинин туташуусун жеңилдетет.
- Радиаторлорду каалаган жылуулук изолятору менен бөлүңүз.
- Пелтиер элементин жана зымдарды жайгаштыруу үчүн изоляторго тешик жасаңыз.
- Конструкцияны чогултуп, жылуулук булагын (шамды) радиаторлордун бирине алып келиңиз. Жылытуу канчалык узак болсо, үйдөгү термоэлектростан ошончолук көп ток пайда болотгенератор.
Бул түзмөк үнсүз иштейт жана салмагы жеңил. IC2 термоэлектрдик генератор өлчөмүнө жараша уюлдук телефондун кубаттагычын туташтыра алат, кичинекей радиону күйгүзүп, LED жарыгын күйгүзөт.
Учурда көптөгөн белгилүү дүйнөлүк өндүрүүчүлөр унаа сүйүүчүлөр жана саякатчылар үчүн TEG аркылуу ар кандай арзан гаджеттерди чыгарууну баштады.
Термоэлектростанцияларды өнүктүрүүнүн перспективалары
ТЕГди үй чарбаларынын керектөөсүнө суроо-талаптын 14%га өсүшү күтүлүүдө. Термоэлектрдик өндүрүштү өнүктүрүү болжолу Market Research Future тарабынан "Глобалдык термоэлектрдик генераторлор рыногун изилдөө отчету - 2022-жылга карата болжол" - рыноктун анализи, көлөмү, үлүшү, прогресси, тенденциялары жана болжолдору жөнүндө кагазды чыгаруу менен жарыяланган. Отчет TEG компаниясынын унаа калдыктарын кайра иштетүүдө жана үй жана өнөр жай объектилери үчүн электр жана жылуулук энергиясын биргелешип иштеп чыгуу боюнча убадасын ырастайт.
Географиялык жактан глобалдык термоэлектрдик генератор рыногу Америка, Европа, Азия-Тынч океан, Индия жана Африкага бөлүнгөн. Азия-Тынч океан аймагы TEG рыногун ишке ашырууда эң ылдам өскөн сегмент болуп эсептелет.
Бул аймактардын арасында Америка, эксперттердин пикири боюнча, дүйнөлүк TEG рыногунда кирешенин негизги булагы болуп саналат. Таза энергияга болгон суроо-талаптын өсүшү Америкада суроо-талапты жогорулатат деп күтүлүүдө.
Европа да болжолдонгон мезгилде салыштырмалуу тез өсүүнү көрсөтөт. Индия менен Кытай болоттранспорт каражаттарына суроо-талаптын өсүшүнөн улам керектөөнү олуттуу темп менен көбөйтүү, бул генератор рыногунун өсүшүнө алып келет.
Volkswagen, Ford, BMW жана Volvo сыяктуу автомобиль компаниялары НАСА менен биргеликте унаалардагы жылуулукту калыбына келтирүү жана күйүүчү май үнөмдөө системасы үчүн мини-TEGлерди иштеп чыга башташты.
