El generador termoelèctric (termogenerador TEG) és un dispositiu elèctric que utilitza els efectes Seebeck, Thomson i Peltier per generar electricitat mitjançant termo-EMF. L'efecte termo-EMF va ser descobert pel científic alemany Thomas Johann Seebeck (efecte Seebeck) el 1821. El 1851, William Thomson (més tard Lord Kelvin) va continuar la investigació termodinàmica i va demostrar que la font de la força electromotriu (EMF) és una diferència de temperatura..
L'any 1834, l'inventor i rellotger francès Jean Charles Peltier va descobrir el segon efecte termoelèctric, va trobar que la diferència de temperatura es produeix a la unió de dos tipus diferents de materials sota la influència d'un corrent elèctric (efecte Peltier). Concretament, va predir que es desenvoluparia un EMF dins d'un sol conductor quan hi hagués una diferència de temperatura.
L'any 1950, l'acadèmic i investigador rus Abram Ioffe va descobrir les propietats termoelèctriques dels semiconductors. Es va començar a utilitzar el generador d'energia termoelèctricasistemes d'alimentació autònom en zones inaccessibles. L'estudi de l'espai exterior, la caminada espacial de l'home va donar un poderós impuls al ràpid desenvolupament dels convertidors termoelèctrics.
La font d'energia dels radioisòtops es va instal·lar per primera vegada a naus espacials i estacions orbitals. S'estan començant a utilitzar a la gran indústria del petroli i del gas per a la protecció anticorrosió de gasoductes, en treballs de recerca a l'Extrem Nord, en el camp de la medicina com a marcapassos i en l'habitatge com a fonts d'alimentació autònoma.
Efecte termoelèctric i transferència de calor en sistemes electrònics
Els generadors termoelèctrics, el principi de funcionament dels quals es basa en l'ús complex de l'efecte de tres científics (Seebeck, Thomson, Peltier), es van desenvolupar gairebé 150 anys després de descobriments molt avançats al seu temps.
L'efecte termoelèctric és el següent fenomen. Per refredar o generar electricitat, s'utilitza un "mòdul" format per parells connectats elèctricament. Cada parell està format per material semiconductor p (S> 0) i n (S<0). Aquests dos materials estan connectats per un conductor la potència termoelèctrica del qual es suposa zero. Dues branques (p i n) i tots els altres parells que formen el mòdul es connecten en sèrie al circuit elèctric i en paral·lel al circuit tèrmic. El TEG (generador termoelèctric) amb aquesta disposició crea condicions per optimitzar el flux de calor que travessa el mòdul, superant-lo.resistència elèctrica. El corrent elèctric actua de tal manera que els portadors de càrrega (electrons i forats) es mouen d'una font freda a una font calenta (en el sentit termodinàmic) en dues branques del parell. Al mateix temps, contribueixen a la transferència d'entropia d'una font freda a una de calenta, a un flux de calor que resistirà la conducció de calor.
Si els materials seleccionats tenen bones propietats termoelèctriques, aquest flux de calor generat pel moviment dels portadors de càrrega serà superior a la conductivitat tèrmica. Per tant, el sistema transferirà la calor d'una font freda a una de calenta i actuarà com a refrigerador. En el cas de la generació d'electricitat, el flux de calor provoca el desplaçament dels portadors de càrrega i l'aparició d'un corrent elèctric. Com més gran sigui la diferència de temperatura, més electricitat es podrà obtenir.
Eficiència TEG
Avaluat pel factor d'eficiència. La potència d'un generador termoelèctric depèn de dos factors crítics:
- La quantitat de flux de calor que es pot moure correctament pel mòdul (flux de calor).
- Deltas de temperatura (DT): la diferència de temperatura entre el costat calent i el fred del generador. Com més gran és el delta, més eficient funciona, per tant, s'han de proporcionar condicions constructives, tant per a un màxim subministrament de fred com per a una màxima eliminació de calor de les parets del generador.
El terme "eficiència dels generadors termoelèctrics" és similar al terme aplicat a tots els altres tipusmotors tèrmics. Fins ara, és molt baixa i no supera el 17% de l'eficiència de Carnot. L'eficiència del generador TEG està limitada per l'eficiència de Carnot i a la pràctica només arriba a un petit percentatge (2-6%) fins i tot a altes temperatures. Això es deu a la baixa conductivitat tèrmica dels materials semiconductors, que no afavoreix la generació d'energia eficient. Així, calen materials amb baixa conductivitat tèrmica, però alhora amb la major conductivitat elèctrica possible.
Els semiconductors fan una feina millor que els metalls, però encara estan molt lluny d'aquells indicadors que portarien un generador termoelèctric al nivell de producció industrial (amb almenys un 15% d'ús de calor a alta temperatura). Un nou augment de l'eficiència del TEG depèn de les propietats dels materials termoelèctrics (termoelèctrics), la recerca dels quals està ocupada actualment per tot el potencial científic del planeta.
El desenvolupament de nous termoelèctrics és relativament complex i costós, però si tenen èxit, provocaran una revolució tecnològica en els sistemes de generació.
Materials termoelèctrics
Els termoelèctrics estan formats per aliatges especials o compostos semiconductors. Recentment, s'han utilitzat polímers elèctricament conductors per a les propietats termoelèctriques.
Requisits per a la termoelèctrica:
- alta eficiència a causa de la baixa conductivitat tèrmica i alta conductivitat elèctrica, alt coeficient Seebeck;
- resistència a altes temperatures i termomecànicaimpacte;
- accessibilitat i seguretat ambiental;
- resistència a vibracions i canvis bruscos de temperatura;
- estabilitat a llarg termini i baix cost;
- automatització del procés de fabricació.
En l'actualitat, s'estan realitzant experiments per seleccionar termoparells òptims, que augmentaran l'eficiència del TEG. El material semiconductor termoelèctric és un aliatge de telurur i bismut. S'ha fabricat especialment per proporcionar blocs o elements individuals amb diferents característiques "N" i "P".
Els materials termoelèctrics solen fer-se per cristal·lització direccional a partir de la metal·lúrgia de pols fosa o premsada. Cada mètode de fabricació té el seu propi avantatge particular, però els materials de creixement direccional són els més comuns. A més de la tel·lurita de bismut (Bi 2 Te 3), hi ha altres materials termoelèctrics, com ara aliatges de plom i tel·lurita (PbTe), silici i germani (SiGe), bismut i antimoni (Bi-Sb), que es poden utilitzar en casos. Tot i que els termoparells de bismut i telurur són els millors per a la majoria de TEG.
Dignitat de TEG
Avantatges dels generadors termoelèctrics:
- l'electricitat es genera en un circuit tancat i d'una sola etapa sense l'ús de sistemes de transmissió complexos i l'ús de peces mòbils;
- manca de líquids i gasos de treball;
- sense emissions de substàncies nocives, calor residual i contaminació acústica del medi ambient;
- Bateria de llarga durada del dispositiufuncionament;
- ús de calor residual (fonts de calor secundàries) per estalviar recursos energètics
- treballar en qualsevol posició de l'objecte, independentment de l'entorn operatiu: espai, aigua, terra;
- Generació de baixa tensió CC;
- immunitat a curtcircuits;
- Vida útil il·limitada, 100% llest per funcionar.
Camps d'aplicació del generador termoelèctric
Els avantatges de TEG van determinar les perspectives de desenvolupament i el seu futur proper:
- estudi de l'oceà i l'espai;
- aplicació en energia alternativa petita (domèstica);
- utilitzant la calor dels tubs d'escapament dels cotxes;
- en sistemes de reciclatge;
- en sistemes de refrigeració i aire condicionat;
- en sistemes de bombes de calor per a la calefacció instantània de motors dièsel de locomotores i cotxes dièsel;
- escalfament i cuina en condicions de camp;
- carregant dispositius electrònics i rellotges;
- nutrició de polseres sensorials per a esportistes.
Convertidor Peltier termoelèctric
L'element Peltier (EP) és un convertidor termoelèctric que funciona amb l'efecte Peltier del mateix nom, un dels tres efectes termoelèctrics (Seebeck i Thomson).
El francès Jean-Charles Peltier va connectar cables de coure i bismut entre si i els va connectar a una bateria, creant així un parell de connexions de dosmetalls diferents. Quan s'encenia la bateria, una de les unions s'escalfava i l' altra es refredava.
Els dispositius d'efecte Peltier són extremadament fiables perquè no tenen peces mòbils, no requereixen manteniment, no emeten gasos nocius, són compactes i tenen un funcionament bidireccional (escalfament i refrigeració) en funció de la direcció del corrent.
Lamentablement, són ineficients, tenen poca eficiència, emeten força calor, la qual cosa requereix ventilació addicional i augmenta el cost del dispositiu. Aquests dispositius consumeixen força electricitat i poden provocar un sobreescalfament o condensació. Els elements Peltier de més de 60 mm x 60 mm gairebé mai no es troben.
Àmbit de l'ES
La introducció de tecnologies avançades en la producció de termoelèctrics ha comportat una reducció del cost de producció d'EP i una ampliació de l'accessibilitat al mercat.
Avui s'utilitza àmpliament l'EP:
- en neveres portàtils, per refredar petits electrodomèstics i components electrònics;
- en deshumidificadors per extreure aigua de l'aire;
- a la nau espacial per equilibrar l'efecte de la llum solar directa a un costat de la nau mentre dissipa la calor a l' altre costat;
- per refredar els detectors de fotons dels telescopis astronòmics i les càmeres digitals d' alta qualitat per minimitzar els errors d'observació a causa del sobreescalfament;
- per refrigerar components de l'ordinador.
Recentment, s'ha utilitzat àmpliament per a finalitats domèstiques:
- en dispositius més freds alimentats per port USB per refredar o escalfar begudes;
- en forma d'una etapa addicional de refredament de refrigeradors de compressió amb una disminució de la temperatura fins a -80 graus per a la refrigeració d'una etapa i fins a -120 per a dues etapes;
- en els cotxes per crear refrigeradors o escalfadors autònoms.
La Xina ha llançat la producció d'elements Peltier de les modificacions TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 per valor de fins a 7 euros, que poden proporcionar potència de fins a 200 W segons els esquemes "calor-fred", amb una vida útil de fins a 200.000 hores de funcionament a la zona de temperatura de -30 a 138 graus centígrads.
bateries nuclears RITEG
Un generador termoelèctric de radioisòtops (RTG) és un dispositiu que utilitza termoparells per convertir la calor de la desintegració del material radioactiu en electricitat. Aquest generador no té parts mòbils. RITEG es va utilitzar com a font d'energia en satèl·lits, naus espacials i instal·lacions remotes de fars construïdes per l'URSS per al cercle polar àrtic.
Els RTG són generalment la font d'alimentació preferida per als dispositius que requereixen diversos centenars de watts de potència. En piles de combustible, bateries o generadors instal·lats en llocs on les cèl·lules solars són ineficients. Un generador termoelèctric de radioisòtops requereix un maneig estricte de radioisòtops durantmolt de temps després del final de la seva vida útil.
Hi ha uns 1.000 RTG a Rússia, que s'utilitzaven principalment per a fonts d'energia en mitjans de llarg abast: fars, radiobalises i altres equips especials de ràdio. El primer RTG espacial del poloni-210 va ser Limon-1 el 1962, després Orion-1 amb una potència de 20 W. L'última modificació es va instal·lar als satèl·lits Strela-1 i Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 i Mars-96 utilitzaven RTG als seus sistemes de calefacció.
Dispositiu generador termoelèctric de bricolatge
Processos tan complexos que tenen lloc al TEG no frenen els "Kulibins" locals en la seva voluntat d'incorporar-se al procés científic i tècnic global per a la creació del TEG. L'ús de TEG casolans s'utilitza des de fa molt de temps. Durant la Gran Guerra Patriòtica, els partidaris van fabricar un generador termoelèctric universal. Va generar electricitat per carregar la ràdio.
Amb l'arribada dels elements Peltier al mercat a preus assequibles per al consumidor domèstic, és possible fer un TEG vostè mateix seguint els passos següents.
- Aconsegueix dos dissipadors de calor d'una botiga d'informàtica i apliqueu pasta tèrmica. Aquest últim facilitarà la connexió de l'element Peltier.
- Separa els radiadors amb qualsevol aïllant tèrmic.
- Fes un forat a l'aïllant per acomodar l'element Peltier i els cables.
- Munta l'estructura i porta la font de calor (espelma) a un dels radiadors. Com més llarga sigui la calefacció, més corrent es generarà des del termoelèctric domèsticgenerador.
Aquest dispositiu funciona en silenci i té un pes lleuger. El generador termoelèctric ic2, segons la mida, pot connectar el carregador del telèfon mòbil, encendre una petita ràdio i encendre la il·luminació LED.
Actualment, molts fabricants mundials coneguts han llançat la producció de diversos aparells assequibles amb TEG per als entusiastes dels cotxes i els viatgers.
Perspectives per al desenvolupament de la generació termoelèctrica
S'espera que La demanda de consum domèstic de TEG creixi un 14%. Market Research Future va publicar les perspectives de desenvolupament de la generació termoelèctrica mitjançant l'emissió del document "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022": anàlisi del mercat, volum, quota, progrés, tendències i previsions. L'informe confirma la promesa de TEG en el reciclatge de residus d'automòbils i la cogeneració d'electricitat i calor per a instal·lacions domèstiques i industrials.
Geogràficament, el mercat global de generadors termoelèctrics s'ha dividit en Amèrica, Europa, Àsia-Pacífic, Índia i Àfrica. Àsia-Pacífic es considera el segment de més ràpid creixement en la implementació del mercat TEG.
D'entre aquestes regions, Amèrica, segons els experts, és la principal font d'ingressos al mercat global de TEG. S'espera que un augment de la demanda d'energia neta augmenti la demanda als Estats Units.
Europa també mostrarà un creixement relativament ràpid durant el període de previsió. L'Índia i la Xina ho faranaugmentar el consum a un ritme important a causa de l'augment de la demanda de vehicles, la qual cosa comportarà el creixement del mercat de generadors.
Les companyies d'automòbils com Volkswagen, Ford, BMW i Volvo, en col·laboració amb la NASA, ja han començat a desenvolupar mini-TEG per al sistema de recuperació de calor i estalvi de combustible en vehicles.
