Termoelektrisk generator
En termoelektrisk generator är en teknisk anordning ( elektrisk generator ) utformad för att direkt omvandla termisk energi till elektricitet genom användning av termoelement (termoelektriska material) i sin design .
Historien om uppfinningen av termoelektriska generatorer
År 1821 upptäckte den tyske fysikern Thomas Johann Seebeck att en temperaturgradient bildad mellan två olika ledare kunde producera elektricitet. År 1822 publicerade han resultaten av sina experiment i artikeln "Om frågan om magnetisk polarisering av vissa metaller och malmer som uppstår under temperaturskillnader", publicerad i rapporterna från den preussiska vetenskapsakademin. [1] Den termoelektriska Seebeck-effekten är baserad på det faktum att en temperaturgradient i ett ledande material orsakar värmeflöde; detta leder till överföring av avgiftsbärare. Flödet av laddningsbärare mellan varma och kalla regioner skapar i sin tur en potentialskillnad.
1834 upptäckte Jean-Charles Peltier den omvända effekten , där värme frigörs eller absorberas när en elektrisk ström passerar genom kontakten mellan två olika ledare. [2]
Typer av använda termoelektriska generatorer
- Bränsle: värme från förbränning av bränsle ( naturgas , olja , kol ) och värme från förbränning av pyrotekniska kompositioner (pjäser).
- Radioisotoper : värme från sönderfallet av isotoper (sönderfallet kontrolleras inte och arbetet bestäms av halveringstid ).
- Kärnkraft: värmen från en kärnreaktor ( uran-233 , uranium-235 , plutonium-238 , torium ), som regel här är en termoelektrisk generator det andra och tredje steget i omvandlingen.
- Sol: värme från solfångare (speglar, linser, värmerör).
- Användning: Värme från alla källor som avger spillvärme (avgaser och ugnsgaser, värme från fotogenlampor etc.).
- Gradient : baserat på den naturliga temperaturskillnaden mellan omgivningen och rummet (utrustning, processrör med varmt transporterat medium, etc.) med hjälp av den initiala startströmmen. Denna typ av termoelektriska generatorer är baserade på användningen av en del av den mottagna elektriska energin från Seebeck-effekten för omvandling till termisk energi enligt Joule-Lenz-lagen .
- Termosifon: användning av den naturliga värmen från jorden eller vattnet, vid negativa utomhustemperaturer. Jordens termiska energi, genom en termosifon installerad i brunnen, levereras till en termoelektrisk generator utrustad med en luftfenad radiator. På grund av temperaturskillnaden genereras elektrisk energi.
Halvledarmaterial för direkt energiomvandling
För termoelektriska generatorer används termoelektriska halvledarmaterial, som ger den högsta koefficienten för omvandling av värme till elektricitet. Listan över ämnen med termoelektriska egenskaper är ganska stor (tusentals legeringar och föreningar), men endast ett fåtal av dem kan användas för att omvandla termisk energi. [3] Modern vetenskap letar ständigt efter nya och nya halvledarkompositioner och framsteg inom detta område tillhandahålls inte så mycket av teori som av praktik, på grund av komplexiteten i de fysiska processer som sker i termoelektriska material. Det kan definitivt sägas att det idag inte finns något termoelektriskt material som helt tillfredsställer industrin med dess egenskaper, och det viktigaste verktyget för att skapa ett sådant material är experiment. De viktigaste egenskaperna hos halvledarmaterial för termoelektriska generatorer är:
- Effektivitet: Högsta möjliga effektivitet är önskvärt;
- Tillverkningsbarhet: Möjlighet till alla typer av bearbetning;
- Kostnad: Företrädesvis frånvaron av sällsynta element i kompositionen eller deras mindre mängd, tillräcklig råmaterialbas (för att utöka områdena för assimilering och tillgänglighet);
- Termo-EMF-koefficient: Så hög termo-EMF-koefficient som möjligt är önskvärt (för att förenkla konstruktionen);
- Toxicitet: Frånvaron eller låg halt av giftiga grundämnen (till exempel: bly , vismut , tellur , selen ) eller deras inerta tillstånd (som en del av legeringar) är önskvärt;
- Driftstemperaturer: Det bredaste möjliga temperaturområdet är önskvärt för att utnyttja den höga potentialvärmen och därmed öka den omvandlade värmeeffekten.
Sätt att utveckla och öka effektiviteten
- Effektivt termoelektriskt material : Konverteringseffektivitet, termo-EMF, duktilitet, tunnfilmsdesign.
- Effektiv och värmeväxlarkompatibel flytande metallkylvätska .
- Utvidgning av användningen av högkvalitativ keramik i TEG-design.
- Enhet av enheter anpassade för olika applikationer.
- Den ultimata ökningen av energitätheten för TEG till nivån för bil- och flygmotorer och högre.
| Typer av termoelektriska generatorer och huvudkomponenter i generatorenheter | 1965 | 1970 | 1975 | 1980 | Carnot. |
|---|---|---|---|---|---|
| Solenergi utan koncentration | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,92 | 0,96 |
| Solenergi med koncentration | 0,65 | 0,7 | 0,75 | 0,8 | 0,9 |
| Gasbrännare | 0,5 | 0,6 | 0,65 | 0,7 | 0,8 |
| Gasugnar | 0,75 | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,92 |
| isotoper | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,95 | 1.00 |
| Kärnreaktorer | 0,75 | 0,8 | 0,85 | 0,95 | 1.00 |
| Lågtemperatur termoelektriska material | 0,06 | 0,08 | 0,1 | 0,12 | 0,5 |
| Termoelektriska material med medeltemperatur | 0,04 | 0,06 | 0,08 | 0,1 | 0,35 |
| Termoelektriska material med hög temperatur | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,23 |
| Kaskad termoelement | 0,12 | 0,14 | 0,18 | 0,20 | 0,77 |
| Byte av termostapel | 0,9 | 0,93 | 0,95 | 0,98 | 0,99 |
| Termopilisolering | 0,9 | 0,92 | 0,95 | 0,97 | 1.00 |
| Termisk kontakt | 0,9 | 0,93 | 0,95 | 0,97 | 0,99 |
| kylvätska | 0,9 | 0,92 | 0,93 | 0,94 | 0,98 |
| Mark kylflänsar | 0,55 | 0,6 | |||
| Rymdkylflänsar | 0,8 | 0,85 | |||
| Termoelektrisk solenergigenerator utan koncentrator | 0,016 | 0,025 | 0,035 | 0,045 | 0,16 |
| Termoelektrisk generator för solenergi med koncentrator | 0,017 | 0,029 | 0,043 | 0,061 | 0,25 |
| Solar jord termoelektrisk generator med koncentrator | 0,029 | 0,044 | 0,088 | 0,145 | 0,59 |
| Termoelektrisk gasgenerator med fenor | 0,013 | 0,023 | 0,030 | 0,043 | 0,20 |
| Termoelektrisk gasgenerator med värmebärare | 0,02 | 0,035 | 0,073 | 0,175 | 0,57 |
| Radioisotop termoelektrisk generator med fenor | 0,021 | 0,032 | 0,049 | 0,12 | 0,36 |
| Radioisotop termoelektrisk generator med kylvätska | 0,032 | 0,075 | 0,129 | 0,24 | 0,71 |
| Termoelektrisk generator för reaktorutrymme | 0,016 | 0,023 | 0,044 | 0,113 | 0,36 |
| Reaktorjord termoelektrisk generator | 0,03 | 0,047 | 0,121 | 0,24 | 0,71 |
| Termoelektrisk generator av ångpannatyp | 0,226 | 0,66 |
- Obs: Carnot-koefficient = 1 motsvarar 100 %.
Från tabellen märks en betydande ökning av effektiviteten, främst på grund av den grundliga förbättringen av materialtillverkningsteknik, rationellt utförande av strukturer och utvecklingen av materialvetenskap inom termoelektricitetsområdet .
Användningsområden för termoelektriska generatorer
Radioisotop termoelektriska generatorer används som strömförsörjning ombord för rymdfarkoster som är utformade för att studera områden i solsystemet på avstånd från solen. I synnerhet är sådana generatorer, som använder värmen från plutoniumbränsleelement, installerade på rymdfarkosterna Cassini och New Horizons . Tidigare användes sådana anordningar även på jorden i navigationsfyrar, radiofyrar, väderstationer och liknande utrustning installerade i områden där det av tekniska eller ekonomiska skäl inte är möjligt att använda andra kraftkällor.
På senare år har termoelektriska generatorer använts inom bilteknik för återvinning av termisk energi, till exempel för återvinning av värme från avgassystemelement.
Litteratur
- MHD-generatorer och termoelektrisk kraftteknik . Kiev. " Vetenskaplig tanke ". 1983.
- Pozdnyakov B. S., Koptelov E. A. Termoelektrisk kraftteknik . Moskva: Atomizdat , 1974, 264 s.
- Fotogen termogenerator // Brief Encyclopedia of the Household. — M .: Soviet Encyclopedia , 1959.
Anteckningar
- ↑ Termoelektricitet, Peltier-effekt, Seebeck-effekt (otillgänglig länk)
- ↑ Peltier. [ [1] i Google Books Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (Nya experiment om värmeeffekter av elektriska strömmar)] (fr.) // Annales de Chimie et de Physique :tidskrift. - 1834. - Vol. 56 . - s. 371-386 .
- ↑ Anatychuk L.I. , Bulat L.P. Halvledare under extrema temperaturförhållanden. - St. Petersburg, Nauka, 2001. - Upplaga 1500 exemplar. — c. 179
- ↑ MHD-generatorer och termoelektrisk kraftteknik. Kiev. "Vetenskapens tanke". 1983.
 Ordböcker och uppslagsverk | |
|---|---|
| I bibliografiska kataloger |