Il generatore termoelettrico (termogeneratore TEG) è un dispositivo elettrico che utilizza gli effetti Seebeck, Thomson e Peltier per generare elettricità tramite termo-EMF. L'effetto termo-EMF fu scoperto dallo scienziato tedesco Thomas Johann Seebeck (effetto Seebeck) nel 1821. Nel 1851, William Thomson (poi Lord Kelvin) continuò la ricerca termodinamica e dimostrò che la fonte della forza elettromotrice (EMF) è una differenza di temperatura.
Nel 1834, l'inventore e orologiaio francese Jean Charles Peltier scoprì il secondo effetto termoelettrico, scoprendo che la differenza di temperatura si verifica all'incrocio di due diversi tipi di materiali sotto l'influenza di una corrente elettrica (effetto Peltier). In particolare, ha previsto che un CEM si sarebbe sviluppato all'interno di un singolo conduttore in presenza di una differenza di temperatura.
Nel 1950, l'accademico e ricercatore russo Abram Ioffe scoprì le proprietà termoelettriche dei semiconduttori. Il generatore termoelettrico iniziò ad essere utilizzatosistemi di alimentazione autonomi in aree impervie. Lo studio dello spazio esterno, la passeggiata spaziale dell'uomo ha dato un potente impulso al rapido sviluppo dei convertitori termoelettrici.
La sorgente di energia radioisotopica è stata installata per la prima volta su veicoli spaziali e stazioni orbitali. Stanno iniziando ad essere utilizzati nella grande industria petrolifera e del gas per la protezione anticorrosiva dei gasdotti, nei lavori di ricerca nell'estremo nord, nel campo della medicina come pacemaker e nelle abitazioni come fonti autonome di alimentazione.
Effetto termoelettrico e scambio termico nei sistemi elettronici
I generatori termoelettrici, il cui principio di funzionamento si basa sull'uso complesso dell'effetto di tre scienziati (Seebeck, Thomson, Peltier), sono stati sviluppati quasi 150 anni dopo le scoperte che erano molto più avanti dei loro tempi.
L'effetto termoelettrico è il seguente fenomeno. Per il raffreddamento o la generazione di elettricità viene utilizzato un "modulo" costituito da coppie collegate elettricamente. Ciascuna coppia è costituita da materiale semiconduttore p (S> 0) e n (S<0). Questi due materiali sono collegati da un conduttore la cui potenza termoelettrica si presume nulla. Due rami (p e n) e tutte le altre coppie che compongono il modulo sono collegati in serie nel circuito elettrico e in parallelo nel circuito termico. Il TEG (generatore termoelettrico) con questa disposizione crea le condizioni per ottimizzare il flusso di calore che attraversa il modulo, superandoloresistenza elettrica. La corrente elettrica agisce in modo tale che i portatori di carica (elettroni e buchi) si spostino da una sorgente fredda a una sorgente calda (in senso termodinamico) in due rami della coppia. Allo stesso tempo, contribuiscono al trasferimento di entropia da una sorgente fredda a una calda, a un flusso di calore che resisterà alla conduzione del calore.
Se i materiali selezionati hanno buone proprietà termoelettriche, questo flusso di calore generato dal movimento dei portatori di carica sarà maggiore della conduttività termica. Pertanto, il sistema trasferirà il calore da una fonte fredda a una calda e fungerà da frigorifero. Nel caso della generazione di elettricità, il flusso di calore provoca lo spostamento dei portatori di carica e la comparsa di una corrente elettrica. Maggiore è la differenza di temperatura, più elettricità può essere ottenuta.
Efficienza TEG
Valutato dal fattore di efficienza. La potenza di un generatore termoelettrico dipende da due fattori critici:
- La quantità di flusso di calore che può spostarsi con successo attraverso il modulo (flusso di calore).
- Delta di temperatura (DT) - la differenza di temperatura tra il lato caldo e quello freddo del generatore. Più grande è il delta, più efficiente è il suo funzionamento, pertanto le condizioni devono essere fornite in modo costruttivo, sia per la massima fornitura di freddo che per la massima rimozione del calore dalle pareti del generatore.
Il termine "efficienza dei generatori termoelettrici" è simile al termine applicato a tutte le altre tipologiemotori termici. Finora è molto basso e non supera il 17% dell'efficienza di Carnot. L'efficienza del generatore TEG è limitata dall'efficienza di Carnot e in pratica raggiunge solo una piccola percentuale (2-6%) anche ad alte temperature. Ciò è dovuto alla bassa conduttività termica nei materiali semiconduttori, che non favorisce un'efficiente generazione di energia. Pertanto, sono necessari materiali con bassa conducibilità termica, ma allo stesso tempo con la massima conducibilità elettrica possibile.
I semiconduttori svolgono un lavoro migliore dei metalli, ma sono ancora molto lontani da quegli indicatori che porterebbero un generatore termoelettrico al livello della produzione industriale (con almeno il 15% di utilizzo di calore ad alta temperatura). Un ulteriore aumento dell'efficienza del TEG dipende dalle proprietà dei materiali termoelettrici (termoelettrici), la cui ricerca è attualmente occupata dall'intero potenziale scientifico del pianeta.
Lo sviluppo di nuovi termoelettrici è relativamente complesso e costoso, ma in caso di successo causeranno una rivoluzione tecnologica nei sistemi di generazione.
Materiali termoelettrici
I termoelettrici sono costituiti da leghe speciali o composti semiconduttori. Recentemente, polimeri elettricamente conduttivi sono stati utilizzati per le proprietà termoelettriche.
Requisiti per il termoelettrico:
- alta efficienza grazie alla bassa conducibilità termica e all'elevata conduttività elettrica, alto coefficiente di Seebeck;
- resistenza alle alte temperature e termomeccanicaimpatto;
- accessibilità e sicurezza ambientale;
- resistenza alle vibrazioni e agli sbalzi di temperatura;
- stabilità a lungo termine e basso costo;
- automazione del processo produttivo.
Attualmente, sono in corso esperimenti per selezionare termocoppie ottimali, che aumenteranno l'efficienza del TEG. Il materiale semiconduttore termoelettrico è una lega di tellururo e bismuto. È stato realizzato appositamente per fornire singoli blocchi o elementi con diverse caratteristiche "N" e "P".
I materiali termoelettrici sono spesso realizzati mediante cristallizzazione direzionale dalla metallurgia delle polveri fuse o pressate. Ogni metodo di produzione ha il suo particolare vantaggio, ma i materiali a crescita direzionale sono i più comuni. Oltre al tellurito di bismuto (Bi 2 Te 3), esistono altri materiali termoelettrici, tra cui leghe di piombo e tellurito (PbTe), silicio e germanio (SiGe), bismuto e antimonio (Bi-Sb), che possono essere utilizzati in casi. Mentre le termocoppie al bismuto e al tellururo sono le migliori per la maggior parte dei TEG.
Dignità del TEG
Vantaggi dei generatori termoelettrici:
- L'elettricità viene generata in un circuito chiuso, monostadio senza l'uso di complessi sistemi di trasmissione e l'uso di parti mobili;
- mancanza di liquidi e gas di lavoro;
- nessuna emissione di sostanze nocive, calore disperso e inquinamento acustico dell'ambiente;
- dispositivo a lunga durata della batteriafunzionante;
- utilizzo del calore di scarto (fonti di calore secondarie) per risparmiare risorse energetiche
- lavorare in qualsiasi posizione dell'oggetto, indipendentemente dall'ambiente operativo: spazio, acqua, terra;
- Generazione di bassa tensione CC;
- immunità al cortocircuito;
- Durata illimitata, pronto al 100%.
Campi di applicazione del generatore termoelettrico
I vantaggi di TEG hanno determinato le prospettive di sviluppo e il suo prossimo futuro:
- studio dell'oceano e dello spazio;
- applicazione in piccole energie alternative (domestiche);
- usando il calore dei tubi di scarico dell'auto;
- nei sistemi di riciclaggio;
- nei sistemi di raffreddamento e condizionamento;
- nei sistemi a pompa di calore per il riscaldamento istantaneo di motori diesel di locomotive e automobili diesel;
- riscaldamento e cottura in campo;
- ricarica di dispositivi elettronici e orologi;
- alimentazione dei braccialetti sensoriali per gli atleti.
Convertitore Peltier termoelettrico
L'elemento Peltier (EP) è un convertitore termoelettrico che opera utilizzando l'omonimo effetto Peltier, uno dei tre effetti termoelettrici (Seebeck e Thomson).
Il francese Jean-Charles Peltier ha collegato tra loro fili di rame e bismuto e li ha collegati a una batteria, creando così una coppia di collegamenti di duemetalli dissimili. Quando la batteria veniva accesa, una delle giunzioni si riscaldava e l' altra si raffreddava.
I dispositivi ad effetto Peltier sono estremamente affidabili perché privi di parti in movimento, non richiedono manutenzione, non emettono gas nocivi, sono compatti e hanno un funzionamento bidirezionale (riscaldamento e raffreddamento) a seconda della direzione della corrente.
Purtroppo sono inefficienti, hanno una bassa efficienza, emettono molto calore, il che richiede una ventilazione aggiuntiva e aumenta il costo del dispositivo. Tali dispositivi consumano molta elettricità e possono causare surriscaldamento o condensa. Gli elementi Peltier più grandi di 60 mm x 60 mm non vengono quasi mai trovati.
Ambito di ES
L'introduzione di tecnologie avanzate nella produzione di termoelettrici ha portato a una riduzione dei costi di produzione di EP e all'ampliamento dell'accessibilità al mercato.
Oggi l'EP è ampiamente utilizzato:
- in frigoriferi portatili, per il raffreddamento di piccoli elettrodomestici e componenti elettronici;
- in deumidificatori per estrarre l'acqua dall'aria;
- nella navicella spaziale per bilanciare l'effetto della luce solare diretta su un lato della nave dissipando il calore sull' altro lato;
- per raffreddare i rivelatori di fotoni dei telescopi astronomici e delle fotocamere digitali di alta qualità per ridurre al minimo gli errori di osservazione dovuti al surriscaldamento;
- per il raffreddamento dei componenti del computer.
Di recente, è stato ampiamente utilizzato per scopi domestici:
- in dispositivi di raffreddamento alimentati da porta USB per raffreddare o riscaldare bevande;
- sotto forma di uno stadio aggiuntivo di raffreddamento dei frigoriferi a compressione con una diminuzione della temperatura a -80 gradi per il raffreddamento a uno stadio e fino a -120 per il doppio stadio;
- in auto per creare frigoriferi o riscaldatori autonomi.
La Cina ha avviato la produzione di elementi Peltier delle modifiche TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 del valore fino a 7 euro, che possono fornire potenza fino a 200 W secondo gli schemi "caldo-freddo", con una durata fino a 200.000 ore di funzionamento nella zona di temperatura da -30 a 138 gradi Celsius.
Batterie nucleari RITEG
Un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) è un dispositivo che utilizza termocoppie per convertire il calore dal decadimento del materiale radioattivo in elettricità. Questo generatore non ha parti mobili. RETEG è stato utilizzato come fonte di energia su satelliti, veicoli spaziali, strutture remote di fari costruiti dall'URSS per il Circolo Polare Artico.
Gli RTG sono generalmente la fonte di alimentazione preferita per i dispositivi che richiedono diverse centinaia di watt di potenza. In celle a combustibile, batterie o generatori installati in luoghi in cui le celle solari sono inefficienti. Un generatore termoelettrico di radioisotopi richiede una rigorosa manipolazione dei radioisotopi durantemolto tempo dopo la fine della sua vita di servizio.
Ci sono circa 1.000 RTG in Russia, che sono stati utilizzati principalmente per le fonti di alimentazione su mezzi a lungo raggio: fari, radiofari e altre apparecchiature radio speciali. Il primo RTG spaziale sul polonio-210 fu Limon-1 nel 1962, poi Orion-1 con una potenza di 20 W. L'ultima modifica è stata installata sui satelliti Strela-1 e Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 e Mars-96 utilizzavano RTG nei loro sistemi di riscaldamento.
Dispositivo generatore termoelettrico fai-da-te
Processi così complessi che hanno luogo nel TEG non fermano i "Kulibin" locali nel loro desiderio di unirsi al processo scientifico e tecnico globale per la creazione del TEG. L'uso di TEG fatti in casa è stato utilizzato per molto tempo. Durante la Grande Guerra Patriottica, i partigiani realizzarono un generatore termoelettrico universale. Ha generato elettricità per caricare la radio.
Con l'avvento degli elementi Peltier sul mercato a prezzi accessibili per il consumatore domestico, è possibile realizzare un TEG da soli seguendo i passaggi seguenti.
- Prendi due dissipatori di calore da un negozio IT e applica la pasta termica. Quest'ultimo faciliterà la connessione dell'elemento Peltier.
- Separare i radiatori con qualsiasi isolante termico.
- Fai un foro nell'isolatore per ospitare l'elemento Peltier e i cavi.
- Montare la struttura e portare la fonte di calore (candela) ad uno dei radiatori. Più lungo è il riscaldamento, più corrente sarà generata dal termoelettrico domesticogeneratore.
Questo dispositivo funziona in modo silenzioso ed è leggero. Il generatore termoelettrico ic2, a seconda delle dimensioni, può collegare il caricatore del cellulare, accendere una piccola radio e accendere l'illuminazione a LED.
Attualmente, molti noti produttori globali hanno avviato la produzione di vari gadget convenienti utilizzando TEG per gli appassionati di auto e i viaggiatori.
Prospettive di sviluppo della generazione termoelettrica
Si prevede che la domanda di consumo domestico di TEG aumenterà del 14%. Le prospettive di sviluppo della generazione termoelettrica sono state pubblicate da Market Research Future pubblicando il documento "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - analisi di mercato, volume, quota, avanzamento, tendenze e previsioni. Il rapporto conferma la promessa di TEG nel riciclo dei rifiuti automobilistici e nella cogenerazione di elettricità e calore per impianti domestici e industriali.
Gegraficamente, il mercato globale dei generatori termoelettrici è stato suddiviso in America, Europa, Asia-Pacifico, India e Africa. L'Asia-Pacifico è considerato il segmento in più rapida crescita nell'implementazione del mercato TEG.
Tra queste regioni, l'America, secondo gli esperti, è la principale fonte di reddito nel mercato globale dei TEG. Si prevede che un aumento della domanda di energia pulita aumenterà la domanda in America.
L'Europa mostrerà anche una crescita relativamente rapida durante il periodo di previsione. Lo faranno India e Cinaaumentare i consumi a un ritmo significativo a causa dell'aumento della domanda di veicoli, che porterà alla crescita del mercato dei generatori.
Le aziende automobilistiche come Volkswagen, Ford, BMW e Volvo, in collaborazione con la NASA, hanno già iniziato a sviluppare mini-TEG per il sistema di recupero del calore e risparmio di carburante nei veicoli.
