Termoelektrisk generator
En termoelektrisk generator er en teknisk enhed ( elektrisk generator ) designet til direkte at konvertere termisk energi til elektricitet gennem brug af termoelementer (termoelektriske materialer) i dens design .
Historien om opfindelsen af termoelektriske generatorer
I 1821 opdagede den tyske fysiker Thomas Johann Seebeck , at en temperaturgradient dannet mellem to forskellige ledere kunne producere elektricitet. I 1822 offentliggjorde han resultaterne af sine eksperimenter i artiklen "Om spørgsmålet om den magnetiske polarisering af visse metaller og malme, der opstår under temperaturforskelle", offentliggjort i rapporterne fra det preussiske videnskabsakademi. [1] Den termoelektriske Seebeck-effekt er baseret på, at en temperaturgradient i et ledende materiale forårsager varmestrømning; dette fører til overførsel af afgiftsbærere. Strømmen af ladningsbærere mellem varme og kolde områder skaber til gengæld en potentiel forskel.
I 1834 opdagede Jean-Charles Peltier den omvendte effekt , hvor varme frigives eller absorberes, når en elektrisk strøm passerer gennem kontakten mellem to forskellige ledere. [2]
Typer af brugte termoelektriske generatorer
- Brændstof: varme fra forbrænding af brændstof ( naturgas , olie , kul ) og varme fra forbrændingen af pyrotekniske sammensætninger (checkers).
- Radioisotoper : varme fra isotopers henfald (henfald kontrolleres ikke, og arbejdet bestemmes af halveringstid ).
- Nuklear: varmen fra en atomreaktor ( uran-233 , uranium-235 , plutonium-238 , thorium ), som regel her er en termoelektrisk generator det andet og tredje trin i transformationen.
- Sol: varme fra solfangere (spejle, linser, varmerør).
- Udnyttelse: Varme fra alle kilder, der afgiver spildvarme (udstødnings- og ovngasser, varme fra petroleumslamper osv.).
- Gradient : baseret på den naturlige temperaturforskel mellem omgivelserne og rummet (udstyr, procesrør med varmt transporteret medium osv.) ved brug af den indledende startstrøm. Denne type termoelektriske generatorer er baseret på brugen af en del af den modtagne elektriske energi fra Seebeck-effekten til omdannelse til termisk energi i henhold til Joule-Lenz-loven .
- Termosifon: brug af jordens eller vandets naturlige varme i tilfælde af negative udetemperaturer. Jordens termiske energi, gennem en termosifon installeret i brønden, leveres til en termoelektrisk generator udstyret med en luftfinnet radiator. På grund af temperaturforskellen genereres elektrisk energi.
Halvledermaterialer til direkte energiomdannelse
Til termoelektriske generatorer anvendes termoelektriske halvledermaterialer, som giver den højeste koefficient for konvertering af varme til elektricitet. Listen over stoffer med termoelektriske egenskaber er ret stor (tusindvis af legeringer og forbindelser), men kun nogle få af dem kan bruges til at omdanne termisk energi. [3] Moderne videnskab leder konstant efter nye og nye halvledersammensætninger, og fremskridt på dette område er ikke så meget leveret af teori som af praksis, på grund af kompleksiteten af de fysiske processer, der forekommer i termoelektriske materialer. Det kan bestemt siges, at der i dag ikke er noget termoelektrisk materiale, der fuldt ud tilfredsstiller industrien med dets egenskaber, og det vigtigste værktøj til at skabe et sådant materiale er eksperiment. De vigtigste egenskaber ved halvledermateriale til termoelektriske generatorer er:
- Effektivitet: Den højest mulige effektivitet er ønskelig;
- Fremstillingsevne: Mulighed for enhver form for forarbejdning;
- Omkostninger: Fortrinsvis fraværet af sjældne elementer i sammensætningen eller deres mindre mængde, tilstrækkelig råmaterialebase (for at udvide områderne for assimilering og tilgængelighed);
- Termo-EMF-koefficient: Så høj som muligt termo-EMF-koefficient er ønskelig (for at forenkle designet);
- Toksicitet: Fraværet eller lavt indhold af giftige elementer (for eksempel: bly , vismut , tellur , selen ) eller deres inaktive tilstand (som en del af legeringer) er ønskeligt;
- Driftstemperaturer: Det bredest mulige temperaturområde er ønskeligt for at udnytte den højpotentiale varme og dermed øge den konverterede varmeydelse.
Måder at udvikle og øge effektiviteten
- Effektivt termoelektrisk materiale : Konverteringseffektivitet, termo-EMF, duktilitet, tyndfilmsdesign.
- Effektiv og varmevekslerkompatibel flydende metalkølevæske .
- Udvidelse af brugen af højkvalitets keramik i TEG-design.
- Sammenlægning af enheder tilpasset til forskellige applikationer.
- Den ultimative stigning i energitætheden af TEG'er til niveauet for bil- og flymotorer og derover.
| Typer af termoelektriske generatorer og hovedkomponenter i generatorenheder | 1965 | 1970 | 1975 | 1980 | Carnot. |
|---|---|---|---|---|---|
| Solenergi uden koncentration | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,92 | 0,96 |
| Solenergi med koncentration | 0,65 | 0,7 | 0,75 | 0,8 | 0,9 |
| Gasbrændere | 0,5 | 0,6 | 0,65 | 0,7 | 0,8 |
| Gas ovne | 0,75 | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,92 |
| isotoper | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,95 | 1.00 |
| Atomreaktorer | 0,75 | 0,8 | 0,85 | 0,95 | 1.00 |
| Lavtemperatur termoelektriske materialer | 0,06 | 0,08 | 0,1 | 0,12 | 0,5 |
| Mellemtemperatur termoelektriske materialer | 0,04 | 0,06 | 0,08 | 0,1 | 0,35 |
| Termoelektriske materialer med høj temperatur | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,23 |
| Kaskade termoelementer | 0,12 | 0,14 | 0,18 | 0,20 | 0,77 |
| Skiftende termopæl | 0,9 | 0,93 | 0,95 | 0,98 | 0,99 |
| Termopæl isolering | 0,9 | 0,92 | 0,95 | 0,97 | 1.00 |
| Termisk kontakt | 0,9 | 0,93 | 0,95 | 0,97 | 0,99 |
| kølevæske | 0,9 | 0,92 | 0,93 | 0,94 | 0,98 |
| Jordkøleribber | 0,55 | 0,6 | |||
| Rumkøleribber | 0,8 | 0,85 | |||
| Termoelektrisk solvarmegenerator uden koncentrator | 0,016 | 0,025 | 0,035 | 0,045 | 0,16 |
| Termoelektrisk solvarmegenerator med koncentrator | 0,017 | 0,029 | 0,043 | 0,061 | 0,25 |
| Solvarme termoelektrisk generator med koncentrator | 0,029 | 0,044 | 0,088 | 0,145 | 0,59 |
| Termoelektrisk gasgenerator med finner | 0,013 | 0,023 | 0,030 | 0,043 | 0,20 |
| Termoelektrisk gasgenerator med varmebærer | 0,02 | 0,035 | 0,073 | 0,175 | 0,57 |
| Radioisotop termoelektrisk generator med finner | 0,021 | 0,032 | 0,049 | 0,12 | 0,36 |
| Radioisotop termoelektrisk generator med kølemiddel | 0,032 | 0,075 | 0,129 | 0,24 | 0,71 |
| Reaktor rum termoelektrisk generator | 0,016 | 0,023 | 0,044 | 0,113 | 0,36 |
| Reaktor jord termoelektrisk generator | 0,03 | 0,047 | 0,121 | 0,24 | 0,71 |
| Termoelektrisk generator af typen dampkedel | 0,226 | 0,66 |
- Bemærk: Carnot-koefficient = 1 svarer til 100%.
Fra tabellen er en betydelig stigning i effektiviteten mærkbar, primært på grund af den grundige forbedring af materialefremstillingsteknologier, den rationelle udførelse af strukturer og udviklingen af materialevidenskab inden for termoelektricitet .
Anvendelsesområder for termoelektriske generatorer
Radioisotop termoelektriske generatorer bruges som indbyggede strømforsyninger til rumfartøjer designet til at studere områder af solsystemet fjernt fra Solen. Især er sådanne generatorer, der bruger varmen fra plutoniumbrændselselementer, installeret på Cassini og New Horizons rumfartøjer. Tidligere blev sådanne enheder også brugt på Jorden i navigationsbeacons, radiofyr, vejrstationer og lignende udstyr installeret i områder, hvor det af tekniske eller økonomiske årsager ikke er muligt at anvende andre strømforsyningskilder.
I de senere år er termoelektriske generatorer blevet brugt i bilteknologi til genvinding af termisk energi, for eksempel til genvinding af varme fra udstødningssystemelementer.
Litteratur
- MHD generatorer og termoelektrisk energiteknik . Kiev. " Videnskabelig tankegang ". 1983.
- Pozdnyakov B. S., Koptelov E. A. Termoelektrisk kraftteknik . Moskva: Atomizdat , 1974, 264 s.
- Kerosene termogenerator // Brief Encyclopedia of the Household. — M .: Soviet Encyclopedia , 1959.
Noter
- ↑ Termoelektricitet, Peltier-effekt, Seebeck-effekt (utilgængeligt link)
- ↑ Peltier. [ [1] i Google Books Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (Nye eksperimenter med varmeeffekter af elektriske strømme)] (fr.) // Annales de Chimie et de Physique :magasin. - 1834. - Bd. 56 . - s. 371-386 .
- ↑ Anatychuk L.I. , Bulat L.P. Halvledere under ekstreme temperaturforhold. - Skt. Petersborg, Nauka, 2001. - Oplag 1500 eksemplarer. — c. 179
- ↑ MHD-generatorer og termoelektrisk kraftteknik. Kiev. "Videnskabelig tanke". 1983.
 Ordbøger og encyklopædier | |
|---|---|
| I bibliografiske kataloger |