Thermoelektrischer Generator (TEG-Thermogenerator) ist ein elektrisches Gerät, das den Seebeck-, Thomson- und Peltier-Effekt nutzt, um durch Thermo-EMF Strom zu erzeugen. Der Thermo-EMF-Effekt wurde 1821 vom deutschen Wissenschaftler Thomas Johann Seebeck (Seebeck-Effekt) entdeckt. 1851 setzte William Thomson (später Lord Kelvin) die thermodynamische Forschung fort und bewies, dass die Quelle der elektromotorischen Kraft (EMF) eine Temperaturdifferenz ist.
Im Jahr 1834 entdeckte der französische Erfinder und Uhrmacher Jean Charles Peltier den zweiten thermoelektrischen Effekt und stellte fest, dass der Temperaturunterschied an der Verbindungsstelle zweier verschiedener Arten von Materialien unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms auftritt (Peltier-Effekt). Insbesondere sagte er voraus, dass sich innerhalb eines einzelnen Leiters eine EMF entwickeln würde, wenn es einen Temperaturunterschied gäbe.
1950 entdeckte der russische Akademiker und Forscher Abram Ioffe die thermoelektrischen Eigenschaften von Halbleitern. Der Einsatz von thermoelektrischen Stromgeneratoren begannautarke Stromversorgungssysteme in unzugänglichen Gebieten. Die Erforschung des Weltraums, der Weltraumspaziergang des Menschen, gab der rasanten Entwicklung thermoelektrischer Wandler einen starken Impuls.
Die Radioisotopen-Energiequelle wurde zuerst auf Raumfahrzeugen und Orbitalstationen installiert. Sie werden in der großen Öl- und Gasindustrie zum Korrosionsschutz von Gaspipelines, bei Forschungsarbeiten im hohen Norden, in der Medizin als Herzschrittmacher und im Wohnungsbau als autonome Energiequelle eingesetzt.
Thermoelektrischer Effekt und Wärmeübertragung in elektronischen Systemen
Thermoelektrische Generatoren, deren Funktionsprinzip auf der komplexen Nutzung der Wirkung dreier Wissenschaftler (Seebeck, Thomson, Peltier) beruht, wurden fast 150 Jahre nach Entdeckungen entwickelt, die ihrer Zeit weit voraus waren.
Der thermoelektrische Effekt ist das folgende Phänomen. Zur Kühlung oder Stromerzeugung wird ein „Modul“aus elektrisch verbundenen Paaren verwendet. Jedes Paar besteht aus Halbleitermaterial p (S> 0) und n (S<0). Diese beiden Materialien sind durch einen Leiter verbunden, dessen thermoelektrische Leistung zu Null angenommen wird. Zwei Zweige (p und n) und alle anderen Paare, aus denen das Modul besteht, sind im Stromkreis in Reihe und im Wärmekreis parallel gesch altet. TEG (thermoelektrischer Generator) mit diesem Layout schafft Bedingungen, um den Wärmefluss, der durch das Modul fließt, zu optimieren und zu überwindenelektrischer Wiederstand. Elektrischer Strom wirkt so, dass sich Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in zwei Zweigen des Paares von einer k alten Quelle zu einer heißen Quelle (im thermodynamischen Sinne) bewegen. Gleichzeitig tragen sie zur Entropieübertragung von einer k alten zu einer heißen Quelle bei, zu einem Wärmefluss, der der Wärmeleitung widersteht.
Wenn die ausgewählten Materialien gute thermoelektrische Eigenschaften haben, ist dieser durch die Bewegung von Ladungsträgern erzeugte Wärmefluss größer als die Wärmeleitfähigkeit. Daher überträgt das System Wärme von einer k alten Quelle auf eine heiße und fungiert als Kühlschrank. Bei der Stromerzeugung bewirkt der Wärmestrom die Verschiebung von Ladungsträgern und das Auftreten eines elektrischen Stroms. Je größer der Temperaturunterschied, desto mehr Strom kann gewonnen werden.
TEG-Effizienz
Bewertet durch den Wirkungsgrad. Die Leistung eines thermoelektrischen Generators hängt von zwei entscheidenden Faktoren ab:
- Die Menge an Wärmestrom, die sich erfolgreich durch das Modul bewegen kann (Wärmestrom).
- Temperaturdeltas (DT) - die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der k alten Seite des Generators. Je größer das Delta, desto effizienter arbeitet er, daher müssen konstruktiv Bedingungen geschaffen werden, sowohl für eine maximale Kältezufuhr als auch für eine maximale Wärmeabfuhr aus den Generatorwänden.
Der Begriff "Wirkungsgrad von thermoelektrischen Generatoren" ist ähnlich wie der Begriff, der für alle anderen Typen verwendet wirdWärmekraftmaschinen. Bisher ist er sehr gering und beträgt gerade einmal 17 % des Wirkungsgrades von Carnot. Der Wirkungsgrad des TEG-Generators ist durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt und erreicht in der Praxis auch bei hohen Temperaturen nur wenige Prozent (2-6%). Dies liegt an der geringen Wärmeleitfähigkeit von Halbleitermaterialien, die einer effizienten Stromerzeugung nicht förderlich ist. Daher werden Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, aber gleichzeitig mit möglichst hoher elektrischer Leitfähigkeit benötigt.
Halbleiter machen einen besseren Job als Metalle, sind aber noch sehr weit von jenen Indikatoren entfernt, die einen thermoelektrischen Generator auf das Niveau der industriellen Produktion bringen würden (mit mindestens 15% Nutzung von Hochtemperaturwärme). Eine weitere Steigerung der Effizienz von TEG hängt von den Eigenschaften thermoelektrischer Materialien (Thermoelektrika) ab, deren Suche derzeit das gesamte wissenschaftliche Potenzial des Planeten beschäftigt.
Die Entwicklung neuer Thermoelektrika ist relativ komplex und teuer, aber wenn sie erfolgreich sind, werden sie eine technologische Revolution bei Stromerzeugungssystemen auslösen.
Thermoelektrische Materialien
Thermoelektrika bestehen aus speziellen Legierungen oder Halbleiterverbindungen. Kürzlich wurden elektrisch leitfähige Polymere für thermoelektrische Eigenschaften verwendet.
Anforderungen an Thermoelektrik:
- hoher Wirkungsgrad durch geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit, hoher Seebeck-Koeffizient;
- Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und thermomechanischAuswirkung;
- Zugänglichkeit und Umweltsicherheit;
- Beständigkeit gegen Vibrationen und plötzliche Temperaturänderungen;
- langfristige Stabilität und niedrige Kosten;
- Automatisierung des Herstellungsprozesses.
Derzeit laufen Experimente zur Auswahl optimaler Thermoelemente, die die TEG-Effizienz erhöhen. Das thermoelektrische Halbleitermaterial ist eine Legierung aus Tellurid und Wismut. Es wurde speziell hergestellt, um einzelne Blöcke oder Elemente mit unterschiedlichen "N"- und "P"-Eigenschaften zu versehen.
Thermoelektrische Materialien werden meistens durch gerichtete Kristallisation aus geschmolzener oder gepresster Pulvermetallurgie hergestellt. Jede Herstellungsmethode hat ihre eigenen besonderen Vorteile, aber Materialien mit gerichtetem Wachstum sind die gebräuchlichsten. Neben Wismut-Tellurit (Bi 2 Te 3) gibt es weitere thermoelektrische Materialien, darunter Legierungen aus Blei und Tellurit (PbTe), Silizium und Germanium (SiGe), Wismut und Antimon (Bi-Sb), die speziell verwendet werden können Fälle. Während Wismut- und Tellurid-Thermoelemente für die meisten TEGs am besten geeignet sind.
Würde der TEG
Vorteile thermoelektrischer Generatoren:
- Strom wird in einem geschlossenen, einstufigen Kreislauf ohne den Einsatz komplexer Übertragungssysteme und den Einsatz beweglicher Teile erzeugt;
- Mangel an Arbeitsflüssigkeiten und -gasen;
- keine Schadstoffemissionen, Abwärme und Lärmbelästigung der Umwelt;
- Gerät lange Akkulaufzeitfunktioniert;
- Nutzung von Abwärme (Sekundärwärmequellen) zur Einsparung von Energieressourcen
- Arbeiten in jeder Position des Objekts, unabhängig von der Betriebsumgebung: Weltraum, Wasser, Erde;
- DC-Niederspannungserzeugung;
- Kurzschlussfestigkeit;
- Unbegrenzte H altbarkeit, 100 % einsatzbereit.
Anwendungsgebiete thermoelektrischer Generator
Die Vorteile von TEG bestimmten die Entwicklungsperspektiven und ihre nahe Zukunft:
- Untersuchung des Ozeans und des Weltraums;
- Anwendung in kleinen (häuslichen) Alternativenergien;
- Wärme aus Autoauspuffrohren nutzen;
- in Recyclingsystemen;
- in Kühl- und Klimaanlagen;
- in Wärmepumpensystemen zum sofortigen Aufheizen von Dieselmotoren von Diesellokomotiven und -wagen;
- Erhitzen und Kochen unter Feldbedingungen;
- elektronische Geräte und Uhren aufladen;
- Ernährung von sensorischen Armbändern für Sportler.
Thermoelektrischer Peltier-Wandler
Peltier-Element (EP) ist ein thermoelektrischer Wandler, der nach dem gleichnamigen Peltier-Effekt arbeitet, einem der drei thermoelektrischen Effekte (Seebeck und Thomson).
Der Franzose Jean-Charles Peltier verband Kupfer- und Wismutdrähte miteinander und verband sie mit einer Batterie, wodurch ein Zweierpaar entstandungleiche Metalle. Wenn die Batterie eingesch altet war, erwärmte sich einer der Kontakte und der andere kühlte ab.
Peltier-Effekt-Geräte sind äußerst zuverlässig, da sie keine beweglichen Teile haben, wartungsfrei sind, keine schädlichen Gase abgeben, kompakt sind und je nach Stromrichtung bidirektional arbeiten (Heizen und Kühlen).
Leider sind sie ineffizient, haben einen geringen Wirkungsgrad, geben ziemlich viel Wärme ab, was eine zusätzliche Belüftung erfordert und die Kosten des Geräts erhöht. Solche Geräte verbrauchen ziemlich viel Strom und können Überhitzung oder Kondensation verursachen. Peltier-Elemente, die größer als 60 mm x 60 mm sind, werden fast nie gefunden.
Geltungsbereich des ES
Die Einführung fortschrittlicher Technologien bei der Herstellung von Thermoelektrika hat zu einer Senkung der Produktionskosten von EP und einer Erweiterung der Marktzugänglichkeit geführt.
Heute ist EP weit verbreitet:
- in tragbaren Kühlboxen zum Kühlen von Kleingeräten und elektronischen Bauteilen;
- in Luftentfeuchtern, um der Luft Wasser zu entziehen;
- in Raumfahrzeugen, um die Wirkung von direktem Sonnenlicht auf einer Seite des Schiffes auszugleichen, während Wärme auf der anderen Seite abgeführt wird;
- zur Kühlung der Photonendetektoren astronomischer Teleskope und hochwertiger Digitalkameras zur Minimierung von Beobachtungsfehlern durch Überhitzung;
- zum Kühlen von Computerkomponenten.
In letzter Zeit wurde es häufig für Haush altszwecke verwendet:
- in Kühlgeräten, die über einen USB-Anschluss mit Strom versorgt werden, um Getränke zu kühlen oder zu erhitzen;
- in Form einer zusätzlichen Kühlstufe von Kompressionskältemaschinen mit einer Temperaturabsenkung auf -80 Grad bei einstufiger Kühlung und bis zu -120 Grad bei zweistufiger Kühlung;
- in Autos, um autonome Kühlschränke oder Heizungen zu schaffen.
China hat die Produktion von Peltier-Elementen der Modifikationen TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 im Wert von bis zu 7 Euro aufgenommen, die nach den „Hitze-Kälte“-Schemata eine Leistung von bis zu 200 W liefern können. mit einer Lebensdauer von bis zu 200.000 Betriebsstunden im Temperaturbereich von -30 bis 138 Grad Celsius.
RITEG Atombatterien
Ein thermoelektrischer Radioisotopengenerator (RTG) ist ein Gerät, das Thermoelemente verwendet, um Wärme aus dem Zerfall radioaktiver Stoffe in Elektrizität umzuwandeln. Dieser Generator hat keine beweglichen Teile. RITEG wurde als Energiequelle für Satelliten, Raumfahrzeuge und abgelegene Leuchttürme verwendet, die von der UdSSR für den Polarkreis gebaut wurden.
RTGs sind im Allgemeinen die bevorzugte Stromquelle für Geräte, die mehrere hundert Watt Leistung benötigen. In Brennstoffzellen, Batterien oder Generatoren, die dort installiert sind, wo Solarzellen ineffizient sind. Ein thermoelektrischer Radioisotop-Generator erfordert eine strenge Handhabung von Radioisotopen währendlange Zeit nach Ende der Lebensdauer.
Es gibt ungefähr 1.000 RTGs in Russland, die hauptsächlich als Energiequellen für Fernstrecken verwendet wurden: Leuchttürme, Funkfeuer und andere spezielle Funkgeräte. Das erste Weltraum-RTG auf Polonium-210 war 1962 Limon-1, dann Orion-1 mit einer Leistung von 20 W. Die neueste Modifikation wurde auf den Satelliten Strela-1 und Kosmos-84/90 installiert. Lunokhods-1, 2 und Mars-96 verwendeten RTGs in ihren Heizsystemen.
DIY thermoelektrisches Generatorgerät
Solche komplexen Prozesse, die in der TEG stattfinden, hindern die lokalen "Kulibins" nicht daran, sich dem globalen wissenschaftlichen und technischen Prozess zur Schaffung der TEG anzuschließen. Die Verwendung von hausgemachten TEGs wird seit langem verwendet. Während des Großen Vaterländischen Krieges stellten Partisanen einen universellen thermoelektrischen Generator her. Es erzeugte Strom, um das Radio aufzuladen.
Mit dem Aufkommen von Peltier-Elementen auf dem Markt zu erschwinglichen Preisen für den Haush altsverbraucher ist es möglich, einen TEG selbst herzustellen, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
- Besorgen Sie sich zwei Kühlkörper aus einem IT-Geschäft und tragen Sie Wärmeleitpaste auf. Letzteres erleichtert den Anschluss des Peltier-Elements.
- Trennen Sie die Heizkörper mit einem beliebigen Wärmeisolator.
- Machen Sie ein Loch in den Isolator, um das Peltier-Element und die Drähte aufzunehmen.
- Baue die Struktur zusammen und bringe die Wärmequelle (Kerze) zu einem der Heizkörper. Je länger geheizt wird, desto mehr Strom wird von der Hausthermoelektrik erzeugtGenerator.
Dieses Gerät arbeitet geräuschlos und hat ein geringes Gewicht. Der thermoelektrische Generator ic2 kann je nach Größe ein Handyladegerät anschließen, ein kleines Radio einsch alten und die LED-Beleuchtung einsch alten.
Zurzeit haben viele bekannte globale Hersteller die Produktion verschiedener erschwinglicher Geräte mit TEG für Autoenthusiasten und Reisende gestartet.
Aussichten für die Entwicklung der thermoelektrischen Erzeugung
Die Nachfrage nach TEGs für den Haush altsverbrauch wird voraussichtlich um 14 % steigen. Der Entwicklungsausblick für thermoelektrische Generatoren wurde von Market Research Future durch Herausgabe des Papiers „Global Thermoelectric Generators Market Research Report – Forecast to 2022“– Marktanalyse, Volumen, Anteil, Fortschritt, Trends und Prognosen – veröffentlicht. Der Bericht bestätigt das Versprechen von TEG beim Recycling von Autoabfällen und der Kraft-Wärme-Kopplung für Haush alte und Industrieanlagen.
Geografisch wurde der globale Markt für thermoelektrische Generatoren in Amerika, Europa, den asiatisch-pazifischen Raum, Indien und Afrika unterteilt. Der asiatisch-pazifische Raum gilt als das am schnellsten wachsende Segment bei der Umsetzung des TEG-Marktes.
Von diesen Regionen ist Amerika laut Experten die Haupteinnahmequelle im globalen TEG-Markt. Eine steigende Nachfrage nach sauberer Energie wird voraussichtlich die Nachfrage in Amerika erhöhen.
Europa wird im Prognosezeitraum ebenfalls ein relativ schnelles Wachstum aufweisen. Indien und China werdenSteigern Sie den Verbrauch aufgrund der steigenden Nachfrage nach Fahrzeugen erheblich, was zu einem Wachstum des Generatormarktes führen wird.
Automobilunternehmen wie Volkswagen, Ford, BMW und Volvo haben in Zusammenarbeit mit der NASA bereits mit der Entwicklung von Mini-TEGs für Wärmerückgewinnungs- und Kraftstoffsparsysteme in Fahrzeugen begonnen.
