Термоэлектрлік генератор (TEG термогенераторы) - термоЭҚК арқылы электр энергиясын өндіру үшін Зеебек, Томсон және Пельтиер әсерлерін пайдаланатын электрлік құрылғы. Термо-ЭҚК эффектісін 1821 жылы неміс ғалымы Томас Иоганн Зеебек (Зебек эффектісі) ашты.1851 жылы Уильям Томсон (кейінірек Лорд Кельвин) термодинамикалық зерттеулерді жалғастырып, электр қозғаушы күштің (ЭМӨ) қайнар көзі температура айырмашылығы екенін дәлелдеді..
1834 жылы француз өнертапқышы және сағат жасаушы Жан Шарль Пелтье екінші термоэлектрлік эффектіні ашты, температура айырмашылығы электр тогының әсерінен екі түрлі материалдардың түйіскен жерінде болатынын анықтады (Пелтиер эффектісі). Атап айтқанда, ол температура айырмашылығы болған кезде бір өткізгіште ЭҚК пайда болатынын болжады.
1950 жылы орыс академигі және зерттеушісі Абрам Иоффе жартылай өткізгіштердің термоэлектрлік қасиеттерін ашты. Жылу электр генераторы қолданыла бастадықол жетпейтін жерлерде автономды электрмен жабдықтау жүйелері. Ғарыш кеңістігін зерттеу, адамның ғарышқа шығуы термоэлектрлік түрлендіргіштердің қарқынды дамуына күшті серпін берді.
Радиизотопты энергия көзі алғаш рет ғарыш аппараттары мен орбиталық станцияларға орнатылды. Олар ірі мұнай-газ өнеркәсібінде газ құбырларын коррозияға қарсы қорғау үшін, Қиыр Солтүстікте ғылыми-зерттеу жұмыстарында, кардиостимулятор ретінде медицина саласында, электрмен жабдықтаудың автономды көздері ретінде тұрғын үйлерде қолданыла бастады.
Электрондық жүйелердегі термоэлектрлік эффект және жылу алмасу
Жұмыс істеу принципі үш ғалымның (Зибек, Томсон, Пелтье) әсерін кешенді пайдалануға негізделген термоэлектрлік генераторлар өз заманынан әлдеқайда озық жаңалықтардан кейін 150 жылдай уақыт өткен соң жасалды.
Термоэлектрлік эффект келесі құбылыс. Салқындату немесе электр энергиясын өндіру үшін электрлік қосылған жұптардан тұратын «модуль» қолданылады. Әрбір жұп жартылай өткізгіш материалдан p (S> 0) және n (S<0) тұрады. Бұл екі материал термоэлектрлік қуаты нөлге тең деп есептелетін өткізгіш арқылы қосылған. Екі тармақ (p және n) және модульді құрайтын барлық басқа жұптар электр тізбегінде тізбектей және жылу тізбегінде параллель қосылған. Бұл схемасы бар TEG (термоэлектрлік генератор) модуль арқылы өтетін жылу ағынын оңтайландыру үшін жағдай жасайды, оны еңсереді.электр кедергісі. Электр тогы заряд тасымалдаушылар (электрондар мен тесіктер) жұптың екі тармағында суық көзден ыстық көзге (термодинамикалық мағынада) ауысатындай әрекет етеді. Сонымен бірге олар энтропияның суық көзден ыстыққа, жылу өткізгіштігіне қарсы тұратын жылу ағынына ауысуына ықпал етеді.
Таңдалған материалдар жақсы термоэлектрлік қасиеттерге ие болса, заряд тасымалдаушылардың қозғалысы нәтижесінде пайда болатын бұл жылу ағыны жылу өткізгіштіктен үлкен болады. Сондықтан жүйе жылуды суық көзден ыстыққа өткізіп, тоңазытқыш қызметін атқарады. Электр энергиясын өндіру жағдайында жылу ағыны заряд тасымалдаушылардың орын ауыстыруын және электр тогының пайда болуын тудырады. Температура айырмашылығы неғұрлым көп болса, соғұрлым көп электр қуатын алуға болады.
TEG тиімділігі
Тиімділік коэффициентімен бағаланады. Термоэлектрлік генератордың қуаты екі маңызды факторға байланысты:
- Модуль арқылы сәтті жылжи алатын жылу ағынының мөлшері (жылу ағыны).
- Температура үшбұрыштары (DT) - генератордың ыстық және суық жағы арасындағы температура айырмашылығы. Дельта неғұрлым үлкен болса, соғұрлым ол тиімдірек жұмыс істейді, сондықтан барынша суық беру үшін де, генератор қабырғаларынан жылуды барынша шығару үшін де конструктивті шарттарды қамтамасыз ету керек.
"Термоэлектрлік генераторлардың тиімділігі" термині барлық басқа түрлерге қолданылатын терминге ұқсасжылу қозғалтқыштары. Әзірге ол өте төмен және Карно тиімділігінің 17%-дан аспайды. TEG генераторының ПӘК-і Карно ПӘК-мен шектеледі және іс жүзінде жоғары температураның өзінде бірнеше пайызға (2-6%) жетеді. Бұл жартылай өткізгіш материалдардағы төмен жылу өткізгіштікке байланысты, бұл тиімді электр энергиясын өндіруге қолайлы емес. Осылайша, жылу өткізгіштігі төмен, бірақ сонымен бірге мүмкін болатын электр өткізгіштігі жоғары материалдар қажет.
Жартылай өткізгіштер металдарға қарағанда жақсы жұмыс істейді, бірақ әлі де термоэлектрлік генераторды өнеркәсіптік өндіріс деңгейіне жеткізетін көрсеткіштерден өте алыс (жоғары температуралық жылуды кемінде 15% пайдалану). TEG тиімділігінің одан әрі артуы термоэлектрлік материалдардың (термоэлектриктер) қасиеттеріне байланысты, оны іздеу қазіргі уақытта планетаның бүкіл ғылыми әлеуетін алып жатыр.
Жаңа термоэлектриканы әзірлеу салыстырмалы түрде күрделі және қымбат, бірақ сәтті болса, олар генерациялау жүйелерінде технологиялық төңкеріс тудырады.
Термоэлектрлік материалдар
Термоэлектриктер арнайы қорытпалардан немесе жартылай өткізгіш қосылыстардан тұрады. Жақында электр өткізгіш полимерлер термоэлектрлік қасиеттер үшін қолданылды.
Термоэлектриктерге қойылатын талаптар:
- төмен жылуөткізгіштік пен жоғары электрөткізгіштікке байланысты жоғары тиімділік, жоғары Зеебек коэффициенті;
- жоғары температураға төзімділік және термомеханикалықәсер;
- қолжетімділік және экологиялық қауіпсіздік;
- дірілге және температураның кенет өзгеруіне төзімділік;
- ұзақ мерзімді тұрақтылық және төмен құны;
- өндіріс процесін автоматтандыру.
Қазіргі уақытта оңтайлы терможұптарды таңдау бойынша тәжірибелер жүргізілуде, бұл TEG тиімділігін арттырады. Термоэлектрлік жартылай өткізгіш материал теллурид пен висмут қорытпасы болып табылады. Ол әртүрлі "N" және "P" сипаттамалары бар жеке блоктарды немесе элементтерді қамтамасыз ету үшін арнайы жасалған.
Термоэлектрлік материалдар көбінесе балқытылған немесе престелген ұнтақ металлургиясынан бағытталған кристалдану арқылы жасалады. Әрбір өндіру әдісінің өзіндік артықшылығы бар, бірақ бағытталған өсу материалдары ең кең таралған. Висмут теллуритінен (Bi 2 Te 3) басқа, басқа да термоэлектрлік материалдар бар, олардың ішінде қорғасын мен теллурит (PbTe), кремний және германий (SiGe), висмут және сурьма (Bi-Sb) қорытпалары бар, оларды арнайы өндірісте қолдануға болады. жағдайлар. Висмут пен теллурид терможұптары көптеген TEG үшін ең қолайлы.
TEG абыройы
Термоэлектрлік генераторлардың артықшылықтары:
- электр энергиясы күрделі беріліс жүйелерін қолданбай және қозғалатын бөліктерді пайдаланбай, жабық, бір сатылы тізбекте өндіріледі;
- жұмыс істейтін сұйықтықтар мен газдардың жетіспеушілігі;
- зиянды заттардың, қалдық жылу мен қоршаған ортаның шудың ластануы жоқ;
- құрылғы батареясының ұзақ қызмет ету мерзіміжұмыс істейді;
- энергия ресурстарын үнемдеу үшін қалдық жылуды (екінші жылу көздері) пайдалану
- жұмыс ортасына қарамастан объектінің кез келген орнында жұмыс істеу: кеңістік, су, жер;
- тұрақты ток төмен кернеуді өндіру;
- қысқа тұйықталу иммунитеті;
- Сақтау мерзімі шектеусіз, 100% пайдалануға дайын.
Термоэлектрлік генераторды қолдану саласы
TEG артықшылығы оның даму болашағы мен жақын болашағын анықтады:
- мұхит пен ғарышты зерттеу;
- шағын (тұрмыстық) баламалы энергияда қолдану;
- көлік шығаратын құбырлардағы жылуды пайдалану;
- қайта өңдеу жүйелерінде;
- салқындату және ауа баптау жүйелерінде;
- тепловоздар мен вагондардың дизельдік қозғалтқыштарын лезде қыздыруға арналған жылу сорғы жүйелерінде;
- дала жағдайында жылыту және пісіру;
- электрондық құрылғылар мен сағаттарды зарядтау;
- спортшыларға арналған сенсорлық білезіктердің тамақтануы.
Термоэлектрлік Пельтиер түрлендіргіші
Peltier элементі (EP) - үш термоэлектрлік әсердің (Зибек және Томсон) бірі болып табылатын, аттас Пельтиер эффектісімен жұмыс істейтін термоэлектрлік түрлендіргіш.
Француз Жан-Шарльз Пелтье мыс және висмут сымдарын бір-біріне қосып, оларды батареяға жалғады, осылайша екі қосылыс жұбын құрады.бір-біріне ұқсамайтын металдар. Батарея қосулы кезде, түйіспелердің бірі қызып, екіншісі суытатын.
Peltier әсерлі құрылғылары өте сенімді, өйткені олардың қозғалатын бөліктері жоқ, техникалық қызмет көрсетуді қажет етпейді, зиянды газдар шығармайды, ықшам және ток бағытына байланысты екі жақты жұмыс істейді (жылыту және салқындату).
Өкінішке орай, олар тиімсіз, тиімділігі төмен, айтарлықтай көп жылу шығарады, бұл қосымша желдетуді қажет етеді және құрылғының құнын арттырады. Мұндай құрылғылар өте көп электр энергиясын тұтынады және қызып кетуді немесе конденсацияны тудыруы мүмкін. 60 мм x 60 мм-ден асатын Peltier элементтері дерлік кездеспейді.
ES ауқымы
Термоэлектриканы өндіруге озық технологияларды енгізу БӨ өндірісінің өзіндік құнының төмендеуіне және нарыққа қолжетімділіктің кеңеюіне әкелді.
Бүгінгі EP кеңінен қолданылады:
- портативті салқындатқыштарда, шағын құрылғылар мен электрондық компоненттерді салқындату үшін;
- ауадан суды алу үшін кептіргіштерде;
- ғарыш аппаратында жылуды екінші жағына тарата отырып, кеменің бір жағындағы тікелей күн сәулесінің әсерін теңестіру үшін;
- астрономиялық телескоптар мен жоғары сапалы сандық камералардың фотонды детекторларын салқындату үшін, қызып кетуден болатын бақылау қателерін азайту үшін;
- компьютер құрамдастарын салқындату үшін.
Соңғы уақытта ол тұрмыстық мақсатта кеңінен қолданыла бастады:
- сусындарды салқындату немесе жылыту үшін USB порты арқылы жұмыс істейтін салқындатқыш құрылғыларда;
- компрессиялық тоңазытқыштарды бір сатылы салқындату үшін температураны -80 градусқа дейін және екі сатылы үшін -120 градусқа дейін төмендететін қосымша салқындату сатысы түрінде;
- Автономды тоңазытқыштар немесе жылытқыштар жасау үшін көліктерде.
Қытай құны 7 еуроға дейінгі TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 модификацияларының Peltier элементтерін шығаруды бастады, олар «ыстық-суық» схемалары бойынша 200 Вт-қа дейін қуат бере алады, -30-дан 138 градус Цельсийге дейінгі температура аймағында 200 000 сағатқа дейін жұмыс істеу мерзімімен.
RITEG ядролық батареялары
Радиоизотопты термоэлектрлік генератор (RTG) – радиоактивті материалдың ыдырауынан алынған жылуды электр энергиясына түрлендіру үшін термопарларды пайдаланатын құрылғы. Бұл генератордың қозғалатын бөліктері жоқ. RITEG спутниктерде, ғарыш аппараттарында, КСРО Арктикалық шеңбер үшін салған шалғайдағы маяк қондырғыларында энергия көзі ретінде пайдаланылды.
RTG әдетте бірнеше жүз ватт қуатты қажет ететін құрылғылар үшін ең таңдаулы қуат көзі болып табылады. Отын элементтерінде, батареяларда немесе генераторларда күн батареялары тиімсіз жерлерде орнатылған. Радиоизотопты термоэлектрлік генератор жұмыс кезінде қатаң радиоизотопты өңдеуді қажет етедіқызмет ету мерзімі аяқталғаннан кейін ұзақ уақыт.
Ресейде 1000-ға жуық RTG бар, олар негізінен алыс қашықтықтағы құралдардағы қуат көздері үшін пайдаланылды: маяктар, радиомаяктар және басқа да арнайы радиожабдықтар. Полоний-210-дағы алғашқы ғарыштық RTG 1962 жылы Лимон-1, содан кейін қуаты 20 Вт болатын Орион-1 болды. Соңғы модификация Strela-1 және Kosmos-84/90 спутниктеріне орнатылды. Луноходс-1, 2 және Марс-96 жылыту жүйелерінде RTG пайдаланды.
Өз қолыңызбен термоэлектрлік генератор құрылғысы
ТЕГ-те болып жатқан мұндай күрделі процестер жергілікті «кулибиндердің» ТЕГ құрудың әлемдік ғылыми-техникалық үдерісіне қосылуға ұмтылуын тоқтатпайды. Үйде жасалған TEG пайдалану ұзақ уақыт бойы қолданылған. Ұлы Отан соғысы кезінде партизандар әмбебап термоэлектрлік генератор жасады. Ол радионы зарядтау үшін электр қуатын өндірді.
Peltier элементтерінің нарықта тұрмыстық тұтынушы үшін қолжетімді бағамен пайда болуымен төмендегі қадамдарды орындау арқылы TEG-ті өзіңіз жасауға болады.
- IT дүкенінен екі радиатор алыңыз және термопаста жағыңыз. Соңғысы Peltier элементінің қосылуын жеңілдетеді.
- Радиаторларды кез келген жылу изоляторымен бөліңіз.
- Пелтиер элементі мен сымдарды орналастыру үшін оқшаулағышта тесік жасаңыз.
- Құрылымды жинап, жылу көзін (шам) радиаторлардың біріне әкеліңіз. Жылыту неғұрлым ұзағырақ болса, үйдегі термоэлектрлік ток соғұрлым көп боладыгенератор.
Бұл құрылғы дыбыссыз жұмыс істейді және салмағы жеңіл. Өлшеміне сәйкес ic2 термоэлектрлік генераторы ұялы телефон зарядтағышын қосып, шағын радионы қосып, жарықдиодты жарықтандыруды қоса алады.
Қазіргі уақытта көптеген танымал әлемдік өндірушілер автокөлік әуесқойлары мен саяхатшылар үшін TEG көмегімен әртүрлі қолжетімді гаджеттерді шығаруды бастады.
Термоэлектрлік генерацияны дамыту перспективалары
Үй шаруашылығының TEG тұтынуына сұраныс 14%-ға өседі деп күтілуде. Термоэлектрлік генерацияны дамыту болжамын Market Research Future басылымы «Жаһандық термоэлектрлік генераторлар нарығын зерттеу есебі - 2022 жылға дейінгі болжам» - нарықты талдау, көлем, үлес, прогресс, трендтер мен болжамдарды шығару арқылы жарияланды. Есеп TEG-тің автокөлік қалдықтарын қайта өңдеу және тұрмыстық және өнеркәсіптік нысандар үшін электр және жылу энергиясын бірлесіп өндірудегі уәдесін растайды.
Географиялық тұрғыдан термоэлектрлік генераторлардың жаһандық нарығы Америка, Еуропа, Азия-Тынық мұхиты, Үндістан және Африкаға бөлінген. Азия-Тынық мұхиты аймағы TEG нарығын енгізудегі ең жылдам дамып келе жатқан сегмент болып саналады.
Осы аймақтардың ішінде Америка, сарапшылардың пікірінше, әлемдік TEG нарығындағы негізгі табыс көзі болып табылады. Таза энергияға сұраныстың артуы Америкадағы сұранысты арттырады деп күтілуде.
Еуропа да болжамды кезеңде салыстырмалы түрде жылдам өсуді көрсетеді. Үндістан мен Қытай боладыкөлік құралдарына сұраныстың артуына байланысты тұтынуды айтарлықтай қарқынмен арттыру, бұл генератор нарығының өсуіне әкеледі.
Folkswagen, Ford, BMW және Volvo сияқты автомобиль компаниялары NASA-мен бірлесіп, көліктердегі жылуды қалпына келтіру және жанармай үнемдеу жүйесіне арналған шағын-TEG құрылғыларын әзірлеуді бастады.
