Termoelektrik generator (TEG termogenerator) termo-EMF vasitəsilə elektrik enerjisi yaratmaq üçün Seebeck, Thomson və Peltier effektlərindən istifadə edən elektrik cihazıdır. Termo-EMF effektini 1821-ci ildə alman alimi Tomas Johann Seebeck (Seebeck effekti) kəşf etmişdir. 1851-ci ildə Vilyam Tomson (sonralar Lord Kelvin) termodinamik tədqiqatları davam etdirərək elektrohərəkətçi qüvvənin (EMF) mənbəyinin temperatur fərqi olduğunu sübut etmişdir..
1834-cü ildə fransız ixtiraçı və saat ustası Jean Charles Peltier ikinci termoelektrik effekti kəşf etdi, temperatur fərqinin elektrik cərəyanının (Peltier effekti) təsiri altında iki müxtəlif növ materialın qovşağında baş verdiyini aşkar etdi. Xüsusilə, o, temperatur fərqi olduqda bir keçiricidə EMF-nin yaranacağını proqnozlaşdırmışdı.
1950-ci ildə rus akademiki və tədqiqatçısı Abram İoffe yarımkeçiricilərin termoelektrik xassələrini kəşf etdi. Termoelektrik generatordan istifadə edilməyə başlandıəlçatmaz ərazilərdə avtonom enerji təchizatı sistemləri. Kosmosun tədqiqi, insanın kosmosda gəzintisi termoelektrik çeviricilərin sürətli inkişafına güclü təkan verdi.
Radioizotop enerji mənbəyi ilk dəfə kosmik gəmilərdə və orbital stansiyalarda quraşdırılıb. Onlar iri neft-qaz sənayesində qaz kəmərlərinin korroziyaya qarşı mühafizəsi üçün, Uzaq Şimalda elmi-tədqiqat işlərində, kardiostimulyator kimi tibb sahəsində, elektrik təchizatının avtonom mənbələri kimi yaşayış evlərində istifadə olunmağa başlayır.
Elektron sistemlərdə termoelektrik effekt və istilik ötürülməsi
İş prinsipi üç alimin (Seebeck, Tomson, Peltier) effektindən kompleks istifadəyə əsaslanan termoelektrik generatorlar öz dövrlərini çox qabaqlayan kəşflərdən təxminən 150 il sonra hazırlanmışdır.
Termoelektrik effekt aşağıdakı hadisədir. Elektrik enerjisinin soyudulması və ya istehsalı üçün elektriklə əlaqəli cütlərdən ibarət "modul" istifadə olunur. Hər bir cüt yarımkeçirici materialdan ibarətdir p (S> 0) və n (S<0). Bu iki material termoelektrik gücünün sıfır olduğu qəbul edilən bir keçirici ilə bağlanır. İki budaq (p və n) və modulu təşkil edən bütün digər cütlər elektrik dövrəsində ardıcıl və istilik dövrəsində paralel olaraq bağlanır. Bu layout ilə TEG (termoelektrik generator) moduldan keçən istilik axınının optimallaşdırılmasına şərait yaradır, onu aradan qaldırır.elektrik müqaviməti. Elektrik cərəyanı elə hərəkət edir ki, yük daşıyıcıları (elektronlar və dəliklər) cütün iki qolunda soyuq mənbədən isti mənbəyə (termodinamik mənada) keçir. Eyni zamanda, onlar entropiyanın soyuq mənbədən istiyə, istilik keçiriciliyinə müqavimət göstərəcək istilik axınına ötürülməsinə töhfə verirlər.
Seçilmiş materiallar yaxşı termoelektrik xassələrə malikdirsə, yükdaşıyıcıların hərəkəti nəticəsində yaranan bu istilik axını istilik keçiriciliyindən daha çox olacaq. Buna görə də sistem istiliyi soyuq mənbədən istiyə ötürəcək və soyuducu funksiyasını yerinə yetirəcək. Elektrik enerjisi istehsalı vəziyyətində istilik axını yük daşıyıcılarının yerdəyişməsinə və elektrik cərəyanının görünüşünə səbəb olur. Temperatur fərqi nə qədər çox olarsa, bir o qədər çox elektrik enerjisi əldə edilə bilər.
TEG səmərəliliyi
Effektivlik faktoru ilə qiymətləndirilir. Termoelektrik generatorun gücü iki kritik amildən asılıdır:
- Moduldan uğurla keçə bilən istilik axınının miqdarı (istilik axını).
- Temperatur deltaları (DT) - generatorun isti və soyuq tərəfləri arasındakı temperatur fərqi. Delta nə qədər böyükdürsə, o, bir o qədər səmərəli işləyir, buna görə də həm maksimum soyuq tədarük, həm də generatorun divarlarından maksimum istilik çıxarılması üçün şərait konstruktiv şəkildə təmin edilməlidir.
"Termoelektrik generatorların səmərəliliyi" termini bütün digər növlərə tətbiq edilən terminə bənzəyiristilik mühərrikləri. İndiyə qədər bu, çox aşağıdır və Carnotun səmərəliliyinin 17%-dən çoxunu təşkil etmir. TEG generatorunun səmərəliliyi Carnot səmərəliliyi ilə məhdudlaşır və praktikada yüksək temperaturda belə yalnız bir neçə faizə (2-6%) çatır. Bunun səbəbi yarımkeçirici materiallarda istilik keçiriciliyinin aşağı olmasıdır ki, bu da səmərəli enerji istehsalına şərait yaratmır. Beləliklə, aşağı istilik keçiriciliyi olan, lakin eyni zamanda mümkün olan ən yüksək elektrik keçiriciliyinə malik materiallar tələb olunur.
Yarımkeçiricilər metallardan daha yaxşı işləyirlər, lakin hələ də termoelektrik generatoru sənaye istehsalı səviyyəsinə çatdıracaq göstəricilərdən çox uzaqdırlar (ən azı 15% yüksək temperatur istiliyindən istifadə etməklə). TEG-in səmərəliliyinin daha da yüksəldilməsi hazırda axtarışı planetin bütün elmi potensialı ilə məşğul olan termoelektrik materialların (termoelektriklər) xüsusiyyətlərindən asılıdır.
Yeni termoelektriklərin inkişafı nisbətən mürəkkəb və bahalıdır, lakin uğurlu olarsa, onlar nəsil sistemlərində texnoloji inqilaba səbəb olacaqlar.
Termoelektrik materiallar
Termoelektriklər xüsusi ərintilərdən və ya yarımkeçirici birləşmələrdən ibarətdir. Bu yaxınlarda termoelektrik xüsusiyyətlər üçün elektrik keçirici polimerlərdən istifadə edilmişdir.
Termoelektriklər üçün tələblər:
- aşağı istilik keçiriciliyi və yüksək elektrik keçiriciliyi, yüksək Seebeck əmsalı sayəsində yüksək səmərəlilik;
- yüksək temperatura və termomexaniki müqaviməttəsir;
- əlçatanlıq və ekoloji təhlükəsizlik;
- vibrasiyaya və temperaturun qəfil dəyişməsinə qarşı müqavimət;
- uzunmüddətli sabitlik və aşağı qiymət;
- istehsal prosesinin avtomatlaşdırılması.
Hazırda optimal termocütlərin seçilməsi üçün təcrübələr aparılır ki, bu da TEG-in səmərəliliyini artıracaq. Termoelektrik yarımkeçirici material tellurid və vismutun ərintisidir. Fərqli "N" və "P" xüsusiyyətlərinə malik fərdi bloklar və ya elementlər təmin etmək üçün xüsusi olaraq istehsal edilmişdir.
Termoelektrik materiallar ən çox ərinmiş və ya preslənmiş toz metallurgiyasından istiqamətli kristallaşma yolu ilə hazırlanır. Hər bir istehsal metodunun özünəməxsus üstünlüyü var, lakin istiqamətli böyümə materialları ən çox yayılmışdır. Vismut telluritinə (Bi 2 Te 3) əlavə olaraq, digər termoelektrik materiallar, o cümlədən qurğuşun və tellurit (PbTe), silikon və germanium (SiGe), vismut və sürmə (Bi-Sb) var ki, bunlardan xüsusi olaraq istifadə edilə bilər. hallar. Vismut və tellurid termocütləri əksər TEG-lər üçün ən yaxşısıdır.
TEG-in ləyaqəti
Termoelektrik generatorların üstünlükləri:
- elektrik mürəkkəb ötürücü sistemlərdən və hərəkət edən hissələrdən istifadə edilmədən qapalı, birpilləli dövrədə istehsal olunur;
- işləyən mayelərin və qazların olmaması;
- zərərli maddələrin emissiyası, tullantı istilik və ətraf mühitin səs-küy çirklənməsi yoxdur;
- cihazın uzun batareya ömrüişləyir;
- enerji resurslarına qənaət etmək üçün tullantı istiliyindən (ikinci dərəcəli istilik mənbələrindən) istifadə
- iş mühitindən asılı olmayaraq obyektin istənilən mövqeyində işləyin: kosmos, su, torpaq;
- DC aşağı gərginlik istehsalı;
- qısaqapanma toxunulmazlığı;
- Limitsiz raf ömrü, 100% hazırdır.
Termoelektrik generatorun tətbiq sahələri
TEG-in üstünlükləri inkişaf perspektivlərini və onun yaxın gələcəyini müəyyənləşdirdi:
- okean və kosmosun tədqiqi;
- kiçik (məişət) alternativ enerjidə tətbiq;
- avtomobilin egzoz borularının istiliyindən istifadə;
- təkrar emal sistemlərində;
- soyutma və kondisioner sistemlərində;
- dizel lokomotivlərinin və avtomobillərin dizel mühərriklərinin ani qızdırılması üçün istilik nasos sistemlərində;
- tarla şəraitində qızdırma və yemək;
- elektron cihazların və saatların doldurulması;
- idmançılar üçün sensor bilərziklərin qidalanması.
Termoelektrik Peltier çevirici
Peltier elementi (EP) üç termoelektrik effektdən (Seebeck və Tomson) biri olan eyni adlı Peltier effektindən istifadə etməklə işləyən termoelektrik çeviricidir.
Fransız Jean-Charles Peltier mis və vismut naqillərini bir-birinə bağladı və onları bir batareyaya birləşdirdi və beləliklə, ikili bir cüt əlaqə yaratdı.fərqli metallar. Batareya işə salındıqda qovşaqlardan biri qızdırılır, digəri isə soyuyurdu.
Peltier effektli cihazları olduqca etibarlıdır, çünki onların hərəkət edən hissələri yoxdur, texniki xidmət tələb olunmur, zərərli qazlar buraxmır, yığcamdır və cərəyanın istiqamətindən asılı olaraq iki istiqamətli işləməyə (istilik və soyutma) malikdir.
Təəssüf ki, onlar səmərəsizdirlər, aşağı effektivliyə malikdirlər, kifayət qədər çox istilik yayırlar, bu da əlavə ventilyasiya tələb edir və cihazın qiymətini artırır. Bu cür cihazlar kifayət qədər çox elektrik istehlak edir və həddindən artıq istiləşməyə və ya kondensasiyaya səbəb ola bilər. 60 mm x 60 mm-dən böyük Peltier elementləri demək olar ki, tapılmır.
ES əhatə dairəsi
Termoelektriklərin istehsalında qabaqcıl texnologiyaların tətbiqi EP istehsalının maya dəyərinin azalmasına və bazara çıxış imkanlarının genişlənməsinə səbəb olmuşdur.
Bu gün EP geniş istifadə olunur:
- daşınan soyuducularda, kiçik cihazların və elektron komponentlərin soyudulması üçün;
- havadan suyu çıxarmaq üçün nəmləndiricilərdə;
- istiliyi digər tərəfə ötürərkən gəminin bir tərəfində birbaşa günəş işığının təsirini tarazlaşdırmaq üçün kosmik gəmidə;
- astronomik teleskopların və yüksək keyfiyyətli rəqəmsal kameraların foton detektorlarını soyutmaq üçün həddindən artıq istiləşmə səbəbindən müşahidə səhvlərini minimuma endirmək üçün;
- kompüter komponentlərinin soyudulması üçün.
Son zamanlar məişət məqsədləri üçün geniş istifadə olunur:
- içkiləri sərinləmək və ya qızdırmaq üçün USB portu ilə təchiz edilmiş soyuducu cihazlarda;
- bir mərhələli soyutma üçün temperaturun -80 dərəcəyə, iki mərhələli üçün -120-yə qədər azalması ilə kompressiya soyuducularının əlavə soyudulması mərhələsi şəklində;
- avtonom soyuducu və ya qızdırıcı yaratmaq üçün avtomobillərdə.
Çin dəyəri 7 avroya qədər olan TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 modifikasiyalı Peltier elementlərinin istehsalına başlayıb, bu elementlər “isti-soyuq” sxemlərə uyğun olaraq 200 Vt-a qədər enerji təmin edə bilir, -30 ilə 138 dərəcə Selsi arasında temperatur zonasında 200.000 saata qədər işləmə müddəti ilə.
RITEG nüvə batareyaları
Radioizotop termoelektrik generatoru (RTG) radioaktiv materialın parçalanmasından əldə edilən istiliyi elektrikə çevirmək üçün termocütlərdən istifadə edən cihazdır. Bu generatorun hərəkət edən hissələri yoxdur. RITEG, SSRİ tərəfindən Arktika Dairəsi üçün tikilmiş peyklərdə, kosmik gəmilərdə, uzaq mayak qurğularında enerji mənbəyi kimi istifadə edilmişdir.
RTG-lər ümumiyyətlə bir neçə yüz vatt güc tələb edən cihazlar üçün ən çox seçilən enerji mənbəyidir. Yanacaq hüceyrələrində, günəş batareyalarının səmərəsiz olduğu yerlərdə quraşdırılmış batareyalar və ya generatorlar. Bir radioizotop termoelektrik generatoru zamanı ciddi radioizotopla işləmə tələb olunurxidmət müddəti bitdikdən sonra uzun müddət.
Rusiyada 1000-ə yaxın RTG var ki, onlar əsasən uzaq məsafəli vasitələrdə enerji mənbələri üçün istifadə olunurdu: mayaklar, radio mayakları və digər xüsusi radio avadanlıqları. Polonium-210-da ilk kosmik RTG 1962-ci ildə Limon-1, sonra 20 Vt gücündə Orion-1 idi. Ən son modifikasiya Strela-1 və Kosmos-84/90 peyklərində quraşdırılıb. Lunokhods-1, 2 və Mars-96 öz istilik sistemlərində RTG-lərdən istifadə edirdi.
DIY termoelektrik generator cihazı
TEQ-də baş verən belə mürəkkəb proseslər yerli "kulibinlər"in TEG-in yaradılması üzrə qlobal elmi-texniki prosesə qoşulmaq istəyinə mane olmur. Evdə hazırlanmış TEG-lərin istifadəsi uzun müddətdir ki, istifadə olunur. Böyük Vətən Müharibəsi illərində partizanlar universal termoelektrik generator hazırladılar. Radionu doldurmaq üçün elektrik enerjisi istehsal etdi.
Məişət istehlakçıları üçün münasib qiymətlərlə Peltier elementlərinin bazara çıxması ilə aşağıdakı addımlara əməl etməklə TEG-i özünüz etmək mümkündür.
- İT mağazasından iki soyuducu alın və termal pasta tətbiq edin. Sonuncu Peltier elementinin qoşulmasını asanlaşdıracaq.
- Radiatorları istənilən istilik izolyatoru ilə ayırın.
- Peltier elementi və naqilləri yerləşdirmək üçün izolyatorda deşik açın.
- Quruluşu yığın və istilik mənbəyini (şamı) radiatorlardan birinə gətirin. İstilik nə qədər uzun olsa, ev termoelektrikindən daha çox cərəyan yaranacaqgenerator.
Bu cihaz səssiz işləyir və çəkisi yüngüldür. ic2 termoelektrik generatoru ölçüyə uyğun olaraq mobil telefonun şarj cihazını qoşa, kiçik radionu yandıra və LED işıqlandırmasını yandıra bilər.
Hazırda bir çox tanınmış qlobal istehsalçılar avtomobil həvəskarları və səyahətçilər üçün TEG-dən istifadə edərək müxtəlif sərfəli qadcetlərin istehsalına başlayıblar.
Termoelektrik istehsalının inkişafı perspektivləri
Ev təsərrüfatlarının TEG istehlakına tələbatın 14% artacağı gözlənilir. Termoelektrik istehsalın inkişafı perspektivləri "Qlobal Termoelektrik Generatorlar Bazar Tədqiqat Hesabatı - 2022-ci ilə qədər Proqnoz" - bazar təhlili, həcm, pay, tərəqqi, meyllər və proqnozlar adlı sənədi dərc edərək Market Research Future tərəfindən nəşr edilmişdir. Hesabat TEG-in avtomobil tullantılarının təkrar emalı və məişət və sənaye obyektləri üçün elektrik və istilik enerjisinin birgə istehsalında verdiyi vədi təsdiqləyir.
Coğrafi baxımdan qlobal termoelektrik generator bazarı Amerika, Avropa, Asiya-Sakit Okean, Hindistan və Afrikaya bölünüb. Asiya-Sakit okean regionu TEG bazarının tətbiqində ən sürətlə böyüyən seqment hesab olunur.
Bu regionlar arasında Amerika, ekspertlərin fikrincə, qlobal TEG bazarında əsas gəlir mənbəyidir. Təmiz enerjiyə tələbatın artmasının Amerikada tələbi artıracağı gözlənilir.
Avropa da proqnoz dövründə nisbətən sürətli artım nümayiş etdirəcək. Hindistan və Çin olacaqavtomobillərə tələbin artması səbəbindən istehlakı əhəmiyyətli sürətlə artırın, bu da generator bazarının böyüməsinə səbəb olacaq.
Volkswagen, Ford, BMW və Volvo kimi avtomobil şirkətləri NASA ilə əməkdaşlıq edərək artıq avtomobillərdə istilik bərpası və yanacağa qənaət sistemi üçün mini-TEG-lər hazırlamağa başlayıblar.
