Jenereta ya Thermoelectric (TEG thermogenerator) ni kifaa cha umeme kinachotumia athari za Seebeck, Thomson na Peltier kuzalisha umeme kupitia thermo-EMF. Athari ya thermo-EMF iligunduliwa na mwanasayansi wa Ujerumani Thomas Johann Seebeck (athari ya Seebeck) mwaka wa 1821. Mnamo 1851, William Thomson (baadaye Lord Kelvin) aliendelea na utafiti wa thermodynamic na kuthibitisha kwamba chanzo cha nguvu ya electromotive (EMF) ni tofauti ya joto..
Mnamo 1834, mvumbuzi na mtengenezaji wa saa Mfaransa Jean Charles Peltier aligundua athari ya pili ya thermoelectric, iligundua kuwa tofauti ya halijoto hutokea kwenye makutano ya aina mbili tofauti za nyenzo chini ya ushawishi wa mkondo wa umeme (Peltier effect). Hasa, alitabiri kuwa EMF ingeundwa ndani ya kondakta mmoja kunapokuwa na tofauti ya halijoto.
Mnamo 1950, mwanataaluma na mtafiti wa Urusi Abram Ioffe aligundua sifa za umeme wa joto za semiconductors. Jenereta ya nguvu ya thermoelectric ilianza kutumika ndanimifumo ya umeme inayojitegemea katika maeneo ambayo hayafikiki. Utafiti wa anga za juu, mwendo wa anga za juu wa mwanadamu ulitoa msukumo mkubwa kwa maendeleo ya haraka ya vibadilishaji umeme vya thermoelectric.
Chanzo cha nishati ya radioisotopu kilisakinishwa kwa mara ya kwanza kwenye vyombo vya angani na vituo vya obiti. Zinaanza kutumika katika tasnia kubwa ya mafuta na gesi kulinda mabomba ya gesi ili kuzuia kutu, katika kazi za utafiti katika Kaskazini ya Mbali, katika uwanja wa dawa kama visaidia moyo, na katika makazi kama vyanzo vinavyojitegemea vya usambazaji wa umeme.
Athari ya thermoelectric na uhamishaji joto katika mifumo ya kielektroniki
Jenereta za thermoelectric, kanuni ya utendakazi ambayo msingi wake ni utumiaji tata wa athari za wanasayansi watatu (Seebeck, Thomson, Peltier), zilitengenezwa karibu miaka 150 baada ya uvumbuzi ambao ulikuwa kabla ya wakati wao.
Athari ya thermoelectric ni jambo lifuatalo. Kwa kupoza au kuzalisha umeme, "moduli" yenye jozi zilizounganishwa kwa umeme hutumiwa. Kila jozi lina nyenzo za semiconductor p (S> 0) na n (S<0). Nyenzo hizi mbili zimeunganishwa na kondakta ambaye nguvu ya thermoelectric inachukuliwa kuwa sifuri. Matawi mawili (p na n) na jozi nyingine zote zinazounda moduli zimeunganishwa katika mfululizo katika mzunguko wa umeme na kwa sambamba katika mzunguko wa joto. TEG (jenereta ya thermoelectric) iliyo na mpangilio huu huunda hali ya kuboresha mtiririko wa joto ambao hupitia moduli, kushinda.upinzani wa umeme. Umeme wa sasa hufanya kazi kwa njia ambayo wabebaji wa malipo (elektroni na mashimo) huhama kutoka chanzo baridi hadi chanzo cha moto (kwa maana ya thermodynamic) katika matawi mawili ya jozi. Wakati huo huo, wanachangia uhamishaji wa entropy kutoka kwa chanzo baridi hadi moto, hadi mtiririko wa joto ambao utapinga upitishaji wa joto.
Ikiwa nyenzo zilizochaguliwa zina sifa nzuri za umeme wa joto, mtiririko huu wa joto unaotokana na harakati za wabebaji wa chaji utakuwa mkubwa kuliko upitishaji wa joto. Kwa hivyo, mfumo utahamisha joto kutoka kwa chanzo baridi hadi moto na kufanya kazi kama jokofu. Katika kesi ya uzalishaji wa umeme, mtiririko wa joto husababisha kuhama kwa flygbolag za malipo na kuonekana kwa sasa ya umeme. Kadiri tofauti ya halijoto inavyokuwa kubwa, ndivyo umeme unavyoweza kupatikana.
TEG ufanisi
Imetathminiwa na kipengele cha ufanisi. Nguvu ya jenereta ya thermoelectric inategemea mambo mawili muhimu:
- Kiasi cha mtiririko wa joto ambacho kinaweza kusogezwa kwenye sehemu (mtiririko wa joto).
- Deltas ya joto (DT) - tofauti ya halijoto kati ya upande wa joto na baridi wa jenereta. Kadiri delta inavyokuwa kubwa, ndivyo inavyofanya kazi kwa ufanisi zaidi, kwa hivyo, hali lazima zitolewe kwa njia ya kujenga, kwa usambazaji wa juu wa baridi na uondoaji wa juu zaidi wa joto kutoka kwa kuta za jenereta.
Neno "ufaafu wa jenereta za thermoelectric" ni sawa na neno linalotumika kwa aina zingine zote.injini za joto. Kufikia sasa, iko chini sana na haizidi 17% ya ufanisi wa Carnot. Ufanisi wa jenereta ya TEG ni mdogo na ufanisi wa Carnot na katika mazoezi hufikia asilimia chache tu (2-6%) hata kwenye joto la juu. Hii ni kutokana na conductivity ya chini ya mafuta katika vifaa vya semiconductor, ambayo haifai kwa ufanisi wa uzalishaji wa nguvu. Kwa hivyo, nyenzo zilizo na conductivity ya chini ya mafuta, lakini wakati huo huo na conductivity ya juu zaidi ya umeme inahitajika.
Semiconductors hufanya kazi bora zaidi kuliko metali, lakini bado ziko mbali sana na viashirio hivyo ambavyo vinaweza kuleta jenereta ya thermoelectric kwa kiwango cha uzalishaji wa viwandani (kwa kutumia angalau 15% ya joto la juu). Ongezeko zaidi la ufanisi wa TEG inategemea mali ya vifaa vya thermoelectric (thermoelectrics), utafutaji ambao kwa sasa unachukuliwa na uwezo wote wa kisayansi wa sayari.
Utengenezaji wa vifaa vipya vya umeme wa joto ni tata na wa gharama kubwa, lakini ukifaulu, utasababisha mapinduzi ya kiteknolojia katika mifumo ya uzalishaji.
Nyenzo za umeme wa joto
Thermoelectrics imeundwa na aloi maalum au viunga vya semiconductor. Hivi majuzi, polima zinazopitisha umeme zimetumika kwa sifa za umeme wa joto.
Mahitaji ya thermoelectrics:
- ufanisi wa hali ya juu kutokana na uwekaji hewa wa chini wa mafuta na upitishaji wa juu wa umeme, mgawo wa juu wa Seebeck;
- upinzani wa joto la juu na thermomechanicalathari;
- ufikivu na usalama wa mazingira;
- upinzani wa mitetemo na mabadiliko ya ghafla ya halijoto;
- uthabiti wa muda mrefu na gharama nafuu;
- otomatiki wa mchakato wa utengenezaji.
Kwa sasa, majaribio yanaendelea ili kuchagua thermocouples bora zaidi, ambayo itaongeza ufanisi wa TEG. Nyenzo ya semiconductor ya thermoelectric ni aloi ya telluride na bismuth. Imetengenezwa mahususi ili kutoa vizuizi au vipengee vya kibinafsi vyenye sifa tofauti za "N" na "P".
Nyenzo za umeme wa joto mara nyingi hutengenezwa kwa ukaushaji wa mwelekeo kutoka kwa madini ya poda iliyoyeyushwa au kukandamizwa. Kila njia ya utengenezaji ina faida yake mwenyewe, lakini nyenzo za ukuaji wa mwelekeo ndizo zinazojulikana zaidi. Mbali na bismuth tellurite (Bi 2 Te 3), kuna vifaa vingine vya thermoelectric, ikiwa ni pamoja na aloi za risasi na tellurite (PbTe), silicon na germanium (SiGe), bismuth na antimoni (Bi-Sb), ambayo inaweza kutumika katika maalum. kesi. Wakati bismuth na telluride thermocouples ni bora kwa TEG nyingi.
Hadhi ya TEG
Faida za jenereta za thermoelectric:
- umeme huzalishwa kwa saketi iliyofungwa, ya hatua moja bila kutumia mifumo changamano ya upokezaji na matumizi ya sehemu zinazosonga;
- ukosefu wa vimiminika na gesi zinazofanya kazi;
- hakuna utoaji wa dutu hatari, joto taka na uchafuzi wa kelele wa mazingira;
- muda mrefu wa matumizi ya betriinafanya kazi;
- matumizi ya joto taka (vyanzo vya pili vya joto) kuokoa rasilimali za nishati
- fanya kazi katika nafasi yoyote ya kitu, bila kujali mazingira ya uendeshaji: nafasi, maji, ardhi;
- DC kuzalisha voltage ya chini;
- kinga ya mzunguko mfupi;
- Maisha ya rafu bila kikomo, tayari kwa 100%.
Sehemu za utumiaji wa jenereta ya thermoelectric
Faida za TEG zilibainisha matarajio ya maendeleo na siku zake za usoni:
- utafiti wa bahari na anga;
- maombi katika nishati mbadala (ya ndani) ndogo;
- kutumia joto kutoka kwa bomba la kutolea moshi kwenye gari;
- katika mifumo ya kuchakata tena;
- katika mifumo ya kupoeza na kiyoyozi;
- katika mifumo ya pampu ya joto kwa kupasha joto papo hapo kwa injini za dizeli za injini za dizeli na magari;
- kupasha joto na kupika katika hali ya shambani;
- kuchaji vifaa vya kielektroniki na saa;
- lishe ya bangili za hisi kwa wanariadha.
Kigeuzi cha Thermoelectric Peltier
Kipengele cha Peltier (EP) ni kibadilishaji umeme cha joto kinachofanya kazi kwa kutumia madoido ya Peltier ya jina moja, mojawapo ya athari tatu za thermoelectric (Seebeck na Thomson).
Mfaransa Jean-Charles Peltier aliunganisha nyaya za shaba na bismuth na kuziunganisha kwenye betri, hivyo kuunda jozi za miunganisho ya mbili.metali tofauti. Betri ilipokuwa imewashwa, makutano moja yangepata joto na ya pili yangepoa.
Vifaa vya athari ya Peltier vinategemewa kwa kiasi kikubwa kwa sababu havina sehemu zinazosonga, havitengenezi, havitoi gesi hatari, vinashikana na vinafanya kazi pande mbili (inapasha joto na kupoeza) kulingana na mwelekeo wa mkondo.
Kwa bahati mbaya, hazina ufanisi, zina ufanisi mdogo, hutoa joto nyingi, ambalo linahitaji uingizaji hewa wa ziada na huongeza gharama ya kifaa. Vifaa kama hivyo hutumia umeme mwingi na vinaweza kusababisha kuongezeka kwa joto au kufidia. Vipengele vidogo vilivyo kubwa kuliko mm 60 x 60 karibu havipatikani.
Upeo wa ES
Kuanzishwa kwa teknolojia ya hali ya juu katika uzalishaji wa vifaa vya umeme vya joto kumesababisha kupungua kwa gharama ya uzalishaji wa EP na upanuzi wa upatikanaji wa soko.
Leo EP inatumika sana:
- katika vipozezi vinavyobebeka, kwa ajili ya kupoeza vifaa vidogo na viambajengo vya elektroniki;
- katika viondoa unyevunyevu ili kuchimba maji kutoka angani;
- kwenye vyombo vya anga ili kusawazisha athari ya jua moja kwa moja kwenye upande mmoja wa meli huku kikipitisha joto hadi upande mwingine;
- kupoza vigunduzi vya fotoni vya darubini za anga na kamera za kidijitali za ubora wa juu ili kupunguza hitilafu za uchunguzi kutokana na joto kupita kiasi;
- kwa ajili ya kupozea vipengele vya kompyuta.
Hivi karibuni, imekuwa ikitumika sana kwa madhumuni ya nyumbani:
- katika vifaa vya baridi vinavyoendeshwa na mlango wa USB ili kupoeza au kupasha joto vinywaji;
- katika mfumo wa hatua ya ziada ya kupoeza kwa friji za kukandamiza na kupungua kwa joto hadi digrii -80 kwa hatua moja ya kupoeza na hadi -120 kwa hatua mbili;
- katika magari ili kuunda jokofu au hita zinazojiendesha.
China imezindua utengenezaji wa vipengele vya marekebisho vya Peltier TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 yenye thamani ya hadi euro 7, ambayo inaweza kutoa nishati ya hadi 200 W kulingana na mipango ya "joto-baridi", yenye maisha ya huduma ya hadi saa 200,000 za kazi katika eneo la halijoto kutoka nyuzi joto -30 hadi 138 Celsius.
RITEG betri za nyuklia
Jenereta ya thermoelectric ya radioisotopu (RTG) ni kifaa kinachotumia thermocouples kubadilisha joto kutoka kuoza kwa nyenzo za mionzi hadi umeme. Jenereta hii haina sehemu zinazosonga. RITEG ilitumika kama chanzo cha nishati kwenye satelaiti, vyombo vya anga, na vifaa vya taa vya mbali vilivyojengwa na USSR kwa Arctic Circle.
RTG kwa ujumla ndicho chanzo cha nishati kinachopendekezwa zaidi kwa vifaa vinavyohitaji mamia ya wati za nishati. Katika seli za mafuta, betri au jenereta zilizowekwa mahali ambapo seli za jua hazina ufanisi. Jenereta ya thermoelectric ya radioisotopu inahitaji utunzaji mkali wa radioisotopu wakatimuda mrefu baada ya mwisho wa maisha yake ya huduma.
Kuna takriban RTG 1,000 nchini Urusi, ambazo zilitumika zaidi kwa vyanzo vya nishati kwenye njia za masafa marefu: minara ya taa, vinara vya redio na vifaa vingine maalum vya redio. Nafasi ya kwanza RTG kwenye polonium-210 ilikuwa Limon-1 mnamo 1962, kisha Orion-1 na nguvu ya 20 W. Marekebisho ya hivi karibuni yaliwekwa kwenye satelaiti za Strela-1 na Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 na Mars-96 zilitumia RTG katika mifumo yao ya kupasha joto.
Kifaa cha jenereta cha DIY cha thermoelectric
Michakato changamano kama hii inayofanyika katika TEG haiwazuii "Kulibins" wa ndani katika hamu yao ya kujiunga na mchakato wa kimataifa wa kisayansi na kiufundi kwa ajili ya kuundwa kwa TEG. Matumizi ya TEG za nyumbani zimetumika kwa muda mrefu. Wakati wa Vita Kuu ya Uzalendo, washiriki walifanya jenereta ya ulimwengu ya thermoelectric. Ilizalisha umeme wa kuchaji redio.
Kwa ujio wa vipengele vya Peltier kwenye soko kwa bei nafuu kwa mlaji wa nyumbani, inawezekana kutengeneza TEG mwenyewe kwa kufuata hatua zilizo hapa chini.
- Pata vipima joto viwili kutoka kwa duka la IT na uweke kibandiko cha joto. Mwisho utarahisisha muunganisho wa kipengele cha Peltier.
- Tenganisha radiators kwa kihami joto chochote.
- Tengeneza shimo kwenye kihami ili kuweka kipengele cha Peltier na waya.
- Kusanya muundo na ulete chanzo cha joto (mshumaa) kwenye mojawapo ya radiators. Kwa muda mrefu inapokanzwa, sasa zaidi itatolewa kutoka kwa thermoelectric ya nyumbanijenereta.
Kifaa hiki hufanya kazi kimya na kina uzani mwepesi. Jenereta ya ic2 ya thermoelectric, kulingana na ukubwa, inaweza kuunganisha chaja ya simu ya mkononi, kuwasha redio ndogo na kuwasha mwanga wa LED.
Kwa sasa, watengenezaji wengi maarufu duniani wamezindua utengenezaji wa vifaa mbalimbali vya bei nafuu kwa kutumia TEG kwa wapenda magari na wasafiri.
Matarajio ya maendeleo ya uzalishaji wa umeme wa joto
Mahitaji ya matumizi ya nyumbani ya TEGs yanatarajiwa kukua kwa 14%. Mtazamo wa ukuzaji wa kizazi cha thermoelectric ulichapishwa na Soko la Utafiti wa Baadaye kwa kutoa karatasi "Ripoti ya Utafiti wa Soko la Jenereta za Thermoelectric - Utabiri hadi 2022" - uchambuzi wa soko, kiasi, hisa, maendeleo, mwelekeo na utabiri. Ripoti hiyo inathibitisha ahadi ya TEG katika urejelezaji wa taka za magari na uzalishaji shirikishi wa umeme na joto kwa vifaa vya nyumbani na viwandani.
Kijiografia, soko la kimataifa la jenereta za umeme wa joto limegawanywa katika Amerika, Ulaya, Asia-Pasifiki, India na Afrika. Asia-Pacific inachukuliwa kuwa sehemu inayokua kwa kasi zaidi katika utekelezaji wa soko la TEG.
Kati ya maeneo haya, Amerika, kulingana na wataalam, ndio chanzo kikuu cha mapato katika soko la kimataifa la TEG. Ongezeko la mahitaji ya nishati safi linatarajiwa kuongeza mahitaji nchini Marekani.
Ulaya pia itaonyesha ukuaji wa haraka kiasi katika kipindi cha utabiri. India na China zitafanya hivyokuongeza matumizi kwa kasi kubwa kutokana na ongezeko la mahitaji ya magari, jambo ambalo litapelekea ukuaji wa soko la jenereta.
Kampuni za magari kama vile Volkswagen, Ford, BMW na Volvo, kwa ushirikiano na NASA, tayari zimeanza kutengeneza mini-TEGs kwa ajili ya kurejesha joto na mfumo wa uchumi wa mafuta katika magari.
