თერმოელექტრული გენერატორი (TEG თერმოგენერატორი) არის ელექტრო მოწყობილობა, რომელიც იყენებს Seebeck, Thomson და Peltier ეფექტებს ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის თერმო-EMF-ის საშუალებით. თერმო-EMF ეფექტი აღმოაჩინა გერმანელმა მეცნიერმა თომას იოჰან ზებეკმა (Seebeck effect) 1821 წელს. 1851 წელს უილიამ ტომსონმა (მოგვიანებით ლორდი კელვინი) გააგრძელა თერმოდინამიკური კვლევა და დაამტკიცა, რომ ელექტრომოძრავი ძალის წყარო (EMF) არის ტემპერატურის სხვაობა..
1834 წელს ფრანგმა გამომგონებელმა და საათების მწარმოებელმა ჟან ჩარლზ პელტიემ აღმოაჩინა მეორე თერმოელექტრული ეფექტი და აღმოაჩინა, რომ ტემპერატურის სხვაობა წარმოიქმნება ორი სხვადასხვა ტიპის მასალის შეერთებაზე ელექტრული დენის გავლენის ქვეშ (პელტიეს ეფექტი). კერძოდ, მან იწინასწარმეტყველა, რომ EMF განვითარდებოდა ერთ გამტარში, როდესაც იყო ტემპერატურის სხვაობა.
1950 წელს რუსმა აკადემიკოსმა და მკვლევარმა აბრამ იოფემ აღმოაჩინა ნახევარგამტარების თერმოელექტრული თვისებები. დაიწყო თერმოელექტრული ენერგიის გენერატორის გამოყენებაავტონომიური ელექტრომომარაგების სისტემები მიუწვდომელ ადგილებში. გარე კოსმოსის, ადამიანის კოსმოსური სიარულის შესწავლამ ძლიერი ბიძგი მისცა თერმოელექტრული გადამყვანების სწრაფ განვითარებას.
რადიოიზოტოპური ენერგიის წყარო პირველად დამონტაჟდა კოსმოსურ ხომალდებსა და ორბიტალურ სადგურებზე. ისინი იწყებენ გამოყენებას ნავთობისა და გაზის დიდ ინდუსტრიაში გაზსადენების ანტიკოროზიული დაცვისთვის, შორეულ ჩრდილოეთში კვლევით სამუშაოებში, მედიცინის სფეროში, როგორც კარდიოსტიმულატორები და საცხოვრებლებში, როგორც ელექტრომომარაგების ავტონომიური წყაროები.
თერმოელექტრული ეფექტი და სითბოს გადაცემა ელექტრონულ სისტემებში
თერმოელექტრული გენერატორები, რომელთა მოქმედების პრინციპი ეფუძნება სამი მეცნიერის (Seebeck, Thomson, Peltier) ეფექტის კომპლექსურ გამოყენებას, შეიქმნა თითქმის 150 წლის შემდეგ, რაც მათ დროზე ბევრად უსწრებდა აღმოჩენებს.
თერმოელექტრული ეფექტი არის შემდეგი ფენომენი. ელექტროენერგიის გაგრილებისთვის ან წარმოებისთვის გამოიყენება "მოდული", რომელიც შედგება ელექტრონულად დაკავშირებული წყვილებისგან. თითოეული წყვილი შედგება ნახევარგამტარული მასალისგან p (S> 0) და n (S<0). ეს ორი მასალა დაკავშირებულია გამტარით, რომლის თერმოელექტრული სიმძლავრე ნულოვანია. ორი ტოტი (p და n) და ყველა სხვა წყვილი, რომლებიც ქმნიან მოდულს, დაკავშირებულია სერიულად ელექტრულ წრეში და პარალელურად თერმულ წრეში. TEG (თერმოელექტრული გენერატორი) ამ განლაგებით ქმნის პირობებს სითბოს ნაკადის ოპტიმიზაციისთვის, რომელიც გადის მოდულში და გადალახავს მას.ელექტრული წინააღმდეგობა. ელექტრული დენი მოქმედებს ისე, რომ მუხტის მატარებლები (ელექტრონები და ხვრელები) გადაადგილდებიან ცივი წყაროდან ცხელ წყაროზე (თერმოდინამიკური გაგებით) წყვილის ორ ტოტში. ამავდროულად, ისინი ხელს უწყობენ ენტროპიის გადატანას ცივი წყაროდან ცხელზე, სითბოს ნაკადამდე, რომელიც გაუძლებს სითბოს გამტარობას.
თუ შერჩეულ მასალებს აქვთ კარგი თერმოელექტრული თვისებები, ეს სითბოს ნაკადი, რომელიც წარმოიქმნება მუხტის მატარებლების მოძრაობით, მეტი იქნება თბოგამტარობაზე. ამრიგად, სისტემა გადასცემს სითბოს ცივი წყაროდან ცხელზე და მოქმედებს როგორც მაცივარი. ელექტროენერგიის გამომუშავების შემთხვევაში, სითბოს ნაკადი იწვევს მუხტის მატარებლების გადაადგილებას და ელექტრული დენის გაჩენას. რაც უფრო დიდია ტემპერატურის სხვაობა, მით მეტი ელექტროენერგიის მიღება შეიძლება.
TEG ეფექტურობა
შეფასებული ეფექტურობის ფაქტორით. თერმოელექტრული გენერატორის სიმძლავრე დამოკიდებულია ორ კრიტიკულ ფაქტორზე:
- სითბოს ნაკადის რაოდენობა, რომელსაც შეუძლია წარმატებით გადაადგილება მოდულში (სითბოს ნაკადი).
- ტემპერატურული დელტა (DT) - ტემპერატურის სხვაობა გენერატორის ცხელ და ცივ მხარეს შორის. რაც უფრო დიდია დელტა, მით უფრო ეფექტურად მუშაობს იგი, შესაბამისად, პირობები უნდა იყოს უზრუნველყოფილი კონსტრუქციულად, როგორც სიცივის მაქსიმალური მიწოდებისთვის, ასევე გენერატორის კედლებიდან სითბოს მაქსიმალური მოცილებისთვის.
ტერმინი "თერმოელექტრული გენერატორების ეფექტურობა" მსგავსია ტერმინისა, რომელიც გამოიყენება ყველა სხვა ტიპისთვის.თერმული ძრავები. ჯერჯერობით ის ძალიან დაბალია და შეადგენს კარნოს ეფექტურობის არაუმეტეს 17%-ს. TEG გენერატორის ეფექტურობა შეზღუდულია კარნოს ეფექტურობით და პრაქტიკაში აღწევს მხოლოდ რამდენიმე პროცენტს (2-6%) მაღალ ტემპერატურაზეც კი. ეს განპირობებულია ნახევარგამტარულ მასალებში დაბალი თბოგამტარობით, რაც ხელს არ უწყობს ენერგიის ეფექტური გამომუშავებას. ამრიგად, საჭიროა დაბალი თბოგამტარობის, მაგრამ ამავე დროს მაქსიმალური ელექტროგამტარობის მქონე მასალები.
ნახევარგამტარები უკეთეს საქმეს ასრულებენ, ვიდრე ლითონები, მაგრამ მაინც ძალიან შორს არიან იმ ინდიკატორებისგან, რომლებიც თერმოელექტრო გენერატორს სამრეწველო წარმოების დონემდე მიიყვანს (მაღალტემპერატურული სითბოს მინიმუმ 15% გამოყენების შემთხვევაში). TEG-ის ეფექტურობის შემდგომი მატება დამოკიდებულია თერმოელექტრული მასალების (თერმოელექტრიკა) თვისებებზე, რომელთა ძიებას ამჟამად უჭირავს პლანეტის მთელი სამეცნიერო პოტენციალი.
ახალი თერმოელექტროების შემუშავება შედარებით რთული და ძვირია, მაგრამ წარმატების შემთხვევაში ისინი გამოიწვევს ტექნოლოგიურ რევოლუციას გენერირების სისტემებში.
თერმოელექტრული მასალები
თერმოელექტროები შედგება სპეციალური შენადნობებისგან ან ნახევარგამტარული ნაერთებისგან. ბოლო დროს ელექტროგამტარი პოლიმერები გამოიყენეს თერმოელექტრული თვისებებისთვის.
მოთხოვნები თერმოელექტრიკებისთვის:
- მაღალი ეფექტურობა დაბალი თბოგამტარობის და მაღალი ელექტრული გამტარობის გამო, Seebeck მაღალი კოეფიციენტი;
- გამძლეობა მაღალი ტემპერატურისა და თერმომექანიკურიგავლენა;
- ხელმისაწვდომობა და გარემოს დაცვა;
- გამძლეობა ვიბრაციისა და ტემპერატურის უეცარი ცვლილებების მიმართ;
- გრძელვადიანი სტაბილურობა და დაბალი ღირებულება;
- წარმოების პროცესის ავტომატიზაცია.
ამჟამად მიმდინარეობს ექსპერიმენტები ოპტიმალური თერმოწყვილების შესარჩევად, რაც გაზრდის TEG-ის ეფექტურობას. თერმოელექტრული ნახევარგამტარული მასალა არის ტელურიდის და ბისმუტის შენადნობი. იგი სპეციალურად არის დამზადებული, რათა უზრუნველყოს ცალკეული ბლოკები ან ელემენტები სხვადასხვა "N" და "P" მახასიათებლებით.
თერმოელექტრული მასალები ყველაზე ხშირად მზადდება გამდნარი ან დაპრესილი ფხვნილის მეტალურგიისგან მიმართული კრისტალიზაციის გზით. წარმოების თითოეულ მეთოდს აქვს თავისი განსაკუთრებული უპირატესობა, მაგრამ მიმართულების ზრდის მასალები ყველაზე გავრცელებულია. გარდა ბისმუტის ტელურიტისა (Bi 2 Te 3), არსებობს სხვა თერმოელექტრული მასალები, მათ შორის ტყვიისა და ტელურიტის შენადნობები (PbTe), სილიციუმი და გერმანიუმი (SiGe), ბისმუტი და ანტიმონი (Bi-Sb), რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სპეციფიკურ პირობებში. შემთხვევები. მიუხედავად იმისა, რომ ბისმუტის და ტელურიდის თერმოწყვილები საუკეთესოა TEG-ების უმეტესობისთვის.
ტეგ-ის ღირსება
თერმოელექტრული გენერატორების უპირატესობები:
- ელექტროენერგია წარმოიქმნება დახურულ, ერთსაფეხურიან წრედში რთული გადამცემი სისტემების გამოყენებისა და მოძრავი ნაწილების გამოყენების გარეშე;
- მუშა სითხეებისა და აირების ნაკლებობა;
- არ არის მავნე ნივთიერებების გამონაბოლქვი, ნარჩენი სითბო და გარემოს ხმაურის დაბინძურება;
- მოწყობილობის ხანგრძლივი ბატარეის ხანგრძლივობაფუნქციონირება;
- ნარჩენი სითბოს გამოყენება (სითბოს მეორადი წყაროები) ენერგიის რესურსების დაზოგვის მიზნით
- მუშაობა ობიექტის ნებისმიერ პოზიციაზე, განურჩევლად მოქმედი გარემოსა: სივრცე, წყალი, დედამიწა;
- DC დაბალი ძაბვის გამომუშავება;
- მოკლე ჩართვის იმუნიტეტი;
- შეუზღუდავი შენახვის ვადა, 100% მზადაა გამოსაყენებლად.
თერმოელექტრული გენერატორის გამოყენების სფეროები
TEG-ის უპირატესობებმა განაპირობა განვითარების პერსპექტივები და მისი უახლოესი მომავალი:
- შესწავლა ოკეანისა და კოსმოსის შესახებ;
- აპლიკაცია მცირე (შიდა) ალტერნატიულ ენერგიაში;
- სითბოს გამოყენება მანქანის გამონაბოლქვი მილებიდან;
- გადამუშავების სისტემებში;
- გაგრილებისა და კონდიცირების სისტემებში;
- სითბოს ტუმბოს სისტემებში დიზელის ლოკომოტივებისა და მანქანების დიზელის ძრავების მყისიერი გათბობისთვის;
- გათბობა და მომზადება საველე პირობებში;
- ელექტრონული მოწყობილობებისა და საათების დამუხტვა;
- სენსორული სამაჯურების კვება სპორტსმენებისთვის.
თერმოელექტრული პელტიეს გადამყვანი
Peltier ელემენტი (EP) არის თერმოელექტრული გადამყვანი, რომელიც მუშაობს ამავე სახელწოდების პელტიეს ეფექტის გამოყენებით, სამი თერმოელექტრული ეფექტიდან ერთ-ერთი (Seebeck and Thomson).
ფრანგმა ჟან-შარლ პელტიემ დააკავშირა სპილენძისა და ბისმუტის მავთულები ერთმანეთთან და დააკავშირა ისინი ბატარეასთან, რითაც შექმნა ორი კავშირის წყვილი.განსხვავებული ლითონები. როდესაც ბატარეა ჩართული იყო, ერთ-ერთი კვანძი თბებოდა, მეორე კი გაცივდებოდა.
Peltier-ის ეფექტის მოწყობილობები უკიდურესად საიმედოა, რადგან მათ არ აქვთ მოძრავი ნაწილები, არ საჭიროებს ტექნიკურ მოვლას, არ გამოყოფენ მავნე გაზებს, კომპაქტურია და აქვთ ორმხრივი მუშაობა (გათბობა და გაგრილება) დენის მიმართულებიდან გამომდინარე.
სამწუხაროდ, არაეფექტურები არიან, აქვთ დაბალი ეფექტურობა, გამოყოფენ საკმაოდ დიდ სითბოს, რაც საჭიროებს დამატებით ვენტილაციას და ზრდის მოწყობილობის ღირებულებას. ასეთი მოწყობილობები მოიხმარენ საკმაოდ დიდ ელექტროენერგიას და შეიძლება გამოიწვიოს გადახურება ან კონდენსაცია. Peltier ელემენტები 60 მმ x 60 მმ-ზე მეტი თითქმის არასოდეს მოიძებნება.
ES-ის ფარგლები
თერმოელექტროების წარმოებაში მოწინავე ტექნოლოგიების დანერგვამ გამოიწვია EP-ის წარმოების ღირებულების შემცირება და ბაზრის ხელმისაწვდომობის გაფართოება.
დღეს EP ფართოდ გამოიყენება:
- პორტატულ ქულერებში, მცირე ტექნიკის და ელექტრონული კომპონენტების გაგრილებისთვის;
- გამშრალებში ჰაერიდან წყლის ამოსაღებად;
- კოსმოსურ ხომალდში მზის პირდაპირი სხივების ეფექტის დასაბალანსებლად გემის ერთ მხარეს, ხოლო სითბოს მეორე მხარეს გაფანტვისას;
- ასტრონომიული ტელესკოპების და მაღალი ხარისხის ციფრული კამერების ფოტონების დეტექტორების გაგრილება გადახურების გამო დაკვირვების შეცდომების შესამცირებლად;
- კომპიუტერის კომპონენტების გაგრილებისთვის.
ამ ბოლო დროს ფართოდ გამოიყენეს საშინაო მიზნებისთვის:
- უფრო გრილ მოწყობილობებში, რომლებიც იკვებება USB პორტით სასმელების გასაგრილებლად ან გაცხელებისთვის;
- შეკუმშვის მაცივრების გაგრილების დამატებითი ეტაპის სახით ტემპერატურის შემცირებით -80 გრადუსამდე ერთსაფეხურიანი გაგრილებისთვის და -120-მდე ორსაფეხურისთვის;
- მანქანებში ავტონომიური მაცივრების ან გამათბობლების შესაქმნელად.
ჩინეთმა დაიწყო Peltier-ის მოდიფიკაციების TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 7 ევრომდე ღირებულების ელემენტების წარმოება, რომელსაც შეუძლია უზრუნველყოს 200 ვტ-მდე სიმძლავრე "სითბო-ცივი" სქემების მიხედვით. ტემპერატურულ ზონაში -30-დან 138 გრადუს ცელსიუსამდე მუშაობის ვადით 200000 საათამდე.
RITEG ბირთვული ბატარეები
რადიოიზოტოპური თერმოელექტრული გენერატორი (RTG) არის მოწყობილობა, რომელიც იყენებს თერმოწყვილებს რადიოაქტიური მასალის დაშლისგან ელექტროენერგიად გადაქცევისთვის. ამ გენერატორს არ აქვს მოძრავი ნაწილები. RITEG გამოიყენებოდა როგორც ენერგიის წყარო თანამგზავრებზე, კოსმოსურ ხომალდებზე, შორეულ შუქურ ობიექტებზე, რომლებიც აშენდა სსრკ-ს მიერ არქტიკული წრისთვის.
RTG-ები ზოგადად ენერგიის ყველაზე სასურველი წყაროა მოწყობილობებისთვის, რომლებიც საჭიროებენ რამდენიმე ასეულ ვატს სიმძლავრეს. საწვავის უჯრედებში, ბატარეებში ან გენერატორებში, რომლებიც დამონტაჟებულია იმ ადგილებში, სადაც მზის ელემენტები არაეფექტურია. რადიოიზოტოპური თერმოელექტრული გენერატორი მოითხოვს რადიოიზოტოპის მკაცრ დამუშავებას დროსმისი მომსახურების ვადის დასრულებიდან დიდი ხნის შემდეგ.
რუსეთში არის დაახლოებით 1000 RTG, რომლებიც ძირითადად გამოიყენებოდა ელექტროენერგიის წყაროებისთვის შორი მანძილის საშუალებებზე: შუქურები, რადიოშუქურები და სხვა სპეციალური რადიო მოწყობილობები. პირველი კოსმოსური RTG პოლონიუმ-210-ზე იყო Limon-1 1962 წელს, შემდეგ Orion-1 20 W სიმძლავრით. უახლესი მოდიფიკაცია დამონტაჟდა Strela-1 და Kosmos-84/90 თანამგზავრებზე. Lunokhods-1, 2 და Mars-96 იყენებდნენ RTG-ებს თავიანთ გათბობის სისტემებში.
ხელნაკეთი თერმოელექტრული გენერატორი მოწყობილობა
TEG-ში მიმდინარე ასეთი რთული პროცესები არ აჩერებს ადგილობრივ "კულიბინებს" სურვილი შეუერთდნენ TEG-ის შექმნის გლობალურ სამეცნიერო და ტექნიკურ პროცესს. ხელნაკეთი TEG-ების გამოყენება დიდი ხანია გამოიყენება. დიდი სამამულო ომის დროს პარტიზანებმა გააკეთეს უნივერსალური თერმოელექტრული გენერატორი. ის გამოიმუშავებდა ელექტროენერგიას რადიოს დასატენად.
ბაზარზე Peltier-ის ელემენტების გამოჩენით საყოფაცხოვრებო მომხმარებლისთვის ხელმისაწვდომ ფასებში, თქვენ შეგიძლიათ გააკეთოთ TEG ქვემოთ მოცემული ნაბიჯების მიხედვით.
- მიიღეთ ორი გამათბობელი IT მაღაზიიდან და წაისვით თერმული პასტა. ეს უკანასკნელი ხელს შეუწყობს Peltier ელემენტის დაკავშირებას.
- გამოაცალეთ რადიატორები ნებისმიერი თბოიზოლატორით.
- გააკეთეთ ხვრელი იზოლატორში Peltier ელემენტისა და მავთულის მოსათავსებლად.
- ააწყეთ სტრუქტურა და მიიტანეთ სითბოს წყარო (სანთელი) ერთ-ერთ რადიატორთან. რაც უფრო გრძელია გათბობა, მით მეტი დენი წარმოიქმნება სახლის თერმოელექტროდანგენერატორი.
ეს მოწყობილობა მუშაობს ჩუმად და მსუბუქი წონაა. ic2 თერმოელექტრო გენერატორს, ზომის მიხედვით, შეუძლია დააკავშიროს მობილური ტელეფონის დამტენი, ჩართოს პატარა რადიო და ჩართოს LED განათება.
ამჟამად, ბევრმა ცნობილმა გლობალურმა მწარმოებელმა წამოიწყო სხვადასხვა ხელმისაწვდომ გაჯეტების წარმოება TEG-ის გამოყენებით მანქანის მოყვარულთათვის და მოგზაურებისთვის.
თერმოელექტრული გენერაციის განვითარების პერსპექტივები
მოთხოვნა საყოფაცხოვრებო მოხმარება TEG-ზე მოსალოდნელია 14%-ით გაიზრდება. თერმოელექტრული გენერაციის განვითარების პერსპექტივა გამოქვეყნდა Market Research Future-მა, გამოსცა ნაშრომი "გლობალური თერმოელექტრული გენერატორების ბაზრის კვლევის ანგარიში - პროგნოზი 2022 წლამდე" - ბაზრის ანალიზი, მოცულობა, წილი, პროგრესი, ტენდენციები და პროგნოზები. ანგარიში ადასტურებს TEG-ის დაპირებას საავტომობილო ნარჩენების გადამუშავებისა და ელექტროენერგიის და სითბოს ერთობლივი წარმოებისთვის საყოფაცხოვრებო და სამრეწველო ობიექტებისთვის.
გეოგრაფიულად, გლობალური თერმოელექტრული გენერატორების ბაზარი დაყოფილია ამერიკაში, ევროპას, აზია-წყნარი ოკეანის, ინდოეთისა და აფრიკის ნაწილად. აზია-წყნარი ოკეანე ითვლება ყველაზე სწრაფად მზარდ სეგმენტად TEG ბაზრის განხორციელებაში.
ამ რეგიონებს შორის, ამერიკა, ექსპერტების აზრით, გლობალური TEG-ის ბაზარზე შემოსავლის მთავარი წყაროა. სუფთა ენერგიაზე მოთხოვნის ზრდა სავარაუდოდ გაზრდის მოთხოვნას ამერიკაში.
ევროპა ასევე აჩვენებს შედარებით სწრაფ ზრდას საპროგნოზო პერიოდში. ინდოეთი და ჩინეთი გააკეთებენმოხმარების მნიშვნელოვანი ტემპით გაზრდა მანქანებზე მოთხოვნის ზრდის გამო, რაც გამოიწვევს გენერატორების ბაზრის ზრდას.
საავტომობილო კომპანიებმა, როგორიცაა Volkswagen, Ford, BMW და Volvo, NASA-სთან თანამშრომლობით, უკვე დაიწყეს მინი-TEG-ების შემუშავება მანქანებში სითბოს აღდგენისა და საწვავის ეკონომიის სისტემისთვის.
