Máy phát nhiệt điện (TEG thermogenerator) là một thiết bị điện sử dụng các hiệu ứng Seebeck, Thomson và Peltier để tạo ra điện thông qua nhiệt EMF. Hiệu ứng nhiệt động-EMF được phát hiện bởi nhà khoa học người Đức Thomas Johann Seebeck (Hiệu ứng Seebeck) vào năm 1821. Năm 1851, William Thomson (sau này là Lord Kelvin) tiếp tục nghiên cứu nhiệt động lực học và chứng minh rằng nguồn gốc của sức điện động (EMF) là sự chênh lệch nhiệt độ..
Năm 1834, nhà phát minh và thợ đồng hồ người Pháp Jean Charles Peltier đã khám phá ra hiệu ứng nhiệt điện thứ hai, phát hiện ra rằng sự chênh lệch nhiệt độ xảy ra ở chỗ nối của hai loại vật liệu khác nhau dưới tác động của dòng điện (hiệu ứng Peltier). Cụ thể, ông dự đoán rằng EMF sẽ phát triển bên trong một dây dẫn duy nhất khi có sự chênh lệch nhiệt độ.
Năm 1950, viện sĩ và nhà nghiên cứu người Nga Abram Ioffe đã khám phá ra đặc tính nhiệt điện của chất bán dẫn. Máy phát điện nhiệt điện bắt đầu được sử dụng tronghệ thống cung cấp điện tự trị tại các khu vực không thể tiếp cận. Nghiên cứu về không gian bên ngoài, con người đi bộ ngoài không gian đã tạo động lực mạnh mẽ cho sự phát triển nhanh chóng của bộ chuyển đổi nhiệt điện.
Nguồn năng lượng đồng vị phóng xạ lần đầu tiên được lắp đặt trên tàu vũ trụ và trạm quỹ đạo. Chúng đang bắt đầu được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu khí lớn để bảo vệ chống ăn mòn đường ống dẫn khí, trong công việc nghiên cứu ở Viễn Bắc, trong lĩnh vực y học như máy điều hòa nhịp tim và trong nhà ở như các nguồn cung cấp điện tự động.
Hiệu ứng nhiệt điện và truyền nhiệt trong hệ thống điện tử
Máy phát nhiệt điện, nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng phức tạp hiệu ứng của ba nhà khoa học (Seebeck, Thomson, Peltier), được phát triển gần 150 năm sau những khám phá đi trước thời đại của họ.
Hiệu ứng nhiệt điện là hiện tượng nào sau đây. Để làm mát hoặc tạo ra điện, một "mô-đun" bao gồm các cặp kết nối điện được sử dụng. Mỗi cặp bao gồm vật liệu bán dẫn p (S> 0) và n (S<0). Hai vật liệu này được nối với nhau bằng một dây dẫn có nhiệt điện được cho là bằng không. Hai nhánh (p và n) và tất cả các cặp khác tạo nên môđun được mắc nối tiếp trong mạch điện và song song trong mạch nhiệt. TEG (máy phát nhiệt điện) với cách bố trí này tạo điều kiện để tối ưu hóa dòng nhiệt đi qua mô-đun, khắc phụcđiện trở. Dòng điện hoạt động theo cách mà các hạt tải điện (electron và lỗ trống) di chuyển từ nguồn lạnh sang nguồn nóng (theo nghĩa nhiệt động) theo hai nhánh của cặp. Đồng thời, chúng góp phần truyền entropi từ nguồn lạnh sang nguồn nóng, thành dòng nhiệt sẽ chống lại sự dẫn nhiệt.
Nếu các vật liệu được chọn có đặc tính nhiệt điện tốt, thì thông lượng nhiệt tạo ra do chuyển động của các hạt mang điện sẽ lớn hơn độ dẫn nhiệt. Do đó, hệ thống sẽ truyền nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng và hoạt động như một tủ lạnh. Trong trường hợp phát điện, dòng nhiệt gây ra sự dịch chuyển của các hạt tải điện và xuất hiện dòng điện. Chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì càng thu được nhiều điện.
TEG hiệu quả
Đánh giá bằng yếu tố hiệu quả. Công suất của máy phát nhiệt điện phụ thuộc vào hai yếu tố quan trọng:
- Lượng dòng nhiệt có thể di chuyển thành công qua mô-đun (dòng nhiệt).
- Vùng nhiệt độ (DT) - chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh của máy phát điện. Vùng đồng bằng càng lớn, nó hoạt động càng hiệu quả, do đó, các điều kiện phải được cung cấp một cách xây dựng, để cung cấp tối đa lượng lạnh và loại bỏ nhiệt tối đa khỏi thành máy phát điện.
Thuật ngữ "hiệu suất của máy phát nhiệt điện" tương tự như thuật ngữ áp dụng cho tất cả các loại khácđộng cơ nhiệt. Cho đến nay, nó rất thấp và không quá 17% hiệu suất của Carnot. Hiệu suất của bộ tạo TEG bị giới hạn bởi hiệu suất Carnot và trong thực tế chỉ đạt vài phần trăm (2-6%) ngay cả ở nhiệt độ cao. Điều này là do tính dẫn nhiệt thấp trong vật liệu bán dẫn, không dẫn đến việc phát điện hiệu quả. Vì vậy, các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp, nhưng đồng thời có độ dẫn điện cao nhất có thể là cần thiết.
Chất bán dẫn hoạt động tốt hơn kim loại, nhưng vẫn còn rất xa so với những chỉ số có thể đưa máy phát nhiệt điện lên mức sản xuất công nghiệp (với ít nhất 15% sử dụng nhiệt ở nhiệt độ cao). Sự gia tăng hơn nữa hiệu quả của TEG phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu nhiệt điện (nhiệt điện), việc tìm kiếm vật liệu hiện đang chiếm toàn bộ tiềm năng khoa học của hành tinh.
Việc phát triển các nhiệt điện mới tương đối phức tạp và tốn kém, nhưng nếu thành công, chúng sẽ gây ra một cuộc cách mạng công nghệ trong các hệ thống phát điện.
Vật liệu nhiệt điện
Nhiệt điện được tạo thành từ các hợp kim đặc biệt hoặc các hợp chất bán dẫn. Gần đây, các polyme dẫn điện đã được sử dụng cho các đặc tính nhiệt điện.
Yêu cầu đối với nhiệt điện:
- hiệu quả cao do độ dẫn nhiệt thấp và độ dẫn điện cao, hệ số Seebeck cao;
- khả năng chịu nhiệt độ cao và cơ nhiệttác động;
- khả năng tiếp cận và an toàn môi trường;
- khả năng chống rung và thay đổi nhiệt độ đột ngột;
- ổn định lâu dài và chi phí thấp;
- tự động hóa quy trình sản xuất.
Hiện tại, các thí nghiệm đang được tiến hành để chọn cặp nhiệt điện tối ưu, giúp tăng hiệu quả TEG. Vật liệu bán dẫn nhiệt điện là hợp kim của Telluride và bitmut. Nó đã được sản xuất đặc biệt để cung cấp các khối hoặc phần tử riêng lẻ có các đặc điểm "N" và "P" khác nhau.
Vật liệu nhiệt điện thường được tạo ra bằng cách kết tinh có hướng từ luyện kim bột nóng chảy hoặc ép. Mỗi phương pháp sản xuất đều có ưu điểm riêng, nhưng vật liệu tăng trưởng theo hướng là phổ biến nhất. Ngoài Tellurite bismuth (Bi 2 Te 3), còn có các vật liệu nhiệt điện khác, bao gồm hợp kim của chì và Tellurite (PbTe), silicon và germani (SiGe), bitmut và antimon (Bi-Sb), có thể được sử dụng cụ thể các trường hợp. Trong khi cặp nhiệt độ bitmut và Telluride là tốt nhất cho hầu hết các TEG.
Phẩm giá của TEG
Ưu điểm của máy phát nhiệt điện:
- điện được tạo ra trong một mạch khép kín, một giai đoạn mà không sử dụng hệ thống truyền tải phức tạp và sử dụng các bộ phận chuyển động;
- thiếu chất lỏng và khí hoạt động;
- không thải chất độc hại, thải nhiệt và tiếng ồn gây ô nhiễm môi trường;
- thiết bị tuổi thọ pin dàiđang hoạt động;
- sử dụng nhiệt thải (nguồn nhiệt thứ cấp) để tiết kiệm tài nguyên năng lượng
- làm việc ở mọi vị trí của đối tượng, không phụ thuộc vào môi trường hoạt động: không gian, nước, trái đất;
- Tạo điện áp thấp DC;
- miễn nhiễm ngắn mạch;
- Hạn sử dụng không giới hạn, sẵn sàng 100%.
Các lĩnh vực ứng dụng của máy phát nhiệt điện
Những lợi thế của TEG quyết định triển vọng phát triển và tương lai gần của nó:
- nghiên cứu về đại dương và không gian;
- ứng dụng trong năng lượng thay thế nhỏ (trong nước);
- sử dụng nhiệt từ ống xả ô tô;
- trong hệ thống tái chế;
- trong hệ thống làm mát và điều hòa không khí;
- trong hệ thống bơm nhiệt để làm nóng tức thì động cơ diesel của đầu máy diesel và ô tô;
- sưởi ấm và nấu ăn trong điều kiện hiện trường;
- sạc các thiết bị điện tử và đồng hồ;
- dinh dưỡng của vòng tay giác quan cho vận động viên.
Bộ chuyển đổi nhiệt điện Peltier
Phần tử Peltier (EP) là một bộ chuyển đổi nhiệt điện hoạt động bằng cách sử dụng hiệu ứng Peltier cùng tên, một trong ba hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck và Thomson).
Người Pháp Jean-Charles Peltier đã kết nối dây đồng và bismuth với nhau và kết nối chúng với pin, do đó tạo ra một cặp kết nối của haikim loại khác nhau. Khi bật pin, một trong các điểm nối sẽ nóng lên và nút kia sẽ nguội đi.
Các thiết bị hiệu ứng Peltier cực kỳ đáng tin cậy vì chúng không có bộ phận chuyển động, không cần bảo dưỡng, không thải ra khí độc hại, nhỏ gọn và hoạt động hai chiều (sưởi ấm và làm mát) tùy thuộc vào hướng của dòng điện.
Thật không may, chúng hoạt động kém hiệu quả, hiệu suất thấp, tỏa ra khá nhiều nhiệt nên cần thêm hệ thống thông gió và làm tăng giá thành của thiết bị. Những thiết bị như vậy tiêu thụ khá nhiều điện và có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt hoặc ngưng tụ. Các phần tử Peltier lớn hơn 60 mm x 60 mm hầu như không bao giờ được tìm thấy.
Phạm vi của ES
Sự ra đời của các công nghệ tiên tiến trong sản xuất nhiệt điện đã dẫn đến giảm chi phí sản xuất EP và mở rộng khả năng tiếp cận thị trường.
Ngày nay EP được sử dụng rộng rãi:
- trong máy làm mát di động, để làm mát các thiết bị nhỏ và linh kiện điện tử;
- trong máy hút ẩm để hút nước từ không khí;
- trong tàu vũ trụ để cân bằng ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào một bên của con tàu trong khi tản nhiệt cho phía bên kia;
- để làm mát bộ dò photon của kính viễn vọng thiên văn và máy ảnh kỹ thuật số chất lượng cao để giảm thiểu lỗi quan sát do quá nhiệt;
- để làm mát các thành phần máy tính.
Gần đây, nó đã được sử dụng rộng rãi cho các mục đích trong nước:
- trong các thiết bị làm mát được hỗ trợ bởi cổng USB để làm mát hoặc hâm nóng đồ uống;
- dưới dạng một giai đoạn làm mát bổ sung của tủ lạnh nén với nhiệt độ giảm xuống -80 độ cho một giai đoạn làm lạnh và lên đến -120 cho hai giai đoạn;
- trong ô tô để tạo ra tủ lạnh hoặc máy sưởi tự động.
Trung Quốc đã khởi động sản xuất các phần tử Peltier sửa đổi TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 trị giá tới 7 euro, có thể cung cấp năng lượng lên tới 200 W theo sơ đồ "nhiệt lạnh", với tuổi thọ lên đến 200.000 giờ hoạt động trong vùng nhiệt độ từ -30 đến 138 độ C.
pin hạt nhân RITEG
Máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) là một thiết bị sử dụng các cặp nhiệt điện để chuyển đổi nhiệt từ sự phân rã của chất phóng xạ thành điện năng. Máy phát điện này không có bộ phận chuyển động. RITEG được sử dụng làm nguồn năng lượng trên vệ tinh, tàu vũ trụ, các cơ sở hải đăng từ xa do Liên Xô xây dựng cho Vòng Bắc Cực.
RTG nói chung là nguồn điện ưu tiên nhất cho các thiết bị yêu cầu công suất vài trăm watt. Trong pin nhiên liệu, pin hoặc máy phát điện được lắp đặt ở những nơi pin mặt trời hoạt động kém hiệu quả. Máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ yêu cầu xử lý đồng vị phóng xạ nghiêm ngặt trongrất lâu sau khi kết thúc vòng đời sử dụng.
Có khoảng 1.000 RTG ở Nga, được sử dụng chủ yếu cho các nguồn điện trên các phương tiện tầm xa: hải đăng, đèn hiệu vô tuyến và các thiết bị vô tuyến đặc biệt khác. RTG không gian đầu tiên trên polonium-210 là Limon-1 vào năm 1962, sau đó là Orion-1 với công suất 20 W. Sửa đổi mới nhất được lắp đặt trên vệ tinh Strela-1 và Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 và Mars-96 đã sử dụng RTG trong hệ thống sưởi của họ.
Tự làm thiết bị phát nhiệt điện
Các quy trình phức tạp như vậy diễn ra trong TEG không ngăn cản các "Kulibins" địa phương mong muốn tham gia vào quy trình khoa học và kỹ thuật toàn cầu để tạo ra TEG. Việc sử dụng TEG tự chế đã được sử dụng từ lâu. Trong Chiến tranh Vệ quốc Vĩ đại, các đảng viên đã chế tạo ra một máy phát nhiệt điện vạn năng. Nó tạo ra điện để sạc radio.
Với sự ra đời của các yếu tố Peltier trên thị trường với giá cả phải chăng cho người tiêu dùng gia đình, bạn có thể tự tạo TEG bằng cách làm theo các bước dưới đây.
- Nhận hai tấm tản nhiệt từ cửa hàng CNTT và dán keo tản nhiệt. Sau này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối phần tử Peltier.
- Tách các bộ tản nhiệt bằng bất kỳ chất cách nhiệt nào.
- Tạo một lỗ trên chất cách điện để chứa phần tử Peltier và dây.
- Lắp ráp cấu trúc và đưa nguồn nhiệt (nến) đến một trong các bộ tản nhiệt. Sưởi ấm càng lâu thì dòng điện tạo ra từ nhiệt điện gia đình càng nhiềumáy phát điện.
Thiết bị này hoạt động âm thầm và trọng lượng nhẹ. Máy phát nhiệt điện ic2, theo kích thước, có thể kết nối sạc điện thoại di động, bật radio nhỏ và bật đèn LED chiếu sáng.
Hiện tại, nhiều nhà sản xuất nổi tiếng trên toàn cầu đã tung ra thị trường sản xuất nhiều tiện ích giá cả phải chăng sử dụng TEG cho những người đam mê ô tô và du lịch.
Triển vọng phát triển nhiệt điện
Nhu cầu tiêu dùng TEG của hộ gia đình dự kiến sẽ tăng 14%. Triển vọng phát triển máy phát nhiệt điện đã được Market Research Future công bố bằng cách phát hành bài báo "Báo cáo nghiên cứu thị trường máy phát nhiệt điện toàn cầu - Dự báo đến năm 2022" - phân tích thị trường, khối lượng, thị phần, tiến độ, xu hướng và dự báo. Báo cáo khẳng định lời hứa của TEG trong việc tái chế chất thải ô tô và đồng sản xuất điện và nhiệt cho các cơ sở công nghiệp và sinh hoạt.
Về mặt địa lý, thị trường máy phát nhiệt điện toàn cầu được chia thành Châu Mỹ, Châu Âu, Châu Á - Thái Bình Dương, Ấn Độ và Châu Phi. Châu Á - Thái Bình Dương được coi là khu vực phát triển nhanh nhất trong việc triển khai thị trường TEG.
Trong số các khu vực này, Mỹ, theo các chuyên gia, là nguồn thu nhập chính trên thị trường TEG toàn cầu. Nhu cầu về năng lượng sạch tăng lên dự kiến sẽ làm tăng nhu cầu ở Mỹ.
Châu Âu cũng sẽ cho thấy tốc độ tăng trưởng tương đối nhanh trong thời gian dự báo. Ấn Độ và Trung Quốc sẽtăng lượng tiêu thụ với tốc độ đáng kể do nhu cầu về xe tăng, điều này sẽ kéo theo sự phát triển của thị trường máy phát điện.
Các công ty ô tô như Volkswagen, Ford, BMW và Volvo, phối hợp với NASA, đã bắt đầu phát triển các TEG nhỏ cho hệ thống thu hồi nhiệt và tiết kiệm nhiên liệu trên xe.
