Termoelektr generatori (TEG termogenerator) termo-EMF orqali elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun Seebeck, Tomson va Peltier effektlaridan foydalanadigan elektr qurilma. Termo-EMF effekti 1821 yilda nemis olimi Tomas Iogann Zeebek (Seebek effekti) tomonidan kashf etilgan.1851 yilda Uilyam Tomson (keyinchalik Lord Kelvin) termodinamik tadqiqotlarni davom ettirdi va elektromotor kuchning (EMF) manbai harorat farqi ekanligini isbotladi..
1834 yilda frantsuz ixtirochi va soat ishlab chiqaruvchisi Jan Sharl Peltier ikkinchi termoelektr effektini kashf etdi, harorat farqi elektr toki ta'sirida ikki xil turdagi materiallarning birlashmasida sodir bo'lishini aniqladi (Peltier effekti). Xususan, u harorat farqi mavjud bo‘lganda, bitta o‘tkazgich ichida EMF paydo bo‘lishini bashorat qilgan.
1950 yilda rus akademigi va tadqiqotchisi Abram Ioffe yarim o'tkazgichlarning termoelektrik xususiyatlarini kashf etdi. Termoelektr generatoridan foydalanila boshlandikirish qiyin bo'lgan hududlarda avtonom elektr ta'minoti tizimlari. Kosmosni o'rganish, insonning kosmosga chiqishi termoelektrik konvertorlarning jadal rivojlanishiga kuchli turtki berdi.
Radioizotop energiya manbai birinchi marta kosmik kemalar va orbital stantsiyalarda o'rnatildi. Ular yirik neft va gaz sanoatida gaz quvurlarini korroziyaga qarshi himoya qilishda, Uzoq Shimolda tadqiqot ishlarida, tibbiyot sohasida yurak stimulyatori sifatida va uy-joylarda elektr ta'minotining avtonom manbalari sifatida qo'llanila boshlandi.
Elektron tizimlarda termoelektr effekti va issiqlik uzatish
Ishlash printsipi uchta olimning (Zeebek, Tomson, Peltier) ta'siridan kompleks foydalanishga asoslangan termoelektr generatorlari o'z davridan ancha oldinda bo'lgan kashfiyotlardan deyarli 150 yil o'tib yaratilgan.
Termoelektrik effekt quyidagi hodisadir. Sovutish yoki elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun elektr bilan bog'langan juftliklardan tashkil topgan "modul" ishlatiladi. Har bir juft yarimo'tkazgich materiali p (S> 0) va n (S<0) dan iborat. Ushbu ikkita material termoelektr quvvati nolga teng deb qabul qilingan o'tkazgich bilan bog'langan. Modulni tashkil etuvchi ikkita filial (p va n) va boshqa barcha juftliklar elektr pallasida ketma-ket va issiqlik pallasida parallel ravishda ulanadi. Ushbu sxema bilan TEG (termoelektrik generator) modul orqali o'tadigan issiqlik oqimini optimallashtirish va uni engib o'tish uchun sharoit yaratadi.elektr qarshilik. Elektr toki shunday harakat qiladiki, zaryad tashuvchilar (elektronlar va teshiklar) juftlikning ikkita tarmog'ida sovuq manbadan issiq manbaga (termodinamik ma'noda) o'tadi. Shu bilan birga, ular entropiyaning sovuq manbadan issiq manbaga, issiqlik o'tkazuvchanligiga qarshilik ko'rsatadigan issiqlik oqimiga o'tishiga hissa qo'shadilar.
Agar tanlangan materiallar yaxshi termoelektrik xususiyatlarga ega bo'lsa, zaryad tashuvchilarning harakati natijasida hosil bo'lgan bu issiqlik oqimi issiqlik o'tkazuvchanligidan kattaroq bo'ladi. Shuning uchun tizim issiqlikni sovuq manbadan issiqqa o'tkazadi va muzlatgich vazifasini bajaradi. Elektr energiyasini ishlab chiqarishda issiqlik oqimi zaryad tashuvchilarning siljishi va elektr tokining ko'rinishini keltirib chiqaradi. Harorat farqi qanchalik katta bo'lsa, shuncha ko'p elektr energiyasi olish mumkin.
TEG samaradorligi
Samaralilik omili bilan baholanadi. Termoelektr generatorining kuchi ikkita muhim omilga bog'liq:
- Modul boʻylab muvaffaqiyatli harakatlana oladigan issiqlik oqimi miqdori (issiqlik oqimi).
- Temperatura deltalari (DT) - generatorning issiq va sovuq tomonidagi harorat farqi. Delta qanchalik katta bo'lsa, u shunchalik samarali ishlaydi, shuning uchun maksimal sovuq ta'minot va generator devorlaridan maksimal issiqlikni olib tashlash uchun sharoitlar konstruktiv tarzda ta'minlanishi kerak.
"Termoelektr generatorlarining samaradorligi" atamasi boshqa barcha turlarga nisbatan qo'llaniladigan atamaga o'xshayditermal dvigatellar. Hozircha u juda past va Carnot samaradorligining 17% dan oshmaydi. TEG generatorining samaradorligi Carnot samaradorligi bilan cheklangan va amalda yuqori haroratlarda ham bir necha foizga (2-6%) etadi. Bu yarimo'tkazgichli materiallarning past issiqlik o'tkazuvchanligi bilan bog'liq bo'lib, bu samarali energiya ishlab chiqarishga yordam bermaydi. Shunday qilib, issiqlik o'tkazuvchanligi past bo'lgan, lekin ayni paytda mumkin bo'lgan eng yuqori elektr o'tkazuvchanligiga ega materiallar kerak bo'ladi.
Yarimo'tkazgichlar metallarga qaraganda yaxshiroq ishlaydi, lekin hali ham termoelektr generatorini sanoat ishlab chiqarish darajasiga olib keladigan ko'rsatkichlardan juda uzoqda (kamida 15% yuqori haroratli issiqlikdan foydalanish bilan). TEG samaradorligini yanada oshirish termoelektrik materiallarning (termoelektriklar) xususiyatlariga bog'liq bo'lib, ularni izlash hozirda sayyoramizning butun ilmiy salohiyati bilan band.
Yangi termoelektriklarni ishlab chiqish nisbatan murakkab va qimmat, ammo muvaffaqiyatli boʻlsa, ular ishlab chiqarish tizimlarida texnologik inqilobga olib keladi.
Termoelektrik materiallar
Termoelektriklar maxsus qotishmalardan yoki yarimo'tkazgichli birikmalardan iborat. Yaqinda elektr o'tkazuvchan polimerlar termoelektrik xususiyatlar uchun ishlatilgan.
Termoelektriklarga qoʻyiladigan talablar:
- past issiqlik o'tkazuvchanligi va yuqori elektr o'tkazuvchanligi tufayli yuqori samaradorlik, yuqori Seebek koeffitsienti;
- yuqori harorat va termomexanik qarshilikta'sir;
- foydalanish va ekologik xavfsizlik;
- tebranishlarga va haroratning keskin o'zgarishiga qarshilik;
- uzoq muddatli barqarorlik va arzon narx;
- ishlab chiqarish jarayonini avtomatlashtirish.
Hozirda optimal termojuftlarni tanlash boʻyicha tajribalar olib borilmoqda, bu esa TEG samaradorligini oshiradi. Termoelektrik yarimo'tkazgich materiali tellurid va vismut qotishmasi hisoblanadi. U alohida bloklar yoki elementlarni turli "N" va "P" xarakteristikalari bilan ta'minlash uchun maxsus ishlab chiqarilgan.
Termoelektrik materiallar koʻpincha eritilgan yoki presslangan kukunli metallurgiyadan yoʻnalishli kristallanish yoʻli bilan tayyorlanadi. Har bir ishlab chiqarish usuli o'ziga xos afzalliklarga ega, ammo yo'nalishli o'sish materiallari eng keng tarqalgan. Vismut-telluritdan (Bi 2 Te 3) tashqari, boshqa termoelektrik materiallar, jumladan, qo'rg'oshin va tellurit (PbTe), kremniy va germaniy (SiGe), vismut va surma (Bi-Sb) qotishmalari mavjud bo'lib, ular maxsus ishlab chiqarishda ishlatilishi mumkin. holatlar. Aksariyat TEGlar uchun vismut va tellurid termojuftlari eng yaxshisidir.
TEG qadr-qimmati
Termoelektr generatorlarining afzalliklari:
- elektr energiyasi murakkab uzatish tizimlari va harakatlanuvchi qismlardan foydalanmasdan yopiq, bir bosqichli zanjirda ishlab chiqariladi;
- ishlaydigan suyuqliklar va gazlarning etishmasligi;
- zararli moddalar, chiqindi issiqlik va atrof-muhitning shovqin ifloslanishi yo'q;
- qurilma uzoq batareya quvvatiishlaydi;
- energetika resurslarini tejash uchun chiqindi issiqlikdan (ikkilamchi issiqlik manbalaridan) foydalanish
- ishlash muhitidan qat'i nazar, ob'ektning istalgan holatida ishlash: kosmos, suv, yer;
- DC past kuchlanish ishlab chiqarish;
- qisqa tutashuvga qarshi immunitet;
- Cheksiz saqlash muddati, 100% foydalanishga tayyor.
Termoelektr generatorini qoʻllash sohalari
TEG ning afzalliklari rivojlanish istiqbollarini va uning yaqin kelajagini belgilab berdi:
- okean va fazoni oʻrganish;
- kichik (maishiy) muqobil energiyada qoʻllash;
- avtomobil egzoz quvurlaridan issiqlikdan foydalanish;
- qayta ishlash tizimlarida;
- sovutish va konditsioner tizimlarida;
- teplovozlar va avtomobillarning dizel dvigatellarini bir zumda isitish uchun issiqlik nasos tizimlarida;
- dala sharoitida isitish va pishirish;
- elektron qurilmalar va soatlarni zaryadlash;
- sportchilar uchun sensorli bilaguzuklarning oziqlanishi.
Termoelektrik Peltier konvertori
Peltier elementi (EP) bir xil nomdagi Peltier effekti yordamida ishlaydigan termoelektrik konvertor boʻlib, uchta termoelektr effektidan biri (Seebek va Tomson).
Fransuz Jan-Charlz Peltier mis va vismut simlarini bir-biriga ulab, ularni akkumulyatorga ulagan va shu tariqa ikkita ulanishni yaratgan.o'xshash bo'lmagan metallar. Batareya yoqilganda, ulanish nuqtalaridan biri qiziydi, ikkinchisi esa soviydi.
Peltier effektli qurilmalari juda ishonchli, chunki ular harakatlanuvchi qismlarga ega emas, texnik xizmat koʻrsatmaydi, zararli gazlar chiqarmaydi, ixcham va oqim yoʻnalishiga qarab ikki tomonlama (isitish va sovutish) ishlaydi.
Afsuski, ular samarasiz, unumdorligi past, juda koʻp issiqlik chiqaradi, bu esa qoʻshimcha shamollatishni talab qiladi va qurilma narxini oshiradi. Bunday qurilmalar juda ko'p elektr energiyasini iste'mol qiladi va haddan tashqari issiqlik yoki kondensatsiyaga olib kelishi mumkin. 60 mm x 60 mm dan katta Peltier elementlari deyarli topilmaydi.
ES doirasi
Termoelektriklarni ishlab chiqarishga ilgʻor texnologiyalarni joriy etish RaI ishlab chiqarish tannarxini pasaytirishga va bozorga chiqish imkoniyatlarini kengaytirishga olib keldi.
Bugungi kunda EP keng tarqalgan:
- koʻchma sovutgichlarda, kichik jihozlar va elektron qismlarni sovutish uchun;
- havodan suv olish uchun namlagichlarda;
- kosmik kemada toʻgʻridan-toʻgʻri quyosh nurlarining kemaning bir tomoniga taʼsirini muvozanatlash va issiqlikni boshqa tomonga tarqatish uchun;
- astronomik teleskoplar va yuqori sifatli raqamli kameralarning foton detektorlarini sovutish uchun, haddan tashqari issiqlik tufayli kuzatuv xatolarini minimallashtirish uchun;
- kompyuter komponentlarini sovutish uchun.
Yaqinda u maishiy maqsadlarda keng qoʻllanila boshlandi:
- ichimliklarni sovutish yoki isitish uchun USB portiga ulangan sovutgich qurilmalarda;
- bir bosqichli sovutish uchun haroratni -80 darajaga va ikki bosqichli uchun -120 darajaga tushirish bilan siqish muzlatgichlarini sovutishning qo'shimcha bosqichi shaklida;
- avtomobillarda avtonom muzlatgichlar yoki isitgichlar yaratish uchun.
Xitoy qiymati 7 yevrogacha boʻlgan TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 modifikatsiyalarining Peltier elementlarini ishlab chiqarishni yoʻlga qoʻydi, ular “issiq-sovuq” sxemalar boʻyicha 200 Vtgacha quvvatni taʼminlay oladi, -30 dan 138 darajagacha bo'lgan harorat zonasida 200 000 soatgacha ishlash muddati bilan.
RITEG yadro batareyalari
Radioizotopli termoelektr generatori (RTG) radioaktiv moddaning parchalanishidan issiqlikni elektr energiyasiga aylantirish uchun termojuftlardan foydalanadigan qurilma. Ushbu generatorda harakatlanuvchi qismlar yo'q. RITEG SSSR tomonidan Arktika doirasi uchun qurilgan sun'iy yo'ldoshlar, kosmik kemalar, masofaviy mayoq inshootlarida energiya manbai sifatida ishlatilgan.
RTGlar odatda bir necha yuz vatt quvvat talab qiladigan qurilmalar uchun eng koʻp afzal quvvat manbai hisoblanadi. Yoqilg'i xujayralari, batareyalar yoki quyosh batareyalari samarasiz bo'lgan joylarda o'rnatilgan generatorlarda. Radioizotopli termoelektr generatori radioizotop bilan ishlashda qattiq ishlashni talab qiladixizmat muddati tugaganidan keyin uzoq vaqt.
Rossiyada 1000 ga yaqin RTG mavjud bo'lib, ular asosan uzoq masofali vositalarda quvvat manbalari uchun ishlatilgan: mayoqlar, radio mayoqlar va boshqa maxsus radio jihozlari. Poloniy-210 da birinchi kosmik RTG 1962 yilda Limon-1, keyin esa 20 Vt quvvatga ega Orion-1 edi. Eng so'nggi modifikatsiya Strela-1 va Kosmos-84/90 sun'iy yo'ldoshlariga o'rnatildi. Lunokhods-1, 2 va Mars-96 isitish tizimlarida RTGlardan foydalangan.
DIY termoelektr generator qurilmasi
TEGda sodir boʻlayotgan bunday murakkab jarayonlar mahalliy “kulibinlar”ning TEGni yaratish boʻyicha global ilmiy-texnikaviy jarayonga qoʻshilish istagini toʻxtata olmaydi. Uy qurilishi TEGlaridan foydalanish uzoq vaqtdan beri qo'llanilgan. Ulug 'Vatan urushi yillarida partizanlar universal termoelektr generatorini yasadilar. U radioni zaryad qilish uchun elektr ishlab chiqardi.
Maishiy iste'molchi uchun hamyonbop narxlarda Peltier elementlari bozorda paydo bo'lishi bilan quyidagi amallarni bajarib, o'zingiz TEG yasashingiz mumkin.
- IT do'konidan ikkita sovutgich oling va termal pasta surting. Ikkinchisi Peltier elementining ulanishini osonlashtiradi.
- Radiatorlarni har qanday issiqlik izolyatori bilan ajrating.
- Peltier elementi va simlarini joylashtirish uchun izolyatorda teshik oching.
- Strukturani yig'ing va issiqlik manbasini (sham) radiatorlardan biriga keltiring. Isitish qanchalik uzoq bo'lsa, uy termoelektridan ko'proq oqim hosil bo'ladigenerator.
Bu qurilma jim ishlaydi va engil vaznga ega. ic2 termoelektr generatori o'lchamiga ko'ra, mobil telefonni zaryadlash moslamasini ulashi, kichik radioni yoqishi va LED yoritgichini yoqishi mumkin.
Hozirda koʻplab taniqli jahon ishlab chiqaruvchilari avtomobil ishqibozlari va sayohatchilar uchun TEG-dan foydalangan holda turli xil arzon gadjetlar ishlab chiqarishni yoʻlga qoʻygan.
Termoelektr ishlab chiqarishni rivojlantirish istiqbollari
Uy xoʻjaliklarida TEG isteʼmoliga boʻlgan talab 14% ga oʻsishi kutilmoqda. Termoelektrik ishlab chiqarishni rivojlantirish istiqbollari Market Research Future tomonidan "Global termoelektrik generatorlar bozorini o'rganish hisoboti - 2022 yilga prognoz" - bozor tahlili, hajmi, ulushi, taraqqiyoti, tendentsiyalari va prognozlari haqidagi maqolani chop etish orqali e'lon qilindi. Hisobot TEG kompaniyasining avtomobil chiqindilarini qayta ishlash va maishiy va sanoat ob'ektlari uchun elektr va issiqlik energiyasini birgalikda ishlab chiqarish va'dasini tasdiqlaydi.
Geografik jihatdan global termoelektr generator bozori Amerika, Yevropa, Osiyo-Tinch okeani, Hindiston va Afrikaga boʻlingan. Osiyo-Tinch okeani mintaqasi TEG bozorini joriy qilishda eng tez rivojlanayotgan segment hisoblanadi.
Ushbu mintaqalar orasida Amerika, ekspertlarning fikricha, jahon TEG bozorida asosiy daromad manbai hisoblanadi. Toza energiyaga talab ortishi Amerikada talabni oshirishi kutilmoqda.
Yevropa ham prognoz davrida nisbatan tez o'sishni ko'rsatadi. Hindiston va Xitoy bo'ladiavtotransport vositalariga bo'lgan talabning ortishi hisobiga iste'molni sezilarli darajada oshirish, bu esa generator bozorining o'sishiga olib keladi.
Volkswagen, Ford, BMW va Volvo kabi avtomobil kompaniyalari NASA bilan hamkorlikda avtomobillarda issiqlikni qayta tiklash va yoqilg'i tejamkorligi tizimi uchun mini-TEGlarni ishlab chiqishni allaqachon boshlagan.
