גנרטור תרמי (TEG thermogenerator) הוא מכשיר חשמלי המשתמש באפקטים של Seebeck, Thomson ו-Peltier כדי לייצר חשמל באמצעות thermo-EMF. אפקט התרמו-EMF התגלה על ידי המדען הגרמני תומס יוהאן סיבק (אפקט סיבק) בשנת 1821. בשנת 1851, ויליאם תומסון (לימים לורד קלווין) המשיך במחקר תרמודינמי והוכיח שמקור הכוח האלקטרו-מוטיבי (EMF) הוא הפרש טמפרטורה.
בשנת 1834, הממציא והשענים הצרפתי ז'אן שארל פלטייר גילה את האפקט התרמו-אלקטרי השני, מצא שהפרש הטמפרטורה מתרחש במפגש של שני סוגים שונים של חומרים בהשפעת זרם חשמלי (אפקט פלטייר). באופן ספציפי, הוא חזה ש-EMF יתפתח בתוך מוליך בודד כאשר יהיה הפרש טמפרטורה.
בשנת 1950 גילה האקדמאי והחוקר הרוסי אברם איופה את התכונות התרמו-אלקטריות של מוליכים למחצה. גנרטור כוח תרמי החל לשמש במערכות אספקת חשמל אוטונומיות באזורים בלתי נגישים. חקר החלל החיצון, הליכת החלל של האדם נתן תנופה חזקה לפיתוח המהיר של ממירים תרמו-אלקטריים.
מקור האנרגיה הרדיואיזוטופ הותקן לראשונה על חלליות ותחנות מסלול. הם מתחילים לשמש בתעשיית הנפט והגז הגדולה להגנה נגד קורוזיה של צינורות גז, בעבודות מחקר בצפון הרחוק, בתחום הרפואה כקוצבי לב ובדיור כמקורות אוטונומיים לאספקת חשמל.
אפקט טרמו-אלקטרי והעברת חום במערכות אלקטרוניות
גנרטורים תרמיים, שעיקרון פעולתם מבוסס על השימוש המורכב בהשפעתם של שלושה מדענים (Seebeck, Thomson, Peltier), פותחו כמעט 150 שנה לאחר גילויים שהקדימו בהרבה את זמנם.
אפקט תרמי הוא התופעה הבאה. לקירור או ייצור חשמל, נעשה שימוש ב"מודול" המורכב מזוגות מחוברים חשמלית. כל זוג מורכב מחומר מוליכים למחצה p (S> 0) ו-n (S<0). שני החומרים הללו מחוברים על ידי מוליך שההספק התרמו-אלקטרי שלו הוא אפס. שני ענפים (p ו-n) וכל שאר הזוגות המרכיבים את המודול מחוברים בסדרה במעגל החשמלי ובמקביל במעגל התרמי. TEG (גנרטור תרמי חשמלי) עם פריסה זו יוצר תנאים לייעל את זרימת החום שעוברת דרך המודול, תוך התגברות עליוהתנגדות חשמלית. זרם חשמלי פועל בצורה כזו שנושאי מטען (אלקטרונים וחורים) נעים ממקור קר למקור חם (במובן התרמודינמי) בשני ענפים של הזוג. במקביל, הם תורמים להעברת אנטרופיה ממקור קר למקור חם, לזרימת חום שתתנגד להולכת חום.
אם לחומרים שנבחרו יש תכונות תרמו-אלקטריות טובות, שטף החום הזה שנוצר על ידי תנועת נושאי המטען יהיה גדול מהמוליכות התרמית. לכן המערכת תעביר חום ממקור קר למקור חם ותשמש כמקרר. במקרה של ייצור חשמל, זרימת החום גורמת לעקירה של נושאי מטען ולהופעת זרם חשמלי. ככל שהפרש הטמפרטורה גדול יותר, כך ניתן להשיג יותר חשמל.
TEG efficiency
מוערך לפי גורם היעילות. הספק של גנרטור תרמו-אלקטרי תלוי בשני גורמים קריטיים:
- כמות זרימת החום שיכולה לעבור בהצלחה דרך המודול (זרימת חום).
- Temperatur deltas (DT) - הפרש הטמפרטורה בין הצד החם והקר של הגנרטור. ככל שהדלתא גדולה יותר, כך היא פועלת בצורה יעילה יותר, לכן יש לספק תנאים בצורה קונסטרוקטיבית, הן לאספקת קור מקסימלית והן להסרת חום מקסימלית מדפנות הגנרטור.
המונח "יעילות של גנרטורים תרמו-אלקטריים" דומה למונח המוחל על כל שאר הסוגיםמנועים תרמיים. עד כה הוא נמוך מאוד ומסתכם ב-17% מהיעילות של קרנו. היעילות של מחולל TEG מוגבלת על ידי יעילות קרנו ומגיעה בפועל לאחוזים בודדים (2-6%) גם בטמפרטורות גבוהות. זה נובע מהמוליכות התרמית הנמוכה בחומרים מוליכים למחצה, שאינה תורמת לייצור חשמל יעיל. לפיכך, יש צורך בחומרים בעלי מוליכות תרמית נמוכה, אך יחד עם זאת עם מוליכות חשמלית גבוהה ככל האפשר.
מוליכים למחצה עושים עבודה טובה יותר ממתכות, אבל עדיין רחוקים מאוד מאותם אינדיקטורים שיביאו גנרטור תרמו-אלקטרי לרמה של ייצור תעשייתי (עם לפחות 15% שימוש בחום בטמפרטורה גבוהה). עלייה נוספת ביעילות של TEG תלויה במאפיינים של חומרים תרמו-אלקטריים (תרמו-אלקטריים), שהחיפוש אחריהם תפוס כיום על ידי כל הפוטנציאל המדעי של כדור הארץ.
פיתוח תרמו-אלקטריק חדש מורכב ויקר יחסית, אבל אם יצליח, הם יגרמו למהפכה טכנולוגית במערכות הייצור.
חומרים טרמו-חשמליים
התרמו-אלקטריה מורכבת מסגסוגות מיוחדות או תרכובות מוליכים למחצה. לאחרונה, נעשה שימוש בפולימרים מוליכים חשמלית למאפיינים תרמו-אלקטריים.
דרישות עבור תרמו-חשמל:
- יעילות גבוהה עקב מוליכות תרמית נמוכה ומוליכות חשמלית גבוהה, מקדם Seebeck גבוה;
- התנגדות לטמפרטורות גבוהות ותרמו-מכניהשפעה;
- נגישות ובטיחות סביבתית;
- התנגדות לרעידות ושינויים פתאומיים בטמפרטורה;
- יציבות לטווח ארוך ועלות נמוכה;
- אוטומציה של תהליך הייצור.
כיום, נערכים ניסויים לבחירת צמדים תרמיים אופטימליים, שיגדילו את יעילות ה-TEG. החומר המוליך למחצה התרמו-אלקטרי הוא סגסוגת של טלוריד וביסמוט. הוא יוצר במיוחד כדי לספק בלוקים או אלמנטים בודדים עם מאפיינים שונים של "N" ו-"P".
חומרים תרמיים מיוצרים לרוב על ידי התגבשות כיוונית ממטלורגיית אבקה מותכת או דחוסה. לכל שיטת ייצור יתרון מיוחד משלה, אך חומרי גידול כיווני הם הנפוצים ביותר. בנוסף לביסמוט טלוריט (Bi 2 Te 3), ישנם חומרים תרמו-אלקטריים נוספים, כולל סגסוגות של עופרת וטלוריט (PbTe), סיליקון וגרמניום (SiGe), ביסמוט ואנטימון (Bi-Sb), אשר ניתן להשתמש בהם בספציפיות. מקרים. בעוד שצמדי ביסמוט וטלורידים הם הטובים ביותר עבור רוב ה-TEGs.
Dignity of TEG
יתרונות של גנרטורים תרמו-חשמליים:
- חשמל מופק במעגל סגור חד-שלבי ללא שימוש במערכות שידור מורכבות ושימוש בחלקים נעים;
- מחסור בנוזלים וגזים עובדים;
- ללא פליטות של חומרים מזיקים, פסולת חום וזיהום רעש של הסביבה;
- מכשיר חיי סוללה ארוכיםמתפקד;
- שימוש בפסולת חום (מקורות חום משניים) כדי לחסוך במשאבי אנרגיה
- עבוד בכל מיקום של האובייקט, ללא קשר לסביבת ההפעלה: חלל, מים, אדמה;
- ייצור מתח נמוך DC;
- חסינות במעגל קצר;
- חיי מדף בלתי מוגבלים, 100% מוכן לשימוש.
שדות היישום של גנרטור תרמואלקטרי
היתרונות של TEG קבעו את סיכויי הפיתוח והעתיד הקרוב שלה:
- מחקר של האוקיינוס והחלל;
- יישום באנרגיה חלופית קטנה (ביתית);
- שימוש בחום מצינורות פליטה של מכוניות;
- במערכות מיחזור;
- במערכות קירור ומיזוג אוויר;
- במערכות משאבות חום לחימום מיידי של מנועי דיזל של קטרי דיזל ומכוניות;
- חימום ובישול בתנאי שטח;
- טעינת מכשירים ושעונים אלקטרוניים;
- תזונה של צמידים חושיים לספורטאים.
ממיר פלטייר טרמו-חשמלי
Peltier element (EP) הוא ממיר תרמו-אלקטרי הפועל באמצעות אפקט Peltier באותו שם, אחד משלושת האפקטים התרמו-אלקטריים (Seebeck and Thomson).
הצרפתי ז'אן-שארל פלטייר חיבר חוטי נחושת וביסמוט זה לזה וחיבר אותם לסוללה, וכך יצר זוג חיבורים של שנייםמתכות לא דומות. כשהסוללה הייתה מופעלת, אחד הצמתים היה מתחמם והשני היה מתקרר.
מכשירי אפקט פלטייר אמינים במיוחד מכיוון שאין להם חלקים נעים, נטולי תחזוקה, אינם פולטים גזים מזיקים, קומפקטיים ובעלי פעולה דו-כיוונית (חימום וקירור) בהתאם לכיוון הזרם.
למרבה הצער, הם לא יעילים, בעלי יעילות נמוכה, פולטים די הרבה חום, מה שמצריך אוורור נוסף ומייקר את עלות המכשיר. מכשירים כאלה צורכים די הרבה חשמל ועלולים לגרום להתחממות יתר או עיבוי. אלמנטים של פלטייר הגדולים מ-60 מ"מ על 60 מ"מ כמעט ולא נמצאו.
היקף של ES
הכנסת טכנולוגיות מתקדמות בייצור תרמו-אלקטריק הובילה להוזלה בעלות הייצור של EP ולהרחבת נגישות השוק.
היום EP נמצא בשימוש נרחב:
- במצננים ניידים, לקירור מכשירי חשמל קטנים ורכיבים אלקטרוניים;
- במסירי לחות להפקת מים מהאוויר;
- בחללית כדי לאזן את ההשפעה של אור שמש ישיר בצד אחד של הספינה תוך פיזור חום לצד השני;
- לקרר את גלאי הפוטונים של טלסקופים אסטרונומיים ומצלמות דיגיטליות באיכות גבוהה כדי למזער שגיאות תצפית עקב התחממות יתר;
- לקירור רכיבי מחשב.
לאחרונה, נעשה בו שימוש נרחב למטרות ביתיות:
- במכשירי קירור המופעלים באמצעות יציאת USB לקירור או חימום משקאות;
- בצורת שלב נוסף של קירור של מקררי דחיסה עם ירידה בטמפרטורה ל-80 מעלות לקירור חד-שלבי ועד -120 לדו-שלבי;
- במכוניות ליצירת מקררים או תנורי חימום אוטונומיים.
סין השיקה את הייצור של אלמנטים של Peltier עם שינויים TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 בשווי של עד 7 יורו, שיכולים לספק הספק של עד 200 W לפי תוכניות "חום-קור", עם חיי שירות של עד 200,000 שעות פעולה באזור הטמפרטורה מ-30 עד 138 מעלות צלזיוס.
סוללות גרעיניות RITEG
גנרטור תרמו-אלקטרי רדיואיזוטופ (RTG) הוא מכשיר המשתמש בצמדים תרמיים כדי להמיר חום מהתפרקות של חומר רדיואקטיבי לחשמל. לגנרטור זה אין חלקים נעים. RITEG שימש כמקור אנרגיה בלוויינים, חלליות, מתקני מגדלור מרוחקים שנבנו על ידי ברית המועצות עבור החוג הארקטי.
RTGs הם בדרך כלל מקור הכוח המועדף ביותר עבור מכשירים הדורשים כמה מאות וואט של כוח. בתאי דלק, סוללות או גנרטורים המותקנים במקומות שבהם תאים סולאריים אינם יעילים. גנרטור תרמו-אלקטרי רדיואיזוטופ דורש טיפול קפדני ברדיואיזוטופים במהלךזמן רב לאחר תום חיי השירות שלו.
יש כ-1,000 RTGs ברוסיה, ששימשו בעיקר למקורות כוח באמצעים ארוכי טווח: מגדלורים, משואות רדיו וציוד רדיו מיוחד אחר. החלל RTG הראשון על פולוניום-210 היה Limon-1 בשנת 1962, ולאחר מכן Orion-1 עם הספק של 20 W. השינוי האחרון הותקן בלווייני Strela-1 ו-Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 ו-Mars-96 השתמשו ב-RTG במערכות החימום שלהם.
מכשיר מחולל תרמו-אלקטרי עשה זאת בעצמך
תהליכים מורכבים שכאלה שמתרחשים ב-TEG אינם עוצרים את ה"קוליבינים" המקומיים ברצונם להצטרף לתהליך המדעי והטכני העולמי ליצירת ה-TEG. השימוש ב-TEG תוצרת בית היה בשימוש כבר זמן רב. במהלך המלחמה הפטריוטית הגדולה, פרטיזנים יצרו גנרטור תרמו-אלקטרי אוניברסלי. זה ייצר חשמל כדי לטעון את הרדיו.
עם כניסתם של אלמנטי Peltier לשוק במחירים נוחים לצרכן הביתי, אפשר לעשות TEG בעצמכם על ידי ביצוע השלבים שלהלן.
- קבל שני גופי קירור מחנות IT ומרח משחה תרמית. זה האחרון יקל על החיבור של אלמנט פלטייר.
- הפרד את הרדיאטורים עם כל מבודד חום.
- צור חור במבודד כדי להכיל את האלמנט והחוטים של Peltier.
- הרכיבו את המבנה והביאו את מקור החום (נר) לאחד הרדיאטורים. ככל שהחימום ארוך יותר, כך ייווצר יותר זרם מהתרמו-אלקטרי הביתימחולל.
מכשיר זה פועל בשקט וקל משקלו. הגנרטור התרמו-אלקטרי ic2, לפי הגודל, יכול לחבר מטען לטלפון נייד, להדליק רדיו קטן ולהדליק תאורת לד.
כרגע, יצרנים גלובליים ידועים רבים השיקו ייצור של גאדג'טים שונים במחירים סבירים באמצעות TEG עבור חובבי רכב ומטיילים.
סיכויים לפיתוח ייצור תרמו-אלקטרי
הביקוש לצריכת TEG במשק בית צפוי לגדול ב-14%. תחזית פיתוח הדור התרמו-אלקטרי פורסמה על-ידי Market Research Future על-ידי הוצאת המאמר "דוח מחקר שוק תרמו-אלקטרי שוק - תחזית ל-2022" - ניתוח שוק, נפח, נתח, התקדמות, מגמות ותחזיות. הדו"ח מאשר את ההבטחה של TEG במיחזור פסולת רכב ובייצור משותף של חשמל וחום למתקנים ביתיים ותעשייתיים.
מבחינה גיאוגרפית, שוק הגנרטורים התרמו-אלקטריים העולמי חולק לאמריקה, אירופה, אסיה-פסיפיק, הודו ואפריקה. אסיה-פסיפיק נחשבת לפלח הצומח ביותר ביישום שוק ה-TEG.
בין האזורים הללו, אמריקה, לפי מומחים, היא מקור ההכנסה העיקרי בשוק ה-TEG העולמי. עלייה בביקוש לאנרגיה נקייה צפויה להגביר את הביקוש באמריקה.
אירופה גם תציג צמיחה מהירה יחסית במהלך תקופת התחזית. הודו וסין יעשו זאתלהגדיל את הצריכה בקצב משמעותי עקב הגידול בביקוש לכלי רכב, מה שיביא לצמיחת שוק הגנרטורים.
חברות רכב כמו פולקסווגן, פורד, ב.מ.וו ווולוו, בשיתוף עם נאס א, כבר החלו לפתח מיני-TEGs למערכת שחזור חום וחיסכון בדלק בכלי רכב.
