Thermoelectric generator (TEG thermogenerator) нь термо-EMF-ээр цахилгаан үүсгэхийн тулд Seebeck, Thomson, Peltier эффектүүдийг ашигладаг цахилгаан төхөөрөмж юм. Thermo-EMF эффектийг 1821 онд Германы эрдэмтэн Томас Иоганн Зейбек (Зебек эффект) нээсэн. 1851 онд Уильям Томсон (дараа нь Лорд Келвин) термодинамикийн судалгааг үргэлжлүүлж, цахилгаан хөдөлгөх хүчний (EMF) эх үүсвэр нь температурын зөрүү болохыг баталжээ..
1834 онд Францын зохион бүтээгч, цаг үйлдвэрлэгч Жан Чарльз Пелтье хоёр дахь термоэлектрик эффектийг нээж, температурын зөрүү нь цахилгаан гүйдлийн нөлөөн дор хоёр өөр төрлийн материалын уулзварт үүсдэг болохыг тогтоожээ (Пелтиер эффект). Тодруулбал, тэр температурын зөрүүтэй үед нэг дамжуулагчийн дотор EMF үүсдэг гэж таамагласан.
1950 онд Оросын академич, судлаач Абрам Иоффе хагас дамжуулагчийн дулаан цахилгаан шинж чанарыг нээжээ. Дулааны цахилгаан үүсгүүрийг ашиглаж эхэлсэнхүрэх боломжгүй газруудад бие даасан цахилгаан хангамжийн систем. Сансар огторгуйг судлах, хүний сансарт алхах нь дулаан цахилгаан хувиргагчийг эрчимтэй хөгжүүлэхэд хүчтэй түлхэц өгсөн.
Радиоизотопын энергийн эх үүсвэрийг анх сансрын хөлөг болон тойрог замын станцуудад суурилуулсан. Тэдгээрийг газрын тос, байгалийн хийн томоохон үйлдвэрүүдэд хийн хоолойг зэврэлтээс хамгаалах, Алс Хойд дахь судалгааны ажилд, анагаах ухааны салбарт зүрхний аппарат, орон сууцанд цахилгаан хангамжийн бие даасан эх үүсвэр болгон ашиглаж эхэлжээ.
Цахим систем дэх дулаан цахилгаан нөлөө ба дулаан дамжуулалт
Ашиглалтын зарчим нь гурван эрдэмтний (Зибек, Томсон, Пелтиер) үр нөлөөг цогцоор нь ашиглахад суурилдаг дулааны цахилгаан үүсгүүрүүд нь цаг хугацаанаасаа хол түрүүлж нээлт хийснээс хойш бараг 150 жилийн дараа бүтээгдсэн.
Дулааны цахилгаан эффект нь дараах үзэгдэл юм. Хөргөх эсвэл цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхийн тулд цахилгаанаар холбогдсон хосуудаас бүрдэх "модуль" -ийг ашигладаг. Хос бүр нь хагас дамжуулагч материалаас бүрдэнэ p (S> 0) ба n (S<0). Эдгээр хоёр материалыг дулаан цахилгаан нь тэг гэж үздэг дамжуулагчаар холбодог. Хоёр салбар (p ба n) болон модулийг бүрдүүлдэг бусад бүх хосууд нь цахилгаан хэлхээнд цуваа, дулааны хэлхээнд зэрэгцээ холбогдсон байна. Энэхүү зохион байгуулалттай TEG (дулаан цахилгаан үүсгүүр) нь модулийг дамжин өнгөрөх дулааны урсгалыг оновчтой болгож, түүнийг даван туулах нөхцлийг бүрдүүлдэг.цахилгаан эсэргүүцэл. Цахилгаан гүйдэл нь цэнэгийн тээвэрлэгчид (электрон ба нүхнүүд) хүйтэн эх үүсвэрээс халуун эх үүсвэр рүү (термодинамик утгаараа) хосын хоёр салаагаар шилжих байдлаар ажилладаг. Үүний зэрэгцээ тэд энтропийг хүйтэн эх үүсвэрээс халуун руу, дулаан дамжуулалтыг эсэргүүцэх дулааны урсгалд шилжүүлэхэд хувь нэмэр оруулдаг.
Хэрэв сонгосон материалууд нь сайн дулаан цахилгаан шинж чанартай бол цэнэг тээвэрлэгчдийн хөдөлгөөнөөс үүссэн энэ дулааны урсгал нь дулаан дамжилтын илтгэлцүүрээс их байх болно. Тиймээс систем нь дулааныг хүйтэн эх үүсвэрээс халуун руу шилжүүлж, хөргөгчийн үүргийг гүйцэтгэнэ. Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх тохиолдолд дулааны урсгал нь цэнэгийн тээвэрлэгчдийн шилжилт, цахилгаан гүйдэл үүсэх шалтгаан болдог. Температурын зөрүү их байх тусам илүү их цахилгаан авах боломжтой.
TEG үр ашиг
Үр ашгийн хүчин зүйлээр үнэлэгдсэн. Дулааны цахилгаан үүсгүүрийн хүч нь хоёр чухал хүчин зүйлээс хамаарна:
- Модуль дундуур амжилттай шилжих дулааны урсгалын хэмжээ (дулааны урсгал).
- Температурын дельта (DT) - генераторын халуун ба хүйтэн талын температурын зөрүү. Бельта том байх тусмаа илүү үр ашигтай ажилладаг тул хамгийн их хүйтэн хангамж, генераторын хананаас дулааныг хамгийн их хэмжээгээр зайлуулах нөхцлийг бүрдүүлсэн байх ёстой.
"Дулааны цахилгаан үүсгүүрийн үр ашиг" гэсэн нэр томъёо нь бусад бүх төрлийнхтэй төстэй.дулааны хөдөлгүүрүүд. Одоогийн байдлаар энэ нь маш бага бөгөөд Карногийн үр ашгийн 17% -иас ихгүй байна. TEG генераторын үр ашиг нь Карногийн үр ашгаар хязгаарлагддаг бөгөөд практикт өндөр температурт ч хэдхэн хувьд (2-6%) хүрдэг. Энэ нь хагас дамжуулагч материалын дулаан дамжуулалт багатай учраас эрчим хүчийг үр ашигтай үйлдвэрлэхэд тохиромжгүй байдаг. Тиймээс дулаан дамжилтын илтгэлцүүр багатай, гэхдээ нэгэн зэрэг хамгийн их цахилгаан дамжуулах чадвартай материал хэрэгтэй болно.
Хагас дамжуулагч нь металаас илүү сайн ажилладаг боловч дулааны цахилгаан үүсгүүрийг үйлдвэрлэлийн үйлдвэрлэлийн түвшинд (өндөр температурын дулааны 15% -иас багагүй хэрэглээтэй) хүргэх үзүүлэлтүүдээс маш хол хэвээр байна. TEG-ийн үр ашгийг цаашид нэмэгдүүлэх нь дулааны цахилгаан материалын (термоэлектрик) шинж чанараас шалтгаална, одоогоор эрэл хайгуул нь манай гаригийн бүх шинжлэх ухааны чадавхитай холбоотой юм.
Шинэ дулаан цахилгааныг бүтээх нь харьцангуй төвөгтэй бөгөөд өндөр өртөгтэй боловч амжилттай болбол үйлдвэрлэлийн системд технологийн хувьсгал хийх болно.
Дулааны цахилгаан материал
Термоэлектрикууд нь тусгай хайлш буюу хагас дамжуулагч нэгдлүүдээс тогтдог. Сүүлийн үед дулаан цахилгааны шинж чанарт цахилгаан дамжуулагч полимер ашиглагдаж байна.
Термоэлектрикт тавигдах шаардлага:
- Дулаан дамжилтын бага ба цахилгаан дамжуулах чадвар өндөртэй, Зебекийн өндөр коэффиценттэй учир өндөр үр ашигтай;
- өндөр температурт тэсвэртэй, термомеханикнөлөө;
- хүртээмж ба байгаль орчны аюулгүй байдал;
- чичиргээ болон температурын гэнэтийн өөрчлөлтөд тэсвэртэй;
- урт хугацааны тогтвортой байдал, хямд өртөг;
- үйлдвэрлэлийн процессын автоматжуулалт.
Одоогоор TEG үр ашгийг нэмэгдүүлэх оновчтой термопар сонгох туршилт хийгдэж байна. Дулаан цахилгаан хагас дамжуулагч материал нь теллурид ба висмутын хайлш юм. Энэ нь өөр өөр "N" болон "P" шинж чанартай тусдаа блок эсвэл элементүүдийг хангах зорилгоор тусгайлан үйлдвэрлэгдсэн.
Дулааны цахилгаан материалыг ихэвчлэн хайлсан эсвэл дарсан нунтаг металлургийн чиглэлийн талстжуулалтаар хийдэг. Үйлдвэрлэлийн арга бүр өөрийн гэсэн давуу талтай боловч чиглэлтэй өсөлтийн материал нь хамгийн түгээмэл байдаг. Висмут теллуритаас (Bi 2 Te 3) гадна бусад дулааны цахилгаан материалууд байдаг бөгөөд үүнд хар тугалга, теллурит (PbTe), цахиур ба германий (SiGe), висмут ба сурьма (Bi-Sb) зэрэг хайлшууд байдаг. тохиолдлууд. Висмут болон теллуридын термопар нь ихэнх TEG-д хамгийн тохиромжтой.
TEG-ийн нэр төр
Дулааны цахилгаан үүсгүүрийн давуу тал:
- цахилгааныг нарийн төвөгтэй дамжуулах систем, хөдөлгөөнт хэсгүүдийг ашиглахгүйгээр хаалттай, нэг үе шаттай хэлхээнд үйлдвэрлэдэг;
- ажлын шингэн, хий дутагдалтай;
- хортой бодис, хаягдал дулаан, хүрээлэн буй орчны дуу чимээний бохирдолгүй;
- төхөөрөмжийн батерейны хугацаа уртажиллаж байгаа;
- эрчим хүчний нөөцийг хэмнэхийн тулд хаягдал дулааныг (дулааны хоёрдогч эх үүсвэр) ашиглах
- үйл ажиллагааны орчноос үл хамааран объектын аль ч байрлалд ажиллах: орон зай, ус, дэлхий;
- DC бага хүчдэл үүсгэх;
- богино залгааны дархлаа;
- Хязгааргүй хадгалах хугацаа, 100% хэрэглэхэд бэлэн.
Дулааны цахилгаан үүсгүүрийн хэрэглээний талбар
TEG-ийн давуу тал нь хөгжлийн хэтийн төлөв болон ойрын ирээдүйг тодорхойлсон:
- далай сансар судлал;
- бага хэмжээний (дотоодын) өөр эрчим хүчний хэрэглээ;
- машины яндангийн дулааныг ашиглах;
- дахин боловсруулах системд;
- хөргөх болон агааржуулалтын системд;
- дизель зүтгүүр, автомашины дизель хөдөлгүүрийг шуурхай халаах зориулалттай дулааны насосны системд;
- хээрийн нөхцөлд халаах, хоол хийх;
- цахим төхөөрөмж болон цагийг цэнэглэх;
- тамирчдад зориулсан мэдрэхүйн бугуйвчны тэжээл.
Thermoelectric Peltier хувиргагч
Peltier элемент (EP) нь гурван термоэлектрик эффектийн нэг (Зибек ба Томсон)-ийн нэг болох ижил нэртэй Пелтье эффектийг ашиглан ажилладаг дулаан цахилгаан хувиргагч юм.
Францын иргэн Жан-Шарльз Пелтье зэс, висмутын утсыг хооронд нь холбож, батерейнд холбосноор хоёр хос холболт үүсгэв.ялгаатай металлууд. Батерейг асаасан үед уулзваруудын нэг нь халж, нөгөө нь хөрнө.
Пелтиер эффектийн төхөөрөмж нь хөдөлгөөнт хэсэггүй, засвар үйлчилгээ шаарддаггүй, хортой хий ялгаруулдаггүй, авсаархан, гүйдлийн чиглэлээс хамааран хоёр чиглэлтэй (халаалт, хөргөлт) ажилладаг тул маш найдвартай.
Харамсалтай нь тэдгээр нь үр ашиг багатай, үр ашиг багатай, нэлээд их хэмжээний дулаан ялгаруулдаг тул нэмэлт агааржуулалт шаардлагатай бөгөөд төхөөрөмжийн өртөг нэмэгддэг. Ийм төхөөрөмжүүд нь маш их цахилгаан зарцуулдаг бөгөөд хэт халалт эсвэл конденсац үүсгэдэг. 60 мм х 60 мм-ээс их хэмжээтэй Пелтье элемент бараг олддоггүй.
ES-ийн хамрах хүрээ
Дулааны цахилгааны үйлдвэрлэлд дэвшилтэт технологи нэвтрүүлснээр EP-ийн үйлдвэрлэлийн өртөг буурч, зах зээлийн хүртээмж нэмэгдэж байна.
Өнөөдөр EP өргөн хэрэглэгддэг:
- зөөврийн хөргөгчинд, жижиг цахилгаан хэрэгсэл болон электрон эд ангиудыг хөргөх зориулалттай;
- агаараас ус гаргаж авах чийгшүүлэгчид;
- хөлөг онгоцны нэг талдаа нарны шууд тусах нөлөөг тэнцвэржүүлж, дулааныг нөгөө тал руу нь тараах зориулалттай;
- хэт халалтын улмаас ажиглалтын алдааг багасгахын тулд одон орны дуран болон өндөр чанарын дижитал камерын фотон мэдрэгчийг хөргөх;
- компьютерийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хөргөхөд зориулагдсан.
Сүүлийн үед ахуйн хэрэгцээнд өргөн хэрэглэгдэх болсон:
- ундаа хөргөх эсвэл халаах зориулалттай USB портоор ажилладаг сэрүүн төхөөрөмжүүдэд;
- шахалтын хөргөгчийг нэг үе шаттай хөргөхөд -80 хэм хүртэл, хоёр үе шаттай бол -120 хэм хүртэл бууруулж хөргөх нэмэлт үе шат хэлбэрээр;
- Автономит хөргөгч эсвэл халаагч үүсгэхийн тулд машинд.
Хятад улс 7 еврогийн үнэтэй TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 загварын Peltier элементийн үйлдвэрлэлийг эхлүүлж, "халуун-хүйтэн" схемийн дагуу 200 Вт хүртэл эрчим хүч өгөх боломжтой. -30-аас 138 хэмийн температурын бүсэд 200,000 цаг хүртэл ажиллах хугацаатай.
RITEG цөмийн батерей
Радиоизотопын дулаан цахилгаан үүсгүүр (RTG) нь цацраг идэвхт бодисын задралаас үүсэх дулааныг цахилгаан болгон хувиргах термопар ашигладаг төхөөрөмж юм. Энэ генератор нь хөдөлгөөнт хэсэггүй. RITEG-ийг ЗХУ-ын Хойд туйлын тойрогт зориулан барьсан хиймэл дагуул, сансрын хөлөг, алслагдсан гэрэлт цамхагийн байгууламжуудад эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигласан.
RTG нь ерөнхийдөө хэдэн зуун ватт эрчим хүч шаарддаг төхөөрөмжүүдийн хамгийн их сонгосон тэжээлийн эх үүсвэр юм. Түлшний эсүүд, зай эсвэл генераторууд нарны зай үр ашиг багатай газарт суурилуулсан. Радиоизотопын дулаан цахилгаан үүсгүүр нь радиоизотоптой хатуу харьцахыг шаарддагашиглалтын хугацаа дууссанаас хойш удаан хугацаагаар.
Орос улсад 1000 орчим RTG байдаг бөгөөд тэдгээрийг голчлон алсын зайн хэрэгслээр эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигладаг: гэрэлт цамхаг, радио дохиолол болон бусад тусгай радио төхөөрөмж. Полони-210 дээрх анхны сансрын RTG нь 1962 онд Лимон-1, дараа нь 20 Вт-ын хүчин чадалтай Орион-1 байв. Хамгийн сүүлийн үеийн өөрчлөлтийг Стрела-1 болон Космос-84/90 хиймэл дагуул дээр суурилуулсан. Луноходс-1, 2, Марс-96 халаалтын системдээ RTG ашигласан.
DIY дулаан цахилгаан үүсгүүр төхөөрөмж
ТЕГ-т өрнөж буй ийм нарийн төвөгтэй үйл явц нь орон нутгийн "кулибин"-уудын ТЭД-ийг бий болгох дэлхийн шинжлэх ухаан, техникийн үйл явцад нэгдэх хүсэлд нь саад болохгүй. Гар хийцийн TEG ашиглах нь удаан хугацааны туршид ашиглагдаж ирсэн. Аугаа эх орны дайны үед партизанууд бүх нийтийн дулааны цахилгаан үүсгүүр хийжээ. Энэ нь радиог цэнэглэхийн тулд цахилгаан үйлдвэрлэсэн.
Өрхийн хэрэглэгчдэд хямд үнээр Peltier элементүүд зах зээлд гарч ирснээр доорх алхмуудыг дагаж ТЕГ-ыг өөрөө хийх боломжтой боллоо.
- МТ-ийн дэлгүүрээс хоёр халаагч аваад дулааны оо түрхээрэй. Сүүлийнх нь Peltier элементийн холболтыг хөнгөвчлөх болно.
- Радиаторуудыг ямар ч дулаан тусгаарлагчаар тусгаарла.
- Пелтиер элемент болон утсыг байрлуулахын тулд тусгаарлагчид нүх гарга.
- Бүтэцийг угсарч, дулааны эх үүсвэрийг (лаа) радиаторуудын аль нэгэнд хүргэнэ. Халаалт удаан байх тусам гэрийн дулааны цахилгаанаас илүү их гүйдэл үүсэх болногенератор.
Энэ төхөөрөмж чимээгүй ажилладаг бөгөөд жин багатай. Хэмжээний дагуу ic2 дулаан цахилгаан үүсгүүр нь гар утасны цэнэглэгчийг холбож, жижиг радио асааж, LED гэрэлтүүлэг асаах боломжтой.
Одоогийн байдлаар дэлхийн алдартай олон үйлдвэрлэгчид автомашин сонирхогч, аялагчдад зориулан TEG ашиглан хямд үнэтэй төрөл бүрийн хэрэгслүүд үйлдвэрлэж эхлээд байна.
Дулааны цахилгаан үйлдвэрлэлийн хөгжлийн хэтийн төлөв
ТЕГ-ын өрхийн хэрэглээний эрэлт 14%-иар өсөх төлөвтэй байна. Дулааны цахилгаан үүсгүүрийг хөгжүүлэх хэтийн төлөвийг Market Research Future сэтгүүл "Дэлхийн дулааны цахилгаан үүсгүүрийн зах зээлийн судалгааны тайлан - 2022 он хүртэлх таамаглал" - зах зээлийн шинжилгээ, хэмжээ, эзлэх хувь, ахиц дэвшил, чиг хандлага, таамаглал зэрэг илтгэлийг нийтлэв. Энэхүү тайлан нь автомашины хог хаягдлыг дахин боловсруулж, ахуйн болон үйлдвэрлэлийн байгууламжид цахилгаан, дулааныг хамтран үйлдвэрлэх чиглэлээр TEG-ийн амлалтыг баталж байна.
Газарзүйн хувьд дэлхийн дулааны цахилгаан үүсгүүрийн зах зээл нь Америк, Европ, Ази Номхон далай, Энэтхэг, Африкт хуваагддаг. Ази Номхон далайн бүс нутгийг TEG зах зээлийг хэрэгжүүлэхэд хамгийн хурдацтай хөгжиж буй сегмент гэж үздэг.
Эдгээр бүс нутгуудын дотроос Америк бол дэлхийн TEG зах зээлийн орлогын гол эх үүсвэр юм гэж шинжээчид үзэж байна. Цэвэр эрчим хүчний эрэлт нэмэгдэж байгаа нь Америкийн эрэлтийг нэмэгдүүлэх төлөвтэй байна.
Европ ч мөн таамагласан хугацаанд харьцангуй хурдан өсөлт үзүүлнэ. Энэтхэг, Хятад хоёр болноТээврийн хэрэгслийн эрэлт нэмэгдэж байгаатай холбоотойгоор хэрэглээг мэдэгдэхүйц хурдацтай нэмэгдүүлэх нь генераторын зах зээлийн өсөлтөд хүргэнэ.
Volkswagen, Ford, BMW, Volvo зэрэг автомашины компаниуд НАСА-тай хамтран автомашины дулааныг нөхөх, түлшний хэмнэлтийн системд зориулсан мини-TEG-уудыг аль хэдийн боловсруулж эхэлсэн.
