Ջերմաէլեկտրական գեներատորը (TEG thermogenerator) էլեկտրական սարք է, որն օգտագործում է Seebeck, Thomson և Peltier էֆեկտները՝ ջերմաէլեկտրակայանների միջոցով էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Thermo-EMF էֆեկտը հայտնաբերել է գերմանացի գիտնական Թոմաս Յոհան Զեբեքը (Seebeck effect) 1821 թվականին: 1851 թվականին Ուիլյամ Թոմսոնը (հետագայում՝ լորդ Քելվին) շարունակեց թերմոդինամիկական հետազոտությունը և ապացուցեց, որ էլեկտրաշարժիչ ուժի աղբյուրը (EMF) ջերմաստիճանի տարբերությունն է։.
1834 թվականին ֆրանսիացի գյուտարար և ժամագործ Ժան Շառլ Պելտիեն հայտնաբերեց երկրորդ ջերմաէլեկտրական էֆեկտը, որը պարզեց, որ ջերմաստիճանի տարբերությունը տեղի է ունենում երկու տարբեր տեսակի նյութերի միացման վայրում՝ էլեկտրական հոսանքի ազդեցության տակ (Peltier effect): Մասնավորապես, նա կանխատեսեց, որ EMF-ը կզարգանա մեկ հաղորդիչի ներսում, երբ առկա է ջերմաստիճանի տարբերություն:
1950 թվականին ռուս ակադեմիկոս և հետազոտող Աբրամ Իոֆֆեն հայտնաբերեց կիսահաղորդիչների ջերմաէլեկտրական հատկությունները։ Ջերմաէլեկտրական էներգիայի գեներատորը սկսել է օգտագործվելանհասանելի տարածքներում ինքնավար էլեկտրամատակարարման համակարգեր: Արտաքին տիեզերքի ուսումնասիրությունը, մարդու տիեզերական զբոսանքը հզոր խթան են տվել ջերմաէլեկտրական փոխարկիչների արագ զարգացմանը։
Ռադիոիզոտոպային էներգիայի աղբյուրը առաջին անգամ տեղադրվել է տիեզերանավերի և ուղեծրային կայանների վրա: Դրանք սկսում են օգտագործվել նավթի և գազի խոշոր արդյունաբերության մեջ գազատարների հակակոռոզիոն պաշտպանության համար, Հեռավոր հյուսիսում հետազոտական աշխատանքներում, բժշկության ոլորտում՝ որպես սրտի ռիթմավարներ և բնակարաններում՝ որպես էլեկտրամատակարարման ինքնավար աղբյուրներ։
Ջերմաէլեկտրական էֆեկտ և ջերմային փոխանցում էլեկտրոնային համակարգերում
Ջերմոէլեկտրական գեներատորները, որոնց շահագործման սկզբունքը հիմնված է երեք գիտնականների (Զեբեկ, Թոմսոն, Պելտիեր) ազդեցության համալիր օգտագործման վրա, ստեղծվել են իրենց ժամանակից շատ առաջ հայտնագործություններից գրեթե 150 տարի անց։
Ջերմաէլեկտրական էֆեկտը հետեւյալ երեւույթն է. Հովացման կամ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար օգտագործվում է «մոդուլ», որը բաղկացած է էլեկտրական միացված զույգերից։ Յուրաքանչյուր զույգ բաղկացած է կիսահաղորդչային նյութից p (S> 0) և n (S<0): Այս երկու նյութերը միացված են հաղորդիչով, որի ջերմաէլեկտրական հզորությունը ենթադրվում է զրոյական: Երկու ճյուղեր (p և n) և բոլոր մյուս զույգերը, որոնք կազմում են մոդուլը, միացված են էլեկտրական շղթայում հաջորդաբար և ջերմային շղթայում զուգահեռ: TEG-ը (ջերմաէլեկտրական գեներատոր) այս դասավորությամբ պայմաններ է ստեղծում մոդուլի միջով անցնող ջերմության հոսքը օպտիմալացնելու համար՝ հաղթահարելով այն։էլեկտրական դիմադրություն. Էլեկտրական հոսանքը գործում է այնպես, որ լիցքակիրները (էլեկտրոններ և անցքեր) զույգի երկու ճյուղերով սառը աղբյուրից տեղափոխվում են տաք աղբյուր (թերմոդինամիկական իմաստով): Միևնույն ժամանակ նրանք նպաստում են էնտրոպիայի փոխանցմանը սառը աղբյուրից տաք աղբյուրին, ջերմային հոսքին, որը կդիմադրի ջերմային հաղորդմանը:
Եթե ընտրված նյութերն ունեն լավ ջերմաէլեկտրական հատկություններ, ապա լիցքակիրների շարժման արդյունքում առաջացող այս ջերմային հոսքը ավելի մեծ կլինի, քան ջերմային հաղորդունակությունը: Հետևաբար, համակարգը սառը աղբյուրից ջերմություն կփոխանցի տաք աղբյուրին և կգործի որպես սառնարան: Էլեկտրաէներգիայի արտադրության դեպքում ջերմային հոսքը առաջացնում է լիցքակիրների տեղաշարժ և էլեկտրական հոսանքի առաջացում։ Որքան մեծ է ջերմաստիճանի տարբերությունը, այնքան ավելի շատ էլեկտրաէներգիա կարելի է ստանալ։
TEG արդյունավետություն
Գնահատվում է արդյունավետության գործակցով. Ջերմաէլեկտրական գեներատորի հզորությունը կախված է երկու կարևոր գործոնից՝
- Ջերմային հոսքի քանակությունը, որը կարող է հաջողությամբ շարժվել մոդուլի միջով (ջերմային հոսք):
- Ջերմաստիճանի դելտաներ (DT) - ջերմաստիճանի տարբերություն գեներատորի տաք և սառը կողմերի միջև: Որքան մեծ է դելտան, այնքան ավելի արդյունավետ է այն աշխատում, հետևաբար, պայմանները պետք է կառուցողականորեն ապահովվեն՝ ինչպես առավելագույն սառը մատակարարման, այնպես էլ գեներատորի պատերից ջերմության առավելագույն հեռացման համար:
«Ջերմաէլեկտրական գեներատորների արդյունավետություն» տերմինը նման է բոլոր մյուս տեսակների համար կիրառվող տերմինին.ջերմային շարժիչներ. Առայժմ այն շատ ցածր է և կազմում է Carnot-ի արդյունավետության ոչ ավելի, քան 17%-ը: TEG գեներատորի արդյունավետությունը սահմանափակվում է Carnot-ի արդյունավետությամբ և գործնականում հասնում է ընդամենը մի քանի տոկոսի (2-6%) նույնիսկ բարձր ջերմաստիճանի դեպքում: Դա պայմանավորված է կիսահաղորդչային նյութերի ցածր ջերմահաղորդականությամբ, ինչը չի նպաստում արդյունավետ էներգիայի արտադրությանը: Այսպիսով, անհրաժեշտ են ցածր ջերմային հաղորդունակությամբ, բայց միևնույն ժամանակ հնարավոր ամենաբարձր էլեկտրական հաղորդունակությամբ նյութեր։
Կիսահաղորդիչներն ավելի լավ են աշխատում, քան մետաղները, բայց դեռ շատ հեռու են այն ցուցանիշներից, որոնք ջերմաէլեկտրական գեներատորը կհասցնեն արդյունաբերական արտադրության մակարդակին (բարձր ջերմաստիճանի ջերմության առնվազն 15% օգտագործմամբ): TEG-ի արդյունավետության հետագա աճը կախված է ջերմաէլեկտրական նյութերի հատկություններից (ջերմոէլեկտրիկներ), որոնց որոնումը ներկայումս զբաղեցնում է մոլորակի ողջ գիտական ներուժը:
Նոր ջերմաէլեկտրիկների մշակումը համեմատաբար բարդ և թանկ է, բայց հաջողության դեպքում դրանք տեխնոլոգիական հեղափոխություն կառաջացնեն սերնդի համակարգերում:
Ջերմաէլեկտրական նյութեր
Ջերմաէլեկտրականները կազմված են հատուկ համաձուլվածքներից կամ կիսահաղորդչային միացություններից։ Վերջերս ջերմաէլեկտրական հատկությունների համար օգտագործվել են էլեկտրահաղորդիչ պոլիմերներ։
Պահանջներ ջերմաէլեկտրիկներին՝
- բարձր արդյունավետություն ցածր ջերմային հաղորդունակության և բարձր էլեկտրական հաղորդունակության, Seebeck բարձր գործակից;
- դիմադրություն բարձր ջերմաստիճաններին և ջերմամեխանիկականազդեցություն;
- մատչելիություն և բնապահպանական անվտանգություն;
- դիմադրություն թրթռումներին և ջերմաստիճանի հանկարծակի փոփոխություններին;
- երկարաժամկետ կայունություն և ցածր գնով;
- արտադրական գործընթացի ավտոմատացում։
Ներկայումս փորձարկումներ են իրականացվում օպտիմալ ջերմազույգերի ընտրության համար, ինչը կբարձրացնի TEG-ի արդյունավետությունը։ Ջերմաէլեկտրական կիսահաղորդչային նյութը տելուրիդի և բիսմութի համաձուլվածք է։ Այն հատուկ արտադրվել է տարբեր «N» և «P» բնութագրերով առանձին բլոկներ կամ տարրեր տրամադրելու համար:
Ջերմաէլեկտրական նյութերը առավել հաճախ պատրաստվում են ուղղորդված բյուրեղացման միջոցով՝ հալած կամ սեղմված փոշու մետալուրգիայից: Արտադրության յուրաքանչյուր մեթոդ ունի իր առանձնահատուկ առավելությունը, սակայն ուղղորդված աճող նյութերը ամենատարածվածն են: Բացի բիսմուտ տելուրիտից (Bi 2 Te 3), կան նաև այլ ջերմաէլեկտրական նյութեր, ներառյալ կապարի և տելուրիտի համաձուլվածքները (PbTe), սիլիցիումի և գերմանիումի (SiGe), բիսմուտի և անտիմոնի (Bi-Sb) համաձուլվածքները, որոնք կարող են օգտագործվել կոնկրետ դեպքեր. Մինչդեռ բիսմութային և տելուրիդային ջերմազույգերը լավագույնն են TEG-ների մեծ մասի համար:
TEG-ի արժանապատվություն
Ջերմաէլեկտրական գեներատորների առավելությունները.
- էլեկտրաէներգիան արտադրվում է փակ, միաստիճան միացումում՝ առանց բարդ փոխանցման համակարգերի և շարժական մասերի օգտագործման;
- գործող հեղուկների և գազերի բացակայություն;
- վնասակար նյութերի արտանետումներ, թափոնների ջերմություն և շրջակա միջավայրի աղմուկի աղտոտում;
- սարքի մարտկոցի երկար կյանքգործում;
- ջերմության թափոնների օգտագործումը (երկրորդային ջերմային աղբյուրներ) էներգիայի ռեսուրսները խնայելու համար
- աշխատել օբյեկտի ցանկացած դիրքում՝ անկախ գործող միջավայրից՝ տիեզերք, ջուր, երկիր;
- DC ցածր լարման արտադրություն;
- կարճ միացման իմունիտետ;
- Անսահմանափակ պահպանման ժամկետ, 100% պատրաստ:
Ջերմաէլեկտրական գեներատորի կիրառման դաշտերը
TEG-ի առավելությունները որոշեցին զարգացման հեռանկարներն ու մոտ ապագան.
- օվկիանոսի և տիեզերքի ուսումնասիրություն;
- կիրառություն փոքր (կենցաղային) այլընտրանքային էներգիայի մեջ;
- օգտագործելով ավտոմեքենայի արտանետվող խողովակներից ջերմություն;
- վերամշակման համակարգերում;
- սառեցման և օդորակման համակարգերում;
- ջերմային պոմպերի համակարգերում՝ դիզելային լոկոմոտիվների և մեքենաների դիզելային շարժիչների ակնթարթային ջեռուցման համար;
- տաքացում և եփում դաշտային պայմաններում;
- էլեկտրոնային սարքերի և ժամացույցների լիցքավորում;
- սնուցում զգայական ապարանջան մարզիկների համար.
Ջերմաէլեկտրական Peltier փոխարկիչ
Peltier տարրը (EP) ջերմաէլեկտրական փոխարկիչ է, որն աշխատում է Պելտիեի էֆեկտի օգտագործմամբ՝ օգտագործելով նույն անվանման էֆեկտը՝ երեք ջերմաէլեկտրական էֆեկտներից մեկը (Seebeck և Thomson):
Ֆրանսիացի Ժան-Շառլ Պելտիեն միացրել է պղնձի և բիսմութային մետաղալարերը միմյանց և միացրել դրանք մարտկոցի հետ՝ այդպիսով ստեղծելով զույգ միացումներ։աննման մետաղներ. Երբ մարտկոցը միացված էր, հանգույցներից մեկը տաքանում էր, իսկ մյուսը՝ սառչում։
Peltier էֆեկտով սարքերը չափազանց հուսալի են, քանի որ չունեն շարժական մասեր, չեն պահանջում սպասարկում, չեն արտանետում վնասակար գազեր, կոմպակտ են և ունեն երկկողմանի շահագործում (ջեռուցում և հովացում)՝ կախված հոսանքի ուղղությունից:
Ցավոք, դրանք անարդյունավետ են, ունեն ցածր արդյունավետություն, արտանետում են բավականին մեծ ջերմություն, ինչը պահանջում է լրացուցիչ օդափոխություն և բարձրացնում է սարքի ինքնարժեքը։ Նման սարքերը սպառում են բավականին մեծ քանակությամբ էլեկտրաէներգիա և կարող են առաջացնել գերտաքացում կամ խտացում: 60 մմ x 60 մմ-ից ավելի Peltier տարրեր գրեթե երբեք չեն գտնվել:
ES-ի շրջանակը
Ջերմոէլեկտրիկների արտադրության առաջադեմ տեխնոլոգիաների ներդրումը հանգեցրել է ՊԸ արտադրության արժեքի նվազեցմանը և շուկայի հասանելիության ընդլայնմանը:
Այսօր EP-ն լայնորեն կիրառվում է.
- շարժական հովացուցիչներում՝ փոքր սարքերի և էլեկտրոնային բաղադրիչների հովացման համար;
- խոնավացուցիչներում՝ օդից ջուր հանելու համար;
- տիեզերանավում՝ նավի մի կողմում արևի ուղիղ լույսի ազդեցությունը հավասարակշռելու համար, մինչդեռ ջերմությունը մյուս կողմում տարածվում է;
- աստղագիտական աստղադիտակների և բարձրորակ թվային տեսախցիկների ֆոտոնների դետեկտորները սառեցնելու համար գերտաքացման հետևանքով դիտողական սխալները նվազագույնի հասցնելու համար;
- համակարգչի բաղադրիչների սառեցման համար:
Վերջերս այն լայնորեն օգտագործվում է կենցաղային նպատակներով.
- ավելի սառը սարքերում, որոնք սնուցվում են USB պորտով ըմպելիքները սառեցնելու կամ տաքացնելու համար;
- կոմպրեսիոն սառնարանների սառեցման լրացուցիչ փուլի տեսքով՝ ջերմաստիճանի նվազմամբ մինչև -80 աստիճան միաստիճան հովացման և մինչև -120 երկաստիճան սառնարանների համար;
- մեքենաներում ինքնավար սառնարաններ կամ ջեռուցիչներ ստեղծելու համար:
Չինաստանը սկսել է մինչև 7 եվրո արժողությամբ TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 մոդիֆիկացիաների Peltier տարրերի արտադրությունը, որոնք կարող են ապահովել մինչև 200 Վտ հզորություն՝ «ջերմություն-ցուրտ» սխեմաների համաձայն, մինչև 200000 ժամ աշխատանքային ժամկետով ջերմաստիճանային գոտում -30-ից մինչև 138 աստիճան Ցելսիուս:
RITEG միջուկային մարտկոցներ
Ռադիոիզոտոպային ջերմաէլեկտրական գեներատորը (RTG) մի սարք է, որն օգտագործում է ջերմազույգներ՝ ռադիոակտիվ նյութերի քայքայման արդյունքում ստացվող ջերմությունը էլեկտրականության փոխակերպելու համար: Այս գեներատորը շարժական մասեր չունի: RITEG-ն օգտագործվել է որպես էներգիայի աղբյուր արբանյակների, տիեզերանավերի, հեռավոր փարոսային օբյեկտների վրա, որոնք կառուցվել են ԽՍՀՄ-ի կողմից Արկտիկական շրջանի համար:
RTG-ները սովորաբար ամենանախընտրելի էներգիայի աղբյուրն են մի քանի հարյուր Վտ հզորություն պահանջող սարքերի համար: Վառելիքի բջիջներում, մարտկոցներում կամ գեներատորներում, որոնք տեղադրված են այն վայրերում, որտեղ արևային մարտկոցներն անարդյունավետ են: Ռադիոիզոտոպային ջերմաէլեկտրական գեներատորը պահանջում է ռադիոիզոտոպների խիստ մշակում ընթացքումծառայության ժամկետի ավարտից երկար ժամանակ անց։
Ռուսաստանում կա մոտ 1000 RTG, որոնք հիմնականում օգտագործվում էին հեռահար միջոցների էներգիայի աղբյուրների համար՝ փարոսներ, ռադիոփարոսներ և այլ հատուկ ռադիոսարքավորումներ: Պոլոնիում-210-ի վրա առաջին տիեզերական RTG-ն եղել է Limon-1-ը 1962 թվականին, այնուհետև Orion-1-ը՝ 20 Վտ հզորությամբ: Վերջին մոդիֆիկացիան տեղադրվել է Strela-1 և Kosmos-84/90 արբանյակների վրա։ Lunokhods-1-ը, 2-ը և Mars-96-ն օգտագործել են RTG-ներ իրենց ջեռուցման համակարգերում:
DIY ջերմաէլեկտրական գեներատոր սարք
ՏԵԳ-ում տեղի ունեցող նման բարդ գործընթացները չեն խանգարում տեղի «կուլիբիններին»՝ միանալ TEG-ի ստեղծման համաշխարհային գիտատեխնիկական գործընթացին։ Տնական TEG-ների օգտագործումը վաղուց է կիրառվում։ Հայրենական մեծ պատերազմի ժամանակ պարտիզանները պատրաստեցին ունիվերսալ ջերմաէլեկտրական գեներատոր։ Այն էլեկտրաէներգիա էր արտադրում՝ ռադիոն լիցքավորելու համար։
Շուկայում Peltier տարրերի հայտնվելով տնային սպառողների համար մատչելի գներով, հնարավոր է ինքնուրույն TEG պատրաստել՝ հետևելով ստորև նշված քայլերին:
- Ձեռք բերեք երկու ջերմատախտակ ՏՏ խանութից և քսեք ջերմային մածուկ: Վերջինս կհեշտացնի Peltier տարրի միացումը։
- Առանձնացրեք ռադիատորները ցանկացած ջերմամեկուսիչով։
- Մեկուսիչում անցք արեք, որպեսզի տեղավորեք Peltier տարրը և մետաղալարերը:
- Հավաքեք կառուցվածքը և ջերմության աղբյուրը (մոմը) բերեք ռադիատորներից մեկի մոտ: Որքան երկար լինի ջեռուցումը, այնքան ավելի շատ հոսանք կստեղծվի տան ջերմաէլեկտրիկիցգեներատոր։
Այս սարքն աշխատում է անաղմուկ և ունի թեթև քաշ։ ic2 ջերմաէլեկտրական գեներատորը, ըստ չափի, կարող է միացնել բջջային հեռախոսի լիցքավորիչը, միացնել փոքրիկ ռադիո և միացնել LED լուսավորությունը։
Ներկայումս համաշխարհային շատ հայտնի արտադրողներ սկսել են տարբեր մատչելի գաջեթների արտադրություն՝ օգտագործելով TEG մեքենաների սիրահարների և ճանապարհորդների համար:
Ջերմաէլեկտրական արտադրության զարգացման հեռանկարներ
Ակնկալվում է, որ կենցաղային TEG-ների սպառման պահանջարկը կաճի 14%-ով: Thermoelectric Generation Development Outlook-ը հրապարակել է Market Research Future-ը՝ հրապարակելով «Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022» թուղթը՝ շուկայի վերլուծություն, ծավալ, մասնաբաժին, առաջընթաց, միտումներ և կանխատեսումներ: Զեկույցը հաստատում է TEG-ի խոստումը ավտոմոբիլային թափոնների վերամշակման և կենցաղային և արդյունաբերական օբյեկտների համար էլեկտրաէներգիայի և ջերմության համատեղ արտադրության մեջ:
Աշխարհագրորեն ջերմաէլեկտրական գեներատորների համաշխարհային շուկան բաժանված է Ամերիկայի, Եվրոպայի, Ասիա-Խաղաղօվկիանոսյան, Հնդկաստանի և Աֆրիկայի: Ասիա-Խաղաղօվկիանոսյան հատվածը համարվում է ամենաարագ զարգացող հատվածը TEG շուկայի ներդրման գործում:
Այս շրջաններից Ամերիկան, ըստ մասնագետների, TEG համաշխարհային շուկայում եկամտի հիմնական աղբյուրն է։ Ակնկալվում է, որ մաքուր էներգիայի պահանջարկի աճը կբարձրացնի պահանջարկը Ամերիկայում:
Եվրոպան նույնպես համեմատաբար արագ աճ կցուցաբերի կանխատեսվող ժամանակահատվածում։ Հնդկաստանն ու Չինաստանը կանենզգալի տեմպերով ավելացնել սպառումը տրանսպորտային միջոցների պահանջարկի մեծացման պատճառով, ինչը կհանգեցնի գեներատորների շուկայի աճին։
Ավտոմոբիլային ընկերությունները, ինչպիսիք են Volkswagen-ը, Ford-ը, BMW-ն և Volvo-ն, NASA-ի հետ համագործակցությամբ, արդեն սկսել են մինի-TEG-ների մշակումը մեքենաներում ջերմության վերականգնման և վառելիքի տնտեսման համակարգի համար:
