Efekt termoelektryczny obejmuje trzy powiązane ze sobą zagadnienia: wspomniany wcześniej efekt Seebecka, w którym energia elektryczna jest generowana z gradientu temperatury między dwoma różnymi materiałami, gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Drugi to efekt Peltiera, w którym ciepło jest wytwarzane lub absorbowane na styku dwóch różnych metali pod wpływem przyłożonego prądu. Trzecie zjawisko to efekt Thomsona, w którym ciepło jest absorbowane lub wytwarzane w zależności od kierunku przepływu prądu.
Mimo podobieństwa między generatorem TEG i modułem Peltiera (TEC, thermoelectric cooler), służącym do chłodzenia, urządzenia te wykorzystują różne konstrukcje i materiały. TEG są projektowane z myślą o wysokich różnicach temperatur i maksymalnej efektywności energetycznej, koncentrując się na maksymalizacji mocy wyjściowej. Moduły TEC natomiast zostały zaprojektowane z myślą o optymalizacji absorpcji i rozpraszania ciepła i często wykorzystują zaawansowane materiały ceramiczne, aby zwiększyć wydajność chłodzenia.
Jak działa generator termoelektryczny?
W generatorze termoelektrycznym różnica temperatur między gorącą a zimną stroną materiału półprzewodnikowego powoduje przemieszczanie się nośników ładunku (elektronów) ze strony gorącej na stronę zimną. Jeżeli końce materiału znajdują się w różnych temperaturach, to na końcu o temperaturze wyższej występuje większa koncentracja nośników ładunku, a nośniki mają większą energię. W efekcie występuje ich dyfuzja w kierunku zimniejszego końca materiału (drugiej strony). Dyfuzja oznacza ruch nośników, a więc przepływ prądu, i prowadzi do pojawienia się rozkładu potencjału. Rozkład potencjału na końcach zimnym i gorącym jest siłą elektromotoryczną ogniwa.
Wewnątrz modułu TEG znajduje się wiele ogniw wykonanych z materiałów półprzewodnikowych typu n i p (zazwyczaj jest to tellurek bizmutu). Te pary materiałów półprzewodnikowych są umieszczone pomiędzy okładziną gorącą i zimną. W materiale typu n elektrony przemieszczają się ze strony gorącej na zimną. W materiale typu p dziury również przemieszczają się ze strony gorącej na stronę zimną. Ten przepływ powoduje powstanie potencjału elektrycznego (napięcia), które można wykorzystać jako użyteczny prąd elektryczny. Napięcie jest proporcjonalne do różnicy temperatur między obiema stronami materiału.
Generatory termoelektryczne są zazwyczaj stosowane w aplikacjach, w których występuje ciepło odpadowe, np. w procesach przemysłowych. Stosuje się je również w kosmosie do wytwarzania energii elektrycznej z ciepła rozpadu promieniotwórczego, do zasilania urządzeń przy braku energii ze słońca.
Zalety modułów TEG
Z funkcjonalnego punktu widzenia najbardziej użyteczną cechą modułów TEG jest to, że wykorzystują one energię cieplną do wytwarzania energii elektrycznej. Może to być korzystne w wielu sytuacjach, umożliwiając odzysk energii odpadowej, dzięki czemu moduły są przyjazne dla środowiska. Nie mają one ruchomych części, dzięki czemu są niezawodne, ciche i bezobsługowe. Ich kompaktowe rozmiary pozwalają również na montaż w ciasnych przestrzeniach. Są dostępne w szerokim zakresie napięć i prądów, dzięki czemu mogą niezawodnie dostarczać energię elektryczną bez konieczności zapewnienia dodatkowego źródła zasilania, co czyni je idealnymi do zastosowań w zdalnych lokalizacjach lub jako alternatywne zasilanie w systemach bateryjnych.
Problemy związane z modułami
Aby prawidłowo działać przy wymaganej mocy wyjściowej, TEG-i wymagają zapewnienia odpowiedniej różnicy temperatur po obu stronach, co czyni je użytecznymi jedynie w bardzo specyficznych zastosowaniach. Charakteryzują się również stosunkowo małą sprawnością konwersji energii w porównaniu z innymi źródłami energii, wynoszącą średnio około 10%.
Co więcej, chociaż różnica temperatur między stroną gorącą a zimną (często określana jako "Delta T") ma fundamentalne znaczenie dla wydajności energetycznej TEG, zazwyczaj nie jest ona wymieniana w kartach katalogowych. Zamiast tego producenci często określają parametr Tmax, który wskazuje maksymalną dopuszczalną temperaturę dla bezpiecznej pracy TG, ale niekoniecznie definiuje optymalne warunki działania.
Dodatkowe przydatne specyfikacje do oceny wydajności generatora termoelektrycznego obejmują napięcie bez obciążenia, rezystancję dopasowanego obciążenia i dla niej wartości napięcia wyjściowego, prądu i mocy. Wartości te dają jaśniejszy obraz tego, czego można oczekiwać po takim generatorze. Poniżej omówimy te parametry dokładniej, opisując ich typowe wykresy w kartach katalogowych.
Wykresy wydajności TEG przedstawiają główne parametry w porównaniu do temperatury strony gorącej, zimnej i różne wartości parametrów elektrycznych. Umożliwia to identyfikację optymalnych punktów pracy lub obszarów wymagających poprawy. Poniżej przedstawiono niektóre z najważniejszych takich wykresów, gdzie "Th" oznacza temperaturę strony gorącej:
- Napięcie bez obciążenia w funkcji Th, które można uzyskać przy określonej delcie temperatury. Zasadniczo jest to maksymalne napięcie wytwarzane przez TEG. Gdy moduł TEG jest obciążony, napięcie spada.
- Rezystancja dopasowanego obciążenia w funkcji T.
- Napięcie na dopasowanym obciążeniu w funkcji Th, czyli napięcie pod obciążeniem przy określonej delcie temperatury, a także prąd i moc wyjściowa. Korzystając z prawa Ohma, zawsze można obliczyć to, co pokazano na jednym z tych wykresów (i odwrotnie). Zasadniczo, znając dwa z tych trzech wykresów, zawsze można obliczyć trzeci.
Punkt optymalnej wydajności, w którym TEG generuje najwyższą moc wyjściową, zazwyczaj odpowiada optymalnej rezystancji obciążenia. Krzywa sprawności na wykresie pokazuje, jak sprawność konwersji zmienia się wraz z różnicą temperatur i rezystancją obciążenia. Na każdym wykresie wydajności oś x przedstawia temperaturę strony gorącej, a kilka krzywych przedstawia temperaturę strony zimnej TEG. Oś y przedstawia analizowany parametr.
Jak dobrać generator termoelektryczny do danego zastosowania
Aby wybrać odpowiedni generator TEG, projektant powinien zacząć od określenia temperatur strony zimnej i gorącej, panującej w obiekcie lub instalacji. Po ich ustaleniu można wykorzystać wykresy napięcia, prądu i mocy obciążenia z karty katalogowej, aby określić, jaka będzie moc wyjściowa dla tego przypadku.
Na przykład dla modułu SPG176-56 firmy Same Sky, którego wykresy wydajności przedstawiono na rysunku 3, przy temperaturze strony zimnej Tc= 30°C i Th= 200°C, można obliczyć oczekiwaną moc wyjściową. Po narysowaniu linii pionowej od Th = 200°C do miejsca, w którym linia przetnie krzywą Tc = 30°C, dalej rysujemy linię poziomą do osi y (V). Miejsce przecięcia się tych linii to oczekiwane napięcie wyjściowe z TEG. W tym przykładzie przecięcie następuje przy wartości 5,9 V.
Dalej w analogiczny sposób widzimy, że prąd wyjściowy z TEG będzie wynosił 1,553 A (rys. 4). Zgodnie z prawem Ohma moc wyjściowa TEG wynosi 9,16 W. Można to również zweryfikować, korzystając wykresu pokazanego na rysunku 5. Na koniec korzystając z wykresu rezystancji dopasowanego obciążenia, możemy określić, że rezystancja TEG w tych warunkach wynosi około 3,8 Ω (rys. 6).
Pokazany proces doboru generatora wydaje się dość prosty, jednak prawdziwym problemem jest sytuacja, gdy różnica temperatur nie jest duża lub impedancja obciążenia nie jest idealnie dopasowana. W takich przypadkach projektant może wykorzystać wykresy wydajności, aby określić rzeczywiste parametry TEG w takich warunkach. Na koniec należy zauważyć, że pokazane na rysunkach krzywe wydajności przedstawiają jedynie kilka wartości temperatury Tc. Niemniej moduły są liniowe stąd dopuszczalna jest interpolacja dla pośrednich wartości Tc mieszczących się między przedstawionymi krzywymi.
Gdzie można stosować generatory termoelektryczne?
Generatory termoelektryczne są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, w których wymagane jest zdalne zasilanie lub odzysk energii może zwiększyć wydajność systemu. Dostępne są w dwóch wersjach: dużej i "mikro". Duże generatory termoelektryczne (TEG) zapewniają moc wyjściową od kilku do setek watów i są wykorzystywane do celów przemysłowych. Mikrogeneratory TEG zapewniają moc od watów do kilku miliwatów. Potencjalne zastosowania TEG obejmują:
- Urządzenia konsumenckie o niskim poborze mocy (technologie noszone)\
- Sondy kosmiczne i przemysł lotniczy
- Przemysłowy odzysk ciepła odpadowego
- Czujniki (technologia Internetu Rzeczy)
- Silniki samochodowe
- Systemy HVAC
- Monitorowanie i śledzenie stanu zdrowia
- Systemy wojskowe
- Urządzenia naukowe
Podsumowanie
Moduły generatorów termoelektrycznego wykorzystują zjawisko Seebecka do generowania użytecznego prądu elektrycznego z różnicy temperatur. Mogą być skuteczne i wydajne, jeśli zostaną dobrze dopasowane do konkretnego zastosowania. Są dostępne w szerokiej gamie mocy i sprawności, umożliwiają mobilność aplikacji lub odzysk energii.
DigiKey
www.digikey.pl
