Термоэлектрический генератор

Устройство, преобразующее тепловой поток в электрическую энергию

Термоэлектрический генератор ( ТЭГ ), также называемый генератором Зеебека , представляет собой твердотельное устройство, преобразующее тепло (вызванное разницей температур ) непосредственно в электрическую энергию посредством явления, называемого эффектом Зеебека ^[1] (форма термоэлектрического эффекта ). Термоэлектрические генераторы функционируют как тепловые двигатели , но менее громоздки и не имеют движущихся частей. Однако ТЭГ, как правило, более дороги и менее эффективны. ^[2] Когда тот же принцип используется в обратном порядке для создания градиента тепла из электрического тока, он называется термоэлектрическим (или Пельтье) охладителем .

Термоэлектрические генераторы могут использоваться на электростанциях и заводах для преобразования отработанного тепла в дополнительную электроэнергию, а также в автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов (АТГ) для повышения топливной эффективности . Радиоизотопные термоэлектрические генераторы используют радиоизотопы для создания необходимой разницы температур для питания космических зондов. ^[2] Термоэлектрические генераторы также могут использоваться вместе с солнечными батареями . ^{[3] [4]}

История

В 1821 году Томас Иоганн Зеебек открыл, что тепловой градиент, образованный между двумя различными проводниками, может производить электричество. ^{[5] [6]} В основе термоэлектрического эффекта лежит то, что температурный градиент в проводящем материале приводит к потоку тепла; это приводит к диффузии носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными областями, в свою очередь, создает разницу напряжений. В 1834 году Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл обратный эффект, заключающийся в том, что пропускание электрического тока через соединение двух разнородных проводников может, в зависимости от направления тока, заставить его действовать как нагреватель или охладитель. ^[7]

Солнечная панель Джорджа Коува, изображенная в журнале The Technical World Magazine в марте 1909 года. ^[8]

Джордж Коув случайно изобрел фотоэлектрическую панель, хотя намеревался изобрести термоэлектрический генератор с термопарами в 1909 году. ^[9] Он отмечает, что тепло само по себе не производит никакой энергии, только падающий свет, но у него нет объяснения, как это может работать. Теперь понятно, что рабочий принцип представлял собой очень простую форму перехода Шоттки .

Эффективность

Типичная эффективность ТЭГ составляет около 5–8%, хотя она может быть и выше. Более старые устройства использовали биметаллические соединения и были громоздкими. Более поздние устройства используют высоколегированные полупроводники, изготовленные из теллурида висмута (Bi ₂ Te ₃ ), теллурида свинца (PbTe), ^[10] оксида кальция и марганца (Ca ₂ Mn ₃ O ₈ ), ^{[11] [12]} или их комбинаций, ^[13] в зависимости от температуры применения. Это твердотельные устройства и в отличие от динамо-машин не имеют движущихся частей , за исключением вентилятора или насоса для улучшения теплопередачи. Если горячая область составляет около 1273 К и реализуются значения ZT 3 - 4, эффективность составляет приблизительно 33-37%, что позволяет ТЭГ конкурировать с определенными показателями эффективности тепловых двигателей. ^[14]

По состоянию на 2021 год существуют материалы (некоторые из которых содержат широкодоступные и недорогие мышьяк и олово), достигающие значения ZT > 3; монослойные (ZT = 3,36 на оси кресла); легированные n-типом (ZT = 3,23); легированные p-типом (ZT = 3,46); легированные p-типом (ZT = 3,5). ^[15] ${\displaystyle {\ce {AsP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {InP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {SnP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {SbP3}}}$

Строительство

Эффект Зеебека в термобатарее, изготовленной из железной и медной проволоки

Термоэлектрические генераторы энергии состоят из трех основных компонентов: термоэлектрических материалов, термоэлектрических модулей и термоэлектрических систем, которые взаимодействуют с источником тепла. ^[16]

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрические материалы генерируют энергию непосредственно из тепла, преобразуя разницу температур в электрическое напряжение. Эти материалы должны иметь как высокую электропроводность (σ), так и низкую теплопроводность (κ), чтобы быть хорошими термоэлектрическими материалами. Низкая теплопроводность гарантирует, что когда одна сторона нагревается, другая остается холодной, что помогает генерировать большое напряжение в условиях температурного градиента. Мера величины потока электронов в ответ на разницу температур через этот материал задается коэффициентом Зеебека (S). Эффективность данного материала для производства термоэлектрической энергии просто оценивается его « показателем качества » zT = S ² σT/κ.

В течение многих лет основными тремя полупроводниками, известными как с низкой теплопроводностью, так и с высоким коэффициентом мощности, были теллурид висмута (Bi ₂ Te ₃ ), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Некоторые из этих материалов содержат довольно редкие элементы, что делает их дорогими. ^{[ необходима цитата ]}

Сегодня теплопроводность полупроводников можно снизить, не влияя на их высокие электрические свойства, используя нанотехнологии . Этого можно достичь путем создания наномасштабных особенностей, таких как частицы, провода или интерфейсы в объемных полупроводниковых материалах. Однако процессы производства наноматериалов все еще остаются сложными.

Термоэлектрическая схема, состоящая из материалов с различным коэффициентом Зеебека (p-легированные и n-легированные полупроводники), сконфигурированная как термоэлектрический генератор.

Преимущества термоэлектричества

Термоэлектрические генераторы — это полностью твердотельные устройства, которым не требуются никакие жидкости для топлива или охлаждения, что делает их не зависящими от ориентации, что позволяет использовать их в условиях невесомости или глубоководных приложениях. ^[17] Твердотельная конструкция позволяет работать в суровых условиях. Термоэлектрические генераторы не имеют движущихся частей, что делает их более надежными устройствами, не требующими обслуживания в течение длительных периодов времени. Долговечность и устойчивость к окружающей среде сделали термоэлектрические устройства любимыми для исследователей дальнего космоса НАСА среди других приложений. ^[18] Одним из ключевых преимуществ термоэлектрических генераторов за пределами таких специализированных приложений является то, что они потенциально могут быть интегрированы в существующие технологии для повышения эффективности и снижения воздействия на окружающую среду путем производства полезной энергии из отработанного тепла. ^[19]

Термоэлектрический модуль

Термоэлектрический модуль — это цепь, содержащая термоэлектрические материалы, которые генерируют электричество непосредственно из тепла. Термоэлектрический модуль состоит из двух разнородных термоэлектрических материалов, соединенных на концах: полупроводника n-типа (с отрицательными носителями заряда) и полупроводника p-типа (с положительными носителями заряда). Постоянный электрический ток будет течь в цепи, когда между концами материалов есть разница температур. Как правило, величина тока прямо пропорциональна разнице температур:

${\displaystyle \mathbf {J} =-\sigma S\nabla T}$

где — локальная проводимость , S — коэффициент Зеебека (также известный как термоЭДС), свойство локального материала, а — градиент температуры. ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \nabla T}$

В применении термоэлектрические модули в производстве электроэнергии работают в очень жестких механических и термических условиях. Поскольку они работают в очень высоком температурном градиенте, модули подвергаются большим термически вызванным напряжениям и деформациям в течение длительных периодов. Они также подвержены механической усталости , вызванной большим количеством термических циклов.

Таким образом, соединения и материалы должны быть выбраны так, чтобы они выдерживали эти жесткие механические и термические условия. Кроме того, модуль должен быть спроектирован таким образом, чтобы два термоэлектрических материала были термически параллельны, но электрически последовательны. Эффективность термоэлектрического модуля во многом зависит от геометрии его конструкции.

Термоэлектрическая конструкция

Термоэлектрические генераторы состоят из нескольких термобатарей , каждая из которых состоит из множества термопар, изготовленных из соединенного материала n-типа и p-типа. Расположение термопар обычно бывает трех основных конструкций: плоской, вертикальной и смешанной. Плоская конструкция включает термопары, размещенные на подложке горизонтально между источником тепла и холодной стороной, что приводит к возможности создания более длинных и тонких термопар, тем самым увеличивая тепловое сопротивление и градиент температуры и в конечном итоге увеличивая выходное напряжение. Вертикальная конструкция имеет термопары, расположенные вертикально между горячей и холодной пластинами, что приводит к высокой интеграции термопар, а также высокому выходному напряжению, что делает эту конструкцию наиболее широко используемой конструкцией в коммерческих целях. Смешанная конструкция имеет термопары, расположенные сбоку на подложке, в то время как тепловой поток является вертикальным между пластинами. Микрополости под горячими контактами устройства обеспечивают температурный градиент, что позволяет теплопроводности подложки влиять на градиент и эффективность устройства. ^[20]

Для микроэлектромеханических систем ТЭГ могут быть спроектированы в масштабе портативных устройств для использования тепла тела в виде тонких пленок. ^[21] Гибкие ТЭГ для носимой электроники могут быть изготовлены из новых полимеров с помощью аддитивного производства или процессов термического напыления . Цилиндрические ТЭГ для использования тепла от выхлопных труб транспортных средств также могут быть изготовлены с использованием круглых термопар, расположенных в цилиндре. ^[22] Можно создать множество конструкций ТЭГ для различных устройств, к которым они применяются.

Термоэлектрические системы

Используя термоэлектрические модули, термоэлектрическая система генерирует электроэнергию, забирая тепло из источника, например, горячего дымохода. Для работы системе необходим большой градиент температуры, что нелегко в реальных приложениях. Холодная сторона должна охлаждаться воздухом или водой. Теплообменники используются с обеих сторон модулей для подачи этого нагрева и охлаждения.

Существует множество проблем при проектировании надежной системы ТЭГ, работающей при высоких температурах. Достижение высокой эффективности в системе требует обширного инженерного проектирования для балансировки между потоком тепла через модули и максимизацией градиента температуры по ним. Для этого проектирование технологий теплообменников в системе является одним из важнейших аспектов проектирования ТЭГ. Кроме того, система требует минимизации тепловых потерь из-за интерфейсов между материалами в нескольких местах. Другим сложным ограничением является избежание больших перепадов давления между источниками нагрева и охлаждения.

Если требуется питание переменного тока (например, для питания оборудования, предназначенного для работы от сети переменного тока), постоянный ток от модулей TE необходимо пропускать через инвертор, что снижает эффективность и увеличивает стоимость и сложность системы.

Материалы для ТЭГ

Только несколько известных на сегодняшний день материалов идентифицированы как термоэлектрические материалы. Большинство термоэлектрических материалов сегодня имеют zT, показатель качества, значение около 1, например, в теллуриде висмута (Bi ₂ Te ₃ ) при комнатной температуре и теллуриде свинца (PbTe) при 500–700 К. Однако, чтобы быть конкурентоспособными с другими системами генерации энергии, материалы TEG должны иметь zT 2–3. Большинство исследований в области термоэлектрических материалов были сосредоточены на увеличении коэффициента Зеебека (S) и снижении теплопроводности, особенно путем манипулирования наноструктурой термоэлектрических материалов. Поскольку как тепловая, так и электрическая проводимость коррелируют с носителями заряда, необходимо ввести новые средства для того, чтобы примирить противоречие между высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, как это необходимо. ^[23]

При выборе материалов для термоэлектрической генерации необходимо учитывать ряд других факторов. В идеале во время работы термоэлектрический генератор имеет большой температурный градиент. Тепловое расширение затем приведет к возникновению напряжения в устройстве, которое может привести к разрушению термоэлектрических ветвей или отделению от материала муфты. Необходимо учитывать механические свойства материалов, а коэффициент теплового расширения материала n- и p-типа должен быть достаточно хорошо согласован. В сегментированных ^[24] термоэлектрических генераторах необходимо также учитывать совместимость материалов, чтобы избежать несовместимости относительного тока, определяемого как отношение электрического тока к диффузионному тепловому току, между слоями сегментов.

Коэффициент совместимости материала определяется как

${\displaystyle s={\frac {{\sqrt {1+zT}}-1}{ST}}}$. ^[25]

Когда фактор совместимости от одного сегмента к другому отличается более чем в два раза, устройство не будет работать эффективно. Параметры материала, определяющие s (а также zT), зависят от температуры, поэтому фактор совместимости может меняться от горячей стороны к холодной стороне устройства даже в одном сегменте. Такое поведение называется самосовместимостью и может стать важным в устройствах, предназначенных для применения в широком диапазоне температур.

В целом термоэлектрические материалы можно разделить на традиционные и новые:

Обычные материалы

Сегодня многие материалы ТЭГ используются в коммерческих приложениях. Эти материалы можно разделить на три группы в зависимости от температурного диапазона эксплуатации:

1. Низкотемпературные материалы (примерно до 450 К): сплавы на основе висмута (Bi) в сочетании с сурьмой (Sb), теллуром (Te) или селеном (Se).
2. Промежуточные температуры (до 850 К): например, материалы на основе сплавов свинца (Pb)
3. Материалы с самыми высокими температурами (до 1300 К): материалы, изготовленные из сплавов кремния и германия (SiGe). ^[26]

Хотя эти материалы по-прежнему остаются краеугольным камнем для коммерческих и практических приложений в термоэлектрической генерации энергии, были достигнуты значительные успехи в синтезе новых материалов и изготовлении структур материалов с улучшенными термоэлектрическими характеристиками. Недавние исследования были сосредоточены на улучшении показателя добротности материала (zT), и, следовательно, эффективности преобразования, путем снижения теплопроводности решетки. ^[23]

Новые материалы

Генерация электроэнергии путем захвата обеих сторон гибкого термоэлектрического устройства PEDOT:PSS

Модель на основе PEDOT:PSS, встроенная в перчатку, для генерации электроэнергии за счет тепла тела

Исследователи пытаются разработать новые термоэлектрические материалы для генерации электроэнергии путем улучшения показателя добротности zT. Одним из примеров таких материалов является полупроводниковое соединение ß-Zn ₄ Sb ₃ , которое обладает исключительно низкой теплопроводностью и демонстрирует максимальный zT 1,3 при температуре 670 К. Этот материал также относительно недорог и стабилен до этой температуры в вакууме и может быть хорошей альтернативой в диапазоне температур между материалами на основе Bi ₂ Te ₃ и PbTe. ^[23] Среди наиболее интересных разработок в области термоэлектрических материалов была разработка монокристаллического селенида олова, который показал рекордный zT 2,6 в одном направлении. ^[27] Другие новые материалы, представляющие интерес, включают скуттерудиты, тетраэдриты и кристаллы гремучих ионов. ^{[ необходима цитата ]}

Помимо улучшения показателя качества, все больше внимания уделяется разработке новых материалов за счет увеличения выходной электрической мощности, снижения стоимости и разработки экологически чистых материалов. Например, когда стоимость топлива низкая или почти бесплатна, как при рекуперации отработанного тепла , то стоимость за ватт определяется только мощностью на единицу площади и периодом эксплуатации. В результате был инициирован поиск материалов с высокой выходной мощностью, а не эффективностью преобразования. Например, редкоземельные соединения YbAl ₃ имеют низкую показатель качества, но имеют выходную мощность как минимум вдвое больше, чем любой другой материал, и могут работать в диапазоне температур источника отработанного тепла. ^[23]

Новая обработка

Чтобы увеличить показатель качества (zT), теплопроводность материала должна быть минимизирована, а его электропроводность и коэффициент Зеебека максимизированы. В большинстве случаев методы увеличения или уменьшения одного свойства приводят к такому же эффекту на другие свойства из-за их взаимозависимости. Новая технология обработки использует рассеяние различных фононных частот для выборочного уменьшения теплопроводности решетки без типичных отрицательных эффектов на электропроводность от одновременного увеличения рассеяния электронов. ^[28] В тройной системе висмут-сурьма-теллур спекание в жидкой фазе используется для создания низкоэнергетических полукогерентных границ зерен, которые не оказывают значительного эффекта рассеяния на электроны. ^[29] Затем прорыв заключается в приложении давления к жидкости в процессе спекания, что создает переходный поток жидкости, богатой Te, и способствует образованию дислокаций, которые значительно снижают проводимость решетки. ^[29] Возможность выборочного снижения проводимости решетки приводит к сообщенному значению zT 1,86, что является значительным улучшением по сравнению с текущими коммерческими термоэлектрическими генераторами с zT ~ 0,3–0,6. ^[30] Эти улучшения подчеркивают тот факт, что в дополнение к разработке новых материалов для термоэлектрических приложений использование различных методов обработки для проектирования микроструктуры является жизнеспособным и стоящим усилием. Фактически, часто имеет смысл работать над оптимизацией как состава, так и микроструктуры. ^[31]

Использует

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) имеют множество применений. Часто термоэлектрические генераторы используются для маломощных удаленных приложений или там, где более громоздкие, но более эффективные тепловые двигатели , такие как двигатели Стирлинга, невозможны. В отличие от тепловых двигателей, твердотельные электрические компоненты, обычно используемые для выполнения преобразования тепловой энергии в электрическую, не имеют движущихся частей. Преобразование тепловой энергии в электрическую может выполняться с использованием компонентов, которые не требуют обслуживания, обладают изначально высокой надежностью и могут использоваться для создания генераторов с длительным сроком службы без обслуживания. Это делает термоэлектрические генераторы хорошо подходящими для оборудования с низкими или умеренными потребностями в энергии в удаленных необитаемых или недоступных местах, таких как вершины гор, вакуум космоса или глубокий океан.

Основные области применения термоэлектрических генераторов:

• Космические зонды , включая марсоход Curiosity , вырабатывают электроэнергию с помощью радиоизотопного термоэлектрического генератора , источником тепла которого является радиоактивный элемент.
• Рекуперация отработанного тепла. Любая человеческая деятельность, транспорт и промышленный процесс генерируют отработанное тепло, которое можно извлечь из автомобилей, самолетов, кораблей, отраслей промышленности и человеческого тела. ^[1] Основным источником энергии для автомобилей являются выхлопные газы. ^[32] Сбор этой тепловой энергии с помощью термоэлектрического генератора может повысить топливную эффективность автомобиля. Термоэлектрические генераторы были исследованы для замены генераторов в автомобилях, демонстрируя снижение расхода топлива на 3,45%. ^[33] Прогнозы будущих улучшений составляют до 10% увеличения пробега для гибридных автомобилей. ^[34] Было заявлено, что потенциальная экономия энергии может быть выше для бензиновых двигателей, чем для дизельных двигателей. ^[35] Более подробную информацию см. в статье: Автомобильный термоэлектрический генератор . Для самолетов сопла двигателя были определены как лучшее место для рекуперации энергии, но также были предложены тепло от подшипников двигателя и температурный градиент, существующий в обшивке самолета. ^[1]
• Солнечные элементы используют только высокочастотную часть излучения, в то время как низкочастотная тепловая энергия тратится впустую. Было подано несколько патентов на использование термоэлектрических устройств в параллельной или каскадной конфигурации с солнечными элементами. ^{[1] [36]} Идея заключается в повышении эффективности комбинированной солнечной/термоэлектрической системы для преобразования солнечного излучения в полезное электричество.
• Термоэлектрические генераторы в основном используются в качестве удаленных и автономных генераторов энергии для необслуживаемых объектов. Они являются наиболее надежными генераторами энергии в таких ситуациях, поскольку не имеют движущихся частей (таким образом, практически не требуют обслуживания), работают днем ​​и ночью, работают при любых погодных условиях и могут работать без резервного аккумулятора. Хотя солнечные фотоэлектрические системы также внедряются в удаленных объектах, солнечные фотоэлектрические системы могут быть неподходящим решением там, где солнечная радиация низкая, т. е. в районах на высоких широтах со снегом или без солнечного света, в районах с большим количеством облаков или древесного покрова, в пыльных пустынях, лесах и т. д. Термоэлектрические генераторы обычно используются на газопроводах, например, для катодной защиты, радиосвязи и телеметрии. На газопроводах при потребляемой мощности до 5 кВт тепловые генераторы предпочтительнее других источников энергии. Производителями генераторов для газопроводов являются Global Power Technologies (ранее Global Thermoelectric) (Калгари, Канада) и TELGEN (Россия).
• Микропроцессоры генерируют отработанное тепло. Исследователи рассматривали возможность повторного использования части этой энергии. ^[37] (Однако см. ниже проблемы, которые могут возникнуть.)
• Термоэлектрические генераторы также были исследованы как автономные солнечные тепловые элементы. Интеграция термоэлектрических генераторов была напрямую интегрирована в солнечный тепловой элемент с эффективностью 4,6%. ^[38]
• Корпорация прикладной физики моря в Балтиморе, штат Мэриленд, разрабатывает термоэлектрический генератор для производства электроэнергии на глубоководном морском дне, используя разницу температур между холодной морской водой и горячими жидкостями, выделяемыми гидротермальными источниками , горячими просачиваниями или пробуренными геотермальными скважинами. Высоконадежный источник электроэнергии на морском дне необходим для океанических обсерваторий и датчиков, используемых в геологических, экологических и океанических науках, разработчиками минеральных и энергетических ресурсов морского дна, а также военными. Недавние исследования показали, что глубоководные термоэлектрические генераторы для крупномасштабных энергетических установок также экономически жизнеспособны. ^[39]
• Энн Макосински из Британской Колумбии , Канада, разработала несколько устройств, использующих плитки Пельтье для сбора тепла (от человеческой руки, ^[40] лба и горячего напитка ^[41] ), которые, как утверждается, генерируют достаточно электроэнергии для питания светодиодной лампы или зарядки мобильного устройства , хотя изобретатель признает, что яркость светодиодной лампы не может конкурировать с теми, что представлены на рынке. ^[42]
• Термоэлектрические генераторы используются в вентиляторах для печей. Они устанавливаются наверху печи, работающей на дровах или угле. ТЭГ зажат между двумя радиаторами, а разница температур приводит в действие медленно вращающийся вентилятор, который помогает распространять тепло печи в помещении. ^{[ требуется цитата ]}

Практические ограничения

Помимо низкой эффективности и относительно высокой стоимости, существуют практические проблемы при использовании термоэлектрических устройств в определенных типах приложений, обусловленные относительно высоким электрическим выходным сопротивлением, что увеличивает самонагрев, и относительно низкой теплопроводностью, что делает их непригодными для приложений, где отвод тепла имеет решающее значение, как, например, отвод тепла от электрических устройств, таких как микропроцессоры.

• Высокое выходное сопротивление генератора: Чтобы получить уровни выходного напряжения в диапазоне, требуемом цифровыми электрическими устройствами, распространенным подходом является последовательное размещение множества термоэлектрических элементов в модуле генератора. Напряжение элемента увеличивается, но также увеличивается и их выходное сопротивление. Теорема о передаче максимальной мощности гласит, что максимальная мощность подается на нагрузку, когда сопротивления источника и нагрузки идентичны. Для нагрузок с низким импедансом, близких к нулю Ом, по мере увеличения сопротивления генератора мощность, подаваемая на нагрузку, уменьшается. Чтобы снизить выходное сопротивление, некоторые коммерческие устройства размещают больше отдельных элементов параллельно и меньше последовательно и используют повышающий регулятор для повышения напряжения до напряжения, необходимого нагрузке.
• Низкая теплопроводность: поскольку для отвода тепловой энергии от источника тепла, например, цифрового микропроцессора, требуется очень высокая теплопроводность, низкая теплопроводность термоэлектрических генераторов делает их непригодными для рекуперации тепла.
• Отвод тепла с холодной стороны воздухом: В термоэлектрических приложениях с воздушным охлаждением, например, при сборе тепловой энергии из картера автомобиля, большое количество тепловой энергии, которое должно быть рассеяно в окружающий воздух, представляет собой значительную проблему. По мере того, как температура холодной стороны термоэлектрического генератора повышается, дифференциальная рабочая температура устройства уменьшается. По мере повышения температуры электрическое сопротивление устройства увеличивается, вызывая больший паразитный самонагрев генератора. В приложениях с автомобилем иногда используется дополнительный радиатор для улучшенного отвода тепла, хотя использование электрического водяного насоса для циркуляции охлаждающей жидкости добавляет паразитные потери к общей выходной мощности генератора. Вода, охлаждающая холодную сторону термоэлектрического генератора, как при генерации термоэлектрической энергии из горячего картера внутреннего лодочного мотора, не будет страдать от этого недостатка. Вода является гораздо более простым охлаждающим средством для эффективного использования в отличие от воздуха.

Будущее[ когда? ]рынок

В то время как технология TEG использовалась в военных и аэрокосмических приложениях в течение десятилетий, разрабатываются новые материалы TE ^[43] и системы для генерации энергии с использованием низко- или высокотемпературного отработанного тепла, и это может предоставить значительные возможности в ближайшем будущем. Эти системы также могут быть масштабируемыми до любого размера и иметь более низкие эксплуатационные и эксплуатационные расходы.

Мировой рынок термоэлектрических генераторов оценивается в 320 миллионов долларов США в 2015 году и 472 миллиона долларов США в 2021 году; до 1,44 миллиарда долларов США к 2030 году с среднегодовым темпом роста 11,8%. ^[44] Сегодня Северная Америка занимает 66% доли рынка, и она продолжит оставаться крупнейшим рынком в ближайшем будущем. ^[45] Однако, по прогнозам, страны Азиатско-Тихоокеанского региона и Европы будут расти относительно более высокими темпами. Исследование показало, что рынок Азиатско-Тихоокеанского региона будет расти с годовым темпом роста (CAGR) 18,3% в период с 2015 по 2020 год из-за высокого спроса на термоэлектрические генераторы со стороны автомобильной промышленности для повышения общей топливной эффективности, а также растущей индустриализации в регионе. ^[46]

Малогабаритные термоэлектрические генераторы также находятся на ранних стадиях исследования в области носимых технологий для сокращения или замены зарядки и увеличения продолжительности зарядки. Недавние исследования были сосредоточены на новой разработке гибкого неорганического термоэлектрика, селенида серебра, на нейлоновой подложке. Термоэлектрики представляют особую синергию с носимыми устройствами, собирая энергию непосредственно из человеческого тела, создавая автономное устройство. В одном проекте использовался селенид серебра n-типа на нейлоновой мембране. Селенид серебра является узкозонным полупроводником с высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что делает его идеальным для термоэлектрических применений. ^[47]

Рынок маломощных ТЭГ или «субваттных» (т.е. генерирующих до 1 Вт пиковой мощности) является растущей частью рынка ТЭГ, извлекающей выгоду из новейших технологий. Основными приложениями являются датчики, маломощные приложения и более глобальные приложения Интернета вещей . Специализированная исследовательская компания рынка указала, что в 2014 году было отгружено 100 000 единиц, и ожидает, что к 2020 году будет поставлено 9 миллионов единиц в год. ^[48]

Смотрите также

• Теллурид висмута
• Электрогенератор
• Устройства сбора энергии: термоэлектрики
• Джентерм Инкорпорейтед
• Мария Телкес
• двигатель Стирлинга
• Тепловая электростанция
• Термоэлектрическая батарея
• Термоэмиссионный преобразователь
• Термоэлектрическое охлаждение или охладитель Пельтье
• Термоэлектрический эффект
• Термоэлектрические материалы

Ссылки

1. Фернандес-Яньес, П.; Ромеро, В.; Армас, О.; Черретти, Г. (сентябрь 2021 г.). «Управление температурой термоэлектрических генераторов для рекуперации энергии из отходов». Прикладная теплотехника . 196 : 117291. Bibcode : 2021AppTE.19617291F. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117291 .
2. Adroja, Nikunj; Mehta, Shruti B.; Shah, Pratik (2015-03-01). "Обзор термоэлектричества для улучшения качества энергии". Журнал новых технологий и инновационных исследований . 2 (3 (март 2015 г.)). Jetir.
3. «Новые солнечные панели генерируют электроэнергию еще долгое время после захода солнца». 11 апреля 2022 г.
4. Kraemer, Daniel; Poudel, Bed; Feng, Hsien-Ping; Caylor, J. Christopher; Yu, Bo; Yan, Xiao; Ma, Yi; Wang, Xiaowei; Wang, Dezhi; Muto, Andrew; McEnaney, Kenneth; Chiesa, Matteo; Ren, Zhifeng; Chen, Gang (июль 2011 г.). "Высокопроизводительные плоскопанельные солнечные термоэлектрические генераторы с высокой тепловой концентрацией". Nature Materials . 10 (7): 532–538. Bibcode :2011NatMa..10..532K. doi :10.1038/nmat3013. PMID  21532584.
5. Зеебек, TJ (1825). «Магнитная поляризация металлов и минералов из-за разницы температур». Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin (Трактаты Королевской академии наук в Берлине). стр. 265–373.
6. Зеебек, TJ (1826). «Ueber die Magnetische Polarization der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz» (О магнитной поляризации металлов и минералов из-за разницы температур)». Annalen der Physik und Chemie , 6 : 286.
7. Пельтье (1834). «Nouvelles expériences sur la Caloricité des Courants électrique (Новые эксперименты по тепловому воздействию электрических токов)». Annales de Chimie et de Physique . 56 : 371–386.
8. «Новейший тип солнечного электрического генератора». Журнал «Технический мир» . Март 1909. С. 358.
9. «Как построить низкотехнологичную солнечную панель?». Журнал Low-Tech . 5 октября 2021 г. Получено 2024-09-02 .
10. Бисвас, Канишка; Он, Цзяцин; Блюм, Иван Д.; Ву, Чун-И; Хоган, Тимоти П.; Зейдман, Дэвид Н.; Дравид, Винаяк П.; Канацидис, Меркури Г. (2012). «Высокопроизводительные объемные термоэлектрики с полномасштабной иерархической архитектурой». Природа . 489 (7416): 414–418. Бибкод : 2012Natur.489..414B. дои : 10.1038/nature11439. PMID  22996556. S2CID  4394616.
11. Ansell, GB; Modrick, MA; Longo, JM; Poeppeimeler, KR; Horowitz, HS (1982). "Оксид кальция и марганца Ca2Mn3O8" (PDF) . Acta Crystallographica Section B. 38 ( 6). Международный союз кристаллографии: 1795–1797. doi :10.1107/S0567740882007201.
12. "EspressoMilkCooler.com – Термоэлектрические силовые модули TEG CMO 800°C и Cascade 600°C с горячей стороной". espressomilkcooler.com .
13. "High Temp Teg Power Modules". Архивировано из оригинала 17 декабря 2012 г.
14. "Термоэлектрические генераторы". large.stanford.edu . Получено 2022-10-27 .
15. Фань, Ляншуан; Ян, Хэнъюй; Се, Гофэн (2021). «Термоэлектрические свойства монослоя трифосфида мышьяка (AsP3): исследование первых принципов». Frontiers in Mechanical Engineering . 7 . doi : 10.3389/fmech.2021.702079 .
16. "Как работают термоэлектрические генераторы – Alphabet Energy". Alphabet Energy . Получено 28.10.2015 .
17. Чэнь, Мэн (2015-04-29). "Исследование глубоководной морской воды и тепловой энергии термоэлектрической генерации". Тезисы конференции ECS . MA2015-01 (3). Электрохимическое общество: 706. doi :10.1149/MA2015-01/3/706 . Получено 11 марта 2019 г.
18. «Advanced Thermoelectric Technology: Powering Spacecraft and Instruments to Explore the Solar System». NASA . Получено 11 марта 2019 г.
19. Уокер, Крис (28.01.2013). «Как термоэлектрические генераторы могут помочь окружающей среде?». AZO Clean Tech . Получено 11 марта 2019 г.
20. Jaziri, Nesrine; Boughamoura, Ayda; Müller, Jens; Mezghani, Brahim; Tounsi, Fares; Ismail, Mohammed (2020-12-01). «Комплексный обзор термоэлектрических генераторов: технологии и общие приложения». Energy Reports . SI: Хранение энергии — на пути к чистому энергетическому будущему. 6 : 264–287. Bibcode :2020EnRep...6..264J. doi : 10.1016/j.egyr.2019.12.011 . S2CID  212902804.
21. Addanki, Satish; Nedumaran, D. (декабрь 2019 г.). «Моделирование и изготовление термоэлектрических генераторов для портативных электронных гаджетов». Materials Science and Engineering: B . 251 : 114453. doi : 10.1016/j.mseb.2019.114453 . S2CID  209724788.
22. Кумар, Паланисами Мохан; Джагадиш Бабу, Велуру; Субраманиан, Арджун; Бандла, Айшвария; Такор, Нитиш; Рамакришна, Сирам; Вэй, Хэ (июнь 2019 г.). «Проектирование термоэлектрического генератора и его медицинское применение». Дизайн . 3 (2): 22. doi : 10.3390/designs3020022 .
23. Исмаил, Базель I.; Ахмед, Ваэль Х. (2009-01-01). «Термоэлектрическое производство электроэнергии с использованием энергии отработанного тепла как альтернативная зеленая технология». Последние патенты по электротехнике и электронике . 2 (1): 27–39. doi :10.2174/1874476110902010027.
24. Голдсмид, Х. Джулиан (2016). Введение в термоэлектричество. Springer Series in Materials Science. Vol. 121. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. Bibcode :2016inh..book.....G. doi :10.1007/978-3-662-49256-7. ISBN 978-3-662-49255-0.
25. Снайдер, Г. (октябрь 2003 г.). "Термоэлектрическая эффективность и совместимость" (PDF) . Physical Review Letters . 91 (14): 148301. Bibcode : 2003PhRvL..91n8301S. doi : 10.1103/physrevlett.91.148301. PMID  14611561.
26. Кандемир, Али; Озден, Айберк; Кагин, Тахир; Севик, Джем (2017). «Инженерия теплопроводности объемных и одномерных наноархитектур Si-Ge». Наука и технология передовых материалов . 18 (1): 187–196. Bibcode : 2017STAdM..18..187K. doi : 10.1080 / 14686996.2017.1288065. PMC 5404179. PMID  28469733. 
27. Канацидис, М (2014). «Сверхнизкая теплопроводность и высокая термоэлектрическая добротность кристаллов Sn Se». Nature . 508 (7496): 373–377. Bibcode :2014Natur.508..373Z. doi :10.1038/nature13184. PMID  24740068. S2CID  205238132.
28. Хори, Такума; Сиоми, Дзюнъитиро (2018). «Настройка спектра транспорта фононов для улучшения термоэлектрических материалов». Наука и технология передовых материалов . 20 (1): 10–25. doi :10.1080/14686996.2018.1548884. PMC 6454406. PMID  31001366 . 
29. Kim, Sang (2015). "Плотные массивы дислокаций, встроенные в границы зерен для высокопроизводительных объемных термоэлектриков" (PDF) . Science . 348 (6230): 109–114. Bibcode :2015Sci...348..109K. doi :10.1126/science.aaa4166. PMID  25838382. S2CID  31412977.
30. Ким, Д.С. (2008). «Варианты солнечного охлаждения – обзор современного состояния». Международный журнал по охлаждению . 31 (1): 3–15. doi :10.1016/j.ijrefrig.2007.07.011.
31. Cojocaru-Mirédin, Oana. "Thermoelectric Materials Design by control the microstructure and composition". Институт Макса Планка . Получено 8 ноября 2016 г.
32. Ezzitouni, S.; Fernández-Yáñez, P.; Sánchez, L.; Armas, O. (июль 2020 г.). «Глобальный энергетический баланс в дизельном двигателе с термоэлектрическим генератором». Applied Energy . 269 : 115139. Bibcode : 2020ApEn..26915139E. doi : 10.1016/j.apenergy.2020.115139. S2CID  219428113.
33. Джон, Фэрбенкс (2014). «Автомобильные термоэлектрические генераторы и HVAC» (PDF) . Министерство энергетики . Получено 11 марта 2019 .
34. Ференбахер, Кэти. «Стартап наконец-то широко применяет технологию преобразования тепла в электроэнергию для транспортных средств». Fortune . Получено 11 марта 2019 г.
35. Фернандес-Яньес, П.; Армас, О.; Киван, Р.; Стефанопулу, А .; Боеман, А.Л. (2018). «Термоэлектрический генератор в выхлопных системах двигателей с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия. Сравнение с электрическим турбогенератором». Applied Energy . 229 : 80–87. Bibcode : 2018ApEn..229...80F. doi : 10.1016/j.apenergy.2018.07.107. S2CID  116417579.
36. Kraemer, D; Hu, L; Muto, A; Chen, X; Chen, G; Chiesa, M (2008), "Фотоэлектрические-термоэлектрические гибридные системы: общая методология оптимизации", Applied Physics Letters , 92 (24): 243503, Bibcode : 2008ApPhL..92x3503K, doi : 10.1063/1.2947591, S2CID  109824202
37. Чжоу, Юй; Пол, Сомнат; Бхуния, Сваруп (2008). «Сбор отработанного тепла в микропроцессоре с использованием термоэлектрических генераторов: моделирование, анализ и измерение». 2008 Проектирование, автоматизация и испытания в Европе . С. 98–103. doi :10.1109/DATE.2008.4484669. ISBN 978-3-9810801-3-1.
38. Kraemer, Daniel (2011). «Высокопроизводительные плоские солнечные термоэлектрические генераторы с высокой тепловой концентрацией». Nature Materials . 10 (7): 532–538. Bibcode : 2011NatMa..10..532K. doi : 10.1038/nmat3013. PMID  21532584.
39. Лю, Липэн (2014). «Возможность создания крупномасштабных электростанций на основе термоэлектрических эффектов». New Journal of Physics . 16 (12): 123019. Bibcode : 2014NJPh...16l3019L. doi : 10.1088/1367-2630/16/12/123019 .
40. "GSF 2013: Проект: Полый фонарик". Google Science Fair . Получено 25.12.2015 .
41. Макосински, Энн. «Электронный напиток: получение электроэнергии из напитков».
42. Chung, Emily (17 июня 2014 г.). «BC Girl изобрела налобный фонарь, работающий от тепла тела». CBC News .
43. Пёльс, Ян-Хендрик (16 декабря 2021 г.). «Новый подход позволяет найти материалы, которые могут превращать отработанное тепло в электричество». The Conversation . Получено 05.01.2022 .
44. "Анализ рынка термоэлектрических генераторов - 2030 | По материалу, применению". Allied Market Research . Получено 2022-11-11 .
45. "Глобальный рынок термоэлектрических генераторов, по оценкам Market Research Engine, к 2021 году превысит 720 миллионов долларов США". www.keyc.com . Получено 28.10.2015 .
46. "Рынок термоэлектрических генераторов к 2020 году составит 547,7 млн ​​долларов США". www.prnewswire.com (Пресс-релиз) . Получено 28.10.2015 .
47. Ding, Y. (2019). «Высокопроизводительная пленка Ag2Se n-типа на нейлоновой мембране для гибкого термоэлектрического генератора энергии». Nature Communications . 10 (841): 841. doi :10.1038/s41467-019-08835-5. PMC 6381183 . PMID  30783113. 
48. "Рынок субваттных термоэлектрических генераторов на подъеме". 2016-03-15 . Получено 2016-09-13 .

Внешние ссылки

• Каллендар, Хью Лонгборн (1911). «Термоэлектричество»  . Энциклопедия Британника . Т. 26 (11-е изд.). С. 814–821.
• Малые термоэлектрические генераторы Г. Джеффри Снайдера
• Канеллос, М. (24 ноября 2008 г.). Tapping America's Secret Power Source. Получено с сайта Greentech Media, 30 октября 2009 г. Веб-сайт: Tapping America's Secret Power Source
• Журнал LT, октябрь 2010 г.: Сборщик энергии сверхнизкого напряжения использует термоэлектрический генератор для беспроводных датчиков без батареек
• Сделай сам: как построить термоэлектрический генератор энергии с помощью дешевого блока Пельтье
• Джентерм Инк.
• Это устройство использует холодное ночное небо для выработки электроэнергии в темноте.