В физике мы знаем, что энергию нельзя создать или уничтожить, она может только изменить свою форму. Это закон сохранения энергии, который побуждает инженеров искать способы преобразования энергии в более полезные формы.
Хорошим примером является производство тепловой энергии, которая может напрямую преобразовывать тепло в электрическую энергию. Этот эффект был впервые обнаружен Томасом Зеебеком и теперь известен как эффект Зеебека, который был применен к устройствам, называемым термоэлектрическими генераторами (ТЭГ). Лишь в 20 веке эти полупроводниковые устройства добились значительного прогресса в практическом применении: первые коммерческие версии появились в 1960-х годах. С тех пор TEG вошла во множество различных областей применения.
Базовые знания модуля TEG
Принцип работы модуля термоэлектрического генератора (обычно называемого ТЭГ) заключается в преобразовании разницы температур в напряжение и наоборот. Эта характеристика называется термоэлектрическим эффектом, который включает в себя три взаимосвязанных части: 1) эффект Зеебека, который генерирует электричество за счет температурного градиента; 2) Эффект Пельтье относится к поглощению или выделению тепла при прохождении тока через два разных материала; 3) Эффект Томсона означает выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока.
Распространенной путаницей в термоэлектрических технологиях является разница между термоэлектрическими генераторами (ТЭГ) и термоэлектрическими охладителями (ТЭО). TEG использует эффект Зеебека для выработки электроэнергии посредством тепла, а TEC использует эффект Пельтье для обеспечения охлаждения или поддержания стабильной температуры. Оба этих эффекта основаны на аналогичных полупроводниковых материалах, но разной конструкции: TEG может достигать высоких перепадов температур и эффективной выходной мощности, тогда как TEC использует такие материалы, как керамика и медь, для оптимизации теплопроводности.
Фактически, если целью является выработка электроэнергии с использованием тепловой энергии, то модуль ТЭГ – правильный выбор. Модули TEC или Пельтье более эффективны для охлаждения или температурной стабильности. Компания Same Sky предлагает как модули ТЭГ, так и модули Пельтье, что упрощает выбор подходящих устройств в соответствии с потребностями проекта.
В современных термоэлектрических генераторах (ТЭГ) электрическая энергия вырабатывается при наличии разницы температур между горячей и холодной поверхностями. Внутри модуля между двумя пластинами размещено несколько пар полупроводников n-типа и p-типа (обычно из теллурида висмута) (рис. 1). В материалах n-типа электроны движутся от горячей стороны к холодной, тогда как в материалах p-типа движение вызвано миграцией дырок (т.е. электронных вакансий) в том же направлении. Эти два потока совместно генерируют напряжение, и чем больше разница температур, тем выше выходное напряжение.
ТЭГ особенно ценен в ситуациях, когда могут возникнуть потери тепла, например, в промышленном производстве, поскольку он помогает восстановить потерянную энергию. TEG также может работать в удаленных или экстремальных условиях. Например, при недостаточном солнечном свете тепло, выделяемое в результате радиоактивного распада, преобразуется в электрическую энергию, необходимую для питания космических зондов.
Общие структуры модулей ТЭГ
Рисунок 1: Общая структура модуля TEG. (Источник изображения: Same Sky)
Преимущества и недостатки ТЭГ
Основным преимуществом термоэлектрических полупроводниковых модулей генерации энергии (ТЭГ) является их способность преобразовывать отходящее тепло в полезную электрическую энергию, что помогает улавливать энергию, которая в противном случае была бы потеряна. Поэтому модули ТЭГ не только практичны, но и экологичны.
Поскольку TEG является полупроводниковым устройством, в нем нет движущихся частей, а это означает, что этот модуль не издает слышимого шума, прочен и долговечен и практически не требует обслуживания. Этот модуль имеет компактный внешний вид, может быть установлен в небольших помещениях и обеспечивает различные напряжения и токи, не полагаясь на традиционные электросети для обеспечения надежного питания. Это делает TEG идеальным выбором для удаленных устройств или альтернативных аккумуляторных систем.
Хотя термоэлектрические генераторы (ТЭГ) являются надежным источником электроэнергии, они также имеют конструктивные ограничения. Производительность этого генератора во многом зависит от сильных перепадов температур, что ограничивает их использование в некоторых приложениях с температурными градиентами. Кроме того, эффективность преобразования ТЭГ обычно низкая, обычно около 10%, что невысоко по сравнению со многими другими технологиями производства энергии.
Основные критерии выбора ТЭГ
При интеграции модулей термоэлектрического генератора (ТЭГ) в систему необходимо учитывать ключевые характеристики, которые напрямую влияют на их производительность. Наиболее критичным фактором в работе генератора является разница температур между горячей и холодной поверхностями (обычно обозначаемая Δ T). Хотя это повлияет на выработку электроэнергии TEG, в таблице данных это не всегда отображается таким образом. Напротив, производители обычно указывают Tmax, самую высокую безопасную рабочую температуру, которая помогает определить экстремальные условия, но не обязательно может быть оптимальными условиями эксплуатации.
Другие полезные характеристики включают напряжение холостого хода, согласованное напряжение нагрузки, ток, сопротивление и мощность. Благодаря этим значениям можно понять работу термоэлектрического генератора при реальных тепловых и электрических нагрузках. В таблицах данных (например, в таблице данных Same Sky) эта информация обычно отображается в виде таблиц (рис. 2) и графиков производительности (рис. 3), чтобы упростить проектирование на уровне системы.