თბოელექტრული გენერატორი

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

         თბოელექტრული გენერატორი

თბოელექტრული გენერატორის მუშაობის სქემა

თბოელექტრული გენერატორი, თბოელექტრული გარდამქმნელი — მოწყობილობა, რომელიც თბურ ენერგიას უშუალოდ გარდაქმნის ელექტროენერგიად. თბოელექტრული გენერატორის მოქმედება ემყარება ზეემბეკის ეფექტს (არაერთგვაროვანი ნახევარგამტარების ან გამტარების წრედში მისი უბნების სხვადასხვა ტემპერატურამდე ${\displaystyle T_1}$ და ${\displaystyle T_0}$ გახურებისას წამოიქმნება თერმო ელექტრო მამოძრავებელი ძალა, ${\displaystyle E_T}$).

${\displaystyle E_T=\alpha (T_1-T_0)}$,

სადაც ${\displaystyle \alpha }$ არის თერმოემძ-ს კოეფიციენტი, რომელიც დამოკიდებულია მასალაზე. თბოელექტრული გენერატორი მოიცავს თბური ენერგიის წყაროს, თერმოელემენტებს, დენგამტარ წრედებსა და სითბოს არინების მოწყობილობას (რადიატორს). თბური ენერგიის წყაროა ბირთვული რეაქციები, წვის ქიმიური რეაქციები და მზე. თანამედროვე თბოელექტრული გენერატორებში იყენებენ მიმდევრობით შეერთებულ თბობატარეებად გაერთიანებულ ნახევარგამტარიან თერმოელემენტებს. თერმოელემენტი შედგება ${\displaystyle n}$ და ${\displaystyle p}$ გამტარობის ნახევარგამტარული ღეროებისა და ელექტრული სიმძლავრის ასართმევად განკუთვნილი ლითონის ფირფიტებისაგან. 350-600 K ტემპერატურის ინტერვალში თერმოელემენტის ყველაზე ეფექტური მასალაა მყარი ხსნარები ${\displaystyle {\text{Bi}}_2^{}{\text{Te}}_3^{}-{\text{Bi}}_2^{}{\text{Se}}_3^{}}$ (${\displaystyle n}$-ტიპი) და ${\displaystyle {\text{Bi}}_2^{}{\text{Te}}_3^{}-{\text{Sb}}_2^{}{\text{Se}}_3^{}}$ (${\displaystyle p}$-ტიპი). უფრო მაღალი ტემპერატურისათვის იყენებენ ნაერთებს: ${\displaystyle \text{PbTe}}$, ${\displaystyle \text{PbSe}}$, ${\displaystyle {\text{AgSbTe}}_2^{}}$, ${\displaystyle \text{GeTe}}$ და მათ საფუძველზე დამზადებულ მყარ ხსნარებს. XIX საუკუნის ბოლოსა და XX საუკუნის დასაწყისში ლითონის შენადნობთა საფუძველზე დამზადებული თბოელექტრული გენერატორის პირველი მოდელების მქკ ნაკლები იყო 1%-ზე. ნახევარგამტარიანი თბოელემენტებით აგებული თბოელექტრული გენერატორის მქკ კი ${\displaystyle T_1-T_0=400K}$ ტემპერატურაზე უდრის 8-10%, ხოლო ${\displaystyle T_1-T_0=1000K}$ (როცა ${\displaystyle T_0=300K}$) ტემპერატურაზე 15-18%-ს.

იხ. ვიდეო - How to make a DIY Thermoelectric Generator

გამოყენება

თერმოელექტრო გენერატორებს (TEG) აქვთ სხვადასხვა აპლიკაციები. ხშირად, თერმოელექტრული გენერატორები გამოიყენება დაბალი სიმძლავრის დისტანციური აპლიკაციებისთვის ან სადაც შეუძლებელი იქნება უფრო მოცულობითი, მაგრამ უფრო ეფექტური სითბოს ძრავები, როგორიცაა სტერლინგის ძრავები. სითბოს ძრავებისგან განსხვავებით, მყარი მდგომარეობის ელექტრო კომპონენტებს, რომლებიც ჩვეულებრივ იყენებენ თერმული ენერგიის ელექტროენერგიის გადაქცევას, არ აქვთ მოძრავი ნაწილები. თერმული ენერგიის გადაქცევა ელექტროენერგიაზე შეიძლება განხორციელდეს ისეთი კომპონენტების გამოყენებით, რომლებიც არ საჭიროებენ მოვლას, აქვთ არსებითად მაღალი საიმედოობა და შეიძლება გამოყენებულ იქნას გენერატორების ასაგებად ხანგრძლივი მომსახურების გარეშე. ეს ხდის თერმოელექტრო გენერატორებს კარგად მორგებულ აღჭურვილობას დაბალი და მოკრძალებული ენერგიის მოთხოვნილების მქონე შორეულ დაუსახლებელ ან მიუწვდომელ ადგილებში, როგორიცაა მთის მწვერვალები, კოსმოსური ვაკუუმი ან ღრმა ოკეანე.

თერმოელექტრული გენერატორების ძირითადი გამოყენებაა:

კოსმოსური ზონდები, მათ შორის Mars Curiosity rover, გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას რადიოიზოტოპური თერმოელექტრული გენერატორის გამოყენებით, რომლის სითბოს წყარო რადიოაქტიური ელემენტია.

ნარჩენი სითბოს აღდგენა. ყოველი ადამიანის საქმიანობა, ტრანსპორტი და სამრეწველო პროცესი წარმოქმნის ნარჩენ სითბოს, რაც შესაძლებელია ნარჩენი ენერგიის მოპოვება მანქანებიდან, თვითმფრინავებიდან, გემებიდან, მრეწველობისა და ადამიანის სხეულიდან. მანქანებიდან ენერგიის ძირითადი წყარო გამონაბოლქვი აირია. თერმოელექტრული გენერატორის გამოყენებით ამ სითბოს ენერგიის მოპოვებამ შეიძლება გაზარდოს მანქანის საწვავის ეფექტურობა. გამოკვლეულია თერმოელექტრული გენერატორები მანქანებში ალტერნატორების ჩასანაცვლებლად, რაც აჩვენებს საწვავის მოხმარების 3.45%-ით შემცირებას. სამომავლო გაუმჯობესების პროგნოზები ჰიბრიდული მანქანებისთვის გარბენის 10%-მდე გაზრდას ითვალისწინებს. ნათქვამია, რომ პოტენციური ენერგიის დაზოგვა შეიძლება იყოს უფრო მაღალი ბენზინის ძრავებისთვის, ვიდრე დიზელის ძრავებისთვის. დამატებითი ინფორმაციისთვის იხილეთ სტატია: საავტომობილო თერმოელექტრული გენერატორი. თვითმფრინავებისთვის, ძრავის საქშენები გამოვლენილია, როგორც საუკეთესო ადგილი ენერგიის აღსადგენად, მაგრამ ასევე შემოთავაზებულია ძრავის საკისრებიდან მიღებული სითბო და თვითმფრინავის კანში არსებული ტემპერატურის გრადიენტი.

მზის უჯრედები იყენებენ გამოსხივების მხოლოდ მაღალი სიხშირის ნაწილს, ხოლო დაბალი სიხშირის სითბოს ენერგია იხარჯება. შეტანილია რამდენიმე პატენტი მზის ელემენტებთან თერმოელექტრული მოწყობილობების პარალელურად ან კასკადურ კონფიგურაციაში გამოყენების შესახებ. იდეა არის გაერთიანებული მზის/თერმოელექტრული სისტემის ეფექტურობის გაზრდა მზის გამოსხივების სასარგებლო ელექტროენერგიად გადაქცევისთვის.

იხ. ვიდეო - КАК СДЕЛАТЬ ТЕРМОГЕНЕРАТОР СВОИМИ РУКАМИ

თერმოელექტრული გენერატორები ძირითადად გამოიყენება, როგორც დისტანციური და ქსელის გარეთ ელექტროენერგიის გენერატორები უპილოტო უბნებისთვის. ისინი არიან ყველაზე საიმედო დენის გენერატორი ასეთ სიტუაციებში, რადგან მათ არ აქვთ მოძრავი ნაწილები (შესაბამისად, პრაქტიკულად არ სჭირდება ტექნიკური მომსახურება), მუშაობენ დღე და ღამე, მუშაობენ ყველა ამინდის პირობებში და შეუძლიათ იმუშაონ ბატარეის სარეზერვო გარეშე. მიუხედავად იმისა, რომ მზის ფოტოელექტრული სისტემები ასევე დანერგილია შორეულ ადგილებში, მზის PV შეიძლება არ იყოს შესაფერისი გამოსავალი, სადაც მზის რადიაცია დაბალია, მაგალითად, უფრო მაღალ განედებზე, სადაც თოვლი ან მზე არ არის, ტერიტორიები, სადაც ბევრი ღრუბელი ან ხეებია, მტვრიანი უდაბნოები, ტყეები. ა.შ. თერმოელექტრული გენერატორები ჩვეულებრივ გამოიყენება გაზსადენებზე, მაგალითად, კათოდური დაცვის, რადიოკავშირისა და ტელემეტრიისთვის. გაზსადენებზე 5 კვტ-მდე სიმძლავრის მოხმარებისთვის, თერმული გენერატორები სასურველია ენერგიის სხვა წყაროებზე. გაზსადენების გენერატორების მწარმოებლები არიან Global Power Technologies (ყოფილი Global Thermoelectric) (კალგარი, კანადა) და TELGEN (რუსეთი).

მიკროპროცესორები წარმოქმნიან ნარჩენ სითბოს. მკვლევარებმა განიხილეს შესაძლებელია თუ არა ამ ენერგიის ნაწილის გადამუშავება. (თუმცა, იხილეთ ქვემოთ იმ პრობლემების შესახებ, რომლებიც შეიძლება წარმოიშვას.)

თერმოელექტრული გენერატორები ასევე იქნა გამოკვლეული, როგორც დამოუკიდებელი მზის თერმული უჯრედები. თერმოელექტრული გენერატორების ინტეგრაცია პირდაპირ ინტეგრირებულია მზის თერმულ ელემენტში 4.6% ეფექტურობით.

Maritime Applied Physics Corporation ბალტიმორში, მერილენდი ავითარებს თერმოელექტრო გენერატორს, რომელიც აწარმოებს ელექტროენერგიას ღრმა ოკეანის ზღვის ფსკერზე, ცივ ზღვის წყალსა და ცხელ სითხეებს შორის ტემპერატურის სხვაობის გამოყენებით, რომლებიც გამოიყოფა ჰიდროთერმული ხვრელებით, ცხელი ნახვრეტებით ან გაბურღული გეოთერმული ჭებიდან. ზღვის ფსკერზე ელექტროენერგიის მაღალი საიმედოობის წყარო საჭიროა ოკეანის ობსერვატორიებისთვის და სენსორებისთვის, რომლებიც გამოიყენება გეოლოგიურ, გარემოსდაცვითი და ოკეანის მეცნიერებებში, ზღვის ფსკერზე მინერალური და ენერგეტიკული რესურსების დეველოპერებისა და სამხედროების მიერ. ბოლოდროინდელმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ღრმა ზღვის თერმოელექტრული გენერატორები დიდი მასშტაბის ენერგეტიკული სადგურებისთვის ასევე ეკონომიკურად მომგებიანია.

ენ მაკოსინსკიმ ბრიტანეთის კოლუმბიიდან, კანადა შეიმუშავა რამდენიმე მოწყობილობა Peltier-ის ფილების გამოყენებით სითბოს მოსავლელად (ადამიანის ხელიდან,  შუბლიდან და ცხელი სასმელიდან ), რომელიც ამტკიცებს, რომ გამოიმუშავებს საკმარის ელექტროენერგიას LED ნათურის ან დამუხტვისთვის. მობილური მოწყობილობა, თუმცა გამომგონებელი აღიარებს, რომ LED განათების სიკაშკაშე არ არის კონკურენტუნარიანი ბაზარზე არსებულთან.

თერმოელექტრული გენერატორები გამოიყენება ღუმელების გულშემატკივრებში. ისინი შეშის ან ნახშირის დამწვრობის ღუმელზე იდება. TEG მოთავსებულია 2 გამათბობელს შორის და dტემპერატურის განსხვავება ააქტიურებს ნელა მოძრავ ვენტილატორის, რომელიც ეხმარება ღუმელების სითბოს ცირკულაციას ოთახში.

პრაქტიკული შეზღუდვები

დაბალი ეფექტურობისა და შედარებით მაღალი ღირებულების გარდა, არსებობს პრაქტიკული პრობლემები თერმოელექტრული მოწყობილობების გამოყენებისას გარკვეული ტიპის აპლიკაციებში, რაც გამოწვეულია შედარებით მაღალი ელექტრული გამომავალი წინააღმდეგობით, რაც ზრდის თვითგათბობას და შედარებით დაბალ თბოგამტარობას, რაც მათ უვარგისს ხდის აპლიკაციებისთვის, სადაც სითბოა. მოცილება კრიტიკულია, როგორც სითბოს მოცილება ელექტრო მოწყობილობიდან, როგორიცაა მიკროპროცესორები.

გენერატორის გამომავალი მაღალი წინააღმდეგობა: ძაბვის გამომავალი დონის მისაღებად ციფრული ელექტრული მოწყობილობებისთვის საჭირო დიაპაზონში, საერთო მიდგომაა მრავალი თერმოელექტრული ელემენტის განთავსება გენერატორის მოდულში. ელემენტის ძაბვა იზრდება, მაგრამ იზრდება მათი გამომავალი წინააღმდეგობა. მაქსიმალური სიმძლავრის გადაცემის თეორემა კარნახობს, რომ მაქსიმალური სიმძლავრე მიეწოდება დატვირთვას, როდესაც წყარო და დატვირთვის წინააღმდეგობა ერთნაირად შეესაბამება. დაბალი წინაღობის დატვირთვისთვის ნულ ომთან ახლოს, გენერატორის წინააღმდეგობის მატებასთან ერთად, დატვირთვაზე მიწოდებული სიმძლავრე მცირდება. გამომავალი წინააღმდეგობის შესამცირებლად, ზოგიერთი კომერციული მოწყობილობა ათავსებს უფრო მეტ ცალკეულ ელემენტებს პარალელურად და ნაკლებ სერიებში და იყენებს გამაძლიერებლის რეგულატორს ძაბვის ასამაღლებლად დატვირთვისთვის საჭირო ძაბვამდე.

დაბალი თბოგამტარობა: იმის გამო, რომ ძალიან მაღალი თბოგამტარობაა საჭირო თერმული ენერგიის გადასატანად სითბოს წყაროდან, როგორიცაა ციფრული მიკროპროცესორი, თერმოელექტრული გენერატორების დაბალი თბოგამტარობა მათ სითბოს აღსადგენად შეუფერებელს ხდის.

ცივ მხარეს სითბოს მოცილება ჰაერით: ჰაერით გაცივებული თერმოელექტრული აპლიკაციებში, როგორიცაა თერმული ენერგიის აღებისას საავტომობილო სატრანსპორტო საშუალების ამხანაგიდან, თერმული ენერგიის დიდი რაოდენობა, რომელიც უნდა გაიფანტოს ატმოსფერულ ჰაერში, წარმოადგენს მნიშვნელოვან გამოწვევას. თერმოელექტრული გენერატორის მაგარი მხარის ტემპერატურის მატებასთან ერთად, მოწყობილობის მუშაობის დიფერენციალური ტემპერატურა მცირდება. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, მოწყობილობის ელექტრული წინააღმდეგობა იზრდება, რაც იწვევს პარაზიტული გენერატორის უფრო დიდ თვითგათბობას. საავტომობილო სატრანსპორტო საშუალებების აპლიკაციებში ზოგჯერ გამოიყენება დამატებითი რადიატორი სითბოს გასაუმჯობესებლად, თუმცა წყლის ელექტრო ტუმბოს გამოყენება გამაგრილებლის ცირკულაციისთვის პარაზიტულ დანაკარგს მატებს გენერატორის მთლიან გამომავალ სიმძლავრეს. თერმოელექტრული გენერატორის ცივი მხარის წყლის გაგრილება, როგორც თერმოელექტრული ენერგიის გენერირებისას შიდა ნავის ძრავის ცხელი ამწედან, არ განიცდის ამ მინუსს. წყალი ჰაერისგან განსხვავებით ეფექტური გამაგრილებელი გამოსაყენებლად უფრო ადვილია.

მომავალი ბაზარი

მიუხედავად იმისა, რომ TEG ტექნოლოგია გამოიყენება სამხედრო და აერონავტიკაში ათწლეულების განმავლობაში, ახალი TE მასალები და სისტემები მუშავდება ენერგიის გამომუშავებისთვის დაბალი ან მაღალი ტემპერატურის ნარჩენი სითბოს გამოყენებით და ეს შეიძლება მნიშვნელოვანი შესაძლებლობა მოგვცეს უახლოეს მომავალში. ეს სისტემები ასევე შეიძლება იყოს მასშტაბირებადი ნებისმიერი ზომისთვის და ჰქონდეს უფრო დაბალი ექსპლუატაცია და ტექნიკური ღირებულება.

თერმოელექტრული გენერატორების გლობალური ბაზარი შეფასებულია 320 მილიონი აშშ დოლარი 2015 წელს და 472 მილიონი აშშ დოლარი 2021 წელს; 2030 წლისთვის 1,44 მილიარდ აშშ დოლარამდე CAGR 11,8%. დღეს ჩრდილოეთ ამერიკა იკავებს ბაზრის წილის 66%-ს და უახლოეს მომავალში ის იქნება ყველაზე დიდი ბაზარი. თუმცა, აზია-წყნარი ოკეანისა და ევროპის ქვეყნები შედარებით მაღალი ტემპებით გაიზრდება. კვლევამ აჩვენა, რომ აზია-წყნარი ოკეანის ბაზარი გაიზრდებოდა 18.3%-იანი წლიური ზრდის ტემპით (CAGR) 2015 წლიდან 2020 წლამდე პერიოდში, საავტომობილო ინდუსტრიების მიერ თერმოელექტრული გენერატორების მაღალი მოთხოვნის გამო საწვავის მთლიანი ეფექტურობის გაზრდის მიზნით. როგორც მზარდი ინდუსტრიალიზაცია რეგიონში.

მცირე მასშტაბის თერმოელექტრული გენერატორები ასევე იმყოფებიან გამოკვლევის ადრეულ ეტაპებზე ტარების ტექნოლოგიებში, რათა შეამცირონ ან შეცვალონ დატენვა და გაზარდონ დამუხტვის ხანგრძლივობა. ბოლო კვლევები ფოკუსირებული იყო მოქნილი არაორგანული თერმოელექტრული ვერცხლის სელენიდის ახალ განვითარებაზე ნეილონის სუბსტრატზე. თერმოელექტროები წარმოადგენენ განსაკუთრებულ სინერგიას ტარების საშუალებებთან, ენერგიის მოპოვებით უშუალოდ ადამიანის სხეულიდან, რაც ქმნის თვითმოძველებულ მოწყობილობას. ერთ-ერთ პროექტში გამოიყენებოდა n-ტიპის ვერცხლის სელენიდი ნეილონის მემბრანაზე. ვერცხლის სელენიდი არის ვიწრო ზოლიანი ნახევარგამტარი მაღალი ელექტრული გამტარობით და დაბალი თბოგამტარობით, რაც მას სრულყოფილს ხდის თერმოელექტრული აპლიკაციებისთვის.

დაბალი სიმძლავრის TEG ან "sub-watt" (ანუ 1 ვატამდე პიკის გენერირება) ბაზარი არის TEG ბაზრის მზარდი ნაწილი, რომელიც იყენებს უახლეს ტექნოლოგიებს. ძირითადი აპლიკაციებია სენსორები, დაბალი სიმძლავრის აპლიკაციები და უფრო გლობალურად ინტერნეტის აპლიკაციები. ბაზრის კვლევის სპეციალიზებულმა კომპანიამ მიუთითა, რომ 100,000 ერთეული გაიგზავნა 2014 წელს და ელოდება 9 მილიონ ერთეულს წელიწადში 2020 წლისთვის.