Thermoelectric generator (TEG thermogenerator) adalah perangkat listrik yang menggunakan efek Seebeck, Thomson dan Peltier untuk menghasilkan listrik melalui thermo-EMF. Efek termo-EMF ditemukan oleh ilmuwan Jerman Thomas Johann Seebeck (efek Seebeck) pada tahun 1821. Pada tahun 1851, William Thomson (kemudian Lord Kelvin) melanjutkan penelitian termodinamika dan membuktikan bahwa sumber gaya gerak listrik (EMF) adalah perbedaan suhu.
Pada tahun 1834, penemu dan pembuat jam Prancis Jean Charles Peltier menemukan efek termoelektrik kedua, menemukan bahwa perbedaan suhu terjadi pada pertemuan dua jenis bahan yang berbeda di bawah pengaruh arus listrik (efek Peltier). Secara khusus, ia memperkirakan bahwa EMF akan berkembang dalam satu konduktor ketika ada perbedaan suhu.
Pada tahun 1950, akademisi dan peneliti Rusia Abram Ioffe menemukan sifat termoelektrik semikonduktor. Pembangkit listrik termoelektrik mulai digunakan disistem catu daya otonom di area yang tidak dapat diakses. Studi tentang luar angkasa, perjalanan luar angkasa manusia memberikan dorongan kuat untuk perkembangan pesat konverter termoelektrik.
Sumber energi radioisotop pertama kali dipasang di pesawat ruang angkasa dan stasiun orbit. Mereka mulai digunakan dalam industri minyak dan gas besar untuk perlindungan anti-korosi pipa gas, dalam pekerjaan penelitian di Far North, di bidang kedokteran sebagai alat pacu jantung, dan di perumahan sebagai sumber catu daya otonom.
Efek termoelektrik dan perpindahan panas dalam sistem elektronik
Generator termoelektrik, prinsip operasi yang didasarkan pada penggunaan kompleks dari efek tiga ilmuwan (Seebeck, Thomson, Peltier), dikembangkan hampir 150 tahun setelah penemuan yang jauh di depan waktu mereka.
Efek termoelektrik adalah fenomena berikut. Untuk pendinginan atau pembangkit listrik, "modul" yang terdiri dari pasangan yang terhubung secara elektrik digunakan. Setiap pasangan terdiri dari bahan semikonduktor p (S> 0) dan n (S<0). Kedua bahan ini dihubungkan oleh konduktor yang daya termoelektriknya diasumsikan nol. Dua cabang (p dan n) dan semua pasangan lain yang membentuk modul dihubungkan secara seri di sirkuit listrik dan paralel di sirkuit termal. TEG (generator termoelektrik) dengan tata letak ini menciptakan kondisi untuk mengoptimalkan aliran panas yang melewati modul, mengatasinyahambatan listrik. Arus listrik bertindak sedemikian rupa sehingga pembawa muatan (elektron dan lubang) bergerak dari sumber dingin ke sumber panas (dalam pengertian termodinamika) di dua cabang pasangan. Pada saat yang sama, mereka berkontribusi pada transfer entropi dari sumber dingin ke sumber panas, ke aliran panas yang akan menahan konduksi panas.
Jika bahan yang dipilih memiliki sifat termoelektrik yang baik, fluks panas yang dihasilkan oleh pergerakan pembawa muatan ini akan lebih besar daripada konduktivitas termal. Oleh karena itu, sistem akan mentransfer panas dari sumber dingin ke sumber panas dan bertindak sebagai lemari es. Dalam hal pembangkitan listrik, aliran panas menyebabkan perpindahan pembawa muatan dan munculnya arus listrik. Semakin besar perbedaan suhu, semakin banyak listrik yang dapat diperoleh.
efisiensi TEG
Dinilai dari faktor efisiensi. Kekuatan generator termoelektrik tergantung pada dua faktor penting:
- Jumlah aliran panas yang berhasil melewati modul (aliran panas).
- Temperature delta (DT) - perbedaan suhu antara sisi panas dan dingin generator. Semakin besar delta, semakin efisien kerjanya, oleh karena itu, kondisi harus disediakan secara konstruktif, baik untuk suplai dingin maksimum maupun pemindahan panas maksimum dari dinding generator.
Istilah "efisiensi generator termoelektrik" mirip dengan istilah yang digunakan untuk semua jenis lainnyamesin termal. Sejauh ini, ini sangat rendah dan tidak lebih dari 17% efisiensi Carnot. Efisiensi generator TEG dibatasi oleh efisiensi Carnot dan dalam prakteknya hanya mencapai beberapa persen (2-6%) bahkan pada suhu tinggi. Hal ini disebabkan oleh konduktivitas termal yang rendah dalam bahan semikonduktor, yang tidak kondusif untuk pembangkit listrik yang efisien. Oleh karena itu, diperlukan bahan dengan konduktivitas termal rendah, tetapi pada saat yang sama dengan konduktivitas listrik setinggi mungkin.
Semikonduktor melakukan pekerjaan yang lebih baik daripada logam, tetapi masih sangat jauh dari indikator yang akan membawa generator termoelektrik ke tingkat produksi industri (dengan setidaknya 15% penggunaan panas suhu tinggi). Peningkatan lebih lanjut dalam efisiensi TEG tergantung pada sifat-sifat bahan termoelektrik (termoelektrik), pencarian yang saat ini ditempati oleh seluruh potensi ilmiah planet ini.
Pengembangan termoelektrik baru relatif kompleks dan mahal, tetapi jika berhasil akan menyebabkan revolusi teknologi dalam sistem pembangkitan.
Bahan termoelektrik
Termoelektrik terbuat dari paduan khusus atau senyawa semikonduktor. Baru-baru ini, polimer konduktif listrik telah digunakan untuk sifat termoelektrik.
Persyaratan untuk termoelektrik:
- efisiensi tinggi karena konduktivitas termal rendah dan konduktivitas listrik tinggi, koefisien Seebeck tinggi;
- tahan terhadap suhu tinggi dan termomekanisdampak;
- aksesibilitas dan keamanan lingkungan;
- tahan terhadap getaran dan perubahan suhu yang tiba-tiba;
- stabilitas jangka panjang dan biaya rendah;
- otomatisasi proses manufaktur.
Saat ini, eksperimen sedang dilakukan untuk memilih termokopel yang optimal, yang akan meningkatkan efisiensi TEG. Bahan semikonduktor termoelektrik adalah paduan telluride dan bismut. Ini telah diproduksi secara khusus untuk menyediakan blok atau elemen individual dengan karakteristik "N" dan "P" yang berbeda.
Bahan termoelektrik paling sering dibuat dengan kristalisasi terarah dari metalurgi serbuk cair atau padat. Setiap metode manufaktur memiliki keunggulan tersendiri, tetapi bahan pertumbuhan terarah adalah yang paling umum. Selain telurit bismut (Bi 2 Te 3), ada bahan termoelektrik lainnya, termasuk paduan timbal dan telurit (PbTe), silikon dan germanium (SiGe), bismut dan antimon (Bi-Sb), yang dapat digunakan secara spesifik. kasus. Sementara termokopel bismut dan telluride adalah yang terbaik untuk sebagian besar TEG.
Martabat TEG
Keuntungan generator termoelektrik:
- listrik dihasilkan dalam sirkuit satu tahap tertutup tanpa menggunakan sistem transmisi yang rumit dan menggunakan bagian yang bergerak;
- kekurangan cairan dan gas yang bekerja;
- tidak ada emisi zat berbahaya, limbah panas dan polusi suara lingkungan;
- baterai perangkat tahan lamaberfungsi;
- penggunaan limbah panas (sumber panas sekunder) untuk menghemat sumber energi
- bekerja di posisi objek apa pun, terlepas dari lingkungan operasi: luar angkasa, air, bumi;
- Pembangkitan tegangan rendah DC;
- kekebalan sirkuit pendek;
- Masa simpan tidak terbatas, 100% siap pakai.
Bidang aplikasi generator termoelektrik
Keunggulan TEG menentukan prospek pengembangan dan waktu dekat:
- studi tentang laut dan luar angkasa;
- aplikasi di energi alternatif kecil (dalam negeri);
- menggunakan panas dari pipa knalpot mobil;
- dalam sistem daur ulang;
- dalam sistem pendingin dan pendingin udara;
- dalam sistem pompa panas untuk pemanasan instan mesin diesel lokomotif dan mobil diesel;
- pemanasan dan pemasakan dalam kondisi lapangan;
- mengisi daya perangkat elektronik dan jam tangan;
- nutrisi gelang sensorik untuk atlet.
Konverter Peltier Termoelektrik
Elemen Peltier (EP) adalah konverter termoelektrik yang beroperasi menggunakan efek Peltier dengan nama yang sama, salah satu dari tiga efek termoelektrik (Seebeck dan Thomson).
Prancis Jean-Charles Peltier menghubungkan kabel tembaga dan bismut satu sama lain dan menghubungkannya ke baterai, sehingga menciptakan sepasang koneksi dualogam yang berbeda. Saat baterai dinyalakan, salah satu sambungan akan memanas dan sambungan lainnya akan menjadi dingin.
Perangkat efek Peltier sangat andal karena tidak memiliki bagian yang bergerak, bebas perawatan, tidak mengeluarkan gas berbahaya, kompak dan memiliki operasi dua arah (pemanasan dan pendinginan) tergantung pada arah arus.
Sayangnya, mereka tidak efisien, memiliki efisiensi rendah, mengeluarkan cukup banyak panas, yang membutuhkan ventilasi tambahan dan meningkatkan biaya perangkat. Perangkat tersebut mengkonsumsi cukup banyak listrik dan dapat menyebabkan panas berlebih atau pengembunan. Elemen peltier yang lebih besar dari 60 mm x 60 mm hampir tidak pernah ditemukan.
Cakupan ES
Pengenalan teknologi canggih dalam produksi termoelektrik telah menyebabkan pengurangan biaya produksi EP dan perluasan aksesibilitas pasar.
Hari ini EP banyak digunakan:
- dalam pendingin portabel, untuk mendinginkan peralatan kecil dan komponen elektronik;
- dalam dehumidifier untuk mengekstrak air dari udara;
- di pesawat ruang angkasa untuk menyeimbangkan efek sinar matahari langsung di satu sisi kapal sambil membuang panas ke sisi lain;
- untuk mendinginkan detektor foton pada teleskop astronomi dan kamera digital berkualitas tinggi guna meminimalkan kesalahan pengamatan akibat panas berlebih;
- untuk mendinginkan komponen komputer.
Baru-baru ini, telah banyak digunakan untuk keperluan rumah tangga:
- di perangkat pendingin yang didukung oleh port USB untuk mendinginkan atau memanaskan minuman;
- berupa tahap tambahan pendinginan lemari es kompresi dengan penurunan suhu hingga -80 derajat untuk pendinginan satu tahap dan hingga -120 untuk dua tahap;
- di mobil untuk membuat lemari es atau pemanas otomatis.
China telah meluncurkan produksi elemen Peltier modifikasi TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 senilai hingga 7 euro, yang dapat memberikan daya hingga 200 W sesuai dengan skema "panas-dingin", dengan masa pakai hingga 200.000 jam operasi di zona suhu dari -30 hingga 138 derajat Celcius.
baterai nuklir RITEG
Radioisotop thermoelectric generator (RTG) adalah perangkat yang menggunakan termokopel untuk mengubah panas dari peluruhan bahan radioaktif menjadi listrik. Generator ini tidak memiliki bagian yang bergerak. RITEG digunakan sebagai sumber energi pada satelit, pesawat ruang angkasa, fasilitas mercusuar terpencil yang dibangun oleh Uni Soviet untuk Lingkaran Arktik.
RTG umumnya merupakan sumber daya yang paling disukai untuk perangkat yang membutuhkan daya beberapa ratus watt. Dalam sel bahan bakar, baterai atau generator dipasang di tempat-tempat di mana sel surya tidak efisien. Generator termoelektrik radioisotop memerlukan penanganan radioisotop yang ketat selama:lama setelah akhir masa pakainya.
Ada sekitar 1.000 RTG di Rusia, yang terutama digunakan untuk sumber daya pada sarana jarak jauh: mercusuar, suar radio, dan peralatan radio khusus lainnya. RTG luar angkasa pertama pada polonium-210 adalah Limon-1 pada tahun 1962, kemudian Orion-1 dengan kekuatan 20 W. Modifikasi terbaru dipasang pada satelit Strela-1 dan Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 dan Mars-96 menggunakan RTG dalam sistem pemanasnya.
Perangkat generator termoelektrik DIY
Proses rumit yang terjadi di TEG tidak menghentikan "Kulibin" lokal dalam keinginan mereka untuk bergabung dengan proses ilmiah dan teknis global untuk pembuatan TEG. Penggunaan TEG buatan sendiri telah digunakan sejak lama. Selama Perang Patriotik Hebat, para partisan membuat generator termoelektrik universal. Ini menghasilkan listrik untuk mengisi radio.
Dengan munculnya elemen Peltier di pasaran dengan harga terjangkau untuk konsumen rumah tangga, maka TEG dapat dibuat sendiri dengan mengikuti langkah-langkah di bawah ini.
- Dapatkan dua heatsink dari toko IT dan gunakan pasta termal. Yang terakhir akan memfasilitasi koneksi elemen Peltier.
- Pisahkan radiator dengan insulator panas.
- Buat lubang pada isolator untuk menampung elemen Peltier dan kabel.
- Pasang struktur dan bawa sumber panas (lilin) ke salah satu radiator. Semakin lama pemanasan, semakin banyak arus yang akan dihasilkan dari termoelektrik rumahgenerator.
Perangkat ini bekerja tanpa suara dan ringan. Generator termoelektrik ic2, sesuai dengan ukurannya, dapat menghubungkan charger ponsel, menyalakan radio kecil dan menyalakan lampu LED.
Saat ini, banyak produsen global terkenal telah meluncurkan produksi berbagai gadget terjangkau menggunakan TEG untuk penggemar mobil dan pelancong.
Prospek pengembangan pembangkit termoelektrik
Permintaan TEGs untuk konsumsi rumah tangga diperkirakan tumbuh sebesar 14%. Prospek pengembangan pembangkit termoelektrik diterbitkan oleh Market Research Future dengan menerbitkan makalah "Laporan Riset Pasar Generator Termoelektrik Global - Prakiraan hingga 2022" - analisis pasar, volume, pangsa, kemajuan, tren, dan prakiraan. Laporan tersebut menegaskan janji TEG dalam daur ulang limbah otomotif dan pembangkit listrik bersama dan panas untuk fasilitas rumah tangga dan industri.
Secara geografis, pasar generator termoelektrik global telah dibagi menjadi Amerika, Eropa, Asia-Pasifik, India, dan Afrika. Asia-Pasifik dianggap sebagai segmen dengan pertumbuhan tercepat dalam implementasi pasar TEG.
Di antara wilayah ini, Amerika, menurut para ahli, adalah sumber pendapatan utama di pasar TEG global. Peningkatan permintaan energi bersih diperkirakan akan meningkatkan permintaan di Amerika.
Eropa juga akan menunjukkan pertumbuhan yang relatif cepat selama periode perkiraan. India dan China akanmeningkatkan konsumsi secara signifikan karena meningkatnya permintaan kendaraan, yang akan mendorong pertumbuhan pasar generator.
Perusahaan mobil seperti Volkswagen, Ford, BMW dan Volvo, bekerja sama dengan NASA, telah mulai mengembangkan mini-TEG untuk pemulihan panas dan sistem penghematan bahan bakar di kendaraan.
