Termoelektrinė elektros energijos gamyba: šilumos panaudojimas elektrai gaminti pasauliniu mastu

Pasaulyje, kuriame vis daugiau dėmesio skiriama tvariems energetikos sprendimams, termoelektrinė elektros energijos gamyba (TEG) tampa perspektyvia technologija, leidžiančia tiesiogiai paversti atliekinę šilumą elektra. Šis procesas, pagrįstas Seebecko efektu, siūlo unikalų požiūrį į energijos gavybą ir gali sukelti revoliuciją įvairiuose sektoriuose, nuo pramoninės gamybos iki automobilių inžinerijos ir net buitinės elektronikos. Šiame išsamiame vadove nagrinėjami termoelektrinės elektros energijos gamybos principai, taikymo sritys, iššūkiai ir ateities perspektyvos, ypatingą dėmesį skiriant jos pasaulinei reikšmei ir potencialui siekiant švaresnės energetikos ateities.

Kas yra termoelektra?

Termoelektra – tai reiškiniai, susiję su tiesioginiu šilumos energijos pavertimu elektros energija ir atvirkščiai. Du pagrindiniai efektai yra Seebecko efektas ir Peltier efektas.

Seebecko efektas

Seebecko efektas, kurį 1821 m. atrado Thomas Johann Seebeck, apibūdina elektrovaros jėgos (įtampos) susidarymą grandinėje, sudarytoje iš dviejų skirtingų laidžių medžiagų, kai tarp dviejų sandūrų yra temperatūrų skirtumas. Ši įtampa, žinoma kaip Seebecko įtampa, yra tiesiogiai proporcinga temperatūrų skirtumui. Termoelektrinis generatorius (TEG) naudoja šį efektą šilumai paversti elektra.

Peltier efektas

Peltier efektas, kurį 1834 m. atrado Jean Charles Athanase Peltier, yra priešingas Seebecko efektui. Kai elektros srovė teka per dviejų skirtingų laidžių medžiagų sandūrą, sandūroje šiluma yra arba sugeriama, arba išskiriama. Šis efektas naudojamas termoelektriniuose aušintuvuose ir šildytuvuose.

Termoelektrinės elektros energijos gamybos principai

Termoelektriniai generatoriai (TEG) yra kietojo kūno įtaisai, kurie tiesiogiai paverčia šilumos energiją elektros energija, remiantis Seebecko efektu. Įprastą TEG sudaro daugybė mažų termoelektrinių porų, sujungtų elektriškai nuosekliai ir termiškai lygiagrečiai. Kiekviena termoelektrinė pora yra sudaryta iš p tipo ir n tipo puslaidininkinės medžiagos.

Kai viena TEG pusė (karštoji pusė) yra veikiama šilumos šaltinio, o kita pusė (šaltoji pusė) palaikoma žemesnėje temperatūroje, susidaro temperatūrų skirtumas. Šis temperatūrų skirtumas skatina krūvininkų (elektronų n tipo medžiagoje ir skylių p tipo medžiagoje) difuziją iš karštosios pusės į šaltąją, sukuriant įtampą. Nuoseklus termoelektrinių porų sujungimas padidina įtampą iki tinkamo lygio.

Pagrindiniai našumo parametrai

TEG efektyvumą lemia keletas veiksnių, įskaitant:

• Seebecko koeficientas (S): Termoelektrinės įtampos, sugeneruotos vienam temperatūros skirtumo vienetui, dydžio matas.
• Elektrinis laidumas (σ): Medžiagos gebėjimo praleisti elektros srovę matas.
• Šiluminis laidumas (κ): Medžiagos gebėjimo praleisti šilumą matas. Mažesnis šiluminis laidumas padeda palaikyti temperatūrų skirtumą visame įrenginyje.
• Kokybės koeficientas (ZT): Bedimensis dydis, atspindintis medžiagos termoelektrinį našumą. Jis apibrėžiamas kaip ZT = S²σT/κ, kur T yra absoliuti temperatūra. Aukštesnė ZT vertė rodo geresnį termoelektrinį našumą.

ZT vertės maksimizavimas yra labai svarbus siekiant pagerinti TEG efektyvumą. Mokslininkai aktyviai kuria naujas termoelektrines medžiagas su didesnėmis ZT vertėmis.

Termoelektrinės elektros energijos gamybos taikymas

Termoelektrinė elektros energijos gamyba turi platų potencialių taikymo sričių spektrą, įskaitant:

Atliekinės šilumos rekuperacija

Viena iš perspektyviausių TEG taikymo sričių yra atliekinės šilumos rekuperacija. Pramonės šakos, tokios kaip gamyba, elektrinės ir automobilių išmetimo sistemos, generuoja didžiulius atliekinės šilumos kiekius, kurie paprastai išleidžiami į aplinką. TEG gali būti naudojami šiai atliekinei šilumai paversti elektra, taip pagerinant energijos vartojimo efektyvumą ir sumažinant šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą.

Pavyzdys: Vokietijoje BMW tiria TEG naudojimą transporto priemonių išmetimo sistemose, siekdama rekuperuoti atliekinę šilumą ir pagerinti degalų vartojimo efektyvumą. Ši technologija galėtų ženkliai sumažinti degalų sąnaudas ir CO2 emisijas.

Nuotolinė elektros energijos gamyba

TEG gali būti patikimas energijos šaltinis atokiose vietovėse, kur prieiga prie elektros tinklo yra ribota arba jos nėra. Jie gali būti maitinami iš įvairių šilumos šaltinių, tokių kaip saulės energija, geoterminė energija ar net biomasės deginimas. Dėl to jie idealiai tinka nuotoliniams jutikliams, meteorologijos stotims ir kitiems elektroniniams prietaisams maitinti.

Pavyzdys: Daugelyje atokių Aliaskos vietovių propanu maitinami TEG naudojami elektros energijai tiekti mažoms bendruomenėms ir tyrimų stotims. Tai užtikrina patikimą ir nepriklausomą energijos šaltinį atšiauriomis sąlygomis.

Taikymas automobilių pramonėje

TEG gali būti naudojami transporto priemonėse atliekinei šilumai iš variklio išmetamųjų dujų ar aušinimo sistemos rekuperuoti, taip pagerinant degalų vartojimo efektyvumą ir sumažinant išmetamųjų teršalų kiekį. Jie taip pat gali būti naudojami pagalbinių sistemų, tokių kaip oro kondicionierius ar elektrinis vairo stiprintuvas, maitinimui.

Pavyzdys: Keletas automobilių gamintojų, įskaitant „Toyota“ ir „Honda“, tiria ir kuria TEG sistemas transporto priemonėms. Šiomis sistemomis siekiama pagerinti degalų ekonomiją ir sumažinti transporto poveikį aplinkai.

Kosmoso tyrimai

TEG dešimtmečius naudojami kosmoso tyrimuose erdvėlaiviams ir marsaeigiams maitinti. Radioizotopiniai termoelektriniai generatoriai (RTG) naudoja šilumą, susidarančią skylant radioaktyviems izotopams, tokiems kaip plutonis-238, elektrai gaminti. RTG užtikrina ilgaamžį ir patikimą energijos šaltinį misijoms į tolimas planetas, kur saulės energija nėra lengvai prieinama.

Pavyzdys: Marsaeigis „Curiosity“ yra maitinamas RTG, kuris leidžia jam ilgą laiką veikti Marso paviršiuje. RTG taip pat buvo naudojami „Voyager“ erdvėlaiviuose, kurie tyrinėja išorines Saulės sistemos ribas daugiau nei 40 metų.

Buitinė elektronika

TEG gali būti naudojami mažiems elektroniniams prietaisams, tokiems kaip nešiojami jutikliai, išmanieji laikrodžiai ir medicininiai implantai, maitinti. Jie gali būti maitinami kūno šiluma ar kitais aplinkos šilumos šaltiniais, todėl nereikia baterijų ar išorinių maitinimo šaltinių.

Pavyzdys: Mokslininkai kuria TEG maitinamus nešiojamus jutiklius, kurie gali stebėti gyvybines funkcijas, tokias kaip širdies ritmas ir kūno temperatūra. Šie jutikliai galėtų užtikrinti nuolatinį ir neinvazinį sveikatos stebėjimą.

Termoelektrinės elektros energijos gamybos privalumai

TEG turi keletą pranašumų, palyginti su įprastomis elektros energijos gamybos technologijomis:

• Kietojo kūno veikimas: TEG neturi judančių dalių, todėl yra patikimi, ilgaamžiai ir reikalauja mažai priežiūros.
• Tylus veikimas: TEG veikimo metu neskleidžia triukšmo, todėl tinka naudoti aplinkoje, kurioje svarbi tyla.
• Mastelio keitimas: TEG galima lengvai pritaikyti skirtingiems galios poreikiams, nuo milivatų iki kilovatų.
• Universalumas: TEG gali būti maitinami iš įvairių šilumos šaltinių, įskaitant atliekinę šilumą, saulės energiją ir geoterminę energiją.
• Draugiškumas aplinkai: TEG gali sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą, rekuperuodami atliekinę šilumą ir gerindami energijos vartojimo efektyvumą.

Iššūkiai ir apribojimai

Nepaisant privalumų, TEG taip pat susiduria su keliais iššūkiais ir apribojimais:

• Mažas efektyvumas: TEG efektyvumas paprastai yra mažesnis nei įprastų elektros energijos gamybos technologijų. Dabartinių TEG efektyvumas svyruoja nuo 5 % iki 10 %.
• Aukšta kaina: Termoelektrinių medžiagų ir gamybos procesų kaina gali būti gana didelė.
• Medžiagų apribojimai: Termoelektrinių medžiagų prieinamumas ir našumas yra riboti. Mokslininkai aktyviai kuria naujas medžiagas su didesnėmis ZT vertėmis.
• Temperatūros reikalavimai: Norint pagaminti didelį elektros energijos kiekį, TEG reikalingas didelis temperatūrų skirtumas tarp karštosios ir šaltosios pusių.

Naujausi pasiekimai termoelektrinių medžiagų srityje

TEG efektyvumą didžiąja dalimi lemia jų konstrukcijoje naudojamų termoelektrinių medžiagų našumas. Naujausi pasiekimai medžiagų moksle leido sukurti naujas termoelektrines medžiagas, turinčias žymiai pagerintas ZT vertes.

Nanostruktūrinės medžiagos

Nanostruktūrizavimas gali pagerinti termoelektrinį medžiagų našumą, sumažinant jų šiluminį laidumą, išlaikant elektrinį laidumą. Nanostruktūrinės medžiagos parodė daug žadančių rezultatų gerinant kelių termoelektrinių medžiagų ZT vertes.

Pavyzdys: Mokslininkai sukūrė nanostruktūrinius silicio nanolaidelius su žymiai sumažintu šiluminiu laidumu, kas lėmė pagerėjusį termoelektrinį našumą.

Kvantinių taškų supergardelės

Kvantinių taškų supergardelės yra periodinės struktūros, sudarytos iš kvantinių taškų, įterptų į matricos medžiagą. Šios struktūros gali pasižymėti unikaliomis termoelektrinėmis savybėmis dėl kvantinio apribojimo efektų.

Pavyzdys: Mokslininkai pagamino kvantinių taškų supergardeles su padidintais Seebecko koeficientais ir sumažintu šiluminiu laidumu, kas lėmė pagerėjusias ZT vertes.

Skuteruditai

Skuteruditai yra intermetalinių junginių klasė, pasižyminti daug žadančiu termoelektriniu našumu. Jie gali būti legiruoti įvairiais elementais, siekiant optimizuoti jų elektrines ir šilumines savybes.

Pavyzdys: Mokslininkai sukūrė skuteruditų pagrindu pagamintas termoelektrines medžiagas, kurių ZT vertės aukštose temperatūrose viršija 1.

Pusiau Heuslerio lydiniai

Pusiau Heuslerio lydiniai yra trijų komponentų intermetaliniai junginiai, pasižymintys puikiu termoelektriniu našumu. Jie yra mechaniškai tvirti ir chemiškai stabilūs, todėl tinka aukštos temperatūros taikymams.

Pavyzdys: Mokslininkai sukūrė pusiau Heuslerio lydinius, kurių ZT vertės aukštose temperatūrose viršija 1,5.

Termoelektrinės elektros energijos gamybos ateitis

Termoelektrinė elektros energijos gamyba turi didelį potencialą tvarios energetikos ateičiai. Vykdomi mokslinių tyrimų ir plėtros darbai yra skirti TEG efektyvumo didinimui, sąnaudų mažinimui ir taikymo sričių plėtrai.

Patobulintos medžiagos

Naujų termoelektrinių medžiagų su didesnėmis ZT vertėmis kūrimas yra labai svarbus siekiant pagerinti TEG efektyvumą. Mokslininkai tiria įvairius metodus, įskaitant nanostruktūrizavimą, legiravimą ir sudėties optimizavimą.

Sąnaudų mažinimas

Termoelektrinių medžiagų ir gamybos procesų sąnaudų mažinimas yra būtinas, kad TEG taptų ekonomiškai konkurencingi. Mokslininkai tiria naujus sintezės metodus ir nagrinėja žemėje gausiai paplitusių medžiagų naudojimo galimybes.

Sistemos optimizavimas

TEG sistemų projektavimo ir integravimo optimizavimas gali pagerinti jų bendrą našumą. Mokslininkai kuria naujas šilumos valdymo strategijas ir tiria pažangių šilumokaičių naudojimo galimybes.

Išplėstas taikymas

TEG taikymo sričių plėtra gali padidinti jų rinkos potencialą. Mokslininkai tiria naujas taikymo sritis, tokias kaip atliekinės šilumos rekuperacija, nuotolinė elektros energijos gamyba, automobilių inžinerija ir buitinė elektronika.

Pasaulinė perspektyva ir bendradarbiavimas

Termoelektrinės elektros energijos gamybos pažangai reikalingas pasaulinis bendradarbiavimas ir dalijimasis žiniomis. Mokslininkai, inžinieriai ir politikos formuotojai iš viso pasaulio dirba kartu kurdami ir diegdami TEG technologijas.

Tarptautinis bendradarbiavimas yra būtinas inovacijoms skatinti ir naujų termoelektrinių medžiagų bei sistemų kūrimui paspartinti. Šis bendradarbiavimas gali apimti bendrus mokslinių tyrimų projektus, mainų programas ir tarptautines konferencijas.

Vyriausybės parama atlieka lemiamą vaidmenį skatinant TEG technologijų diegimą. Vyriausybės gali skirti finansavimą moksliniams tyrimams ir plėtrai, siūlyti paskatas TEG sistemų diegimui ir nustatyti reglamentus, skatinančius atliekinės šilumos rekuperaciją.

Pramonės partnerystės yra gyvybiškai svarbios komercializuojant TEG technologijas. Įmonės gali investuoti į TEG sistemų kūrimą ir gamybą, integruoti TEG į savo produktus ir reklamuoti TEG technologijas vartotojams.

Išvada

Termoelektrinė elektros energijos gamyba siūlo perspektyvų kelią tvarios energetikos ateities link. Tiesiogiai paversdami atliekinę šilumą elektra, TEG gali pagerinti energijos vartojimo efektyvumą, sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą ir tapti patikimu energijos šaltiniu atokiose vietovėse. Nors vis dar išlieka iššūkių, susijusių su efektyvumu ir sąnaudomis, vykdomi mokslinių tyrimų ir plėtros darbai atveria kelią naujoms termoelektrinėms medžiagoms ir sistemoms, pasižyminčioms geresniu našumu ir platesniu taikymu. Pasauliui ir toliau sprendžiant klimato kaitos ir energetinio saugumo iššūkius, termoelektrinė elektros energijos gamyba gali atlikti vis svarbesnį vaidmenį tenkinant pasaulinius energijos poreikius.

Pasaulinė perspektyva ir bendradarbiavimo pastangos yra labai svarbios siekiant maksimaliai išnaudoti termoelektrinės elektros energijos gamybos potencialą. Dirbdami kartu, mokslininkai, inžinieriai, politikos formuotojai ir pramonės lyderiai gali paspartinti TEG technologijų kūrimą ir diegimą bei prisidėti prie švaresnės, tvaresnės energetikos ateities visiems.