Termoelektr energiyasini ishlab chiqarish: Global miqyosda elektr energiyasi uchun issiqlikdan foydalanish

Barqaror energiya yechimlariga tobora ko'proq e'tibor qaratilayotgan dunyoda, termoelektr energiyasini ishlab chiqarish (TEG) chiqindi issiqlikni to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantirish uchun istiqbolli texnologiya sifatida paydo bo'lmoqda. Zeebek effektiga asoslangan bu jarayon energiya yig'ishga noyob yondashuvni taklif etadi va sanoat ishlab chiqarishidan tortib avtomobilsozlik va hatto maishiy elektronikagacha bo'lgan turli sohalarni inqilob qilish potentsialiga ega. Ushbu keng qamrovli qo'llanma termoelektr energiyasini ishlab chiqarishning tamoyillari, qo'llanilishi, qiyinchiliklari va kelajakdagi istiqbollarini, uning global oqibatlari va toza energiya kelajagi uchun potentsialiga e'tibor qaratgan holda o'rganadi.

Termoelektr nima?

Termoelektr issiqlik energiyasini to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantirish va aksincha bo'lgan hodisalarni anglatadi. Ikki asosiy effekt - bu Zeebek effekti va Peltye effektidir.

Zeebek effekti

1821 yilda Tomas Yoxann Zeebek tomonidan kashf etilgan Zeebek effekti, ikkita turli o'tkazuvchan materiallardan tashkil topgan zanjirda, ikkita tutashuv o'rtasida harorat farqi mavjud bo'lganda elektromotor kuch (kuchlanish) paydo bo'lishini tavsiflaydi. Zeebek kuchlanishi deb nomlanuvchi bu kuchlanish to'g'ridan-to'g'ri harorat farqiga proportsionaldir. Termoelektr generatori (TEG) bu effektdan issiqlikni elektr energiyasiga aylantirish uchun foydalanadi.

Peltye effekti

1834 yilda Jan Sharl Atanas Peltye tomonidan kashf etilgan Peltye effekti Zeebek effektining teskarisidir. Elektr toki ikki xil o'tkazuvchan materialning tutashuvidan o'tganda, tutashuvda issiqlik yutiladi yoki chiqariladi. Bu effekt termoelektr sovutgichlar va isitgichlarda qo'llaniladi.

Termoelektr energiyasini ishlab chiqarish tamoyillari

Termoelektr generatorlari (TEG) Zeebek effektiga asoslanib, issiqlik energiyasini to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantiradigan qattiq jismli qurilmalardir. Oddiy TEG elektr jihatdan ketma-ket va termal jihatdan parallel ulangan ko'plab kichik termoelektr juftliklardan iborat. Har bir termoelektr juftlik p-tip va n-tip yarimo'tkazgich materiallaridan tashkil topgan.

TEGning bir tomoni (issiq tomon) issiqlik manbasiga ta'sir qilganda va boshqa tomoni (sovuq tomon) pastroq haroratda saqlanganda, harorat farqi hosil bo'ladi. Bu harorat farqi zaryad tashuvchilarning (n-tip materialdagi elektronlar va p-tip materialdagi kovaklar) issiq tomondan sovuq tomonga diffuziyasini keltirib chiqaradi va kuchlanish hosil qiladi. Termoelektr juftliklarning ketma-ket ulanishi kuchlanishni foydalanish mumkin bo'lgan darajaga oshiradi.

Asosiy samaradorlik parametrlari

TEGning samaradorligi bir nechta omillar bilan belgilanadi, jumladan:

Zeebek koeffitsienti (S): Harorat farqining bir birligiga hosil bo'lgan termoelektr kuchlanish kattaligining o'lchovi.
Elektr o'tkazuvchanligi (σ): Materialning elektr tokini qanchalik yaxshi o'tkazishini o'lchaydigan ko'rsatkich.
Issiqlik o'tkazuvchanligi (κ): Materialning issiqlikni qanchalik yaxshi o'tkazishini o'lchaydigan ko'rsatkich. Past issiqlik o'tkazuvchanligi qurilma bo'ylab harorat farqini saqlashga yordam beradi.
Sifat ko'rsatkichi (ZT): Materialning termoelektr samaradorligini ifodalovchi o'lchovsiz miqdor. U ZT = S²σT/κ sifatida aniqlanadi, bu yerda T - mutlaq harorat. Yuqori ZT qiymati yaxshiroq termoelektr samaradorligini ko'rsatadi.

ZT qiymatini maksimal darajaga yetkazish TEGlar samaradorligini oshirish uchun juda muhimdir. Tadqiqotchilar yuqori ZT qiymatlariga ega yangi termoelektr materiallarni ishlab chiqish ustida faol ishlamoqdalar.

Termoelektr energiyasini ishlab chiqarishning qo'llanilishi

Termoelektr energiyasini ishlab chiqarish keng ko'lamli potentsial qo'llanilishlarga ega, jumladan:

Chiqindi issiqlikni qayta ishlash

TEGlarning eng istiqbolli qo'llanilishlaridan biri bu chiqindi issiqlikni qayta ishlashdir. Ishlab chiqarish, elektr stansiyalari va avtomobil chiqindi gaz tizimlari kabi sanoat tarmoqlari odatda atrof-muhitga chiqariladigan katta miqdordagi chiqindi issiqlikni hosil qiladi. TEGlar bu chiqindi issiqlikni elektr energiyasiga aylantirish, energiya samaradorligini oshirish va issiqxona gazlari emissiyasini kamaytirish uchun ishlatilishi mumkin.

Misol: Germaniyada BMW chiqindi issiqlikni qayta ishlash va yonilg'i samaradorligini oshirish uchun avtomobil chiqindi gaz tizimlarida TEGlardan foydalanishni o'rganmoqda. Ushbu texnologiya yonilg'i sarfini va CO2 emissiyasini sezilarli darajada kamaytirishi mumkin.

Masofaviy elektr energiyasi ishlab chiqarish

TEGlar elektr tarmog'iga ulanish cheklangan yoki mavjud bo'lmagan chekka hududlarda ishonchli quvvat manbai bo'lib xizmat qilishi mumkin. Ular quyosh energiyasi, geotermal energiya yoki hatto biomassa yoqilishi kabi turli xil issiqlik manbalaridan quvvat olishi mumkin. Bu ularni masofaviy datchiklar, ob-havo stansiyalari va boshqa elektron qurilmalarni quvvatlantirish uchun ideal qiladi.

Misol: Alyaskaning ko'plab chekka hududlarida propan bilan ishlaydigan TEGlar kichik jamoalar va tadqiqot stansiyalari uchun elektr energiyasini ta'minlash uchun ishlatiladi. Bu og'ir sharoitlarda ishonchli va mustaqil quvvat manbai bilan ta'minlaydi.

Avtomobilsozlikda qo'llanilishi

TEGlar avtomobillarda dvigatel chiqindi gazi yoki sovutish tizimidan chiqadigan chiqindi issiqlikni qayta ishlash, yonilg'i samaradorligini oshirish va emissiyalarni kamaytirish uchun ishlatilishi mumkin. Ular, shuningdek, konditsioner yoki elektr quvvat boshqaruvi kabi yordamchi tizimlarni quvvatlantirish uchun ham ishlatilishi mumkin.

Misol: Toyota va Honda kabi bir qancha avtomobil ishlab chiqaruvchilari avtomobillar uchun TEG tizimlarini tadqiq qilish va ishlab chiqish bilan shug'ullanmoqdalar. Ushbu tizimlar yoqilg'i tejamkorligini oshirish va transportning atrof-muhitga ta'sirini kamaytirishga qaratilgan.

Kosmik tadqiqotlar

TEGlar o'nlab yillar davomida kosmik tadqiqotlarda kosmik kemalar va roverlarni quvvatlantirish uchun ishlatilgan. Radioizotop termoelektr generatorlari (RTG) plutoniy-238 kabi radioaktiv izotoplarning parchalanishidan hosil bo'lgan issiqlikdan elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun foydalanadi. RTGlar quyosh energiyasi osonlik bilan mavjud bo'lmagan uzoq sayyoralarga missiyalar uchun uzoq muddatli va ishonchli quvvat manbai bilan ta'minlaydi.

Misol: Mars roveri Curiosity RTG bilan quvvatlanadi, bu unga Mars yuzasida uzoq vaqt davomida ishlash imkonini beradi. RTGlar shuningdek, 40 yildan ortiq vaqt davomida quyosh tizimining tashqi chegaralarini o'rganayotgan Voyager kosmik kemalarida ham ishlatilgan.

Maishiy elektronika

TEGlar taqiladigan sensorlar, aqlli soatlar va tibbiy implantlar kabi kichik elektron qurilmalarni quvvatlantirish uchun ishlatilishi mumkin. Ular tana harorati yoki boshqa atrof-muhit issiqlik manbalaridan quvvatlanishi mumkin, bu esa batareyalar yoki tashqi quvvat manbalariga bo'lgan ehtiyojni yo'qotadi.

Misol: Tadqiqotchilar yurak urish tezligi va tana harorati kabi hayotiy belgilarni kuzatishi mumkin bo'lgan TEG bilan ishlaydigan taqiladigan sensorlarni ishlab chiqmoqdalar. Ushbu sensorlar potentsial ravishda uzluksiz va invaziv bo'lmagan sog'liqni saqlash monitoringini ta'minlashi mumkin.

Termoelektr energiyasini ishlab chiqarishning afzalliklari

TEGlar an'anaviy elektr energiyasini ishlab chiqarish texnologiyalariga nisbatan bir qator afzalliklarni taqdim etadi:

Qattiq jismli ishlash: TEGlarda harakatlanuvchi qismlar yo'q, bu ularni ishonchli, bardoshli va kam texnik xizmat talab qiladigan qiladi.
Jim ishlash: TEGlar ishlash paytida hech qanday shovqin chiqarmaydi, bu ularni shovqinga sezgir muhitlarda ishlatishga yaroqli qiladi.
Masshtablanuvchanlik: TEGlarni millivattdan kilovattgacha bo'lgan turli quvvat talablariga javob berish uchun osongina masshtablash mumkin.
Ko'p qirralilik: TEGlar chiqindi issiqlik, quyosh energiyasi va geotermal energiya kabi turli xil issiqlik manbalaridan quvvatlanishi mumkin.
Ekologik tozalik: TEGlar chiqindi issiqlikni qayta ishlash va energiya samaradorligini oshirish orqali issiqxona gazlari emissiyasini kamaytirishi mumkin.

Qiyinchiliklar va cheklovlar

O'z afzalliklariga qaramay, TEGlar bir qator qiyinchiliklar va cheklovlarga ham duch keladi:

Past samaradorlik: TEGlarning samaradorligi odatda an'anaviy energiya ishlab chiqarish texnologiyalaridan past. Hozirgi TEGlarning samaradorligi 5% dan 10% gacha.
Yuqori xarajat: Termoelektr materiallari va ishlab chiqarish jarayonlarining narxi nisbatan yuqori bo'lishi mumkin.
Material cheklovlari: Termoelektr materiallarining mavjudligi va samaradorligi cheklangan. Tadqiqotchilar yuqori ZT qiymatlariga ega yangi materiallarni ishlab chiqish ustida faol ishlamoqdalar.
Harorat talablari: TEGlar sezilarli miqdorda quvvat ishlab chiqarish uchun issiq va sovuq tomonlar o'rtasida sezilarli harorat farqini talab qiladi.

Termoelektr materiallardagi so'nggi yutuqlar

TEGlarning samaradorligi asosan ularning tuzilishida ishlatiladigan termoelektr materiallarining ishlashiga bog'liq. Materialshunoslikdagi so'nggi yutuqlar sezilarli darajada yaxshilangan ZT qiymatlariga ega bo'lgan yangi termoelektr materiallarning rivojlanishiga olib keldi.

Nanotuzilmali materiallar

Nanotuzilish materiallarning elektr o'tkazuvchanligini saqlab qolgan holda ularning issiqlik o'tkazuvchanligini kamaytirish orqali termoelektr samaradorligini oshirishi mumkin. Nanotuzilmali materiallar bir nechta termoelektr materiallarning ZT qiymatlarini yaxshilashda istiqbolli natijalarni ko'rsatdi.

Misol: Tadqiqotchilar sezilarli darajada kamaytirilgan issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan nanotuzilmali kremniy nanosimlarini ishlab chiqdilar, bu esa termoelektr samaradorligini oshirishga olib keldi.

Kvant nuqtali superpanjaralar

Kvant nuqtali superpanjaralar - bu matritsa materialiga joylashtirilgan kvant nuqtalaridan tashkil topgan davriy tuzilmalardir. Ushbu tuzilmalar kvant cheklanish effektlari tufayli noyob termoelektr xususiyatlarini namoyish etishi mumkin.

Misol: Tadqiqotchilar yaxshilangan Zeebek koeffitsientlari va kamaytirilgan issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan kvant nuqtali superpanjaralarni yaratdilar, bu esa ZT qiymatlarining yaxshilanishiga olib keldi.

Skutteruditlar

Skutteruditlar istiqbolli termoelektr samaradorligini ko'rsatgan intermetall birikmalar sinfidir. Ularning elektr va termal xususiyatlarini optimallashtirish uchun ularni turli elementlar bilan legirlash mumkin.

Misol: Tadqiqotchilar yuqori haroratlarda ZT qiymatlari 1 dan oshadigan skutterudit asosidagi termoelektr materiallarni ishlab chiqdilar.

Yarim-Geysler qotishmalari

Yarim-Geysler qotishmalari ajoyib termoelektr samaradorligini ko'rsatgan uch komponentli intermetall birikmalardir. Ular mexanik jihatdan mustahkam va kimyoviy jihatdan barqaror bo'lib, ularni yuqori haroratli qo'llanilishlar uchun mos qiladi.

Misol: Tadqiqotchilar yuqori haroratlarda ZT qiymatlari 1.5 dan oshadigan yarim-Geysler qotishmalarini ishlab chiqdilar.

Termoelektr energiyasini ishlab chiqarishning kelajagi

Termoelektr energiyasini ishlab chiqarish barqaror energiya kelajagi uchun katta salohiyatga ega. Davom etayotgan tadqiqot va ishlanmalar samaradorlikni oshirish, xarajatlarni kamaytirish va TEGlarning qo'llanilishini kengaytirishga qaratilgan.

Yaxshilangan materiallar

Yuqori ZT qiymatlariga ega bo'lgan yangi termoelektr materiallarni ishlab chiqish TEGlarning samaradorligini oshirish uchun juda muhimdir. Tadqiqotchilar nanotuzilish, legirlash va tarkibiy optimallashtirish kabi turli yondashuvlarni o'rganmoqdalar.

Xarajatlarni kamaytirish

Termoelektr materiallari va ishlab chiqarish jarayonlarining narxini pasaytirish TEGlarni iqtisodiy jihatdan raqobatbardosh qilish uchun zarurdir. Tadqiqotchilar yangi sintez usullarini o'rganmoqdalar va yerda ko'p tarqalgan materiallardan foydalanishni tadqiq qilmoqdalar.

Tizimni optimallashtirish

TEG tizimlarining dizayni va integratsiyasini optimallashtirish ularning umumiy samaradorligini oshirishi mumkin. Tadqiqotchilar yangi issiqlik boshqaruvi strategiyalarini ishlab chiqmoqdalar va ilg'or issiqlik almashtirgichlardan foydalanishni o'rganmoqdalar.

Kengaytirilgan qo'llanilishlar

TEGlar uchun qo'llanilish doirasini kengaytirish ularning bozor salohiyatini oshirishi mumkin. Tadqiqotchilar chiqindi issiqlikni qayta ishlash, masofaviy energiya ishlab chiqarish, avtomobilsozlik va maishiy elektronika kabi sohalarda yangi qo'llanilishlarni o'rganmoqdalar.

Global istiqbol va hamkorlik

Termoelektr energiyasini ishlab chiqarishning rivojlanishi global hamkorlik va bilim almashishni talab qiladi. Dunyo bo'ylab tadqiqotchilar, muhandislar va siyosatchilar TEG texnologiyalarini ishlab chiqish va joriy etish uchun birgalikda ishlamoqdalar.

Xalqaro hamkorliklar innovatsiyalarni rag'batlantirish va yangi termoelektr materiallar va tizimlarni ishlab chiqishni tezlashtirish uchun zarurdir. Ushbu hamkorliklar qo'shma tadqiqot loyihalari, almashinuv dasturlari va xalqaro konferentsiyalarni o'z ichiga olishi mumkin.

Hukumat tomonidan qo'llab-quvvatlash TEG texnologiyalarini qabul qilishni rag'batlantirishda hal qiluvchi rol o'ynaydi. Hukumatlar tadqiqot va ishlanmalar uchun moliyalashtirishni ta'minlashi, TEG tizimlarini joriy etish uchun imtiyozlar taklif qilishi va chiqindi issiqlikni qayta ishlashni rag'batlantiradigan qoidalarni o'rnatishi mumkin.

Sanoat hamkorliklari TEG texnologiyalarini tijoratlashtirish uchun hayotiy ahamiyatga ega. Kompaniyalar TEG tizimlarini ishlab chiqish va ishlab chiqarishga sarmoya kiritishi, TEGlarni o'z mahsulotlariga integratsiya qilishi va TEG texnologiyalarini iste'molchilarga sotishi mumkin.

Xulosa

Termoelektr energiyasini ishlab chiqarish barqaror energiya kelajagi sari istiqbolli yo'lni taklif etadi. Chiqindi issiqlikni to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantirish orqali TEGlar energiya samaradorligini oshirishi, issiqxona gazlari emissiyasini kamaytirishi va chekka hududlarda ishonchli quvvat manbai bilan ta'minlashi mumkin. Samaradorlik va xarajatlar bo'yicha qiyinchiliklar saqlanib qolayotgan bo'lsa-da, davom etayotgan tadqiqot va ishlanmalar yaxshilangan samaradorlik va kengroq qo'llanilishga ega yangi termoelektr materiallar va tizimlar uchun yo'l ochmoqda. Dunyo iqlim o'zgarishi va energetik xavfsizlik muammolari bilan kurashishda davom etar ekan, termoelektr energiyasini ishlab chiqarish global energiya ehtiyojlarini qondirishda tobora muhim rol o'ynash potentsialiga ega.

Global istiqbol va hamkorlikdagi sa'y-harakatlar termoelektr energiyasini ishlab chiqarish potentsialini maksimal darajada oshirish uchun juda muhimdir. Birgalikda ishlash orqali tadqiqotchilar, muhandislar, siyosatchilar va sanoat rahbarlari TEG texnologiyalarini ishlab chiqish va joriy etishni tezlashtirishi va barcha uchun toza, barqaror energiya kelajagiga hissa qo'shishi mumkin.