Máy phát nhiệt điện năng lượng điện TEG
Tài liệu nói về nguyên lý hoạt động của máy phát nhiệt điện và lĩnh vực ứng dụng của chúng.
Phần lớn điện năng hiện nay được sản xuất bởi các nhà máy nhiệt điện. Bằng cách đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, các tua-bin của máy phát điện được khởi động tại các trạm bằng chất mang nhiệt trung gian (hơi nước quá nhiệt). Chuỗi sản xuất năng lượng rất phức tạp, nguy hiểm và tốn kém. Nhưng nó cho phép bạn tạo ra các đơn vị mạnh mẽ để tạo ra năng lượng điện với hiệu suất cao (hiệu quả).
Có cách nào khác để chuyển đổi nhiệt thành điện năng dễ dàng hơn không? Vật lý nói có. Tech nói, "Chưa." Về việc ai đúng và những khó khăn trên con đường chuyển đổi nhiệt thành năng lượng là gì, tài liệu của bài viết này. Phương pháp chuyển đổi nhiệt trực tiếp thành dòng điện đã được biết đến từ năm 1821, khi hiện tượng nhiệt điện, ngày nay được gọi là hiệu ứng Seebekov, được phát hiện.
Khi tiếp xúc của hai kim loại khác nhau được làm nóng, một sự khác biệt tiềm năng phát sinh ở hai đầu của dây và khi chúng được đóng lại, một dòng điện bắt đầu chạy qua mạch. Các nhà vật lý nhanh chóng nhận ra rằng cường độ dòng điện trực tiếp phụ thuộc vào loại vật liệu, chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm nối lạnh và nóng của kim loại, độ dẫn nhiệt và điện trở của kim loại. Chênh lệch nhiệt độ lớn và độ dẫn điện cao làm tăng dòng điện, trong khi độ dẫn nhiệt cao làm suy yếu hiệu ứng.
Sau một thời gian dài nỗ lực tạo ra một máy phát nhiệt điện (TEG) sử dụng kim loại, kể cả kim loại quý, ý tưởng này đã bị loại bỏ. Các kim loại có điện trở suất thấp, giúp có thể phân tách được mối nối nóng và lạnh trong không gian, nhưng tính dẫn nhiệt cao và theo đó, dòng nhiệt từ bên ngoài làm giảm hiệu suất của các nguyên tố. Hiệu quả thu được của các nguyên tố TEG làm bằng kim loại không vượt quá 1-2%. Hiệu ứng này đã bị lãng quên trong một thời gian dài và các mối nối của các kim loại khác nhau chỉ được sử dụng trong kỹ thuật đo lường. Đây là cặp nhiệt điện quen thuộc dùng để đo nhiệt độ.
Ngày nay, hậu duệ của máy phát điện đầu tiên phục vụ các nhà địa chất, khách du lịch và đơn giản là cư dân ở vùng sâu vùng xa.Công suất của các máy phát điện như vậy là nhỏ - từ 2 đến 20 watt. Các máy phát điện mạnh hơn (từ 25 đến 500 W) được lắp đặt trên các đường ống dẫn khí chính đến các dụng cụ điện hoặc bảo vệ catốt của các đường ống. Máy phát điện có công suất từ 1 kW trở lên, là thiết bị của trạm thời tiết, nhưng yêu cầu các nguồn nhiệt có nhiệt độ cao: ví dụ như gas.
Không có nhiều điều để nói về các máy phát điện kỳ lạ chuyển trực tiếp nhiệt của quá trình phân rã phóng xạ thành điện năng—phạm vi quá hẹp và thông tin nhạy cảm. Người ta chỉ biết rằng các vệ tinh riêng lẻ trong không gian được trang bị các thiết bị như vậy để cung cấp năng lượng liên tục cho thiết bị.
Để làm ví dụ về các sản phẩm hiện đại, hãy xem xét các thông số của máy phát nhiệt loại B25-12... Công suất điện đầu ra của nó là 25W ở điện áp 12V. Nhiệt độ làm việc của cục nóng không quá 400 độ, trọng lượng lên tới 8,5 kg, giá khoảng 15.000 rúp. Những máy phát điện như vậy (thường ít nhất là 2) được sử dụng cùng với nồi hơi gas để sưởi ấm không gian.
Theo nguyên tắc tương tự, các mô hình TEG mạnh hơn có công suất 200 watt. Song song với nồi hơi gas để sưởi ấm các ngôi nhà nhỏ, chúng cung cấp điện không chỉ cho quá trình tự động hóa nồi hơi và bơm tuần hoàn nước mà còn cho các thiết bị gia dụng và chiếu sáng.
Mặc dù đơn giản và đáng tin cậy (không có bộ phận chuyển động), TEG vẫn chưa được áp dụng rộng rãi. Lý do là hiệu suất cực kỳ thấp, không vượt quá 5-7% ngay cả với vật liệu bán dẫn. Các công ty phát triển các máy phát điện như vậy sản xuất chúng theo lô nhỏ để đặt hàng. Việc thiếu nhu cầu đại chúng dẫn đến giá thành sản phẩm cao.
Tình hình có thể thay đổi với sự xuất hiện của vật liệu mới cho bộ chuyển đổi nhiệt... Nhưng cho đến nay, khoa học không có gì để khoe khoang: các mẫu TEG tốt nhất đã không vượt qua được hệ số hiệu suất 20%. Trong tình huống này, các tài liệu quảng cáo của TEG, trong đó hiệu quả được tuyên bố là hơn 90%, trông hơi buồn cười. Có lẽ đã đến lúc các nhà khoa học học hỏi từ các nhà tiếp thị nhiệt thành?