Gerador termoelétrico (termogerador TEG) é um dispositivo elétrico que usa os efeitos Seebeck, Thomson e Peltier para gerar eletricidade através de termo-EMF. O efeito termo-EMF foi descoberto pelo cientista alemão Thomas Johann Seebeck (efeito Seebeck) em 1821. Em 1851, William Thomson (mais tarde Lord Kelvin) continuou a pesquisa termodinâmica e provou que a fonte da força eletromotriz (EMF) é uma diferença de temperatura.
Em 1834, o inventor e relojoeiro francês Jean Charles Peltier descobriu o segundo efeito termoelétrico, descobriu que a diferença de temperatura ocorre na junção de dois tipos diferentes de materiais sob a influência de uma corrente elétrica (efeito Peltier). Especificamente, ele previu que um EMF se desenvolveria dentro de um único condutor quando houvesse uma diferença de temperatura.
Em 1950, o acadêmico e pesquisador russo Abram Ioffe descobriu as propriedades termoelétricas dos semicondutores. Gerador de energia termoelétrica começou a ser usado emsistemas autônomos de fornecimento de energia em áreas inacessíveis. O estudo do espaço sideral, a caminhada espacial do homem, deu um poderoso impulso ao rápido desenvolvimento de conversores termoelétricos.
A fonte de energia radioisótopo foi instalada pela primeira vez em naves espaciais e estações orbitais. Eles estão começando a ser usados na grande indústria de petróleo e gás para proteção anticorrosiva de gasodutos, em trabalhos de pesquisa no Extremo Norte, no campo da medicina como marca-passos e na habitação como fontes autônomas de fornecimento de energia.
Efeito termoelétrico e transferência de calor em sistemas eletrônicos
Geradores termoelétricos, cujo princípio de operação é baseado no uso complexo do efeito de três cientistas (Seebeck, Thomson, Peltier), foram desenvolvidos quase 150 anos após descobertas muito à frente de seu tempo.
Efeito termoelétrico é o seguinte fenômeno. Para resfriamento ou geração de eletricidade, é usado um "módulo" composto por pares conectados eletricamente. Cada par consiste em material semicondutor p (S> 0) en (S<0). Esses dois materiais são conectados por um condutor cuja potência termoelétrica é considerada zero. Dois ramos (pe n) e todos os outros pares que compõem o módulo são conectados em série no circuito elétrico e em paralelo no circuito térmico. O TEG (gerador termoelétrico) com este layout cria condições para otimizar o fluxo de calor que passa pelo módulo, superando-oresistência elétrica. A corrente elétrica atua de tal forma que os portadores de carga (elétrons e buracos) se movem de uma fonte fria para uma fonte quente (no sentido termodinâmico) em dois ramos do par. Ao mesmo tempo, eles contribuem para a transferência de entropia de uma fonte fria para uma quente, para um fluxo de calor que resistirá à condução de calor.
Se os materiais selecionados tiverem boas propriedades termoelétricas, esse fluxo de calor gerado pelo movimento dos portadores de carga será maior que a condutividade térmica. Portanto, o sistema transferirá calor de uma fonte fria para uma quente e atuará como um refrigerador. No caso da geração de eletricidade, o fluxo de calor provoca o deslocamento de portadores de carga e o aparecimento de uma corrente elétrica. Quanto maior a diferença de temperatura, mais eletricidade pode ser obtida.
Eficiência TEG
Avaliado pelo fator de eficiência. A potência de um gerador termoelétrico depende de dois fatores críticos:
- A quantidade de fluxo de calor que pode se mover com sucesso através do módulo (fluxo de calor).
- Deltas de temperatura (DT) - a diferença de temperatura entre o lado quente e frio do gerador. Quanto maior o delta, mais eficiente ele funciona, portanto, as condições devem ser fornecidas construtivamente, tanto para o fornecimento máximo de frio quanto para a máxima remoção de calor das paredes do gerador.
O termo "eficiência de geradores termoelétricos" é semelhante ao termo aplicado a todos os outros tiposmotores térmicos. Até agora, é muito baixo e não chega a mais de 17% da eficiência de Carnot. A eficiência do gerador TEG é limitada pela eficiência de Carnot e na prática atinge apenas alguns por cento (2-6%) mesmo em altas temperaturas. Isso se deve à baixa condutividade térmica em materiais semicondutores, o que não é propício para a geração de energia eficiente. Assim, são necessários materiais com baixa condutividade térmica, mas ao mesmo tempo com a maior condutividade elétrica possível.
Os semicondutores fazem um trabalho melhor que os metais, mas ainda estão muito distantes daqueles indicadores que levariam um gerador termoelétrico ao patamar de produção industrial (com pelo menos 15% de aproveitamento de calor de alta temperatura). Um aumento ainda maior na eficiência do TEG depende das propriedades dos materiais termoelétricos (termoelétricos), cuja busca é atualmente ocupada por todo o potencial científico do planeta.
O desenvolvimento de novas termelétricas é relativamente complexo e caro, mas se for bem sucedido, causará uma revolução tecnológica nos sistemas de geração.
Materiais Termoelétricos
Os termoelétricos são compostos de ligas especiais ou compostos semicondutores. Recentemente, polímeros eletricamente condutores têm sido usados para propriedades termoelétricas.
Requisitos para termoelétricas:
- alta eficiência devido à baixa condutividade térmica e alta condutividade elétrica, alto coeficiente Seebeck;
- resistência a altas temperaturas e termomecânicasimpacto;
- acessibilidade e segurança ambiental;
- resistência a vibrações e mudanças bruscas de temperatura;
- estabilidade a longo prazo e baixo custo;
- automação do processo de fabricação.
Atualmente, experimentos estão em andamento para selecionar termopares ideais, o que aumentará a eficiência do TEG. O material semicondutor termoelétrico é uma liga de telureto e bismuto. Foi fabricado especialmente para fornecer blocos ou elementos individuais com diferentes características "N" e "P".
Materiais termoelétricos são mais frequentemente feitos por cristalização direcional de metalurgia de pó fundido ou prensado. Cada método de fabricação tem sua vantagem particular, mas os materiais de crescimento direcional são os mais comuns. Além do telurito de bismuto (Bi 2 Te 3), existem outros materiais termoelétricos, incluindo ligas de chumbo e telurito (PbTe), silício e germânio (SiGe), bismuto e antimônio (Bi-Sb), que podem ser utilizados em casos. Enquanto os termopares de bismuto e telureto são melhores para a maioria dos TEGs.
Dignidade do TEG
Vantagens dos geradores termoelétricos:
- a eletricidade é gerada em um circuito fechado de estágio único sem o uso de sistemas complexos de transmissão e o uso de partes móveis;
- f alta de líquidos e gases de trabalho;
- sem emissões de substâncias nocivas, calor residual e poluição sonora do ambiente;
- dispositivo bateria de longa duraçãofuncionando;
- uso de calor residual (fontes de calor secundárias) para economizar recursos energéticos
- trabalhar em qualquer posição do objeto, independente do ambiente de operação: espaço, água, terra;
- DC geração de baixa tensão;
- imunidade a curto-circuito;
- Vida de prateleira ilimitada, 100% pronto para uso.
Campos de aplicação do gerador termoelétrico
As vantagens do TEG determinaram as perspectivas de desenvolvimento e seu futuro próximo:
- estudo do oceano e do espaço;
- aplicação em pequenas energias alternativas (domésticas);
- utilizando o calor do escapamento do carro;
- em sistemas de reciclagem;
- em sistemas de refrigeração e ar condicionado;
- em sistemas de bombas de calor para aquecimento instantâneo de motores diesel de locomotivas e carros a diesel;
- aquecimento e cozimento em condições de campo;
- carregar aparelhos eletrônicos e relógios;
- nutrição de pulseiras sensoriais para atletas.
Conversor Peltier Termoelétrico
O elemento Peltier (EP) é um conversor termoelétrico que opera usando o efeito Peltier de mesmo nome, um dos três efeitos termoelétricos (Seebeck e Thomson).
O francês Jean-Charles Peltier conectou fios de cobre e bismuto entre si e os conectou a uma bateria, criando assim um par de conexões de doismetais diferentes. Quando a bateria era ligada, uma das junções esquentava e a outra esfriava.
Os dispositivos de efeito Peltier são extremamente confiáveis porque não possuem partes móveis, dispensam manutenção, não emitem gases nocivos, são compactos e possuem operação bidirecional (aquecimento e resfriamento) dependendo da direção da corrente.
Infelizmente são ineficientes, têm baixa eficiência, emitem bastante calor, o que exige ventilação adicional e encarece o aparelho. Esses dispositivos consomem bastante eletricidade e podem causar superaquecimento ou condensação. Elementos Peltier maiores que 60 mm x 60 mm quase nunca são encontrados.
Escopo do ES
A introdução de tecnologias avançadas na produção de termoelétricas levou à redução do custo de produção de EP e ampliação da acessibilidade ao mercado.
Hoje o EP é amplamente utilizado:
- em refrigeradores portáteis, para refrigeração de pequenos eletrodomésticos e componentes eletrônicos;
- em desumidificadores para extrair água do ar;
- na espaçonave para equilibrar o efeito da luz solar direta em um lado da nave enquanto dissipa o calor para o outro lado;
- para resfriar os detectores de fótons de telescópios astronômicos e câmeras digitais de alta qualidade para minimizar erros de observação devido ao superaquecimento;
- para resfriamento de componentes de computador.
Recentemente, tem sido amplamente utilizado para fins domésticos:
- em dispositivos mais frios alimentados por porta USB para resfriar ou aquecer bebidas;
- na forma de um estágio adicional de resfriamento de refrigeradores de compressão com diminuição da temperatura para -80 graus para resfriamento de um estágio e até -120 para dois estágios;
- em carros para criar refrigeradores ou aquecedores autônomos.
A China lançou a produção de elementos Peltier das modificações TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 no valor de até 7 euros, que podem fornecer potência de até 200 W de acordo com os esquemas “calor-frio”, com uma vida útil de até 200.000 horas de operação na zona de temperatura de -30 a 138 graus Celsius.
baterias nucleares RITEG
Um gerador termoelétrico de radioisótopo (RTG) é um dispositivo que usa termopares para converter o calor do decaimento do material radioativo em eletricidade. Este gerador não tem partes móveis. RITEG foi usado como fonte de energia em satélites, naves espaciais, instalações remotas de farol construídas pela URSS para o Círculo Polar Ártico.
RTGs são geralmente a fonte de energia mais preferida para dispositivos que requerem várias centenas de watts de potência. Em células de combustível, baterias ou geradores instalados em locais onde as células solares são ineficientes. Um gerador termoelétrico de radioisótopos requer manuseio rigoroso de radioisótopos durantemuito tempo após o fim de sua vida útil.
Existem cerca de 1.000 RTGs na Rússia, que foram usados principalmente para fontes de energia em meios de longo alcance: faróis, rádios e outros equipamentos especiais de rádio. O primeiro RTG espacial em polônio-210 foi o Limon-1 em 1962, depois o Orion-1 com uma potência de 20 W. A última modificação foi instalada nos satélites Strela-1 e Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 e Mars-96 usaram RTGs em seus sistemas de aquecimento.
Dispositivo gerador termoelétrico DIY
Processos tão complexos que ocorrem no TEG não impedem os "Kulibins" locais em seu desejo de participar do processo científico e técnico global para a criação do TEG. O uso de TEGs caseiros é utilizado há muito tempo. Durante a Grande Guerra Patriótica, os guerrilheiros fizeram um gerador termoelétrico universal. Gerou eletricidade para carregar o rádio.
Com o advento dos elementos Peltier no mercado a preços acessíveis para o consumidor doméstico, é possível fazer você mesmo um TEG seguindo os passos abaixo.
- Pegue dois dissipadores de calor em uma loja de informática e aplique pasta térmica. Este último facilitará a conexão do elemento Peltier.
- Separe os radiadores com qualquer isolante térmico.
- Faça um furo no isolador para acomodar o elemento Peltier e os fios.
- Monte a estrutura e leve a fonte de calor (vela) para um dos radiadores. Quanto maior o aquecimento, mais corrente será gerada pela termoelétrica domésticagerador.
Este dispositivo funciona silenciosamente e é leve. O gerador termoelétrico ic2, de acordo com o tamanho, pode conectar carregador de celular, ligar um pequeno rádio e acender a iluminação de LED.
Atualmente, muitos fabricantes globais conhecidos lançaram a produção de vários gadgets acessíveis usando o TEG para entusiastas de carros e viajantes.
Perspectivas para o desenvolvimento da geração termelétrica
A demanda por consumo doméstico de TEGs deverá crescer 14%. As perspectivas de desenvolvimento de geração termoelétrica foram publicadas pela Market Research Future emitindo o artigo "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - análise de mercado, volume, participação, progresso, tendências e previsões. O relatório confirma a promessa da TEG na reciclagem de resíduos automotivos e cogeração de eletricidade e calor para instalações domésticas e industriais.
Geograficamente, o mercado global de geradores termoelétricos foi dividido em América, Europa, Ásia-Pacífico, Índia e África. A Ásia-Pacífico é considerada o segmento que mais cresce na implementação do mercado TEG.
Entre essas regiões, a América, segundo especialistas, é a principal fonte de receita do mercado global de TEG. Espera-se que um aumento na demanda por energia limpa aumente a demanda na América.
A Europa também apresentará um crescimento relativamente rápido durante o período de previsão. Índia e China vãoaumentar o consumo em ritmo significativo devido ao aumento da demanda por veículos, o que levará ao crescimento do mercado de geradores.
Empresas automobilísticas como Volkswagen, Ford, BMW e Volvo, em colaboração com a NASA, já começaram a desenvolver mini-TEGs para o sistema de recuperação de calor e economia de combustível em veículos.
