Εξαγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από διαφορές θερμοκρασίας
Με τη θερμοηλεκτρική τεχνολογία θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε το κλιματιστικό σας όχι σε συμβατικό ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά με τη ζέστη του ήλιου κατά τη διάρκεια μιας ζεστής καλοκαιρινής ημέρας.
Με τις εξελίξεις στη θερμοηλεκτρική τεχνολογία, αυτή η λύση μπορεί κάποια μέρα να γίνει πραγματικότητα.
Οι θερμοηλεκτρικές συσκευές κατασκευάζονται από υλικά που μπορούν να μετατρέψουν τη διαφορά θερμοκρασίας σε ηλεκτρική ενέργεια, χωρίς κίνηση.
Το φαινόμενο αυτό είναι αντιστρέψιμο: Εάν εφαρμόζεται ηλεκτρική ενέργεια σε μια θερμοηλεκτρική συσκευή, μπορεί να προκαλέσει διαφορά θερμοκρασίας. Σήμερα, οι θερμοηλεκτρικές συσκευές χρησιμοποιούνται για εφαρμογές σχετικά χαμηλής ισχύος, όπως η τροφοδοσία μικρών αισθητήρων κατά μήκος των αγωγών πετρελαίου, η δημιουργία αντιγράφων ασφαλείας μπαταριών στους αισθητήρες διαστήματος και η ψύξη των μικροσκοπίων.
Το 2012 μια νέα θερμοηλεκτρική συσκευή κατασκευάστηκε για να μετατρέπει τη θερμότητα του σώματος σε ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο μπορεί να δημιουργήσει αρκετή ενέργεια για να κάνει μια κλήση στο κινητό σας, απλώς αγγίζοντάς το.
Οι ισχυρότερες θερμοηλεκτρικές συσκευές θα συλλέγουν θερμότητα που παράγεται ως παραπροϊόν βιομηχανικών διεργασιών και κινητήρων καύσης και θα το μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα των θερμοηλεκτρικών συσκευών ή η ποσότητα ενέργειας που είναι σε θέση να παράγουν είναι επί του παρόντος περιορισμένη.
Ένας τρόπος να αυξηθεί η απόδοση της ενέργειας στο τριπλάσιο, είναι η χρήση υλικών, τα οποία έχουν μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες.
Για παράδειγμα, το πυρίτιο θα μπορούσε να είναι ένας τρόπος παραγωγής καθαρής ενέργειας που θα μας βοηθήσει να χρησιμοποιήσουμε μια πηγή θερμότητας για την παραγωγή ηλεκτρισμού.
Όταν ένα θερμοηλεκτρικό υλικό εκτίθεται σε διαφορά θερμοκρασίας, για παράδειγμα, ένα άκρο θερμαίνεται, ενώ το άλλο ψύχεται και τα ηλεκτρόνια στο υλικό αρχίζουν να ρέουν από το θερμό άκρο στο ψυχρό άκρο, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας, τόσο περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται και παράγεται και περισσότερη ενέργεια. Η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να παραχθεί εξαρτάται από τις συγκεκριμένες ιδιότητες μεταφοράς των ηλεκτρονίων σε ένα δεδομένο υλικό.
Οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει ότι ορισμένα υλικά μπορούν να μετατραπούν σε αποδοτικές θερμοηλεκτρικές συσκευές μέσω της νανοδομής, μια τεχνική που οι επιστήμονες χρησιμοποιούν για να συνθέσουν ένα υλικό σχεδιάζοντας τα χαρακτηριστικά του στην κλίμακα νανομέτρων. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το θερμοηλεκτρικό πλεονέκτημα κάποιων υλικών προέρχεται από τη μειωμένη θερμική αγωγιμότητα στις νανοδομές τους.
Η θερμοηλεκτρική απόδοση του τελλούριου (κασσίτερου) είναι μεγάλη.
Τα νανοδομημένα υλικά μοιάζουν με ένα συνονθύλευμα μικροσκοπικών κρυστάλλων, το καθένα με σύνορα, γνωστά ως όρια κόκκων, που χωρίζουν το ένα κρύσταλλο από το άλλο. Όταν τα ηλεκτρόνια συναντούν αυτά τα όρια, τείνουν να διασκορπίζονται με διάφορους τρόπους. Τα ηλεκτρόνια με μεγάλες μέσες ελεύθερες διαδρομές θα διασκορπιστούν έντονα, ενώ τα ηλεκτρόνια με βραχύτερες μέσες ελεύθερες διαδρομές επηρεάζονται πολύ λιγότερο.
Τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρονίων του τελλούριου κασσίτερου έχουν σημαντικό αντίκτυπο στις μέσες ελεύθερες διαδρομές τους. Για το τελλούριο κασσιτέρου και άλλα υλικά, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι τα ηλεκτρόνια με υψηλότερη ενέργεια έχουν μικρότερη μέση ελεύθερη διαδρομή, ενώ τα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας διαθέτουν, συνήθως, μεγαλύτερη μέση ελεύθερη διαδρομή. Οι ιδιότητες ηλεκτρονίων επηρεάζουν τη θερμοηλεκτρική απόδοση του τελλούριου του κασσίτερου, συγκεντρώνοντας ουσιαστικά τις θερμοηλεκτρικές συνεισφορές από ηλεκτρόνια με διαφορετικές ενέργειες και μέσες ελεύθερες διαδρομές. Αποδεικνύεται ότι η ικανότητα του υλικού να παράγει ηλεκτρισμό ή να παράγει μια ροή ηλεκτρονίων κάτω από μια βαθμίδα θερμοκρασίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ενέργεια των ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας τείνουν να έχουν αρνητικό αντίκτυπο στη δημιουργία διαφοράς τάσης και επομένως ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτά τα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας έχουν, επίσης, μεγαλύτερες ελεύθερες διαδρομές, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να διασκορπιστούν από τα όρια κόκκων εντονότερα από τα ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας. Το μέγεθος των μεμονωμένων κόκκων του telluride κασσίτερου έχει κάποια επίδραση στη ροή των ηλεκτρονίων κάτω από μια κλίση θερμοκρασίας. Όταν μειώνεται η διάμετρος ενός μέσου κόκκου σε περίπου 10 νανόμετρα, φέρνοντας τα όριά του πιο κοντά, υπάρχει αυξημένη συμβολή ηλεκτρονίων υψηλότερης ενέργειας. Δηλαδή, με μικρότερα μεγέθη κόκκων, τα ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας συμβάλλουν πολύ περισσότερο στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού από τα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας, καθώς έχουν μικρότερες μέσες ελεύθερες διαδρομές και είναι λιγότερο πιθανό να διασκορπιστούν στα όρια των κόκκων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη διαφορά τάσης που μπορεί να δημιουργηθεί. Η μείωση του μέσου μεγέθους κόκκων κασσίτερου σε περίπου 10 νανόμετρα παράγει τρεις φορές την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας από το υλικό με μεγαλύτερους κόκκους.
Θερμοηλεκτρική Τεχνολογία
Η αντιστρεπτότητα του φαινομένου Peltier, επιτρέπει την χρήση των θερμοηλεκτρικών συσκευών – ΤΕ modules τόσο για εφαρμογές ψύξης με την παροχή ρεύματος, όσο και για εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος με την εφαρμογή θερμοκρασιακής διαφοράς ανάμεσα στις δύο επιφάνειες του module. Αν και θεωρητικά θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το ίδιο TE module και για τις δύο περιπτώσεις, αυτό γίνεται σπάνια. Συνήθως για την περίπτωση παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος, κατασκευάζονται από τις εταιρείες διαφορετικού τύπου modules (TEGs) με τη χρήση βελτιστοποιημένων θερμοηλεκτρικών υλικών για την εφαρμογή αυτή.
Στις εφαρμογές ψύξης, με δεδομένα την ακόμη σχετικά μικρή απόδοση και υψηλό κόστος των TECs, η χρήση τους έχει ορισμένα ισχυρά πλεονεκτήματα απέναντι στις συμβατικές διατάξεις ψύξης με συμπιεστή και σε ορισμένες περιπτώσεις η εφαρμογή τους είναι μονόδρομος:
Είναι ολοκληρωμένες ψυκτικές διατάξεις που απαιτούν ελάχιστο χώρο έχοντας πολύ μικρό βάρος και όγκο.
Δεν έχουν κινούμενα μέρη, επομένως απαιτείται ελάχιστη συντήρηση.
Η διάρκεια ζωής τους ξεπερνά τις 100.000 ώρες.
Δεν περιέχουν χλωροφθοράνθρακες ή άλλα υλικά που χρειάζονται περιοδική αναπλήρωση και έχουν περιβαλλοντολογικές συνέπειες.
Μπορεί να επιτευχθεί πολύ ακριβής έλεγχος της θερμοκρασίας (με ακρίβεια 1 0F) με τη χρήση κατάλληλων κυκλωμάτων υποστήριξης.
Η λειτουργία τους δεν εξαρτάται από την θέση και την κλίση που είναι τοποθετημένα.
Μπορούν να λειτουργήσουν σε συνθήκες κενού.
Χρησιμοποιούν συνεχές ρεύμα χαμηλής τάσης, που σε ορισμένες εφαρμογές είναι εύκολα διαθέσιμο.
Η λειτουργία τους είναι εύκολα αντιστρέψιμη. Με αλλαγή της πολικότητας του ρεύματος, μπορούν να λειτουργήσουν ως θερμαντήρες (heaters).
Ο αριθμός και η ποικιλία των χρήσεων των TECs είναι συνεχώς αυξανόμενος. Εφαρμογές τους συναντώνται στην ψύξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, σε κλιματιστικά μικρών χώρων και θαλάμων, εργαστηριακές πλάκες ψύξης και θέρμανσης (solid-state air/plate heat pumps), σε ψύκτες νερού, υγρών και αναψυκτικών, σε εφαρμογές laser, σε όργανα ακριβείας και ελέγχου. Η συμβατότητα των TECs με την τάση του αυτοκινήτου, τα καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλα για εφαρμογές μικρών ψυκτικών διατάξεων αυτοκινήτου.
Εφαρμογές ψύξης με θερμοηλεκτρική τεχνολογία
Τα πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν προηγούμενα, ισχύουν και για την χρήση των ΤΕ modules ως πηγών ηλεκτρικής ισχύος, με το πρόσθετο πλεονέκτημα της μη εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα. Σε περιπτώσεις μετατροπής απορριπτόμενης θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική και σε απομακρυσμένες περιοχές εκτός δικτύου, όπου χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια, η χρήση τους μπορεί να αποβεί συμφέρουσα, παρά τον μικρό τους βαθμό απόδοσης. Έτσι υπάρχουν εκτεταμένες εφαρμογές των TEGs στην διαστημική τεχνολογία και φαίνεται πολύ πιθανή η χρήση τους για ανάκτηση απορριπτόμενης ενέργειας από θερμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης των αυτοκινήτων.
Εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος με θερμοηλεκτρική τεχνολογία
α) Θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπου για παροχή ηλεκτρισμού σε αποστολή στον πλανήτη Άρη
β) Ρολόι χεριού που λειτουργεί με την θερμότητα του χεριού
Σε κάθε περίπτωση, για την αποδοτική εφαρμογή απαιτείται πέρα από την πηγή θερμότητας και η αποτελεσματική απαγωγή της, και η όλη σχεδίαση της διάταξης αποτελεί μια πρόκληση για τους σχεδιαστές. Επιπλέον για την απόδοση της μέγιστης ισχύος, πρέπει η αντίσταση του ηλεκτρικού φορτίου να εξισωθεί με την αντίσταση της θερμοηλεκτρικής συσκευής. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να επιλεγεί ο βέλτιστος συνδυασμός των παράλληλα και σε σειρά συνδεδεμένων θερμοηλεκτρικών συσκευών. Ακόμη, η όλη διάταξη θα πρέπει να σχεδιαστεί για την χειρότερη περίπτωση, και να ληφθεί πρόβλεψη ότι η θερμή πλευρά δεν θα ξεπεράσει την μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας της θερμοηλεκτρικής συσκευής.
