Thermoelektrische Generatoren für elektrische Energie TEG
Das Material informiert über die Funktionsprinzipien thermoelektrischer Generatoren und deren Einsatzgebiete.
Der Löwenanteil des Stroms wird mittlerweile von Wärmekraftwerken erzeugt. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe werden an den Stationen mittels eines Zwischenwärmeträgers (überhitzter Dampf) die Turbinen der Stromgeneratoren in Bewegung gesetzt. Die Energieerzeugungskette ist komplex, gefährlich und teuer. Aber es ermöglicht Ihnen, leistungsstarke Einheiten zur Erzeugung elektrischer Energie mit hoher Effizienz (Wirkungsgrad) zu schaffen.
Gibt es eine Alternative zur einfacheren Umwandlung von Wärme in Strom? Die Physik sagt ja. Der Techniker sagt: „Noch nicht.“ Wer Recht hat und welche Schwierigkeiten es bei der Umwandlung von Wärme in Energie gibt, ist Gegenstand dieses Artikels. Die Methode der direkten Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom ist seit 1821 bekannt, als das Phänomen der Thermoelektrizität, heute bekannt als Seebekov-Effekt, entdeckt wurde.
Wenn der Kontakt zweier unterschiedlicher Metalle erhitzt wird, entsteht an den Enden der Drähte eine Potentialdifferenz, und wenn sie geschlossen werden, beginnt ein Strom durch den Stromkreis zu fließen. Physiker erkannten schnell, dass die Stärke des Stroms direkt von der Art der Materialien, dem Temperaturunterschied zwischen der Kalt- und Heißverbindung des Metalls sowie der Wärmeleitfähigkeit und dem Widerstand der Metalle abhängt. Große Temperaturunterschiede und eine hohe Leitfähigkeit erhöhen den Strom, während eine hohe Wärmeleitfähigkeit den Effekt abschwächt.
Nach langen Versuchen, einen thermoelektrischen Generator (TEG) aus Metallen, darunter auch Edelmetallen, herzustellen, wurde diese Idee aufgegeben. Metalle haben einen geringen Widerstand, der eine Trennung der räumlichen Kalt- und Warmverbindung ermöglicht, allerdings verringert die hohe Wärmeleitfähigkeit und damit der Wärmefluss von außen den Wirkungsgrad der Elemente. Der resultierende Wirkungsgrad von TEG-Elementen aus Metallen überschreitet nicht 1-2 %. Der Effekt geriet lange Zeit in Vergessenheit und Verbindungen unterschiedlicher Metalle wurden nur noch in der Messtechnik genutzt. Dies sind bekannte Thermoelemente zur Temperaturmessung.
Heute dienen die Nachkommen des ersten Generators Geologen, Touristen und einfachen Bewohnern abgelegener Gebiete.Die Leistung solcher Generatoren ist gering – von 2 bis 20 Watt. Leistungsstärkere (von 25 bis 500 W) Generatoren werden an Hauptgasleitungen für Elektrowerkzeuge oder zum kathodischen Schutz von Rohren installiert. Generatoren mit 1 kW oder mehr versorgen Wetterstationsgeräte mit Strom, erfordern jedoch Hochtemperatur-Wärmequellen, zum Beispiel Gas.
Über exotische Generatoren, die die Wärme des radioaktiven Zerfalls direkt in Elektrizität umwandeln, gibt es nicht viel zu sagen – zu eng gefasst und zu sensible Informationen. Es ist lediglich bekannt, dass einzelne Satelliten im Weltraum mit solchen Einrichtungen zur kontinuierlichen Stromversorgung der Geräte ausgestattet sind.
Betrachten Sie als Beispiel für moderne Produkte die Parameter Thermogenerator Typ B25-12... Seine elektrische Ausgangsleistung beträgt 25 W bei einer Spannung von 12 V. Die Arbeitstemperatur der heißen Zone beträgt nicht mehr als 400 Grad, das Gewicht beträgt bis zu 8,5 kg, der Preis beträgt etwa 15.000 Rubel. Solche Generatoren (in der Regel mindestens 2) werden zusammen mit einem Gaskessel zur Raumheizung eingesetzt.
Nach dem gleichen Prinzip gibt es leistungsstärkere TEG-Modelle mit einer Leistung von 200 Watt. Zusammen mit einem Gaskessel zum Heizen von Ferienhäusern liefern sie Strom nicht nur für die Automatisierung des Kessels und der Wasserumwälzpumpe, sondern auch für Haushaltsgeräte und Beleuchtung.
Trotz seiner Einfachheit und Zuverlässigkeit (keine beweglichen Teile) wurde TEG nicht weit verbreitet. Grund dafür ist der extrem niedrige Wirkungsgrad, der selbst bei Halbleitermaterialien nicht über 5-7 % liegt. Unternehmen, die solche Generatoren entwickeln, stellen sie auf Bestellung in kleinen Mengen her. Die fehlende Massennachfrage führt zu hohen Produktpreisen.
Die Situation könnte sich mit dem Aufkommen neuer Materialien für Wärmewandler ändern... Aber bisher kann sich die Wissenschaft nicht rühmen: Die besten TEG-Proben haben es nicht geschafft, den Wirkungsgrad von 20 % zu überschreiten. In dieser Situation sehen die Werbebroschüren der TEG, in denen die Effizienz mit mehr als 90 % angegeben wird, etwas komisch aus. Vielleicht ist es an der Zeit, dass Wissenschaftler von den eifrigen Vermarktern lernen?