热电发电机

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热电发电机

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热电发电机(TEG),也被称为塞贝克发生器,是一种固态器件,其将加热通量(温度差)直接转化为电能通过被称为现象塞贝克效应(一种形式的热电效应)。热电发电机功能类似于热机,但体积较小,没有活动部件。但是,TEG通常更昂贵且效率更低。

热电发电机可用于发电厂将废热转化为额外的电力,并在汽车中用作汽车热电发电机(ATG)以提高燃料效率。放射性同位素热电发生器使用放射性同位素产生所需的热量差,从而为空间探测器供电。

使用

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热电发电机具有多种应用。通常,热电发电机用于低功率远程应用,或无法使用体积较大但效率更高的热机(例如斯特林发动机)的场合。与热机不同,固态通常用于执行热能到电能转换的电气部件没有运动部件。热能到电能的转换可以使用不需要维护,固有地具有高可靠性的组件来执行,并且可以用于构建使用寿命长的发电机。这使得热电发电机非常适合在偏远无人居住或人迹罕至的位置(例如山顶、太空真空或深海)中具有低至中等功率需求的设备。

热电发电机

  • 常见的应用是在燃气管道上使用热电发电机。例如,用于阴极保护,无线电通信和其他遥测。在功率消耗高达5 kW的天然气管道上,热发电机优于其他电源。天然气管道发电机的制造商是Gentherm Global Power Technologies(以前称为Global Thermoelectric)(加拿大卡尔加里)和TELGEN(俄罗斯)。
  • 热电发电机主要用作无人值守的远程和离网发电机。在没有运动部件(因此几乎无需维护),昼夜工作,在所有天气条件下都能正常运行且无需电池备用的情况下,它们是最可靠的发电机。尽管在偏远地区也可以使用太阳能光伏系统,但是太阳能光伏可能不是适合太阳辐射较低的解决方案,即纬度较高的地区有雪或没有阳光、云层或冠覆盖的区域、多尘的沙漠、森林等
  • Gentherm Global Power Technologies(GPT)前身为Global Thermoelectric(Canada),拥有混合式Solar-TEG解决方案,其中热电发电机支持Solar-PV,因此,如果Solar Panel掉电并且备用电池后备电池进入深度放电状态,则传感器启动TEG作为备用电源,直到太阳能再次启动。TEG热可以由丙烷或天然气作为燃料的低压火焰产生。
  • 许多太空探测器,包括“ 火星好奇号 ” 火星探测器,都通过使用放射性同位素热电发生器来发电,该放射性同位素热电发生器的热源是放射性元素。
  • 汽车和其他汽车会产生废热(在废气和冷却剂中)。使用热电发电机收集热能可以提高汽车的燃油效率。已经对热电发电机进行了研究,以取代汽车中的交流发电机,这表明油耗降低了3.45%,每年可节省数十亿美元。未来改进的预测是混合动力汽车的行驶里程最多可增加10%。有人指出,汽油发动机的潜在节能潜力可能比柴油发动机更高。
  • 除汽车外,许多其他地方也会产生废热,例如工业过程和供暖(木炉、室外锅炉烹饪、油气田、管道和远程通讯塔)。
  • 微处理器产生废热。研究人员已经考虑了其中的某些能量是否可以回收。
  • 太阳能电池仅使用辐射的高频部分,而浪费了低频热能。已经获得了与太阳能电池串联使用热电装置的多项专利。想法是提高组合的太阳能/热电系统的效率,以将太阳辐射转换成有用的电。
  • 还已经研究了热电发电机作为独立的太阳能电池。热电发电机的集成已直接集成到太阳能热电池中,效率为4.6%。
  • 位于马里兰州巴尔的摩的海事应用物理公司正在开发一种热电发电机,利用冷海水热液喷口,热渗漏或钻探的地热井释放的热流体之间的温差在深海近海海床上产生电力。海洋地质和环境科学中使用的海洋观测站和传感器、海底矿物能源开发人员以及军事人员都需要一种高可靠性的海底电源。最近的研究发现,用于大型能源工厂的深海热电发电机在经济上也是可行的。
  • 来自加拿大不列颠哥伦比亚省的安·马科辛斯基(Ann Makosinski)开发了几种设备,这些设备使用珀尔帖(Peltier)瓷砖来收集热量,它们声称能够产生足够的电力来为LED灯供电或为玻璃充电。移动设备,尽管发明人承认LED的亮度与市场上的灯不具有竞争力。

实际限制

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除了效率低和成本相对较高外,在某些类型的应用中使用热电设备还存在一些实际问题,这是由于相对较高的输出电阻会增加自热,而导热系数也会相对较低,这使其不适用于有热量的应用去除是至关重要的,就像从电子设备(例如微处理器)中去除热量一样。

  • 高发电机输出电阻:为了使电压输出水平达到数字电气设备所需的范围,一种常见的方法是在发电机模块内串联放置许多热电元件。元件的电压增加,但其输出电阻也增加。的xxx功率传输定理决定了xxx功率被传递到负载时,源和负载电阻被相同地匹配。对于接近零欧姆的低阻抗负载,随着发生器电阻的增加,传递给负载的功率会降低。为了降低输出电阻,一些商用设备将更多的独立元件并联而更少的串联,并采用升压调节器将电压升高至负载所需的电压。
  • 低热导率:因为要从热源(如数字微处理器)中传输热能需要很高的热导率,所以热电发生器的低热导率使其不适合回收热量。
  • 空气的冷侧除热:在风冷热电应用中,例如从汽车的曲轴箱中收集热能时,必须散发到周围空气中的大量热能提出了巨大的挑战。随着热电发电机冷侧温度的升高,设备的差分工作温度降低。随着温度升高,器件的电阻增加,从而导致寄生发电机自发热更大。在机动车辆应用中,有时会使用辅助散热器来改善散热效果,尽管使用电动水泵循环冷却液会增加发电机总输出功率的寄生损耗。水冷却热电发电机的冷侧,就像从舷内船马达的热曲轴箱产生热电时一样,不会遭受这个缺点。与空气相比,水是一种更容易有效利用的冷却剂。

未来市场

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尽管TEG技术已在军事和航空航天应用中使用了数十年,但仍在开发新的TE材料和系统,以利用低温或高温废热发电,这将在不久的将来提供重大机遇。这些系统还可以扩展到任何大小,并降低运行和维护成本。

总的来说,对TEG技术的投资正在迅速增加。2015年,全球热电发电机市场规模估计为3.2亿美元。最近的一项研究估计,TEG预计到2021年将达到7.2亿美元,增长率为14.5%。如今,北美已经占据了66%的市场份额,并且在不久的将来它将继续成为xxx的市场。但是,亚太和欧洲国家预计将以相对较高的速度增长。一项研究发现,由于汽车行业对热电发电机对提高整体燃料效率的高需求,亚太市场在2015年至2020年期间将以18.3%的复合年增长率(CAGR)增长。随着该地区不断发展的工业化。

小型热电发电机也处于可穿戴技术研究的早期阶段,以减少或替代充电并延长充电时间。最近的研究集中在尼龙基材上柔性无机热电硒化银的新开发。通过直接从人体收集能量以创建自供电设备,热电代表了与可穿戴设备的特殊协同作用。一个项目是在尼龙膜上使用n型硒化银。硒化银是一种具有高电导率和低热导率的窄带隙半导体,非常适合热电应用。

利用最新技术,低功率TEG或“亚瓦特”(即产生高达1瓦的峰值)市场是TEG市场的增长部分。主要应用是传感器,低功耗应用以及更广泛的全球物联网应用。一家专业的市场研究公司表示,2014年已经发货了100,000套,预计到2020年每年将达到900万套。

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  1. 热电发电机
  2. 使用
  3. 实际限制
  4. 未来市场

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