V súčasnosti žijeme vo svete moderných technológií, ktoré často ovplyvňujú náš život. Zvýšené nároky na používanie elektroniky majú za následok nedostatok elektrickej energie, preto sa často využívajú rôzne overené alternatívne zdroje. Jedným z menej známych, ale vysoko perspektívnych zdrojov je termoelektrický generátor (TEG), ktorý na výrobu elektrickej energie využíva teplo.
Keďže tepelné javy prebiehajú v pevných látkach, kde je dostatok nosičov nábojov, je pre termoelektrické zariadenia príznačná jednoduchosť a prevádzka bez chemických látok alebo iných nežiaducich pohyblivých častí. I napriek týmto snahám je vo všeobecnosti účinnosť takýchto zariadení približne len 5 - 7 %. V prípadoch, keď je zdrojom energie nevyužité odpadové teplo, však môže byť použitie termoelektrických zariadení veľkým prínosom.
Fyzikálne princípy termoelektrického javu
Pojem „thermoelectric effect“ zahŕňa tri samostatné účinky: Seebeckov účinok, Peltierov účinok a Thomsonov účinok. Termoelektrický efekt je priamy prevod teplotných rozdielov do elektrického napätia a naopak. Prvým objaviteľom tohto javu bol Thomas Johann Seebeck v roku 1821. Zistil, že elektrické napätie existuje medzi dvoma koncami kovovej tyče, ak medzi nimi existuje teplotný rozdiel (gradient ΔT).
Seebeckov a Peltierov jav
Všeobecne pod termoelektrickým javom rozumieme proces napätia, ktorý nastáva pri teplotných rozdieloch medzi dvoma rozdielnymi kovmi alebo polovodičmi. Práve tento proces spôsobuje nepretržité prúdenie elektrónov, pokiaľ vodiče tvoria uzatvorený obvod. V roku 1834 francúzsky fyzik Jean C. Peltier vytvoril stavebný prvok (Peltierov článok), ktorý pri pretekaní elektrického prúdu vyvinie rozdielne teploty na jeho stykových plochách.
Dnešné termoelektrické moduly sú zostavené z polovodičov vyrobených na báze:
- Telluridu bizmutitého (Bi2Te3)
- Telluridu olovnatého (PbTe)
- Skutteruditov (CoSb3)
- Zliatiny Si-Ge
Princíp p-n prechodu
Základným konštrukčným prvkom je termoelektrická dvojica tvorená polovodičovým p-n priechodom. Pokiaľ je na tento prechod privedené teplo, dochádza v polovodičoch k prerozdeleniu majoritných nosičov náboja. V polovodiči typu N dochádza k pohybu elektrónov, v polovodiči typu P k pohybu kladných dier. Tieto náboje sa koncentrujú pri chladnejších koncoch, čím vzniká rozdiel potenciálov.
The Peltier Fridge Parabola Problem
Priemyselné využitie: BioCharger a technológie Volvo a Rolls-Royce
Spoločnosti Volvo Construction Equipment (CE) a Rolls-Royce Holdings vyvinuli zariadenie BioCharger, ktoré spaľovaním dreva vyrába elektrinu pre batériové stroje na odľahlých miestach, ako sú lesy, kde sa stavia infraštruktúra. Ide o unikátnu uzavretú spaľovaciu komoru, v ktorej je možné spaľovať drevnú štiepku a odpad z ťažby, ktorý by inak v lese zhnil.
BioCharger využíva špeciálnu technológiu vzduchovej clony od Air Burners. Vzduch je vháňaný nad horiace drevo, čím zabraňuje úniku dymu a umožňuje jeho opätovné spálenie. Zariadenie je schopné spáliť 20 ton dreveného odpadu za hodinu a vyrobiť 450 kWh energie v priebehu 6 hodín.
Domáca výroba elektriny: Kogenerácia a drevoplyn
Mnoho domácností má priamo doma nevyužitý zdroj energie v podobe tepla z kachlí, krbu alebo komína. Pri využití princípu kombinovanej výroby tepla a elektriny (KVET) sa odpadové teplo využíva na vykurovanie, zatiaľ čo systém vyrába elektrinu tam, kde je skutočne potrebná.
Pyrolýzne spaľovanie a plynové generátory
Keď sa drevo spaľuje v prítomnosti veľmi malého množstva kyslíka, dochádza k tzv. pyrolýznemu spaľovaniu. Užitočným produktom nie je len teplo, ale horľavý plyn (drevoplyn). Tento proces zahŕňa:
- Spaľovanie tuhého paliva pri obmedzenom prístupe kyslíka.
- Primárne hrubé čistenie v cyklónovom vortexovom filtri.
- Sekundárne čistenie a ochladenie plynovej zmesi.
Tabuľka: Typické zloženie drevoplynu
| Zložka | Chemická značka | Vlastnosť |
|---|---|---|
| Metán | CH4 | Horľavý |
| Vodík | H2 | Horľavý |
| Oxid uhoľnatý | CO | Horľavý |
| Oxid uhličitý | CO2 | Nehorľavý (balast) |
| Dusík | N | Nehorľavý (balast) |
Praktická realizácia domáceho termogenerátora
Pre autonómne získanie malého množstva elektriny, napríklad na dobitie telefónu na túre, je možné zostaviť zariadenie na báze Peltierovho modulu. V našom projekte sme použili článok typu TEC1-12710 STONECOLD.
Postup montáže a konštrukčné riešenie
Pre dosiahnutie maximálneho teplotného rozdielu (Gradient ΔT) sme navrhli konštrukciu s využitím hliníkového plechu ako „zachytávača“ tepla a tepelnej izolácie z tvrdenej minerálnej vlny. Smerovanie tepla k článku zabezpečuje hliníkový hranol. Medzi každú dotykovú plochu je nutné naniesť teplovodivú pastu.
Dôležité modifikácie pre zvýšenie efektivity:
- DC-DC menič: Použili sme obvod LTC 3108, ktorý začína pracovať už pri 20 mV a stabilizuje výstupné napätie na 5 V pre USB nabíjanie.
- Vylepšené chladenie: Využitie komínového efektu, kedy chladnejší vzduch prúdi zdola k chladiču, zvyšuje teplotný rozdiel a tým aj výkon.
- Akumulácia: Vyrobená elektřina sa ukladá do batérií, čím vzniká ostrovný energetický systém.
Výkon a ekonomika prevádzky
Domáci termoelektrický generátor umiestnený na kachliach môže dosahovať výkon 5 až 50 wattov. Za 10 hodín kúrenia je možné vyrobiť dostatok energie na nabitie 6 až 7 smartfónov. Väčšie drevoplynové jednotky dokážu dodávať až 2,5 kW elektrického výkonu pri spotrebe približne 4,5 kg dreva za hodinu. Pri započítaní využitého tepla na vykurovanie sa účinnosť celého systému výrazne zvyšuje.
The Peltier Fridge Parabola Problem
Trigenerácia a budúcnosť energetickej nezávislosti
Trigenerácia predstavuje rozšírenie kogenerácie o výrobu chladu. Ide o vysoko účinný systém, ktorý súčasne vyrába elektrinu, teplo a chlad pomocou absorpčného chladiča. Na Slovensku sa tieto systémy rozširujú najmä v nemocniciach a priemysle, kde pomáhajú napĺňať ciele EÚ o znižovaní spotreby primárnej energie.
Využívanie termoelektrických generátorov v kombinácii so spaľovaním dreva ponúka cestu k skutočnej energetickej soběstačnosti. Či už ide o priemyselné jednotky typu Volter 40 alebo malé domáce moduly, táto technológia premení váš lokálny obnoviteľný zdroj na stabilnú elektrickú energiu.