Termoelektřina

Termoelektrické jevy umožňují přímou přeměnu tepla v elektřinu. Protože tyto jevy probíhají v pevných látkách a „pracovní tekutinou“ jsou nosiče elektrického náboje, je pro termoelektrická zařízení typická:

• jednoduchost
• provoz bez chemických látek a pohyblivých součástí
• spolehlivost
• dlouhá životnost

Základním konstrukčním prvkem termoelektrických zařízení jsou tzv. termoelektrické dvojice (Obr. 1) tvořené polovodičovým p-n spojem. V principu lze jejich funkci popsat následovně: pokud je na p-n spoj přivedeno teplo, dochází v polovodičích k přerozdělení majoritních nosičů náboje. V polovodičích typu n dochází k pohybu elektronů, v polovodiči typu p k pohybu kladných děr. Tyto náboje se následně koncentrují u chladnějších konců polovodičů, mezi kterými vzniká rozdíl potenciálů. Uzavře-li se takto vytvořený obvod, dochází k pohybu elektronů přes přechod a průtoku elektrického proudu. Termoelektrické dvojice se seskupují do větších celků, termoelektrických modulů a následně termoelektrických generátorů, které mohou pracovat jako zdroje elektrické energie. V případech kdy zdrojem tepla bude jinak nevyužité odpadní teplo, může být použití termoelektrických zařízení přínosem a způsobem, jak získat jakostní elektrickou energii, jejíž výroba konvenčními způsoby přeměn by mohla být obtížně realizovatelná. Využití získané termoelektřiny je široké. V současnosti termoelektrické generátory nacházejí nejčastěji uplatnění jako malé zdroje autonomních zařízení pracujících v těžko přístupných nebo nebezpečných oblastech.

Účinnost termoelektrické přeměny je dána použitými materiály. Pro vyjádření její velikosti se používá bezrozměrný koeficient ZT, který postihuje charakteristické vlastnosti použitého polovodičového materiálu a vliv pracovních teplot (Obr. 2). Běžně dostupné termoelektrické materiály mají přibližně parametr ZT ≤ 1 a tedy i malou účinnost. V nízkoteplotních aplikacích typicky okolo 5 %. Účinnost nediskvalifikuje termoelektřinu v nízko-výkonových aplikacích. Je nevýhodou při hromadné výrobě elektrické energie. Termoelektrické aplikace využívající tepla s vyšším potenciálem jsou přijatelné v případech, kdy neexistují vhodnější způsoby přeměn odpadního tepla. Využívání odpadního tepla o teplotách nižších než 140 °C konkurenceschopnost termoelektrické přeměny naopak značně zvyšuje.

Možné aplikace

Množství vyprodukovaného odpadního tepla uvolněného bez užitku do okolního prostředí, zejména v dopravě a energetickém průmyslu, je značné. V souvislosti s ropnou krizí v letech 1973 a 1979, se vzrůstajícími cenami paliv a zájmem o technologie šetrné k životnímu prostředí se zvýšil zájem i o termoelektřinu. Objevily se snahy využívat termoelektřiny z odpadního tepla jako zdroje elektrické energie. Získání elektřiny je v mnoha případech ideální. S ohledem na termoelektrickou účinnost by měla aplikaci předcházet důkladná rozvaha. Termoelektrický systém se často používá v tzv. parazitní konfiguraci, jako tepelný výměník /generátor (Obr. 3). Část absorbovaného tepla se přemění na elektrickou energii a zbylá část, vyjma tepla uvolněného do okolí, je použita na předehřev látky. Relativně nízká účinnost termoelektrické přeměny není poté tak významná. Je možné produkovat teplo i elektřinu současně, s malým vlivem nebo zcela bez vlivu na výslednou účinnost tepelného systému. Použití termoelektřiny je výhodou zejména v nízkovýkonových aplikacích, ve kterých není k dispozici zdroj elektrické energie anebo je dodávka elektřiny nestabilní. Jednou z perspektivních oblastí je využití termoelektřiny v automobilovém průmyslu. Cílem automobilových termoelektrických generátorů je využít energie paliva, která bez užitku odchází výfukovým potrubím a chladící soustavou automobilu do atmosféry. V předchozích letech vzniklo množství pokusných termoelektrických generátorů, jejichž cílem bylo ověřit možnosti autonomního provozu malých spalovacích zařízení, resp. krytí jejich spotřeby elektrické energie termoelektřinou vyrobenou z odpadního tepla. Takovýto systém může být také používán jako zdroj elektrické energie.

Myšlenka využití termoelektrické přeměny a termoelektrických jevů jako zdroje elektrické energie není nová. Existuje řada komerčně dostupných termoelektrických generátorů využívajících fosilních paliv, schopných dlouhodobě spolehlivého provozu. Stávající vývoj, konstrukce generátorů využívajících odpadního tepla, je dlouhodobým trendem. Snahou je stavět autonomní systémy, nezávislé na dodávkách elektřiny z rozvodné sítě. V nízkovýkonových aplikacích mohou termoelektrické mikrogenerátory výrazně ovlivnit nebo eliminovat použití chemických zdrojů elektrické energie. Výzkum a vývoj termoelektrických materiálů a termoelektrických generátorů se koncentruje především ve velkých průmyslových zemích v Evropě, v Severní Americe, Rusku, Číně a Japonsku. Soustředí se intenzivně zejména na automobilové termoelektrické generátory a energy-harvesting aplikace. V Japonsku je snahou využit termoelektrických generátorů i ve spalovnách komunálního odpadu a průmyslových spalovacích zařízeních. Cílem snah obecně je najít vhodné termoelektrické materiály a uvádět komerčně na trh termoelektrické generátory ve spojení s běžnými zařízeními. Očekává se, že v dlouhodobém horizontu přinesou termoelektrické technologie zvýšení účinnosti stávajících systémů přeměn a budou se podílet na úsporách paliv a redukci škodlivých emisí.

Příklady sestavených termoelektrických generátorů

• Automatický teplovodní kotel s termoelektrickým generátorem
• Krbová vložka s termoelektrickým generátorem
• Mikrogenerátor (energy-harvesting aplikace)

Automatický teplovodní kotel s termoelektrickým generátorem. Pro ověření možnosti využití termoelektřiny z odpadního tepla a výrobu elektrické energie byl navržen a zkonstruován jednoduchý termoelektrický generátor (Obr. 4) využívající odpadního tepla spalin automatického teplovodního kotle na peletky o výkonu 25 kW. Jedná se o experimentální zařízení, které je možné připojit ke stávajícím spalovacímu zařízení bez nutnosti zásahu do jeho konstrukce. Generátor je složený ze segmentů. Jeden segment se skládá ze 4 nízkoteplotních termoelektrických modulů. Výkonové charakteristiky generátoru se nacházejí na Obr. 5 a Obr. 6. V závislosti na teplotě spalin by bylo možné výsledný výkon generátoru zvýšit připojením dalších segmentů.

Krbová vložka s termoelektrickým generátorem. V rozsáhlých termoelektrických systémech mohou v závislosti na tepelných podmínkách vznikat ztráty degradující výsledný výkon generátoru. Byla proto zkonstruována spalovací jednotka malého výkonu (krbová vložka) a termoelektrický generátor (Obr. 5). Jedná se o experimentální zařízení, sloužící k detekci vzniku ztrát termoelektrických modulů, jejich měření a ověření možností jejich eliminace pro účinnější termoelektrickou výrobu elektrické energie. Termoelektrický generátor obsahuje 10 nízkoteplotních termoelektrických modulů. Při prvotních měřeních dosahoval výkon generátoru 21 W. Termoelektrické moduly je možné dle potřeby zapojovat sériově, paralelně, příp. v sériově-paralelní kombinaci. Součástí vlastního generátoru je stejnosměrný měnič s technikou hlídání bodu maximálního výkonu (MPPT). Spalovací zařízení je vybaveno softwarově řízenou klapkou, omezující teplotní dynamiku termoelektrického generátoru, která zabraňuje poškození termoelektrických modulů vlivem vysoké teploty.

Mikrogenerátor. Malé termoelektrické generátory jako na Obr. 6 mohou nahradit klasické chemické zdroje elektrické energie a zařízení s nimi tak získat zdroj, jehož životnost je dána pouze životností jednotlivých komponent.

Zkušební zařízení

Termoelektrické generátory by bylo možné nasadit v aplikacích, ve kterých není možné využít odpadní teplo efektivnějšími metodami: v případech, kdy dochází ke kolísání hmotnostního toku a teploty pracovní látky, kdy není možné zajistit stabilní přísun energie o požadovaných para-metrech nebo jsou zdroje tepla malé a rozptýlené. Termoelektrické moduly v takových aplikacích mohou být cyklicky namáhány. Pro potřeby testování životnosti a sledování výkonu jednotlivých termoelektrických modulů byl sestaven měřící stend (Obr. 7) určený pro dlouhodobé zkoušky probíhající za vakua.

Řešené výzkumné projekty související s termoelektřinou

• FSI-S-10-33 Polygenerace malých výkonů
• FSI-S-11-7 Vybrané komponenty trigeneračních procesů
• FSI-J-12-1780 Využití termoelektrických generátorů v mikrokogeneraci
• FSI-S-14-2403 Komplexní výzkum splaovacích zařízení a využití tepla
• FSI-S-17-4531 Zvyšování efektivity modulárních komponent energetických centrál

Ke stažení

Aplikace využívající termoelektřiny (pdf ke stažení zde)

Další informace

Možnosti využití termoelektrických jevů pro výrobu elektrické energie z odpadního tepla (odkaz na stránky TZB - info)

Kontakt

prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D.
Energetický ústav, FSI VUT v Brně
e-mail: pospisil.j@fme.vutbr.cz
tel.: +420 541 142 581

Ing. Marian Brázdil, Ph.D.
Energetický ústav, FSI VUT v Brně
e-mail: brazdil@fme.vutbr.cz
tel.: +420 541 142 591