TEG, podobnie jak większość przetworników i układów zbierających energię, wydaje się w zasadzie dobrym pomysłem, ponieważ dostajemy coś wartościowego za prawie nic. W praktyce jednak mają one kilka wad: stosunkowo trudno je wyprodukować (zwłaszcza masowo) i są mało wydajne (osiągają sprawność około 10%). Taki wskaźnik, choć wydaje się niski, jest często akceptowalny, gdy w przeciwnym razie to ciepło zostałoby po prostu zmarnowane lub nie ma innego realnego wyboru źródła zasilania.
Zwykle kojarzymy efekt Seebecka z termoparami z bimetalicznymi złączami i pomiarem temperatury, a nie ze zbieraniem energii. W rzeczywistości wiele urządzeń TEG z odzyskiem ciepła wykorzystuje silnie domieszkowane półprzewodniki wykonane z tellurku bizmutu (Bi2Te3), tellurku ołowiu (PbTe), tlenku wapnia i manganu (Ca2Mn3O8), a także innych materiałów, w zależności od zastosowania i termiki.
Innym problemem związanym z TEG jest to, że są one trudne do wytworzenia w dużych ilościach i przy dobrych kosztach. Te mankamenty stanowią jednakże zachętę dla naukowców do sprawdzenia, jakie udoskonalenia lub ulepszenia w tych materiałach i procesach produkcyjnych można wprowadzić, co wyraźnie pokazują dwa bardzo różne podejścia do opracowywania nowych generatorów termoelektrycznych.
Rys.1. Naukowcy stosują trzyetapowy proces interaktywny,
z (i) spiekaniem sterowanym laserem, po którym następuje
(ii) ocena właściwości termoelektrycznych,
a następnie (iii) optymalizacja bayesowska,
prowadząca z powrotem do (i).
z (i) spiekaniem sterowanym laserem, po którym następuje
(ii) ocena właściwości termoelektrycznych,
a następnie (iii) optymalizacja bayesowska,
prowadząca z powrotem do (i).
Zespół kierowany przez naukowców z University of Notre Dame (Indiana) zajął się problemem polegającym na tym, że TEG na ogół nie mają metody przetwarzania dużej ilości energii, dlatego wymyślili znacznie szybszy sposób tworzenia urządzeń o wydatnej sprawności. Wykorzystali techniki uczenia maszynowego, aby błyskawicznie zoptymalizować spiekanie materiałów przy jednoczesnym zachowaniu ich wysokich właściwości termoelektrycznych, jak pokazano na rysunku 1.
Nowatorski proces posiłkuje się intensywnym pulsującym światłem do spiekania elementu termoelektrycznego w czasie poniżej sekundy, podczas gdy konwencjonalne ujęcie w piecach termicznych może zająć wiele godzin. Zespół zdynamizował tę metodę przekształcania atramentów nanocząsteczkowych w elastyczne urządzenia, spożytkowując uczenie maszynowe do określenia optymalnych warunków tego ultraszybkiego, ale złożonego procesu. Zintegrowali oni wysokoprzepustowe eksperymenty i optymalizację bayesowską (BO), aby przyspieszyć odkrycie wzorcowych wymogów spiekania folii z selenkiem srebra przy użyciu techniki ultraszybkiego spiekania Flash, tj. z wykorzystaniem intensywnego światła pulsacyjnego. Ze względu na charakter wielowymiarowego problemu optymalizacji ujęcia, model uczenia maszynowego regresji procesu Gaussa (GPR) został użyty do natychmiastowego zalecenia optymalnych zmiennych spiekania błyskawicznego w oparciu o oczekiwaną poprawę bayesowską, patrz rysunek 2.
Rys.2. Macierz korelacji cecha-cecha
dla najważniejszych aspektów, która
prowadzi proces doskonalenia.
dla najważniejszych aspektów, która
prowadzi proces doskonalenia.
Naukowcy w ten sposób wytworzyli elastyczną folię TE o ultrawysokim współczynniku mocy, równym 2205 μW/mK² i o zT stanowiącym 1,1 przy 300 K. zT jest bezwymiarowym wskaźnikiem jakości termogeneratora, gdzie zT = S² * 1/ρ * 1/κ * T. I jest obliczany na podstawie współczynnika Seebecka (S), rezystywności elektrycznej (ρ) i przewodności cieplnej (κ) elementu. Zastosowany period był krótszy niż jedna sekunda, czyli o kilka rzędów wielkości mniej niż w przypadku konwencjonalnych technik spiekania termicznego.
Folie wykazały również doskonałą elastyczność, zachowując 92% współczynnika mocy (PF) po tysiącu cykli gięcia z promieniem 5 mm, jak pokazano na rysunku 3. Ponadto nadający się do noszenia generator termoelektryczny oparty na foliach spiekanych metodą flash generuje bardzo konkurencyjną gęstość mocy 0,5 mW/cm² przy różnicy temperatur 10 K.
Rys.3. Test elastyczności folii spiekanych metodą flash przy różnych
kątach zginania, który wykazał sprężystość i trwałość materiału.
Badacze uważają, że ultraszybkie spiekanie wspomagane przez uczenie maszynowe umożliwi produkcję wysokowydajnych urządzeń znacznie szybciej i przy nader niższych kosztach niż jest to obecnie możliwe. Prace zostały szczegółowo opisane w artykule opublikowanym w czasopiśmie: „Energy & Environmental Science”.
Projekt 2
Zespół z prestiżowego Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) w Niemczech opracował sposób wytwarzania TEG przy użyciu nadających się do drukowania polimerów termoelektrycznych i elementów kompozytowych za pomocą niedrogiego, w pełni sitodrukowego, elastycznego surowca. Wykorzystując unikalną dwuetapową technikę składania w stylu 'origami', wyprodukowali stabilne mechanicznie, prostopadłościenne urządzenie 3D z układu 2D wydrukowanego na cienkim podłożu za pomocą atramentów termoelektrycznych opartych na nanodrutach PEDOT [poli(3,4-etylenodioksytiofen)] oraz kompleksowego materiału TiS2: heksylamina, jak opisano na rysunku 4.
Rys.4. Szczegóły dotyczące techniki wytwarzania i składania. [Żółty: materiał typu n, niebieski: typu p, szary: podłoża.
Strzałki wskazują przepływ prądu przez urządzenie w wyniku zastosowanej różnicy temperatur (strona ciepła: czerwona,
strona zimna: błękitna). Strzałki przerywane obrazują proces składania.]
a) układ 2D czterech termopar na podłożu z dodatkowym paskiem niezadrukowanego;
b) TEG złożony w origami z czterema termoparami z inkrustowanym materiałem podłoża do izolacji elektrycznej termopar.
Architektura urządzenia zaowocowała wysoką gęstością termopar wynoszącą 190 jednostek na cm², dzięki zastosowaniu cienkiego podłoża jako izolacji elektrycznej między elementami termoelektrycznymi, uzyskując wysoką moc wyjściową równą 47,8 µW/cm² przy różnicy temperatur stanowiącej 30 K. Właściwości urządzenia można regulować za pomocą układu wydruku. A impedancję termiczną TEG uda się dostroić o kilka rzędów wielkości, umożliwiając w ten sposób jej dopasowanie do dowolnego źródła ciepła, jak pokazuje rysunek 5.
Rys.5. a) układ wydruku dwuwymiarowego TEG origami z 254 nogami typu: „P” (niebieskie) i 253 nogami typu: „N” (żółty; zielony: nakładający się obszar) ułożonymi we wzór szachownicy składający się z 13 kolumn na 39 rzędów;
b) sitodrukowane TEG z TiS2 jako materiałem typu n i PEDOT jako elementem typu p z rozszerzonymi polami kontaktowymi PEDOT osadzonymi manualnie;
c) pierwszy krok składania polegający na układaniu w stos wszystkich kolumn plus jeden dodatkowy pasek podłoża;
d) całkowicie złożona taśma termoelektryczna;
e) taśma termoelektryczna pofałdowana na liniach zagięcia;
f) kompletnie złożony generator termoelektryczny scalony taśmą kaptonową.
Naukowcy z KIT testowali jednostki termoelektryczne w różnych warunkach, jak pokazuje rysunek 6. Moc wyjściowa w punkcie maksymalnej (MPP) była wystarczająco wysoka, aby zasilać obwody elektroniczne małej. Moc wyjściowa wzrosła przy ΔΤ², osiągając 243 µW dla ΔT = 60 K. Nawet dla ΔT = 30 K urządzenie to wygenerowało PMPP = 63,4 µW i napięcie w obwodzie otwartym równe Voc = 534 mV. Odpowiada to gęstości mocy 47,8 µW/cm², podczas gdy rezystancja wewnętrzna wynosi 1124 Ω.
Rys.6. a) histogram wewnętrznej rezystancji elektrycznej urządzeń rozwiniętych po wydrukowaniu (jasny) i po złożeniu origami (ciemny);
b) konfiguracja charakterystyki TEG z dwoma blokami miedzianymi jako stykami termicznymi;
c) napięcie obwodu rozwartego w funkcji spożytkowanej różnicy temperatur dla TEG nr 6;
d) charakterystyka I-V i moc wyjściowa w funkcji napięcia dla odmiennych zastosowanych różnic termik w TEG numer 6;
e) moc wyjściowa w funkcji obciążenia elektrycznego dla różnych wykorzystanych różnic temperatur w TEG numer 6;
f) histogram maksymalnej mocy wyjściowej i napięć w obwodzie otwartym wszystkich wyprodukowanych TEG przy ∆T = 30 K.
W ramach praktycznego testu i demonstracji przydatności badacze zbudowali stację pogodową z własnym zasilaniem, mierzącą temperaturę otoczenia, wilgotność i ciśnienie przy użyciu gotowych komponentów. W tym czujnika Bosch BME280 i układu scalonego zarządzania energią firmy Texas Instruments, który wszystkie pomiary przesyłał za pośrednictwem interfejsu Bluetooth Low Energy (BLE).
Kompletny zakres danych na temat procesu produkcji tego generatora, dogłębna analiza fizyki materiałów całego układu, a także ich układy testowe i wyniki znajdują się w artykule opublikowanym w prestiżowym czasopiśmie: „Nature”. Dostępny jest też 13-stronicowy plik informacji uzupełniających, który zawiera dalsze analizy, a także pełne szczegóły konstrukcyjne stacji pogodowej. Do wglądu jest również 30-sekundowe wideo z pierwszego etapu procesu produkcyjnego.
A czy Wy kiedykolwiek używaliście tego rodzaju generatorów w swoich projektach? Czy Wasze wykorzystanie systemów zbierania energii termicznej ograniczało się do elementów bimetalicznych (które konwertują zasoby termiczne na mechaniczne)? Czy projekt się udał, czy też wystąpiły nieoczekiwane problemy, które sprawiły, że był to nieodpowiedni wybór dla spożytkowania 'darmowej' energii?
Źródło: https://www.edn.com/thermoelectric-generators-are-getting-more-rd-attention/
Cool? Ranking DIY
