In de natuurkunde weten we dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen van vorm kan veranderen. Dit is de wet van behoud van energie, die ingenieurs ertoe aanzet manieren te vinden om energie in nuttiger vormen om te zetten.
Thermische energieopwekking is een goed voorbeeld, waarbij warmte direct in elektrische energie kan worden omgezet. Dit effect werd voor het eerst ontdekt door Thomas Seebeck en staat nu bekend als het Seebeck-effect, dat is toegepast op apparaten die thermo-elektrische generatoren (TEG's) worden genoemd. Pas in de 20e eeuw boekten deze solid-state apparaten aanzienlijke vooruitgang in praktische toepassingen, waarbij de eerste commerciële versies in de jaren zestig verschenen. Sindsdien heeft TEG veel verschillende soorten toepassingsgebieden betreden.
Basiskennis van de TEG-module
Het werkingsprincipe van de thermo-elektrische generatormodule (meestal TEG genoemd) is het omzetten van temperatuurverschillen in spanning, en omgekeerd. Dit kenmerk wordt thermo-elektrisch effect genoemd en bestaat uit drie verwante delen: 1) Seebeck-effect, dat elektriciteit opwekt door middel van temperatuurgradiënt; 2) Het Peltier-effect verwijst naar de absorptie of het vrijkomen van warmte wanneer stroom door twee verschillende materialen stroomt; 3) Het Thomson-effect verwijst naar het genereren of absorberen van warmte op basis van de richting van de stroom.
Een veel voorkomend verwarringspunt in de thermo-elektrische technologie is het verschil tussen thermo-elektrische generatoren (TEG's) en thermo-elektrische koelers (TEC's). TEG gebruikt het Seebeck-effect om elektriciteit op te wekken door middel van warmte, terwijl TEC het Peltier-effect gebruikt om voor koeling te zorgen of een stabiele temperatuur te handhaven. Beide effecten zijn afhankelijk van vergelijkbare halfgeleidermaterialen, maar met verschillende ontwerpen: TEG kan hoge temperatuurverschillen en een efficiënte vermogensafgifte bereiken, terwijl TEC materialen zoals keramiek en koper gebruikt om de warmtegeleiding te optimaliseren.
Als het doel is om elektriciteit op te wekken met behulp van thermische energie, dan is de TEG-module de juiste keuze. TEC- of Peltier-modules zijn effectiever voor koeling of temperatuurstabiliteit. Same Sky biedt zowel TEG-modules als Peltier-modules, waardoor het gemakkelijker wordt om geschikte apparaten te selecteren op basis van ontwerpbehoeften.
In moderne thermo-elektrische generatoren (TEG's) wordt elektrische energie opgewekt wanneer er een temperatuurverschil is tussen de warme en koude oppervlakken. In de module zijn meerdere paren n-type en p-type halfgeleiders (meestal gemaakt van bismuttelluride) tussen twee platen geplaatst (Figuur 1). In n-type materialen stromen elektronen van de hete naar de koude kant, terwijl in p-type materialen de beweging wordt veroorzaakt door de migratie van gaten (dwz elektronenvacatures) in dezelfde richting. Deze twee stromen genereren samen spanning, en hoe groter het temperatuurverschil, hoe hoger de uitgangsspanning.
TEG is vooral waardevol in situaties waarin warmteverspilling kan optreden, zoals bij industriële productie, omdat het helpt verloren energie terug te winnen. TEG kan ook in afgelegen of extreme omgevingen werken. Als er bijvoorbeeld onvoldoende zonlicht is, wordt de warmte die wordt gegenereerd door radioactief verval omgezet in elektrische energie om ruimtesondes van stroom te voorzien.
Gemeenschappelijke structuren van TEG-modules
Figuur 1: Gemeenschappelijke structuur van de TEG-module. (Afbeeldingsbron: Same Sky)
Voor- en nadelen van TEG
Het belangrijkste voordeel van thermo-elektrische halfgeleiderenergieopwekkingsmodules (TEG) is hun vermogen om restwarmte om te zetten in bruikbare elektrische energie, waardoor energie wordt opgevangen die anders verloren zou gaan. Daarom zijn TEG-modules niet alleen praktisch, maar ook milieuvriendelijk.
Omdat TEG een solid-state apparaat is, zijn er geen bewegende delen, waardoor deze module geen hoorbaar geluid maakt, stevig en duurzaam is en vrijwel geen onderhoud vereist. Deze module heeft een compact uiterlijk, kan in kleine ruimtes worden geïnstalleerd en levert meerdere spanningen en stromen, zonder afhankelijk te zijn van traditionele elektriciteitsnetwerken voor het leveren van betrouwbare stroom. Dit maakt TEG een ideale keuze voor externe apparaten of alternatieve batterijsystemen.
Hoewel thermo-elektrische generatoren (TEG's) een betrouwbare elektriciteitsbron vormen, hebben ze ook ontwerpbeperkingen. De prestaties van deze generator zijn grotendeels afhankelijk van sterke temperatuurverschillen, wat het gebruik ervan in bepaalde toepassingen met thermische gradiënten beperkt. Bovendien is de conversie-efficiëntie van TEG doorgaans laag, doorgaans rond de 10%, wat niet hoog is in vergelijking met veel andere technologieën voor energieopwekking.
Belangrijkste selectiecriteria voor TEG
Bij het integreren van thermo-elektrische generatormodules (TEG) in het systeem moet rekening worden gehouden met de belangrijkste specificaties die rechtstreeks van invloed zijn op hun prestaties. De meest kritische factor bij de werking van een generator is het temperatuurverschil tussen de warme en koude oppervlakken (meestal Δ T genoemd). Hoewel dit van invloed zal zijn op de energieopwekking van TEG, wordt dit in de gegevenstabel niet altijd op deze manier weergegeven. Integendeel, fabrikanten vermelden gewoonlijk Tmax, wat de hoogste veilige bedrijfstemperatuur is, wat helpt bij het bepalen van extreme omstandigheden, maar niet noodzakelijkerwijs de optimale bedrijfsomstandigheden zijn.
Andere nuttige specificaties zijn onder meer nullastspanning, aangepaste belastingsspanning, stroom, weerstand en vermogen. Aan de hand van deze waarden kunnen de prestaties van de thermo-elektrische generator onder werkelijke thermische en elektrische belastingen worden begrepen. In gegevenstabellen (zoals de gegevenstabel van Same Sky) wordt deze informatie meestal weergegeven in de vorm van tabellen (Afbeelding 2) en prestatiegrafieken (Afbeelding 3) om het ontwerp op systeemniveau eenvoudiger te maken.