Připravuje se

1. Úvod

Termoelektrické jevy umožňují přímou přeměnu tepla v elektřinu nebo transportovat teplo z nižší teplotní úrovně na vyšší úroveň. Protože jevy probíhají v pevných látkách a „pracovní tekutinou“ jsou nosiče elektrického náboje, je pro termoelektrická zařízení typická jednoduchost a provoz bez chemických látek nebo pohyblivých částí. Pokud jsou korektně provozovány, pak i spolehlivost a dlouhá životnost. Vzhledem k nízké účinnosti termoelektrické přeměny při výrobě elektrické energie jsou možnosti využití omezené. Samostatně pracují tzv. termoelektrické generátory (TEG) jako zdroje elektrické energie a spotřebovávají pro provoz ušlechtilá primární paliva pouze ve specifických aplikacích: v odlehlých, těžko přístupných nebo nebezpečných oblastech. V souvislosti se vzrůstajícími cenami paliv a zájmem o technologie šetrné k životnímu prostředí se objevují snahy využívat termoelektřiny pro produkci elektrické energie z odpadního tepla. Ve světě je tento trend patrný od konce osmdesátých let. V případech, kdy zdrojem energie bude jinak nevyužité odpadní teplo, může být použití termoelektrických zařízení přínosem a způsobem, jak získat jakostní elektrickou energii, jejíž získání by s konvenčními způsoby přeměn mohlo být obtížně realizovatelné [1].
2. Termoelektrická výroba elektrické energie
Obr. 1 Termoelektrická dvojice
Obr. 1 Termoelektrická dvojice

Základním konstrukčním prvkem termoelektrických zařízení jsou termoelektrické dvojice (Obr. 1) tvořené polovodičovým p–n přechodem. V principu lze jejich funkci popsat následovně: Pokud je na p–n přechod přivedeno teplo, dochází v polovodičích k přerozdělení majoritních nosičů náboje. V polovodiči 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 vytvořený obvod, dochází k pohybu elektronů přes přechod a průtoku elektrického proudu.
Obr. 2 Termoelektrický modul
Obr. 2 Termoelektrický modul

Pro dosažení většího napětí jsou dvojice spojovány elektricky do série, z hlediska přestupu tepla paralelně a tvoří tzv. termoelektrické moduly (Obr. 2). Geometrie modulů mohou být různé. Konstrukce vyobrazená na Obr. 2 je nejběžnějším typem průmyslově dostupných termoelektrických modulů.
Obr. 3 Parazitní konfigurace termoelektrického generátoru
Obr. 3 Parazitní konfigurace termoelektrického generátoru

Moduly nemohou pracovat samostatně. Přívod a odvod tepla zajišťují výměníky. V závislosti na typu aplikace může být zdrojem tepla pevná látka, kapalina nebo plyn, dominantní složkou přenosu tepla kondukce, konvekce nebo radiace. Průchodem tepla skrze termoelektrický modul je generováno napětí, po připojení na zátěž elektrický výkon. Vzhledem k účinnosti termoelektrické přeměny prochází větší část tepla skrze modul bez užitku. Termoelektrický systém se proto často používá v tzv. parazitní konfiguraci (Obr. 3), jako tepelný výměník/generátor. Část absorbovaného tepla se přemění na elektrickou energii a zbylá část, vyjma tepla uvolněného do okolí, je použita na předehřev. Relativně nízká účinnost termoelektrické přeměny není již tak významná. Můžeme produkovat teplo i elektřinu současně, s malým vlivem nebo zcela bez vlivu na výslednou účinnost systému. Použití je výhodou zejména v nízkovýkonových aplikacích, ve kterých není k dispozici zdroj elektrické energie nebo je dodávka elektřiny nestabilní [2], [3].

 

Uplatnění získané termoelektřiny je široké. Výkony běžných termoelektrických generátorů se pohybují v rozmezí miliwattů až desítek kilowattů. Používají se jako miniaturní zdroje v detektorech, senzorech, jako přenosné zdroje nebo zdroje autonomních systémů v průmyslových a vojenských aplikacích. Zdrojem tepla může být např. lidské tělo, odpadní teplo chladicích vod technologických zařízení, spaliny vzniklé spalováním fosilních paliv nebo odpadů, teplo rozpadu radioaktivních izotopů nebo jiné zdroje.
3. Účinnost přeměny – termoelektrické materiály

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. Na Obr. 4 je znázorněn průběh účinnosti materiálů s daným ZT a účinnosti ideálního tepelného stroje. Běžně dostupné termoelektrické materiály mají přibližně parametr ZT ≤ 1 a tedy i malou účinnost. V nízkoteplotních aplikacích typicky okolo 5 %. Složitější segmentované moduly mohou dosahovat 10 %. Laboratorně připravované materiály mají vyšší koeficienty ZT a mohou dosahovat vyšších účinností (Obr. 5).