Fysiikan peruskurssilla opimme, että energiaa ei voida luoda eikä hävittää, mutta sitä voidaan muuntaa eri muotoihin. Energian säilymislain – eli termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön – jälkeen insinöörit ovat etsineet keinoja muuntaa energia käyttökelpoisempiin muotoihin.

Kirjoittaja: Jeff Smoot, Same Sky

Yksi tällainen tapa on termoelektrinen sähköntuotanto eli lämmön muuntaminen sähköksi. Ilmiön löysi Thomas Seebeck, ja sitä kutsutaan Seebeckin ilmiöksi. Nykyisin sitä hyödynnetään kiinteän olomuodon laitteissa, joita kutsutaan termoelektrisiksi generaattoreiksi (TEG). Teknologia alkoi kehittyä merkittävästi vasta 1900-luvulla, ja ensimmäiset kaupalliset sovellukset tulivat markkinoille 1960. Nykyään TEG-laitteita käytetään laajasti eri sovelluksissa.

Mitä ovat termoelektriset generaattorimoduulit?

Termoelektriset generaattorimoduulit eli TEG-moduulit perustuvat termoelektriseen ilmiöön, jossa lämpötilaero materiaalissa synnyttää sähköjännitteen – tai päinvastoin.

Ilmiö koostuu kolmesta osasta:

• Seebeckin ilmiö: lämpötilaero synnyttää sähköä
• Peltierin ilmiö: sähkövirta aiheuttaa lämmön siirtymistä liitoksessa
• Thomsonin ilmiö: virran suunta vaikuttaa lämmön absorptioon tai vapautumiseen

Termoelektrinen generaattori vs. termoelektrinen jäähdytin

Yleinen sekaannus liittyy TEG:ien ja termoelektristen jäähdyttimien (TEC) eroon:

• TEG käyttää Seebeckin ilmiötä → tuottaa sähköä
• TEC (Peltier-moduuli) käyttää Peltierin ilmiötä → jäähdyttää tai lämmittää

Molemmat käyttävät samankaltaisia materiaaleja (seostettuja puolijohteita), mutta niiden optimointi on täysin eri:

• TEG: maksimoitu energiantuotto ja suuri lämpötilaero
• TEC: optimoitu lämmön siirto ja jäähdytysteho

Jos tavoitteena on tuottaa sähköä lämmöstä, valinta on TEG. Jos taas tarvitaan aktiivista jäähdytystä, käytetään TEC-moduulia.

Miten termoelektrinen generaattori toimii?

TEG:ssä lämpötilaero kuuman ja kylmän puolen välillä saa varauksenkuljettajat (elektronit) liikkumaan kuumalta puolelta kylmälle.

Moduuli sisältää useita n- ja p-tyypin puolijohdepareja (yleensä vismuttitelluridia), jotka on sijoitettu kuuman ja kylmän levyn väliin:

• n-tyyppi: elektronit liikkuvat
• p-tyyppi: aukot (elektronien puute) liikkuvat

Tämä liike synnyttää jännitteen, joka voidaan ottaa talteen sähkövirrana. Jännite on suoraan verrannollinen lämpötilaeroon.

TEG:ejä käytetään usein hukkalämmön hyödyntämiseen esimerkiksi teollisuudessa tai etäsovelluksissa, kuten avaruusluotaimissa.

TEG-moduulien edut

• Hyödyntävät hukkalämpöä → parantavat energiatehokkuutta
• Ei liikkuvia osia → luotettavia ja huoltovapaita
• Hiljaisia
• Kompaktikokoisia
• Toimivat ilman ulkoista virtalähdettä → sopivat etäsovelluksiin

Termoelektriset generaattorit rakentuvat vuorottelevista n- ja p-tyypin materiaaleista.

TEG-moduulien haasteet

• Vaativat riittävän lämpötilaeron
• Soveltuvat vain tiettyihin käyttökohteisiin
• Hyötysuhde melko alhainen (~10 %)

Tärkeät TEG-spesifikaatiot ja suorituskykykäyrät

TEG-moduulien integrointi järjestelmään edellyttää huomiota useisiin keskeisiin laiteparametreihin, jotka vaikuttavat suorituskykyyn. Vaikka kuuman ja kylmän puolen välinen lämpötilaero, eli niin sanottu delta T, on perusta sähköntuotannolle, sitä ei yleensä ilmoiteta suoraan datasheeteissä. Sen sijaan valmistajat määrittelevät usein arvon Tmax, joka kertoo suurimman sallitun käyttölämpötilan turvallisen toiminnan kannalta, mutta ei välttämättä optimaalista toimintapistettä.

TEG:n suorituskykyä arvioitaessa hyödyllisiä suureita ovat myös avoimen piirin jännite sekä kuormitettuun tilaan liittyvät jännite, virta, teho ja resistanssi. Näiden avulla saadaan realistisempi kuva siitä, mitä TEG:ltä voidaan odottaa, kun se liitetään järjestelmään, jossa on tietyt sähköiset ja lämpökuormat. Näitä parametreja havainnollistetaan yleensä datasheeteissä erilaisilla suorituskykykäyrillä.

TEG-moduulin suorituskykykäyrissä esitetään laitteen ominaisuuksia suhteessa kuuman ja kylmän puolen lämpötiloihin sekä sähköisiin suureisiin. Näiden käyrien avulla suunnittelija voi tunnistaa optimaaliset toimintapisteet tai kohdat, joissa suunnittelua on syytä parantaa. Käyriä käytetään tyypillisesti, kun TEG sovitetaan tiettyyn sovellukseen, vertaillaan eri TEG-komponentteja tai analysoidaan valmiin järjestelmän toimintaa. Keskeisiä käyriä ovat seuraavat, joissa Th kuvaa kuuman puolen lämpötilaa.

1. Avoimen piirin jännite suhteessa kuuman puolen lämpötilaan kuvaa TEG-moduulin tuottamaa jännitettä ilman kuormaa tietyllä lämpötilaerolla. Tämä vastaa suurinta mahdollista jännitettä, ja kuorman kytkeminen laskee jännitettä.
2. Kuormitusta vastaava resistanssi suhteessa kuuman puolen lämpötilaan kuvaa TEG-moduulin sisäistä resistanssia kyseisellä lämpötilaerolla.
3. Kuormitettu lähtöjännite suhteessa kuuman puolen lämpötilaan esittää TEG:n tuottaman jännitteen silloin, kun moduuli on kytketty kuormaan.
4. Kuormitettu lähtövirta suhteessa kuuman puolen lämpötilaan kuvaa virran, jonka TEG toimittaa kuormitettuna samalla lämpötilaerolla.
5. Kuormitettu lähtöteho suhteessa kuuman puolen lämpötilaan esittää tuotetun tehon. Tämä suure liittyy suoraan jännitteeseen ja virtaan, ja Ohmin lain avulla mikä tahansa näistä kolmesta voidaan laskea, kun kaksi muuta tunnetaan.

Suorituskykäyrillä kohta, jossa TEG tuottaa suurimman tehon, vastaa yleensä optimaalista kuormitusresistanssia. Lisäksi hyötysuhdekäyrä kuvaa, miten energian muunnon tehokkuus muuttuu lämpötilaeron ja kuormituksen funktiona. Käyrissä vaaka-akselilla esitetään tyypillisesti kuuman puolen lämpötila, ja useat käyrät kuvaavat eri kylmän puolen lämpötiloja. Pystyakselilla esitetään tarkasteltava suure, kuten jännite, virta tai teho.

Esimerkki Same Skyn TEG-spesifikaatiotaulukosta.

Miten valita sopiva TEG?

Sopivan termoelektrisen generaattorin valinta alkaa siitä, että suunnittelija määrittää lämpötilat, joille TEG altistuu, eli kylmän puolen ja kuuman puolen lämpötilat. Kun nämä arvot ovat tiedossa, voidaan datasheetin kuormitettua jännitettä, virtaa ja tehoa kuvaavien käyrien avulla arvioida TEG:n tuotto kyseisessä sovelluksessa.

Tyypilliset Same Skyn TEG-datalehdissä esitettävät suorituskykäyrät.

Esimerkki

Kun käytetään Same Skyn SPG176-56-termoelektristä generaattorimoduulia, jonka suorituskykykäyrät on esitetty alla, ja oletetaan kylmän puolen lämpötilaksi 30 °C ja kuuman puolen lämpötilaksi 200 °C, voidaan laskea TEG:n odotettu lähtöteho.

Vaihe 1: Kuormitettua jännitettä kuvaavasta käyrästä etsitään x-akselilta kohta Th = 200 °C ja vedetään siitä pystysuora viiva ylöspäin. Tarkastellaan, missä tämä viiva leikkaa Tc = 30 °C -käyrän. Leikkauspisteestä vedetään vaakasuora viiva y-akselille (V). Tästä kohdasta saadaan TEG:n odotettu lähtöjännite. Tässä esimerkissä arvo on noin 5,9 volttia.

Vaihe 2: Sama menettely toistetaan kuormitettua virtaa kuvaavassa käyrässä, jolloin nähdään, että TEG:n tuottama virta on noin 1,553 ampeeria.

Vaihe 3: Ohmin lain avulla voidaan laskea lähtöteho, joka on tässä tapauksessa noin 9,16 wattia. Tulos voidaan varmistaa myös kuormitettua tehoa kuvaavasta käyrästä samalla menetelmällä.

Vaihe 4: Datasheetin kuormitettua resistanssia kuvaavan käyrän ja edellä käytettyjen arvojen perusteella voidaan päätellä, että TEG:n resistanssi näissä olosuhteissa on noin 3,8 ohmia. Koska TEG noudattaa Ohmin lakia ja riippuvuudet ovat lineaarisia, kahden suureen tunteminen riittää kolmannen laskemiseen.

Tämä nimellinen mitoitus on melko suoraviivainen, mutta todellinen haaste syntyy tilanteissa, joissa lämpötilaero ei ole ideaalinen tai kuorman impedanssi ei vastaa tarkasti optimiarvoa. Tällöin suorituskykäyrien avulla voidaan arvioida laitteen todellista käyttäytymistä ja toimintarajoja. On myös hyvä huomata, että käyrät esittävät vain rajallisen määrän Tc-arvoja, joten niiden väliin jääviä arvoja voidaan arvioida interpoloimalla.

Missä TEG-moduuleja voidaan käyttää?

Termoelektrisiä generaattoreita käytetään monissa sovelluksissa, joissa tarvitaan itsenäistä energiantuotantoa tai joissa energian talteenotto voi parantaa järjestelmän kokonaistehokkuutta. Niitä on saatavilla sekä suuritehoisina että mikroversioina. Suuret TEG-moduulit tuottavat tehoa useista wateista satoihin watteihin ja niitä käytetään erityisesti teollisissa sovelluksissa. Mikro-TEG:t puolestaan tuottavat tehoa wattiluokasta muutamiin milliwatteihin. Käyttökohteita löytyy esimerkiksi pienitehoisista kuluttajalaitteista ja puettavasta teknologiasta aina avaruus- ja ilmailusovelluksiin, teolliseen hukkalämmön talteenottoon, aurinkoenergiajärjestelmiin, sensoreihin, teollisuuselektroniikkaan, LVI-järjestelmiin, lääketieteelliseen seurantaan, sotilassovelluksiin, tieteellisiin instrumentteihin ja tietoliikenteeseen.

Yhteenveto

TEG-moduulit hyödyntävät termoelektristä ilmiötä tuottaakseen käyttökelpoista sähkövirtaa laitteen sisäisistä lämpötilaeroista. Kuten termoelektriset jäähdyttimet, ne toimivat tehokkaimmin, kun ne on sovitettu tarkasti tiettyyn käyttökohteeseen. Laajan kokovalikoiman, erilaisten lähtötehojen ja hyötysuhteiden ansiosta TEG-moduulit voivat tuoda lisäarvoa suunnitteluun mahdollistamalla laitteen siirrettävyyden, itsenäisen toiminnan tai hukkalämmön hyödyntämisen.

Same skyn artikkeli löytyy uudesta ETNdigi-lehdestä. Äänestä lehden parasta artikkelia ja voit voittaa Huawein uuden Watch GT Runner 2 -älykellon. Ohjeet täällä.