Poznámky redaktora
Zjednodušené uspořádání polo-
vodičového TEG složeného pro získání vyš-
šího napětí z většího počtu základních článků
v sérii připojeném obrázku [4]. Polovodičový TEG složený z většího počtu
základních článků v sérii (zdroj: Wikipedia. V energe-
tice již např.de)
elektrická
izolace
tepelný
proud
kovové
můstky
p - vodič n - vodič
– +
.
sklízení energie (energy harvesting). s výhodou využívá odpadní
teplo při kogenerační výrobě tepla a elektři-
ny, v budovách začíná stále více využí-
vat teplo z ohřátého vzduchu (např. Rekordních hodnot z laboratoří ovšem
zatím v běžné praxi není dosahováno. Ještě před
několika lety měly TEG účinnost jen několik
procent, takže k získávání většího množství
energie nebyly vhodné.
Odborníkům Fraunhoferova ústavu pro
fyzikální měřicí techniku IPM (Institut für
Physikalische Messtechnik) Freiburgu se
podařilo laboratorně vyrobit termoelektric-
ké polovodičové materiály s hodnotou až
3,5 a zvýšit tak účinnost TEG více než tři-
krát.ELEKTRO 4/2011
inovace, technologie, projekty
Význam termoelektrických generátorů
rychle roste
Zásoby fosilních zdrojů energií světě
trvale klesají. Umož-
ňují termoelektrické generátory, zkráceně
označované TEG.
století nanotechnologie a používání nanokom-
pozitních polovodičových materiálů. a 21. Za-
tímco velkým, geometricky dobře uspořáda-
ným krystalem může tepelná vlna procházet
rychle a neomezeně, v případě mnoha malých
krystalů jejich styčných plochách zadr-
žována a přenos tepla zhorší.
Pro použití v praxi však důležitá účin-
nost termoelektrického generátoru. Experti v tomto případě hovoří o tzv. celém světě proto odborníci
pracovali vývoji termoelektric-
kých materiálů s vyšší hodnotou
ZT. Zbytek ztrácí jako odpadní
teplo. Větší napětí vzniká u po-
lovodičového materiálu, který i vhodněji
zpracovává. Proto stále větší
důraz kladen lepší využití obnovitelných
energií a na zavedení opatření směřujících ke
snížení spotřeby energie. sou-
časnosti nejrozšířenější výrobní postup spo-
čívá v tom, nanometricky tenké vrstvy
z termoelektricky různě aktivního materiá-
lu kladou sebe. Takový materiál musí mít ved-
le velkého Seebeckova koeficientu
malou tepelnou vodivost (tedy po-
kud možno špatně vést teplo) a sou-
časně velkou elektrickou vodivost
(tedy pokud možno dobře vést elek-
trický proud). Často proto nabí-
zí otázka: Jak možné fosilní zdroje energií
využívat lépe než dosud? Mnoho technických
procesů však využívá z vložené energie sotva
jednu třetinu. mělo v budoucnu změnit. Přesné prognózy jsou obtížné,
ale nyní všeobecně vychází z předpokladu,
že zásoby ropy stačí krýt současnou světovou
potřebu ještě asi let. Styčné plochy, které tím
v materiálu vznikají, brání přenosu tepla, ale
na přenos proudu vliv nemají, což pro do-
sažení velké hodnoty velmi příznivé. Z toho asi 30 % ztrácí pří-
mo v motorovém bloku a dalších 35 %
odchází výfukových plynech. TEG tedy využívají rozdíl
teplot pro přímou přeměnu tepelné energie
na elektrickou. švýcar-
ská obec Uitikon využívá odpadní teplo vý-
početního střediska IBM k ohřevu vody pro
místní kryté lázně) apod. Na
celém světě pracují vědci tom, aby bylo
nevyužité odpadní teplo automobilů, strojů,
elektráren apod. V důsled-
ku toho panují výfukovém potrubí vysoké
teploty přesahující 700 °C, a teplotní roz-
díl mezi výfukovou trubkou a vedením chla-
Ing. Účinnost TEG závi-
sí fyzikálních vlastnostech použitého ter-
moelektrického materiálu, které lze souhrnně
vyjádřit činitelem termoelektrické jakosti [1]. Proto začal nyní světový závod
o to, komu podaří nové termoelektrické
materiály nejdříve a za přijatelnou cenu
zavést velkém měřítku výroby. Pro přímou výrobu elektrického prou-
du chtěli především využít odpadní tep-
lo vznikající v automobilu, kde téměř dvě
třetiny energie pohonné hmoty ztrácejí jako
nevyužité teplo. Jiný
výrobní postup používá místo tenkých vrstev
směs termoelektrických materiálů, které ale
netvoří jeden společný krystal, nýbrž sklá-
dají z mnoha slisovaných nanokrystalů. Z odpadního tepla
je ale také možné přímo vyrábět elektrický
proud. Proto museli odborní-
ci „vyzrát přírodu“ a vhodné materiály na
atomární úrovni modifikovat tak, aby mohla
být při zachování velké elektrické vodivos-
ti uměle snížena jejich schopnost vést teplo,
a přitom byla ponechána možnost používat
je i při vysokých teplotách.
Z fyzikálního hlediska těž-
ko splnitelný požadavek, protože
materiály, které dobře vedou proud,
jsou většinou také dobrými vodiči
tepla, elektrická a tepelná vodivost jsou spo-
lu jisté míry svázány a nelze nezávisle
na sobě optimalizovat. Ale již
od hodnoty 1,5 mají TEG široké hos-
podářské využití, a kdyby podařilo činitel
termoelektrické jakosti zvýšit hodnotu 2,
současný objem trhu TEG mohl zde-
sateronásobit.
T
SG
ZT
K
2
Hodnota závisí Seebeckově koefici-
entu (SK), který specifickou konstantou pro
každý materiál, elektrické vodivosti (G)
a tepelné vodivosti (λ) materiálu a je největ-
ší při teplotě T = 300 K (27 °C).
Využití odpadního tepla v automobilu
Již několik let odborníci Fraunhoferova
ústavu IPM Freiburgu nejenom pracují na
vývoji termoelektrických materiálů nové ge-
nerace, ale navrhují i nové moduly a systémy
TEG k efektivnímu využití zbytkového tep-
la [3]. Při této tep-
lotě činitel termoelektrické jakosti běž-
ných materiálů přibližně což je
příliš málo to, aby využívání
odpadního tepla ekonomicky vypla-
tilo. Vzniklé napětí velmi malé
a pohybuje v řádu několika mikrovoltů
na stupeň Celsia podle použitého materiálu
a teplotního rozdílu. Karel Kabeš
Obr.
Termoelektrické generátory
Funkce termoelektrických generátorů je
založena fyzikálním jevu známém jako
Seebeckův jev, který popisuje vznik elektric-
kého napětí mezi dvěma konci vodiče s roz-
dílnou teplotou. Velké možnosti
v tomto směru přinesla přelomu 20. účelně využíváno, a tím se
snížila spotřeba primární energie
