Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 7/2017 vyšlo
tiskem 28. 6. 2017. V elektronické verzi na webu od 28. 7. 2017. 

Téma: Kabely, vodiče a kabelová technika; Konektory; Software; Značení a štítkování

Hlavní článek
Elektrická izolace a tepelná vodivost

Aktuality

Generační změna ve skupině LAPP S účinností od 1. července 2017 odstoupila Ursula Ida Lapp, spoluzakladatelka skupiny…

Finálové kolo soutěže EBEC přivede do Brna 120 nejlepších inženýrů z celé Evropy Co vše je možné stihnout navrhnout, smontovat a následně odprezentovat během dvou dní? To…

Co si akce „Světlo v praxi“ klade za cíle V České republice se prvním rokem koná akce v oblasti světelné techniky, která chce…

Startuje hlasování veřejnosti o vítězích 9. ročníku ekologické soutěže E.ON Energy Globe V Praze byly 20. 6. 2017 slavnostně představeny nominované projekty 9. ročníku prestižní…

Nejnovější monopost týmu ČVUT eForce FEE Prague Formula se představil na Václavském náměstí Dne 16. června se v dolní části Václavského náměstí prezentoval tým Fakulty…

IQRF Summit 2017 svědkem reálných IoT aplikací Akce zaměřená na reálná řešení v oblasti chytrých měst, budov, domácností, transportu,…

Více aktualit

Význam termoelektrických generátorů rychle roste

Ing. Karel Kabeš
 
Zásoby fosilních zdrojů energií ve světě trvale klesají. Přesné prognózy jsou obtížné, ale nyní se všeobecně vychází z předpokladu, že zásoby ropy stačí krýt současnou světovou potřebu ještě asi 50 let. Proto je stále větší důraz kladen na lepší využití obnovitelných energií a na zavedení opatření směřujících ke snížení spotřeby energie. Často se proto nabí­zí otázka: Jak je možné fosilní zdroje energií využívat lépe než dosud? Mnoho technických procesů však využívá z vložené energie sotva jednu třetinu. Zbytek se ztrácí jako odpadní teplo. To by se mělo v budoucnu změnit. Na celém světě pracují vědci na tom, aby bylo nevyužité odpadní teplo automobilů, strojů, elektráren apod. účelně využíváno, a tím se snížila spotřeba primární energie. V energe­tice se již např. s výhodou využívá odpadní teplo při kogenerační výrobě tepla a elektři­ny, v budovách se začíná stále více využí­vat teplo z ohřátého vzduchu (např. švýcar­ská obec Uitikon využívá odpadní teplo výpočetního střediska IBM k ohřevu vody pro místní kryté lázně) apod. Z odpadního tepla je ale také možné přímo vyrábět elektrický proud. Experti v tomto případě hovoří o tzv. sklízení energie (energy harvesting). Umož­ňují to termoelektrické generátory, zkráceně označované TEG.
 

Termoelektrické generátory

 
Funkce termoelektrických generátorů je založena na fyzikálním jevu známém jako Seebeckův jev, který popisuje vznik elektric­kého napětí mezi dvěma konci vodiče s roz­dílnou teplotou. TEG tedy využívají rozdíl teplot pro přímou přeměnu tepelné energie na elektrickou. Vzniklé napětí je velmi malé a pohybuje se v řádu několika mikrovoltů na stupeň Celsia podle použitého materiálu a teplotního rozdílu. Větší napětí vzniká u po­lovodičového materiálu, který se i vhodněji zpracovává. Zjednodušené uspořádání polo­vodičového TEG složeného pro získání vyš­šího napětí z většího počtu základních článků v sérii je na připojeném obrázku [4].
 
Pro použití v praxi je však důležitá účin­nost termoelektrického generátoru. Ještě před několika lety měly TEG účinnost jen několik procent, takže k získávání většího množství energie nebyly vhodné. Účinnost TEG závi­sí na fyzikálních vlastnostech použitého ter­moelektrického materiálu, které lze souhrnně vyjádřit činitelem termoelektrické jakosti [1].
 
ZT = [(G·SK2)/λ]·T
 
Hodnota ZT závisí na Seebeckově koefici­entu (SK), který je specifickou konstantou pro každý materiál, na elektrické vodivosti (G) a tepelné vodivosti (λ) materiálu a je největ­ší při teplotě T = 300 K (27 °C). Při této tep­lotě je činitel termoelektrické jakosti ZT běž­ných materiálů přibližně 1, což je příliš málo na to, aby se využívání odpadního tepla ekonomicky vypla­tilo. Na celém světě proto odborníci pracovali na vývoji termoelektric­kých materiálů s vyšší hodnotou ZT. Takový materiál musí mít ved­le velkého Seebeckova koeficientu malou tepelnou vodivost (tedy po­kud možno špatně vést teplo) a sou­časně velkou elektrickou vodivost (tedy pokud možno dobře vést elek­trický proud).
 
Z fyzikálního hlediska je to těž­ko splnitelný požadavek, protože materiály, které dobře vedou proud, jsou většinou také dobrými vodiči tepla, elektrická a tepelná vodivost jsou spo­lu do jisté míry svázány a nelze je nezávisle na sobě optimalizovat. Proto museli odborní­ci „vyzrát na přírodu“ a vhodné materiály na atomární úrovni modifikovat tak, aby mohla být při zachování velké elektrické vodivos­ti uměle snížena jejich schopnost vést teplo, a přitom byla ponechána možnost používat je i při vysokých teplotách. Velké možnosti v tomto směru přinesla na přelomu 20. a 21. století nanotechnologie a používání nanokom­pozitních polovodičových materiálů. V sou­časnosti nejrozšířenější výrobní postup spo­čívá v tom, že se nanometricky tenké vrstvy z termoelektricky různě aktivního materiá­lu kladou na sebe. Styčné plochy, které tím v materiálu vznikají, brání přenosu tepla, ale na přenos proudu vliv nemají, což je pro do­sažení velké hodnoty ZT velmi příznivé. Jiný výrobní postup používá místo tenkých vrstev směs termoelektrických materiálů, které ale netvoří jeden společný krystal, nýbrž se sklá­dají z mnoha slisovaných nanokrystalů. Za­tímco velkým, geometricky dobře uspořáda­ným krystalem může tepelná vlna procházet rychle a neomezeně, v případě mnoha malých krystalů je na jejich styčných plochách zadr­žována a přenos tepla se zhorší.
 
Odborníkům Fraunhoferova ústavu pro fyzikální měřicí techniku IPM (Institut für Physikalische Messtechnik) ve Freiburgu se podařilo laboratorně vyrobit termoelektric­ké polovodičové materiály s hodnotou ZT až 3,5 a zvýšit tak účinnost TEG více než tři­krát. Rekordních hodnot z laboratoří ovšem zatím v běžné praxi není dosahováno. Ale již od hodnoty ZT = 1,5 mají TEG široké hos­podářské využití, a kdyby se podařilo činitel termoelektrické jakosti zvýšit na hodnotu 2, současný objem trhu TEG by se mohl až zde­sateronásobit. Proto začal nyní světový závod o to, komu se podaří nové termoelektrické materiály co nejdříve a za přijatelnou cenu zavést ve velkém měřítku do výroby.
 

Využití odpadního tepla v automobilu

 
Již několik let odborníci Fraunhoferova ústavu IPM ve Freiburgu nejenom pracují na vývoji termoelektrických materiálů nové ge­nerace, ale navrhují i nové moduly a systémy TEG k efektivnímu využití zbytkového tep­la [3]. Pro přímou výrobu elektrického prou­du by chtěli především využít odpadní tep­lo vznikající v automobilu, kde se téměř dvě třetiny energie pohonné hmoty ztrácejí jako nevyužité teplo. Z toho se asi 30 % ztrácí pří­mo v motorovém bloku a dalších 30 až 35 % odchází ve výfukových plynech. V důsled­ku toho panují ve výfukovém potrubí vysoké teploty přesahující až 700 °C, a teplotní roz­díl mezi výfukovou trubkou a vedením chladicí kapaliny tak může činit až několik set stupňů Celsia. Takový teplotní rozdíl je vel­mi výhodný pro použití termoelektrického ge­nerátoru. Odborníci ústavu předpokládají, že výhledově by mohl TEG o výkonu asi 1 kW zajistit napájení trvale rostoucího počtu elek­trických spotřebičů ve výbavě moderního au­tomobilu (protiblokovací systém brzd ABS, protiprokluzový systém ASR, inteligentní bezpečnostní program ESP, klimatizace aj.), což by umožnilo snížit spotřebu pohonných hmot o 5 až 7 %.
 
Svoje úvahy pro názornost doplňují jed­noduchým výpočtem. V Německu je v sou­časné době registrováno asi 50 milionů au­tomobilů, které využívají téměř jednu pětinu energie celkem spotřebovávané v zemi. Podle statistických údajů jezdí německá auta v prů­měru asi 200 hodin ročně. Kdyby se podařilo pro napájení palubní elektroniky získat v jed­nom vozidle z odpadního tepla pomocí TEG asi 1 kW elektrické energie, bylo by možné takto za jediný rok ušetřit až 10 TW·h ener­gie. To je pro lepší představu přibližně kapa­cita elektrárny o výkonu 1 000 MW. Proto je o využití energie z odpadního tepla výfuko­vých plynů v automobilovém průmyslu ob­rovský zájem. První prototypy termoelektric­kých generátorů s využitím termoelektrických materiálů nové generace se chystají pracovní­ci Fraunhoferova ústavu IPM představit a vy­zkoušet v provozu příští rok. Na využití TEG se intenzivně pracuje i na dalších pracovištích v Německu i ve světě.
 
Například v Německém středisku pro le­tectví a kosmonautiku DLR jsou v současné době zkoušeny prototypy termoelektrického generátoru pro automobilový průmysl, které používají polovodičový materiál na bázi tel­luridu vizmutitého (Bi2Te3) a jejich elektric­ký výkon je asi 200 W. To sice odpovídá je­nom čtvrtině energetické potřeby dobře vy­bavených automobilů střední třídy, ale je to obstojný začátek. Americký výrobce automo­bilů General Motors již má TEG s elektric­kým výkonem 270 W a vzhledem k rychlému vývoji nových materiálů očekává, že během několika let bude dosaženo hranice 1 000 W. Z evropských automobilek se na použití TEG připravuje firma BMW v rámci svého progra­mu EfficientDynamics [2], který je v podsta­tě souborem opatření ke snižování spotřeby energie a omezování škodlivých emisí bez nepopulárního zhoršení dynamiky jízdy. Ve zkušebním voze BMW řady 5 konstruktéři začlenili prototyp TEG do výfukového sys­tému a umístili ho v podlahové části vozu. Průtočné průřezy výfukového potrubí bylo nutné upravit tak, aby nebyly ovlivněny charakteristiky spalovacího motoru. Koncepčně by měl termoelektrický generátor účelně do­plnit systém rekuperace, kdy se při brždění nebo během jízdy setrvačností akumulátor dobíjí elektrickou energií získanou z pohy­bové energie automobilu.
 
Termoelektrické generátory mají pro pou­žití v automobilu mnoho výhod: nejsou citli­vé na otřesy, jsou bezhlučné a nevadí jim ani velké rozdíly teplot, neprodukují žádné emi­se. Protože TEG neobsahují žádné mecha­nické díly, nepotřebují ani údržbu a mají mi­mořádně dlouhou životnost. To je také hlav­ní důvod, proč se TEG již více než čtyřicet let používají v radioizotopových generáto­rech jako zdroje energie pro kosmické son­dy a satelity při letu v oblastech, kde není sluneční záření.
 
Literatura:
[1] HONSEL, G.: Wettlauf um Strom aus Wärme. Spiegel Online Wissenschaft (3. 2. 2008).
[2] BRISENO, C.: Ernten statt verschwenden. Fraunhofer Magazin, 2008, č. 3, s. 16–17.
[3] BISKUP, P.: Využití odpadního tepla. Automo­bil, 2008, 52, č. 10, s. 72–73.
 

Obr. Polovodičový TEG složený z většího počtu základních článků v sérii (zdroj: Wikipedia.de)