Trong vật lý, chúng ta biết rằng năng lượng không thể tự sinh ra hay mất đi mà nó chỉ có thể thay đổi dạng. Đây là định luật bảo toàn năng lượng, thúc đẩy các kỹ sư tìm cách chuyển hóa năng lượng thành những dạng hữu ích hơn.
Sản xuất nhiệt điện là một ví dụ điển hình, có thể chuyển đổi trực tiếp nhiệt thành năng lượng điện. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi Thomas Seebeck và ngày nay được gọi là hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng này đã được áp dụng cho các thiết bị gọi là máy phát nhiệt điện (TEG). Phải đến thế kỷ 20, những thiết bị thể rắn này mới đạt được tiến bộ đáng kể trong ứng dụng thực tế, với những phiên bản thương mại đầu tiên xuất hiện vào những năm 1960. Kể từ đó, TEG đã bước vào nhiều loại lĩnh vực ứng dụng khác nhau.
Kiến thức cơ bản về module TEG
Nguyên lý làm việc của module máy phát nhiệt điện (thường gọi là TEG) là chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ thành điện áp và ngược lại. Đặc tính này được gọi là hiệu ứng nhiệt điện, bao gồm ba phần liên quan: 1) Hiệu ứng Seebeck, tạo ra điện thông qua gradient nhiệt độ; 2) Hiệu ứng Peltier đề cập đến sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt khi dòng điện chạy qua hai vật liệu khác nhau; 3) Hiệu ứng Thomson đề cập đến việc tạo ra hoặc hấp thụ nhiệt dựa trên hướng của dòng điện.
Một điểm nhầm lẫn phổ biến trong công nghệ nhiệt điện là sự khác biệt giữa máy phát nhiệt điện (TEG) và bộ làm mát nhiệt điện (TEC). TEG sử dụng hiệu ứng Seebeck để tạo ra điện thông qua nhiệt, trong khi TEC sử dụng hiệu ứng Peltier để làm mát hoặc duy trì nhiệt độ ổn định. Cả hai hiệu ứng này đều dựa trên các vật liệu bán dẫn tương tự nhưng có thiết kế khác nhau: TEG có thể đạt được sự chênh lệch nhiệt độ cao và công suất đầu ra hiệu quả, trong khi TEC sử dụng các vật liệu như gốm sứ và đồng để tối ưu hóa khả năng dẫn nhiệt.
Trên thực tế, nếu mục tiêu là tạo ra điện bằng năng lượng nhiệt thì mô-đun TEG là lựa chọn phù hợp. Các mô-đun TEC hoặc Peltier hiệu quả hơn trong việc làm mát hoặc ổn định nhiệt độ. Same Sky cung cấp cả mô-đun TEG và mô-đun Peltier, giúp việc lựa chọn thiết bị phù hợp theo nhu cầu thiết kế trở nên dễ dàng hơn.
Trong các máy phát nhiệt điện hiện đại (TEG), năng lượng điện được tạo ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt nóng và lạnh. Bên trong mô-đun, nhiều cặp chất bán dẫn loại n và loại p (thường được làm bằng bismuth Telluride) được đặt giữa hai tấm (Hình 1). Ở vật liệu loại n, các electron di chuyển từ phía nóng sang phía lạnh, trong khi ở vật liệu loại p, chuyển động được gây ra bởi sự di chuyển của các lỗ trống (tức là chỗ trống của electron) theo cùng một hướng. Hai dòng này cùng tạo ra điện áp và chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì điện áp đầu ra càng cao.
TEG đặc biệt có giá trị trong các tình huống có thể xảy ra lãng phí nhiệt, chẳng hạn như trong sản xuất công nghiệp, vì nó giúp phục hồi năng lượng đã mất. TEG cũng có thể hoạt động trong môi trường từ xa hoặc khắc nghiệt. Ví dụ, khi không có đủ ánh sáng mặt trời, nhiệt sinh ra do phân rã phóng xạ sẽ được chuyển thành năng lượng điện để cung cấp năng lượng cho các tàu thăm dò không gian.
Cấu trúc chung của module TEG
Hình 1: Cấu trúc chung của module TEG. (Nguồn ảnh: Same Sky)
Ưu điểm và nhược điểm của TEG
Ưu điểm chính của mô-đun phát điện bán dẫn nhiệt điện (TEG) là khả năng chuyển đổi nhiệt thải thành năng lượng điện có thể sử dụng được, giúp thu giữ năng lượng nếu không sẽ bị thất thoát. Vì vậy, các module TEG không chỉ mang tính thiết thực mà còn thân thiện với môi trường.
Vì TEG là một thiết bị thể rắn nên không có bộ phận chuyển động, điều đó có nghĩa là mô-đun này không có tiếng ồn nghe được, chắc chắn và bền bỉ và hầu như không cần bảo trì. Mô-đun này có vẻ ngoài nhỏ gọn, có thể lắp đặt trong không gian nhỏ và cung cấp nhiều điện áp và dòng điện mà không cần dựa vào lưới điện truyền thống để cung cấp nguồn điện đáng tin cậy. Điều này làm cho TEG trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị từ xa hoặc hệ thống pin thay thế.
Mặc dù máy phát nhiệt điện (TEG) cung cấp nguồn điện đáng tin cậy nhưng chúng cũng có những hạn chế về thiết kế. Hiệu suất của máy phát điện này phần lớn phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ mạnh, điều này hạn chế việc sử dụng chúng trong một số ứng dụng nhất định có độ dốc nhiệt. Ngoài ra, hiệu suất chuyển đổi của TEG thường thấp, thường khoảng 10%, không cao so với nhiều công nghệ sản xuất năng lượng khác.
Tiêu chí lựa chọn chính cho TEG
Khi tích hợp các mô-đun máy phát nhiệt điện (TEG) vào hệ thống, phải xem xét các thông số kỹ thuật chính ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của chúng. Yếu tố quan trọng nhất trong hoạt động của máy phát điện là chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt nóng và lạnh (thường được gọi là Δ T). Mặc dù điều này sẽ ảnh hưởng đến việc phát điện của TEG nhưng bảng dữ liệu không phải lúc nào cũng hiển thị theo cách này. Ngược lại, nhà sản xuất thường liệt kê Tmax là nhiệt độ vận hành an toàn cao nhất, giúp xác định các điều kiện khắc nghiệt nhưng có thể không hẳn là điều kiện vận hành tối ưu.
Các thông số kỹ thuật hữu ích khác bao gồm điện áp mạch hở, điện áp tải phù hợp, dòng điện, điện trở và công suất. Thông qua các giá trị này, có thể hiểu được hiệu suất của máy phát nhiệt điện dưới tải nhiệt và điện thực tế. Trong các bảng dữ liệu (chẳng hạn như bảng dữ liệu của Same Sky), thông tin này thường được hiển thị dưới dạng bảng (Hình 2) và biểu đồ hiệu suất (Hình 3) để giúp việc thiết kế cấp hệ thống dễ dàng hơn.