مولدات الكهرباء الحرارية: المبادئ، المواد والتطبيقات

مولد الطاقة الحرارية الكهربائية (TEG) هو جهاز يقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية باستخدام تأثير سيبيك. تأثير سيبيك هو ظاهرة تحدث عندما يوجد فرق في درجة الحرارة بين موصليين مختلفين أو دائرة من الموصلات، مما يخلق فرقًا في الجهد الكهربائي. المولدات الحرارية الكهربائية هي أجهزة ذات حالة صلبة لا تحتوي على أجزاء متحركة ويمكنها العمل بصمت وموثوقية لفترات طويلة. يمكن استخدام المولدات الحرارية الكهربائية لجمع الحرارة المهدرة من مصادر مختلفة مثل العمليات الصناعية والسيارات ومصانع الكهرباء وحتى حرارة الجسم البشري، وتحويلها إلى كهرباء مفيدة. يمكن أيضًا استخدام المولدات الحرارية الكهربائية لتزويد الأجهزة البعيدة بالطاقة، مثل المستشعرات والمعدات اللاسلكية وأجهزة الفضاء، باستخدام الإشعاعات المشعة أو الحرارة الشمسية كمصدر للحرارة.

كيف يعمل مولد الطاقة الحرارية الكهربائية؟

يتكون مولد الطاقة الحرارية الكهربائية من مكونين رئيسيين: المواد الحرارية الكهربائية والوحدات الحرارية الكهربائية.

المواد الحرارية الكهربائية هي مواد تظهر تأثير سيبيك، مما يعني أنها تولد جهدًا كهربائيًا عند تعرضها لمدرج حراري. يمكن تصنيف المواد الحرارية الكهربائية إلى نوعين: النوع N والنوع P. المواد من النوع N لديها فائض من الإلكترونات، بينما المواد من النوع P لديها نقص في الإلكترونات. عندما يتم توصيل مادة من النوع N بمادة من النوع P متسلسلًا بواسطة أقطاب معدنية، تشكل ثنائية حرارية، وهي الوحدة الأساسية لمولد الطاقة الحرارية الكهربائية.

الوحدة الحرارية الكهربائية هي جهاز يحتوي على العديد من الثنائيات الحرارية المتصلة كهربائيًا بشكل متسلسل وحراريًا بشكل متوازي. تحتوي الوحدة الحرارية الكهربائية على جانبين: الجانب الساخن والجانب البارد. عندما يتعرض الجانب الساخن لمصدر حرارة ويتم تعريض الجانب البارد لمبرد حراري، يتم إنشاء فرق في درجة الحرارة عبر الوحدة، مما يؤدي إلى تدفق تيار كهربائي عبر الدائرة. يمكن استخدام التيار لتزويد حمل خارجي بشحن أو شحن بطارية. يعتمد الجهد والقوة الناتجة عن الوحدة الحرارية الكهربائية على عدد الثنائيات الحرارية وفرق درجات الحرارة ومعامل سيبيك والمقاومة الكهربائية والحرارية للمواد.

تُعرَّف كفاءة مولد الطاقة الحرارية الكهربائية كنسبة القوة الكهربائية الناتجة إلى الحرارة الواردة من المصدر. تكون كفاءة مولد الطاقة الحرارية الكهربائية محدودة بكفاءة كارنو، وهي الكفاءة القصوى الممكنة لأي محرك حراري يعمل بين درجتين حراريتين. تعطى كفاءة كارنو بالمعادلة:

ηCarnot=1−ThTc

حيث Tc هي درجة حرارة الجانب البارد، وTh هي درجة حرارة الجانب الساخن.

تكون كفاءة مولد الطاقة الحرارية الكهربائية الحقيقية أقل بكثير من كفاءة كارنو بسبب الخسائر المختلفة مثل تسخين جول و dẫn الحرارة والإشعاع الحراري. تعتمد كفاءة مولد الطاقة الحرارية الكهربائية الحقيقية على معامل الجدارة (ZT) للمواد الحرارية الكهربائية، وهو معلمة بلا بعد قياس أداء المادة لتطبيقات حرارية كهربائية. تعطى معامل الجدارة بالمعادلة:

ZT=κα2σT

حيث α هو معامل سيبيك، σ هو التوصيل الكهربائي، κ هو التوصيل الحراري، وT هي درجة الحرارة المطلقة.

كلما كان معامل الجدارة أعلى، كانت كفاءة مولد الطاقة الحرارية الكهربائية أعلى. يعتمد معامل الجدارة على خصائص داخلية (مثل نقل الإلكترونات والفونونات) وخصائص خارجية (مثل مستوى التسبيب والهندسة) للمواد. الهدف من بحوث المواد الحرارية الكهربائية هو العثور على تصميم مواد لها معامل سيبيك عالي وتوصيل كهربائي عالي وتوصيل حراري منخفض، والتي غالبًا ما تكون متضاربة.

ما هي بعض المواد الحرارية الكهربائية الشائعة؟

يمكن تقسيم المواد الحرارية الكهربائية إلى ثلاث فئات: الفلزات والأشberapa