থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটর: নীতি, উপকরণ এবং প্রয়োগ

থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটর (TEG) হল এমন একটি ডিভাইস যা সি-বেক প্রভাব ব্যবহার করে তাপশক্তিকে বৈদ্যুতিক শক্তিতে রূপান্তর করে। সি-বেক প্রভাব হল এমন একটি ঘটনা যা দুটি ভিন্ন পরিবাহী বা পরিবাহী সারির মধ্যে তাপমাত্রা পার্থক্য থাকলে ঘটে, যা একটি বৈদ্যুতিক বিভব পার্থক্য তৈরি করে। TEG গুলো কোনো চলমান অংশ ছাড়াই সলিড-স্টেট ডিভাইস যা দীর্ঘ সময় ধরে নির্বাপিত ও নির্ভরযোগ্যভাবে কাজ করতে পারে। TEG গুলো বিভিন্ন উৎস থেকে অপচয়িত তাপশক্তি আহরণ করতে ব্যবহার করা যায়, যেমন শিল্প প্রক্রিয়া, গাড়ি, বিদ্যুৎ উৎপাদন কেন্দ্র, এমনকি মানুষের শরীরের তাপও ব্যবহার করা যায় এবং এগুলোকে ব্যবহারিক বৈদ্যুতিক শক্তিতে রূপান্তর করা যায়। TEG গুলো রেডিওআইসোটোপ বা সৌর তাপ ব্যবহার করে দূরবর্তী ডিভাইস, যেমন সেন্সর, ওয়্যারলেস ট্রান্সমিটার এবং মহাকাশযান পাওয়ার দেওয়ার জন্যও ব্যবহার করা যায়।

থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটর কিভাবে কাজ করে?

একটি থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটর দুটি প্রধান উপাদান নিয়ে গঠিত: থার্মোইলেকট্রিক পদার্থ এবং থার্মোইলেকট্রিক মডিউল।

থার্মোইলেকট্রিক পদার্থ হল এমন পদার্থ যা সি-বেক প্রভাব প্রদর্শন করে, অর্থাৎ তারা একটি তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্টের সাথে বৈদ্যুতিক ভোল্টেজ উৎপন্ন করে। থার্মোইলেকট্রিক পদার্থ দুটি ধরনের হতে পারে: n-ধরন এবং p-ধরন। n-ধরনের পদার্থে ইলেকট্রনের অতিরিক্ত থাকে, অন্যদিকে p-ধরনের পদার্থে ইলেকট্রনের অভাব থাকে। যখন একটি n-ধরনের পদার্থ এবং একটি p-ধরনের পদার্থ ধাতু ইলেকট্রোড দ্বারা সিরিজে সংযুক্ত হয়, তখন তারা একটি থার্মোকাপল গঠন করে, যা থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটরের মৌলিক একক।

একটি থার্মোইলেকট্রিক মডিউল হল এমন একটি ডিভাইস যা বহু থার্মোকাপল বৈদ্যুতিকভাবে সিরিজে এবং তাপমাত্রায় সমান্তরালে সংযুক্ত থাকে। একটি থার্মোইলেকট্রিক মডিউলে দুটি পাশ থাকে: একটি গরম পাশ এবং একটি ঠাণ্ডা পাশ। যখন গরম পাশটি একটি তাপ উৎসের সাথে সংযুক্ত হয় এবং ঠাণ্ডা পাশটি একটি তাপ সিঙ্কের সাথে সংযুক্ত হয়, তখন মডিউলের মধ্যে একটি তাপমাত্রা পার্থক্য তৈরি হয়, যা বর্তনীতে একটি বিদ্যুৎ প্রবাহ তৈরি করে। এই প্রবাহ বহিরাগত লোড পাওয়ার দেওয়ার বা ব্যাটারি চার্জ করার জন্য ব্যবহার করা যায়। থার্মোইলেকট্রিক মডিউলের ভোল্টেজ এবং পাওয়ার আউটপুট থার্মোকাপলের সংখ্যা, তাপমাত্রা পার্থক্য, সি-বেক সহগ, এবং পদার্থের বৈদ্যুতিক ও তাপীয় রেজিস্টেন্সের উপর নির্ভর করে।

একটি থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটরের দক্ষতা হল তাপ উৎস থেকে তাপশক্তি ইনপুটের সাথে তৈরি বৈদ্যুতিক পাওয়ার আউটপুটের অনুপাত। থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটরের দক্ষতা কার্নট দক্ষতা দ্বারা সীমাবদ্ধ, যা যেকোনো তাপ ইঞ্জিনের জন্য দুটি তাপমাত্রার মধ্যে কাজ করার জন্য সম্ভাব্য সর্বোচ্চ দক্ষতা। কার্নট দক্ষতা নিম্নরূপ দেওয়া হয়:

ηCarnot=1−ThTc

যেখানে Tc হল ঠাণ্ডা পাশের তাপমাত্রা, এবং Th হল গরম পাশের তাপমাত্রা।

জুল তাপ, তাপ পরিবহন, এবং তাপ রেডিয়েশন জেনারেটরের বিভিন্ন লোস থাকার কারণে থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটরের প্রকৃত দক্ষতা কার্নট দক্ষতার চেয়ে অনেক কম। থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটরের প্রকৃত দক্ষতা থার্মোইলেকট্রিক পদার্থের ফিগার অফ মেরিট (ZT) এর উপর নির্ভর করে, যা একটি মাত্রাহীন প্যারামিটার যা থার্মোইলেকট্রিক অ্যাপ্লিকেশনের জন্য একটি পদার্থের পারফরমেন্স মাপে। ফিগার অফ মেরিট নিম্নরূপ দেওয়া হয়:

ZT=κα2σT

যেখানে α হল সি-বেক সহগ, σ হল বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা, κ হল তাপীয় পরিবাহিতা, এবং T হল পরম তাপমাত্রা।

ফিগার অফ মেরিট যত বেশি, থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটরের দক্ষতা তত বেশি। ফিগার অফ মেরিট পদার্থের অভ্যন্তরীণ বৈশিষ্ট্য (যেমন ইলেকট্রন এবং ফোনন পরিবহন) এবং বাহ্যিক বৈশিষ্ট্য (যেমন ডোপিং স্তর এবং জ্যামিতি) উভয়ের উপর নির্ভর করে। থার্মোইলেকট্রিক পদার্থ গবেষণার লক্ষ্য হল উচ্চ সি-বেক সহগ, উচ্চ বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা, এবং কম তাপীয় পরিবাহিতা সম্পন্ন পদার্থ খুঁজে বা ডিজাইন করা, যা প্রায়শই বিরোধী দাবি হিসাবে বিবেচিত হয়।

কিছু সাধারণ থার্মোইলেকট্রিক পদার্থ কী কী?

থার্মোইলেকট্রিক পদার্থ তিনটি বিভাগে শ্রেণীবদ্ধ করা যায়: ধাতু, অর্ধপরিবাহী, এবং জটিল যৌগ।

ধাতু উচ্চ বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা রাখে কিন্তু সি-বেক সহগ কম এবং তাপীয় পরিবাহিতা বেশি, যা ফিগার অফ মেরিট কম করে। ধাতু প্রধানত থার্মোইলেকট্রিক মডিউলে ইলেকট্রোড বা ইন্টারকনেক্ট হিসাবে ব্যবহৃত হয়।

অর্ধপরিবাহী মাঝারি বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা এবং সি-বেক সহগ রাখে কিন্তু তাপীয় পরিবাহিতা বেশি, যা ফিগার অফ মেরিট মাঝারি করে। অর্ধপরিবাহী কে n-ধরন বা p-ধরনের পদার্থ হিসাবে ডোপিং করা যায় যাতে ভিন্ন ক্যারিয়ার ঘনত্ব এবং গতিশীলতা থাকে। অর্ধপরিবাহী প্রধানত থার্মোইলেকট্রিক পদার্থ হিসাবে কম তাপমাত্রার (200°C এর নিচে) অ্যাপ্লিকেশনে ব্যবহৃত হয়।

জটিল যৌগ কম বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা রাখে কিন্তু উচ্চ সি-বেক সহগ এবং কম তাপীয় পরিবাহিতা, যা ফিগার অফ মেরিট উচ্চ করে। জটিল যৌগ সাধারণত বিভিন্ন ভ্যালেন্স অবস্থা এবং ক্রিস্টাল স্ট্রাকচার সম্পন্ন বিভিন্ন উপাদান দ্বারা গঠিত, যা জটিল ইলেকট্রনিক ব্যান্ড স্ট্রাকচার এবং ফোনন স্ক্যাটারিং মেকানিজম তৈরি করে যা থার্মোইলেকট্রিক পারফরমেন্স উন্নয়ন করে। জটিল যৌগ প্রধানত উচ্চ তাপমাত্রার (200°C এর উপর) অ্যাপ্লিকেশনে থার্মোইলেকট্রিক পদার্থ হিসাবে ব্যবহৃত হয়।