ژنراتورهای ترمو الکتریک: اصول، مواد و کاربردها

ژنراتور ترموئیلکتریک (TEG) دستگاهی است که انرژی حرارتی را با استفاده از اثر زیبک به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اثر زیبک پدیده‌ای است که هنگامی رخ می‌دهد که اختلاف دما بین دو ماده هادی یا مداری از هادی‌ها وجود داشته باشد، که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌شود. TEG‌ها دستگاه‌های جامد هستند که قطعات متحرک ندارند و می‌توانند به صورت خاموش و قابل اعتماد برای دوره‌های طولانی عمل کنند. TEG‌ها می‌توانند برای جمع‌آوری گرماهای فرسوده از منابع مختلف مانند فرایندهای صنعتی، خودروها، نیروگاه‌ها و حتی گرماهای بدن انسان استفاده شوند و آن‌ها را به برق مفید تبدیل کنند. TEG‌ها همچنین می‌توانند برای تأمین انرژی دستگاه‌های دورافتاده مانند سنسورها، ارسال‌کننده‌های بی‌سیم و فضاپیماها با استفاده از رادیواکتیوهای یا گرماهای خورشیدی به عنوان منبع گرما استفاده شوند.

ژنراتور ترموئیلکتریک چگونه کار می‌کند؟

ژنراتور ترموئیلکتریک شامل دو مؤلفه اصلی است: مواد ترموئیلکتریک و ماژول‌های ترموئیلکتریک.

مواد ترموئیلکتریک موادی هستند که اثر زیبک را نشان می‌دهند، به این معنا که هنگامی که تحت گرادیان دما قرار می‌گیرند ولتاژی تولید می‌کنند. مواد ترموئیلکتریک می‌توانند به دو نوع تقسیم‌بندی شوند: n-نوع و p-نوع. مواد n-نوع دارای اکسیژن اضافی هستند، در حالی که مواد p-نوع دارای کمبود اکسیژن هستند. وقتی که یک ماده n-نوع و یک ماده p-نوع با الکترودهای فلزی به صورت سری متصل می‌شوند، یک ترموجفت تشکیل می‌دهند که واحد اساسی ژنراتور ترموئیلکتریک است.

ماژول ترموئیلکتریک دستگاهی است که شامل تعداد زیادی ترموجفت‌های به صورت سری و حرارتی به صورت موازی متصل شده‌اند. ماژول ترموئیلکتریک دو سمت دارد: سمت گرم و سمت سرد. وقتی سمت گرم به یک منبع گرما و سمت سرد به یک منبع گرما متصل می‌شود، یک اختلاف دما در سراسر ماژول ایجاد می‌شود که باعث جریان الکتریکی در مدار می‌شود. جریان می‌تواند برای تأمین بار خارجی یا شارژ باتری استفاده شود. ولتاژ و خروجی قدرت ماژول ترموئیلکتریک به تعداد ترموجفت‌ها، اختلاف دما، ضریب زیبک و مقاومت‌های الکتریکی و حرارتی مواد بستگی دارد.

کارایی ژنراتور ترموئیلکتریک به نسبت خروجی قدرت الکتریکی به ورودی گرما از منبع تعریف می‌شود. کارایی ژنراتور ترموئیلکتریک توسط کارایی کارنو محدود می‌شود، که بالاترین کارایی ممکن برای هر گونه موتور حرارتی که بین دو دمای عمل می‌کند است. کارایی کارنو به صورت زیر تعیین می‌شود:

ηCarnot=1−ThTc

که در آن Tc دمای سمت سرد و Th دمای سمت گرم است.

کارایی واقعی ژنراتور ترموئیلکتریک به دلیل تلفات مختلفی مانند گرمای جول، هدایت حرارتی و تشعشع حرارتی بسیار کمتر از کارایی کارنو است. کارایی واقعی ژنراتور ترموئیلکتریک به عامل برتری (ZT) مواد ترموئیلکتریک بستگی دارد، که یک پارامتر بدون بعد است که عملکرد یک ماده برای کاربردهای ترموئیلکتریک را اندازه‌گیری می‌کند. عامل برتری به صورت زیر تعیین می‌شود:

ZT=κα2σT

که در آن α ضریب زیبک، σ هدایت الکتریکی، κ هدایت حرارتی و T دمای مطلق است.

همچنین عامل برتری بالاتر، کارایی ژنراتور ترموئیلکتریک بالاتر است. عامل برتری به خصوصیات ذاتی (مانند حمل الکترون و فونون) و خصوصیات خارجی (مانند سطح دوپینگ و هندسه) مواد بستگی دارد. هدف تحقیقات مواد ترموئیلکتریک یافتن یا طراحی موادی است که دارای ضریب زیبک بالا، هدایت الکتریکی بالا و هدایت حرارتی پایین باشند، که اغلب این نیازها با یکدیگر تضاد دارند.

چه مواد ترموئیلکتریکی معمولی هستند؟

مواد ترموئیلکتریک می‌توانند به سه دسته تقسیم‌بندی شوند: فلزات، نیمه‌هادی‌ها و ترکیبات پیچیده.

فلزات دارای هدایت الکتریکی بالا اما ضریب زیبک پایین و هدایت حرارتی بالا هستند، که باعث عامل برتری پایین می‌شود. فلزات عمدتاً به عنوان الکترودها یا اتصال‌های درون ماژول‌های ترموئیلکتریک استفاده می‌شوند.

نیمه‌هادی‌ها دارای هدایت الکتریکی متوسط و ضریب زیبک متوسط اما هدایت حرارتی بالا هستند، که باعث عامل برتری متوسط می‌شود. نیمه‌هادی‌ها می‌توانند دوپینگ شوند تا مواد n-نوع یا p-نوع با غلظت‌های مختلف حامل و موبیلیت‌های مختلف ایجاد شوند. نیمه‌هادی‌ها به طور گسترده‌ای به عنوان مواد ترموئیلکتریک برای کاربردهای دمای پایین (زیر ۲۰۰ درجه سانتیگراد) استفاده می‌شوند.

ترکیبات پیچیده دارای هدایت الکتریکی پایین اما ضریب زیبک بالا و هدایت حرارتی پایین هستند، که باعث عامل برتری بالا می‌شود. ترکیبات پیچیده معمولاً از چند عنصر با وضعیت‌های ظرفیتی مختلف و ساختارهای بلوری مختلف تشکیل شده‌اند که ساختارهای باند الکترونی پیچیده و مکانیسم‌های پراکندگی فونونی ایجاد می‌کنند که عملکرد ترموئیلکتریک را بهبود می‌بخشند. ترکیبات پیچیده به طور گسترده‌ای به عنوان مواد ترموئیلکتریک برای کاربردهای دمای بالا (بالای ۲۰۰ درجه سانتیگراد) استفاده می‌شوند.

برخی از نمونه‌های رایج مواد ترموئیلکتریک عبارتند از:

• تلورید بیسموت (Bi2Te3) و آلیاژهای آن: این مواد محبوب‌ترین مواد ترموئیلکتریک برای کاربردهای دمای پایین (زیر ۲۰۰ درجه سانتیگراد)، مانند دستگاه‌های خنک‌کننده و تولید برق از گرماهای فرسوده هستند. Bi2Te3 دارای یک ساختار لایه‌ای است که شامل لایه‌های متناوب quintuple از Bi2 و Te3 است که با نیروهای وان در والس ضعیف به هم متصل شده‌اند. این ساختار باعث کاهش هدایت حرارتی به دلیل پراکندگی فونون‌ها در مرزهای لایه می‌شود. Bi2Te3 می‌تواند با عناصر دیگری مانند آنتیموان (Sb)، سلنیوم (Se) یا گوگرد (S) آلیاژ شود تا خصوصیات الکتریکی آن تنظیم شود و عامل برتری آن بهینه شود.

• تلورید پلومنت (PbTe) و آلیاژهای آن: این مواد از محبوب‌ترین مواد ترموئیلکتریک برای کاربردهای دمای متوسط (۲۰۰-۶۰۰ درجه سانتیگراد)، مانند تولید برق از گرماهای فرسوده خروجی خودرو یا فرایندهای صنعتی هستند. PbTe دارای یک ساختار سنگ‌نمکی است که شامل لایه‌های متناوب Pb2+ و Te2- است که با نیروهای یونی قوی به هم متصل شده‌اند. این ساختار باعث ایجاد ضریب زیبک بالا به دلیل اتم‌های سنگین Pb است که تغییرات بزرگ در ناحیه فرمی ایجاد می‌کنند. PbTe می‌تواند با عناصر دیگری مانند قلع (Sn)، تالیوم (Tl) یا سدیم (Na) آلیاژ شود تا عامل برتری آن افزایش یابد.

• اسکاتره‌ها: این مواد پیچیده با فرمول عمومی MX3 هستند، که M یک فلز انتقالی (مانند کبالت، Co) و X یک پنیکتون (مانند آنتیموان، Sb) است.

           
   

• اسکاتره‌ها دارای یک ساختار مکعبی هستند که شامل یک شبکه سه‌بعدی از واحد‌های M4X12 با فراغ‌های بزرگ است که می‌تواند اتم‌های مهم (مانند عناصر نادرزمینی، RE) را در خود جای دهد. اتم‌های مهم به عنوان پراکنده‌های فونون عمل می‌کنند که هدایت حرارتی را کاهش می‌دهند، در حالی که اتم‌های میزبان هدایت الکتریکی و ضریب زیبک بالا را فراهم می‌کنند. اسکاتره‌ها مواد ترموئیلکتریک وعده‌دار برای کاربردهای دمای متوسط تا بالا (۳۰۰-۸۰۰ درجه سانتیگراد)، مانند تولید برق از بازیابی گرماهای فرسوده یا انرژی خورشیدی متمرکز هستند.

• ترکیبات Half-Heusler: این مواد ترکیبی با فرمول عمومی XYZ هستند، که X یک فلز انتقالی (مانند تیتانیوم، Ti)، Y یک فلز انتقالی دیگر (مانند نیکل، Ni) و Z یک عنصر اصلی (مانند قلع، Sn) است.

           
   

• ترکیبات Half-Heusler دارای یک ساختار مکعبی هستند که شامل چهار شبکه fcc متقاطع است، یکی اشغال شده توسط اتم‌های X و سه تا دیگر اشغال شده توسط اتم‌های Y و Z با نسبت ۱:۲ است. ترکیبات Half-Heusler دارای ضریب زیبک و هدایت الکتریکی بالا به دلیل ساختارهای باند الکترونی پیچیده و هدایت حرارتی پایین به دلیل اتم‌های سنگین تشکیل‌دهنده آن هستند. ترکیبات Half-Heusler مواد ترموئیلکتریک وعده‌دار برای کاربردهای دمای بالا (بالای ۸۰۰ درجه سانتیگراد)، مانند تولید برق از رآکتورهای هسته‌ای یا موتورهای هوافضا هستند.

انعام