ژنراتورهای ترموئлектریک: اصول، مواد و کاربردها

ژنراتور ترمو-الکتریک (TEG) دستگاهی است که انرژی حرارتی را با استفاده از اثر زبک به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اثر زبک پدیده‌ای است که زمانی رخ می‌دهد که اختلاف دما بین دو هادی مختلف یا مداری از هادی‌ها وجود داشته باشد، که یک اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کند. ژنراتورهای ترمو-الکتریک دستگاه‌های حالت جامد هستند که قطعات متحرک ندارند و می‌توانند به صورت ساکت و قابل اعتماد برای دوره‌های طولانی عمل کنند. ژنراتورهای ترمو-الکتریک می‌توانند برای جمع‌آوری گرمای ضایع از منابع مختلفی مانند فرآیندهای صنعتی، خودروها، نیروگاه‌ها و حتی گرمای بدن انسان استفاده شوند و آن را به برق مفید تبدیل کنند. ژنراتورهای ترمو-الکتریک می‌توانند برای تغذیه دستگاه‌های دورافتاده مانند سنسورها، ارسال‌کننده‌های بی‌سیم و فضاپیماها با استفاده از رادیواکتیوها یا گرمای خورشیدی به عنوان منبع گرمایی استفاده شوند.

ژنراتور ترمو-الکتریک چگونه کار می‌کند؟

ژنراتور ترمو-الکتریک از دو مؤلفه اصلی تشکیل شده است: مواد ترمو-الکتریک و ماژول‌های ترمو-الکتریک.

مواد ترمو-الکتریک موادی هستند که اثر زبک را نشان می‌دهند، به این معنا که آنها زمانی که در معرض گرادیان دما قرار می‌گیرند ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند. مواد ترمو-الکتریک می‌توانند به دو نوع تقسیم‌بندی شوند: نوع n و نوع p. مواد نوع n دارای اکسیژن اضافی هستند، در حالی که مواد نوع p دارای کمبود الکترون هستند. وقتی یک ماده نوع n و یک ماده نوع p با الکترودهای فلزی به صورت سری متصل می‌شوند، یک ترموجفت تشکیل می‌دهند که واحد اساسی ژنراتور ترمو-الکتریک است.

ماژول ترمو-الکتریک دستگاهی است که شامل تعداد زیادی ترموجفت‌های به صورت سری الکتریکی و موازی حرارتی متصل شده است. یک ماژول ترمو-الکتریک دو سمت دارد: سمت گرم و سمت سرد. وقتی سمت گرم به یک منبع گرمایی و سمت سرد به یک گذرگاه گرمایی blooexposed می‌شود، یک اختلاف دما در سراسر ماژول ایجاد می‌شود که باعث جریان جریان در مدار می‌شود. جریان می‌تواند برای تغذیه بار خارجی یا شارژ باتری استفاده شود. ولتاژ و خروجی توان یک ماژول ترمو-الکتریک بستگی به تعداد ترموجفت‌ها، اختلاف دما، ضریب زبک و مقاومت‌های الکتریکی و حرارتی مواد دارد.

کارایی ژنراتور ترمو-الکتریک به صورت نسبت توان خروجی الکتریکی به ورودی گرمایی از منبع تعریف می‌شود. کارایی ژنراتور ترمو-الکتریک با کارایی کارنو محدود می‌شود که بالاترین کارایی ممکن برای هر موتور گرما که بین دو دما عمل می‌کند است. کارایی کارنو به صورت زیر داده می‌شود:

ηCarnot=1−ThTc

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

کارایی واقعی ژنراتور ترمو-الکتریک بسیار کمتر از کارایی کارنو است به دلیل از دست دادن‌های مختلفی مانند گرمای جول، هدایت حرارتی و تابش حرارتی. کارایی واقعی ژنراتور ترمو-الکتریک بستگی به مقدار شایستگی (ZT) مواد ترمو-الکتریک دارد که یک پارامتر بدون بعد است که عملکرد یک ماده برای کاربردهای ترمو-الکتریک را اندازه‌گیری می‌کند. مقدار شایستگی به صورت زیر داده می‌شود:

ZT=κα2σT

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

با افزایش مقدار شایستگی، کارایی ژنراتور ترمو-الکتریک نیز افزایش می‌یابد. مقدار شایستگی به خصوصیات ذاتی (مانند حمل الکترون و فونون) و خصوصیات خارجی (مانند سطح دوپینگ و هندسه) مواد بستگی دارد. هدف تحقیقات مواد ترمو-الکتریک یافتن یا طراحی موادی است که ضریب زبک بالا، هدایت الکتریکی بالا و هدایت حرارتی پایین داشته باشند، که اغلب این نیازمندی‌ها در تضاد هستند.

چه مواد ترمو-الکتریکی معمولی هستند؟

مواد ترمو-الکتریک می‌توانند به سه دسته تقسیم‌بندی شوند: فلزات، نیمه‌رساناها و ترکیبات پیچیده.

فلزات دارای هدایت الکتریکی بالا اما ضریب زبک پایین و هدایت حرارتی بالا هستند، که منجر به مقدار شایستگی پایین می‌شود. فلزات عمدتاً به عنوان الکترودها یا اتصالات در ماژول‌های ترمو-الکتریک استفاده می‌شوند.

نیمه‌رساناها دارای هدایت الکتریکی متوسط و ضریب زبک اما هدایت حرارتی بالا هستند، که منجر به مقدار شایستگی متوسط می‌شود. نیمه‌رساناها می‌توانند دوپ شوند تا مواد نوع n یا نوع p با غلظت‌های مختلف حامل و موبیلتی ایجاد شوند. نیمه‌رساناها به طور گسترده‌ای به عنوان مواد ترمو-الکتریک برای کاربردهای دمای پایین (زیر 200 درجه سانتیگراد) استفاده می‌شوند.

ترکیبات پیچیده دارای هدایت الکتریکی پایین اما ضریب زبک بالا و هدایت حرارتی پایین هستند، که منجر به مقدار شایستگی بالا می‌شود. ترکیبات پیچیده معمولاً از عناصر مختلف با حالت‌های ظرفیتی و ساختارهای بلوری مختلف تشکیل شده‌اند که ساختارهای باند الکترونی پیچیده و مکانیسم‌های پراکندگی فونون را ایجاد می‌کنند که عملکرد ترمو-الکتریک را افزایش می‌دهند. ترکیبات پیچیده به طور گسترده‌ای به عنوان مواد ترمو-الکتریک برای کاربردهای دمای بالا (بالای 200 درجه سانتیگراد) استفاده می‌شوند.

برخی از نمونه‌های معمولی مواد ترمو-الکتریک عبارتند از:

• بیسموت تلورید (Bi2Te3) و آلیاژهای آن: این مواد پرکاربردترین مواد ترمو-الکتریک برای کاربردهای دمای پایین (زیر 200 درجه سانتیگراد)، مانند دستگاه‌های خنک‌کننده و تولید برق از منابع گرمای ضایع هستند. Bi2Te3 ساختار لایه‌ای دارد که از لایه‌های متناوب پنج‌گانه Bi2 و Te3 تشکیل شده است که با نیروهای ضعیف وان در والس به هم متصل شده‌اند. این ساختار باعث کاهش هدایت حرارتی به دلیل پراکندگی فونون در مرزهای لایه می‌شود. Bi2Te3 می‌تواند با عناصر دیگری مانند آنتیموان (Sb)، سلنیم (Se) یا گوگرد (S) آلیاژ شود تا خصوصیات الکتریکی آن تنظیم شود و مقدار شایستگی آن بهینه شود.

• پلومنت تلورید (PbTe) و آلیاژهای آن: این مواد از پرکاربردترین مواد ترمو-الکتریک برای کاربردهای دمای متوسط (200-600 درجه سانتیگراد)، مانند تولید برق از گازهای خروجی خودرو یا گرمای ضایع صنعتی هستند. PbTe ساختار سنگ‌نمکی دارد که از لایه‌های متناوب Pb2+ و Te2- آیون‌هایی که با نیروهای یونی قوی متصل شده‌اند تشکیل شده است. این ساختار باعث ایجاد ضریب زبک بالا به دلیل اتم‌های سنگین Pb که تحرک باند بالا در نزدیکی سطح فرمی ایجاد می‌کنند می‌شود. PbTe می‌تواند با عناصر دیگری مانند تن (Sn)، تالیوم (Tl) یا سدیم (Na) آلیاژ شود تا مقدار شایستگی آن افزایش یابد.

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

           
   

• اسکاترودیت‌ها ساختار مکعبی دارند که از شبکه‌ای سه‌بعدی از واحدهای M4X12 با فضاهای بزرگی که می‌توانند اتم‌های مهم (مانند عناصر خاکی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی خیلی......