थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर: सिद्धांत, सामग्री और अनुप्रयोग

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (TEG) एक उपकरण है जो सीबेक प्रभाव का उपयोग करके ऊष्मा ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। सीबेक प्रभाव एक घटना है जो तब होती है जब दो अलग-अलग चालकों या चालकों के सर्किट में तापमान का अंतर होता है, जिससे विद्युत संभावित अंतर पैदा होता है। TEGs ठोस-राज्य उपकरण हैं जिनमें कोई गतिशील भाग नहीं होता है और ये लंबे समय तक शांत रूप से और विश्वसनीय रूप से काम कर सकते हैं। TEGs का उपयोग विभिन्न स्रोतों से अपशिष्ट ऊष्मा को उठाने के लिए किया जा सकता है, जैसे औद्योगिक प्रक्रियाएँ, ऑटोमोबाइल, विद्युत संयंत्र, और यहाँ तक कि मानव शरीर की ऊष्मा, और इसे उपयोगी विद्युत में परिवर्तित कर सकते हैं। TEGs का उपयोग रिमोट उपकरणों, जैसे सेंसर, वायरलेस ट्रांसमिटर, और अंतरिक्ष यान, को शक्ति प्रदान करने के लिए भी किया जा सकता है, जिसमें रेडियोआइसोटोप या सौर ऊष्मा का उपयोग ऊष्मा स्रोत के रूप में किया जाता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर कैसे काम करता है?

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर में दो मुख्य घटक होते हैं: थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री और थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल।

थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री वे सामग्री हैं जो सीबेक प्रभाव को प्रदर्शित करती हैं, जिसका अर्थ है कि वे तापमान ग्रेडिएंट के तहत विद्युत वोल्टेज उत्पन्न करती हैं। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री दो प्रकार की होती हैं: n-प्रकार और p-प्रकार। n-प्रकार की सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होती है, जबकि p-प्रकार की सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की कमी होती है। जब एक n-प्रकार की सामग्री और एक p-प्रकार की सामग्री को धातु इलेक्ट्रोड्स द्वारा श्रृंखला में जोड़ा जाता है, तो वे एक थर्मोकपल बनाते हैं, जो थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की मूल इकाई है।

थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल एक उपकरण है जिसमें कई थर्मोकपल विद्युत रूप से श्रृंखला में और तापीय रूप से समानांतर में जुड़े होते हैं। एक थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल में दो तरफ होती हैं: एक गर्म तरफ और एक ठंडी तरफ। जब गर्म तरफ को एक ऊष्मा स्रोत से और ठंडी तरफ को एक ऊष्मा सिंक से खोला जाता है, तो मॉड्यूल के पार तापमान का अंतर पैदा होता है, जिससे सर्किट में धारा बहने लगती है। धारा का उपयोग बाहरी लोड को शक्ति प्रदान करने या बैटरी को चार्ज करने के लिए किया जा सकता है। थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल का वोल्टेज और शक्ति आउटपुट थर्मोकपलों की संख्या, तापमान का अंतर, सीबेक गुणांक, और सामग्री की विद्युत और तापीय प्रतिरोध पर निर्भर करता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की दक्षता को स्रोत से आने वाली ऊष्मा इनपुट के सापेक्ष विद्युत शक्ति आउटपुट के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की दक्षता कार्नोट दक्षता द्वारा सीमित है, जो किसी भी दो तापमानों के बीच संचालित होने वाले किसी भी ऊष्मा इंजन के लिए संभव अधिकतम दक्षता है। कार्नोट दक्षता इस प्रकार दी जाती है:

ηCarnot=1−ThTc

जहाँ Tc ठंडी तरफ का तापमान है, और Th गर्म तरफ का तापमान है।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की वास्तविक दक्षता कार्नोट दक्षता से कहीं कम होती है क्योंकि विभिन्न नुकसान जैसे जूल गर्मी, तापीय चालन, और तापीय विकिरण होते हैं। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की वास्तविक दक्षता थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के फिगर ऑफ मेरिट (ZT) पर निर्भर करती है, जो एक विमाहीन पैरामीटर है जो थर्मोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगों के लिए किसी सामग्री के प्रदर्शन को मापता है। फिगर ऑफ मेरिट इस प्रकार दी जाती है:

ZT=κα2σT

जहाँ α सीबेक गुणांक है, σ विद्युत चालकता है, κ तापीय चालकता है, और T निरपेक्ष तापमान है।

फिगर ऑफ मेरिट जितना अधिक होगा, थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की दक्षता उतनी अधिक होगी। फिगर ऑफ मेरिट दोनों अंतर्निहित गुण (जैसे इलेक्ट्रॉन और फोनन चालन) और बाह्य गुण (जैसे डोपिंग स्तर और ज्यामिति) पर निर्भर करता है। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के शोध का लक्ष्य ऐसी सामग्री खोजना या डिजाइन करना है जिनमें उच्च सीबेक गुणांक, उच्च विद्युत चालकता, और कम तापीय चालकता हो, जो अक्सर विरोधी आवश्यकताएं होती हैं।

कुछ सामान्य थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री क्या हैं?

थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: धातुएँ, अर्धचालक, और जटिल यौगिक।

धातुओं में उच्च विद्युत चालकता होती है लेकिन कम सीबेक गुणांक और उच्च तापीय चालकता होती है, जिससे निम्न फिगर ऑफ मेरिट प्राप्त होता है। धातुओं का उपयोग थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलों में इलेक्ट्रोड्स या इंटरकनेक्ट के रूप में किया जाता है।

अर्धचालकों में मध्यम विद्युत चालकता और सीबेक गुणांक होता है लेकिन उच्च तापीय चालकता होती है, जिससे मध्यम फिगर ऑफ मेरिट प्राप्त होता है। अर्धचालकों को डोपिंग करके n-प्रकार या p-प्रकार की सामग्री बनाई जा सकती है जिनमें अलग-अलग चालक संख्या और गतिशीलता होती है। अर्धचालक निम्न तापमान अनुप्रयोगों (200°C से नीचे) के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।

जटिल यौगिकों में कम विद्युत चालकता होती है लेकिन उच्च सीबेक गुणांक और कम तापीय चालकता होती है, जिससे उच्च फिगर ऑफ मेरिट प्राप्त होता है। जटिल यौगिक आमतौर पर विभिन्न वैलेंस स्थितियों और क्रिस्टल संरचनाओं के साथ अनेक तत्वों से बने होते हैं, जो जटिल इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचनाओं और फोनन विकिरण मेकेनिज्म बनाते हैं जो थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन को बढ़ाते हैं। जटिल यौगिक उच्च तापमान अनुप्रयोगों (200°C से ऊपर) के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।

कुछ सामान्य थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के उदाहरण हैं:

• बिस्मथ टेल्यूराइड (Bi2Te3) और इसके लोहे: ये निम्न तापमान अनु