थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर: सिद्धांत, सामग्री र अनुप्रयोग

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (TEG) एक उपकरण हो जसले सीबेक प्रभाव को प्रयोग गरेर ऊष्मा ऊर्जालाई विद्युत ऊर्जामा परिवर्तन गर्छ। सीबेक प्रभाव एउटा घटना हो जुन दुई अलग चालक वा चालको सर्किटमा तापमान अंतर छ भने विद्युत संभावना अंतर बन्छ। TEGs सोलिड-स्टेट उपकरणहरू हुन् जसमा कुनै गतिशील भागहरू छैन र यसले लामो समयसम्म शान्ति र विश्वसनीयता सँग काम गर्छ। TEGs को प्रयोग विभिन्न स्रोतहरू जस्तै औद्योगिक प्रक्रियाहरू, ऑटोमोबाइल, विद्युत संयन्त्र, र मानव शरीरको ऊष्मा जस्ता अपशिष्ट ऊष्मा उत्खनन गर्न र यसलाई उपयोगी विद्युतमा परिवर्तन गर्न गरिन सकिन्छ। TEGs रेडिओआइसोटोप वा सौर ऊष्मालाई उष्मा स्रोत को रूपमा प्रयोग गरेर दूरीभित्तिक उपकरणहरू, जस्तै सेन्सर, बेतार प्रसारक, र अंतरिक्ष यानहरूलाई शक्ति दिन पनि प्रयोग गरिन सकिन्छ।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर कसरी काम गर्छ?

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर दुई मुख्य घटकहरू समाविष्ट छन्: थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री र थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलहरू।

थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरू सीबेक प्रभाव देखाउने सामग्रीहरू हुन्, यानी यी सामग्रीहरू तापमान ढालमा रहेको समय विद्युत वोल्टेज उत्पन्न गर्छन्। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरूलाई दुई प्रकारमा वर्गीकृत गर्न सकिन्छ: n-प्रकार र p-प्रकार। N-प्रकारको सामग्रीहरूमा इलेक्ट्रॉनहरूको अधिकता छ, जबकि p-प्रकारको सामग्रीहरूमा इलेक्ट्रॉनहरूको कमी छ। जब एक n-प्रकारको सामग्री र एक p-प्रकारको सामग्री धातु इलेक्ट्रोडहरू द्वारा श्रृंखला में जोडिन्छन्, तब यी एक थर्मोकपल बन्छ, जुन थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरको मूल एकाइ हो।

थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल एक उपकरण हो जुन अनेक थर्मोकपलहरू विद्युत रूपमा श्रृंखला में र तापीय रूपमा समान्तर में जोडिएको छन्। थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलमा दुई तरफ हुन्छन्: गर्म तरफ र ठंडो तरफ। जब गर्म तरफ एक ऊष्मा स्रोतको साथ र ठंडो तरफ एक ऊष्मा झिर्नाको साथ संपर्कमा पर्छ, तब मॉड्यूलमा तापमान अंतर बन्छ, जसले सर्किटमा विद्युत धारा बहन गर्छ। विद्युत धारा बाहिरी लोडलाई शक्ति दिन वा बैटरी चार्ज गर्न प्रयोग गरिन सकिन्छ। थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलको वोल्टेज र शक्ति आउटपुट थर्मोकपलहरूको संख्या, तापमान अंतर, सीबेक गुणाङ्क, र सामग्रीको विद्युत र तापीय प्रतिरोध भएका अवलोकन पर निर्भर छ।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरको दक्षता विद्युत शक्ति आउटपुट र स्रोतबाट आएको ऊष्मा इनपुटको अनुपात रूपमा परिभाषित गरिन्छ। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरको दक्षता कार्नोट दक्षता द्वारा सीमित छ, जुन कुनै पनि तापीय इंजनको दोहो तापमानमा संचालन गर्दा संभावित अधिकतम दक्षता हो। कार्नोट दक्षता यस प्रकार दिइन्छ:

ηCarnot=1−ThTc

जहाँ Tc ठंडो तरफको तापमान र Th गर्म तरफको तापमान हुन्।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरको वास्तविक दक्षता कार्नोट दक्षताभन्दा धेरै कम छ जसको कारण विभिन्न नुकसानहरू जस्तै जूल गर्मी, तापीय चालन, र तापीय तरंग हुन्। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरको वास्तविक दक्षता थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीको फिगर ऑफ मेरिट (ZT) पर निर्भर छ, जुन एक अविमापी परामिति हो जसले थर्मोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगका लागि सामग्रीको प्रदर्शन माप्ने छ। फिगर ऑफ मेरिट यस प्रकार दिइन्छ:

ZT=κα2σT

जहाँ α सीबेक गुणाङ्क, σ विद्युत चालकता, κ तापीय चालकता, र T निरपेक्ष तापमान हुन्।

फिगर ऑफ मेरिट धेरै भएको थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरको दक्षता धेरै भएको हुन्छ। फिगर ऑफ मेरिट सामग्रीहरूको अंतर्निहित गुणहरू (जस्तै इलेक्ट्रॉन र फोनन चालन) र बाहिरी गुणहरू (जस्तै डोपिङ तह र ज्यामिति) पर निर्भर छ। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री अनुसन्धानको लक्ष्य उच्च सीबेक गुणाङ्क, उच्च विद्युत चालकता, र निम्न तापीय चालकता भएका सामग्रीहरू पाउन वा डिजाइन गर्न छ, जुन अक्सर विरोधाभासी आवश्यकताहरू हुन्छन्।

केही सामान्य थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरू के हुन्?

थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरू तीन श्रेणीमा वर्गीकृत गरिन सकिन्छ: धातुहरू, अर्धचालकहरू, र जटिल यौगिकहरू।

धातुहरूमा उच्च विद्युत चालकता छ तर निम्न सीबेक गुणाङ्क र उच्च तापीय चालकता छ, जसले निम्न फिगर ऑफ मेरिट बनाउँछ। धातुहरू थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलहरूमा इलेक्ट्रोड वा इन्टरकनेक्टहरूको रूपमा प्रयोग गरिन्छ।

अर्धचालकहरूमा मध्यम विद्युत चालकता र सीबेक गुणाङ्क छ तर उच्च तापीय चालकता छ, जसले मध्यम फिगर ऑफ मेरिट बनाउँछ। अर्धचालकहरूलाई डोपिङ गरेर n-प्रकार वा p-प्रकारको सामग्रीहरू बनाउन सकिन्छ जसको विभिन्न कैरियर सान्द्रता र गतिशीलता छ। अर्धचालकहरू निम्न तापमान अनुप्रयोगहरू (200°C भन्दा निम्न) लाई थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीको रूपमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ।

जटिल यौगिकहरूमा निम्न विद्युत चालकता छ तर उच्च सीबेक गुणाङ्क र निम्न तापीय चालकता छ, जसले उच्च फिगर ऑफ मेरिट बनाउँछ। जटिल यौगिकहरू सामान्यतया विभिन्न वैलेन्स स्थितिहरू र क्रिस्टल संरचनाहरू भएका अनेक तत्वहरूले बनेका छन्, जसले जटिल इलेक्ट्रोनिक बैंड संरचना र फोनन विकीर्णन मेकनिजमहरू बनाउँछ जसले थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शनलाई बढाउँछ। जटिल यौगिकहरू उच्च तापमान अनुप्रयोगहरू (200°C भन्दा उच्च) लाई थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीको रूपमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ।

केही सामान्य थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीहरू यस प्रकार छन्:

• बिस्मथ टेलुराइड (Bi2Te3) र यसका यौगिकहरू: यी सामग्रीहरू निम्न तापमान अनुप्रयोगहरू (200°C भन्दा निम्न), जस्तै ठण्डाइन उपकरण र अपशिष्ट ऊष्मा स्रोतबाट शक्ति उत्पादन, लाई थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रीको रूपमा सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। Bi2Te3 एक लेयर्ड संरच