Majengo ya Umeme ya Joto: Sifa, Vifaa na Matumizi

Kigeni cha umeme (TEG) ni kifaa kinachokusanya nishati ya joto na kuibadilisha kwa nishati ya umeme kutumia athari ya Seebeck. Athari ya Seebeck ni tabia inayotokea wakati kuna tofauti ya joto kati ya mitamboni mawili au tarakimu za mitamboni, ikigawa nafasi ya thabiti ya umeme. Kigeni cha umeme hayo ni vifaa vinavyokuwa vya ukuta sana na hazina sehemu zinazopanda na wanaweza kufanya kwa amani na uwepo wa muda mrefu. Kigeni cha umeme hivi yanaweza kutumiwa kujitengeneza nishati ya mizigo kutoka kwa chanzo mbalimbali, kama vile mifano ya kiuchumi, magari, viwanja vya umeme, na hata joto la mwili wa binadamu, na kuiabadilisha kwa umeme yenye faida. Kigeni cha umeme hivi yanaweza pia kutumiwa kumpa nishati kwa vifaa vya umbali, kama vile sensori, wastani wa utaratibu, na taasisi za uwanja wa anga, kutumia radioisotopes au joto la jua kama chanzo cha joto.

Jinsi Kigeni cha Umeme Kijitengenezaji Kija Kazi?

Kigeni cha umeme kilicho kijitengenezaji lina sehemu mbili muhimu: vitu vya kigeni cha umeme na moduli za kigeni cha umeme.

Vitu vya kigeni cha umeme ni vitu vilivyokuwa na athari ya Seebeck, maana yake ni kwamba huongeza voltage wakati wamekutana na gradienti ya joto. Vitu vya kigeni cha umeme vinaweza kugawanyika katika aina mbili: aina ya n-type na aina ya p-type. Vitu vya aina ya n-type vina ruzuku ya elektroni, na vitu vya aina ya p-type vina upungufu wa elektroni. Wakati kitu cha aina ya n-type na kitu cha aina ya p-type vinajunganishwa kwa nyimbo za metali, hufanana na thermocouple, ambayo ni kikundi msingi cha kigeni cha umeme.

Moduli wa kigeni cha umeme ni kifaa kinachojumuisha thermocouples mengi vilivyofanana kwa nyimbo na joto kulingana. Moduli wa kigeni cha umeme ana pande mbili: pande ya moto na pande ya baridi. Wakati pande ya moto imekuwa na chanzo cha joto na pande ya baridi imekuwa na sinki ya joto, tofauti ya joto inajulikana kote kwenye moduli, ikigawa mwelekeo wa umeme kwenye circuit. Mwelekeo huo unaweza kutumiwa kumpa nishati kwa ongezeko la nje au kumpa batiri. Voltage na output ya nishati ya moduli ya kigeni cha umeme inategemea idadi ya thermocouples, tofauti ya joto, coefficient ya Seebeck, na resistance ya umeme na joto ya vitu.

Ufanisi wa kigeni cha umeme unaeleweka kama uwiano wa output ya nishati ya umeme na input ya joto kutoka kwa chanzo. Ufanisi wa kigeni cha umeme unahukumiwa na ufanisi wa Carnot, ambao ni ufanisi mzuri sana kwa chochote chenye nguvu ya joto kiotolewa kati ya majira miwili. Ufanisi wa Carnot unatoa:

ηCarnot=1−ThTc

ambapo Tc ni joto la pande ya baridi, na Th ni joto la pande ya moto.

Ufanisi halisi wa kigeni cha umeme unapungua sana kuliko ufanisi wa Carnot kutokana na hasara mbalimbali kama Joule heating, thermal conduction, na thermal radiation. Ufanisi halisi wa kigeni cha umeme unategemea figure of merit (ZT) ya vitu vya kigeni cha umeme, ambayo ni parameter isiyena ambayo hutathmini ufanisi wa chombo kwa matumizi ya kigeni cha umeme. Figure of merit unatoa:

ZT=κα2σT

ambapo α ni coefficient ya Seebeck, σ ni conductivity ya umeme, κ ni conductivity ya joto, na T ni joto asilia.

Zaidi ya figure of merit, zaidi ya ufanisi wa kigeni cha umeme. Figure of merit unategemea sifa zisizo na tabia (kama transport ya electrons na phonons) na sifa zinazozingatiwa (kama level ya doping na migezo) ya vitu. Lengo la utafiti wa vitu vya kigeni cha umeme ni kupata au kutengeneza vitu vya kigeni cha umeme vilivyovyo na coefficient ya Seebeck ghafi, conductivity ya umeme ghafi, na conductivity ya joto dogo, ambayo ni mahitaji yanayoghasirika.

Vit