เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก: หลักการ วัสดุ และการประยุกต์ใช้งาน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก (TEG) เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ผลเซแบค ผลเซแบคเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างคอนดักเตอร์สองชนิดหรือวงจรของคอนดักเตอร์ ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า TEGs เป็นอุปกรณ์แบบโซลิดสเตตที่ไม่มีส่วนเคลื่อนที่และสามารถทำงานอย่างเงียบสงบและเชื่อถือได้เป็นเวลานาน TEGs สามารถใช้ในการเก็บพลังงานความร้อนที่เหลือจากแหล่งต่าง ๆ เช่น กระบวนการอุตสาหกรรม รถยนต์ โรงไฟฟ้า และแม้แต่ความร้อนจากร่างกายมนุษย์ และแปลงเป็นไฟฟ้าที่มีประโยชน์ TEGs ยังสามารถใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ที่อยู่ไกล เช่น เซ็นเซอร์ ทรานสมิทเตอร์ไร้สาย และยานอวกาศ โดยใช้แรดิโอไอโซโทปหรือความร้อนจากแสงอาทิตย์เป็นแหล่งความร้อน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกทำงานอย่างไร?

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกประกอบด้วยสองส่วนหลัก: วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกและโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกเป็นวัสดุที่แสดงผลเซแบค หมายความว่าจะสร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อถูกสัมผัสกับความแตกต่างของอุณหภูมิ วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถจำแนกออกเป็นสองประเภท: n-type และ p-type วัสดุ n-type มีอิเล็กตรอนมากเกิน ส่วนวัสดุ p-type มีอิเล็กตรอนขาด เมื่อวัสดุ n-type และ p-type ถูกเชื่อมต่อเป็นชุดโดยใช้อิเล็กโทรดโลหะ จะสร้างเทอร์โมคัพเปิ้ล ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก

โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกเป็นอุปกรณ์ที่มีเทอร์โมคัพเปิ้ลหลายตัวเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าเป็นชุดและทางความร้อนขนานกัน โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกมีสองด้าน: ด้านร้อนและด้านเย็น เมื่อด้านร้อนสัมผัสกับแหล่งความร้อนและด้านเย็นสัมผัสกับแหล่งความเย็น จะสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิข้ามโมดูล ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจร กระแสไฟฟ้าสามารถใช้จ่ายโหลดภายนอกหรือชาร์จแบตเตอรี่ แรงดันและกำลังไฟฟ้าที่ได้จากโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับจำนวนเทอร์โมคัพเปิ้ล ความแตกต่างของอุณหภูมิ ค่าสัมประสิทธิ์เซแบค และความต้านทานไฟฟ้าและความร้อนของวัสดุ

ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกกำหนดเป็นอัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าที่ได้รับจากแหล่งความร้อน การทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจำกัดโดยประสิทธิภาพคาร์โนต์ ซึ่งเป็นประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ ที่ทำงานระหว่างสองอุณหภูมิ ประสิทธิภาพคาร์โนต์คำนวณได้ดังนี้:

ηCarnot=1−ThTc

ที่ Tc คืออุณหภูมิของด้านเย็น และ Th คืออุณหภูมิของด้านร้อน

ประสิทธิภาพจริงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกต่ำกว่าประสิทธิภาพคาร์โนต์เนื่องจากความสูญเสียต่าง ๆ เช่น การทำความร้อนโจล การนำความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ประสิทธิภาพจริงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับค่า ZT ของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ไร้มิติที่วัดประสิทธิภาพของวัสดุสำหรับการใช้งานเทอร์โมอิเล็กทริก ค่า ZT คำนวณได้ดังนี้:

ZT=κα2σT

ที่ α คือสัมประสิทธิ์เซแบค σ คือความต้านทานไฟฟ้า κ คือความต้านทานความร้อน และ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์

ค่า ZT ที่สูงขึ้น ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกก็จะสูงขึ้น ค่า ZT ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติภายใน (เช่น การขนส่งอิเล็กตรอนและโฟนอน) และคุณสมบัติภายนอก (เช่น ระดับโดปปิ้งและเรขาคณิต) ของวัสดุ วัตถุประสงค์ของการวิจัยวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกคือการค้นหาหรือออกแบบวัสดุที่มีสัมประสิทธิ์เซแบคสูง ความต้านทานไฟฟ้าสูง และความต้านทานความร้อนต่ำ ซึ่งเป็นข้อกำหนดที่มักขัดแย้งกัน

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่พบบ่อยมีอะไรบ้าง?

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถจำแนกออกเป็นสามหมวดหมู่: โลหะ สารกึ่งตัวนำ และสารประกอบซับซ้อน

โลหะมีความต้านทานไฟฟ้าสูงแต่มีสัมประสิทธิ์เซแบคต่ำและความต้านทานความร้อนสูง ทำให้มีค่า ZT ต่ำ โลหะใช้เป็นอิเล็กโทรดหรือตัวเชื่อมต่อในโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก

สารกึ่งตัวนำมีความต้านทานไฟฟ้าและสัมประสิทธิ์เซแบคปานกลางแต่มีความต้านทานความร้อนสูง ทำให้มีค่า ZT ปานกลาง สารกึ่งตัวนำสามารถโดปปิ้งเพื่อสร้างวัสดุ n-type หรือ p-type ที่มีความเข้มข้นของพาหะและความคล่องตัวต่างกัน สารกึ่งตัวนำใช้เป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 200°C)

สารประกอบซับซ้อนมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำแต่มีสัมประสิทธิ์เซแบคสูงและความต้านทานความร้อนต่ำ ทำให้มีค่า ZT สูง สารประกอบซับซ้อนมักประกอบด้วยธาตุหลายชนิดที่มีสถานะวาเลนซ์และโครงสร้างผลึกต่างกัน ซึ่งสร้างโครงสร้างวงจรไฟฟ้าที่ซับซ้อนและกลไกการกระจายโฟนอนที่เพิ่มประสิทธิภาพเทอร์โมอิเล็กทริก สารประกอบซับซ้อนใช้เป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 200°C)

ตัวอย่างของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่พบบ่อยมีดังนี้:

• บิสมัทเทลูไรด์ (Bi2Te3) และอัลลอยด์: นี่คือวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 200°C) เช่น อุปกรณ์ทำความเย็นและการสร้างพลังงานจากแหล่งความร้อนที่เหลือ Bi2Te3 มีโครงสร้างแบบชั้นที่ประกอบด้วยชั้นควินทัลของ Bi2 และ Te3 อะตอมที่เชื่อมต่อกันด้วยแรงวานเดอร์วาลส์อ่อน โครงสร้างนี้ทำให้มีความต้านทานความร้อนต่ำเนื่องจากการกระจายโฟนอนที่ขอบชั้น Bi2Te3 สามารถผสมกับธาตุอื่น ๆ เช่น แอนทิโมนี (Sb) ซีลีเนียม (Se) หรือกำมะถัน (S) เพื่อปรับคุณสมบัติไฟฟ้าและเพิ่มค่า ZT

• ลีดเทลูไรด์ (PbTe) และอัลลอยด์: นี่คือวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิปานกลาง (200-600°C) เช่น การสร้างพลังงานจากไอเสียรถยนต์หรือแหล่งความร้อนที่เหลือจากอุตสาหกรรม PbTe มีโครงสร้างแบบร็อกแซลท์ที่ประกอบด้วยชั้นสลับของไอออน Pb2+ และ Te2- ที่เชื่อมต่อกันด้วยแรงไอโอนิกที่แข็งแรง โครงสร้างนี้ทำให้มีสัมประสิทธิ์เซแบคสูงเนื่องจากอะตอม Pb ที่หนักทำให้มีความซับซ้อนของวงจรใกล้ระดับเฟอร์มี PbTe สามารถผสมกับธาตุอื่น ๆ เช่น ดีบุก (Sn) ทาลเลียม (Tl) หรือโซเดียม (Na) เพื่อเพิ่มค่า ZT

• สกัตเทอรูไดต์: นี่คือสารประกอบซับซ้อนที่มีสูตรทั่วไป MX3 ที่ M คือธาตุทรานซิชัน (เช่น โคบอลต์ Co) และ X คือพนิเจน (เช่น แอนทิโมนี Sb)

           
   

• สกัตเทอรูไดต์มีโครงสร้างแบบลูกบาศก์ที่ประกอบด้วยเครือข่ายสามมิติของ M4X12 ที่มีช่องว่างขนาดใหญ่ที่สามารถบรรจุอะตอมแขก (เช่น ธาตุเอิร์ธเรีย RE) อะตอมแขกทำหน้าที่เป็นตัวกระจายโฟนอนที่ลดความต้านทานความร้อน ในขณะที่อะตอมโฮสต์ให้ความต้านทานไฟฟ้าและสัมประสิทธิ์เซแบคสูง สกัตเทอรูไดต์เป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีอนาคตสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิปานกลางถึงสูง (300-800°C) เช่น การสร้างพลังงานจากความร้อนที่เหลือหรือพลังงานแสงอาทิตย์ที่เข้มข้น

• สารประกอบฮาล์ฟ-ฮูสเลอร์: นี่คือสารประกอบไตรภาคีที่มีสูตรทั่วไป XYZ ที่ X คือธาตุทรานซิชัน (เช่น ไทเทเนียม Ti) Y คือธาตุทรานซิชันอีกตัว (เช่น นิกเกิล Ni) และ Z คือธาตุกลุ่มหลัก (เช่น ดีบุก Sn)

           
   

• สารประกอบฮาล์ฟ-ฮูสเลอร์มีโครงสร้างแบบลูกบาศก์ที่ประกอบด้วย fcc ย่อยสี่ตัวที่หนึ่งถูกครอบครองโดยอะตอม X และอีกสามตัวถูกครอบครองโดยอะตอม Y และ Z ในอัตราส่วน 1:2 สารประกอบฮาล์ฟ-ฮูสเลอร์มีสัมประสิทธิ์เซแบคและความต้านทานไฟฟ้าสูงเนื่องจากโครงสร้างวงจรไฟฟ้าที่ซับซ้อนและความต้านทานความร้อนต่ำเนื่องจากอะตอมที่หนัก สารประกอบฮาล์ฟ-ฮูสเลอร์เป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีอนาคตสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 800°C) เช่น การสร้างพลังงานจากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือเครื่องยนต์อากาศยาน

การใช้งานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกมีอะไรบ้าง?

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกมีการใช้งานหลากหลายในสาขาต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิ กำลังไฟฟ้าที่ได้ และแหล่งความร้อนที่มี ตัวอย่างการใช้งานเครื่องกำเนิดไฟ