ما هي مولدات الطاقة الحرارية الكهربية؟
ما هي مولدات الطاقة الحرارية الكهربية؟
تعريف مولد الطاقة الحرارية الكهربية
مولد الطاقة الحرارية الكهربية (TEG) هو جهاز يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية باستخدام تأثير زيبك. يحدث تأثير زيبك عندما يوجد فرق في درجة الحرارة بين موصلين مختلفين أو دائرة من الموصلات، مما يؤدي إلى إنشاء فرق في الجهد الكهربائي. المولدات الحرارية الكهربية هي أجهزة ذات حالة صلبة لا تحتوي على أجزاء متحركة ويمكن أن تعمل بصمت وموثوقية لفترات طويلة. يمكن استخدام TEGs لجمع الحرارة المهدرة من مصادر مختلفة مثل العمليات الصناعية والسيارات ومصافي الكهرباء وحتى حرارة الجسم البشري، وتحويلها إلى كهرباء مفيدة. يمكن أيضًا استخدام TEGs لتزويد الأجهزة البعيدة بالطاقة، مثل الأجهزة الاستشعارية والمحولات اللاسلكية والمراكب الفضائية، باستخدام النظائر المشعة أو الحرارة الشمسية كمصدر للحرارة.
مبدأ العمل
يتكون مولد الطاقة الحرارية الكهربية من مكونين رئيسيين: المواد الحرارية الكهربية والأجهزة الحرارية الكهربية.
المواد الحرارية الكهربية هي مواد تظهر تأثير زيبك وتنتج فرق جهد كهربائي عند وجود فرق في درجة الحرارة. يتم تصنيفها إلى نوعين: النوع N والنوع P. المواد من النوع N لديها إلكترونات إضافية، بينما المواد من النوع P تفتقر إلى الإلكترونات. عند توصيل هذه المواد متسلسلة مع أقطاب معدنية، تشكل هذه المواد زوج حراري، الوحدة الأساسية لمولد الطاقة الحرارية الكهربية.
الأجهزة الحرارية الكهربية هي أجهزة تحتوي على العديد من الأزواج الحرارية المتصلة كهربائياً بشكل متسلسل وتتصل حرارياً بشكل متوازي. تحتوي الأجهزة الحرارية الكهربية على جانبين: الجانب الساخن والجانب البارد. عندما يتم تعريض الجانب الساخن لمصدر حرارة والجانب البارد لمصدر بارد، يتم إنشاء فرق في درجة الحرارة عبر الجهاز، مما يتسبب في تدفق تيار كهربائي عبر الدائرة. يمكن استخدام هذا التيار لتزويد الحمل الخارجي بالطاقة أو شحن البطارية. يعتمد الجهد والقوة الكهربائية المنتجة للأجهزة الحرارية الكهربية على عدد الأزواج الحرارية، وفرق درجة الحرارة، ومعامل زيبك، والمقاومة الكهربائية والحرارية للمواد.
تُعرَّف كفاءة مولد الطاقة الحرارية الكهربية بأنها نسبة القوة الكهربائية المنتجة إلى الحرارة الداخلة. تحد من كفاءة مولد الطاقة الحرارية الكهربية الكفاءة القصوى لكرونو، وهي الكفاءة القصوى لأي محرك حراري بين درجتين من الحرارة. تعطى كفاءة كرونو بواسطة:
حيث Tc هي درجة حرارة الجانب البارد، وTh هي درجة حرارة الجانب الساخن.
تكون الكفاءة الفعلية لمولد الطاقة الحرارية الكهربية أقل بكثير من كفاءة كرونو بسبب الخسائر المختلفة مثل تسخين جول، والتوصيل الحراري، والإشعاع الحراري. تعتمد الكفاءة الفعلية لمولد الطاقة الحرارية الكهربية على قيمة الجدارة (ZT) للمواد الحرارية الكهربية، وهي معلمة بدون بعد تقيس أداء المادة لتطبيقات الحرارية الكهربية. تعطى قيمة الجدارة بواسطة:
حيث α هو معامل زيبك، σ هي التوصيل الكهربائي، κ هي التوصيل الحراري، وT هي درجة الحرارة المطلقة.
كلما كانت قيمة الجدارة أعلى، كلما كانت كفاءة مولد الطاقة الحرارية الكهربية أعلى. تعتمد قيمة الجدارة على خصائص داخلية (مثل نقل الإلكترونات والفونونات) وخواص خارجية (مثل مستوى التشبع والهندسة) للمواد. الهدف من بحوث المواد الحرارية الكهربية هو العثور أو تصميم مواد تتميز بمعامل زيبك عالي، وتوصيل كهربائي عالي، وتوصيل حراري منخفض، وهي متطلبات غالباً ما تكون متناقضة.
المواد الشائعة
碲化铋 (Bi2Te3) 及其合金
铅碲化物 (PbTe) 及其合金
Skutterudites
Half-Heusler 化合物
تطبيقات
أجهزة التبريد
توليد الطاقة من الحرارة المهدرة
توليد الطاقة من النظائر المشعة
التحديات
كفاءة منخفضة
تكلفة عالية
إدارة الحرارة
تكامل النظام
الاتجاهات المستقبلية
مواد حرارية كهربية جديدة
أجهزة حرارية كهربية متقدمة
أنظمة حرارية كهربية مبتكرة
الخاتمة
مولدات الطاقة الحرارية الكهربية هي أجهزة يمكنها تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية باستخدام تأثير زيبك. تتمتع مولدات الطاقة الحرارية الكهربية بمزايا عديدة مقارنة بطرق توليد الطاقة التقليدية، مثل الحجم الصغير والموثوقية وعدم وجود ضوضاء والتحويل المباشر. لدى مولدات الطاقة الحرارية الكهربية تطبيقات متنوعة في مجالات مختلفة، مثل أجهزة التبريد وتوليد الطاقة من الحرارة المهدرة وتوليد الطاقة من النظائر المشعة. ومع ذلك، تواجه مولدات الطاقة الحرارية الكهربية بعض التحديات والقيود التي يجب التغلب عليها للتطبيق العملي، مثل الكفاءة المنخفضة والتكلفة العالية وإدارة الحرارة وتكامل النظام. تتضمن الاتجاهات المستقبلية لبحوث وتطوير مولدات الطاقة الحرارية الكهربية المواد الحرارية الكهربية الجديدة والأجهزة الحرارية الكهربية المتقدمة وأنظمة الحرارية الكهربية المبتكرة. تتمتع مولدات الطاقة الحرارية الكهربية بقدرة كبيرة على تحويل واستغلال الطاقة في قطاعات وسيناريوهات مختلفة.
