چه چیزی تولیدکنندگان برق ترموئlektrik هستند

چه چیزی تولیدکننده‌های برق ترمودینامیکی هستند؟

تعریف تولیدکننده برق ترمودینامیکی

تولیدکننده برق ترمودینامیکی (TEG) دستگاهی است که انرژی حرارتی را با استفاده از اثر زبک به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اثر زبک پدیده‌ای است که در صورت وجود اختلاف دما بین دو رسانای مختلف یا مداری از رساناها، اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کند. TEGها دستگاه‌های جامد هستند که قطعات متحرک ندارند و می‌توانند برای مدت طولانی به صورت ساکت و قابل اعتماد عمل کنند. TEGها می‌توانند انرژی حرارتی ضایع شده را از منابع مختلف مانند فرآیندهای صنعتی، خودروها، نیروگاه‌ها و حتی حرارت بدن انسان جمع‌آوری کرده و آن را به برق مفید تبدیل کنند. TEGها همچنین می‌توانند دستگاه‌های دور مثل حسگرها، مخابره‌کننده‌های بی‌سیم و فضاپیماها را با استفاده از رادیواکتیوها یا حرارت خورشیدی به عنوان منبع حرارتی تغذیه کنند.

اصل کار

تولیدکننده برق ترمودینامیکی شامل دو مؤلفه اصلی است: مواد ترمودینامیکی و ماژول‌های ترمودینامیکی.

مواد ترمودینامیکی موادی هستند که اثر زبک را نشان می‌دهند و ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند وقتی که اختلاف دما وجود دارد. این مواد به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: نوع n و نوع p. مواد نوع n الکترون‌های اضافی دارند، در حالی که مواد نوع p الکترون کمبود دارند. وقتی این مواد با الکترودهای فلزی به صورت سری متصل می‌شوند، یک ترموجفت تشکیل می‌دهند، واحد اساسی تولیدکننده برق ترمودینامیکی.

ماژول ترمودینامیکی دستگاهی است که شامل تعداد زیادی ترموجفت‌هایی است که به صورت الکتریکی سری و حرارتی موازی متصل شده‌اند. ماژول ترمودینامیکی دو سمت دارد: سمت گرم و سمت سرد. وقتی سمت گرم به منبع حرارتی و سمت سرد به سینک حرارتی مواجه می‌شود، اختلاف دما در سراسر ماژول ایجاد می‌شود که باعث جریان جریان الکتریکی در مدار می‌شود. این جریان می‌تواند برای تغذیه بار خارجی یا شارژ باتری استفاده شود. ولتاژ و خروجی برق ماژول ترمودینامیکی بستگی به تعداد ترموجفت‌ها، اختلاف دما، ضریب زبک و مقاومت‌های الکتریکی و حرارتی مواد دارد.

کارایی تولیدکننده برق ترمودینامیکی به عنوان نسبت خروجی برق الکتریکی به ورودی حرارتی تعریف می‌شود. این کارایی توسط کارایی کارنو، کارایی حداکثری برای هر موتور حرارتی بین دو دمای مختلف محدود می‌شود. کارایی کارنو به صورت زیر محاسبه می‌شود:

که در آن Tc دمای سمت سرد و Th دمای سمت گرم است.

کارایی واقعی تولیدکننده برق ترمودینامیکی بسیار کمتر از کارایی کارنو است به دلیل وجود تلفات مختلف مانند گرمای جول، هدایت حرارتی و تابش حرارتی. کارایی واقعی تولیدکننده برق ترمودینامیکی بستگی به مقدار معتبر (ZT) مواد ترمودینامیکی دارد، که یک پارامتر بدون بعد است که عملکرد یک ماده برای کاربردهای ترمودینامیکی را اندازه‌گیری می‌کند. مقدار معتبر به صورت زیر محاسبه می‌شود:

که در آن α ضریب زبک، σ هدایت الکتریکی، κ هدایت حرارتی و T دمای مطلق است.

با افزایش مقدار معتبر، کارایی تولیدکننده برق ترمودینامیکی افزایش می‌یابد. مقدار معتبر بستگی به خصوصیات ذاتی (مانند حمل الکترون و فونون) و خصوصیات خارجی (مانند سطح دوپینگ و هندسه) مواد دارد. هدف تحقیقات مواد ترمودینامیکی یافتن یا طراحی موادی است که ضریب زبک بالا، هدایت الکتریکی بالا و هدایت حرارتی پایین داشته باشند، که معمولاً این نیازها با یکدیگر در تضاد هستند.

مواد معمول

• بیسموت تلورید (Bi2Te3) و آلیاژهای آن

• سرب تلورید (PbTe) و آلیاژهای آن

• اسکاترودیت‌ها

• کامپوزیت‌های هالف-هوزلر

کاربردها

• دستگاه‌های خنک‌کننده

• تولید برق از حرارت ضایع

• تولید برق از رادیواکتیوها

چالش‌ها

• کارایی پایین

• هزینه بالا

• مدیریت حرارتی

• یکپارچه‌سازی سیستم

جهت‌گیری‌های آینده

• مواد ترمودینامیکی جدید

• ماژول‌های ترمودینامیکی پیشرفته

• سیستم‌های ترمودینامیکی نوآورانه

نتیجه‌گیری

تولیدکننده‌های برق ترمودینامیکی دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند انرژی حرارتی را با استفاده از اثر زبک به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. تولیدکننده‌های برق ترمودینامیکی مزایای زیادی نسبت به روش‌های معمول تولید برق دارند، مانند کوچک بودن، قابلیت اطمینان، عدم سر و صدا و تبدیل مستقیم. تولیدکننده‌های برق ترمودینامیکی کاربردهای مختلفی در زمینه‌های مختلفی مانند دستگاه‌های خنک‌کننده، تولید برق از حرارت ضایع و تولید برق از رادیواکتیوها دارند. با این حال، تولیدکننده‌های برق ترمودینامیکی همچنین با چالش‌ها و محدودیت‌هایی مواجه هستند که باید برای اجرای عملی غلبه شوند، مانند کارایی پایین، هزینه بالا، مدیریت حرارتی و یکپارچه‌سازی سیستم. جهت‌گیری‌های آینده برای تحقیقات و توسعه تولیدکننده‌های برق ترمودینامیکی شامل مواد ترمودینامیکی جدید، ماژول‌های ترمودینامیکی پیشرفته و سیستم‌های ترمودینامیکی نوآورانه است. تولیدکننده‌های برق ترمودینامیکی پتانسیل عظیمی برای کاربردهای تبدیل و جمع‌آوری انرژی در بخش‌ها و سناریوهای مختلف دارند.