چه چیزی ژنراتورهای تولید برق ترموئlektrik هستند

چه چیزی تولیدکننده‌های انرژی ترمو الکتریک هستند؟

تعریف تولیدکننده‌ی انرژی ترمو الکتریک

تولیدکننده‌ی انرژی ترمو الکتریک (TEG) دستگاهی است که با استفاده از اثر سیبک، انرژی حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اثر سیبک پدیده‌ای است که وقتی تفاوت دما بین دو ماده رسانا یا مداری از مواد رسانا وجود دارد، یک اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌شود. TEG‌ها دستگاه‌های جامد هستند که قطعات متحرک ندارند و می‌توانند به صورت ساکت و قابل اعتماد برای دوره‌های طولانی عمل کنند. TEG‌ها می‌توانند برای جمع‌آوری حرارت زائد از منابع مختلف مانند فرآیندهای صنعتی، خودروها، نیروگاه‌ها و حتی حرارت بدن انسان استفاده شوند و آن را به الکتریسیته مفید تبدیل کنند. TEG‌ها همچنین می‌توانند برای تغذیه دستگاه‌های دوردست مانند حسگرهای بی‌سیم، مخابره‌کننده‌های بی‌سیم و فضاپیماها با استفاده از رادیواکتیوهای یا حرارت خورشیدی به عنوان منبع حرارتی استفاده شوند.

اصل کار

یک تولیدکننده‌ی انرژی ترمو الکتریک شامل دو مؤلفه اصلی است: مواد ترمو الکتریک و ماژول‌های ترمو الکتریک.

مواد ترمو الکتریک موادی هستند که اثر سیبک را نشان می‌دهند و ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند وقتی که تفاوت دما وجود دارد. این مواد به دو نوع تقسیم می‌شوند: n-نوع و p-نوع. مواد n-نوع دارای الکترون‌های اضافی هستند، در حالی که مواد p-نوع کمبود الکترون دارند. وقتی که این مواد با الکترودهای فلزی به صورت سری متصل می‌شوند، یک ترموجفت تشکیل می‌دهند که واحد اساسی تولیدکننده‌ی انرژی ترمو الکتریک هستند.

یک ماژول ترمو الکتریک دستگاهی است که شامل تعداد زیادی ترموجفت به صورت سری الکتریکی و موازی حرارتی است. یک ماژول ترمو الکتریک دو سمت دارد: یک سمت گرم و یک سمت سرد. وقتی که سمت گرم به یک منبع حرارتی و سمت سرد به یک گیرنده حرارتی مواجه می‌شود، یک تفاوت دما در سراسر ماژول ایجاد می‌شود که باعث جریان جریان الکتریکی در مدار می‌شود. جریان می‌تواند برای تغذیه بار خارجی یا شارژ باتری استفاده شود. ولتاژ و خروجی توان یک ماژول ترمو الکتریک به تعداد ترموجفت‌ها، تفاوت دما، ضریب سیبک و مقاومت‌های الکتریکی و حرارتی مواد بستگی دارد.

کارایی یک تولیدکننده‌ی انرژی ترمو الکتریک به صورت نسبت توان الکتریکی خروجی به ورودی حرارتی تعریف می‌شود. این کارایی توسط کارایی کارنو، کارایی حداکثری ممکن برای هر گونه موتور حرارتی بین دو دمای مشخص محدود می‌شود. کارایی کارنو به صورت زیر محاسبه می‌شود:

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

کارایی واقعی یک تولیدکننده‌ی انرژی ترمو الکتریک به دلیل وجود تلفات مختلف مانند گرمای جول، هدایت حرارتی و تابش حرارتی، بسیار کمتر از کارایی کارنو است. کارایی واقعی یک تولیدکننده‌ی انرژی ترمو الکتریک به معیار جایزه (ZT) مواد ترمو الکتریک بستگی دارد، که یک پارامتر بدون بعدی است که عملکرد یک ماده برای کاربردهای ترمو الکتریک را اندازه‌گیری می‌کند. معیار جایزه به صورت زیر محاسبه می‌شود:

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

همچنین معیار جایزه بالاتر، کارایی تولیدکننده‌ی انرژی ترمو الکتریک بالاتر است. معیار جایزه به خصوصیات ذاتی (مانند حمل الکترون و فونون) و خصوصیات خارجی (مانند سطح دوپینگ و هندسه) مواد بستگی دارد. هدف تحقیقات مواد ترمو الکتریک یافتن یا طراحی موادی است که دارای ضریب سیبک بالا، هدایت الکتریکی بالا و هدایت حرارتی پایین باشند، که غالباً این نیازها متقابل هستند.

مواد رایج

• بیسموت تلوئید (Bi2Te3) و آلیاژهای آن

• بلوط تلوئید (PbTe) و آلیاژهای آن

• اسکاترودیت‌ها

• کامپوزیت‌های نیمه‌هایزلر

کاربردها

• دستگاه‌های خنک‌کننده

• تولید انرژی از حرارت زائد

• تولید انرژی از رادیواکتیوها

چالش‌ها

• کارایی پایین

• هزینه بالا

• مدیریت حرارتی

• یکپارچه‌سازی سیستم

جهت‌گیری‌های آینده

• مواد ترمو الکتریک نوین

• ماژول‌های ترمو الکتریک پیشرفته

• سیستم‌های ترمو الکتریک نوآورانه

نتیجه‌گیری

تولیدکننده‌های انرژی ترمو الکتریک دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند با استفاده از اثر سیبک، انرژی حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. تولیدکننده‌های انرژی ترمو الکتریک مزایای متعددی نسبت به روش‌های معمول تولید انرژی دارند، مانند کوچکی حجم، قابلیت اطمینان، عدم سر و صدا و تبدیل مستقیم. تولیدکننده‌های انرژی ترمو الکتریک کاربردهای متنوعی در زمینه‌های مختلف دارند، مانند دستگاه‌های خنک‌کننده، تولید انرژی از حرارت زائد و تولید انرژی از رادیواکتیوها. با این حال، تولیدکننده‌های انرژی ترمو الکتریک 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 انرژی ترمو الکتریک شامل مواد ترمو الکتریک نوین، ماژول‌های ترمو الکتریک پیشرفته و سیستم‌های ترمو الکتریک نوآورانه است. تولیدکننده‌های انرژی ترمو الکتریک پتانسیل عظیمی برای کاربردهای تبدیل و جمع‌آوری انرژی در بخش‌ها و سناریوهای مختلف دارند.