थर्मोइलेक्ट्रिक पावर जनरेटर क्या हैं?

थर्मोइलेक्ट्रिक विद्युत उत्पादक क्या हैं?

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की परिभाषा

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (TEG) एक उपकरण है जो सीबेक प्रभाव का उपयोग करके ऊष्मा ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। सीबेक प्रभाव एक घटना है जो तब होती है जब दो अलग-अलग चालकों या चालकों की परिपथ में तापमान का अंतर होता है, जिससे विद्युत संभावित अंतर उत्पन्न होता है। TEGs ठोस-राज्य उपकरण हैं जिनमें कोई गतिशील भाग नहीं होता और ये लंबे समय तक शांत रूप से और विश्वसनीय रूप से काम कर सकते हैं। TEGs का उपयोग विभिन्न स्रोतों से अपशिष्ट ऊष्मा को उपजात करने के लिए किया जा सकता है, जैसे औद्योगिक प्रक्रियाओं, ऑटोमोबाइल, विद्युत संयंत्र, और यहाँ तक कि मानव शरीर की ऊष्मा, और इसे उपयोगी विद्युत में परिवर्तित किया जा सकता है। TEGs का उपयोग दूरस्थ उपकरणों, जैसे सेंसर, बेतार प्रसारक, और अंतरिक्ष यान, को शक्ति देने के लिए भी किया जा सकता है, जिसमें रेडियोआइसोटोप या सौर ऊष्मा का उपयोग ऊष्मा स्रोत के रूप में किया जाता है।

कार्य तंत्र

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर में दो मुख्य घटक होते हैं: थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री और थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल।

थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री वे सामग्री होती हैं जो सीबेक प्रभाव दिखाती हैं, जब तापमान का अंतर होता है तो वे विद्युत वोल्टेज उत्पन्न करती हैं। इन्हें दो प्रकार में वर्गीकृत किया गया है: n-प्रकार और p-प्रकार। n-प्रकार की सामग्रियों में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं, जबकि p-प्रकार की सामग्रियों में इलेक्ट्रॉन की कमी होती है। जब धातु इलेक्ट्रोडों के साथ श्रृंखला में जोड़ा जाता है, तो ये सामग्रियाँ एक थर्मोकपल बनाती हैं, जो थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की मूल इकाई है।

थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल एक उपकरण है जिसमें कई थर्मोकपल विद्युत रूप से श्रृंखला में और ऊष्मीय रूप से समानांतर में जुड़े होते हैं। एक थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल में दो तरफ होती हैं: गर्म तरफ और ठंडी तरफ। जब गर्म तरफ को ऊष्मा स्रोत से और ठंडी तरफ को ऊष्मा सिंक से रखा जाता है, तो मॉड्यूल के दोनों तरफ तापमान का अंतर उत्पन्न होता है, जिससे परिपथ में धारा बहने लगती है। धारा का उपयोग बाहरी लोड को शक्ति देने या बैटरी चार्ज करने के लिए किया जा सकता है। थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल का वोल्टेज और शक्ति आउटपुट थर्मोकपलों की संख्या, तापमान का अंतर, सीबेक गुणांक, और सामग्रियों की विद्युत और ऊष्मीय प्रतिरोध पर निर्भर करता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की दक्षता विद्युत शक्ति आउटपुट और ऊष्मा इनपुट के अनुपात के रूप में परिभाषित की जाती है। यह दक्षता कार्नोट दक्षता द्वारा सीमित होती है, जो किसी भी दो तापमानों के बीच के ऊष्मा इंजन के लिए अधिकतम संभावित दक्षता है। कार्नोट दक्षता दी गई है:

जहाँ Tc ठंडी तरफ का तापमान है, और Th गर्म तरफ का तापमान है।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की वास्तविक दक्षता कार्नोट दक्षता से बहुत कम होती है क्योंकि विभिन्न नुकसान जैसे जूल गर्मी, ऊष्मीय चालन, और ऊष्मीय विकिरण के कारण होता है। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की वास्तविक दक्षता थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के फिगर ऑफ मेरिट (ZT) पर निर्भर करती है, जो एक अविमापी पैरामीटर है जो सामग्रियों के थर्मोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगों के लिए प्रदर्शन मापता है। फिगर ऑफ मेरिट दी गई है:

जहाँ α सीबेक गुणांक है, σ विद्युत चालकता है, κ ऊष्मीय चालकता है, और T निरपेक्ष तापमान है।

फिगर ऑफ मेरिट जितना अधिक होगा, थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की दक्षता उतनी अधिक होगी। फिगर ऑफ मेरिट सामग्रियों के दोनों आंतरिक (जैसे इलेक्ट्रॉन और फोनॉन चालन) और बाह्य (जैसे डोपिंग स्तर और ज्यामिति) गुणों पर निर्भर करता है। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के अनुसंधान का लक्ष्य ऐसी सामग्रियाँ खोजना या डिजाइन करना है जिनका उच्च सीबेक गुणांक, उच्च विद्युत चालकता, और कम ऊष्मीय चालकता हो, जो अक्सर विरोधाभासी आवश्यकताएँ होती हैं।

आम सामग्रियाँ

• बिस्मथ टेल्यूराइड (Bi2Te3) और इसके मिश्र धातु

• लीड टेल्यूराइड (PbTe) और इसके मिश्र धातु

• स्कटरुडाइट्स

• हाफ-हेउस्लर यौगिक

अनुप्रयोग

• ठंडाकर उपकरण

• अपशिष्ट ऊष्मा से शक्ति उत्पादन

• रेडियोआइसोटोप से शक्ति उत्पादन

 चुनौतियाँ

• कम दक्षता

• उच्च लागत

• ऊष्मीय प्रबंधन

• सिस्टम एकीकरण

भविष्य की दिशाएँ

• नए थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री

• उन्नत थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल

• नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक सिस्टम

निष्कर्ष

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर वे उपकरण हैं जो सीबेक प्रभाव का उपयोग करके ऊष्मा ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित कर सकते हैं। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर राजभर विद्युत उत्पादन विधियों की तुलना में कई फायदे हैं, जैसे संक्षिप्तता, विश्वसनीयता, शांतता, और प्रत्यक्ष रूपांतरण। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर विभिन्न क्षेत्रों में विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं, जैसे ठंडाकर उपकरण, अपशिष्ट ऊष्मा से शक्ति उत्पादन, और रेडियोआइसोटोप से शक्ति उत्पादन। हालांकि, थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर को कुछ चुनौतियाँ और सीमाएँ हैं जिन्हें व्यावहारिक लागू करने के लिए दूर करना होगा, जैसे कम दक्षता, उच्च लागत, ऊष्मीय प्रबंधन, और सिस्टम एकीकरण। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर अनुसंधान और विकास के लिए भविष्य की दिशाएँ नए थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री, उन्नत थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, और नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक सिस्टम शामिल हैं। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर विभिन्न क्षेत्रों और परिस्थितियों में ऊर्जा रूपांतरण और हार्वेस्टिंग अनुप्रयोगों के लिए बड़ी संभावनाएँ हैं।