อะไรคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากความร้อนไฟฟ้า

อะไรคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก?

คำนิยามของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก (TEG) เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ผลซีบีค ผลซีบีคคือปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสองคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันหรือวงจรของคอนดักเตอร์ ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้า TEGs เป็นอุปกรณ์แบบโซลิดสเตทที่ไม่มีส่วนเคลื่อนไหวและสามารถทำงานอย่างเงียบและเชื่อถือได้เป็นเวลานาน TEGs สามารถใช้ในการเก็บพลังงานความร้อนที่เหลือจากแหล่งต่างๆ เช่น กระบวนการอุตสาหกรรม รถยนต์ โรงไฟฟ้า และแม้กระทั่งความร้อนจากร่างกายมนุษย์ และแปลงเป็นไฟฟ้าที่มีประโยชน์ TEGs ยังสามารถใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้แก่อุปกรณ์ที่อยู่ไกล เช่น เซ็นเซอร์ ทรานสมิทเตอร์ไร้สาย และยานอวกาศ โดยใช้รังสีไอโซโทปหรือความร้อนจากแสงอาทิตย์เป็นแหล่งความร้อน

หลักการทำงาน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกประกอบด้วยสองส่วนหลัก: วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกและโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกคือวัสดุที่แสดงผลซีบีค สร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิ วัสดุดังกล่าวแบ่งออกเป็นสองประเภท: n-type และ p-type วัสดุ n-type มีอิเล็กตรอนเพิ่มเติม ในขณะที่วัสดุ p-type ขาดแคลนอิเล็กตรอน เมื่อเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดโลหะในชุด วัสดุดังกล่าวจะสร้างเทอร์โมคัพเปิ้ล ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก

โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกคืออุปกรณ์ที่มีเทอร์โมคัพเปิ้ลหลายตัวเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าแบบอนุกรมและทางความร้อนแบบขนาน โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกมีสองด้าน: ด้านร้อนและด้านเย็น เมื่อด้านร้อนถูกวางไว้บนแหล่งความร้อนและด้านเย็นถูกวางไว้บนแหล่งความร้อนที่ลดลง จะเกิดความแตกต่างของอุณหภูมิผ่านโมดูล ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจร กระแสไฟฟ้าสามารถใช้จ่ายพลังงานให้แก่โหลดภายนอกหรือชาร์จแบตเตอรี่ แรงดันและกำลังไฟฟ้าที่ออกมาจากโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับจำนวนเทอร์โมคัพเปิ้ล ความแตกต่างของอุณหภูมิ ค่าสัมประสิทธิ์ซีบีค และความต้านทานไฟฟ้าและความร้อนของวัสดุ

ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกกำหนดเป็นอัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าที่ออกมาจากพลังงานความร้อนที่ใส่เข้าไป ประสิทธิภาพนี้ถูกจำกัดโดยประสิทธิภาพคาร์โนต์ ซึ่งเป็นประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ ระหว่างสองอุณหภูมิ ประสิทธิภาพคาร์โนต์กำหนดโดย:

ที่ Tc คืออุณหภูมิของด้านเย็น และ Th คืออุณหภูมิของด้านร้อน

ประสิทธิภาพจริงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกต่ำกว่าประสิทธิภาพคาร์โนต์มากเนื่องจากการสูญเสียต่าง ๆ เช่น การทำความร้อนแบบโจล การนำความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ประสิทธิภาพจริงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับค่า ZT ของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ไร้มิติที่วัดสมรรถนะของวัสดุสำหรับการใช้งานเทอร์โมอิเล็กทริก ค่า ZT กำหนดโดย:

ที่ α คือค่าสัมประสิทธิ์ซีบีค σ คือความต้านทานไฟฟ้า κ คือความต้านทานความร้อน และ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์

ค่า ZT ที่สูงขึ้น ประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจะสูงขึ้น ค่า ZT ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติภายใน (เช่น การขนส่งอิเล็กตรอนและโฟนอน) และคุณสมบัติภายนอก (เช่น ระดับการด๊อปปิ้งและเรขาคณิต) ของวัสดุ จุดมุ่งหมายของการวิจัยวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกคือการค้นหาหรือออกแบบวัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์ซีบีคสูง ความต้านทานไฟฟ้าสูง และความต้านทานความร้อนต่ำ ซึ่งเป็นข้อกำหนดที่มักขัดแย้งกัน

วัสดุที่พบบ่อย

• ไบซัมทอลเทลูไรด์ (Bi2Te3) และสารประกอบของมัน

• ลีดเทลูไรด์ (PbTe) และสารประกอบของมัน

• สกัตเทอรูไดต์

• สารประกอบฮาล์ฟ-ฮูสลเลอร์

การประยุกต์ใช้

• อุปกรณ์ทำความเย็น

• การผลิตไฟฟ้าจากความร้อนที่เหลือ

• การผลิตไฟฟ้าจากรังสีไอโซโทป

 ความท้าทาย

• ประสิทธิภาพต่ำ

• ต้นทุนสูง

• การจัดการความร้อน

• การรวมระบบ

ทิศทางในอนาคต

• วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกใหม่

• โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกขั้นสูง

• ระบบเทอร์โมอิเล็กทริกนวัตกรรม

สรุป

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกเป็นอุปกรณ์ที่สามารถแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ผลซีบีค เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกมีข้อดีเหนือวิธีการผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิม เช่น ขนาดเล็ก ความน่าเชื่อถือ ไม่มีเสียง และการแปลงโดยตรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกมีการประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขา เช่น อุปกรณ์ทำความเย็น การผลิตไฟฟ้าจากความร้อนที่เหลือ และการผลิตไฟฟ้าจากรังสีไอโซโทป อย่างไรก็ตาม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกยังเผชิญกับความท้าทายและข้อจำกัดบางอย่างที่ต้องแก้ไขเพื่อการใช้งานจริง เช่น ประสิทธิภาพต่ำ ต้นทุนสูง การจัดการความร้อน และการรวมระบบ ทิศทางในอนาคตของการวิจัยและพัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกรวมถึงวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกใหม่ โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกขั้นสูง และระบบเทอร์โมอิเล็กทริกนวัตกรรม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกมีศักยภาพสูงในการแปลงและเก็บพลังงานในหลายภาคส่วนและสถานการณ์