ژنراتور ترموالکتریک (TEG thermogenerator) یک دستگاه الکتریکی است که از اثرات Seebeck، Thomson و Peltier برای تولید برق از طریق thermo-EMF استفاده می کند. اثر ترمو-EMF توسط دانشمند آلمانی توماس یوهان سیبک (اثر سیبک) در سال 1821 کشف شد. در سال 1851، ویلیام تامسون (بعدها لرد کلوین) تحقیقات ترمودینامیکی را ادامه داد و ثابت کرد که منبع نیروی الکتروموتور (EMF) اختلاف دما است..
در سال 1834، مخترع و ساعت ساز فرانسوی ژان چارلز پلتیه دومین اثر ترموالکتریک را کشف کرد و دریافت که اختلاف دما در محل اتصال دو نوع مختلف مواد تحت تأثیر جریان الکتریکی (اثر پلتیه) رخ می دهد. به طور خاص، او پیش‌بینی کرد که وقتی اختلاف دما وجود داشته باشد، یک EMF در یک هادی منفرد ایجاد می‌شود.
در سال 1950، آبرام آیوف، آکادمیک و محقق روسی، خواص ترموالکتریکی نیمه هادی ها را کشف کرد. مولد برق ترموالکتریک شروع به استفاده درسیستم های منبع تغذیه مستقل در مناطق غیر قابل دسترس مطالعه فضای بیرونی، راهپیمایی فضایی انسان، انگیزه قدرتمندی به توسعه سریع مبدل های ترموالکتریک داد.
منبع انرژی رادیوایزوتوپ برای اولین بار در فضاپیماها و ایستگاه های مداری نصب شد. آنها شروع به استفاده در صنایع بزرگ نفت و گاز برای محافظت در برابر خوردگی خطوط لوله گاز، در کارهای تحقیقاتی در شمال دور، در زمینه پزشکی به عنوان ضربان ساز، و در مسکن به عنوان منابع منبع تغذیه مستقل می کنند.
اثر ترموالکتریک و انتقال حرارت در سیستم های الکترونیکی
ژنراتورهای ترموالکتریک، که اصل عملکرد آنها بر اساس استفاده پیچیده از اثر سه دانشمند (زیبک، تامسون، پلتیر) است، تقریباً ۱۵۰ سال پس از اکتشافاتی که بسیار جلوتر از زمان خود بودند، ساخته شدند.
اثر ترموالکتریک پدیده زیر است. برای خنک کردن یا تولید الکتریسیته از یک "ماژول" متشکل از جفت های متصل به برق استفاده می شود. هر جفت از مواد نیمه هادی p (S> 0) و n (S<0) تشکیل شده است. این دو ماده توسط یک هادی که توان ترموالکتریک آن صفر در نظر گرفته می شود به هم متصل می شوند. دو شاخه (p و n) و تمام جفت های دیگر که ماژول را تشکیل می دهند به صورت سری در مدار الکتریکی و به صورت موازی در مدار حرارتی متصل می شوند. TEG (ژنراتور ترموالکتریک) با این طرح، شرایطی را برای بهینه سازی جریان گرمایی که از ماژول عبور می کند، ایجاد می کند و بر آن غلبه می کند.مقاومت الکتریکی. جریان الکتریکی به گونه ای عمل می کند که حامل های بار (الکترون ها و سوراخ ها) از یک منبع سرد به یک منبع گرم (در مفهوم ترمودینامیکی) در دو شاخه از جفت حرکت می کنند. در عین حال، آنها به انتقال آنتروپی از یک منبع سرد به یک منبع گرم، به جریان گرمایی که در برابر هدایت گرما مقاومت می کند، کمک می کنند.
اگر مواد انتخاب شده دارای خواص ترموالکتریک خوبی باشند، این شار حرارتی ایجاد شده توسط حرکت حامل های بار بیشتر از هدایت حرارتی خواهد بود. بنابراین، سیستم گرما را از یک منبع سرد به منبع گرم منتقل می کند و به عنوان یک یخچال عمل می کند. در مورد تولید برق، جریان گرما باعث جابجایی حامل های بار و پیدایش جریان الکتریکی می شود. هرچه اختلاف دما بیشتر باشد، الکتریسیته بیشتری می توان به دست آورد.
کارایی TEG
بر اساس ضریب کارایی ارزیابی شد. قدرت یک ژنراتور ترموالکتریک به دو عامل مهم بستگی دارد:
- مقدار جریان گرمایی که می تواند با موفقیت در ماژول حرکت کند (جریان گرما).
- دلتاهای دما (DT) - اختلاف دما بین طرف گرم و سرد ژنراتور. هرچه دلتا بزرگتر باشد، کارآمدتر کار می کند، بنابراین، شرایط باید به طور سازنده فراهم شود، هم برای حداکثر تامین سرما و هم حداکثر حذف گرما از دیواره های ژنراتور.
اصطلاح "بازده ژنراتورهای ترموالکتریک" مشابه اصطلاحی است که برای همه انواع دیگر به کار می رود.موتورهای حرارتی تا کنون بسیار کم بوده و بیش از 17 درصد راندمان کارنو نیست. راندمان ژنراتور TEG با راندمان کارنو محدود می شود و در عمل حتی در دماهای بالا تنها به چند درصد (6-2%) می رسد. این به دلیل هدایت حرارتی کم در مواد نیمه هادی است که برای تولید برق کارآمد مناسب نیست. بنابراین، موادی با رسانایی حرارتی کم، اما در عین حال با بالاترین رسانایی الکتریکی ممکن مورد نیاز است.
نیمه هادی ها نسبت به فلزات کار بهتری انجام می دهند، اما هنوز با شاخص هایی که یک ژنراتور ترموالکتریک را به سطح تولید صنعتی می رساند (با حداقل ۱۵٪ استفاده از گرمای با دمای بالا) بسیار فاصله دارند. افزایش بیشتر راندمان TEG به خواص مواد ترموالکتریک (ترموالکتریک) بستگی دارد، که جستجوی آنها در حال حاضر توسط کل پتانسیل علمی سیاره اشغال شده است.
توسعه ترموالکتریک های جدید نسبتاً پیچیده و پرهزینه است، اما در صورت موفقیت آمیز بودن، یک انقلاب فنی در سیستم های تولید ایجاد خواهد کرد.
مواد ترموالکتریک
ترموالکتریک ها از آلیاژهای خاص یا ترکیبات نیمه هادی تشکیل شده اند. اخیراً از پلیمرهای رسانای الکتریکی برای خواص ترموالکتریک استفاده شده است.
نیازها برای ترموالکتریک:
- راندمان بالا به دلیل هدایت حرارتی کم و هدایت الکتریکی بالا، ضریب Seebeck بالا؛
- مقاومت در برابر دماهای بالا و ترمومکانیکیتاثیر؛
- دسترسی و ایمنی محیطی؛
- مقاومت در برابر لرزش و تغییرات ناگهانی دما؛
- ثبات بلند مدت و کم هزینه؛
- اتوماسیون فرآیند تولید.
در حال حاضر، آزمایش‌هایی برای انتخاب ترموکوپل‌های بهینه در حال انجام است که باعث افزایش راندمان TEG می‌شود. مواد نیمه هادی ترموالکتریک آلیاژی از تلورید و بیسموت است. این به طور ویژه برای ارائه بلوک ها یا عناصر جداگانه با ویژگی های مختلف "N" و "P" ساخته شده است.
مواد ترموالکتریک اغلب با کریستالیزاسیون جهت دار از متالورژی پودر مذاب یا فشرده ساخته می شوند. هر روش تولید مزیت خاص خود را دارد، اما مواد رشد جهت دار رایج ترین هستند. علاوه بر بیسموت تلوریت (Bi 2 Te 3)، مواد ترموالکتریک دیگری از جمله آلیاژهای سرب و تلوریت (PbTe)، سیلیکون و ژرمانیوم (SiGe)، بیسموت و آنتیموان (Bi-Sb) وجود دارد که می توان از آنها در موارد خاص استفاده کرد. موارد در حالی که ترموکوپل های بیسموت و تلوراید برای اکثر TEG ها بهترین هستند.
شأن TEG
مزایای ژنراتورهای ترموالکتریک:
- الکتریسیته در یک مدار بسته تک مرحله ای بدون استفاده از سیستم های انتقال پیچیده و استفاده از قطعات متحرک تولید می شود؛
- فقدان مایعات و گازهای در حال کار؛
- عدم انتشار مواد مضر، گرمای زباله و آلودگی صوتی محیط زیست؛
- عمر باتری طولانی دستگاهعملکرد؛
- استفاده از گرمای تلف شده (منابع گرمای ثانویه) برای صرفه جویی در منابع انرژی
- کار در هر موقعیتی از جسم، بدون توجه به محیط کار: فضا، آب، زمین؛
- تولید ولتاژ پایین DC;
- ایمنی اتصال کوتاه؛
- ماندگاری نامحدود، 100% آماده استفاده.
زمینه های کاربرد ژنراتور ترموالکتریک
مزایای TEG چشم انداز توسعه و آینده نزدیک آن را تعیین می کند:
- مطالعه اقیانوس و فضا؛
- کاربرد در انرژی های جایگزین کوچک (خانگی)؛
- استفاده از گرمای لوله های اگزوز خودرو؛
- در سیستم های بازیافت؛
- در سیستم های خنک کننده و تهویه مطبوع؛
- در سیستم های پمپ حرارتی برای گرم کردن فوری موتورهای دیزلی لوکوموتیوها و اتومبیل های دیزلی؛
- گرم کردن و پختن در شرایط مزرعه؛
- شارژ دستگاه های الکترونیکی و ساعت؛
- تغذیه دستبندهای حسی برای ورزشکاران.
مبدل پلتیه ترموالکتریک
عنصر Peltier (EP) یک مبدل ترموالکتریک است که با استفاده از اثر Peltier به همین نام، یکی از سه اثر ترموالکتریک (Seebeck و Thomson) کار می کند.
فرانسوی ژان چارلز پلتیه سیم های مس و بیسموت را به یکدیگر متصل کرد و آنها را به یک باتری متصل کرد، بنابراین یک جفت اتصال دوتایی ایجاد کرد.فلزات غیر مشابه وقتی باتری روشن می شد، یکی از اتصالات گرم می شد و دیگری خنک می شد.
دستگاه‌های افکت Peltier بسیار قابل اعتماد هستند زیرا فاقد قطعات متحرک هستند، نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند، گازهای مضر منتشر نمی‌کنند، فشرده هستند و بسته به جهت جریان دارای عملکرد دو جهته (گرمایش و سرمایش) هستند.
متاسفانه آنها ناکارآمد هستند، راندمان پایینی دارند، گرمای بسیار زیادی را منتشر می کنند که نیاز به تهویه اضافی دارد و هزینه دستگاه را افزایش می دهد. چنین دستگاه هایی برق بسیار زیادی مصرف می کنند و ممکن است باعث گرم شدن بیش از حد یا میعان شوند. عناصر Peltier بزرگتر از 60 میلی متر در 60 میلی متر تقریباً هرگز یافت نمی شوند.
دامنه ES
معرفی فناوری های پیشرفته در تولید ترموالکتریک منجر به کاهش هزینه تولید EP و گسترش دسترسی به بازار شده است.
امروز EP به طور گسترده استفاده می شود:
- در کولرهای قابل حمل، برای خنک کردن لوازم کوچک و قطعات الکترونیکی؛
- در رطوبت‌گیرها برای استخراج آب از هوا؛
- در فضاپیما برای متعادل کردن اثر نور مستقیم خورشید در یک طرف کشتی در حالی که گرما را به طرف دیگر پخش می کند؛
- برای خنک کردن آشکارسازهای فوتون تلسکوپ های نجومی و دوربین های دیجیتال با کیفیت بالا برای به حداقل رساندن خطاهای رصدی ناشی از گرمای بیش از حد؛
- برای خنک کردن اجزای کامپیوتر.
اخیراً به طور گسترده برای مصارف خانگی استفاده شده است:
- در دستگاه‌های خنک‌تر که از پورت USB برای خنک کردن یا گرم کردن نوشیدنی‌ها استفاده می‌کنند؛
- به صورت مرحله اضافی خنک‌سازی یخچال‌های تراکمی با کاهش دما تا -۸۰ درجه برای خنک‌سازی یک مرحله‌ای و تا -۱۲۰- برای دو مرحله‌ای؛
- در خودروها برای ایجاد یخچال یا بخاری مستقل.
چین تولید عناصر Peltier اصلاحات TEC1-12705، TEC1-12706، TEC1-12715 تا سقف 7 یورو را راه اندازی کرده است که می تواند برق تا 200 وات را طبق طرح های "گرما-سرد" تامین کند. با طول عمر حداکثر 200000 ساعت کار در منطقه دمایی 30- تا 138 درجه سانتیگراد.
باتری های هسته ای RITEG
ژنراتور ترموالکتریک رادیو ایزوتوپی (RTG) وسیله ای است که از ترموکوپل ها برای تبدیل گرمای حاصل از تجزیه مواد رادیواکتیو به الکتریسیته استفاده می کند. این ژنراتور هیچ قطعه متحرکی ندارد. RITEG به عنوان منبع انرژی در ماهواره ها، فضاپیماها، تاسیسات فانوس دریایی از راه دور ساخته شده توسط اتحاد جماهیر شوروی برای دایره قطب شمال استفاده شد.
RTG ها معمولاً ترجیح داده شده ترین منبع تغذیه برای دستگاه هایی هستند که به چند صد وات توان نیاز دارند. در سلول‌های سوختی، باتری‌ها یا ژنراتورهایی که در مکان‌هایی نصب می‌شوند که سلول‌های خورشیدی ناکارآمد هستند. یک ژنراتور ترموالکتریک ایزوتوپی رادیو ایزوتوپ نیاز به کنترل دقیق ایزوتوپ رادیویی داردمدت طولانی پس از پایان عمر مفید آن.
در روسیه حدود 1000 RTG وجود دارد که عمدتاً برای منابع برق در وسایل دوربرد استفاده می شد: فانوس دریایی، چراغ های رادیویی و سایر تجهیزات رادیویی ویژه. اولین RTG فضایی در پلونیوم-210 Limon-1 در سال 1962 بود، سپس Orion-1 با قدرت 20 وات بود. آخرین اصلاح روی ماهواره های Strela-1 و Kosmos-84/90 نصب شد. Lunokhods-1، 2 و Mars-96 از RTG در سیستم های گرمایشی خود استفاده کردند.
دستگاه ژنراتور ترموالکتریک DIY
چنین فرآیندهای پیچیده ای که در TEG اتفاق می افتد مانع از تمایل "کولیبین ها" محلی برای پیوستن به فرآیند علمی و فنی جهانی برای ایجاد TEG نمی شود. استفاده از TEG های خانگی برای مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته است. در طول جنگ بزرگ میهنی، پارتیزان ها یک ژنراتور ترموالکتریک جهانی ساختند. برای شارژ رادیو برق تولید می کرد.
با ظهور عناصر Peltier در بازار با قیمت های مقرون به صرفه برای مصرف کننده خانگی، می توانید خودتان با دنبال کردن مراحل زیر یک TEG درست کنید.
- دو هیت سینک از فروشگاه فناوری اطلاعات تهیه کنید و خمیر حرارتی بمالید. دومی اتصال عنصر Peltier را تسهیل می کند.
- رادیاتورها را با هر عایق حرارتی جدا کنید.
- یک سوراخ در عایق ایجاد کنید تا عنصر پلتیه و سیم‌ها را در خود جای دهد.
- ساختار را جمع کنید و منبع گرما (شمع) را به یکی از رادیاتورها بیاورید. هرچه گرمایش طولانی‌تر باشد، جریان بیشتری از ترموالکتریک خانه تولید می‌شودژنراتور.
این دستگاه بی صدا کار می کند و وزن کمی دارد. ژنراتور ترموالکتریک ic2، با توجه به اندازه، می تواند شارژر تلفن همراه را متصل کند، رادیوی کوچک را روشن کند و نور LED را روشن کند.
در حال حاضر، بسیاری از تولیدکنندگان شناخته شده جهانی، تولید گجت های مختلف و مقرون به صرفه را با استفاده از TEG برای علاقه مندان به خودرو و مسافران راه اندازی کرده اند.
چشم انداز توسعه تولید ترموالکتریک
انتظار می رود تقاضا برای مصرف خانگی TEG تا 14 درصد رشد کند. چشم انداز توسعه تولید ترموالکتریک توسط Market Research Future با انتشار مقاله "گزارش تحقیقاتی بازار ژنراتورهای ترموالکتریک جهانی - پیش بینی تا سال 2022" - تحلیل بازار، حجم، سهم، پیشرفت، روندها و پیش بینی ها منتشر شد. این گزارش وعده TEG را در بازیافت ضایعات خودرو و تولید همزمان برق و گرما برای تأسیسات خانگی و صنعتی تأیید می کند.
از نظر جغرافیایی، بازار جهانی ژنراتورهای ترموالکتریک به آمریکا، اروپا، آسیا و اقیانوسیه، هند و آفریقا تقسیم شده است. آسیا و اقیانوسیه سریع ترین بخش در حال رشد در اجرای بازار TEG در نظر گرفته می شود.
در میان این مناطق، آمریکا، به گفته کارشناسان، منبع اصلی درآمد در بازار جهانی TEG است. انتظار می رود افزایش تقاضا برای انرژی پاک باعث افزایش تقاضا در آمریکا شود.
اروپا نیز در طول دوره پیش بینی رشد نسبتا سریعی را نشان خواهد داد. هند و چین این کار را خواهند کردافزایش مصرف با سرعت قابل توجهی به دلیل افزایش تقاضا برای وسایل نقلیه که منجر به رشد بازار ژنراتور می شود.
شرکت‌های خودروسازی مانند فولکس واگن، فورد، بی‌ام‌و و ولوو، با همکاری ناسا، توسعه مینیTEGها را برای سیستم بازیابی گرما و مصرف سوخت در خودروها آغاز کرده‌اند.
