ترموالکتریک چیست؟ تولید برق با ترموالکتریک + اثر سیبک

در این مطلب با ترموالکتریک (گرما برقی) و نحوه تولید برق با استفاده از ترمو الکتریک آشنا میشویم.

ژنراتور ترموالکتریک چگونه کار میکند؟

ژنراتور های ترموالکتریک (TEG) دستگاه های نیمه هادی حالت جامد هستند که اختلاف دما و جریان گرما را به یک منبع انرژی DC مفید تبدیل می کنند. دستگاه های نیمه هادی ژنراتور ترموالکتریک از اثر سیبک (Seebeck) برای تولید ولتاژ استفاده می کنند. این ولتاژ تولید شده جریان الکتریکی را به حرکت در می آورد و توان مفیدی را تولید می کند.

ماژول ژنراتور گرما برقی

ژنراتور ترموالکتریک (گرما برقی) با کولر ترموالکتریک یکسان نیست. (کولر ترمو الکتریک همچنین به عنوان TEC، ماژول Peltier، تراشه های خنک کننده، خنک کننده حالت جامد نیز شناخته می شود)

یک کولر ترموالکتریک برعکس یک ژنراتور ترموالکتریک کار می کند. هنگامی که یک ولتاژ به کولر ترموالکتریک اعمال می شود، جریان الکتریکی تولید می شود. این جریان اثر پلتیر را القا می کند. با این اثر گرما از سمت سرد به سمت گرم منتقل می شود. خنک کننده ترموالکتریک نیز یک دستگاه نیمه هادی حالت جامد است. اجزای سازنده همان ژنراتور گرما برقی هستند اما طراحی اجزا در بیشتر موارد متفاوت است.

در حالی که از ژنراتورهای ترموالکتریک برای تولید برق استفاده می شود، خنک کننده های گرما برقی (کولرهای Peltier) برای حذف یا اضافه کردن گرما استفاده می شوند. سرمایش گرما برقی کاربردهای زیادی در سرمایش، گرمایش، تبرید، کنترل دما و مدیریت حرارتی دارد.

فیلم کارکرد ژنراتور ترموالکتریک با شمع:

چگونه ژنراتور ترموالکتریک از اثر سیبک استفاده میکند؟

بلوک اصلی سازنده یک ژنراتور ترموالکتریک یک ترموکوپل است. ترموکوپل از یک نیمه هادی نوع p و یک نیمه هادی نوع n تشکیل شده است. نیمه هادی ها توسط یک نوار فلزی به هم متصل می شوند که آنها را به صورت الکتریکی به صورت سری به هم متصل می کند. نیمه هادی ها به عنوان عناصر حرارتی، تاس یا گلوله نیز شناخته می شوند.

اثر سیبک تبدیل مستقیم انرژی گرما به ولتاژ است. اثر Seebeck به دلیل حرکت حامل های بار در نیمه هادی ها رخ می دهد. در نیمه هادی های دوپینگ نوع n، حامل های بار الکترون ها و در نیمه هادی های دوپ شده نوع p، حامل های بار سوراخ هستند. حامل های شارژ از سمت داغ نیمه هادی دور می شوند. این انتشار منجر به تجمع حامل های بار در یک انتها می شود. این تجمع بار پتانسیل ولتاژی را ایجاد می کند که به طور مستقیم با اختلاف دما در سراسر نیمه هادی متناسب است.

مواد نیمه هادی در ژنراتور های ترمو الکتریک

معمولاً از سه ماده برای ژنراتور های ترموالکتریک استفاده می شود. این مواد عبارتند از: تلورید بیسموت (Bi2Te3)، تلورید سرب (PbTe) و سیلیکون ژرمانیوم (SiGe). اینکه کدام ماده استفاده می شود به ویژگی های منبع گرما، سینک سرد و طراحی ژنراتور گرما برقی بستگی دارد. بسیاری از مواد برای ژنراتور ترموالکتریک در حال حاضر تحت تحقیق هستند اما تجاری نشده اند.

ژنراتور ترموالکتریک چیست؟

برای ایجاد یک ماژول ژنراتور ترموالکتریک، بسیاری از زوج های نوع p و نوع n به صورت سری و یا موازی به صورت الکتریکی متصل می شوند تا جریان و ولتاژ الکتریکی مورد نظر ایجاد شود. زوج ها بین دو صفحه سرامیکی موازی قرار می گیرند. صفحات استحکام ساختاری، یک سطح صاف برای نصب و یک لایه دی الکتریک برای جلوگیری از اتصال کوتاه الکتریکی ایجاد می کنند.

چه کسی اثر سیبک را کشف کرد؟

تا همین اواخر تصور می شد که توماس سیبک چیزی را کشف کرده است که امروزه به عنوان اثر سیبک شناخته می شود. اکنون اعتقاد بر این است که الساندرو ولتا اثر سیبک را 27 سال قبل از توماس سیبک کشف کرد. این کشف بیش از 200 سال قبل از نوشتن این مقاله اتفاق افتاده است.

در سال 1794، الساندرو ولتا آزمایش‌ هایی انجام داد که در آن میله‌ ای آهنی را به شکل U درآورد. یک سر میله با فرو بردن آن در آب جوش گرم می شد. هنگامی که میله گرم شده غیر یکنواخت به صورت الکتریکی به پای قورباغه ای که دیگر زنده نیست وصل شد، جریانی از پای قورباغه عبور کرد و ماهیچه ها منقبض شدند. اعتقاد بر این است که این اولین نمایش از اثر سیبک است.

در سال 1821، توماس سیبک متوجه شد که هنگامی که یکی از اتصالات دو فلز غیر مشابه گرم می شود، سوزن قطب نما نزدیک به آن می چرخد. در ابتدا این اثر حرارت مغناطیسی نامیده می شد. بعد ها مشخص شد که یک ولتاژ و در نتیجه یک جریان توسط گرمایش اتصال القا می شود. جریان یک میدان مغناطیسی با قانون آمپر ایجاد کرد. این ولتاژ ناشی از گرمایش اتصال به عنوان اثر سیبک شناخته شد.

اولین ژنراتور ترموالکتریک چه زمانی ساخته شد؟

قدمت ژنراتورهای گرما برقی به اوایل دهه 1800 باز می گردد. بسیاری از طرح های مختلف از آن زمان توسعه یافته اند.

مزایای ترموالکتریک

• قابلیت اطمینان: ژنراتورهای ترموالکتریک دستگاه های حالت جامد هستند. نداشتن قطعات متحرک برای شکستن یا فرسودگی آنها را بسیار قابل اعتماد می کند. ژنراتورهای ترموالکتریک می توانند مدت زمان زیادی کار کنند. ژنراتور ترموالکتریک فضاپیمای وویجر 1، تا زمان نگارش این مقاله، +40 سال است که عملیاتی شده است. بیش از 13 میلیارد مایل را بدون هیچ گونه تعمیر و نگهداری طی کرده است.
• بی صدا: ژنراتورهای ترموالکتریک را می توان طوری طراحی کرد که کاملا بی صدا باشند.
• بدون گازهای گلخانه ای: ژنراتورهای ترموالکتریک برای کار کردن نیازی به گازهای گلخانه ای ندارند.
• طیف گسترده ای از منابع سوخت: ژنراتورهای گرما برقی محدودیتی برای سوخت هایی که می توان برای تولید گرمای مورد نیاز استفاده کرد ندارند.
  مقیاس پذیری: ژنراتور های ترموالکتریک را می توان به گونه ای طراحی کرد که سطوح توان خروجی کمتر از میکرووات و بزرگتر از کیلووات تولید کنند.
• قابل نصب در هر جهت: ژنراتورهای ترموالکتریک در هر جهتی کار می کنند. برخی از فناوری های تبدیل انرژی به جهت گیری خود نسبت به گرانش حساس هستند.
• عملکرد تحت نیروهای G بالا و صفر: ژنراتورهای ترموالکتریک می توانند تحت شرایط G یا G بالا کار کنند. برخی دیگر از فناوری های تبدیل انرژی نمی توانند.
• تبدیل مستقیم انرژی: ژنراتورهای ترموالکتریک گرما را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کنند. بسیاری از فناوری های تبدیل انرژی به مراحل میانی هنگام تبدیل گرما به برق نیاز دارند. به عنوان مثال، انرژی گرمایی از سوخت در یک توربین به انرژی مکانیکی تبدیل می شود، سپس انرژی مکانیکی در یک ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می شود. هر مرحله تبدیل انرژی، مقداری از انرژی را هدر میدهد. این امر باعث می شود که ژنراتورهای ترموالکتریک از نظر مکانیکی جمع و جور تر از سایر فناوری های تبدیل انرژی باشند.
• اندازه فشرده: ژنراتورهای ترموالکتریک را می توان بسیار فشرده طراحی کرد. این منجر به انعطاف پذیری بیشتر در طراحی می شود.

معایب ژنراتور ترموالکتریک چیست؟

ژنراتورهای ترموالکتریک نسبت به سایر فناوری های تبدیل انرژی کارایی کمتری دارند. این بدان معناست که برای همان مقدار انرژی حرارتی (گرما) ورودی به ژنراتور، مقدار کمتری از آن گرما به برق تبدیل می شود. برای کاربردهایی مانند بازیابی گرمای اتلاف که در آن گرما رایگان است، این موضوع کمتر نگران کننده است.

ژنراتورهای ترموالکتریک می توانند هزینه اولیه بالاتری به ازای هر وات توان الکتریکی خروجی نسبت به برخی فناوری های تبدیل انرژی برای برخی کاربردها داشته باشند. با این حال، هزینه طول عمر در هر وات می تواند کمتر باشد. هزینه اولیه یک ژنراتور ترموالکتریک مستهلک شده در طول عمر طولانی یک ژنراتور ترموالکتریک می تواند هزینه طول عمر را نسبت به سایر فناوری ها، بسته به کاربرد، کاهش دهد. عدم هزینه نگهداری عامل دیگری است که هزینه طول عمر یک ژنراتور ترموالکتریک را کاهش می دهد.

اطلاعات علمی زیادی برای تولید ماژول ژنراتور ترموالکتریک موجود است. با این حال، یک نقطه ضعف این است که تخصص طراحی و مهندسی مورد نیاز برای اعمال موثر ژنراتور های ترموالکتریک در یک برنامه کاربردی نادر است. این امر به دلیل کاربردهایی که منجر به راندمان پایین تر و هزینه بالا می شود، از پذیرش گسترده تر جلوگیری می کند.

علیرغم معایب، ژنراتورهای ترموالکتریک هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا مزایای زیادی دارند که سایر فناوری های تبدیل انرژی ندارند.

کاربرد ترموالکتریک

طیف وسیعی از کاربردهای ژنراتور ترموالکتریک وجود دارد. کاربردهای ژنراتور گرما برقی را می توان بر اساس منبع گرمایی که برای تولید نیروی الکتریکی استفاده می شود طبقه بندی کرد.

منابع حرارتی رایج برای ژنراتور گرما برقی

واپاشی رادیواکتیو

• پلوتونیوم-238

گرمای اتلاف

• اگزوز خودرو
• ریخته گری فولاد
• اجاق های چوبی
• شمع ها
• لوله های آب گرم
• پانل های فتوولتائیک خورشیدی
• الکترونیک

گرمای بدن
منابع تجدید پذیر

• گرمای زمین
• حرارت خورشید

احتراق

• هر منبع سوخت، احتراق داخلی یا خارجی
• یک ژنراتور ترموالکتریک خودرو
• ژنراتور ترموالکتریک برای اگزوز خودرو

دسته بندی کاربرد ترموالکتریک

1. محیط های دور

ژنراتورهای ترموالکتریک اغلب برای کاربردهایی استفاده می شوند که در آن به برق در محیط های دور نیاز است. از آنجایی که ژنراتورهای ترموالکتریک فاقد قطعات متحرک هستند، بسیار قابل اعتماد هستند. این قابلیت اطمینان باعث میشود ژنراتورهای گرما برقی برای جاهای دور عالی باشند. در این مکان ها گاهی اوقات منبع رادیولوژیکی مانند پلوتونیوم-238 استفاده می شود.

برخی از این نوع کاربردها عبارتند از فضاپیما، مریخ نوردها، نیروگاه های قمری، تولید برق در قطب جنوب، شناورهای نوری چشمک زن، فانوس های دریایی و ضربان سازهای هسته ای. سایر محیط‌ های دور که در آن ژنراتورهای ترموالکتریک استفاده می‌شوند عبارتند از، سر چاه، سکوهای دریایی، خطوط لوله (نفت، گاز، آب)، سایت‌های مخابراتی و کمک‌های ناوبری. این برنامه‌ها معمولاً از منابع گرمایی غیر از رادیولوژیک استفاده می‌کنند.

2. بازیابی حرارت تلف شده

گرمای تلف شده به عنوان گرمای از دست رفته برای محیط تعریف می شود. این گرما محصول جانبی هر فرآیند تبدیل انرژی است. نمونه هایی از فرآیندهای تبدیل انرژی عبارتند از، تبدیل انرژی شیمیایی در بنزین به انرژی حرارتی و انرژی حرارتی به نیروی مکانیکی در یک موتور احتراقی. هر بار که انرژی به شکل دیگری تبدیل می شود، گرما به محیط داده میشود. استفاده از سوخت های فسیلی باعث می شود تا ۷۲ درصد از انرژی سوخت های فسیلی برای هیچ فرآیند مفیدی استفاده نشود. این گرما در محیط پراکنده یا تلف می شود.

بازیابی این گرمای هدر رفته هر فرآیند تبدیل را کارآمدتر می کند. این بدان معناست که سوخت کمتری برای تولید توان خروجی یکسان مورد نیاز است یا همان مقدار سوخت قدرت بیشتری تولید خواهد کرد. ژنراتورهای ترموالکتریک برای بازیابی و استفاده از گرمای تلف شده از اگزوز خودرو، ریخته گری فولاد، اجاق های چوبی، مشعل های گاز، شمع ها، لوله های آب گرم، پانل های فتوولتائیک خورشیدی و لوازم الکترونیکی استفاده میشود.

3. برداشت انرژی از گرمای بدن

برخی از کاربردهای گرما برقی شامل شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) برای نظارت بر محیط‌زیست، برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا (IoT) کم مصرف، ساعت‌های مچی که با انرژی حرارتی بدن تغذیه میشوند، چراغ قوه‌های حرارت بدن و حسگرهای پزشکی با انرژی حرارتی بدن هستند.

4. حرارت و برق ترکیبی (CHP)

گرما و توان ترکیبی یا CHP (همچنین به عنوان تولید همزمان شناخته می شود) عمل تولید برق از منبع گرما و استفاده از گرمای اتلاف حاصل از فرآیند تبدیل انرژی برای تامین نوعی گرمایش برای پخت و پز، گرمایش فضا یا پیش گرمایش است. این کار منجر به بازده انرژی بسیار بالایی می شود زیرا بیشتر گرمایی که معمولاً هدر می رود برای اهداف مفیدی استفاده می شود.

برخی از نمونه‌های کاربرد ژنراتور ترموالکتریک عبارتند از اجاق‌های آشپزی زیست توده، اجاق‌های کمپینگ و گریل

5. حرارت خورشیدی

کاربرد حرارت خورشیدی از انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند که روی یک ژنراتور ترموالکتریک در دماهای بسیار بالا متمرکز می‌شود. از هوای محیط برای هیت سینک استفاده می شود. دلتای دمای بالا راندمان تبدیل انرژی ژنراتور گرما برقی را بهبود می بخشد.

تولید برق با ترمو الکتریک

ماژول‌های ژنراتور گرما برقی را می‌توان به آسانی خریداری کرد. این ماژول ها برای هیچ کاربرد خاصی طراحی نشده اند. بلکه آنها یک محصول برای همگان هستند. این ماژول های ترموالکتریک ساده و کاربردی به نظر می رسند. با این حال، ظاهر ساده می تواند منجر به عملکرد بسیار ضعیف و هزینه بالا شود. بدون داشتن سطح بالایی از دانش کاربردی و تخصص مهندسی، این ماژول ها توان خروجی بسیار کمی تولید می کنند.

با اعمال برخی قوانین سرانگشتی و مونتاژ قطعات در کنار هم، اکثر علاقمندان یک خروجی الکتریکی کوچک از یک ژنراتور گرما برقی دریافت می کنند. با این حال، برای محصولات و برنامه های کاربردی واقعی، راه حل های سطح سیستم مهندسی شده مورد نیاز است. بدون راه حل مهندسی شده، ماه ها یا سال ها آزمون و خطا معمولاً به محصولی منجر می شود که توان بسیار کمی تولید می کند و یا هزینه زیادی دارد.

یکی از ابزارهایی که می توان برای تایید طراحی یک ژنراتور ترموالکتریک استفاده کرد، مدل سازی و شبیه سازی است. تحقیقات اخیر مدل سازی ژنراتور گرما برقی به طور قابل توجهی دقت و سرعت مدل سازی ژنراتور ترموالکتریک را بهبود بخشیده است.

مزایای مدلسازی و شبیه سازی مولد ترمو الکتریک

صرفه جویی در هزینه

• هزینه کمتر محصول یا پروژه
• مشکلات طراحی زودتر برطرف میشود

صرفه جویی عظیم در زمان

• کاهش چرخه توسعه محصول
• طراحی با نمونه سازی و آزمایش بسیار وقت گیر است

طراحی بهتر محصول

• فروش بیشتر، مشتریان تکراری و بررسی بهتر محصول

معایب بهبود مدلسازی و شبیه سازی

• تخصص مدل سازی ژنراتور ترموالکتریک (TEG) موجود رایج نیست
• هزینه اولیه بالاتر اما به طور کلی صرفه جویی در هزینه
• بدون رویکرد استاندارد برای هر پروژه متفاوت است
• یک شبیه سازی نمی تواند مسائل را به تنهایی حل کند. تفسیر انسانی مورد نیاز است

توان تولیدی مولد ترمو الکتریک

ژنراتورهای ترموالکتریک کاملاً مقیاس پذیر از میکرووات تا کیلووات و فراتر از آن هستند. مقدار توان تولیدی به ویژگی های منبع گرما، سینک سرد و طراحی ژنراتور گرما برقی بستگی دارد.