در مجله قبلی از ترموالکتریک، به آشنایی با این پدیده و تکنولوژی، مفاهیم پایه و اساسی و همچنین کاربردهای آن پرداختیم. در این قسمت هم، بصورت جزئی وار قصد داریم به مباحث مربوط به یکی از کاربردهای بسیار مهم ترموالکتریک که ژنراتور ترموالکتریک نامیده میشود بپردازیم. ژنراتور ترموالکتریک یا مولد ترموالکتریک نوعی از ترموالکتریک ها محسوب میشود که بصورت مستقیم میتوانید از انرژی گرمایی استفاده کرده و به الکتریسیته یا جریان الکتریکی تبدیل اش کند.
ترموالکتریک ها با نام های دیگری نیز شناخته می شوند. برخی از این نام ها عبارتند از:
- کولر یا خنک کننده Peltier
- صفحات Peltier
- کاشی های Peltier
- عناصر Peltier
- ماژول های Peltier و تراشه های Peltier
انواع ترموالکتریک ها
- ترموالکتریک های مولد (ژنراتور)
کارکرد بر اساس اثر سیبک
- ترموالکتریک های سرمایشی/گرمایشی
کارکرد بر اساس اثر پلتیر
ساختار ترموالکتریک ها
امروزه، به جای استفاده از دو فلز نا مشابه همچون سالهای 1800، از زوج نیمه هادی های متصل به فلزات استفاده میشود. عنصر اصلی ساختار ترموالکتریک، یک زوج نیمه هادی است که یک نیمه هادی از نوع n و دیگری نوع p به اتصالات مسی لحیم می شوند.
شماتیکی از ماژول ترموالکتریک (TEG) یا ژنراتور ترموالکتریک
نحوه کارکرد ترموالکتریک
دو اثر حرارتی (Seebeck و Peltier) به دلیل حرکات حامل های بار در مواد ترموالکتریک رخ می دهد. در مواد نوع n یا (negative)، حامل های بار الکترون هستند. در مواد از نوع p به حامل های بار حفره گفته می شود. سوراخ ها جای خالی یک ساختار بلوری است که یک الکترون می تواند آن را اشغال کند. بلوک های نیمه هادی p و n از نظر الکتریکی به صورت سری و از نظر حرارتی به طور موازی به یکدیگر متصل می شوند. نوار فلزی به عنوان محل اتصال بین دو نیمه هادی عمل می کند.
- با اثر سیبک، حامل های بار از انتهای گرم تر پخش می شوند. با تجمع بار در انتهای سرد اختلاف پتانسیل ایجاد می کند. این پتانسیل ولتاژ جریان را در مدار تکمیل شده تولید کرده و توان تولید می کند.
- با اثر پلتیر، به جای داشتن بار مقاومت در مدار، از منبع جریان مستقیم در جای خود استفاده می شود تا حامل های بار را با استفاده از یک میدان الکتریکی حرکت دهد. وقتی این حامل های بار حرکت می کنند، گرما را با خود می برند. به طور واضح تر، الکترونهایی که به یک سطح انرژی بالاتر می روند گرما را جذب می کنند و الکترونهایی که به سطح انرژی کمتری می روند گرما را آزاد می کنند. از این حرکت حامل های بار می توان برای “پمپاژ” گرما در مقابل جهت طبیعی حرکتی که ایجاد می کند برای تولید سرمایش و گرمایش استفاده کرد.
هر دو اثر قابل احترام است. به عنوان مثال، اگر سمت گرم و سمت سرد یک ژنراتور ترموالکتریک عوض شود، جهت جریان جریان معکوس می شود. با یک کولر ترموالکتریک، اگر جهت جریان عوض شود، طرف گرم سرد و طرف سرد گرم می شود.
لازم به ذکر است که اثر پلتیر در اثر سیبک اتفاق می افتد و اثر سیبک در اثر پلتیر، با این وجود اگرچه این اثرات از نظر اثر انگل هستند اما بر آن غلبه نخواهد کرد.
مکانیزم کارکرد ترموالکتریک با اثر سیبک و پلتیر
مکانیزم کارکرد از لحاظ دید ترمودینامیکی
برای اثر سیبک، گرمای Qh از منبع حرارتی با دمای بالا به نقطه اتصال داغ منتقل میشود و گرمای QL از نقطه اتصال سرد به منبع حرارتی با دمای پایین، انتقال مییابد. اختلاف بین این دو مقدار گرما، برابر با کار خالص الکتریکی تولید شده است و با رابطه W=Qh-QL نشان داده میشود. همانطور که در شکل نیز نشان داده شده است، چرخه توان ترموالکتریک را میتوان مشابه چرخه یک موتور گرمایی در نظر گرفت. در اینجا، الکترونها نقش سیال کاری را بازی میکنند. بنابراین، راندمان گرمایی یک ژنراتور ترموالکتریک که بین دو دمای Th و TL و وکار می کند، حداکثر برابر با راندمان چرخه کارنویی خواهد بودکه بین این دو دما کار کند، در نتیجه، در غیاب تمام عوامل برگشت ناپذیری، راندمان ژنراتور ترموالکتریک با راندمان چرخه کارنو مساوی می شود.
شماتیکی از چرخه تولید توان اثر سیبک از دید ترمودینامیکی
و برای اثر پلتیر، جریان در سیستم برقرار شده و گرمای از فضای داخل یخچال ،جذب شده و گرمای QL به داخل محیطی گرم تر تخلیه می شود. کار الکتریکی خالص مورد نیاز برای این یخچال، برابر تفاضل دو مقدار گرما خواهد بود. در حال حاضر، یخچال های ترموالکتریک توانایی رقابت با یخچال هایی که با سیکل تراکم بخار کار می کنند، ندارند. زیرا راندمان عملکرد یخچال ترمو الکتریک بسیار پایین تر است. اما کوچک بودن اندازه، سادگی، نداشتن سروصدا و قابلیت اطمینان، عواملی هستند که آنها را در بازار نگه داشته است.
شماتیکی از یخچال ترموالکتریک از دید ترمودینامیکی
ترموکوپل
ترموکوپل ها اساساً براساس اثر سیبک ساخته می شوند. در یک مدار باز، متشکل از دو سیم با جنس مختلف که در یک انتهای آن به یکدیگر متصل شده اند، هنگامی که در معرض یک گرادیان دمایی قرار می گیرند، یک نیروی الکتریکی (ولتاژ) بین سیم های آزاد ایجاد می شود. از آنجا که ولتاژ به اختلاف دما بین اتصال سیم و انتهای آزاد بستگی دارد، می توان از سیستم برای اندازه گیری دما استفاده کرد. که برای هر درجه اختلاف دمایی ولتاژ معینی را نشان خواهد داد. هر دو فلز یا آلیاژ فلز متفاوت، اثر ترموالکتریک را نشان می دهند، اما فقط تعداد کمی از آنها به عنوان ترموکوپل استفاده می شوند. به عنوان مثال :
آنتیموان و بیسموت، مس و آهن، یا مس و کنستانتان (آلیاژ مس و نیکل).
معمولاً از پلاتین، یا آلیاژ پلاتین-رودیم، در ترموکوپل های با درجه حرارت بالا استفاده می شود.
شماتیکی از مکانیزم کارکرد ترموکوپل بر اساس اثر سیبک
مزایای ترموالکتریک ها
- ساختار حالت جامد
هیچ قسمت متحرکی با ترموالکتریک وجود ندارد. این منجر به افزایش ضریب اطمینان و عمر طولانی آنها می شود.
- بدون نیاز به مبردها و گازهای گلخانه ای
ترموالکتریک ها از هیچگونه ماده مبرد یا گازهای گلخانه ای استفاده نمی کنند و این برای محیط زیست نکته مثبت ای است.
- مقیاس پذیری
خنک کننده ترموالکتریک و ترموالکتریک مولد برای رنج کمتر از توان خنک کننده یک وات یا تولید برق چند کیلووات مقیاس پذیر است.
- بهره وری
سیستم های خنک کننده حالت جامد را می توان برای COP بالا طراحی کرد. با استفاده از دستگاه های خنک کننده برای یک مقطع به جای خنک کردن یک محفظه کامل، می توان به بهره وری مناسبی دست یافت.
- سرمایش و گرمایش در یک دستگاه
سایر روشهای خنک سازی به سیستم گرمایشی جداگانه ای نیاز دارند. با استفاده از ترموالکتریک، تغییر قطب باعث تغییر سرمایش به گرم شدن و بالعکس می شود.
- کنترل دقیق دما
جریان الکتریکی ارائه شده به کولر ترموالکتریک را می توان به طور دقیق کنترل کرد. دمای یک کولر ترموالکتریک به جریانی که به آن تأمین می شود بستگی دارد. حتی این امر منجر به کنترل دقیق دما در رنج 0.1 درجه سانتیگراد می شود.
- دمای خنک کنندگی پایین تر از محیط
با سیستم های مانند فن ها و چاه های حرارتی، فقط به دمای بالاتر از محیط میتوان دست یافت. با این وجود با خنک کننده ترموالکتریک می توان به دمای زیر محیط دست یافت.
- عملیات خاموش
سیستم های ترموالکتریک حالت جامد مانند کمپرسورهایی به غیر از فن، سر و صدا یا لرزش ایجاد نمی کنند
- قابل نصب در هر جهت
ترموالکتریک ها را می توان در هر جهت نصب کرد که انعطاف پذیری طراحی را نسبت به سایر روش های خنک کننده یا تولید برق افزایش می دهد.
- زمان پاسخ سریع
زمان پاسخ ترموالکتریک ها با سرعت الکترون ها اتفاق می افتد.
معایب ترموالکتریک ها
- ضریب عملکرد پایین، که رابطه مستقیم با جنس ترموالکتریک و مقدار معیار شایستگی آن دارد.
- بازده پایین
- هزینه اولیه نسبتا بالا
- عدم امکان استفاده در ظرفیتهای بالا
- همچنین مجاورت منبع گرم و سرد
کاربردهای ژنراتور ترموالکتریک
دسته بندی از لحاظ کاربرد ترموالکتریک ها
محیط با شرایط سخت
ژنراتورهای ترموالکتریک غالباً برای کاربردهایی که در یک محیط با شرایط سخت به برق نیاز دارند، استفاده می شوند. از آنجا که ژنراتورهای ترموالکتریک فاقد قطعات متحرک هستند، بسیار قابل اعتماد هستند. این قابلیت اطمینان باعث می شود ژنراتورهای ترموالکتریک برای مکان هایی که بسیار دور، بسیار گران یا بیش از حد خطرناک است و یک شخص تعمیرکار نمی تواند مسافرت کند، بسیار مناسب است. مثلا گاهی اوقات این کاربردها از گرمای تولید شده از یک منبع رادیولوژی مانند Plutonium-238 استفاده می کنند.
برخی دیگر از این کاربردها شامل:
- فضاپیماها
- نیروگاه های قمری
- تولید برق در قطب جنوب
- فانوس دریایی
- سکوهای دریایی
- خطوط لوله (نفت، گاز، آب)
گرمای هدر رفته
گرمای هدر رفته به عنوان گرمای از دست رفته در محیط تعریف می شود. این گرما محصول جانبی هر فرآیند تبدیل انرژی است. نمونه هایی از فرایندهای تبدیل انرژی عبارتند از، تبدیل انرژی شیمیایی در بنزین به انرژی گرمایی و انرژی حرارتی به قدرت مکانیکی در یک موتور احتراق. هر بار که انرژی به شکل دیگری تبدیل می شود، گرما به محیط از دست می رود. استفاده از سوخت های فسیلی منجر به عدم استفاده از انرژی سوخت های فسیلی تا ٪72 برای هرگونه فرآیند مفید می شود. این گرما در محیط پخش می شود یا هدر می رود.
بازیابی این گرمای هدر رفته، هر فرآیند تبدیل را کارآمدتر می کند. این بدان معنی است که برای تولید همان انرژی خروجی به سوخت کمتری نیاز است وگرنه با همان میزان سوخت، انرژی بیشتری تولید می شود. از ژنراتورهای ترموالکتریک برای بازیابی و استفاده از گرمای ضایعات حاصل از اگزوز خودرو، ریخته گری های فولادی، اجاق های چوب، مشعل های گاز، شمع ها، لوله های آب گرم، پنل های فتوولتائیک خورشیدی و الکترونیک استفاده شده است.
گرما و برق ترکیبی (CHP)
گرما و برق ترکیبی یا CHP (به عنوان تولید همزمان نیز شناخته می شود) روشی برای تولید نیرو از یک منبع حرارتی و استفاده از گرمای ضایعات حاصل از فرآیند تبدیل انرژی برای تأمین نوعی گرمایش برای پخت و پز، گرمایش فضا یا پیش گرم شدن فرآیند است. این امر منجر به بهره وری بسیار بالای انرژی می شود زیرا بیشتر گرمائی که به طور معمول هدر می رود برای یک هدف مفید استفاده می شود.
تولید میکروحسگرها، میکروالکترونیک
صنعت برای رقابت پذیری نیاز به حسگرهایی در محصولات و کارخانه های خود دارد. با استفاده از سنسورهای جدید در کارخانه ها، تولیدکنندگان می توانند کیفیت محصول را بهبود بخشند و زمان خرابی را کاهش دهند. سنسورهای هوشمند فعلی برای کار کردن فقط به چند صد میکرووات یا چند میلی وات نیاز دارند. تغذیه این دستگاه ها از شبکه برق اغلب به کابل های بسیار طولانی نیاز دارد تا انرژی بسیار کمی تأمین کند. منبع تغذیه باید با طول عمر سنسور مطابقت داشته باشد.
بیشتر سنسورهای بی سیم برای 15 سال یا حتی بیشتر طراحی شده اند، اما باتری ها این استقلال را به چند سال محدود می کنند و به دلیل محدودیت های جغرافیایی، محدودیت های دسترسی به تاسیسات شیمیایی، نیروگاه ها (از جمله هسته ای، امکانات نظامی یا مراکز داده ایمن)، تغییرات باتری در کاربردهای صنعتی اغلب دشوار و پرهزینه است. بنابراین تولیدکنندگان به دنبال میکرو ژنراتورهای تولید کننده چند میلی وات برای تأمین انرژی این میکرو ابزارها و خودمختار ساختن آنها هستند. در کارخانه ها، منابع گرما بسیار زیاد است و عملکرد خوب این تکنولوژی در محیط های دشوار نیز از مزایای مهم TEG ها است. TEG های بسیار کوچک (چند میلی متر مربع) یک راه حل برای تأمین دائمی این سنسورها هستند.
انرژی خورشیدی
برنامه های حرارتی خورشیدی از انرژی خورشیدی استفاده می کنند که در دمای بسیار بالا روی یک سمت گرم مولد ترموالکتریک متمرکز شده است. از هوای محیط برای گرم کن استفاده می شود. دلتا در دمای بالا بازده تبدیل انرژی مولد ترموالکتریک را بهبود می بخشد.
برخی از نمونه های کاربردهای ژنراتور ترموالکتریک شامل اجاق های پخت زیست توده، اجاق های کمپینگ و کوره ها هستند.
این کاربردها را می توان از طریق منبع حرارتی که برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می شود، دسته بندی کرد.
منابع گرمایی رایج برای ژنراتورهای ترموالکتریک:
پوسیدگی رادیواکتیو
- پلوتونیوم 238-U
گرمای تلف شده (هدر رفته)
- اگزوز خودرو، ریخته گری های فولادی، اجاق های چوبی، شراره های گاز، شمع ها
- لوله های آب گرم، پنل های فتوولتائیک خورشیدی، گرمای سیستم های الکترونیکی
گرمای بدن
منابع تجدید پذیر
- ژئوترمال، انرژی خورشیدی
احتراق
- هر منبع سوخت، احتراق داخلی یا خارجی
یک ژنراتور ترموالکتریک چقدر توان تولید می کند؟
ژنراتورهای ترموالکتریک از میکرو وات تا کیلووات و فراتر از آن کاملاً مقیاس پذیر هستند. مقدار توان تولید شده به ویژگی های منبع گرما، سینک سرمایشی و طراحی ژنراتور ترموالکتریک بستگی دارد.
ژنراتور ترموالکتریک اتومبیل هیوندا
