Θερμοηλεκτρική Γεννήτρια:Αρχή, Μηχανισμός και Υλικά
Οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες είναι θερμικές μηχανές στερεάς κατάστασης. Αποτελούνται από δύο πρωτεύουσες συνδέσεις, γνωστές ως στοιχεία τύπου p και n. Η απόδοση της τρέχουσας γενιάς είναι περίπου 5-8%. Παλαιότερες συσκευές χρησιμοποιούσαν διμεταλλικούς συνδέσμους που έχασαν την ισχύ τους μέσω της θερμότητας.
Γνωρίζουμε ότι οι γεννήτριες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η εικόνα μιας γεννήτριας που οι περισσότεροι από εμάς έχουμε στο μυαλό μας είναι ότι είναι τεράστιες μηχανές με μαγνητικό πεδίο και έναν ρότορα που το κόβει με τη βοήθεια μηχανικών δυνάμεων για να δημιουργήσει ηλεκτρισμό . Ωστόσο, τι θα γινόταν αν σας έλεγα ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν απαιτεί πάντα μια μηχανή με περιστρεφόμενα μέρη; Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε μια τέτοια συσκευή, κοινώς γνωστή ως Θερμοηλεκτρική Γεννήτρια.
Η καυτή πλευρά μιας θερμοηλεκτρικής γεννήτριας (Φωτογραφία :Gerardtv/Wikimedia Commons)
Αρχή
Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η άμεση μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια. Σύμφωνα με το νόμο Joules, ένας αγωγός που μεταφέρει ρεύμα παράγει θερμότητα ανάλογη με το γινόμενο της αντίστασης του αγωγού και του τετραγώνου του ρεύματος που διέρχεται από αυτόν. Στη δεκαετία του 1820, ο Thomas J. Seebeck δοκίμασε αυτόν τον νόμο ερμηνεύοντάς τον διαφορετικά. Έφερε δύο ανόμοια μέταλλα όπου οι ενώσεις στις οποίες αγγίζουν τα μέταλλα είναι διαφορετικών θερμοκρασιών. Παρατήρησε ότι αναπτύχθηκε μια τάση μεταξύ των συνδέσεων ανάλογη με τη διαφορά στη θερμότητα. Το ρεύμα που δημιουργείται λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας στη σύνδεση δύο διαφορετικών μετάλλων είναι γνωστό ωςΦαινόμενο Seebeck .Το φαινόμενο Seebeck παράγει μετρήσιμα ποσά τάσης και ρεύματος. Η πυκνότητα ρεύματος που δημιουργείται από μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να υπολογιστεί με την ακόλουθη εξίσωση.
Η ένταση του ηλεκτροκινητικού πεδίου μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον συντελεστή Seebeck, ο οποίος είναι εγγενώς μοναδικός για κάθε υλικό που χρησιμοποιείται, ενώ το δέλτα Τ είναι η βαθμίδα θερμοκρασίας. Ένα άλλο αποτέλεσμα που βοηθά στην περιγραφή του θερμοηλεκτρικού φαινομένου είναι το Φαινόμενο Peltier .
Το φαινόμενο Peltier βοηθά στην περιγραφή της απαγωγής ή της απορρόφησης θερμότητας στη σύνδεση των αγώγιμων υλικών. Ανάλογα με την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος, η θερμότητα είτε διαχέεται είτε απορροφάται από αυτό το σημείο του υλικού.
Μηχανισμός
Το φαινόμενο Seebeck παράγει ηλεκτρικό ρεύμα όταν ανόμοια μέταλλα εκτίθενται σε διακύμανση της θερμοκρασίας. Οι εφαρμογές του φαινομένου Seebeck αποτελούν τη βάση των θερμοηλεκτρικών γεννητριών (TEG) ή των γεννητριών Seebeck, οι οποίες μετατρέπουν τη θερμότητα σε ενέργεια. Η τάση που παράγεται από τις γεννήτριες TEG ή Seebeck είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο μεταλλικών ενώσεων.
Οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες είναι θερμικές μηχανές στερεάς κατάστασης κατασκευασμένες από δύο πρωτεύουσες συνδέσεις, γνωστές ως στοιχεία τύπου p (υψηλή συγκέντρωση θετικού φορτίου) και τύπου n (που περιέχει υψηλή συγκέντρωση αρνητικού φορτίου). Τα στοιχεία τύπου p είναι ντοπαρισμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουν μεγάλο αριθμό θετικών φορτίων ή οπών δίνοντάς τους έναν θετικό συντελεστή Seebeck. Τα στοιχεία τύπου n είναι ντοπαρισμένα ώστε να περιέχουν υψηλή συγκέντρωση αρνητικού φορτίου ή ηλεκτρονίων που τους δίνουν αρνητικό συντελεστή Seebeck.
Όταν συμβαίνει μια ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ του στοιχείου τύπου p και του στοιχείου τύπου n, για κάθε οπή που μεταναστεύει στο υλικό τύπου n, ένα ηλεκτρόνιο από τον τύπο n μετακινείται στο υλικό τύπου p.
Υλικά
Μόνο πολύ λίγα στοιχεία μέχρι σήμερα έχουν αναγνωριστεί ως θερμοηλεκτρικά υλικά. Δύο σημαντικά θερμοηλεκτρικά υλικά είναι το Τελλουρίδο Βισμούθιου (Bi 2Te 3) σε θερμοκρασία δωματίου 9K (ενεργεί ως ψυχρή πλευρά) και το τελλουρίδος μολύβδου (PbTe), το οποίο είναι στα 500K έως 600K (ενεργεί ως η θερμή πλευρά). Αυτά τα θερμοηλεκτρικά υλικά έχουν μια μέτρηση μέτρησης που βοηθά στην αξιολόγηση των θερμοηλεκτρικών ιδιοτήτων του υλικού. αυτό το μέτρο είναι γνωστό ως η αξία της αξίας. Το πλεονέκτημα του Τελλουρίου Βισμούθιου (Bi 2Te 3) και του Τελλουρίου Μολύβδου (PbTe) είναι ένα στις προαναφερθείσες θερμοκρασίες. Για να είναι μια βιώσιμη πηγή αξιόπιστης δύναμης, η αξία πρέπει να είναι 2 προς 3.
Υπάρχουν πολλοί άλλοι παράγοντες που πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη κατά την επιλογή ενός θερμοηλεκτρικού υλικού. Στην ιδανική περίπτωση, ένα θερμοηλεκτρικό υλικό πρέπει να έχει ευρεία διαβάθμιση θερμοκρασίας. Εάν δεν έχει ευρεία κλίση θερμοκρασίας, θα είναι ευαίσθητο σε καταπόνηση που προκαλείται από τη θερμότητα, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε θραύση του υλικού. Πρέπει να ληφθούν υπόψη οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών και ο συντελεστής θερμικής διαστολής των υλικών τύπου n και υλικών τύπου p πρέπει να ταιριάζει αρκετά καλά.
Η απόδοση της τρέχουσας γενιάς σε μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια είναι περίπου 5-8%. Οι παλαιότερες συσκευές ήταν ακόμη λιγότερο αποδοτικές, καθώς χρησιμοποιούσαν διμεταλλικούς συνδέσμους, οι οποίοι οδηγούσαν σε σοβαρή απώλεια ισχύος μέσω της θερμότητας. Πιο σύγχρονες συσκευές έχουν ένα ντοπαρισμένο υλικό ημιαγωγών μέσα τους, όπως Τελλουρίδος Μόλυβδου (PbTe), Τελλουρίδο Βισμούθου (Bi 2Te 3) και οξείδιο του ασβεστίου μαγγανίου, ή κάποιο συνδυασμό αυτών των υλικών.
Αν και η θερμοηλεκτρική ισχύς δεν μπορεί να αντισταθμίσει την κύρια ισχύ, είναι χρήσιμο σε κάποιο βαθμό να χρησιμοποιηθεί η λανθάνουσα ενέργεια που χάνεται ως θερμότητα σε ένα σύστημα ως χρήσιμη ενέργεια. Αν και μπορεί να μην είναι πολύ, λίγη ενέργεια που σερβίρεται για μεγάλο χρονικό διάστημα μπορεί να βοηθήσει πολύ!
