در فیزیک، می دانیم که انرژی نمی تواند ایجاد شود یا نابود شود، فقط می تواند شکل خود را تغییر دهد. این قانون حفظ انرژی است،که باعث می شود مهندسان راه هایی برای تبدیل انرژی به اشکال مفید تری پیدا کنند.
تولید انرژی حرارتی یک مثال خوب است، که می تواند به طور مستقیم گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. این اثر برای اولین بار توسط توماس سیبک کشف شد و اکنون به عنوان اثر سیبک شناخته می شود.که در دستگاه هایی به نام ژنراتورهای ترمو الکتریکی (TEG) استفاده شده استتا قرن بیستم این دستگاه های حالت جامد پیشرفت قابل توجهی در کاربردهای عملی داشته اند و اولین نسخه های تجاری در دهه 1960 ظاهر شده اند.TEG وارد بسیاری از انواع مختلف زمینه های کاربردی شده است.
دانش پایه از ماژول TEG
اصل کار ماژول ژنراتور حرارتی (معمولا به عنوان TEG شناخته می شود) تبدیل تفاوت دمای به ولتاژ و برعکس است.این ویژگی به عنوان اثر ترمو الکتریکی شناخته می شود.، که شامل سه بخش مرتبط است: 1) اثر Seebeck، که از طریق گرادیان درجه حرارت برق تولید می کند؛2) اثر پلتیر به جذب یا آزاد شدن گرما در هنگام جریان جریان از طریق دو ماده مختلف اشاره دارد3) اثر تامسون به تولید یا جذب گرما بر اساس جهت جریان جریان اشاره دارد.
یک نقطه سردرگمی رایج در فناوری ترمو الکتریکی تفاوت بین ژنراتورهای ترمو الکتریکی (TEGs) و خنک کننده های ترمو الکتریکی (TECs) است.TEG از اثر Seebeck برای تولید برق از طریق گرما استفاده می کند، در حالی که TEC از اثر پلتیر برای ارائه خنک کننده یا حفظ دمای پایدار استفاده می کند. هر دو این اثرات به مواد نیمه هادی مشابه اما با طرح های مختلف متکی هستند:TEG می تواند تفاوت درجه حرارت بالا و خروجی قدرت کارآمد را به دست آورد، در حالی که TEC از مواد مانند سرامیک و مس برای بهینه سازی رسانایی حرارتی استفاده می کند.
در واقع، اگر هدف تولید برق با استفاده از انرژی حرارتی باشد، سپس ماژول TEG انتخاب درستی است. ماژول های TEC یا Peltier برای خنک سازی یا ثبات دمایی موثرتر هستند.همان آسمان هم ماژول های TEG و هم ماژول های Peltier را ارائه می دهد، که انتخاب دستگاه های مناسب مطابق با نیازهای طراحی را آسان تر می کند.
در ژنراتورهای ترمو الکتریکی مدرن (TEGs) ، انرژی الکتریکی هنگامی تولید می شود که تفاوت دمایی بین سطوح گرم و سرد وجود داشته باشد.چندین جفت از نیمه هادی های نوع n و p (معمولاً از تلورید بیسموت ساخته شده اند) بین دو صفحه قرار می گیرند (شکل 1)در مواد نوع n، الکترون ها از طرف داغ به طرف سرد جریان می یابند، در حالی که در مواد نوع p، حرکت ناشی از مهاجرت سوراخ ها (به عنوان مثال فضای خالی الکترون) در همان جهت است.این دو جریان به طور مشترک ولتاژ تولید می کنند، و هرچه تفاوت دما بزرگتر باشد، ولتاژ خروجی بالاتر است.
TEG به ویژه در شرایطی که ممکن است اتلاف گرما رخ دهد، مانند تولید صنعتی، ارزشمند است، زیرا به بازیابی انرژی از دست رفته کمک می کند.برای مثال، وقتی نور خورشید کافی نباشد، گرما تولید شده توسط تجزیه رادیواکتیو به انرژی الکتریکی تبدیل می شود تا انرژی را برای کاوشگرهای فضایی فراهم کند.
ساختارهای مشترک ماژول های TEG
شکل 1: ساختار مشترک ماژول TEG (منبع تصویر: Same Sky)
مزایا و معایب TEG
مزیت اصلی ماژول های تولید برق نیمه هادی ترمو الکتریکی (TEG) توانایی آنها در تبدیل گرما ضایعات به انرژی الکتریکی قابل استفاده است.که به جذب انرژی که در غیر این صورت از دست می رود کمک می کندبنابراین، ماژول های TEG نه تنها عملی هستند بلکه دوستانه با محیط زیست نیز هستند.
از آنجا که TEG یک دستگاه جامد است، هیچ قسمت متحرکی وجود ندارد، به این معنی که این ماژول هیچ سر و صدای قابل شنیدن ندارد، محکم و با دوام است و تقریباً نیازی به نگهداری ندارد.اين ماژول ظاهري جمع و جور داره، می تواند در فضاهای کوچک نصب شود و ولتاژ ها و جریان های متعدد را فراهم می کند، بدون اینکه به شبکه های برق سنتی برای ارائه قدرت قابل اعتماد تکیه کند.این باعث می شود TEG یک انتخاب ایده آل برای دستگاه های از راه دور و یا سیستم های باتری جایگزین.
اگرچه ژنراتورهای حرارتی الکتریکی (TEG) منبع قابل اعتماد برق را فراهم می کنند، اما محدودیت های طراحی نیز دارند.عملکرد این ژنراتور تا حد زیادی به تفاوت های شدید دمایی بستگی داردعلاوه بر این، کارایی تبدیل TEG معمولا کم است، به طور معمول حدود 10٪،که در مقایسه با بسیاری از فن آوری های تولید انرژی دیگر بالا نیست.
معیارهای اصلی انتخاب برای TEG
هنگام ادغام ماژول های ژنراتور حرارتی (TEG) در سیستم، مشخصات کلیدی که به طور مستقیم بر عملکرد آنها تأثیر می گذارد باید در نظر گرفته شود.مهم ترین عامل در عملکرد ژنراتور تفاوت دمای بین سطوح گرم و سرد است (معمولا به عنوان Δ T شناخته می شود)اگرچه این امر بر تولید برق TEG تأثیر می گذارد، اما جدول داده ها همیشه آن را به این شکل نشان نمی دهد. برعکس، تولید کنندگان معمولا Tmax را لیست می کنند.که بالاترین دمای عملیاتی امن است.، که به تعیین شرایط شدید کمک می کند اما لزوما شرایط عملیاتی مطلوب نیست.
مشخصات مفید دیگر شامل ولتاژ مدار باز، ولتاژ بار مطابقت، جریان، مقاومت و قدرت است. از طریق این مقادیر،عملکرد ژنراتور حرارتی تحت بار گرمایی و الکتریکی واقعی قابل درک است.در جداول داده ها (مانند جدول داده های Same Sky) ، این اطلاعات معمولاً به صورت جداول (شکل 2) و نمودار عملکرد (شکل 3) نمایش داده می شوند تا طراحی سطح سیستم آسان تر شود.