في عام 1821 ، أعاد العالم الشهير يوهان سيبيك إحياء مفهوم التدرج الحراري الذي تم تطويره بين موصلين مختلفين ويمكن أن يولد هذا الكهرباء. فيما يتعلق بالتأثير الكهروحراري ، هناك مفهوم يسمى تدرج درجة الحرارة في المادة الموصلة التي تنتج الحرارة وهذه النتيجة في انتشار حامل الشحنة. يتدفق هذا التدفق الحراري بين المواد الساخنة والباردة الجهد االكهربى اختلاف. إذن ، هذا السيناريو قد اكتشف الجهاز الكهروحراري مولد كهرباء ، واليوم ، تتناول مقالتنا عملها ومزاياها وقيودها والمفاهيم ذات الصلة.

ما هو المولد الحراري؟

الكهروحرارية هو الاسم الذي يتكون من مزيج من الكلمات الكهربائية والحرارية. لذا يشير الاسم إلى أن الحرارة تتوافق مع الطاقة الحرارية والكهرباء تتوافق مع الطاقة الكهربائية. والمولدات الحرارية هي الاجهزة التي يتم تنفيذها في تحويل فرق درجات الحرارة الذي يتولد بين القسمين الى شكل كهربائي للطاقة . هذا هو الأساس تعريف المولد الكهروحراري .

تعتمد هذه الأجهزة على التأثيرات الكهروحرارية التي تتضمن واجهة تحدث بين تدفق الحرارة والكهرباء من خلال المكونات الصلبة.

بناء

المولدات الكهروحرارية هي الأجهزة التي تتكون من مكونات حرارة صلبة مكونة من تقاطعين أساسيين هما النوع p و n. يتميز التقاطع من النوع P بتركيز متزايد من + ve شحنة ولدى الوصلة من النوع n تركيز متزايد من العناصر المشحونة.

يتم تخدير المكونات من النوع p في الحالة للحصول على حاملات أو ثقوب مشحونة أكثر إيجابية وبالتالي توفير معامل سيبك إيجابي. بطريقة مماثلة ، يتم تخدير المكونات من النوع n بحيث تحتوي على ناقلات مشحونة سالبة ، وبالتالي توفير نوع سلبي من معامل الرجوع.

مولد كهربائي حراري

مع مرور الوصلة الكهربائية بين التقاطعين ، ينتقل كل ناقل موجب الشحنة إلى التقاطع n ، وينتقل الناقل المشحون سالبًا إلى التقاطع p. في ال بناء المولدات الكهروحرارية ، العنصر الأكثر تنفيذًا هو تيلورايد الرصاص.

هو المكون الذي يتكون من التيلوريوم والرصاص الذي يحتوي على كميات قليلة من الصوديوم أو البزموت. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العناصر الأخرى المستخدمة في بناء هذا الجهاز هي كبريتيد البزموت ، وتيلوريد القصدير ، والبزموت تيلورايد ، وزرنيخيد الإنديوم ، وتيلوريد الجرمانيوم ، وغيرها الكثير. بهذه المواد ، تصميم المولد الكهروحراري قابل للتنفيذ.

مبدأ عمل المولد الكهروحراري

ال عمل مولد كهربائي حراري يعتمد على تأثير Seeback. في هذا التأثير ، تولد الحلقة التي تتشكل بين معدنين مختلفين قوة emf عندما يتم الحفاظ على الوصلات المعدنية عند مستويات درجات حرارة مختلفة. نظرًا لهذا السيناريو ، يُطلق عليها أيضًا اسم مولدات طاقة الرجوع. ال مخطط كتلة المولد الكهروحراري يظهر على النحو التالي:

مخطط كتلة

يتم تضمين المولد الكهروحراري بشكل عام مع مصدر حرارة يتم الاحتفاظ به عند قيم درجة حرارة عالية ويتم أيضًا تضمين المشتت الحراري. هنا ، يجب أن تكون درجة حرارة المشتت الحراري أقل من درجة حرارة مصدر الحرارة. يسمح التغيير في قيم درجة الحرارة لمصدر الحرارة والمشتت الحراري بتدفق التيار عبر قسم الحمل.

في هذا النوع من تحويل الطاقة ، لا توجد تحويلات طاقة انتقالية تختلف عن الأنواع الأخرى من تحويل الطاقة. وبسبب هذا ، يطلق عليه تحويل الطاقة المباشر. الطاقة المولدة بسبب تأثير الارتداد هذا هي من النوع DC أحادي الطور ويتم تمثيلها على أنها I^اثنينر_إلحيث يقابل RL قيمة المقاومة عند التحميل.

يمكن زيادة قيم جهد الخرج والطاقة بطريقتين. أحدهما عن طريق زيادة التباين في درجات الحرارة الذي يرتفع بين الحواف الساخنة والباردة والآخر هو تكوين سلسلة اتصال مع مولدات الطاقة الكهروحرارية.

يتم إعطاء جهد جهاز TEG هذا بواسطة V = αΔ T ،

حيث يتوافق 'α' مع معامل الرجوع و '' هو اختلاف درجة الحرارة بين التقاطعين. مع هذا ، يتم إعطاء التدفق الحالي بواسطة

أنا = (V / R + R_إل)

من هذا ، فإن معادلة الجهد هي

V = αΔT / R + R_إل

من هذا ، تدفق الطاقة عبر قسم الحمل هو

P عند الحمل = (αΔT / R + R._إل)^اثنين(ر_إل)

يكون تصنيف القوة أكبر عندما تصل R إلى R._إل، ثم

Pmax = (αΔT)^اثنين/ (4R)

سيكون هناك تدفق للتيار حتى الوقت الذي يوجد فيه إمداد حراري إلى الحافة الساخنة وإزالة الحرارة من الحافة الباردة. والتيار المتطور يكون في شكل تيار مستمر ويمكن تحويله إلى نوع التيار المتردد من خلاله محولات . يمكن زيادة قيم الجهد من خلال تنفيذ المحولات.

يمكن أيضًا أن يكون هذا النوع من تحويل الطاقة قابلاً للعكس حيث يمكن تغيير مسار تدفق الطاقة مرة أخرى. عندما تتم إزالة كل من طاقة التيار المستمر والحمل من الحواف ، فيمكن ببساطة سحب الحرارة من المولدات الكهروحرارية. إذن ، هذا هو نظرية المولد الكهروحراري خلف العمل.

معادلة كفاءة المولد الكهروحراري

يتم تمثيل كفاءة هذا الجهاز كنسبة الطاقة المتولدة في المقاوم عند قسم الحمل إلى تدفق الحرارة عبر المقاوم. هذه النسبة ممثلة

الكفاءة = (الطاقة المولدة عند RL) / (التدفق الحراري 'Q')

= (أنا^اثنينر_إل) / س

الكفاءة = (αΔT / R + R_إل)^اثنين(ر_إل) / س

هذه هي الطريقة التي يمكن بها حساب كفاءة المولد الكهروحراري.

أنواع المولدات الكهروحرارية

استنادًا إلى حجم جهاز TEG ونوع مصدر الحرارة ومصدر المشتت الحراري وقدرة الطاقة والغرض من التطبيق ، يتم تصنيف TEG بشكل أساسي على أنها ثلاثة أنواع وهي:

مولدات الوقود الأحفوري
مولدات تعمل بالوقود النووي
شمسي مولدات المصدر

مولدات الوقود الأحفوري

تم تصميم هذا النوع من المولدات للاستفادة من الكيروسين والغاز الطبيعي والبيوتان والخشب والبروبان ووقود الطائرات كمصادر للحرارة. بالنسبة للتطبيقات التجارية ، تتراوح طاقة الخرج من 10 إلى 100 واط. يتم استخدام هذه الأنواع من المولدات الكهروحرارية في المواقع البعيدة مثل المساعدات الملاحية ، وجمع المعلومات ، وشبكات الاتصالات والسلامة الكاثودية ، وبالتالي يتجنب التحليل الكهربائي من تدمير الأنابيب المعدنية والأنظمة البحرية.

مولدات تعمل بالوقود النووي

يمكن استخدام المكونات المتحللة للنظائر المشعة لتوفير مصدر حرارة متزايد لدرجة الحرارة لأجهزة TEG. نظرًا لأن هذه الأجهزة حساسة بالنسبة للانبعاثات النووية ويمكن استخدام عنصر مصدر الحرارة لفترة طويلة ، يتم استخدام هذه المولدات الحرارية التي تعمل بالوقود النووي في التطبيقات عن بُعد.

مولدات مصدر الطاقة الشمسية

تم استخدام المولدات الكهروحرارية الشمسية مع القليل من الإنجازات لتوفير الطاقة بأدنى حجم لمضخات الري في المواقع النائية والمناطق المتخلفة. يتم إنشاء المولدات الكهروحرارية الشمسية لتوفير الطاقة الكهربائية للمركبة الفضائية التي تدور في مدارات.

مزايا وعيوب المولدات الكهروحرارية

ال مزايا المولد الحراري هي:

“تحويل التيار المستمر إلى طاقة التيار المتردد ”

نظرًا لأن جميع المكونات المستخدمة في جهاز TEG هذا صلبة ، فقد تعززت الموثوقية
المدى الأقصى لمصادر الوقود
تم تصميم أجهزة TEG لتوفير طاقة تتراوح ليس بالحد الأدنى إلى تلك التي تبلغ ميغاواط وأكبر من كيلوواط مما يعني أن لديها قابلية تطوير هائلة
هذه هي أجهزة تحويل الطاقة المباشرة
تعمل بصمت
الحجم الأدنى
يمكن أن تعمل هذه حتى في المدى الأقصى والصفر لقوى الجاذبية

ال عيوب المولد الحراري هي:

هذه مكلفة بعض الشيء بالمقارنة مع أنواع أخرى من المولدات
هذه لديها الحد الأدنى من الكفاءة
الحد الأدنى من الخصائص الحرارية
تحتاج هذه الأجهزة إلى مزيد من مقاومة الإخراج

تطبيقات المولدات الحرارية

لتحسين أداء الوقود للسيارات ، يتم استخدام جهاز TEG في الغالب. تستفيد هذه المولدات من الحرارة المتولدة وقت تشغيل السيارة
يستخدم سيبك لتوليد الطاقة لتوفير الطاقة للمركبة الفضائية.
توفر المولدات الكهروحرارية المنفذة الطاقة للمحطات البعيدة مثل أنظمة الطقس وشبكات الترحيل وغيرها

إذن ، هذا كله يتعلق بالمفهوم التفصيلي للمولدات الكهروحرارية. بشكل عام ، نظرًا لأن المولدات لها شهرة كبيرة ، فهي تستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات عبر العديد من المجالات. بصرف النظر عن هذه المفاهيم ذات الصلة ، فإن المفهوم الآخر الذي يجب معرفته بوضوح هنا هو ما هو