בשנת 1821, חידש מדען מפורסם בשם יוהאן סיבק את המושג שיפוע תרמי שפותח בין שני מוליכים שונים וזה יכול לייצר חשמל. ביחס לאפקט התרמו-אלקטרי, יש מושג הנקרא שיפוע טמפרטורה בחומר המוליך שמייצר חום ותוצאה זו בדיפוזיה של נושא המטען. זרימת חום זו בין החומרים החמים והקרירים שהתפתחו מתח הֶבדֵל. אז, תרחיש זה גילה את המכשיר התרמו-חשמלי גֵנֵרָטוֹר , וכיום, המאמר שלנו עוסק בעבודותיו, יתרונותיו, מגבלותיו ומושגיו הקשורים אליו.
מהו גנרטור תרמואלקטרי?
תרמו-אלקטרי הוא השם שהוא שילוב של מילים חשמלי ותרמו. אז השם מסמל כי תרמי מתאים לאנרגיית חום וחשמל מתאים לאנרגיה חשמלית. וגנרטורים תרמואלקטריים הם המכשירים המיושמים בהמרת הפרש הטמפרטורה שנוצר בין שני החלקים ל צורה חשמלית של אנרגיה . זה הבסיסי הגדרת גנרטור תרמו-אלקטרי .
התקנים אלה תלויים בהשפעות התרמו-חשמל הכוללות ממשק שקורה בין זרימת החום לחשמל באמצעות רכיבים מוצקים.
בְּנִיָה
גנרטורים תרמואלקטריים הם המכשירים שהם רכיבי חום במצב מוצק הבנויים משני צמתים חיוניים שהם מסוג p ו- n. בצומת מסוג P יש ריכוז מוגבר של מטען + ve ולצומת מסוג n יש ריכוז מוגבר של אלמנטים טעונים.
הרכיבים מסוג p מסוממים במצב שיש להם נשאים או חורים טעונים חיוביים יותר ובכך מספקים מקדם Seebeck חיובי. באופן דומה, רכיבים מסוג n מסוממים כך שיש להם יותר נושאות טעינות שליליות ובכך מספקים סוג שלילי של מקדם Seeback.
גנרטור תרמו-אלקטרי עובד
עם מעבר החיבור החשמלי בין שני הצמתים, כל נשא טעון חיובי עובר לצומת n, ונשא מטען שלילי דומה עובר לצומת p. בתוך ה בניית גנרטור תרמו-אלקטרי , האלמנט המיושם ביותר הוא telluride להוביל.
זה הרכיב הבנוי מטלוריום ועופרת שיש בו כמויות מינימליות של נתרן או ביסמוט. בנוסף לכך, האלמנטים האחרים המשמשים בבניית מכשיר זה הם ביסמוט סולפיד, טליוריד פח, ביסמוט טלוריד, אינדיום ארסניד, גרמניום טלוריד ורבים אחרים. עם חומרים אלה, תכנון גנרטור תרמו-אלקטרי יכול להיעשות.
עקרון עבודה של גנרטורים תרמיים
ה גנרטור תרמו-חשמל עובד תלוי באפקט ה- Seeback. בהשפעה זו, לולאה הנוצרת בין שתי המתכות השונות מייצרת EMF כאשר צומת המתכות נשמרת ברמות טמפרטורה שונות. בשל תרחיש זה, אלה מכונים גם מחוללי כוח Seeback. ה תרשים בלוק גנרטור תרמו-אלקטרי מוצג כ:
תרשים בלוקים
גנרטור תרמו-אלקטרי כלול בדרך כלל עם מקור חום הנשמר על ערכי טמפרטורה גבוהים וכולל גם גוף קירור. כאן, טמפרטורת גוף הקירור צריכה להיות פחות מזו של מקור החום. השינוי בערכי הטמפרטורה עבור מקור החום וקירור הקירור מאפשר זרם זורם על פני קטע העומס.
בסוג זה של טרנספורמציה אנרגטית, אין המרות אנרגיה מעבריות שלא דומות לשאר סוגי המרת האנרגיה. מכיוון שכך, הוא מכונה טרנספורמציה אנרגטית ישירה. ההספק הנוצר בגלל אפקט ה- Seeback זה הוא מסוג DC חד פאזי ומיוצג כ- Iשתייםרלכאשר RL מתאים לערך התנגדות בעומס.
ניתן להגדיל את מתח המוצא ואת ערכי הכוח בשתי דרכים. האחת היא על ידי הגדלת וריאציית הטמפרטורה העולה בין קצוות חמים וקרים והשנייה היא יצירת חיבור סדרתי עם מחוללי חשמל תרמו-חשמליים.
המתח של מכשיר TEG זה ניתן על ידי V = αΔ T,
כאשר 'α' תואם את מקדם ה- Seeback ו- 'Δ' הוא שינויי הטמפרטורה בין שני הצמתים. עם זאת, הזרם הנוכחי ניתן על ידי
אני = (V / R + R.ל)
מכאן, משוואת המתח היא
V = αΔT / R + Rל
מכאן, זרימת הכוח על פני קטע העומס היא
P בעומס = (αΔT / R + Rל)שתיים(רל)
דירוג ההספק הוא יותר כאשר R מגיע עד R.ל, לאחר מכן
Pmax = (αΔT)שתיים/ (4R)
תהיה זרימה שוטפת עד למועד שבו יש אספקת חום לקצה החם והסרת חום מהקצה הקר. והזרם המפותח הוא בצורת DC והוא יכול להפוך לסוג AC באמצעות ממירים . ניתן להגביר את ערכי המתח באמצעות יישום שנאים.
סוג זה של המרת אנרגיה יכול להיות הפיך גם כאשר ניתן לשנות את מסלול זרימת האנרגיה בחזרה. כאשר הן הספק העומס והן העומס מוסרים מהקצוות, ניתן פשוט למשוך את החום מגנרטורים תרמו-חשמליים. אז זה תורת הגנרטורים התרמו-חשמליים מאחורי העבודה.
משוואת יעילות גנרטורים תרמואלקטריים
היעילות של מכשיר זה מיוצגת כחלק מההספק הנוצר בנגד במקטע העומס לזרימת החום על פני נגן העומס. יחס זה מיוצג כ-
יעילות = (כוח שנוצר ב- RL) / (זרימת חום 'Q')
= (אנישתייםרל) / ש
יעילות = (αΔT / R + Rל)שתיים(רל) / ש
כך ניתן לחשב את יעילות הגנרטור התרמו-אלקטרי.
סוגי גנרטורים תרמואלקטריים
בהתבסס על גודל מכשיר TEG, סוג מקור חום ומקור לתנור חום, יכולת כוח ומטרת יישום, TEG מסווגים בעיקר כשלושה סוגים ואלה:
- מחוללי דלק מאובנים
- גנרטורים מונעים גרעינית
- סוֹלָרִי מחוללי מקור
מחוללי דלק מאובנים
סוג זה של גנרטור נועד להשתמש בנפט, גז טבעי, בוטאן, עץ, פרופאן ודלקי סילון כמקור חום. עבור יישומים מסחריים, הספק היציאה נע בין 10-100 וואט. סוגים אלה של גנרטורים תרמו-חשמליים מועסקים במקומות מרוחקים כמו בסיוע ניווט, באיסוף מידע, ברשתות תקשורת ובבטיחות קתודית ובכך נמנעים מאלקטרוליזה מהרס צינורות מתכתיים ומערכות ימיות.
גנרטורים עם דלק גרעיני
הרכיבים המפורקים של האיזוטופים הרדיואקטיביים עשויים להיות מנוצלים על מנת להציע מקור חום מוגבר למכשירי ה- TEG. מכיוון שהתקנים אלה הם הגיוניים בהתאמה לפליטת גרעין וניתן להשתמש באלמנט מקור החום לתקופה ארוכה, גנרטורים תרמו-חשמליים מונעים גרעיניים מיושמים ביישומים מרוחקים.
מחוללי מקור סולארי
גנרטורים תרמיים חשמליים סולאריים הועסקו עם הישגים מעטים בכדי לספק כוח מינימלי של משאבות השקיה במקומות מרוחקים ובאזורים לא מפותחים. גנרטורים תרמיים חשמליים סולאריים בנויים לספק כוח חשמלי לחלליות.
יתרונות וחסרונות של גנרטורים תרמואלקטריים
ה היתרונות של הגנרטור התרמו-אלקטרי הם:
- מכיוון שכל הרכיבים המשמשים במכשיר TEG זה הם במצב מוצק, יש להם אמינות משופרת
- הטווח הקיצוני של מקורות הדלק
- מכשירי TEG בנויים לספק כוח שאינו מינימלי לזה של mW וגדול יותר מאשר KW, כלומר יש להם מדרגיות עצום
- מדובר במכשירים לשינוי אנרגיה ישירה
- מופעל בשקט
- גודל מינימלי
- אלה יכולים לתפקד אפילו בטווח קיצוני ואפס של כוחות כוח המשיכה
ה חסרונות של גנרטור תרמו-אלקטרי הם:
- אלה הם מעט יקרים בהשוואה לסוגים אחרים של גנרטורים
- אלה בעלי יעילות מינימלית
- תכונות תרמיות מינימליות
- מכשירים אלה זקוקים ליותר התנגדות פלט
יישומי גנרטור תרמואלקטרי
- לשיפור ביצועי הדלק של מכוניות, מכשיר ה- TEG משמש בעיקר. גנרטורים אלה עושים שימוש בחום שנוצר בעת הפעלת הרכב
- ייצור חשמל של Seebeck מנוצל לספק חשמל לחלליות.
- גנרטורים תרמואלקטריים המיושמים מספקים חשמל לתחנות המרוחקות כגון מערכות מזג אוויר, רשתות ממסר ואחרות
אז זה הכל על הרעיון המפורט של גנרטורים תרמו-חשמליים. בסך הכל, מכיוון שגנרטורים בולטים מאוד, הם נמצאים בשימוש נרחב ביישומים רבים בתחומים רבים. מלבד מושגים קשורים אלה, המושג הנוסף שמוכר כאן בבירור הוא מה שיש
