المولد الحراري (TEG thermogenerator) هو جهاز كهربائي يستخدم تأثيرات Seebeck و Thomson و Peltier لتوليد الكهرباء من خلال EMF الحراري. اكتشف العالم الألماني توماس يوهان سيبيك (تأثير سيبيك) التأثير الحراري الكهرومغناطيسي في عام 1821. في عام 1851 ، واصل ويليام طومسون (لاحقًا لورد كلفن) البحث في الديناميكا الحرارية وأثبت أن مصدر القوة الدافعة الكهربية (EMF) هو اختلاف في درجة الحرارة
في عام 1834 ، اكتشف المخترع وصانع الساعات الفرنسي جان تشارلز بلتيير التأثير الكهروحراري الثاني ، ووجد أن اختلاف درجة الحرارة يحدث عند تقاطع نوعين مختلفين من المواد تحت تأثير التيار الكهربائي (تأثير بلتيير). على وجه التحديد ، توقع أن تتطور EMF داخل موصل واحد عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة.
في عام 1950 ، اكتشف الأكاديمي والباحث الروسي أبرام إيفي الخواص الكهروحرارية لأشباه الموصلات. بدأ استخدام مولد الطاقة الحرارية فيأنظمة إمداد الطاقة المستقلة في المناطق التي يتعذر الوصول إليها. أعطت دراسة الفضاء الخارجي ، سير الإنسان في الفضاء دفعة قوية للتطور السريع للمحولات الكهروحرارية.
تم تثبيت مصدر طاقة النظائر المشعة لأول مرة على المركبات الفضائية والمحطات المدارية. لقد بدأ استخدامها في صناعة النفط والغاز الكبيرة للحماية من التآكل لخطوط أنابيب الغاز ، في العمل البحثي في أقصى الشمال ، في مجال الطب كجهاز تنظيم ضربات القلب ، وفي الإسكان كمصادر مستقلة لإمداد الطاقة.
التأثير الكهروحراري وانتقال الحرارة في الأنظمة الإلكترونية
المولدات الكهروحرارية ، التي يعتمد مبدأ تشغيلها على الاستخدام المعقد لتأثير ثلاثة علماء (سيبيك ، طومسون ، بلتيير) ، تم تطويرها بعد ما يقرب من 150 عامًا من الاكتشافات التي كانت سابقة لعصرهم.
التأثير الكهروحراري هو الظاهرة التالية. للتبريد أو توليد الكهرباء ، يتم استخدام "وحدة نمطية" تتكون من أزواج متصلة كهربائيًا. يتكون كل زوج من مادة شبه موصلة ص (S> 0) و ن (S<0). هاتان المادتان متصلتان بواسطة موصل يُفترض أن طاقته الكهروحرارية تساوي صفرًا. يتم توصيل فرعين (p و n) وجميع الأزواج الأخرى التي تشكل الوحدة في سلسلة في الدائرة الكهربائية وبالتوازي في الدائرة الحرارية. يخلق TEG (مولد كهربائي حراري) مع هذا التصميم ظروفًا لتحسين تدفق الحرارة الذي يمر عبر الوحدة ، ويتغلب عليهاالمقاومة الكهربائية. يعمل التيار الكهربائي بطريقة تنقل حاملات الشحن (الإلكترونات والثقوب) من مصدر بارد إلى مصدر ساخن (بالمعنى الديناميكي الحراري) في فرعين من الزوج. في نفس الوقت ، يساهمون في نقل الإنتروبيا من مصدر بارد إلى مصدر ساخن ، إلى تدفق حراري يقاوم التوصيل الحراري.
إذا كانت المواد المحددة لها خصائص كهروحرارية جيدة ، فإن تدفق الحرارة الناتج عن حركة ناقلات الشحن سيكون أكبر من الموصلية الحرارية. لذلك ، سيقوم النظام بنقل الحرارة من مصدر بارد إلى مصدر ساخن ويعمل بمثابة ثلاجة. في حالة توليد الكهرباء ، يتسبب التدفق الحراري في إزاحة حاملات الشحنة وظهور تيار كهربائي. كلما زاد الاختلاف في درجة الحرارة ، يمكن الحصول على المزيد من الكهرباء.
كفاءة TEG
تم تقييمه من خلال عامل الكفاءة. تعتمد قوة المولد الكهروحراري على عاملين حاسمين:
- مقدار التدفق الحراري الذي يمكن أن ينتقل بنجاح عبر الوحدة (تدفق الحرارة).
- دلتا درجة الحرارة (DT) - فرق درجة الحرارة بين جانبي المولد الساخن والبارد. كلما كبرت منطقة الدلتا ، زادت كفاءة عملها ، لذلك ، يجب توفير الظروف بشكل بنّاء ، من أجل أقصى قدر من الإمداد بالبرودة وأقصى إزالة للحرارة من جدران المولد.
مصطلح "كفاءة المولدات الحرارية" مشابه للمصطلح المطبق على جميع الأنواع الأخرىالمحركات الحرارية. حتى الآن ، فهي منخفضة جدًا ولا تزيد عن 17٪ من كفاءة Carnot. كفاءة مولد TEG محدودة بسبب كفاءة Carnot وعمليًا تصل فقط إلى نسبة قليلة (2-6٪) حتى في درجات الحرارة المرتفعة. ويرجع ذلك إلى الموصلية الحرارية المنخفضة في مواد أشباه الموصلات ، والتي لا تساعد على توليد الطاقة بكفاءة. وبالتالي ، هناك حاجة إلى مواد ذات توصيل حراري منخفض ، ولكن في نفس الوقت بأعلى موصلية كهربائية ممكنة.
تقوم أشباه الموصلات بعمل أفضل من المعادن ، لكنها لا تزال بعيدة جدًا عن تلك المؤشرات التي من شأنها جلب مولد كهربائي حراري إلى مستوى الإنتاج الصناعي (مع استخدام 15٪ على الأقل للحرارة العالية الحرارة). تعتمد زيادة أخرى في كفاءة TEG على خصائص المواد الكهروحرارية (الكهروحرارية) ، والتي يشغل البحث عنها حاليًا الإمكانات العلمية الكاملة للكوكب.
تطوير أجهزة كهربائية حرارية جديدة معقد ومكلف نسبيًا ، ولكن إذا نجح ، فسوف يتسبب ذلك في ثورة تكنولوجية في أنظمة التوليد.
المواد الحرارية
تتكون الكهروحرارية من سبائك خاصة أو مركبات أشباه الموصلات. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام البوليمرات الموصلة للكهرباء للخصائص الكهروحرارية.
متطلبات الكهرباء الحرارية:
- كفاءة عالية بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة والموصلية الكهربائية العالية ، معامل سيبك العالي ؛
- مقاومة درجات الحرارة العالية والميكانيكية الحراريةتأثير
- إمكانية الوصول والسلامة البيئية ؛
- مقاومة الاهتزازات والتغيرات المفاجئة في درجة الحرارة ؛
- استقرار طويل الأمد وتكلفة منخفضة ؛
- أتمتة عملية التصنيع.
حاليًا ، تجري التجارب لتحديد المزدوجات الحرارية المثلى ، مما سيزيد من كفاءة TEG. مادة أشباه الموصلات الحرارية هي سبيكة من التيلورايد والبزموت. لقد تم تصنيعه خصيصًا لتوفير كتل أو عناصر فردية بخصائص "N" و "P" مختلفة.
غالبًا ما يتم تصنيع المواد الكهروحرارية عن طريق التبلور الاتجاهي من تعدين المسحوق المنصهر أو المضغوط. كل طريقة تصنيع لها ميزتها الخاصة ، ولكن مواد النمو الاتجاهي هي الأكثر شيوعًا. بالإضافة إلى تيلوريت البزموت (Bi 2 Te 3) ، هناك مواد كهروحرارية أخرى ، بما في ذلك سبائك الرصاص والتيلوريت (PbTe) والسيليكون والجرمانيوم (SiGe) والبزموت والأنتيمون (Bi-Sb) ، والتي يمكن استخدامها بشكل محدد حالات. في حين أن المزدوجات الحرارية البزموت والتيلورايد هي الأفضل لمعظم TEGs.
كرامة TEG
مزايا المولدات الحرارية:
- يتم توليد الكهرباء في دائرة مغلقة أحادية المرحلة دون استخدام أنظمة نقل معقدة واستخدام الأجزاء المتحركة ؛
- قلة عمل السوائل والغازات
- لا انبعاثات للمواد الضارة والحرارة المهدرة وتلوث الضوضاء للبيئة ؛
- جهاز عمر بطارية طويلتعمل ؛
- استخدام الحرارة المهدرة (مصادر الحرارة الثانوية) لتوفير موارد الطاقة
- العمل في أي موضع من الكائن ، بغض النظر عن بيئة التشغيل: الفضاء ، الماء ، الأرض ؛
- DC توليد الجهد المنخفض ؛
- ماس كهربائى مناعة ؛
- مدة صلاحية غير محدودة ، 100٪ جاهزة للانطلاق.
مجالات تطبيق المولد الكهروحراري
تحدد مزايا TEG آفاق التنمية ومستقبلها القريب:
- دراسة المحيط والفضاء
- تطبيق في الطاقة البديلة الصغيرة (المحلية) ؛
- استخدام الحرارة من أنابيب عادم السيارة ؛
- في أنظمة إعادة التدوير ؛
- في أنظمة التبريد والتكييف ؛
- في أنظمة المضخات الحرارية للتدفئة الفورية لمحركات الديزل لقاطرات الديزل والسيارات ؛
- التدفئة والطبخ في الظروف الميدانية ؛
- شحن الاجهزة الالكترونية والساعات ؛
- تغذية الأساور الحسية للرياضيين
محول بلتيير الكهروحراري
عنصر بلتيير (EP) هو محول حراري يعمل باستخدام تأثير بلتيير الذي يحمل نفس الاسم ، وهو أحد التأثيرات الكهروحرارية الثلاثة (سيبيك وتومسون).
قام الفرنسي جان تشارلز بلتيير بتوصيل الأسلاك النحاسية والبزموت ببعضها البعض وربطها بالبطارية ، وبالتالي خلق زوج من التوصيلات المكونة من اثنينمعادن متباينة. عندما يتم تشغيل البطارية ، ستسخن إحدى التقاطعات وتبرد الأخرى.
أجهزة تأثير بلتيير موثوقة للغاية لأنها لا تحتوي على أجزاء متحركة ، ولا تحتاج إلى صيانة ، ولا تنبعث منها غازات ضارة ، كما أنها مدمجة ولديها عملية ثنائية الاتجاه (تسخين وتبريد) اعتمادًا على اتجاه التيار.
لسوء الحظ ، فهي غير فعالة وذات كفاءة منخفضة وتصدر قدرًا كبيرًا من الحرارة ، مما يتطلب تهوية إضافية ويزيد من تكلفة الجهاز. تستهلك هذه الأجهزة قدرًا كبيرًا من الكهرباء وقد تتسبب في ارتفاع درجة الحرارة أو التكثيف. لم يتم العثور على عناصر بلتيير الأكبر من 60 مم × 60 مم تقريبًا.
نطاق ES
أدى إدخال التقنيات المتقدمة في إنتاج الكهروحرارية إلى خفض تكلفة إنتاج EP وتوسيع إمكانية الوصول إلى السوق.
اليوم EP يستخدم على نطاق واسع:
- في مبردات محمولة ، لتبريد الأجهزة الصغيرة والمكونات الإلكترونية ؛
- في مزيلات الرطوبة لاستخراج الماء من الهواء ؛
- في مركبة فضائية لموازنة تأثير أشعة الشمس المباشرة على جانب واحد من السفينة أثناء تبديد الحرارة إلى الجانب الآخر ؛
- لتبريد كاشفات الفوتون للتلسكوبات الفلكية والكاميرات الرقمية عالية الجودة لتقليل أخطاء الرصد بسبب ارتفاع درجة الحرارة ؛
- لتبريد مكونات الكمبيوتر
في الآونة الأخيرة ، تم استخدامه على نطاق واسع للأغراض المنزلية:
- في أجهزة تبريد مدعومة بمنفذ USB لتبريد المشروبات أو تسخينها ؛
- على شكل مرحلة إضافية من تبريد ثلاجات الضغط مع انخفاض درجة الحرارة إلى -80 درجة للتبريد بمرحلة واحدة وما يصل إلى -120 لمرحلتين ؛
- في السيارات لإنشاء ثلاجات أو سخانات مستقلة.
أطلقت الصين إنتاج عناصر بلتيير من التعديلات TEC1-12705 ، TEC1-12706 ، TEC1-12715 بقيمة تصل إلى 7 يورو ، والتي يمكن أن توفر طاقة تصل إلى 200 واط وفقًا لمخططات "الحرارة الباردة" ، مع عمر خدمة يصل إلى 200000 ساعة من التشغيل في منطقة درجة حرارة من -30 إلى 138 درجة مئوية.
بطاريات RITEG النووية
المولد الكهروحراري للنظائر المشعة (RTG) هو جهاز يستخدم المزدوجات الحرارية لتحويل الحرارة من اضمحلال المواد المشعة إلى كهرباء. هذا المولد لا يحتوي على أجزاء متحركة. تم استخدام RITEG كمصدر للطاقة على الأقمار الصناعية ، والمركبات الفضائية ، ومرافق المنارات البعيدة التي بناها اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية للدائرة القطبية الشمالية.
تعتبر RTGs بشكل عام مصدر الطاقة المفضل للأجهزة التي تتطلب عدة مئات من واط من الطاقة. في خلايا الوقود أو البطاريات أو المولدات المركبة في الأماكن التي تكون فيها الخلايا الشمسية غير فعالة. يتطلب المولد الكهروحراري للنظائر المشعة معالجة صارمة للنظائر المشعة أثناءهبعد وقت طويل من انتهاء عمرها التشغيلي
يوجد حوالي 1000 RTGs في روسيا ، والتي كانت تستخدم بشكل أساسي لمصادر الطاقة على وسائل بعيدة المدى: المنارات ومنارات الراديو وغيرها من معدات الراديو الخاصة. أول RTG فضائي على البولونيوم 210 كان Limon-1 في عام 1962 ، ثم Orion-1 بقوة 20 واط. تم تثبيت أحدث تعديل على القمر الصناعي Strela-1 و Kosmos-84/90. استخدمت Lunokhods-1 و 2 و Mars-96 مولدات RTG في أنظمة التدفئة الخاصة بهم.
DIY جهاز المولد الكهروحراري
مثل هذه العمليات المعقدة التي تحدث في TEG لا توقف "Kulibins" المحلية في رغبتها في الانضمام إلى العملية العلمية والتقنية العالمية لإنشاء TEG. تم استخدام استخدام TEGs محلية الصنع لفترة طويلة. خلال الحرب الوطنية العظمى ، صنع الثوار مولد كهربائي حراري عالمي. تولد الكهرباء لشحن الراديو.
مع ظهور عناصر بلتيير في السوق بأسعار معقولة للمستهلك المنزلي ، من الممكن إنشاء TEG بنفسك باتباع الخطوات أدناه.
- احصل على اثنين من خافضات الحرارة من متجر تكنولوجيا المعلومات وقم بتطبيق معجون حراري. هذا الأخير سيسهل اتصال عنصر بلتيير.
- افصل المشعات بأي عازل للحرارة.
- اصنع ثقبًا في العازل لاستيعاب عنصر بلتيير والأسلاك.
- قم بتجميع الهيكل وجلب مصدر الحرارة (الشمعة) إلى أحد المشعات. كلما طالت فترة التسخين ، زاد التيار الناتج من الكهرباء الحرارية في المنزلالمولد
هذا الجهاز يعمل بصمت وخفيف الوزن. يمكن للمولد الكهروحراري ic2 ، حسب الحجم ، توصيل شاحن الهاتف المحمول وتشغيل راديو صغير وتشغيل إضاءة LED.
حاليًا ، أطلق العديد من المصنّعين العالميين المعروفين إنتاج أدوات متنوعة ميسورة التكلفة باستخدام TEG لعشاق السيارات والمسافرين.
آفاق تطوير التوليد الكهروحراري
من المتوقع أن ينمو الطلب على الاستهلاك المنزلي من TEGs بنسبة 14٪. تم نشر توقعات تطوير التوليد الكهروحراري من قبل Market Research Future من خلال إصدار ورقة "تقرير أبحاث سوق المولدات الكهروحرارية العالمية - التوقعات حتى عام 2022" - تحليل السوق ، والحجم ، والحصة ، والتقدم ، والاتجاهات والتوقعات. يؤكد التقرير وعد TEG في إعادة تدوير نفايات السيارات والتوليد المشترك للكهرباء والحرارة للمنشآت المنزلية والصناعية.
جغرافياً ، تم تقسيم سوق المولدات الحرارية العالمية إلى أمريكا وأوروبا وآسيا والمحيط الهادئ والهند وأفريقيا. تعتبر منطقة آسيا والمحيط الهادئ الجزء الأسرع نموًا في تنفيذ سوق TEG.
من بين هذه المناطق ، تعد أمريكا ، وفقًا للخبراء ، المصدر الرئيسي للدخل في سوق TEG العالمية. من المتوقع أن تؤدي زيادة الطلب على الطاقة النظيفة إلى زيادة الطلب في أمريكا.
ستظهر أوروبا أيضًا نموًا سريعًا نسبيًا خلال فترة التوقعات. الهند والصين سوفزيادة الاستهلاك بوتيرة كبيرة نتيجة زيادة الطلب على المركبات مما سيؤدي إلى نمو سوق المولدات.
بدأت شركات السيارات مثل فولكس فاجن ، وفورد ، وبي إم دبليو ، وفولفو ، بالتعاون مع وكالة ناسا ، بالفعل في تطوير mini-TEGs لاستعادة الحرارة ونظام الاقتصاد في استهلاك الوقود في المركبات.
