مولد ترموالکتریک چیست؟

مولدهای ترموالکتریک ابزارهای حالت جامد هستند که گرما را مستقیما به الکتریسیته تبدیل می‌کنند وبرعکس... در واقع اگر در دوطرفشان اختلاف دما بوجود آید،مانند باطری عمل میکنند و اگر به باتری وصل شوند بین دو طرف آنها اختلاف دما بوجود می آید !

برعکس موتور های حرارتی معمول، مولدهای ترموالکتریک دارای اجزای متحرک نبوده و کاملاً بی صدا می‌باشند...درست مثل خازن و دیود و ترانزیستور یک المان محسوب میشوند که نحوه کارکرد و کاربرد های این المان با ارزش در ادامه مطلب به تفصیل(!) آورده میشود...

 

اثر سیبک (seebeck effect)

  فیزیکدان آلمانی توماس سیبک: در سال 1821میلادی متوجه پدیده خودش(!) شد.او مشاهده کرد که اگر در محل اتصال دو فلز مختلف،دما زیاد شود و دو سر باقیمانده از هر فلز در دمای پایینتری قرار گیرد، بین آن دو سر آزاد اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد میشود...... 

 

 

از اتصال ایندو فلز به هم یک سلول فلزی از نوع ترموالکتریک بوجود می آید. 

این اختلاف پتانسیل از مرتبه هزارم ولت است پس هنگام آزمایش این پدیده لازم نیست نگران برق گرفتگی باشید!

اینجا رو ببینید:

خوب این اختلاف ولتاژ از کجا میاد؟!!

فلزات میلیون ها الکترون آزاد در شبکه خود دارند ؛ وقتی دمای قسمتی از فلز زیاد و گرما از نقطه داغ تر به نقطه سرد تر منتقل میشود، الکترون های آزاد در قسمت گرمتر که دارای سرعت ارتعاش بیشتری نسبت به الکترون های قسمت سرد فلزند دوست دارند جایگاه خود را ترک کنند و به سمت بخش سردتر فلز پخش شوند و این یعنی به هم خوردن تعادل الکتریکی در فلز و ایجاد یک میدان درون ماده.

این میدان از پخش شدن بیشتر الکترون ها که میخواهند در انتقال گرما سهمی داشته باشند جلوگیری میکند و این دو(جابجایی الکترون های آزاد و افزایش میدان الکتریکی مخالفت کننده)سریعا به تعادل میرسند.

اندازه این ولتاژ برای هر فلز متفاوت است.در واقع ولتاژ ایجاد شده به دو عامل بستگی دارد:

1- اختلاف دمای منبع گرم و سرد

2- جنس فلز

   

                                                                                              

                                                                                                           

 

  در رابطه بالا s یک ضریب است و به ضریب سیبک معروف است و واحد آن معمولا به μV/K (میکرو ولت به کلوین) بیان میشود. یک میکرو ولت بر کلوین ضریب سیبک فلزی است که اگر در دو سر آن 1k اختلاف دما ایجاد کنیم ، اختلاف پتانسیلی معادل یک میکرو ولت در دوطرفش ایجاد میشود.در جدول زیر ضریب سیبک چند عنصر آورده شده:

ضرایب سیبک در این جدول همانند جدول سری الکتروشیمیایی نسبت به یک عضو (در اینجا پلاتین که ضریب آن −5 μV/K است) بیان شده اند وخود پلاتین صفر در نظر گرفته میشود و در ضمن همه اعداد مربوط به دمای اتاق هستند.به عبارت دیگر فلزی ماند نیکل که در جدول 15- است،در واقعیت اگر یک کلوین به دوسرش اختلاف دما اعمال شود،تبدیل به نیم سلول 20 میکرو ولتی میشود!! نه 15 میکرو ولتی...   

  

   هر چند با سری کردن چند صد سلول از عناصر بالا میتوان در اختلاف دما های مثلا ده درجه ای به ولتاژ چند ولتی رسید اما این مواد برای ساخت المان های ترموالکتریک به صرفه نیستند.ترکیب هایی ساخته شده اند که ضریب سیبک بسیار بزرگ تری نسبت به عناصر خالص دارند.این مواد از ترکیب نیم رسانا ها با عناصر دیگر بدست آمده اند.جدول زیر را با جدول قبلی مقایسه کنید:

واضح است که ترکیبات نیمرسانا عملکرد ترمو الکتریکی بهتری نسبت به فلزات از خود نشان میدهند. علاوه بر این ضریب هدایت گرمایی فلزات خیلی بیشتر از نیمرسانا هاست و اگر از فلزات به جای نیمرسانا ها استفاده کنیم گرمای زیادی بی رویه منتقل میشود بدون آنکه ولتاژ قابل توجهی ایجاد کند!

   پس بهترین گزینه ها ترکیبات نیمرسانا هستند که بزرگترین ضرایب سیبک از آن آنهاست!! (ترکیباتی که در میانه جدول بالا خودنمایی میکنند)

درست مثل سلول های فلزی ، سلول های نیمرسانا هم از دو نیم سلول (یکی با ضریب منفی و یکی با ضریب مثبت؛بطوریکه بیشترین اختلاف ولتاژ بوجود آید) ساخته میشوند:

در تصویر بالا یک نیمرسانای نوع n ویک p به چشم میخورد.نیمرسانای n همانند اکثر فلزات عمل میکنند و الکترون هایی که در نوار رسانش قرار گرفته اند در رسانش گرما از منبع گرم به سرد شرکت میکنند و همین عمل در نوع p بوسیله حفره ها انجام میپذیرد.چون بار حفره ها مخالف بار الکترون ها و هم اندازه است، ولتاژ نیمرسانای n و p در سلول خلاف یکدیگر است و اگر بالای این دو تکه نیمرسانا با یک سیم به هم متصل گردد ولتاژ سلول همان اختلاف پتانسیل دو پای این دو نیم سلول که در منبع سرد قرار دارند است:

 

در ضمن دلیل استفاده از پوشش سرامیک ، جلوگیری از سوختن نیمرسانا در دما های بالای منبع گرم و همچنین پخش کردن گرماست. به سه تکه فلز رسانا که دو سر نیمرسانا ها را به هم وصل کرده و همچنین به پای آنها هم متصل شده اند دقت کنید.

ولتاژ سلول از دو پای نیمرسانا خوانده میشود.

تا اینجا بهینه ترین روش و موادی که میتوان در ساخت یک سلول ترموالکتریکی به کار برد را یاد گرفتیم. حالا ببینیم این سلولها چطور در کنار همیگه و بصورت سری عمل میکنند تا ولتاژ ناچیز خودشونو با هم جمع کنند و به مقادیر قابل استفاده برسونن؟؟

اینطوری:

 

زوجهای قرص N/P به گونه ای شکل داده شده اند که از نظر الکتریکی با هم سری ولی از نظر گرمایی با هم موازی می باشند.در شکل بالا 5 سلول کامل مشاهده میشود که بطور متوالی متصل شدند تا ولتاژ خوبی حاصل شود.

سازندگان این المان ها به یک ردیف هم بسنده نمیکنند و سلول ها را در یک فضای دو بعدی میگسترانند ؛ این تصویر برش خورده اولین تصویر بالای صفحه است:

 

اندازه هر المان ترموالکتریکی بین  0.25 *  0.25 اینچ مربع تا تقریبا 2×2 اینچ مربع تغییر می کند .

تصویر زیر نحوه نامگذاری خنک کننده ترموالکتریک رو نشون میده:

همون طور که گفته شد تبدیل انرژی از هر دو طرف امکان پذیر است.TEC مخفف thermo electric cooler و TEG مخفف  thermoelectric generator است.اساس کار TEC مشابه اساس کار TEG است.با این تفاوت که اثری که تا کنون شرح داده شد و اساس کار TEG بود ، اثر سیبک گفته میشود و به پدیده برعکس آن یعنی ایجاد اختلاف دما با مصرف توان الکتریکی، پدیده پلتیر(peltier dffect) میگویند.

TEC ها برای استفاده های خنک کنندگی استفاده میشوند و TEG ها برای تولید توان الکتریکی از اختلاف دما...

 

مزایای سیستم ترمو الکتریک

انتخاب فن آوری سرمایشی به نیازهای خاص هر کاربرد بستگی دارد، اما خنک کننده های ترمو الکتریک فوائد متفاوتی در مقایسه با سایر فن آوریها دارند :

· خنک کننده های T E هیچ قسمت متحرکی ندارند و بنابراین مراقبت کمتری لازم دارند.

·  آزمایش طول عمر نشان داده که طول عمر وسایل T E بیش از صد هزار ساعت در شرایط کار پایدار است .

· خنک کننده های T E محتوی کلروفلوروئید کربن یا مواد دیگری نیستند که نیاز به پرکردن مداوم داشته باشد 

·  کنترل دما تا جزئی ترین بخشهای یک درجه به راحتی با سیستم T E ممکن است .

· خنک کننده های T E در محیط هایی که خیلی مهم ، خیلی حساس یا خیلی کوچک هستند جهت خنک کنندگی استفاده می شوند.

· عملکرد خنک کننده های T E بستگی به محل و موقعیت هندسی ندارند .

· جهت تخلیه گرما در یک سیستم T E کاملآ قابل برگشت است . تغییر پلاریته منبع DC  باعث می شود که گرما در جهت دیگری تخلیه شود . به این ترتیب یک خنک کننده نیز می تواند مانند یک گرمازا عمل کند .

اینو ببینید:

 

اگر سوالی براتون باقی موند میتونین این پایین بپرسین.

در پست بعدی کاربرد های جالب این ابزار رو براتون میذارم...