بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
تبدیل مستقیم انرژی با استفاده از فن آوریهای ترموالکتریک و ترمویونیک
چکیده
تجهیزات ترمو الکتریک ابزاری هستند که انرژی گرمائی را از گرادیان دما به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. به بیان ساده میتوان این پدیده را به صورت حرارت دادن دو فلز غیر همنام و یا آلیاژهای مختلف یک فلز در محل اتصال آنها که باعث تولید اختلاف پتانسیل در دو فلز و نتیجتا در صورت بسته شدن مدار موجب جریان الکتریکی میشود، توصیف نمود. گرما یونی انتشار جریان گرمایی ناشی از حامل های بار از یک سطح و یا بیش از یک سطح. این پدیده به این دلیل رخ می دهد که انرژی حرارتی داده شده به سطح برای غلبه بر اتصال بار با سطح می باشد. حمل این انرژی توسط الکترون ها و یون ها را به اصطلاح ترمویونیک می گویند. در این مقاله ابتدا در مورد ترمو الکتریک به صورت مختصر و مفید اثر آن مورد بررسی قرار گرفته و سپس در مورد ترمویونیک و اثر آن به همراه شکل مطالبی اشاره می شود. با بررسی مطالبی همچون تاریخچه آنها، نحوه عملکرد مبدل، ساختار آنها، چگونگی کارکرد و کاربرد آنها می توان به این نتیجه رسید که هزینه بالا و پایین بودن بازدهی آن از بزرگترین موانع توسعه
این نوع مبدلها می باشد.
واژههای کلیدی: انرژی گرمائی، ترمو الکتریک، ترمویونیک، جریان گرمایی، مبدل
-1 مقدمه
تجهیزات ترمو الکتریک ابزاری هستند که انرژی گرمائی را از گرادیان دما به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. به بیان ساده میتوان این پدیده را به صورت حرارت دادن دو فلز غیرهمنام و یا آلیاژهای مختلف یک فلز در محل اتصال آنها که باعث تولید اختلاف پتانسیل در دو فلز و نتیجتا در صورت بسته شدن مدار، موجب جریان الکتریکی میشود، توصیف نمود. کاربرد آن بیشتر در سامانه های تولید توان در فضاپیماها می باشد (به عنوان مثال (Voyager1&2 و نیز ترموکوپلها برای اندازه گیری دما و در خنک کننده های مخصوص کاربرد دارند. راندمان این تجهیزات، حداکثر به 2 الی 25 درصد می رسد.[1]
مبردهای ترموالکتریکی نیمه رسانا مزایای مختلفی نسبت به سامانه های تبرید متعارف دارند. مثلا کاملا در فاز جامد هستند و هیچ اجزای متحرکی ندارند که این امر آنها را مستحکم و قابل اعتماد و بی صدا می سازد. آنها از فریون ها که باعث تخریب لایه ازن می شوند استفاده نمی کنند. همچنین می توانند بسیار کوچکتر از سامانه های تبرید با کمپرسور باشند. کنترل دقیق درجه دما (کمتر از ( .1 C بوسیله آنها امکان پذیر است. از این وسایل هنگامی استفاده می شود که مزایای آنها بر پایین بودن بازده آنها غلبه داشته باشد. خنک کنهای پلتیه زمانی استفاده می شوند که اندازه ای کوچک مورد نیاز است و بار سرمایشی زیاد مطلوب نیست، مانند خنک کردن اجزای الکتریکی.
ص ف ح ه |
گرما یونی انتشار جریان گرمایی ناشی از حامل های بار از یک سطح و یا بیش از یک سطح . این پدیده به این دلیل رخ می دهد که انرژی حرارتی داده شده به سطح برای غلبه بر اتصال بار با سطح می باشد. حمل این انرژی توسط الکترون ها و یون ها را به اصطلاح ترمویونیک می گویند. در تعاریف کلاسیک در واقع گرمایونی انتشار الکترون از یک کاتد گرم در یک لوله خلاء می باشد. کاتد گرم می تواند یک رشته فلزی، یک رشته فلزی پوشیده شده و یا یک ساختار جداگانه ای از فلز یا کاربید ها یا فلزات واسطه باشد. این فرآیند مهمی است برای استفاده در انواع دستگاههای الکترونیکی و می توان برای تولید برق و یا در دستگاه های خنک کننده مورد استفاده قرار بگیرد. جنبه های علمی تبدیل انرژی گرما یونی در درجه اول در زمینه های فیزیک سطح و فیزیک پلاسما می باشد.[2]
از آنجا الکترون به عنوان یک ذره جداگانه فیزیکی شناخته شده تامسون در سال 1897 کلمه الکترون را برای این ذره انتخاب نمود از آن موقع تا به حال تحقیقات زیادی در مورد حالات الکترون انجام گرفته است.
-2 تاریخچه
اولین ایده ترموالکتریک در سال 1821 میلادی مطرح گردید و یک سال بعد یعنی در سال 1822 میلادی این اثر توسط فیزیکدان آلمانی به نام سیبک((Seebeck مورد توجه قرار گرفت.
اثر پلتیر((Peltier توسط فیزیکدان فرانسوی ژان چارلز در سال 1834 کشف شد . اثر پلتیر هنگامی اتفاق می افتد که جریان برق از یک مدار شامل دوهادی ناهمگون عبور کند. حضور گرما در محل اتصال به برق از دو فلز متفاوت است.
اثر تامسون (Thomson) توسط لرد کلوین در سال 1851 مشاهده شد. توصیف گرم و یا خنک کننده از یک هادی حامل جریان با گرادیان دما است. ضریب تامسون منحصر به فرد است در میان سه پارامتر اصلی ترموالکتریک به دلیل آن است که تنها به طور مستقیم قابل اندازه گیری برای مواد فردی است. در سال 1854 لرد کلوین توانست رابطی بین این سه اثر پیدا کند.[3]
پدیده ترمویونیک ناشی از گرم کردن یک فلز در مجاورت فلز سرد دیگر بوجود می آید که باعث ساطع شدن الکترون از فلز گرم به فلز سرد میشود. این پدیده برای اولین بار در سال 1833 میلادی توسط ادیسون دانشمند مشهور آمریکایی مورد توجه قرار گرفت قبل از آن در سال 1873 در بریتانیا دانشمندی به نام فردریک گوتری با مطالعه بر روی ذره های باردار کشف کرد که ذرات کـروی قرمز گداخته قلع با یک بار مثبت، بار خود را از دست می دهند (یونها را به خلا تخلیه می کنند). او همچنین متوجـه شـد کـه در این پدیده وقتی ذرات کروی بار منفی داشته باشند اتفا ق نمی افتد . محققان دیگری از جمله جان ویلهلم هیدروف در سـال هـای (1869-1883) و اجن گلدستن در سال (1885) و ژولیس الستر و هنس فردریش جینتل در سال های (1882-1889) روی ایـن فناوری تحقیقاتی انجام داده اند.[4]
-3 لزوم برداشت انرژی ترموالکتریک
وقتی تراشه ترموالکتریک در محیطی قرار گیرد که در مواضع مختلف اختلاف دما بصورت پایدار وجود داشته باشد شارش انرژی حرارتی در چنین محیطی باعث می شود تا بطور موضعی انرژی الکتریکی تولید شده و بدین ترتیب پدیده ترموالکتریک روشی برای تولید انرژی الکتریکی می شود. حتی با بازدهی متوسط این پدیده می تواند مزیت فراوانی داشته باشد.[5 ]
در حقیقت به دلیل اتلاف و نشت انرژی حرارتی موضعی انتظار می رود که از این پدیده در کاربردهای فراوان و متنوع برای تولید انرژی الکتریکی موضعی استفاده شود. از آنجایی که این انرژی به هر حال قابل دسترس است می توان منفعت این راه حل را با توجه به قیمت تراشه ترموالکتریک نسبت به سرمایه بازگشتی مثل کاهش در نیازمندی انرژی موضعی تخمین زد. مهمترین مشخصه این تراشه ها این است که فقدان قسمت های مکانیکی امکان کاربری پاک و بیصدا ، ابعاد کوچک و وزن سبک، قابلیت اطمینان و نیز شرایط نگهداری و تعمیر ساده را فراهم کند. مانع اصلی در تجاری سازی این فناوری کارآمدی ناچیز آن است. ماده ترموالکتریک خوب باید قابلیت بالای تبدیل گرما به الکتریسیته را داشته باشد تا ولتاژ مورد نیاز را تولید کند. برای حصول این خاصیت باید هدایت الکتریکی ماده زیاد باشد تا ولتاژ مورد نیاز باشد تا نوفه حرارتی کاهش یابد. همچنین هدایت حرارتی باید تا
ص ف ح ه |
حد امکان کم باشد تا از اتلاف انرژی حرارتی جلوگیری شود. این خواص با فاکتوری به نام ZT اندازه گیری می شود. در دنیا تحقیق در مورد نیمه رساناهای جدید که فاکتور ZT بالایی دارند بسیار فعال است. در حال حاضر مواد ترموالکتریک مقادیر ZT یک یا کمتر را دارا هستند. یک تخمین گسترده جمعی ZT اجازه گسترش بیشتر ترموالکتریک را می دهد.
-4 شرح نحوه عملکرد مبدلهای ترموالکتریک
اولین ایده ترموالکتریک در سال 1821 میلادی مطرح گردید و یک سال بعد یعنی در سال 1822 میلادی این اثر توسط فیزیکدان آلمانی به نام سیبک مورد توجه قرار گرفت.
-1-4 اثر سیبک
بر طبق این نظریه اگر دو سیم فلزی غیر همجنس به یکدیگر متصل شوند و تشکیل یک مدار بسته را بدهند و اتصال آنها در درجه حرارتهای متفاوت قرار گیرد یک جریان الکتریکی برقرار شده و تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی می کند او کشف کرد که اگر دوانتهای یک مدار شامل دو فلز ناهمگون و به هم لحیم شده را دردماهای مختلف قرار دهیم، یک سوزن مغناطیسی که نزدیک آن قرار داده شده است، دوران می کند (چنانکه در میدان مغناطیس قرار گرفته باشد). این پدیده، پدیده سیبک نامگذاری شده است.[6]
برای محاسبه ولتاژ حاصل از این نوع فناوری میتوان از فرمول ذیل استفاده نمود:
که در آن T درجه حرارت و ثابت سیبک است و واحد آن ولت بر درجه کلوین میباشد.
مقدار برای مواد مختلف متفاوت است بعنوان مثال برای آهن و مس مقدار آن به شرح ذیل است:
به این مسئله باید توجه داشت که اثر سیبک برای فلزات و آلیاژهای آنها در مقایسه با مواد نیمه رسانا بسیار کمتر است. بطور مثال ضریب سیبک مرکب برای یک جریان آهن –کنسانتین تقریبا ولت بر درجه کلوین است، در حالیکه این مقدار برای ترکیب ژرمانیوم – سیلیکون برابر با است.
علیرغم اینکه اتصال دو فلز غیرهمنام در ترموکوپل معمولا برای تعیین درجه حرارت بکار گرفته میشود، ضریب سیبک برای نیمه رساناهای N – Pبالا بوده و این مواد نیز غالبا در ترموکوپلها به کار گرفته میشوند. ثابت سیبک برای این مواد نیمه رسانا با نمایش داده میشود. در تجهیزات ترموالکتریک که بر مبنای نیمه رساناها ساخته میشوند، حفرههای مثبت و الکترونها که دارای بار منفی هستند، به سوی اتصال حرکت میکنند و در محلی که آنها با همدیگر ترکیب میشوند، تشکیل پیل را میدهند.
ضریب سیبک مرکب برای این شبکه به صورت ذیل در میآید:
و در نهایت پتانسیل ترموالکتریک به شکل زیر در میآید:
-2-4 اثر پلتیه
این پدیده در سال 1834 کشف شد . اثر پلتیه هنگامی اتفاق می افتد که جریان برق از یک مدار شامل دوهادی ناهمگون عبور کند. بسته به جهت جریان، محل تقاطع دو هادی گرما را جذب و یا آزاد می کند. البته این حالت نیز امکانپذیر است که خاصیت معکوس بوجود آید، یعنی اگر مسیر و جهت جریان عوض شود (معکوس) اتصالی که در حال معمول گرم بوده سرد، و اتصال سرد گرم شود.[6]
در صورتیکه جریان I جاری بین دو رسانای A و B باشد که درجه حرارت محل اتصال آنها T و پتانسیل الکتریکی آنها VA و میباشد. با توجه به اینکه را به عنوان مقاومت اتصال در نظر گرفته و میزان حرارت تولیدی درمحل اتصال باشد،میتوان روابط ذیل را نوشت:
