थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (TEG थर्मोजेनरेटर) एक विद्युत उपकरण है जो थर्मो-ईएमएफ के माध्यम से बिजली उत्पन्न करने के लिए सीबेक, थॉमसन और पेल्टियर प्रभावों का उपयोग करता है। थर्मो-ईएमएफ प्रभाव की खोज जर्मन वैज्ञानिक थॉमस जोहान सीबेक (सीबेक इफेक्ट) ने 1821 में की थी। 1851 में, विलियम थॉमसन (बाद में लॉर्ड केल्विन) ने थर्मोडायनामिक अनुसंधान जारी रखा और साबित किया कि इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) का स्रोत तापमान अंतर है।.
1834 में, फ्रांसीसी आविष्कारक और घड़ी निर्माता जीन चार्ल्स पेल्टियर ने दूसरे थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज की, जिसमें पाया गया कि विद्युत प्रवाह (पेल्टियर प्रभाव) के प्रभाव में दो अलग-अलग प्रकार की सामग्रियों के जंक्शन पर तापमान अंतर होता है। विशेष रूप से, उन्होंने भविष्यवाणी की थी कि तापमान अंतर होने पर एक एकल कंडक्टर के भीतर एक EMF विकसित होगा।
1950 में, रूसी शिक्षाविद और शोधकर्ता अब्राम इओफ़े ने अर्धचालकों के थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों की खोज की। थर्मोइलेक्ट्रिक पावर जनरेटर का उपयोग किया जाने लगादुर्गम क्षेत्रों में स्वायत्त बिजली आपूर्ति प्रणाली। बाहरी अंतरिक्ष के अध्ययन, मनुष्य के स्पेसवॉक ने थर्मोइलेक्ट्रिक कन्वर्टर्स के तेजी से विकास को एक शक्तिशाली प्रोत्साहन दिया।
रेडियोआइसोटोप ऊर्जा स्रोत को सबसे पहले अंतरिक्ष यान और कक्षीय स्टेशनों पर स्थापित किया गया था। वे बड़े तेल और गैस उद्योग में गैस पाइपलाइनों के जंग-रोधी संरक्षण के लिए, सुदूर उत्तर में अनुसंधान कार्य में, दवा के क्षेत्र में पेसमेकर के रूप में, और आवास में बिजली आपूर्ति के स्वायत्त स्रोतों के रूप में उपयोग किए जाने लगे हैं।
इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव और गर्मी हस्तांतरण
थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर, जिसके संचालन का सिद्धांत तीन वैज्ञानिकों (सीबेक, थॉमसन, पेल्टियर) के प्रभाव के जटिल उपयोग पर आधारित है, उन खोजों के लगभग 150 साल बाद विकसित किए गए जो अपने समय से बहुत आगे थे।
थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव निम्नलिखित परिघटना है। बिजली को ठंडा करने या उत्पन्न करने के लिए, विद्युत रूप से जुड़े जोड़े से युक्त "मॉड्यूल" का उपयोग किया जाता है। प्रत्येक जोड़ी में अर्धचालक पदार्थ p (S> 0) और n (S<0) होते हैं। ये दोनों पदार्थ एक ऐसे चालक से जुड़े हैं जिसकी थर्मोइलेक्ट्रिक शक्ति शून्य मानी जाती है। मॉड्यूल बनाने वाली दो शाखाएं (पी और एन) और अन्य सभी जोड़े विद्युत सर्किट में श्रृंखला में और थर्मल सर्किट में समानांतर में जुड़े हुए हैं। इस लेआउट के साथ टीईजी (थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर) मॉड्यूल के माध्यम से गुजरने वाले गर्मी प्रवाह को अनुकूलित करने के लिए स्थितियां बनाता है, इसे पार करता हैविद्युतीय प्रतिरोध। विद्युत धारा इस प्रकार कार्य करती है कि आवेश वाहक (इलेक्ट्रॉन और छिद्र) युग्म की दो शाखाओं में एक ठंडे स्रोत से एक गर्म स्रोत (ऊष्मप्रवैगिकी अर्थ में) में चले जाते हैं। साथ ही, वे एक ठंडे स्रोत से एक गर्म स्रोत में एंट्रॉपी के हस्तांतरण में योगदान करते हैं, जो गर्मी प्रवाहकत्त्व का विरोध करेगा।
यदि चयनित सामग्रियों में अच्छे थर्मोइलेक्ट्रिक गुण हैं, तो चार्ज वाहकों की गति से उत्पन्न यह ऊष्मा प्रवाह तापीय चालकता से अधिक होगा। इसलिए, सिस्टम गर्मी को ठंडे स्रोत से गर्म स्रोत में स्थानांतरित करेगा और रेफ्रिजरेटर के रूप में कार्य करेगा। बिजली उत्पादन के मामले में, गर्मी प्रवाह चार्ज वाहक के विस्थापन और विद्युत प्रवाह की उपस्थिति का कारण बनता है। तापमान का अंतर जितना अधिक होगा, उतनी ही अधिक बिजली प्राप्त की जा सकती है।
TEG दक्षता
दक्षता कारक द्वारा मूल्यांकन किया गया। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की शक्ति दो महत्वपूर्ण कारकों पर निर्भर करती है:
- ऊष्मा प्रवाह की मात्रा जो मॉड्यूल (गर्मी प्रवाह) के माध्यम से सफलतापूर्वक आगे बढ़ सकती है।
- तापमान डेल्टा (डीटी) - जनरेटर के गर्म और ठंडे पक्ष के बीच तापमान का अंतर। डेल्टा जितना बड़ा होता है, उतनी ही कुशलता से काम करता है, इसलिए, जनरेटर की दीवारों से अधिकतम ठंड की आपूर्ति और अधिकतम गर्मी हटाने दोनों के लिए रचनात्मक रूप से स्थितियां प्रदान की जानी चाहिए।
शब्द "थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की दक्षता" अन्य सभी प्रकारों पर लागू होने वाले शब्द के समान हैथर्मल इंजन। अब तक, यह बहुत कम है और कार्नोट की दक्षता के 17% से अधिक नहीं है। टीईजी जनरेटर की दक्षता कार्नोट दक्षता से सीमित होती है और व्यवहार में उच्च तापमान पर भी केवल कुछ प्रतिशत (2-6%) तक पहुंचती है। यह अर्धचालक पदार्थों में कम तापीय चालकता के कारण है, जो कुशल बिजली उत्पादन के लिए अनुकूल नहीं है। इस प्रकार, कम तापीय चालकता वाली सामग्री, लेकिन साथ ही उच्चतम संभव विद्युत चालकता वाली सामग्री की आवश्यकता होती है।
अर्धचालक धातुओं की तुलना में बेहतर काम करते हैं, लेकिन अभी भी उन संकेतकों से बहुत दूर हैं जो एक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर को औद्योगिक उत्पादन के स्तर पर लाएंगे (उच्च तापमान गर्मी के कम से कम 15% उपयोग के साथ)। टीईजी की दक्षता में एक और वृद्धि थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री (थर्मोइलेक्ट्रिक्स) के गुणों पर निर्भर करती है, जिसकी खोज वर्तमान में ग्रह की संपूर्ण वैज्ञानिक क्षमता पर है।
नए थर्मोइलेक्ट्रिक्स का विकास अपेक्षाकृत जटिल और महंगा है, लेकिन यदि सफल रहा, तो वे उत्पादन प्रणालियों में एक तकनीकी क्रांति का कारण बनेंगे।
थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री
थर्मोइलेक्ट्रिक्स विशेष मिश्र धातुओं या अर्धचालक यौगिकों से बने होते हैं। हाल ही में, थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों के लिए विद्युत प्रवाहकीय पॉलिमर का उपयोग किया गया है।
थर्मोइलेक्ट्रिक्स के लिए आवश्यकताएँ:
- कम तापीय चालकता और उच्च विद्युत चालकता के कारण उच्च दक्षता, उच्च सीबेक गुणांक;
- उच्च तापमान और थर्मोमेकेनिकल का प्रतिरोधप्रभाव;
- पहुंच और पर्यावरण सुरक्षा;
- कंपन का प्रतिरोध और तापमान में अचानक परिवर्तन;
- दीर्घकालिक स्थिरता और कम लागत;
- निर्माण प्रक्रिया का स्वचालन।
वर्तमान में, इष्टतम थर्मोकपल का चयन करने के लिए प्रयोग चल रहे हैं, जिससे टीईजी दक्षता में वृद्धि होगी। थर्मोइलेक्ट्रिक सेमीकंडक्टर सामग्री टेलुराइड और बिस्मथ का मिश्र धातु है। इसे विशेष रूप से अलग-अलग "एन" और "पी" विशेषताओं वाले अलग-अलग ब्लॉक या तत्व प्रदान करने के लिए निर्मित किया गया है।
थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री अक्सर पिघले हुए या दबाए गए पाउडर धातु विज्ञान से दिशात्मक क्रिस्टलीकरण द्वारा बनाई जाती है। प्रत्येक निर्माण विधि का अपना विशेष लाभ होता है, लेकिन दिशात्मक विकास सामग्री सबसे आम हैं। बिस्मथ टेल्यूराइट (Bi 2 Te 3) के अलावा, अन्य थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री भी हैं, जिनमें लेड और टेल्यूराइट (PbTe), सिलिकॉन और जर्मेनियम (SiGe), बिस्मथ और एंटीमनी (Bi-Sb) के मिश्र धातु शामिल हैं, जिनका उपयोग विशिष्ट में किया जा सकता है। मामले जबकि अधिकांश टीईजी के लिए बिस्मथ और टेलुराइड थर्मोकपल सबसे अच्छे होते हैं।
TEG की गरिमा
थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के लाभ:
- बिना जटिल पारेषण प्रणालियों के उपयोग और गतिमान भागों के उपयोग के बिना एक बंद, एकल-चरण सर्किट में बिजली उत्पन्न होती है;
- काम करने वाले तरल पदार्थ और गैसों की कमी;
- हानिकारक पदार्थों का उत्सर्जन नहीं, अपशिष्ट गर्मी और पर्यावरण का ध्वनि प्रदूषण;
- डिवाइस की लंबी बैटरी लाइफकामकाज;
- ऊर्जा संसाधनों को बचाने के लिए अपशिष्ट ताप (द्वितीयक ताप स्रोत) का उपयोग
- ऑपरेटिंग वातावरण की परवाह किए बिना वस्तु की किसी भी स्थिति में काम करें: अंतरिक्ष, पानी, पृथ्वी;
- डीसी कम वोल्टेज पीढ़ी;
- शॉर्ट सर्किट प्रतिरक्षा;
- असीमित शेल्फ लाइफ, 100% जाने के लिए तैयार।
थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के अनुप्रयोग के क्षेत्र
TEG के लाभों ने विकास की संभावनाओं और उसके निकट भविष्य को निर्धारित किया:
- सागर और अंतरिक्ष का अध्ययन;
- लघु (घरेलू) वैकल्पिक ऊर्जा में अनुप्रयोग;
- कार के निकास पाइप से गर्मी का उपयोग करना;
- रीसाइक्लिंग सिस्टम में;
- कूलिंग और एयर कंडीशनिंग सिस्टम में;
- डीजल इंजनों और कारों के डीजल इंजनों को तुरंत गर्म करने के लिए हीट पंप सिस्टम में;
- खेत की परिस्थितियों में गर्म करना और खाना बनाना;
- इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और घड़ियों को चार्ज करना;
- एथलीटों के लिए संवेदी कंगन का पोषण।
थर्मोइलेक्ट्रिक पेल्टियर कनवर्टर
पेल्टियर एलिमेंट (ईपी) एक थर्मोइलेक्ट्रिक कनवर्टर है जो एक ही नाम के पेल्टियर प्रभाव का उपयोग करके संचालित होता है, तीन थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभावों (सीबेक और थॉमसन) में से एक है।
फ्रांसीसी जीन-चार्ल्स पेल्टियर ने तांबे और बिस्मथ तारों को एक दूसरे से जोड़ा और उन्हें एक बैटरी से जोड़ा, इस प्रकार दो के कनेक्शन की एक जोड़ी बनाईभिन्न धातुएँ। जब बैटरी चालू की जाती थी, तो एक जंक्शन गर्म हो जाता था और दूसरा ठंडा हो जाता था।
पिल्टियर प्रभाव उपकरण अत्यंत विश्वसनीय होते हैं क्योंकि उनके पास कोई हिलने-डुलने वाले हिस्से नहीं होते हैं, रखरखाव से मुक्त होते हैं, कोई हानिकारक गैसों का उत्सर्जन नहीं करते हैं, कॉम्पैक्ट होते हैं और करंट की दिशा के आधार पर द्वि-दिशात्मक संचालन (हीटिंग और कूलिंग) करते हैं।
दुर्भाग्य से, वे अक्षम हैं, कम दक्षता रखते हैं, बहुत अधिक गर्मी उत्सर्जित करते हैं, जिसके लिए अतिरिक्त वेंटिलेशन की आवश्यकता होती है और डिवाइस की लागत बढ़ जाती है। इस तरह के उपकरण बहुत अधिक बिजली की खपत करते हैं और अति ताप या संक्षेपण का कारण बन सकते हैं। 60 मिमी x 60 मिमी से बड़े पेल्टियर तत्व लगभग कभी नहीं पाए जाते हैं।
ES का दायरा
थर्मोइलेक्ट्रिक्स के उत्पादन में उन्नत प्रौद्योगिकियों की शुरूआत से ईपी के उत्पादन की लागत में कमी आई है और बाजार पहुंच का विस्तार हुआ है।
आज ईपी का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है:
- छोटे उपकरणों और इलेक्ट्रॉनिक घटकों को ठंडा करने के लिए पोर्टेबल कूलर में;
- हवा से पानी निकालने के लिए dehumidifiers में;
- जहाज के एक तरफ सीधी धूप के प्रभाव को संतुलित करने के लिए अंतरिक्ष यान में दूसरी तरफ गर्मी का प्रसार करते हुए;
- अतिशीघ्रता के कारण अवलोकन संबंधी त्रुटियों को कम करने के लिए खगोलीय दूरबीनों और उच्च गुणवत्ता वाले डिजिटल कैमरों के फोटॉन डिटेक्टरों को ठंडा करने के लिए;
- कंप्यूटर घटकों को ठंडा करने के लिए।
हाल ही में, घरेलू उद्देश्यों के लिए इसका व्यापक रूप से उपयोग किया गया है:
- पेय को ठंडा करने या गर्म करने के लिए यूएसबी पोर्ट द्वारा संचालित कूलर उपकरणों में;
- संपीड़न रेफ्रिजरेटर के शीतलन के एक अतिरिक्त चरण के रूप में तापमान में कमी के साथ -80 डिग्री एक-चरण शीतलन के लिए और दो-चरण के लिए -120 तक;
- स्वायत्त रेफ्रिजरेटर या हीटर बनाने के लिए कारों में।
चीन ने संशोधनों के पेल्टियर तत्वों का उत्पादन शुरू किया है TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 की कीमत 7 यूरो तक है, जो "गर्मी-ठंड" योजनाओं के अनुसार 200 W तक की शक्ति प्रदान कर सकती है, तापमान क्षेत्र में -30 से 138 डिग्री सेल्सियस तक के ऑपरेशन के 200,000 घंटे तक की सेवा जीवन के साथ।
RITEG परमाणु बैटरी
एक रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) एक ऐसा उपकरण है जो रेडियोधर्मी सामग्री के क्षय से गर्मी को बिजली में बदलने के लिए थर्मोकपल का उपयोग करता है। इस जनरेटर में कोई गतिमान भाग नहीं है। आर्कटिक सर्कल के लिए यूएसएसआर द्वारा निर्मित उपग्रहों, अंतरिक्ष यान, रिमोट लाइटहाउस सुविधाओं पर आरआईटीईजी का उपयोग ऊर्जा स्रोत के रूप में किया गया था।
RTG आमतौर पर कई सौ वाट बिजली की आवश्यकता वाले उपकरणों के लिए सबसे पसंदीदा शक्ति स्रोत हैं। ईंधन कोशिकाओं में, बैटरी या जनरेटर उन जगहों पर स्थापित होते हैं जहां सौर सेल अक्षम होते हैं। एक रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर को के दौरान सख्त रेडियोआइसोटोप हैंडलिंग की आवश्यकता होती हैअपने सेवा जीवन की समाप्ति के लंबे समय बाद।
रूस में लगभग 1,000 आरटीजी हैं, जो मुख्य रूप से लंबी दूरी के साधनों पर बिजली स्रोतों के लिए उपयोग किए जाते थे: लाइटहाउस, रेडियो बीकन और अन्य विशेष रेडियो उपकरण। पोलोनियम -210 पर पहला अंतरिक्ष आरटीजी 1962 में लिमोन -1 था, फिर 20 डब्ल्यू की शक्ति के साथ ओरियन -1। नवीनतम संशोधन Strela-1 और Kosmos-84/90 उपग्रहों पर स्थापित किया गया था। Lunokhods-1, 2 और Mars-96 ने अपने हीटिंग सिस्टम में RTG का इस्तेमाल किया।
DIY थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर डिवाइस
टीईजी में होने वाली ऐसी जटिल प्रक्रियाएं स्थानीय "कुलिबिन्स" को टीईजी के निर्माण के लिए वैश्विक वैज्ञानिक और तकनीकी प्रक्रिया में शामिल होने की इच्छा में नहीं रोकती हैं। होममेड टीईजी का उपयोग लंबे समय से किया जा रहा है। महान देशभक्तिपूर्ण युद्ध के दौरान, पक्षपातियों ने एक सार्वभौमिक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर बनाया। इसने रेडियो को चार्ज करने के लिए बिजली पैदा की।
घरेलू उपभोक्ता के लिए सस्ती कीमतों पर बाजार में पेल्टियर तत्वों के आगमन के साथ, नीचे दिए गए चरणों का पालन करके खुद एक टीईजी बनाना संभव है।
- एक आईटी स्टोर से दो हीट सिंक लें और थर्मल पेस्ट लगाएं। उत्तरार्द्ध पेल्टियर तत्व के कनेक्शन की सुविधा प्रदान करेगा।
- रेडियेटर्स को किसी भी हीट इंसुलेटर से अलग करें।
- पेल्टियर तत्व और तारों को समायोजित करने के लिए इन्सुलेटर में एक छेद बनाएं।
- संरचना को इकट्ठा करें और गर्मी स्रोत (मोमबत्ती) को रेडिएटर्स में से एक में लाएं। हीटिंग जितना लंबा होगा, होम थर्मोइलेक्ट्रिक से उतना ही अधिक करंट उत्पन्न होगाजनरेटर।
यह डिवाइस चुपचाप काम करता है और वजन में हल्का है। ic2 थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर, आकार के अनुसार, मोबाइल फोन चार्जर को कनेक्ट कर सकता है, एक छोटा रेडियो चालू कर सकता है और एलईडी लाइटिंग चालू कर सकता है।
वर्तमान में, कई प्रसिद्ध वैश्विक निर्माताओं ने कार उत्साही और यात्रियों के लिए TEG का उपयोग करके विभिन्न किफायती गैजेट्स का उत्पादन शुरू किया है।
थर्मोइलेक्ट्रिक पीढ़ी के विकास की संभावनाएं
टीईजी की घरेलू खपत की मांग 14% बढ़ने की उम्मीद है। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेशन डेवलपमेंट आउटलुक मार्केट रिसर्च फ्यूचर द्वारा "ग्लोबल थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर मार्केट रिसर्च रिपोर्ट - फोरकास्ट टू 2022" पेपर जारी करके प्रकाशित किया गया था - बाजार विश्लेषण, मात्रा, शेयर, प्रगति, रुझान और पूर्वानुमान। रिपोर्ट घरेलू और औद्योगिक सुविधाओं के लिए ऑटोमोटिव कचरे के पुनर्चक्रण और बिजली और गर्मी के सह-उत्पादन में टीईजी के वादे की पुष्टि करती है।
भौगोलिक रूप से, वैश्विक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर बाजार को अमेरिका, यूरोप, एशिया-प्रशांत, भारत और अफ्रीका में विभाजित किया गया है। TEG बाजार के कार्यान्वयन में एशिया-प्रशांत को सबसे तेजी से बढ़ने वाला खंड माना जाता है।
इन क्षेत्रों में, अमेरिका, विशेषज्ञों के अनुसार, वैश्विक टीईजी बाजार में आय का मुख्य स्रोत है। स्वच्छ ऊर्जा की मांग में वृद्धि से अमेरिका में मांग बढ़ने की उम्मीद है।
यूरोप भी पूर्वानुमान अवधि के दौरान अपेक्षाकृत तेजी से विकास दिखाएगा। भारत और चीन करेंगेवाहनों की मांग में वृद्धि के कारण खपत में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है, जिससे जनरेटर बाजार का विकास होगा।
ऑटोमोबाइल कंपनियों जैसे वोक्सवैगन, फोर्ड, बीएमडब्ल्यू और वोल्वो ने नासा के सहयोग से वाहनों में हीट रिकवरी और ईंधन अर्थव्यवस्था प्रणाली के लिए मिनी-टीईजी विकसित करना शुरू कर दिया है।
