في الفيزياء، نعلم أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، بل يمكنها فقط تغيير شكلها. وهذا هو قانون حفظ الطاقة، وهو ما يدفع المهندسين إلى إيجاد طرق لتحويل الطاقة إلى أشكال أكثر فائدة.
يعد توليد الطاقة الحرارية مثالًا جيدًا، حيث يمكنها تحويل الحرارة مباشرة إلى طاقة كهربائية. تم اكتشاف هذا التأثير لأول مرة بواسطة توماس سيبيك ويعرف الآن باسم تأثير سيبيك، والذي تم تطبيقه على أجهزة تسمى المولدات الكهربائية الحرارية (TEGs). لم تحقق أجهزة الحالة الصلبة هذه تقدمًا كبيرًا في التطبيقات العملية إلا في القرن العشرين، مع ظهور الإصدارات التجارية الأولى في الستينيات. منذ ذلك الحين، دخلت TEG في العديد من أنواع مجالات التطبيق المختلفة.
المعرفة الأساسية بوحدة TEG
مبدأ العمل لوحدة المولد الكهروحراري (يشار إليها عادة بـ TEG) هو تحويل فرق درجة الحرارة إلى جهد، والعكس صحيح. وتسمى هذه الخاصية بالتأثير الكهروحراري، والذي يتضمن ثلاثة أجزاء مرتبطة: 1) تأثير سيبيك، الذي يولد الكهرباء من خلال التدرج في درجة الحرارة؛ 2) يشير تأثير بلتيير إلى امتصاص الحرارة أو إطلاقها عندما يتدفق التيار عبر مادتين مختلفتين؛ 3) يشير تأثير طومسون إلى توليد أو امتصاص الحرارة بناءً على اتجاه تدفق التيار.
هناك نقطة ارتباك شائعة في التكنولوجيا الكهروحرارية وهي الفرق بين المولدات الكهروحرارية (TEGs) والمبردات الكهروحرارية (TECs). يستخدم TEG تأثير Seebeck لتوليد الكهرباء من خلال الحرارة، بينما يستخدم TEC تأثير Peltier لتوفير التبريد أو الحفاظ على درجة حرارة ثابتة. يعتمد كلا هذين التأثيرين على مواد شبه موصلة مماثلة، ولكن بتصميمات مختلفة: يمكن لـ TEG تحقيق فروق عالية في درجات الحرارة وإنتاج طاقة فعال، بينما يستخدم TEC مواد مثل السيراميك والنحاس لتحسين توصيل الحرارة.
في الواقع، إذا كان الهدف هو توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الحرارية، فإن وحدة TEG هي الاختيار الصحيح. تعد وحدات TEC أو Peltier أكثر فعالية في التبريد أو استقرار درجة الحرارة. توفر Same Sky كلاً من وحدات TEG ووحدات Peltier، مما يسهل اختيار الأجهزة المناسبة وفقًا لاحتياجات التصميم.
في المولدات الكهروحرارية الحديثة (TEGs)، يتم توليد الطاقة الكهربائية عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة بين الأسطح الساخنة والباردة. داخل الوحدة، يتم وضع أزواج متعددة من أشباه الموصلات من النوع n والنوع p (عادةً ما تكون مصنوعة من تيلوريد البزموت) بين لوحين (الشكل 1). في المواد من النوع n، تتدفق الإلكترونات من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، بينما في المواد من النوع p، تحدث الحركة بسبب هجرة الثقوب (أي الشواغر الإلكترونية) في نفس الاتجاه. يعمل هذان التدفقان معًا على توليد جهد كهربائي، وكلما زاد الفرق في درجة الحرارة، زاد جهد الخرج.
يعتبر TEG ذو قيمة خاصة في المواقف التي قد يحدث فيها هدر الحرارة، كما هو الحال في الإنتاج الصناعي، لأنه يساعد على استعادة الطاقة المفقودة. يمكن لـ TEG أيضًا العمل في البيئات النائية أو القاسية. على سبيل المثال، عندما لا يكون هناك ما يكفي من ضوء الشمس، يتم تحويل الحرارة الناتجة عن التحلل الإشعاعي إلى طاقة كهربائية لتوفير الطاقة للمسابير الفضائية.
الهياكل المشتركة لوحدات TEG
الشكل 1: الهيكل المشترك لوحدة TEG. (مصدر الصورة: نفس السماء)
مزايا وعيوب TEG
الميزة الرئيسية لوحدات توليد الطاقة من أشباه الموصلات الكهروحرارية (TEG) هي قدرتها على تحويل الحرارة المهدرة إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام، مما يساعد على التقاط الطاقة التي كانت ستفقد لولا ذلك. ولذلك، فإن وحدات TEG ليست عملية فقط، ولكنها أيضًا صديقة للبيئة.
نظرًا لأن TEG عبارة عن جهاز ذو حالة صلبة، فلا توجد أجزاء متحركة، مما يعني أن هذه الوحدة لا تحتوي على ضوضاء مسموعة، وهي قوية ومتينة، ولا تتطلب أي صيانة تقريبًا. تتميز هذه الوحدة بمظهر مدمج، ويمكن تركيبها في مساحات صغيرة، وتوفر فولتية وتيارات متعددة، دون الاعتماد على شبكات الطاقة التقليدية لتوفير طاقة موثوقة. وهذا يجعل TEG خيارًا مثاليًا للأجهزة البعيدة أو أنظمة البطاريات البديلة.
على الرغم من أن المولدات الكهروحرارية (TEGs) توفر مصدرًا موثوقًا للكهرباء، إلا أن لها أيضًا قيودًا على التصميم. يعتمد أداء هذا المولد بشكل كبير على الاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة، مما يحد من استخدامه في بعض التطبيقات ذات التدرجات الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، عادة ما تكون كفاءة تحويل TEG منخفضة، عادةً حوالي 10%، وهي ليست عالية مقارنة بالعديد من تقنيات توليد الطاقة الأخرى.
معايير الاختيار الرئيسية لـ TEG
عند دمج وحدات المولدات الكهروحرارية (TEG) في النظام، يجب مراعاة المواصفات الرئيسية التي تؤثر بشكل مباشر على أدائها. العامل الأكثر أهمية في تشغيل المولد هو الفرق في درجة الحرارة بين الأسطح الساخنة والباردة (يشار إليه عادة بـ Δ T). على الرغم من أن هذا سيؤثر على توليد الطاقة في TEG، إلا أن جدول البيانات لا يعرضها دائمًا بهذه الطريقة. على العكس من ذلك، عادةً ما تقوم الشركات المصنعة بإدراج Tmax، وهي أعلى درجة حرارة تشغيل آمنة، مما يساعد على تحديد الظروف القاسية ولكنها قد لا تكون بالضرورة ظروف التشغيل المثالية.
وتشمل المواصفات المفيدة الأخرى جهد الدائرة المفتوحة، وجهد الحمل المطابق، والتيار، والمقاومة، والطاقة. من خلال هذه القيم يمكن فهم أداء المولد الحراري تحت الأحمال الحرارية والكهربائية الفعلية. في جداول البيانات (مثل جدول بيانات Same Sky)، يتم عرض هذه المعلومات عادةً في شكل جداول (الشكل 2) ورسوم بيانية للأداء (الشكل 3) لتسهيل تصميم مستوى النظام.