ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก

ในฟิสิกส์ เรารู้ว่าพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทําลายมัน มันสามารถเปลี่ยนรูปของมันเท่านั้น นี่คือกฎอนุรักษ์พลังงานซึ่งทําให้วิศวกรค้นหาวิธีการแปลงพลังงาน เป็นรูปแบบที่ใช้ได้มากขึ้น.

การผลิตพลังงานความร้อนเป็นตัวอย่างดี ซึ่งสามารถแปลงความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง ผลนี้ถูกค้นพบครั้งแรกโดยโทมัส ซีเบ็ค และตอนนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อผลซีเบ็คที่ถูกนําไปใช้ในอุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่องผลิตไฟฟ้าร้อน (TEG)จนกระทั่งศตวรรษที่ 20 ที่อุปกรณ์ที่แข็งแรงเหล่านี้ได้ทําความก้าวหน้าอย่างสําคัญในการใช้งานจริง โดยมีรุ่นพาณิชย์แรกปรากฏในปี 1960TEG ได้เข้าสู่หลายชนิดของสาขาการใช้งานที่แตกต่างกัน.

ความรู้พื้นฐานของโมดูล TEG
หลักการทํางานของโมดูลเจเนอเรเตอร์ไฟฟ้าร้อน (มักเรียกว่า TEG) คือการแปลงความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นแรงดัน และกลับกันคุณลักษณะนี้เรียกว่า อิทธิพลไฟฟ้าร้อน, ซึ่งประกอบด้วยสามส่วนที่เกี่ยวข้องกัน: 1) ผล Seebeck, ซึ่งผลิตไฟฟ้าผ่านอุณหภูมิ;2) อิทธิพลของเพลเทียร์ หมายถึงการดูดซึมหรือปล่อยความร้อนเมื่อกระแสกระแสผ่านวัสดุที่แตกต่างกัน; 3) อิทธิพลของทอมสันหมายถึงการผลิตหรือการดูดซึมของความร้อนโดยใช้ทิศทางของการไหลของกระแส

จุดความสับสนทั่วไปในเทคโนโลยีไฟฟ้าร้อน คือความแตกต่างระหว่างเครื่องผลิตไฟฟ้าร้อน (TEGs) และเครื่องเย็นไฟฟ้าร้อน (TECs)TEG ใช้ผล Seebeck เพื่อผลิตไฟฟ้าผ่านความร้อน, ขณะที่ TEC ใช้อิทธิพลของเพลทีย์เพื่อให้ความเย็นหรือรักษาอุณหภูมิที่คงที่ ทั้งสองอิทธิพลนี้พึ่งพาวัสดุครึ่งประสาทที่คล้ายกัน แต่มีการออกแบบที่แตกต่างกัน:TEG สามารถบรรลุความแตกต่างอุณหภูมิสูงและผลิตพลังงานที่ประสิทธิภาพขณะที่ TEC ใช้วัสดุ เช่น เซรามิคและทองแดงเพื่อปรับปรุงการนําความร้อน

ในความเป็นจริงถ้าเป้าหมายคือการผลิตไฟฟ้าโดยใช้พลังงานความร้อน แล้วโมดูล TEG คือทางเลือกที่ถูกต้อง โมดูล TEC หรือ Peltier มีประสิทธิภาพมากกว่าสําหรับการเย็นหรือความมั่นคงของอุณหภูมิSame Sky จําหน่ายโมดูล TEG และโมดูล Peltierทําให้ง่ายกว่าที่จะเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมตามความต้องการการออกแบบ

ในเครื่องผลิตไฟฟ้าร้อน (TEG) ที่ทันสมัย พลังงานไฟฟ้าถูกผลิตเมื่อมีความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวร้อนและเย็นจัดตั้งคู่หลายคู่ของครึ่งประสาทชนิด n และ p (มักทําจากบิสมูธ เทลลูไรด์) ระหว่างแผ่นสองแผ่น (รูป 1)ในวัสดุประเภท n อิเล็กตรอนไหลจากด้านร้อนไปทางด้านเย็น ในขณะที่ในวัสดุประเภท p การเคลื่อนไหวถูกทําให้เกิดจากการย้ายของรู (เช่นช่องว่างอิเล็กตรอน) ในทิศทางเดียวกันสองกระแสนี้ร่วมกันสร้างความดัน, และความแตกต่างของอุณหภูมิที่ใหญ่ยิ่งขึ้น ความกระชับกําลังการออกจะสูงขึ้น

TEG มีคุณค่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่เสียความร้อนอาจเกิดขึ้น เช่นในการผลิตอุตสาหกรรม เพราะมันช่วยในการฟื้นฟูพลังงานที่สูญเสีย TEG ยังสามารถทํางานในสภาพแวดล้อมที่ห่างไกลหรือขั้วเช่นเมื่อแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอ ความร้อนที่เกิดจากการละลายรังสีจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า เพื่อให้พลังงานสําหรับเครื่องสํารวจอวกาศ

โครงสร้างทั่วไปของโมดูล TEG
รูปที่ 1: โครงสร้างทั่วไปของโมดูล TEG (แหล่งภาพ: Same Sky)

ข้อดีและข้อเสียของ TEG
ข้อดีหลักของโมดูลการผลิตพลังงานแบบครึ่งนําไฟฟ้า (TEG) คือความสามารถในการแปลงความร้อนที่เสียเป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ได้ซึ่งช่วยในการจับพลังงานที่เสียหายเพราะฉะนั้น โมดูล TEG ไม่เพียงแต่เป็นประโยชน์ แต่ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมด้วย

เนื่องจาก TEG เป็นอุปกรณ์ในสภาพแข็ง ไม่มีส่วนเคลื่อนไหว ซึ่งหมายความว่าโมดูลนี้ไม่มีเสียงได้ยิน มีความแข็งแกร่งและทนทาน และไม่ต้องการการบํารุงรักษาโมดูลนี้มีลักษณะที่คอมแพคต์สามารถติดตั้งในพื้นที่เล็ก ๆ และให้ความกระชับกําลังและกระแสหลายแบบ โดยไม่พึ่งพาการใช้เครือข่ายไฟฟ้าแบบดั้งเดิมในการให้พลังงานที่น่าเชื่อถือทําให้ TEG เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสําหรับอุปกรณ์ระยะไกลหรือระบบแบตเตอรี่ทางเลือก.

แม้ว่าเครื่องผลิตไฟฟ้าร้อน (TEG) จะเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่น่าเชื่อถือ แต่มันยังมีข้อจํากัดในการออกแบบผลงานของเครื่องกําเนิดไฟฟ้านี้ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิ, ซึ่งจํากัดการใช้งานของมันในแอปพลิเคชั่นบางส่วนที่มีเทอร์มัลเกรดิเอ็นต์ นอกจากนี้ประสิทธิภาพของการแปลงของ TEG ปกติจะต่ํา, โดยทั่วไปประมาณ 10%,ซึ่งไม่สูง เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการผลิตพลังงานอื่นๆ.

หลักเกณฑ์การคัดเลือก TEG
เมื่อบูรณาการโมดูลพลังงานไฟฟ้าร้อน (TEG) ในระบบ ต้องพิจารณาเอกสารเฉพาะเจาะจงหลัก ๆ ที่มีผลต่อผลงานโดยตรงปัจจัยที่สําคัญที่สุดในการทํางานของเครื่องกําเนิดคือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวร้อนและเย็น (โดยทั่วไปเรียกว่า Δ T)แม้ว่านี่จะส่งผลกระทบต่อการผลิตพลังงานของ TEG แต่ตารางข้อมูลจะไม่แสดงมันในทางนี้เสมอซึ่งเป็นอุณหภูมิการทํางานที่ปลอดภัยสูงสุด, ซึ่งช่วยในการกําหนดสภาพแวดล้อมสุดขั้ว แต่อาจไม่จําเป็นต้องเป็นสภาพการทํางานที่ดีที่สุด

รายละเอียดที่ใช้ได้อื่นๆ ได้แก่ ความดันในวงจรเปิด ความดันในภาระภาระที่ตรงกัน ขณะนี้ ความต้านทาน และพลังงานผลประกอบของเครื่องผลิตไฟฟ้าร้อนภายใต้ภาระความร้อนและไฟฟ้าจริง สามารถเข้าใจได้ในตารางข้อมูล (เช่นตารางข้อมูลของ Same Sky) ข้อมูลนี้มักจะแสดงในรูปของตาราง (รูป 2) และกราฟการทํางาน (รูป 3) เพื่อทําให้การออกแบบระดับระบบง่ายขึ้น