Δημιουργία κυκλώματος θερμοηλεκτρικής γεννήτριας (TEG)

Η θερμοηλεκτρική γεννήτρια (TEG) είναι ένα είδος «συσκευής ελεύθερης ενέργειας» που έχει την ιδιότητα του μετατροπή της θερμοκρασίας σε ηλεκτρική ενέργεια . Σε αυτήν την ανάρτηση μαθαίνουμε λίγα για αυτήν την ιδέα και ανακαλύπτουμε πώς μπορούμε να την χρησιμοποιήσουμε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από θερμότητα και κρύο.

Τι είναι το TEG

Σε ένα από τα προηγούμενα άρθρα μου, έχω ήδη εξηγήσει μια παρόμοια ιδέα πώς να φτιάξετε ένα μικρό ψυγείο χρησιμοποιώντας μια συσκευή Peltier

Μια συσκευή Peltier είναι επίσης βασικά μια TEG σχεδιασμένη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από διαφορά θερμοκρασίας. Μια θερμοηλεκτρική συσκευή είναι αρκετά παρόμοια με μια θερμοστοιχείο , η μόνη διαφορά είναι στη σύνθεση των δύο ομολόγων.

Σε ένα TEG χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικά υλικά ημιαγωγών (p-n) για το αποτέλεσμα, ενώ ένα θερμοστοιχείο λειτουργεί με δύο διαφορετικά μέταλλα για το ίδιο, αν και ένα θερμοστοιχείο μπορεί να απαιτεί σημαντικά μεγαλύτερη διαφορά θερμοκρασίας σε σύγκριση με τη μικρότερη έκδοση TEG.

Επίσης γνωστό και ως εφέ «Seebeck», επιτρέπει σε μια συσκευή TEG να αρχικοποιεί την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όταν υπόκειται σε διαφορά θερμοκρασίας στις πλευρές της. Αυτό συμβαίνει λόγω της ειδικά διαμορφωμένης εσωτερικής δομής της συσκευής που χρησιμοποιεί μερικούς ενισχυμένους ημιαγωγούς ρ και ν για τη διαδικασία.

Το εφέ Seebeck

Σύμφωνα με την αρχή του Seebeck όταν τα δύο υλικά ημιαγωγών υπόκεινται σε δύο ακραία επίπεδα θερμοκρασίας, ξεκινά μια κίνηση ηλεκτρονίων κατά μήκος της διασταύρωσης p-n με αποτέλεσμα την ανάπτυξη μιας πιθανής διαφοράς μεταξύ των εξωτερικών ακροδεκτών των υλικών.

Παρόλο που η ιδέα φαίνεται να είναι εκπληκτική, όλα τα καλά πράγματα έρχονται με ένα εγγενές μειονέκτημα και σε αυτό το αποτέλεσμα είναι και αυτά που το καθιστούν σχετικά αναποτελεσματικό.

Η ανάγκη ακραίας διαφοράς θερμοκρασίας στις δύο πλευρές του γίνεται το πιο δύσκολο μέρος του συστήματος, επειδή η θέρμανση μιας από τις πλευρές συνεπάγεται επίσης ότι η άλλη πλευρά θα θερμανθεί, η οποία τελικά θα είχε ως αποτέλεσμα μηδενική ηλεκτρική ενέργεια και μια κατεστραμμένη συσκευή TEG.

Προκειμένου να διασφαλιστεί η βέλτιστη απόκριση και για την έναρξη της ροής των ηλεκτρονίων, ένα υλικό ημιαγωγού μέσα στο TEG πρέπει να είναι ζεστό και ταυτόχρονα ο άλλος ημιαγωγός πρέπει να διατηρείται μακριά από αυτήν τη θερμότητα διασφαλίζοντας τη σωστή ψύξη από την αντίθετη πλευρά. Αυτή η κριτική καθιστά την ιδέα λίγο αδέξια και αναποτελεσματική.

Παρ 'όλα αυτά, η έννοια TEG είναι κάτι που είναι αποκλειστικό και δεν είναι εφικτό χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε άλλο σύστημα μέχρι στιγμής, και αυτή η μοναδικότητα αυτής της έννοιας το καθιστά πολύ ενδιαφέρον και αξίζει να πειραματιστείς.

Κύκλωμα TEG με χρήση διόδων ανορθωτή

Προσπάθησα να σχεδιάσω ένα κύκλωμα TEG χρησιμοποιώντας συνηθισμένες διόδους, αν και δεν είμαι σίγουρος αν θα λειτουργήσει ή όχι, ελπίζω ότι θα μπορούσαν να επιτευχθούν κάποια θετικά αποτελέσματα από αυτή τη ρύθμιση και έχει περιθώρια βελτίωσης.

Αναφερόμενος στα σχήματα μπορούμε να δούμε ένα απλό συγκρότημα διόδων γεμάτο με ψεκαστήρες. Οι δίοδοι είναι διόδους τύπου 6A4, έχω επιλέξει αυτές τις μεγαλύτερες διόδους για να αποκτήσω μεγαλύτερη επιφάνεια και καλύτερο ρυθμό αγωγιμότητας.

Δίοδος 6A4

Το απλό κύκλωμα θερμοηλεκτρικής γεννήτριας που φαίνεται παραπάνω θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από απορριπτόμενη θερμότητα, εφαρμόζοντας κατάλληλα τους απαιτούμενους βαθμούς διαφοράς θερμότητας μεταξύ των υποδεικνυόμενων πλακών αγώγιμης θερμότητας.

Το σχήμα της δεξιάς πλευράς δείχνει πολλές διόδους συνδεδεμένες σε παράλληλες συνδέσεις για επίτευξη υψηλότερης απόδοσης και αναλογικά υψηλότερης συσσώρευσης πιθανής διαφοράς στην έξοδο.

Γιατί να χρησιμοποιήσετε μια δίοδο για τη δημιουργία ενός TEG

Έχω υποθέσει ότι οι δίοδοι θα λειτουργούσαν για αυτήν την εφαρμογή δεδομένου ότι οι δίοδοι είναι οι θεμελιώδεις μονάδες ημιαγωγών που αποτελούνται από εμπλουτισμένο υλικό p-n ενσωματωμένο στους δύο τερματισμούς τους .

Αυτό συνεπάγεται επίσης ότι τα δύο άκρα αποτελούνται ειδικά από τα διαφορετικά υλικά που διευκολύνουν την ευκολότερη εφαρμογή της θερμοκρασίας ξεχωριστά από τα δύο αντίθετα άκρα.

Πολλές από αυτές τις μονάδες θα μπορούσαν να κατασκευαστούν και να συνδεθούν σε σειριακούς παράλληλους συνδυασμούς για την επίτευξη υψηλότερων ποσοστών μετατροπής, και αυτή η εφαρμογή θα μπορούσε να εφαρμοστεί και χρησιμοποιώντας ηλιακή θερμότητα. Η πλευρά που πρέπει να ψυχθεί θα μπορούσε να επιτευχθεί μέσω ψύξης αέρα ή μέσω ενισχυμένης εξατμιστική ψύξη αέρα από την ατμόσφαιρα για αύξηση του ποσοστού απόδοσης.