ترموالکتریک

ترموالکتریک (Thermoelectric):

شاخه‌ای از فیزیک و مهندسی مواد

به پدیده‌هایی گفته می‌شود که در آن‌ها تبدیل مستقیم انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی یا بالعکس انجام می‌گیرد. اثرات ترموالکتریک بر پایه‌ی برهم‌کنش میان گرما و جریان الکتریسیته در مواد رسانا یا نیمه‌رسانا هستند.

اثرهای اصلی ترموالکتریک:

1. اثر سیبک (Seebeck Effect):
   هنگامی که بین دو نقطه از یک رسانا یا نیمه‌رسانا اختلاف دما وجود داشته باشد، اختلاف ولتاژی بین آن دو نقطه ایجاد می‌شود.

2. اثر پلتیر (Peltier Effect):
   وقتی جریانی از دو فلز یا نیمه‌رسانا با جنس متفاوت عبور کند، در محل اتصال آن‌ها جذب یا آزاد شدن گرما رخ می‌دهد.

3. اثر تامسون (Thomson Effect):
   در یک رسانا که در آن همزمان جریان الکتریکی و گرادیان دما وجود دارد، گرما تولید یا جذب می‌شود.

کاربردها:

• مولدهای برق ترموالکتریک (TEG) برای تولید برق از گرمای اتلافی

• خنک‌کننده‌ها و یخچال‌های بدون قطعات متحرک

• سنسورهای دما و کنترل دقیق حرارتی

پدیده و فناوری ترموالکتریک

چکیده

پدیدهٔ ترموالکتریک به تبدیل مستقیم انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی و بالعکس اشاره دارد. این اثر که بر پایهٔ برهم‌کنش میان انتقال گرما و جریان الکتریکی در مواد رسانا و نیمه‌رسانا است، در سامانه‌های تولید انرژی، خنک‌سازی حالت‌جامد و بازیافت گرمای اتلافی کاربردهای گسترده‌ای یافته است. با توسعهٔ مواد جدید و نانوساختارها، کارایی مبدل‌های ترموالکتریک به‌طور چشمگیری بهبود یافته و راه را برای استفادهٔ صنعتی و فضایی آن هموار کرده است.

۱. مقدمه

ترموالکتریک شاخه‌ای از فیزیک و مهندسی مواد است که به رابطهٔ میان گرما و الکتریسیته در مواد می‌پردازد. اهمیت این فناوری در توانایی آن برای تبدیل مستقیم گرما به برق بدون نیاز به قطعات متحرک نهفته است، که آن را از نظر قابلیت اطمینان، بی‌صدا بودن و دوام بالا متمایز می‌سازد.

۲. اصول فیزیکی و پدیده‌های اصلی

۲.۱ اثر سیبک (Seebeck Effect)

در سال ۱۸۲۱، توماس یوهان سیبک کشف کرد که اختلاف دما میان دو نقطه از دو فلز یا نیمه‌رسانا می‌تواند اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد کند.
ولتاژ تولیدی متناسب با اختلاف دما است و با رابطهٔ زیر بیان می‌شود:

$$V = S \, \Delta T$$

که در آن:

• $V$: ولتاژ تولیدی

• $S$: ضریب سیبک (Seebeck coefficient)

• $\Delta T$: اختلاف دما بین دو نقطه

این اثر اساس کار مولدهای ترموالکتریک (TEG) است.

۲.۲ اثر پلتیر (Peltier Effect)

در سال ۱۸۳۴، ژان شارل آتاناس پلتیر مشاهده کرد که عبور جریان الکتریکی از محل اتصال دو فلز متفاوت باعث جذب یا آزادسازی گرما می‌شود. مقدار گرمای تولید یا جذب شده متناسب با جریان الکتریکی است:

$$Q = \Pi \, I$$

که در آن:

• $Q$: گرمای مبادله‌شده

• $\Pi$: ضریب پلتیر (Peltier coefficient)

• $I$: جریان عبوری

۲.۳ اثر تامسون (Thomson Effect)

تامسون نشان داد که در رسانایی که در آن هم‌زمان جریان الکتریکی و گرادیان دمایی وجود دارد، گرما می‌تواند تولید یا جذب شود:

$$\frac{dQ}{dx} = \tau \, J \, \frac{dT}{dx}$$

که در آن:

• $\tau$: ضریب تامسون

• $J$: چگالی جریان

• $\frac{dT}{dx}$: گرادیان دما

۳. مواد ترموالکتریک

کارایی مواد ترموالکتریک با ضریب بی‌بعد شایستگی (Figure of Merit) مشخص می‌شود که با نماد $ZT$ تعریف می‌شود:

$$ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa}$$

در این رابطه:

• $S$: ضریب سیبک

• $\sigma$: رسانایی الکتریکی

• $T$: دمای مطلق

• $\kappa$: رسانایی گرمایی کل (شامل سهم الکترونی و شبکه‌ای)

مواد با مقدار بالاتر $ZT$ بازدهی بیشتری دارند.

نمونه‌هایی از مواد ترموالکتریک:

• تلورید بیسموت $\mathrm{Bi_2Te_3}$ – دماهای پایین

• تلورید سرب $\mathrm{PbTe}$ – دماهای متوسط

• سیلیسید منیزیم $\mathrm{Mg_2Si}$ – دماهای بالا

• نانوکامپوزیت‌ها و اسکوتریدها برای افزایش ZT

۴. کاربردها

۴.۱ مولدهای ترموالکتریک (TEG)

تبدیل اختلاف دمای بین دو سطح به جریان برق:

• تولید برق از گرمای اتلافی خودروها و کارخانه‌ها

• منابع انرژی در فضاپیماها

• تولید برق در مناطق دورافتاده

۴.۲ خنک‌کننده‌های ترموالکتریک (TEC)

تبدیل جریان الکتریکی به انتقال حرارت کنترل‌شده:

• خنک‌سازی لیزرها و حسگرها

• یخچال‌های بدون کمپرسور

• کنترل دمای دقیق در تجهیزات علمی

۵. مزایا و محدودیت‌ها

مزایا

• بدون قطعات متحرک

• بی‌صدا و مقاوم در محیط‌های سخت

• مقیاس‌پذیر برای کاربردهای کوچک یا بزرگ

محدودیت‌ها

• بازدهی پایین به دلیل محدودیت $ZT$

• هزینه بالای مواد نادر

• نیاز به بهینه‌سازی انتقال حرارت

۶. پیشرفت‌های نوین

با توسعهٔ نانوساختارها و نانوکامپوزیت‌ها، مقدار $ZT$ در برخی مواد تا بیش از ۲ افزایش یافته است. کاهش رسانایی گرمایی شبکه‌ای بدون افت قابل‌توجه در رسانایی الکتریکی، یکی از کلیدهای افزایش بازدهی بوده است. همچنین پژوهش‌ها بر استفاده از مواد پایدارتر و ارزان‌تر مانند فسفیدها و سیلیسیدها تمرکز یافته‌اند.

۷. نتیجه‌گیری

فناوری ترموالکتریک با فراهم‌کردن امکان تبدیل مستقیم انرژی گرمایی و الکتریکی، نقش مهمی در سیستم‌های انرژی پاک دارد. پیشرفت در مواد نانوساختار و کاهش هزینه‌ها می‌تواند آینده‌ای با دستگاه‌های کارآمدتر و پایدارتر رقم بزند.

منابع

1. Rowe, D. M. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. CRC Press, 2005.

2. Snyder, G. J., & Toberer, E. S. “Complex thermoelectric materials,” Nature Materials, 2008.

3. Goldsmid, H. J. Introduction to Thermoelectricity, Springer, 2010.