المولدات الكهروحرارية: النظائر المشعة وغيرها. مبدأ تشغيل مولدات الطاقة للاستخدام الصناعي. أجهزتهم

2024 مؤلف: Beatrice Philips | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 05:24

تُعرف محطات الطاقة الحرارية في العالم بأنها أرخص خيار لتوليد الطاقة. ولكن هناك بديل لهذه الطريقة ، وهي صديقة للبيئة - المولدات الكهروحرارية (TEG).

ما هذا؟

المولد الحراري هو جهاز مهمته تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء باستخدام نظام من العناصر الحرارية.

لم يتم تفسير مفهوم الطاقة "الحرارية" في هذا السياق بشكل صحيح تمامًا ، لأن الحرارة تعني فقط طريقة لتحويل هذه الطاقة.

TEG هي ظاهرة كهروحرارية أوضحها لأول مرة الفيزيائي الألماني توماس سيبيك في العشرينات من القرن التاسع عشر . يتم تفسير نتيجة بحث سيبيك على أنها مقاومة كهربائية في دائرة مكونة من مادتين مختلفتين ، لكن العملية برمتها تستمر فقط اعتمادًا على درجة الحرارة.

الجهاز ومبدأ العملية

يعتمد مبدأ تشغيل المولد الكهروحراري ، أو كما يُطلق عليه أيضًا ، المضخة الحرارية ، على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية باستخدام العناصر الحرارية لأشباه الموصلات ، المتصلة بالتوازي أو في سلسلة.

في سياق البحث ، تم إنشاء تأثير بلتيير جديد تمامًا بواسطة عالم ألماني ، مما يشير إلى أن المواد المختلفة تمامًا لأشباه الموصلات أثناء اللحام تجعل من الممكن اكتشاف الاختلاف في درجات الحرارة بين نقاطها الجانبية.

لكن كيف تفهم كيف يعمل هذا النظام؟ كل شيء بسيط للغاية ، يعتمد هذا المفهوم على خوارزمية معينة: عندما يتم تبريد أحد العناصر ، ويتم تسخين الآخر ، نحصل على طاقة التيار والجهد. الميزة الرئيسية التي تميز هذه الطريقة بالذات عن الباقي هي أنه يمكن استخدام جميع أنواع مصادر الحرارة هنا .، بما في ذلك الموقد المغلق مؤخرًا أو المصباح أو النار أو حتى كوب الشاي سكب فقط. حسنًا ، غالبًا ما يكون عنصر التبريد هو الهواء أو الماء العادي.

كيف تعمل هذه المولدات الحرارية؟ وهي تتكون من بطاريات حرارية خاصة ، مصنوعة من مواد موصلة ، ومبادلات حرارية بدرجات حرارة مختلفة للوصلات الحرارية.

يبدو مخطط الدائرة الكهربائية كما يلي: المزدوجات الحرارية لأشباه الموصلات ، الأرجل المستطيلة من الموصلية من النوع n و p ، والألواح المتصلة من السبائك الباردة والساخنة ، فضلاً عن الحمولة العالية.

من بين الجوانب الإيجابية للوحدة الكهروحرارية ، تمت ملاحظة إمكانية الاستخدام المطلق في جميع الظروف .، بما في ذلك التنزه ، بالإضافة إلى سهولة النقل. علاوة على ذلك ، لا توجد أجزاء متحركة فيها ، والتي تميل إلى التآكل بسرعة.

وتشمل العيوب عدم كلفة منخفضة ، وكفاءة منخفضة (حوالي 2-3٪) ، فضلاً عن أهمية مصدر آخر من شأنه أن يوفر انخفاضًا عقلانيًا في درجة الحرارة.

تجدر الإشارة إلى أن يعمل العلماء بنشاط على آفاق تحسين وإزالة جميع الأخطاء في الحصول على الطاقة بهذه الطريقة … التجارب والأبحاث جارية لتطوير البطاريات الحرارية الأكثر كفاءة والتي ستساعد على زيادة الكفاءة.

ومع ذلك ، من الصعب تحديد أفضلية هذه الخيارات ، لأنها تستند فقط إلى مؤشرات عملية ، دون أن يكون لها أساس نظري.

بالنظر إلى جميع أوجه القصور ، أي عدم كفاية المواد للسبائك الحرارية ، من الصعب التحدث عن اختراق في المستقبل القريب.

هناك نظرية مفادها أن علماء الفيزياء في المرحلة الحالية سيستخدمون طريقة جديدة من الناحية التكنولوجية لاستبدال السبائك بأخرى أكثر كفاءة ، بشكل منفصل مع إدخال تقنية النانو .علاوة على ذلك ، فإن خيار استخدام المصادر غير التقليدية ممكن. لذلك ، في جامعة كاليفورنيا ، تم إجراء تجربة حيث تم استبدال البطاريات الحرارية بجزيء اصطناعي مركب ، والذي كان بمثابة رابط لأشباه الموصلات الذهبية المجهرية. وفقًا للتجارب التي تم إجراؤها ، أصبح من الواضح أن الوقت وحده هو الذي سيحدد فعالية البحث الحالي.

اكتب نظرة عامة

بالاعتماد على طرق توليد الكهرباء ومصادر الحرارة و جميع المولدات الكهروحرارية من عدة أنواع حسب أنواع العناصر الهيكلية المعنية.

الوقود .يتم الحصول على الحرارة من احتراق الوقود ، وهو الفحم والغاز الطبيعي والنفط ، وكذلك الحرارة الناتجة عن احتراق مجموعات الألعاب النارية (لعبة الداما).

المولدات الذرية الحرارية ، حيث يكون المصدر هو حرارة مفاعل ذري (يورانيوم -233 ، يورانيوم -235 ، بلوتونيوم -238 ، ثوريوم) ، غالبًا ما تكون المضخة الحرارية هنا هي المرحلتان الثانية والثالثة من التحويل.

مولدات الطاقة الشمسية توليد الحرارة من أجهزة الاتصال الشمسية المعروفة لنا في الحياة اليومية (المرايا ، العدسات ، أنابيب الحرارة).

تولد محطات إعادة التدوير الحرارة من جميع أنواع المصادر ، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة المهدرة (غازات العادم والمداخن ، إلخ).

النظائر المشعة يتم الحصول على الحرارة من خلال تحلل النظائر وانقسامها ، وتتميز هذه العملية بعدم القدرة على التحكم في الانقسام نفسه ، والنتيجة هي عمر النصف للعناصر.

مولدات كهربائية حرارية متدرجة تستند إلى اختلاف درجة الحرارة دون أي تدخل خارجي: بين البيئة وموقع التجربة (معدات مجهزة خصيصًا ، وخطوط أنابيب صناعية ، وما إلى ذلك) باستخدام تيار البدء الأولي. تم استخدام النوع المعطى من المولد الكهروحراري مع الاستفادة من الطاقة الكهربائية التي تم الحصول عليها من تأثير سيبيك للتحويل إلى طاقة حرارية وفقًا لقانون جول لينز.

التطبيقات

بسبب كفاءتها المنخفضة ، تستخدم المولدات الكهروحرارية على نطاق واسع حيث لا توجد خيارات أخرى لمصادر الطاقة ، وكذلك أثناء العمليات التي تعاني من نقص كبير في الحرارة.

مواقد خشب مع مولد كهربائي

يتميز هذا الجهاز بوجود سطح مطلي بالمينا وهو مصدر للكهرباء بما في ذلك السخان. قد تكون قوة هذا الجهاز كافية لشحن جهاز محمول أو أجهزة أخرى تستخدم مقبس ولاعة السجائر للسيارات . بناءً على المعلمات ، يمكن استنتاج أن المولد قادر على العمل بدون ظروف طبيعية ، أي بدون وجود الغاز ونظام التدفئة والكهرباء.

المولدات الكهروحرارية الصناعية

قدمت BioLite نموذجًا جديدًا للمشي لمسافات طويلة - موقد محمول لا يقوم فقط بتسخين الطعام ، ولكن أيضًا يشحن جهازك المحمول. كل هذا ممكن بفضل المولد الكهروحراري المدمج في هذا الجهاز.

سيخدمك هذا الجهاز بشكل مثالي في رحلات التنزه أو صيد الأسماك أو في أي مكان بعيد عن جميع ظروف الحضارة الحديثة.يتميز عمل مولد BioLite باحتراق الوقود ، والذي ينتقل بالتتابع على طول الجدران ويولد الكهرباء. ستسمح لك الكهرباء الناتجة بشحن الهاتف أو إضاءة مؤشر LED.

المولدات الكهروحرارية للنظائر المشعة

مصدر الطاقة فيها هو الحرارة ، والتي تتشكل نتيجة لانهيار العناصر الدقيقة. إنهم يحتاجون إلى إمداد مستمر بالوقود ، لذا فإنهم يتفوقون على المولدات الأخرى .ومع ذلك ، فإن عيبها الكبير هو أنه أثناء التشغيل من الضروري مراعاة قواعد السلامة ، حيث يوجد إشعاع من المواد المتأينة.

على الرغم من حقيقة أن إطلاق مثل هذه المولدات يمكن أن يكون خطيرًا ، بما في ذلك الوضع البيئي ، إلا أن استخدامها شائع جدًا. فمثلا، يمكن التخلص منها ليس فقط على الأرض ، ولكن أيضًا في الفضاء . من المعروف أن مولدات النظائر المشعة تستخدم لشحن أنظمة الملاحة ، غالبًا في الأماكن التي لا توجد فيها أنظمة اتصالات.

العناصر النزرة الحرارية

تعمل البطاريات الحرارية كمحولات ، ويتكون تصميمها من أدوات قياس كهربائية تمت معايرتها بالدرجة المئوية. عادة ما يساوي الخطأ في هذه الأجهزة 0.01 درجة . ولكن تجدر الإشارة إلى أن هذه الأجهزة مصممة للاستخدام في النطاق من الحد الأدنى للصفر المطلق إلى 2000 درجة مئوية.

اكتسبت مولدات الطاقة الحرارية مؤخرًا شعبية واسعة عند العمل في أماكن يصعب الوصول إليها وخالية تمامًا من أنظمة الاتصالات. تشمل هذه المواقع الفضاء ، حيث يتم استخدام هذه الأجهزة بشكل متزايد كمصادر طاقة بديلة على متن المركبات الفضائية.

فيما يتعلق بتطور التقدم العلمي والتكنولوجي ، وكذلك البحث المتعمق في الفيزياء ، فإن استخدام المولدات الكهروحرارية في المركبات لاستعادة الطاقة الحرارية يكتسب شعبية من أجل معالجة المواد المستخرجة من أنظمة العادم في سيارات.