ژنراتورهای حرارتی: رادیو ایزوتوپ و دیگران. اصل عملکرد ژنراتورهای انرژی برای مصارف صنعتی دستگاه آنها

2024 نویسنده: Beatrice Philips | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 05:36

نیروگاه های حرارتی ارزان ترین گزینه برای تولید انرژی در جهان شناخته شده اند. اما جایگزینی برای این روش وجود دارد که سازگار با محیط زیست است - ژنراتورهای ترموالکتریک (TEG).

آن چیست؟

ژنراتور ترموالکتریک دستگاهی است که وظیفه آن تبدیل انرژی حرارتی به الکتریسیته با استفاده از سیستم عناصر حرارتی است.

مفهوم انرژی "حرارتی" در این زمینه کاملاً درست تفسیر نشده است ، زیرا گرما فقط یک روش تبدیل این انرژی است.

TEG یک پدیده ترموالکتریک است که برای اولین بار توسط فیزیکدان آلمانی توماس سیبک در دهه 20 قرن 19 نشان داده شد . نتیجه تحقیقات سیبک به عنوان مقاومت الکتریکی در مدار دو ماده مختلف تفسیر می شود ، اما کل فرایند فقط بسته به دما پیش می رود.

دستگاه و اصل عملکرد

اصل عملکرد یک ژنراتور ترموالکتریک ، یا همانطور که به آن پمپ حرارتی نیز گفته می شود ، بر مبنای تبدیل انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی با استفاده از عناصر حرارتی نیمه هادی ها است که به صورت موازی یا سری به هم متصل می شوند.

در طول تحقیقات ، یک اثر کاملا جدید Peltier توسط یک دانشمند آلمانی ایجاد شد ، که نشان می دهد مواد کاملاً متفاوت نیمه هادی ها هنگام لحیم کاری امکان تشخیص تفاوت دما بین نقاط جانبی آنها را فراهم می کند.

اما چگونه می توانید نحوه عملکرد این سیستم را درک کنید؟ همه چیز بسیار ساده است ، چنین مفهومی بر اساس الگوریتم خاصی است: هنگامی که یکی از عناصر خنک می شود و دیگری گرم می شود ، ما انرژی جریان و ولتاژ را دریافت می کنیم. ویژگی اصلی که این روش خاص را از بقیه متمایز می کند این است که می توان از انواع منابع حرارتی در اینجا استفاده کرد .، از جمله اجاق گاز ، چراغ ، آتش یا حتی یک فنجان که اخیراً خاموش شده است فقط چای ریخته شده است. خوب ، عنصر خنک کننده اغلب هوا یا آب معمولی است.

این ژنراتورهای حرارتی چگونه کار می کنند؟ آنها از باتری های حرارتی مخصوص تشکیل شده اند که از مواد رسانا ساخته شده اند و مبدل های حرارتی در دماهای مختلف اتصالات ترموپایل.

نمودار مدار الکتریکی به این شکل است: ترموکوپل های نیمه هادی ، پایه های مستطیلی با رسانایی نوع n و p ، صفحات متصل از آلیاژهای سرد و گرم و همچنین بار زیاد.

در میان جنبه های مثبت ماژول ترموالکتریک ، امکان استفاده مطلق در همه شرایط ذکر شده است .، از جمله در پیاده روی ، و علاوه بر این ، سهولت حمل و نقل. علاوه بر این ، هیچ قطعه متحرک در آنها وجود ندارد ، که تمایل دارند به سرعت فرسوده شوند.

و معایب آن شامل هزینه کم ، راندمان پایین (تقریباً 2-3٪) و همچنین اهمیت منبع دیگری است که باعث کاهش منطقی دما می شود.

لازم به ذکر است که دانشمندان به طور فعال در حال کار بر روی چشم اندازهای بهبود و از بین بردن همه خطاها در بدست آوردن انرژی از این طریق هستند … آزمایشات و تحقیقات برای توسعه کارآمدترین باتری های حرارتی که به افزایش کارایی کمک می کند ادامه دارد.

با این حال ، تعیین بهینه این گزینه ها بسیار دشوار است ، زیرا آنها فقط بر اساس شاخص های عملی و بدون داشتن مبنای نظری است.

با توجه به همه کاستی ها ، یعنی ناکافی بودن مواد برای آلیاژهای ترموپایل ، صحبت در مورد پیشرفت در آینده نزدیک بسیار دشوار است.

این نظریه وجود دارد که در مرحله کنونی فیزیکدانان از روش جدیدی برای جایگزینی آلیاژها با آلیاژهای کارآمدتر ، جداگانه با معرفی فناوری نانو استفاده خواهند کرد .علاوه بر این ، گزینه استفاده از منابع غیر سنتی امکان پذیر است. بنابراین ، در دانشگاه کالیفرنیا ، آزمایشی انجام شد که در آن باتری های حرارتی با یک مولکول مصنوعی سنتز شده جایگزین شد ، که به عنوان اتصال دهنده نیمه هادی های میکروسکوپی طلا عمل می کرد. با توجه به آزمایشات انجام شده ، مشخص شد که تنها زمان اثربخشی تحقیقات فعلی را نشان می دهد.

نمای کلی را تایپ کنید

بسته به روشهای تولید برق ، منابع حرارتی و همه ژنراتورهای ترموالکتریک بسته به نوع عناصر ساختاری درگیر انواع مختلفی دارند.

سوخت گرما از احتراق سوخت که ذغال سنگ ، گاز طبیعی و نفت است و همچنین گرمای حاصل از احتراق گروه های پیروتکنیک (چکرز) به دست می آید.

ژنراتورهای ترموالکتریک اتمی ، که منبع آن گرمای یک راکتور اتمی (اورانیوم -233 ، اورانیوم -235 ، پلوتونیوم -238 ، توریم) است ، اغلب در اینجا یک پمپ حرارتی مرحله دوم و سوم تبدیل است.

ژنراتورهای خورشیدی تولید گرما از ارتباطات خورشیدی که در زندگی روزمره برای ما شناخته شده است (آینه ، لنز ، لوله های حرارتی).

گیاهان بازیافت گرما را از انواع منابع تولید می کنند و در نتیجه گرمای اضافی (گازهای خروجی و دودکش و غیره) آزاد می شود.

ایزوتوپ رادیویی گرما با پوسیدگی و تقسیم ایزوتوپ ها به دست می آید ، این فرایند با کنترل ناپذیری خود شکافت مشخص می شود و نتیجه آن نیمه عمر عناصر است.

ژنراتورهای گرمایشی بر اساس تفاوت دما بدون هیچ گونه دخالت خارجی: بین محیط و محل آزمایش (تجهیزات مجهز ، خطوط لوله صنعتی و غیره) با استفاده از جریان شروع اولیه. نوع ژنراتور حرارتی با استفاده از انرژی الکتریکی حاصل از اثر Seebeck برای تبدیل به انرژی حرارتی مطابق قانون ژول-لنز مورد استفاده قرار گرفت.

برنامه های کاربردی

ژنراتورهای ترموالکتریک به دلیل راندمان پایین ، بسیار مورد استفاده قرار می گیرند جایی که هیچ گزینه دیگری برای منابع انرژی و همچنین در طی فرایندهایی با کمبود قابل توجه گرما وجود ندارد.

اجاق های چوبی با ژنراتور برقی

این دستگاه با وجود سطح مینای دندان ، منبع برق ، از جمله بخاری مشخص می شود. قدرت چنین دستگاهی ممکن است برای شارژ یک دستگاه تلفن همراه یا سایر دستگاه ها با استفاده از سوکت فندک برای اتومبیل کافی باشد . بر اساس پارامترها ، می توان نتیجه گرفت که ژنراتور قادر به کار بدون شرایط عادی ، یعنی بدون وجود گاز ، سیستم گرمایش و برق است.

ژنراتورهای حرارتی صنعتی

BioLite یک مدل جدید برای پیاده روی ارائه کرده است - یک اجاق گاز قابل حمل که نه تنها غذا را گرم می کند ، بلکه دستگاه تلفن همراه شما را نیز شارژ می کند. همه اینها به لطف ژنراتور ترموالکتریک تعبیه شده در این دستگاه امکان پذیر است.

این دستگاه در پیاده روی ، ماهیگیری یا هر مکان دور از همه شرایط تمدن مدرن کاملاً به شما خدمت می کند.عملکرد ژنراتور BioLite با احتراق سوخت مشخص می شود که به طور متوالی در امتداد دیوارها منتقل شده و برق تولید می کند. برق حاصله به شما امکان می دهد تلفن را شارژ کرده یا LED را روشن کنید.

ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ

در آنها منبع انرژی گرما است که در نتیجه تجزیه ریز عناصر تشکیل می شود. آنها به منبع مداوم سوخت احتیاج دارند ، بنابراین نسبت به سایر ژنراتورها برتری دارند .با این حال ، نقطه ضعف قابل توجه آنها این است که در حین کار لازم است قوانین ایمنی را رعایت کنید ، زیرا تابش مواد یونیزه وجود دارد.

با وجود این واقعیت که راه اندازی چنین ژنراتورهایی می تواند خطرناک باشد ، از جمله برای شرایط محیطی ، استفاده از آنها کاملاً متداول است. مثلا، دفع آنها نه تنها در زمین ، بلکه در فضا نیز امکان پذیر است . مشخص است که ژنراتورهای رادیوایزوتوپ برای شارژ سیستم های ناوبری استفاده می شود ، اغلب در مکانهایی که هیچ سیستم ارتباطی وجود ندارد.

عناصر کمیاب حرارتی

باتری های حرارتی به عنوان مبدل عمل می کنند و طراحی آنها از ابزارهای اندازه گیری الکتریکی است که در درجه سانتیگراد کالیبره شده اند. خطا در چنین دستگاه هایی معمولاً برابر 0.01 درجه است . اما باید توجه داشت که این دستگاهها برای استفاده در محدوده حداقل خط صفر مطلق تا 2000 درجه سانتیگراد طراحی شده اند.

ژنراتورهای حرارتی اخیراً هنگام کار در مکان هایی که دسترسی آنها سخت است و کاملاً عاری از سیستم های ارتباطی هستند ، محبوبیت زیادی پیدا کرده اند. این مکانها شامل Space است ، جایی که این دستگاهها به طور فزاینده ای به عنوان منبع تغذیه جایگزین در وسایل نقلیه فضایی مورد استفاده قرار می گیرند.

در ارتباط با توسعه پیشرفت های علمی و تکنولوژیکی و همچنین تحقیقات عمیق در فیزیک ، استفاده از ژنراتورهای ترموالکتریک در خودروها برای بازیابی انرژی حرارتی به منظور پردازش موادی که از سیستم های اگزوز استخراج می شوند ، رواج یافته است. ماشین ها.