ترموالکتریک چیست؟

معرفی و تاریخچه
یک اثر در مواد نیمه رسانا است که در یک فرایند دو طرفه با استفاده از ایجاد اختلاف ولتاژ در دو طرف ماده ای می توان اختلاف دما در دو طرف ایجاد کرد و یا بلعکس با استفاده از ایجاد اختلاف دما در دو طرف یک ماده، اختلاف ولتاژ به وجود می آید و جریان الکتریکی بین دو طرف جسم ایجاد می شود.
برای اولین بار این رابطه بین الکتریسیته و دما، در سال1821 توسط توماس سیبک فیزیکدان استونیایی کشف شد، سپس جزئیات دقیق تر آن توسط فیزیکدان فرانسوی جین پیلر کشف شد. در این فرآیند می توان گرمایش و سرمایش را با عبور جریان الکتریکی و اعمال اختلاف ولتاژ در یک ماده تولید کرد.
علت به وجود آمدن اثر ترموالکتریک
برای توضیح این اثر می توان آن را شبیه به اثر گازهای خنک کننده سیال داخل لوله های خنک کننده دانست
اعمال اختلاف ولتاژ، باعث حرکت حاملان بار در ماده( الکترون ها و حفره ها ) می شود و حرکت الکترون ها از یک سمت به سمت دیگر با ایجاد اختلاف دما می شود.همچنین وجود اختلاف دما در دو طرف ماده ای باعث می شود تا حاملان بار  از سمتی گرمتر ( سمتی که حرکت الکترون ها بیشتر است) به سمت سردتر(سمتی که حرکت الکترون ها کمتر است) حرکت کنند. این حرکت الکترون ها ( شارش بار(جریان الکتریکی)) باعث ایجاد اختلاف ولتاژ می شود. فرمول های محاسبه دما و اختلاف ولتاژ این اثر:
                                                                                          

 کاربرد
این اثر در ابتدا چندان کارآمد نبود، با گذشت زمان از این خاصیت در ژنراتورهای تولید برق سفینه های فضایی استفاده کردند. از سال 1990 تحقیقاتی در دانشگاه MITبر روی بکارگیری این خاصیت بر مواد نیمه رسانا صورت گرفت تا بتوانند از این خاصیت در تولید تجهیزات الکترونیکی و کامپیوتری، جهت تعدیل دما و تبدیل حرارت به الکتریسیته صورت گرفت. همچنین تحقیقات راجع به کاربرد این اثر در تولید وسایل گرمایشی و سرمایشی انجام شد که منجر به تولید کولرهایی شد که بر اساس این خاصیت کار می کنند. امروزه با استفاده از فناوری نانو توانسته اند این خاصیت را در تولید صندلی های اتومبیل، چیپ های کامپیوتری و ماشین های حمل غذا و نوشیدنی پیاده سازی کنند.
                                                   

شماتیک کولر ترموالکتریک

 

منبع:
http://news.mit.edu/2010/explained-thermoelectricity-0427
http://tetech.com/faqs
خودروی شما بین ۷۰- ۶۰ درصد از انرژی ورودی را به صورت گرما هدر می دهد. این در حالی است که با افزایش کارایی مواد ترموالکتریک می توان این شرایط را تغییر داده و این حرارت را به الکتریسیته تبدیل کرد.
همان طور که می دانید در موتورهای بخار از حرارت برای تولید بخار جهت به حرکت درآوردن تجهیزات استفاده می شود. همان طور که بیان شد، در تجهیزات ترموالکتریکی نیز به طریق مشابه می توان از حرارت برای حرکت الکترون ها در مسیر مورد نیاز بهره جست. از آنجایی که در اکثر تجهیزات مکانیکی و الکتریکی حرارت غیرمفید تولید می شود، می توان با بهره گیری از مواد ترموالکتریک از این حرارت مقادیر زیادی انرژی مفید به دست آورد.
مطالب فوق بدان معنی است که با قرار دادن قطعات کوچکی از مواد ترموالکتریک در سطوح گرم یا داغ(مثل اگزوز خودروها یا پروسسور کامپیوترها)، می توان انرژی تولید کرد.
البته مشکل اینجا است که مواد ترموالکتریک کنونی دارای راندمان پایینی هستند. این راندمان توسط عدد (ZT (ZT figure تعریف می شود. باید گفت به رغم چندین دهه پژوهش هنوز بهترین مواد ترموالکتریک دارای عدد ZT نزدیک به یک هستند و فقط زمانی که بتوان این عدد را به حدود ۳ تا ۴ رساند، می توان این روش را با دیگر روش های تولید برق مقایسه کرد.
● بهبود راندمان
یکی از متغیرهای عدد ZT، مقدار حرارتی است که یک قطعه مشخص از مواد ترموالکتریک می تواند در یک لحظه به برق تبدیل کند. امروز به اثبات رسیده است که می توان این خاصیت را بهبود بخشید. جوزف هرمانس و ولادیمیر یوویچ از دانشگاه ایالتی اهایو روشی را برای تغییر این خاصیت در ماده تلورید سرب(مرسوم ترین ماده ترموالکتریک) یافته اند.
اساساً درون ماده تلورید سرب تعداد معدودی الکترون با امکان دارا بودن انرژی کافی برای تبدیل حرارت به الکتریسیته وجود دارد. اصطلاحاً به این انرژی، انرژی یا سطح فرمی گفته می شود.
افراد فوق الذکر در آزمایش های خود دریافتند با افزودن مقادیر کمی تالیم به ترکیب تلورید سرب می توان الکترون های بیشتری را به این سطح از انرژی رساند. این موضوع به دلیل رزونانس(تشدید) مناسب بین الکترون های موجود در تالیم با ماده تلورید سرب است.
آزمایش ها نشان می دهد بهترین کارایی معجون تالیم با تلورید سرب، در دمای ۵۱۰-۲۳۰ درجه سانتیگراد حاصل شده است که این معادل دمای موتور خودروها است. ضمناً در دمای ۵۱۰ درجه سانتیگراد عدد ZT به ۵/۱ می رسد.
● تلفیق دو راهکار
هرمانس می گوید؛«در سال ۲۰۰۶ پروفسور ماهانتی از دانشگاه ایالتی میشیگان موفق به محاسبه رزونانس خاص بین الکترون های تالیم و الکترون های اتم تلوریم شد.»
البته اوایل این سال ژیفنگ رن و گروه همکارش از کالج بوستون در ماساچوست توانسته بودند ماده ترموالکتریکی با عدد ZT معادل ۴/۱ را از روش دیگری تولید کنند. آنها به روش فیزیکی ساختمان کریستالی تلورید بیسموت، آنتیموان را به نحوی تغییر دادند تا حرارت عبوری از این ماده کاهش یابد و بدین طریق نسبت حرارت تبدیل شده به الکتریسیته افزایش یابد که این به معنی افزایش راندمان است.
در این باره رن متذکر شده است؛«پس از دستاوردهای ما در زمینه بهبود عدد ZT اکنون زمان مناسبی برای مشاهده نتایج به دست آمده توسط هرمانس ویوویچ است.» یوویچ نیز می گوید؛«نکته جالب آن است که حالا ما می توانیم دیدگاه جدید خود را با دیدگاه جدید گروه رن در هم بیامیزیم. هر چند تخمین محدوده ZT حاصل از این تلفیق کار سختی است ولی واضح است که به عدد ZT بالاتر از ۵/۱ خواهیم رسید.»