کز عار یه ها ترا دری نکشاید
یک کوزه آب در درون خانه به از رودی که کز برون می آید

( حکیم سنایی)

فصل اول:

• معرفی پژوهش

عنوان:مواد پیشرفته ترموالکتریکی و تولید انرژی

استاد راهنما:مهندس میلاد اسئدی
تهیه کننده:مهدی باقری مهارلویی

مقدمه:
TEG طرح تولید انرژی از اختلاف دمای بین دو محیط ،
تحقیقات انجام شده در کشور های توسعه یافته بر روی این زمینه جدید این نتیجه را حصول میکند که کشور ایران با توجه به رویکرد های آینده نگر برای گسترش و بومی سازی علم وفناوری های نو از جمله دانش هسته ای،صنایع نظامی ، صنعت خودرو ، وموارد خاص دیگر نیاز مبرمی به ساخت وتعمیم این فناوری دارد.

چکیده:
افزایش راندمان مولد های ترمو الکتریکی TEG همواره به عنوان یکی از اهداف مهندسی مطرح بوده است و استفاده از اصل سیبک،اصل پیلیته واصل تامسون وMEMS ترموشیمی ونانو سیم های سیلیکونی و همچنین ساخت قطعات و وسایل الکتریکی که با ولتاژ کمتر از 200Mv کار کنند به عنوان چند راه برای برای رسیدن به این اهداف مطرح شوده است. از اهداف اصلی این پژوهش تولید مواد ترموالکتریکی پیشرفته و نیز بالا بردن راندمان و توسعه آن در کشور میباشد،همچنین اندازه گدری و نوصیف خواص اخنتصاصی موادTE ،نحوه اتصال ،قدرت خروجی و بررسی مواد ln4se3،in4Te3،مس-Se-Ge،skutterudites(شکل 1) وهزینه ها و اقتصادی بودن طرح است.

شکل 1

حداقل دو سوم انرژی تولید شده حاصل از احتراق سوخت های فسیلی مانند بنزین و گازوییل در خودرو ها و کامیون ها به هدر رفته و به عنوان ضایعات حرارتی از اگزوز خودرو خارج می شود. ترموالکتریک ها مواد نیمه هادی و نیمه رسانایی هستند که حرارت و گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، می توانند حرارت و گرمای هدر رفته را دریافت  و از آن مجددأ استفاده کرده و نیاز به سوخت در خودروها را تا حدودی کاهش دهند و به میزان 5 درصد باعث صرفه جویی در هزینه های سوخت خودرو می شوند. اما راندمان پایین در ازای هزینه های بالا و گران قیمت بودن، مواد ترموالکتریک موجود و متداول را از ورود عملی و کاربردی به دستگاه ها و وسایل دور نگه داشته است.

اما حالا محققان در حال مونتاژ اولین نمونه اولیه از ژنراتورهای ترموالکتریک هستند که آن را در خودروهای تجاری و خودروهای شاسی بلند SUV بتوانند مورد آزمایش قرار دهند.این دستگاه ها اوج پیشرفت هایی هستند که مرکز ساخت تجهیزات ترموالکتریک شرکت BSST در آیرویندل کالیفرنیا و مرکز A&D کمپانی جنرال موتورز واقع در وارن میشیگان ساخته می شوند. هر دو شرکت قصد دارند نمونه های اولیه ساخته شده خود را در اواخر تابستان امسال برای آزمایش بر روی خودروها نصب و راه اندازی کنند. شرکت BSST این کار را بر روی خودروهای فورد و بی.ام.و و شرکت جنرال موتوز این سیستم را بر روی خودروهای SUV شورلت آزمایش می کنند.

1-1 تاریخچه:

• کشف اساس اولیه فناوری ترموالکتریک را می توان به یک فیزیکدان آلمانی به نام توماس ج.سی بک نسبت داد. سی بک کشف کرد که اگر با اتصال دوفلز مختلف یک مدار الکتریکی ایجاد شود و یکی از اتصالات حرارت داده شود درمدار حاصله جریان الکتریکی تولید می شود(شکل 2). سی بک از این آزمایش خود به این نتیجه میرسید که با این کار جریان در مدار القا میشود ولی چون موضوع به این صورت مورد نظر وی قرار نگرفته بود . این کشف سال ها راکد ماند (1) Thomas j. seebeck

درسال 1834 ژان پلتیه (1) دریافت که اگرجریانی از محل اتصال دو فلز مخطلف عبور نماید محل اتصال گرم یا سرد می شود. شکل (3)پیلیته هم مانند سی بک از درک اهمیت این مطلب در مورد فناوری ترمو الکتریک عاجز ماند

شکل 2 شکل 3

در سال 1837امیل لنز بطور وضوح اهمیت کشف پلتیه وسی بک را با قراردادن قطره ای آب در محل اتصال دو فلز و کزراندن جریان مستقیم از مدار نشان داد. موقعی که جریان دریک جهت ادامه پیدا می کرد آب منجمد می گردید و در اثر معکوس کردن جریان یخ آب می شد با تمام این ها لنز نیز از درک اهمیت کشف خود غافل ماند و این دانش برای 100 سال دیگر بعلت عدم وجود نیمه هادی ها راکد ماند.فقط در دهه 1930 بود که مواد نیمه هادی توسه یافت وامکان کاربرد کشف سی بک و پلتیه در سرد کردن موضعی را ایجاد نمود درسال 1930و1960 پیشرفت ترموالکتریک به آزمایشگاههای علمی محدود می شد. در سالهای اول دهه 1960 بسیاری از کمپانی ها با تحرک شدیدی در راه ساخت وسایل سرد کننده ترموالکتریکی اقدام کردند.

فصل دوم

• تعاریف

1-2 اجزاء يك اتم

شکل 4
مفهوم الكتريسيته با عناصر پايه ي سازنده مواد يعني اتم اغاز مي شود . هسته ي يك اتم از پروتون ها و نوترون ها تشكيل شده است . پروتون ها يك بار مثبت دارند و نوترون ها خنثي مي باشند .الكترون ها با بار منفي به دور هسته در گردش ا ند .(فقط الكترون ها و پرتون ها در شكل(4) نشان داده شده ا ند .قسمت هاي آبي رنگ هس
ته ، نوترون ها را نشان ميدهند .)

2-2 الكترون هاي آزاد

شکل 5
الكترون ها ي خارجي ترين لايه مي توا نند بوسيله ي يك نيروي خارجي مثل ميدان مغناطيسي ،اصطكاك و يا واكنش هاي شيميايي از مدارشان خارج شوند .
در اين صورت « الكترون هاي آزاد» ناميده مي شوند . مبناي الكتريسيته حركت اين الكترون هاي آزاد است. در شکل (5) مشخص است.
3-2 هادي ها
شکل 6
جريان الكتريكي هنگامي ايجاد مي شود كه الكترون هاي آزاد از يك اتم به اتم ديگر منتقل شوند. شکل(6). ماده اي كه به الكترون ها اجازه حركت آزادانه را مي دهد هادي (رسانا) ناميده مي شود .
مس ،نقره ،الومينيوم ،روي ، آهن از جمله هادي هاي خوب مي باشند .

4-2 نارساناها
موادي كه به تعداد كمي از الكترون ها اجازه ي حركت مي دهند ، نارسانا (عايق) ناميده مي شوند .شکل 7

پلاستيك ، لاستيك ، شيشه ، ميكا و سراميك نارسا نا مي باشند

شکل 7

5-2 كاربرد هادي و عايق در كنار هم
بسياري از قطعات الكتريكي مثل كابل ، تركيبي از هادي ها و عايق ها هستند . عايق دور كابل رسانا ، به جريان اجازه ميدهد كه تنها در هادي جاري شود .شکل 8

شکل 8

6-2 جريان

جريان ، شارش الكترون هاي آزاد در يك ماده از يك اتم به اتم بعدي و در يك جهت مشخص مي باشد( شکل 9)كه آن را با نماد « I» نشان مي دهند، و با واحد آمپر سنجيده مي شود .

شکل 10
بعضي دانشمندان بين شارش الكترون و شارش جريان تمايز قائل مي شوند .تئوري شارش جريان قرار دادي شارش الكترون را رد مي كند و اظهار مي دارد كه جريان از مثبت به منفي شارش مي يابد( شکل 10) براي جلوگيري از اشتباه ، اين دوره نظريه ي شارش الكترون را به كار مي برد كه اظهار مي دارد الكترون ها از منفي به مثبت شارش مي يابند
7-2 جريان متناوب

در جريان متناوب الكترون ها ابتدا در يك جهت و سپس در جهت ديگر جاري مي شود . جريان و ولتاژ هر دو به طور مداوم تغيير مي كنند . شكل نمودار جريان متناوب (AC) ، به صورت موج سينوسي مي باشد كه جريان يا ولتاژ را نشان مي دهد ..(شکل 11) دو محور براي موج سينوسي رسم مي شود .محور عمودي دامنه و جهت جريان يا ولتاژ را نشان مي دهد . محور افقي زمان يا زاويه چرخش را نشان مي دهد . هنگامي كه شكل موج بالاي محور زمان است ، گوييم جريان در جهت مثبت جاري است ، وقتي شكل موج زير محور زمان است گوييم جريان در جهت منفي جاري است .يك سيكل كامل در 360 درجه اتفاق مي افتد كه نيمي مثبت و نيمي منفي است .

7-2 ضريب توان

ضريب توان نسبت توان حقيقي به توان ظاهري مي باشد كه رابطه اي است براي اندازه گيري مقدار تواني كه مصرف مي شود و مقدار تواني كه به منبع برگشت داده مي شود . ضريب توان اهميت زيادي دارد زيرا روي راندمان سيستم هاي توزيع توان اثر مي گذارد .
ضريب توان توسط رابطه ي فازي بين ولتاژ و جريان تعيين مي شود و در حقيقت ، كسينوس زاويه بين آنها مي باشد. در يك مدار مقاومتي محض ، كه جريان و ولتاژ هم فاز هستند اختلاف فاز صفر مي باشد . كسينوس صفر درجه يك است . بنابر اين ، ضريب توان يك مي باشد و اين بدان معني است كه همه انرژي توليدي منبع ، توسط مدار مصرف مي شود .
در مدار راكتيو هميشه مقداري اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان وجود دارد . به عنوان مثال اگر اين زاويه ˚45 باشد ، ضريب توان 0.707 خواهد بود كه همان كسينوس ˚45 مي باشد .

فصل سوم

• تعاریف کاربردی

مقدمه:
برای آشنای و درک بهتر در مورد ترموالکتریک در ابتدا باید با موارد کلیدی و مربوطه آشنا شود. در این فصل سعی شده است که به صورت روان مواردی را معرفی کرد تا کمکی برای درک فصل های بعد باشد.

نیمه هادی ها
3-1 مقدمه ای درمورد نیمه هادی ها:
 همانطور که هادی ها در صنعت امروزی به خصوص در زمینه های حرارتی و برودتی کاربردی ویژه یافته اند عناصر نیمه هادی نیز اهمیت زیادی در صنعت الکترونیک و ساخت قطعات پیدا کرده اند.
هدف اصلی که در الکترونیک آنالوگ دنبال می شود تقویت سیگنالها بدون تغییر شکل آن سیگنال است. همین هدف بشر را به سمت استفاده از نیمه هادی ها در ساخت قطعات تقویت کننده پیش برده است. اما آن چیزی که عملکرد این قطعات را رقم می زند چگونگی حرکت الکترون ها و حفره ها در ساختار کریستالی این عناصر می باشد.
و این مقدمه ای ست برای پیدایش قطعاتی نظیر ترانزیستور ها –دیود ها و…
عامل موثر بر چگونگی حرکت الکترون ها و حفرها چیزی نیست جز درجه حرارت. به طوری که گفته شد درجه حرارت صفر مطلق ساختمان کریستالی نیمه هادی هایی نظیر ژرمانیوم و سیلسکن را تحت تاثیر خود قرار می دهد. یعنی در این درجه حرارت الکترون ها کاملا در باند ظرفیت قرار گرفته و نیمه هادی نظیر یک عایق عمل می کند.
 اگر درجه حرارت افزایش یابد الکترون های لایه ظرفیت انرژی کافی کسب کرده و پیوند کو والانسی خود را شکسته وارد باند هدایت می شوند.به مراتب این جابه جایی باعث تولید حفره ناشی از عبور الکترونهای می گردد.
انرژی لازم برای شکستن چنین پی
وندی در سیلسکن 1.1(الکترون ولت) و در ژرمانیوم 0.72 (الکترون ولت) می باشد. اهمیت حفره در این است که نظیر الکترون حامل جریان الکتریکی بوده و و نظیر الکترون آزاد عمل می نماید. حال آنکه تا چندی پیش دانشمندان حفره ها را حامل جریام نمی دانستند!

3-2نیمه هادی چیست.؟
در میان عناصر گروهی هستند که نه فلز کامل ونه غیر فلز کامل هستند به همین ترتیب این عناصر نه رسانای خوب ونه نارسانای خوب هسستند از اینرو به آنها نیمه رسانا یا نیمه هادی می گویند رسانائی این عناصر که در گروه چهارم جدول تناوبی قرار دارند با اندکی ناخالصی از عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی تقویت می شود.به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند ، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند . برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می گذارد . این نوع پیوند بین اتم ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می گویند . در شکل پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم نمایش داده شده است
به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند ، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند . برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می گذارد . این نوع پیوند بین اتم ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می گویند . در( شکل1) پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم نمایش داده شده است

شکل1
چون تعداد الکترونهای آزاد و حفره های ایجاد شده در کریستال های سیلیسیم و ژرمانیوم در اثر انرژی گرمایی به اندازه کافی زیاد نیست این کریستال ها قابلیت هدایت الکتریکی خوبی ندارند . برای افزایش قابلیت هدایت الکتریکی این نیمه هادی ها به آنها ناخالصی اضافه می کنند .اضافه کردن ناخالصی به نیمه هادی ها به دو شکل صورت می گیرد/

3-3 نوع P
ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم پنج ظرفیتی : در این روش عناصر پنج ظرفیتی مانند آرسنیک (As) ، آنتیموان (Sb) و یا فسفر (P) را که در لایه ظرفیت خود پنج الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم اضافه می کنند . به عنوان مثال در شکل (2) عنصر پنج ظرفیتی آرسنیک به کریستال سیلیسیم اضافه شده است
شکل2
در یک بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم ، در دمای صفر مطلق به علت اینکه تمامی پیوندهای کووالانسی بین اتم ها برقرار است و هیچ الکترون آزادی وجود ندارد بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم یک عایق کامل می باشد . اما با افزایش دما جنبش الکترونهای والانس افزایش یافته و بعضی از پیوندهای کووالانسی بین اتم ها شکسته شده و الکترونهایی آزاد می شوند و به این ترتیب هدایت الکتریکی در کریستال های سیلیسیم و ژرمانیوم افزایش می یابد . هر چه دما بیشتر افزایش یابد پیوندهای کووالانسی بیشتری شکسته شده و تعداد الکترونهای آزاد بیشتر می شود و در نتیجه هدایت


دیدگاهتان را بنویسید