भौतिकी में, हम जानते हैं कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, यह केवल अपना रूप बदल सकती है। यह ऊर्जा संरक्षण का नियम है, जो इंजीनियरों को ऊर्जा को अधिक उपयोगी रूपों में परिवर्तित करने के तरीके खोजने के लिए प्रेरित करता है।
ताप विद्युत उत्पादन एक अच्छा उदाहरण है, जो ऊष्मा को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित कर सकता है। इस प्रभाव की खोज सबसे पहले थॉमस सीबेक ने की थी और अब इसे सीबेक प्रभाव के रूप में जाना जाता है, जिसे थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (टीईजी) नामक उपकरणों पर लागू किया गया है। 20वीं शताब्दी तक ऐसा नहीं था कि इन ठोस-राज्य उपकरणों ने व्यावहारिक अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण प्रगति की, पहला व्यावसायिक संस्करण 1960 के दशक में सामने आया। तब से, TEG ने कई अलग-अलग प्रकार के एप्लिकेशन क्षेत्रों में प्रवेश किया है।
टीईजी मॉड्यूल का बुनियादी ज्ञान
थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर मॉड्यूल (आमतौर पर टीईजी के रूप में जाना जाता है) का कार्य सिद्धांत तापमान अंतर को वोल्टेज में परिवर्तित करना है, और इसके विपरीत। इस विशेषता को थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है, जिसमें तीन संबंधित भाग शामिल हैं: 1) सीबेक प्रभाव, जो तापमान प्रवणता के माध्यम से बिजली उत्पन्न करता है; 2) पेल्टियर प्रभाव गर्मी के अवशोषण या रिहाई को संदर्भित करता है जब धारा दो अलग-अलग सामग्रियों से प्रवाहित होती है; 3) थॉमसन प्रभाव धारा प्रवाह की दिशा के आधार पर ऊष्मा के उत्पादन या अवशोषण को संदर्भित करता है।
थर्मोइलेक्ट्रिक तकनीक में एक आम भ्रम बिंदु थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (टीईजी) और थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (टीईसी) के बीच अंतर है। टीईजी गर्मी के माध्यम से बिजली उत्पन्न करने के लिए सीबेक प्रभाव का उपयोग करता है, जबकि टीईसी शीतलन प्रदान करने या स्थिर तापमान बनाए रखने के लिए पेल्टियर प्रभाव का उपयोग करता है। ये दोनों प्रभाव समान अर्धचालक सामग्रियों पर निर्भर करते हैं, लेकिन विभिन्न डिज़ाइनों के साथ: टीईजी उच्च तापमान अंतर और कुशल बिजली उत्पादन प्राप्त कर सकता है, जबकि टीईसी गर्मी चालन को अनुकूलित करने के लिए सिरेमिक और तांबे जैसी सामग्रियों का उपयोग करता है।
वास्तव में, यदि लक्ष्य तापीय ऊर्जा का उपयोग करके बिजली उत्पन्न करना है, तो टीईजी मॉड्यूल सही विकल्प है। टीईसी या पेल्टियर मॉड्यूल शीतलन या तापमान स्थिरता के लिए अधिक प्रभावी हैं। सेम स्काई टीईजी मॉड्यूल और पेल्टियर मॉड्यूल दोनों प्रदान करता है, जिससे डिजाइन आवश्यकताओं के अनुसार उपयुक्त उपकरणों का चयन करना आसान हो जाता है।
आधुनिक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (टीईजी) में, गर्म और ठंडी सतहों के बीच तापमान अंतर होने पर विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होती है। मॉड्यूल के अंदर, एन-प्रकार और पी-प्रकार अर्धचालक (आमतौर पर बिस्मथ टेलुराइड से बने) के कई जोड़े दो प्लेटों (चित्रा 1) के बीच रखे जाते हैं। एन-प्रकार की सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉन गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष की ओर प्रवाहित होते हैं, जबकि पी-प्रकार की सामग्रियों में, गति छिद्रों (यानी इलेक्ट्रॉन रिक्तियों) के एक ही दिशा में प्रवास के कारण होती है। ये दोनों प्रवाह संयुक्त रूप से वोल्टेज उत्पन्न करते हैं, और तापमान का अंतर जितना बड़ा होगा, आउटपुट वोल्टेज उतना ही अधिक होगा।
टीईजी उन स्थितियों में विशेष रूप से मूल्यवान है जहां गर्मी की बर्बादी हो सकती है, जैसे कि औद्योगिक उत्पादन में, क्योंकि यह खोई हुई ऊर्जा को पुनर्प्राप्त करने में मदद करता है। टीईजी दूरस्थ या चरम वातावरण में भी काम कर सकता है। उदाहरण के लिए, जब अपर्याप्त सूर्य का प्रकाश होता है, तो रेडियोधर्मी क्षय से उत्पन्न गर्मी को अंतरिक्ष जांच के लिए शक्ति प्रदान करने के लिए विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।
TEG मॉड्यूल की सामान्य संरचनाएँ
चित्र 1: टीईजी मॉड्यूल की सामान्य संरचना। (छवि स्रोत: सेम स्काई)
टीईजी के फायदे और नुकसान
थर्मोइलेक्ट्रिक सेमीकंडक्टर पावर जेनरेशन (टीईजी) मॉड्यूल का मुख्य लाभ अपशिष्ट गर्मी को उपयोगी विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने की उनकी क्षमता है, जो ऊर्जा को पकड़ने में मदद करती है जो अन्यथा खो जाती है। इसलिए, टीईजी मॉड्यूल न केवल व्यावहारिक हैं बल्कि पर्यावरण के अनुकूल भी हैं।
चूंकि टीईजी एक सॉलिड-स्टेट डिवाइस है, इसमें कोई चलने वाला भाग नहीं है, जिसका अर्थ है कि इस मॉड्यूल में कोई श्रव्य शोर नहीं है, यह मजबूत और टिकाऊ है, और लगभग किसी रखरखाव की आवश्यकता नहीं है। इस मॉड्यूल की उपस्थिति कॉम्पैक्ट है, इसे छोटे स्थानों में स्थापित किया जा सकता है, और विश्वसनीय बिजली प्रदान करने के लिए पारंपरिक पावर ग्रिड पर निर्भर हुए बिना, कई वोल्टेज और धाराएं प्रदान करता है। यह TEG को दूरस्थ उपकरणों या वैकल्पिक बैटरी सिस्टम के लिए एक आदर्श विकल्प बनाता है।
यद्यपि थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (टीईजी) बिजली का एक विश्वसनीय स्रोत प्रदान करते हैं, लेकिन उनकी डिज़ाइन सीमाएँ भी हैं। इस जनरेटर का प्रदर्शन काफी हद तक मजबूत तापमान अंतर पर निर्भर करता है, जो थर्मल ग्रेडिएंट्स के साथ कुछ अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को सीमित करता है। इसके अलावा, टीईजी की रूपांतरण दक्षता आमतौर पर कम है, आमतौर पर लगभग 10%, जो कई अन्य ऊर्जा उत्पादन प्रौद्योगिकियों की तुलना में अधिक नहीं है।
टीईजी के लिए मुख्य चयन मानदंड
सिस्टम में थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (टीईजी) मॉड्यूल को एकीकृत करते समय, मुख्य विशिष्टताओं पर विचार किया जाना चाहिए जो सीधे उनके प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं। जनरेटर के संचालन में सबसे महत्वपूर्ण कारक गर्म और ठंडी सतहों के बीच तापमान का अंतर है (आमतौर पर इसे ΔT कहा जाता है)। हालाँकि यह TEG के बिजली उत्पादन को प्रभावित करेगा, डेटा तालिका हमेशा इसे इस तरह प्रदर्शित नहीं करती है। इसके विपरीत, निर्माता आमतौर पर टीएमएक्स को सूचीबद्ध करते हैं, जो उच्चतम सुरक्षित ऑपरेटिंग तापमान है, जो चरम स्थितियों को निर्धारित करने में मदद करता है लेकिन जरूरी नहीं कि यह इष्टतम ऑपरेटिंग स्थितियां हो।
अन्य उपयोगी विशिष्टताओं में ओपन सर्किट वोल्टेज, मिलान लोड वोल्टेज, करंट, प्रतिरोध और शक्ति शामिल हैं। इन मूल्यों के माध्यम से, वास्तविक तापीय और विद्युत भार के तहत थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के प्रदर्शन को समझा जा सकता है। डेटा तालिकाओं (जैसे कि सेम स्काई की डेटा तालिका) में, सिस्टम स्तर के डिज़ाइन को आसान बनाने के लिए यह जानकारी आमतौर पर तालिकाओं (चित्र 2) और प्रदर्शन ग्राफ़ (चित्र 3) के रूप में प्रदर्शित की जाती है।