موضوع مقاله: مواد ترموالکتریک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # مواد ترموالکتریک | مقدمه: این ویژگی منجر به دو برنامه فنی خاص می‌شود:توسعه گرادیان دمایی برای گرمایش و سرمایش دستگاه‌ها و تولید انرژی الکتریکی از انرژی حرارتی تلف شده.1 این پدیده به‌طور خاص به عنوان اثر Seebeck(تبدیل گرما به انرژی الکتریکی)، اثر Peltier (تبدیل انرژی الکتریکی به گرما) و اثر تامسون (هادی گرمازا و خنک کننده) شناخته شده‌است. | ## بخش 1: مواد ترموالکتریک | این‌ها توسط رسانایی الکتریکی، رسانایی گرمایی، ضریب Seebeck و تغییر رفتار بر اثر تغییر دما ماده تعیین می‌شوند.A.F. انتظار می‌رود بازار مصرف کننده، به‌طور پیوسته در سال‌های آینده افزایش یابد که در حال حاضر حدود 35 درصد بازار را تشکیل می‌دهد. اگر ZT را بتوان بیشتر از 2 بدست آورد، تمام بازارها می‌تواند با فاکتور 10 تا 100 افزایش یابد. در حال حاضر 15 پروژه بر روی ترموالکتریک متمرکز هستند که به وسیلهٔ هفتمین برنامه چارچوبی (FWP) سرمایه‌گذاری شده‌است که این نتیجه همکاری دانشگاه‌های اروپایی و صنعت ترموالکتریک است. اثر این پدیده را بیشتر می‌توان در صنعت خودرو، جایی که حرارت اگزوز می‌تواند به وسیلهٔ تراشه‌های ترموالکتریک بازیافت شود، دید. پتانسیل بازار در این کاربرد بسیار با اهمیت است بطوریکه 40 درصد انرژی تولید شده در ماشین‌های احتراقی داخلی، حرارت را از طریق اگزوز از دست می‌دهد. صنعت خودرو به‌عنوان اولین صنعت مصرف‌کننده از محصولات ترموالکتریک شناخته شده‌است. بقیه کاربردها در اتومبیل به قرار زیر است: تولید نیرو؛ مدیریت حرارتی باتری؛ و صندلی‌های گرم و سرد شده. دمای حرارت هدررفته در کوره‌های صنعتی 200 تا 450 درجه سانتیگراد و برای کوره پسماند 500 تا 700 درجه سانتیگراد است. بکارگیری این حرارت و تبدیل آن به الکتریسته می‌تواند بازدهی و اثر محیطی این صنایع را بهبود بخشد. علم ترموالکتریک امکان برداشت گرمای ساطع‌شده از بدن انسان را، برای مصارف متحرک فراهم می‌کند. برای تراشه‌هایی که انرژی مصرفی پایینی دارند، تفاوت دمای بدن و محیط کافی است تا به تراشه انرژی رسانی شود. در صنعت هوانوردی با استفاده از تراشه‌های ترموالکتریک می‌توان برای تغذیه ادوات الکتریکی که در بیرون هواپیما وجود دارند، نظیر حسگرها، استفاده کرد و به این ترتیب از سیم‌کشی‌های خارجی اجتناب خواهد در نتیجه هواپیما سبکتر و مصرف سوخت آن کمتر می‌شود. مطالعات به وسیلهٔ شرکت مشاوره‌ای فراست و سالیوان (Frost & Sullivan) پیش‌بینی می‌کند که ترموالکتریک‌ها نقشی عمده در سیستم‌های حسگری، که خود بتوانند انرژی مورد نیاز خود را تأمین کنند، دارند.6 هدف تولید این دسته مواد هدف اصلی در سیستم‌های بازیافت انرژی از گرمای اتلافی، کاهش انرژی مصرفی است. | ## بخش 2: مواد ترموالکتریک | این تراشه‌ها اثر خیلی محدودی بر روی طبیعت دارند و کاملاً انفعالی و تمیز بوده و بدون منبع انرژی اضافی کار می‌کنند. کاربرد آن‌ها در خودروها و وسایل نقلیه عمومی، مصرف سوخت را تا چند درصد کاهش می‌دهد. افزایش قیمت گازوئیل و دیزل دلیل خوبی برای جستجوی فناوری‌های مؤثر و تجدیدپذیر است. ترموالکتریک می‌تواند تمام موارد فوق را فراهم کند و به‌طور همزمان میزان نشر گاز دی‌اکسیدکربن را نیز در اروپا کاهش دهد. بعلاوه مولدهای ترموالکتریکی می‌توانند به‌طور مستقل و بدون سیم کار کنند و این امر احتمالاً منجر به ظهور کاربردهای جدید خواهد شد و نیز نیاز به استفاده از ادوات ذخیره انرژی الکتریکی در کنار مولدهای الکتریکی را از بین خواهد برد. در حال حاضر، سیستمی برای حسگرهای مستقل از منبع تغذیه به وسیلهٔ سه شرکت اروپایی گسترش داده شده‌است. چالش‌ها پیشرفت‌های اخیر، امکان غلبه بر محدودیت‌های کلاسیک و بهبودبخشی مواد ترموالکتریک را به مقدار قابل ملاحظه‌ای پیشنهاد می‌دهد. ترموالکتریک در حال حاضر از بازدهی کم -حدود ۵درصد- و مشکلات مواد در دمای بالا تأثیر گرفته‌است. مشکل بازدهی از طریق بالابردن هدایت الکتریکی مواد و کاهش هدایت حرارتی قابل حل است. انتظار می‌رود فناوری نانو در بهینه ساختن و بهبود بخشیدن فاکتور ZT تأثیرگذار باشد. هزینه زیاد و بازدهی کم، از موانع اصلی برای تجاری‌شدن و استفاده گسترده از محصولات ترموالکتریک محسوب می‌شود. دسترسی محدود به عناصر شیمیایی مورد نیاز در تراشه‌های ترموالکتریک می‌تواند مسئله‌ساز باشد. هچنین معماری و طراحی تراشه‌های ترموالکتریک نقش مهمی را در تجاری‌کردن بازار مصرفی بازی می‌کند. یکی از جنبه‌های منحصربه‌فرد تراشه‌های ترموالکتریک این است که جانشین مستقیمی ندارند. | ## بخش 3: مواد ترموالکتریک | در این میان حدود ۱۰۰ آزمایشگاه در اروپا، ۳۵ آزمایشگاه در آلمان، ۱۵ آزمایشگاه در فرانسه، ۱۶۰ آزمایشگاه در آسیا -بیشتر آن‌ها در چین و ژاپن قرار دارند- و حدود ۷۵ آزمایشگاه تحقیقاتی نیز در آمریکا واقع است. بیشتر فعالیت‌های پتنتی مربوط به کشور آلمان می‌شود که حدود نصف پتنت‌ها را در بر می‌گیرد. برای مثال شرکت بزرگ و شیمیایی بی‌ای‌اس‌اف(BASF) حدود ۲۹ پتنت در زمینه مواد ترموالکتریک دارد و فعالیت‌های پتنتی آن در سال‌های اخیر افزایش یافته‌است که می‌تواند به دلیل تجدید علاقه در مواد ترموالکتریک باشد. اروپا از نظر تعداد پتنت بعد از آمریکا به‌همراه ژاپن و کره‌جنوبی در مقام دوم قرار دارد. در سه سال گذشته صنعت خودروسازی به‌طور روزافزون در پروژه‌های توسعه و تولید روی مواد ترموالکتریک سرمایه‌گذاری کرده‌است. (FP7)، بر روی پروژه بزرگی متشکل از سازنده‌های آلمانی، فرانسوی، ایتالیایی و سوئیسی سرمایه‌گذاری کرده‌است. برای مثال پروژه HeatReCar بر روی گسترش تراشه‌های ترموالکتریک که می‌تواند تا سه‌کیلووات در موتور احتراقی خودرو انرژی تولید کند، متمرکز بوده‌است. در آلمان –اپل (اوپل)، دایملر (Daimler)، فولکس‌واگن (VW) و ب‌ام‌و (BMW)- و در فرانسه – والئو (والئو) و رنو (رنو)- برنامه‌های ویژه‌ای به وسیلهٔ سازنده‌های خودرو و کامیون هدایت می‌شود. برخی مواد دارای خاصیت ترموالکتریک کالکوژنهای بیسموت و نانوساختار آنها تلوریم سرب (PbTe) ترکیبات گروه منیزیم IV سیلیکاتها سیلیکون-ژرمانیوم سدیم-کبالت تریاک کاربرد اینگونه مواد تبرید سردسازی یک فرایند است که با حرکت دادن گرما از جایی به جای دیگر کار انجام می‌شود.از مواد ترموالکتریک می‌توان به عنوان یخچال و فریزر استفاده کرد، به نام "خنک کننده حرارتی" یا "کولرهای پلتیر(peltier)" شناخته می‌شوند. مزیت مهم این دسته از خنک‌کننده‌ها اندازه کوچک آن، عدم استفاده از قطعات متحرک و مبردها و همچنین شکل انعطاف‌پذیر آن می‌باشد؛ ولی نقطه ضعف این دسته وسایل ضریب بهره‌وری پایین آن‌ها نسبت به یخچال‌های عادی که با گازهای مبرد کار می‌کنند، می‌باشد تولید برق در این کاربرد از موادی استفاده می‌شود که ضریب ZT>3 دارند. یکی از کاربردهای اینگونه مواد در استفاده مجدد از انرژی تلف شده در طی انتقال برق از نیروگاه به مقاصد می‌تواند باشد. سنسور ها مواد ترموالکتریک کاربردهای گسترده ای در تولید سنسورها و سنجش اختلاف دما دارند ، و می‌توان از این مواد در تولید سنسورهای هشدار دهندهٔ آتش سوزی استفاده نمود . | ## جمع‌بندی | انواع ترموکوبل‌های نوع K,S.Rو انواع دیگر که می توانند دماهای بسیار بالا را اندازه بگیرند از مواد ترمو الکترونیک درست شده‌اند.