تويت
عمود كهربايي حراري
Thermoelectric column - Colonne thermoélectrique
العمود الكهربائي الحراري
العمود الكهربائي الحراري أو البيل الكهرحراري pile thermo-électrique وسيلة مباشرة لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية، وذلك عن طريق توليد فرق في الكمون بين ملحمين من معدنين مختلفين موضوعين في منبعين حراريين متفاوتين في درجة الحرارة. إن مردود هذه الوسيلة لتوليد الكهرباء ضعيف جداً، إلا أن في الإمكان الإفادة من حرارةٍ عُرضة للضياع أو من حرارة الشمس المجانية.
أثر زيبِك
تصوَّر سلكين B وA من معدنين مختلفين تتألف منهما دارة كهربائية مغلقة ويلحم طرفاهما كما في الشكل (1)، فإذا جُعل الملحمان في درجتي حرارة مختلفتين: حارة Tc وباردة Tf، فإن تياراً كهربائياً يسري في الدارة. وهذا هو أثر زيبِكSeebeck effect [ر. أثر بلتيه وأثر طمسون] نسبة إلى العالم الألماني الذي اكتشفه عام 1821. تعتمد القوة المحركة الكهربائية الناتجة بين الملحمين على مادتي السلكين اللتين صنع منهما الملحمان وعلى الفرق بين درجتي الحرارة Tc وTf.
المولِّد الكهرحراري
يتألف المولِّد الكهرحراري من الجزء المستقبِل الماص للحرارة من المنبع الحراري، والجزء المولِّد للحرارة المؤلَّف من التحام سلكين معدنيين من مادتين مختلفتين، والجزء المُصدِر الذي تتحرر فيه حرارة المولّد. يَعبُر هذا الجزءَ الأخير تدفقٌ حراري، وتيار كهربائي. وإذا كانت المقاومة الحرارية عالية؛ فإن التدفق الحراري يولِّد لدى عبوره انخفاضاً ملحوظاً في درجة الحرارة، ثم جهداً كهرحرارياً متناسباً معه، وعلى خلاف ذلك فإن مرور التيار الكهربائي يتطلب مقاومة ضعيفة.
إن مردود المولِّد الكهرحراري من هذا النوع هو نسبة الاستطاعة الكهربائية Pel إلى الاستطاعة الحرارية Pth التي تجتاز الجزء المولِّد ويُعطى بالعلاقة:
ترمز To إلى درجة حرارة الوسط المحيط مقدرة بالكلفن و إلى المعامل الكهرحراري للمزدوجة الكهرحرارية الذي يُعطى بدوره بالعلاقة:
حيث P1 وP2 الاستطاعة الكهرحرارية لمعدني المزدوجة مقارنة بمعدن مرجعي، وحيث ترمز L1وL2 إلى معاملي لورنتز Lorentz للمعدنين.
يبين الجدول (1) ذو المدخلين قيمةَ المعامل المدونة في أعلى الجدول، ونجد إلى اليمين أسفله قيمة المردود الأعظمي التجريبي، وذلك في مزدوجات كهرحرارية من معادن وخلائط متنوعة، ويبين الجدول الدرجة العظمى Tc التي يمكن رفع درجة حرارة ملحم المزدوجة إليها، والمقابلة لنقطة الانصهار. يلاحظ في الجدول (1) أن المردود المذكور في الجزء الأيسر من الجدول نادراً ما يتجاوز القيمة ثلاثة بالمئةً.
المزدوجة الكهرحرارية من أنصاف النواقل
إذا صُنع ملحما المزدوجة الكهرحرارية من مواد نصف ناقلة [ر. أنصاف النواقل]، فإن القوة المحركة الكهربائية التي تولدها المزدوجة تكون أكبر كثيراً، وتكون الاستطاعة الكهرحرارية P، التي تُعَرَّف بأنها تساوي جهد (فرق كمون) الدارة المفتوحة بين ملحمي المزدوجة حينما يكون فرق درجتي الحرارة بين ملحميها مساوياً درجة مئوية واحدة، التي قيمتها بضع عشرات من الميكرو فلط في حالة المزدوجات المعدنية، في حين أنها تتخطى الميلي فلط في المزدوجات الكهرحرارية نصف الناقلة. تتغير ناقلية المزدوجة الكهرحرارية نصف الناقلة بتغير درجة الحرارة تغيُّراً غير منتظم. ففي مادة نصف ناقلة من النوع n تزداد الناقلية في بادئ الأمر بازدياد درجة الحرارة، وذلك بسبب ازدياد عدد إلكترونات عُصابة النقل bande de conduction، إلا أنه بدءاً من درجة حرارة محدَّدة تكون جميع الذرات المانحة atomes donneurs قد أعطت إلكتروناتها، وليس لدى إلكترونات عُصابة التكافؤ bande de valence طاقة كافية للانتقال إلى عُصابة النقل. وهذا يدعى مجال الاستنفاد région d’épuisement. أما إذا استمرت درجة الحرارة بالارتفاع؛ فإن إلكترونات عصابة التكافؤ تجتاز العصابة المحظورة وتصل إلى عصابة النقل فتزداد بالتالي الناقلية.
وللحصول على بيل كهرحراري أو مولِّد كهرحراري لابد من أن تتصف المزدوجة الكهرحرارية باستطاعة كهرحرارية عالية، وتبلغ هذه الاستطاعة في مزدوجات أنصاف النواقل قيمتها العظمى حينما تكون درجة الحرارة في مجال الاستنفاد.
ويعرَّف معامل الجدارة (facteur de mérite) fللمادة نصف الناقلة أنه:
حيث ترمز k إلى الناقلية الحرارية (أو التوصيل الحراري) وc إلى الناقلية الكهربائية وTإلى درجة الحرارة المطلقة الوسطى لـ Tc وTf. أما pفترمز إلى الاستطاعة الكهرحرارية، واختير تلور الرصاص في الماضي لتصنيع المولِّدات الكهرحرارية، بيد أنه أصبحت فيما بعد تستخدم خلائط من المواد نصف الناقلة من النوع p فهناك:ZnSb وGeTe، وخلائط Ag Sb Te2 - GeTe وGeO معn9BiO وTe وكذلك MnSi2 في حين تستخدم أنصاف النواقل التالية من النوع n: Pb-Te وInAs وIn AsxP1-x التي يعرف معامل الجدارة العائد لها.
تجميع المزدوجات الكهرحرارية
للحصول على مردود أعظمي للمزدوجة الكهرحرارية يُستحسن استخدام أكثر من مزدوجة كهرحرارية، إذ يمكن أن تتمتع مزدوجة كهرحرارية بمعامل جدارة أعلى من غيرها ضمن مجال محدَّد من درجات الحرارة، في حين تتصف أخرى بخصائص كهرحرارية أفضل في درجات حرارة أعلى أو أخفض، فعلى سبيل المثال يمكن الحصول على مولد كهرحراري مؤلَّف من شرائح كالمبيَّن في الشكل (2) يصل بين منبع حار درجة حرارته (530 ْس) ومنبع بارد درجة حـرارتـه (30 ْس) ويشتمل على عمودين يتألف كل منهما من ثلاث مواد مختلفة. كما يمكن تجميع أبيال كهرحرارية كهذه على التسلسل لزيادة الجهد الكهربائي الناتج، أو على التفرع لزيادة التيار المتولِّد.
تطبيقات الأبيال الكهرحرارية
لما كان مردود البيل الكهرحراري لا يتجاوز 5%؛ فإن الاهتمام بهذا النوع من الأبيال يرتبط بإمكان الحصول على منبع حراري رخيص، كأن يكون هذا المنبع الإشعاع الحراري الشمسي، ولذا فإن استخدام هذا النوع من الأبيال مرغوب فيه عندما يتطلب الأمر منبعاً لا ضجيج فيه، ولايحتوي على أجزاء متحركة، وذا عمر مديد. من بين المولدات التي أُنجزت عملياً مولـد يعمل عند الدرجـة (540 ْس) منبعه الحار وقود سائل أو غازي، لاتتجاوز كتلته كيلو غرام واحد واستطاعته4.5 واط. إلا أنه يؤمل في انجاز مولد استطاعته 500 واط لاتتجاوز كتلته 15 كيلو غراماً.
يمكن تحويل الطاقة الحرارية الشمسية باستخدام مولِّد من مواد نصف ناقلة من نوع p، وأخرى من نوع n مركبتين على قطعة ناقلة للتيار وللحرارة بشكل الحرف U، كما هو واضح في الشكل (3). إن مردود هذا المولِّد هو من رتبة واحد بالمئة. وللحصول على استطاعة كهربائية مقدارها (1000واط) تلزم مساحة مقدارها مئة متر مربع.
وقد استُخدمت الحرارة الناجمة عن تفكك النظائر المشعة مثل n238Pu، 210Po، 90Sr، 114Ceلتقديم الطاقة الحرارية اللازمة لعمل الأبيال الكهرحرارية، فتقوم عندها أبيال كهذه بتغذية أنظمة اتصالات في السواتل satellites أو في مناطق نائية ونحو ذلك.
ويستخدم نموذج من الأبيال الكهرحرارية كالمبين في الشكل (4) يوضع ضمن قضيب الوقود في مفاعل نووي، فتقوم الحرارة الناتجة من انشطار الوقود بتسخين الملحم بين المادة الكهرحرارية والغلاف المعدني للوقود، بينما يشكل الجدار المعدني الخارجي لقضيب الوقود المعرَّض للمادة المبرِّدة في المفاعل مع المادة الكهرحرارية الملحمَ الباردَ للمولد.
ويمكن حدوث مفعول معاكس لمفعول زيبِك الكهرحراري، فمرور تيار كهربائي في دارة مؤلَّفة من سلكين من مادتين مختلفتين ملحماهما في درجة حرارة واحدة، يؤدي إلى امتصاص للحرارة عند أحد الملحمين، وإصدار لها عند الملحم الآخر. تُعرف هذه الظاهرة باسم مفعول بلتييه[ر] effet Peltier نسبة إلى العالم الفرنسي الذي اكتشفها عام 1834. يُشار إلى أنه يجري استخدام أنظمة تبريد من هذا القبيل مصنوعة من مواد نصف ناقلة لأغراض التبريد في تطبيقات خاصة. وإذا استخدمت دارة تحتوي على ملحم وحيد؛ فإن هذا الملحم يسخن إن مُرّر التيار في اتجاه ويبرد إن مُرّر باتجاه معاكس.
أحمد حصري
Thermoelectric column - Colonne thermoélectrique
العمود الكهربائي الحراري
العمود الكهربائي الحراري أو البيل الكهرحراري pile thermo-électrique وسيلة مباشرة لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية، وذلك عن طريق توليد فرق في الكمون بين ملحمين من معدنين مختلفين موضوعين في منبعين حراريين متفاوتين في درجة الحرارة. إن مردود هذه الوسيلة لتوليد الكهرباء ضعيف جداً، إلا أن في الإمكان الإفادة من حرارةٍ عُرضة للضياع أو من حرارة الشمس المجانية.
أثر زيبِك
 الشكل(1) المزدوجة الكهرحرارية (مفعول زيبِك) |
المولِّد الكهرحراري
يتألف المولِّد الكهرحراري من الجزء المستقبِل الماص للحرارة من المنبع الحراري، والجزء المولِّد للحرارة المؤلَّف من التحام سلكين معدنيين من مادتين مختلفتين، والجزء المُصدِر الذي تتحرر فيه حرارة المولّد. يَعبُر هذا الجزءَ الأخير تدفقٌ حراري، وتيار كهربائي. وإذا كانت المقاومة الحرارية عالية؛ فإن التدفق الحراري يولِّد لدى عبوره انخفاضاً ملحوظاً في درجة الحرارة، ثم جهداً كهرحرارياً متناسباً معه، وعلى خلاف ذلك فإن مرور التيار الكهربائي يتطلب مقاومة ضعيفة.
إن مردود المولِّد الكهرحراري من هذا النوع هو نسبة الاستطاعة الكهربائية Pel إلى الاستطاعة الحرارية Pth التي تجتاز الجزء المولِّد ويُعطى بالعلاقة:
ترمز To إلى درجة حرارة الوسط المحيط مقدرة بالكلفن و إلى المعامل الكهرحراري للمزدوجة الكهرحرارية الذي يُعطى بدوره بالعلاقة:
حيث P1 وP2 الاستطاعة الكهرحرارية لمعدني المزدوجة مقارنة بمعدن مرجعي، وحيث ترمز L1وL2 إلى معاملي لورنتز Lorentz للمعدنين.
يبين الجدول (1) ذو المدخلين قيمةَ المعامل المدونة في أعلى الجدول، ونجد إلى اليمين أسفله قيمة المردود الأعظمي التجريبي، وذلك في مزدوجات كهرحرارية من معادن وخلائط متنوعة، ويبين الجدول الدرجة العظمى Tc التي يمكن رفع درجة حرارة ملحم المزدوجة إليها، والمقابلة لنقطة الانصهار. يلاحظ في الجدول (1) أن المردود المذكور في الجزء الأيسر من الجدول نادراً ما يتجاوز القيمة ثلاثة بالمئةً.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
للمزدوجةإذا صُنع ملحما المزدوجة الكهرحرارية من مواد نصف ناقلة [ر. أنصاف النواقل]، فإن القوة المحركة الكهربائية التي تولدها المزدوجة تكون أكبر كثيراً، وتكون الاستطاعة الكهرحرارية P، التي تُعَرَّف بأنها تساوي جهد (فرق كمون) الدارة المفتوحة بين ملحمي المزدوجة حينما يكون فرق درجتي الحرارة بين ملحميها مساوياً درجة مئوية واحدة، التي قيمتها بضع عشرات من الميكرو فلط في حالة المزدوجات المعدنية، في حين أنها تتخطى الميلي فلط في المزدوجات الكهرحرارية نصف الناقلة. تتغير ناقلية المزدوجة الكهرحرارية نصف الناقلة بتغير درجة الحرارة تغيُّراً غير منتظم. ففي مادة نصف ناقلة من النوع n تزداد الناقلية في بادئ الأمر بازدياد درجة الحرارة، وذلك بسبب ازدياد عدد إلكترونات عُصابة النقل bande de conduction، إلا أنه بدءاً من درجة حرارة محدَّدة تكون جميع الذرات المانحة atomes donneurs قد أعطت إلكتروناتها، وليس لدى إلكترونات عُصابة التكافؤ bande de valence طاقة كافية للانتقال إلى عُصابة النقل. وهذا يدعى مجال الاستنفاد région d’épuisement. أما إذا استمرت درجة الحرارة بالارتفاع؛ فإن إلكترونات عصابة التكافؤ تجتاز العصابة المحظورة وتصل إلى عصابة النقل فتزداد بالتالي الناقلية.
وللحصول على بيل كهرحراري أو مولِّد كهرحراري لابد من أن تتصف المزدوجة الكهرحرارية باستطاعة كهرحرارية عالية، وتبلغ هذه الاستطاعة في مزدوجات أنصاف النواقل قيمتها العظمى حينما تكون درجة الحرارة في مجال الاستنفاد.
ويعرَّف معامل الجدارة (facteur de mérite) fللمادة نصف الناقلة أنه:
حيث ترمز k إلى الناقلية الحرارية (أو التوصيل الحراري) وc إلى الناقلية الكهربائية وTإلى درجة الحرارة المطلقة الوسطى لـ Tc وTf. أما pفترمز إلى الاستطاعة الكهرحرارية، واختير تلور الرصاص في الماضي لتصنيع المولِّدات الكهرحرارية، بيد أنه أصبحت فيما بعد تستخدم خلائط من المواد نصف الناقلة من النوع p فهناك:ZnSb وGeTe، وخلائط Ag Sb Te2 - GeTe وGeO معn9BiO وTe وكذلك MnSi2 في حين تستخدم أنصاف النواقل التالية من النوع n: Pb-Te وInAs وIn AsxP1-x التي يعرف معامل الجدارة العائد لها.
تجميع المزدوجات الكهرحرارية
 الشكل (2) أجزاء مولِِّد كهرحراري |
تطبيقات الأبيال الكهرحرارية
لما كان مردود البيل الكهرحراري لا يتجاوز 5%؛ فإن الاهتمام بهذا النوع من الأبيال يرتبط بإمكان الحصول على منبع حراري رخيص، كأن يكون هذا المنبع الإشعاع الحراري الشمسي، ولذا فإن استخدام هذا النوع من الأبيال مرغوب فيه عندما يتطلب الأمر منبعاً لا ضجيج فيه، ولايحتوي على أجزاء متحركة، وذا عمر مديد. من بين المولدات التي أُنجزت عملياً مولـد يعمل عند الدرجـة (540 ْس) منبعه الحار وقود سائل أو غازي، لاتتجاوز كتلته كيلو غرام واحد واستطاعته4.5 واط. إلا أنه يؤمل في انجاز مولد استطاعته 500 واط لاتتجاوز كتلته 15 كيلو غراماً.
 الشكل (3) مولد كهرحراري يعمل على أشعة الشمس |
 الشكل (4) مزدوجة كهرحرارية تتوضع داخل قضيب الوقود في مفاعل انشطاري |
ويستخدم نموذج من الأبيال الكهرحرارية كالمبين في الشكل (4) يوضع ضمن قضيب الوقود في مفاعل نووي، فتقوم الحرارة الناتجة من انشطار الوقود بتسخين الملحم بين المادة الكهرحرارية والغلاف المعدني للوقود، بينما يشكل الجدار المعدني الخارجي لقضيب الوقود المعرَّض للمادة المبرِّدة في المفاعل مع المادة الكهرحرارية الملحمَ الباردَ للمولد.
ويمكن حدوث مفعول معاكس لمفعول زيبِك الكهرحراري، فمرور تيار كهربائي في دارة مؤلَّفة من سلكين من مادتين مختلفتين ملحماهما في درجة حرارة واحدة، يؤدي إلى امتصاص للحرارة عند أحد الملحمين، وإصدار لها عند الملحم الآخر. تُعرف هذه الظاهرة باسم مفعول بلتييه[ر] effet Peltier نسبة إلى العالم الفرنسي الذي اكتشفها عام 1834. يُشار إلى أنه يجري استخدام أنظمة تبريد من هذا القبيل مصنوعة من مواد نصف ناقلة لأغراض التبريد في تطبيقات خاصة. وإذا استخدمت دارة تحتوي على ملحم وحيد؛ فإن هذا الملحم يسخن إن مُرّر التيار في اتجاه ويبرد إن مُرّر باتجاه معاكس.
أحمد حصري