थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मिती: जागतिक स्तरावर विजेसाठी उष्णतेचा वापर

ज्या जगात शाश्वत ऊर्जा उपायांवर अधिकाधिक लक्ष केंद्रित केले जात आहे, तिथे थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मिती (TEG) हे वाया जाणाऱ्या उष्णतेचे थेट विजेमध्ये रूपांतर करण्यासाठी एक आश्वासक तंत्रज्ञान म्हणून उदयास येत आहे. ही प्रक्रिया सीबेक इफेक्टवर (Seebeck effect) आधारित आहे, जी ऊर्जा मिळवण्यासाठी एक अनोखा दृष्टिकोन देते आणि औद्योगिक उत्पादन ते ऑटोमोटिव्ह अभियांत्रिकी आणि अगदी ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्सपर्यंत विविध क्षेत्रांमध्ये क्रांती घडवण्याची क्षमता ठेवते. हे सर्वसमावेशक मार्गदर्शक थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीची तत्त्वे, उपयोग, आव्हाने आणि भविष्यातील संभावनांचा शोध घेते, ज्यात त्याचे जागतिक परिणाम आणि स्वच्छ ऊर्जा भविष्याच्या क्षमतेवर लक्ष केंद्रित केले आहे.

थर्मोइलेक्ट्रिसिटी म्हणजे काय?

थर्मोइलेक्ट्रिसिटी म्हणजे उष्णता ऊर्जेचे थेट विद्युत ऊर्जेमध्ये रूपांतर करणे आणि याच्या उलट प्रक्रियेशी संबंधित घटना. याचे दोन प्राथमिक परिणाम म्हणजे सीबेक इफेक्ट (Seebeck effect) आणि पेल्टियर इफेक्ट (Peltier effect).

सीबेक इफेक्ट

१८२१ मध्ये थॉमस योहान सीबेक यांनी शोधलेला सीबेक इफेक्ट, दोन भिन्न प्रवाहकीय पदार्थांच्या जंक्शनमध्ये तापमानाचा फरक असताना सर्किटमध्ये इलेक्ट्रोमोटिव्ह फोर्स (व्होल्टेज) निर्माण होण्याचे वर्णन करतो. हे व्होल्टेज, ज्याला सीबेक व्होल्टेज म्हणतात, तापमानातील फरकाच्या थेट प्रमाणात असते. थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (TEG) उष्णतेचे विजेमध्ये रूपांतर करण्यासाठी या परिणामाचा उपयोग करतो.

पेल्टियर इफेक्ट

१८३४ मध्ये जीन चार्ल्स अथानास पेल्टियर यांनी शोधलेला पेल्टियर इफेक्ट हा सीबेक इफेक्टच्या विरुद्ध आहे. जेव्हा दोन भिन्न प्रवाहकीय पदार्थांच्या जंक्शनमधून विद्युत प्रवाह जातो, तेव्हा जंक्शनवर उष्णता शोषली जाते किंवा बाहेर टाकली जाते. हा परिणाम थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर्स आणि हीटर्समध्ये वापरला जातो.

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीची तत्त्वे

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (TEGs) हे सॉलिड-स्टेट उपकरणे आहेत जी सीबेक इफेक्टच्या आधारावर उष्णता ऊर्जेचे थेट विद्युत ऊर्जेमध्ये रूपांतर करतात. एका सामान्य TEG मध्ये अनेक लहान थर्मोइलेक्ट्रिक कपल्स (couples) असतात, जे विद्युतीय दृष्ट्या मालिकेत (series) आणि औष्णिक दृष्ट्या समांतर (parallel) जोडलेले असतात. प्रत्येक थर्मोइलेक्ट्रिक कपल पी-टाइप (p-type) आणि एन-टाइप (n-type) सेमीकंडक्टर पदार्थापासून बनलेले असते.

जेव्हा TEG ची एक बाजू (गरम बाजू) उष्णतेच्या स्त्रोतासमोर ठेवली जाते आणि दुसरी बाजू (थंड बाजू) कमी तापमानात ठेवली जाते, तेव्हा तापमानात फरक निर्माण होतो. हा तापमानातील फरक चार्ज कॅरियर्सना (एन-टाइप पदार्थातील इलेक्ट्रॉन आणि पी-टाइप पदार्थातील होल्स) गरम बाजूकडून थंड बाजूकडे ढकलतो, ज्यामुळे व्होल्टेज तयार होते. थर्मोइलेक्ट्रिक कपल्सची मालिका जोडणी व्होल्टेजला वापरण्यायोग्य पातळीपर्यंत वाढवते.

मुख्य कार्यप्रदर्शन मापदंड

TEG ची कार्यक्षमता अनेक घटकांद्वारे निर्धारित केली जाते, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• सीबेक कोइफिशिएंट (S): प्रति युनिट तापमान फरकासाठी निर्माण झालेल्या थर्मोइलेक्ट्रिक व्होल्टेजच्या तीव्रतेचे मोजमाप.
• विद्युत वाहकता (σ): पदार्थ किती चांगल्या प्रकारे वीज वाहून नेतो याचे मोजमाप.
• औष्णिक वाहकता (κ): पदार्थ किती चांगल्या प्रकारे उष्णता वाहून नेतो याचे मोजमाप. कमी औष्णिक वाहकता उपकरणामध्ये तापमानाचा फरक टिकवून ठेवण्यास मदत करते.
• फिगर ऑफ मेरिट (ZT): एक परिमाणहीन प्रमाण जे पदार्थाच्या थर्मोइलेक्ट्रिक कार्यक्षमतेचे प्रतिनिधित्व करते. याची व्याख्या ZT = S²σT/κ अशी केली जाते, जिथे T हे निरपेक्ष तापमान आहे. उच्च ZT मूल्य उत्तम थर्मोइलेक्ट्रिक कार्यक्षमता दर्शवते.

TEGs ची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी ZT मूल्य जास्तीत जास्त करणे महत्त्वाचे आहे. संशोधक उच्च ZT मूल्यांसह नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थ विकसित करण्यासाठी सक्रियपणे काम करत आहेत.

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीचे उपयोग

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीचे अनेक संभाव्य उपयोग आहेत, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

वाया जाणाऱ्या उष्णतेचा पुनर्वापर

TEGs च्या सर्वात आश्वासक उपयोगांपैकी एक म्हणजे वाया जाणाऱ्या उष्णतेचा पुनर्वापर. उत्पादन, वीज प्रकल्प आणि ऑटोमोटिव्ह एक्झॉस्ट सिस्टम्ससारखे उद्योग मोठ्या प्रमाणात वाया जाणारी उष्णता निर्माण करतात जी सामान्यतः वातावरणात सोडली जाते. TEGs चा वापर या वाया जाणाऱ्या उष्णतेचे विजेमध्ये रूपांतर करण्यासाठी केला जाऊ शकतो, ज्यामुळे ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारते आणि ग्रीनहाऊस वायू उत्सर्जन कमी होते.

उदाहरण: जर्मनीमध्ये, BMW वाहनांच्या एक्झॉस्ट सिस्टममध्ये TEGs च्या वापराचा शोध घेत आहे जेणेकरून वाया जाणारी उष्णता परत मिळवून इंधन कार्यक्षमता सुधारता येईल. या तंत्रज्ञानामुळे इंधनाचा वापर आणि CO2 उत्सर्जन लक्षणीयरीत्या कमी होऊ शकते.

दुर्गम ठिकाणी वीज निर्मिती

TEGs दुर्गम ठिकाणी वीज पुरवठ्याचा एक विश्वसनीय स्त्रोत प्रदान करू शकतात जिथे ग्रिडची उपलब्धता मर्यादित किंवा अस्तित्वात नाही. ते विविध उष्णता स्त्रोतांद्वारे चालवले जाऊ शकतात, जसे की सौर ऊर्जा, भू-औष्णिक ऊर्जा, किंवा बायोमास जाळणे. यामुळे ते रिमोट सेन्सर्स, हवामान केंद्रे आणि इतर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांना वीज पुरवण्यासाठी आदर्श ठरतात.

उदाहरण: अलास्काच्या अनेक दुर्गम भागांमध्ये, लहान समुदायांना आणि संशोधन केंद्रांना वीज पुरवण्यासाठी प्रोपेनवर चालणारे TEGs वापरले जातात. हे कठोर वातावरणात एक विश्वसनीय आणि स्वतंत्र वीज स्त्रोत प्रदान करते.

ऑटोमोटिव्हमधील उपयोग

इंजिनच्या एक्झॉस्ट किंवा कूलिंग सिस्टममधून वाया जाणारी उष्णता परत मिळवण्यासाठी, इंधन कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी आणि उत्सर्जन कमी करण्यासाठी वाहनांमध्ये TEGs वापरले जाऊ शकतात. त्यांचा उपयोग एअर कंडिशनिंग किंवा इलेक्ट्रिक पॉवर स्टीयरिंगसारख्या सहायक प्रणालींना वीज पुरवण्यासाठी देखील केला जाऊ शकतो.

उदाहरण: टोयोटा आणि होंडासह अनेक ऑटोमोटिव्ह उत्पादक वाहनांसाठी TEG प्रणालींवर संशोधन आणि विकास करत आहेत. या प्रणालींचा उद्देश इंधन अर्थव्यवस्था सुधारणे आणि वाहतुकीचा पर्यावरणीय प्रभाव कमी करणे हा आहे.

अवकाश संशोधन

अंतराळयान आणि रोव्हर्सना वीज पुरवण्यासाठी अनेक दशकांपासून अवकाश संशोधनात TEGs वापरले जात आहेत. रेडिओआयसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (RTGs) प्लुटोनियम-२३८ सारख्या किरणोत्सर्गी आयसोटोपच्या क्षयातून निर्माण होणाऱ्या उष्णतेचा वापर वीज निर्माण करण्यासाठी करतात. RTGs दूरच्या ग्रहांवरील मोहिमांसाठी दीर्घकाळ टिकणारा आणि विश्वसनीय उर्जा स्त्रोत प्रदान करतात जिथे सौर ऊर्जा सहज उपलब्ध नसते.

उदाहरण: मार्स रोव्हर क्युरिऑसिटी एका RTG द्वारे चालविले जाते, जे त्याला मंगळाच्या पृष्ठभागावर दीर्घकाळ काम करण्याची परवानगी देते. RTGs व्हॉयेजर अंतराळयानावर देखील वापरले गेले आहेत, जे ४० वर्षांहून अधिक काळ सौरमालेच्या बाहेरील भागांचे अन्वेषण करत आहेत.

ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स

लहान इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे, जसे की वेअरेबल सेन्सर्स, स्मार्टवॉचेस आणि वैद्यकीय इम्प्लांट्सना वीज पुरवण्यासाठी TEGs वापरले जाऊ शकतात. ते शरीराच्या उष्णतेवर किंवा इतर सभोवतालच्या उष्णता स्त्रोतांवर चालवले जाऊ शकतात, ज्यामुळे बॅटरी किंवा बाह्य वीज पुरवठ्याची गरज नाहीशी होते.

उदाहरण: संशोधक TEG-चालित वेअरेबल सेन्सर्स विकसित करत आहेत जे हृदय गती आणि शरीराचे तापमान यांसारख्या महत्त्वाच्या चिन्हेांवर लक्ष ठेवू शकतात. हे सेन्सर्स संभाव्यतः सतत आणि गैर-आक्रमक आरोग्य देखरेख प्रदान करू शकतात.

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीचे फायदे

TEGs पारंपरिक वीज निर्मिती तंत्रज्ञानापेक्षा अनेक फायदे देतात:

• सॉलिड-स्टेट ऑपरेशन: TEGs मध्ये कोणतेही हलणारे भाग नसतात, ज्यामुळे ते विश्वसनीय, टिकाऊ आणि कमी देखभालीचे असतात.
• शांत ऑपरेशन: TEGs ऑपरेशन दरम्यान कोणताही आवाज निर्माण करत नाहीत, ज्यामुळे ते ध्वनी-संवेदनशील वातावरणात वापरण्यासाठी योग्य ठरतात.
• स्केलेबिलिटी: मिलिवॅट्सपासून किलोवॅट्सपर्यंतच्या विविध वीज आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी TEGs सहजपणे मोजले जाऊ शकतात.
• बहुमुखीपणा: TEGs विविध उष्णता स्त्रोतांद्वारे चालवले जाऊ शकतात, ज्यात वाया जाणारी उष्णता, सौर ऊर्जा आणि भू-औष्णिक ऊर्जा यांचा समावेश आहे.
• पर्यावरणपूरक: TEGs वाया जाणाऱ्या उष्णतेचा पुनर्वापर करून आणि ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारून ग्रीनहाऊस वायू उत्सर्जन कमी करू शकतात.

आव्हाने आणि मर्यादा

त्यांच्या फायद्यांव्यतिरिक्त, TEGs ला अनेक आव्हाने आणि मर्यादांचा सामना करावा लागतो:

• कमी कार्यक्षमता: TEGs ची कार्यक्षमता सामान्यतः पारंपरिक वीज निर्मिती तंत्रज्ञानापेक्षा कमी असते. सध्याच्या TEGs ची कार्यक्षमता ५% ते १०% पर्यंत असते.
• उच्च खर्च: थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थ आणि उत्पादन प्रक्रियेचा खर्च तुलनेने जास्त असू शकतो.
• पदार्थांच्या मर्यादा: थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थांची उपलब्धता आणि कार्यक्षमता मर्यादित आहे. संशोधक उच्च ZT मूल्यांसह नवीन पदार्थ विकसित करण्यासाठी सक्रियपणे काम करत आहेत.
• तापमानाची आवश्यकता: लक्षणीय प्रमाणात वीज निर्माण करण्यासाठी TEGs ना गरम आणि थंड बाजूंमध्ये मोठा तापमान फरक आवश्यक असतो.

थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थांमधील अलीकडील प्रगती

TEGs ची कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणावर त्यांच्या बांधकामात वापरल्या जाणाऱ्या थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थांच्या कार्यक्षमतेवर अवलंबून असते. पदार्थ विज्ञानातील अलीकडील प्रगतीमुळे लक्षणीयरीत्या सुधारित ZT मूल्यांसह नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थांचा विकास झाला आहे.

नॅनोस्ट्रक्चर्ड पदार्थ

नॅनोस्ट्रक्चरिंग पदार्थांची विद्युत वाहकता टिकवून ठेवताना त्यांची औष्णिक वाहकता कमी करून त्यांची थर्मोइलेक्ट्रिक कार्यक्षमता वाढवू शकते. नॅनोस्ट्रक्चर्ड पदार्थांनी अनेक थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थांचे ZT मूल्य सुधारण्यात आश्वासक परिणाम दर्शविले आहेत.

उदाहरण: संशोधकांनी लक्षणीयरीत्या कमी औष्णिक वाहकतेसह नॅनोस्ट्रक्चर्ड सिलिकॉन नॅनोवायर विकसित केले आहेत, ज्यामुळे थर्मोइलेक्ट्रिक कार्यक्षमता सुधारली आहे.

क्वांटम डॉट सुपरलॅटिसेस

क्वांटम डॉट सुपरलॅटिसेस या मॅट्रिक्स पदार्थात एम्बेड केलेल्या क्वांटम डॉट्सच्या नियतकालिक संरचना आहेत. या संरचना क्वांटम कन्फाइनमेंट इफेक्टमुळे अद्वितीय थर्मोइलेक्ट्रिक गुणधर्म प्रदर्शित करू शकतात.

उदाहरण: संशोधकांनी सुधारित सीबेक कोइफिशिएंट आणि कमी औष्णिक वाहकतेसह क्वांटम डॉट सुपरलॅटिसेस तयार केले आहेत, ज्यामुळे ZT मूल्ये सुधारली आहेत.

स्कटरुडाइट्स

स्कटरुडाइट्स हा आंतरधातू संयुगांचा एक वर्ग आहे ज्याने आश्वासक थर्मोइलेक्ट्रिक कार्यक्षमता दर्शविली आहे. त्यांचे विद्युत आणि औष्णिक गुणधर्म ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी त्यांना विविध घटकांसह डोप केले जाऊ शकते.

उदाहरण: संशोधकांनी उच्च तापमानात १ पेक्षा जास्त ZT मूल्यांसह स्कटरुडाइट-आधारित थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थ विकसित केले आहेत.

हाफ-ह्युसलर मिश्रधातू

हाफ-ह्युसलर मिश्रधातू हे टर्नरी आंतरधातू संयुगे आहेत ज्यांनी उत्कृष्ट थर्मोइलेक्ट्रिक कार्यक्षमता दर्शविली आहे. ते यांत्रिकदृष्ट्या मजबूत आणि रासायनिकदृष्ट्या स्थिर आहेत, ज्यामुळे ते उच्च-तापमान अनुप्रयोगांसाठी योग्य ठरतात.

उदाहरण: संशोधकांनी उच्च तापमानात १.५ पेक्षा जास्त ZT मूल्यांसह हाफ-ह्युसलर मिश्रधातू विकसित केले आहेत.

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीचे भविष्य

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीमध्ये शाश्वत ऊर्जा भविष्यासाठी महत्त्वपूर्ण क्षमता आहे. चालू असलेले संशोधन आणि विकास प्रयत्न कार्यक्षमता सुधारणे, खर्च कमी करणे आणि TEGs चे उपयोग वाढवणे यावर लक्ष केंद्रित करत आहेत.

सुधारित पदार्थ

TEGs ची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी उच्च ZT मूल्यांसह नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थांचा विकास महत्त्वपूर्ण आहे. संशोधक नॅनोस्ट्रक्चरिंग, डोपिंग आणि संरचनात्मक ऑप्टिमायझेशनसह विविध दृष्टिकोन शोधत आहेत.

खर्च कपात

TEGs ला आर्थिकदृष्ट्या स्पर्धात्मक बनवण्यासाठी थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थांचा आणि उत्पादन प्रक्रियेचा खर्च कमी करणे आवश्यक आहे. संशोधक नवीन संश्लेषण तंत्रांचा तपास करत आहेत आणि पृथ्वीवर मुबलक प्रमाणात उपलब्ध असलेल्या पदार्थांच्या वापराचा शोध घेत आहेत.

प्रणाली ऑप्टिमायझेशन

TEG प्रणालींची रचना आणि एकत्रीकरण ऑप्टिमाइझ केल्याने त्यांची एकूण कार्यक्षमता सुधारू शकते. संशोधक नवीन थर्मल व्यवस्थापन धोरणे विकसित करत आहेत आणि प्रगत हीट एक्सचेंजर्सच्या वापराचा शोध घेत आहेत.

विस्तारित उपयोग

TEGs साठी अनुप्रयोगांची श्रेणी वाढवल्याने त्यांची बाजारातील क्षमता वाढू शकते. संशोधक वाया जाणाऱ्या उष्णतेचा पुनर्वापर, दुर्गम ठिकाणी वीज निर्मिती, ऑटोमोटिव्ह अभियांत्रिकी आणि ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स यांसारख्या क्षेत्रांमध्ये नवीन उपयोग शोधत आहेत.

जागतिक दृष्टिकोन आणि सहकार्य

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीच्या प्रगतीसाठी जागतिक सहकार्य आणि ज्ञान वाटून घेणे आवश्यक आहे. जगभरातील संशोधक, अभियंते आणि धोरणकर्ते TEG तंत्रज्ञान विकसित करण्यासाठी आणि तैनात करण्यासाठी एकत्र काम करत आहेत.

आंतरराष्ट्रीय सहकार्य नवनिर्मितीला प्रोत्साहन देण्यासाठी आणि नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थ आणि प्रणालींच्या विकासाला गती देण्यासाठी आवश्यक आहे. या सहकार्यामध्ये संयुक्त संशोधन प्रकल्प, विनिमय कार्यक्रम आणि आंतरराष्ट्रीय परिषदांचा समावेश असू शकतो.

शासकीय पाठिंबा TEG तंत्रज्ञानाचा अवलंब करण्यास प्रोत्साहन देण्यासाठी महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतो. सरकार संशोधन आणि विकासासाठी निधी देऊ शकते, TEG प्रणालींच्या तैनातीसाठी प्रोत्साहन देऊ शकते आणि वाया जाणाऱ्या उष्णतेच्या पुनर्वापराला प्रोत्साहन देणारे नियम स्थापित करू शकते.

उद्योग भागीदारी TEG तंत्रज्ञानाचे व्यापारीकरण करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे. कंपन्या TEG प्रणालींच्या विकास आणि उत्पादनात गुंतवणूक करू शकतात, TEGs ला त्यांच्या उत्पादनांमध्ये समाकलित करू शकतात आणि ग्राहकांना TEG तंत्रज्ञानाचे विपणन करू शकतात.

निष्कर्ष

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मिती शाश्वत ऊर्जा भविष्याकडे एक आश्वासक मार्ग देते. वाया जाणाऱ्या उष्णतेचे थेट विजेमध्ये रूपांतर करून, TEGs ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारू शकतात, ग्रीनहाऊस वायू उत्सर्जन कमी करू शकतात आणि दुर्गम ठिकाणी विश्वसनीय वीज स्त्रोत प्रदान करू शकतात. कार्यक्षमता आणि खर्चाच्या बाबतीत आव्हाने कायम असली तरी, चालू असलेले संशोधन आणि विकास प्रयत्न सुधारित कार्यप्रदर्शन आणि व्यापक अनुप्रयोगांसह नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थ आणि प्रणालींसाठी मार्ग मोकळा करत आहेत. जग हवामान बदल आणि ऊर्जा सुरक्षेच्या आव्हानांशी झुंजत असताना, जागतिक ऊर्जेच्या गरजा पूर्ण करण्यात थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीची भूमिका अधिकाधिक महत्त्वाची ठरण्याची क्षमता आहे.

थर्मोइलेक्ट्रिक वीज निर्मितीची क्षमता जास्तीत जास्त करण्यासाठी जागतिक दृष्टिकोन आणि सहयोगी प्रयत्न महत्त्वपूर्ण आहेत. एकत्र काम करून, संशोधक, अभियंते, धोरणकर्ते आणि उद्योग नेते TEG तंत्रज्ञानाचा विकास आणि तैनातीला गती देऊ शकतात आणि सर्वांसाठी स्वच्छ, अधिक शाश्वत ऊर्जा भविष्यासाठी योगदान देऊ शकतात.