थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर

एक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (टीईजी), जिसे सीबेक जनरेटर भी कहा जाता है, एक सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रॉनिक्स डिवाइस है जो गर्मी के प्रवाह (तापमान अंतर) को 'सीबेक प्रभाव' नामक एक घटना के माध्यम से सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। (थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव का एक रूप)। तापविद्युत जनित्र ऊष्मा इंजन की तरह कार्य करते हैं, लेकिन कम भारी होते हैं और इनमें गतिमान पुर्जे नहीं होते हैं। हालाँकि, TEG आमतौर पर अधिक महंगे और कम कुशल होते हैं। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर का उपयोग पावर स्टेशन में अपशिष्ट गर्मी को अतिरिक्त विद्युत शक्ति में और ऑटोमोबाइल में ऑटोमोटिव थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (एटीजी) के रूप में ईंधन दक्षता बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। रेडियो आइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर पावर स्पेस जांच के लिए आवश्यक तापमान अंतर उत्पन्न करने के लिए रेडियोआइसोटोप का उपयोग करते हैं।

इतिहास
1821 में, थॉमस जोहान सीबेक ने पता लगाया कि दो अलग-अलग संचालन सामग्री (विद्युत चुम्बकीय संपत्ति) के बीच एक थर्मल ढाल का गठन बिजली का उत्पादन कर सकता है। थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव के केंद्र में तथ्य यह है कि एक चालक सामग्री में तापमान प्रवणता के परिणामस्वरूप गर्मी का प्रवाह होता है; इसका परिणाम आवेश वाहकों के प्रसार में होता है। बदले में गर्म और ठंडे क्षेत्रों के बीच आवेश वाहकों का प्रवाह एक वोल्टेज अंतर पैदा करता है। 1834 में, जीन चार्ल्स अथानेज पेल्टियर ने विपरीत प्रभाव की खोज की, कि दो भिन्न कंडक्टरों के जंक्शन के माध्यम से एक विद्युत प्रवाह चलाना, वर्तमान की दिशा के आधार पर, इसे हीटर या कूलर के रूप में कार्य करने का कारण बना सकता है।

दक्षता
टीईजी की विशिष्ट दक्षता लगभग 5-8% है। पुराने उपकरण द्विधातु संधियों का उपयोग करते थे और भारी थे। हाल के उपकरण बिस्मथ टेल्यूराइड (Bi23), लेड टेल्यूराइड (PbTe), कैल्शियम मैंगनीज ऑक्साइड (सीए2एम.एन.3O8), या उसके संयोजन, आवेदन तापमान के आधार पर। ये सॉलिड-स्टेट डिवाइस हैं और डायनेमो के विपरीत इसमें कोई हिलता हुआ भाग नहीं होता है, गर्मी हस्तांतरण में सुधार के लिए पंखे या पंप के सामयिक अपवाद के साथ। यदि गर्म क्षेत्र लगभग 1273K है और 3-4 का ZT मान लागू किया जाता है, तो दक्षता लगभग 33-37% है; टीईजी को कुछ ताप इंजन दक्षताओं के साथ प्रतिस्पर्धा करने की अनुमति देता है। 2021 तक, ऐसी सामग्रियां हैं (कुछ में व्यापक रूप से उपलब्ध और सस्ती आर्सेनिक और टिन शामिल हैं) ZT मान> 3 तक पहुंच रही हैं; मोनोलेयर  (ZT = 3.36 आर्मचेयर अक्ष पर); एन-टाइप डोप किया गया  (जेडटी = 3.23); पी-टाइप डोप किया गया  (जेडटी = 3.46); पी-टाइप डोप किया गया  (जेडटी = 3.5)।

निर्माण
थर्मोइलेक्ट्रिक पावर जेनरेटर में तीन प्रमुख घटक होते हैं: थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल और थर्मोइलेक्ट्रिक सिस्टम जो ताप स्रोत के साथ इंटरफेस करते हैं।

थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री
थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री तापमान के अंतर को विद्युत वोल्टेज में परिवर्तित करके सीधे गर्मी से बिजली उत्पन्न करती है। अच्छी थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री होने के लिए इन सामग्रियों में उच्च विद्युत चालकता (σ) और निम्न तापीय चालकता (κ) दोनों होनी चाहिए। कम तापीय चालकता होने से यह सुनिश्चित होता है कि जब एक तरफ गर्म किया जाता है, तो दूसरी तरफ ठंडा रहता है, जो तापमान प्रवणता में बड़े वोल्टेज उत्पन्न करने में मदद करता है। सीबेक गुणांक (एस) द्वारा उस सामग्री में तापमान अंतर के जवाब में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के परिमाण का माप दिया जाता है। थर्मोइलेक्ट्रिक पावर का उत्पादन करने के लिए किसी दिए गए सामग्री की दक्षता का अनुमान केवल "योग्यता के थर्मोइलेक्ट्रिक फिगर" zT = S द्वारा लगाया जाता है2σT/κ.

कई वर्षों तक, कम तापीय चालकता और उच्च शक्ति कारक दोनों के लिए जाने जाने वाले मुख्य तीन अर्धचालक बिस्मथ टेल्यूराइड (Bi) थे।23), लेड टेल्यूराइड (PbTe), और सिलिकॉन-जर्मेनियम (SiGe)। इनमें से कुछ सामग्रियों में दुर्लभ तत्व होते हैं जो उन्हें महंगा बनाते हैं। आज, अर्धचालकों की तापीय चालकता को उनके उच्च विद्युत गुणों को प्रभावित किए बिना नैनो तकनीक का उपयोग करके कम किया जा सकता है। इसे बल्क सेमीकंडक्टर सामग्री में कण, तार या इंटरफेस जैसे नैनोस्केल फीचर बनाकर हासिल किया जा सकता है। हालाँकि, नैनोमटेरियल्स | नैनो-मटेरियल्स की निर्माण प्रक्रियाएँ are still challenging.

थर्मोइलेक्ट्रिक फायदे
थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर सभी ठोस-अवस्था वाले उपकरण हैं जिन्हें ईंधन या ठंडा करने के लिए किसी भी तरल पदार्थ की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे वे शून्य-गुरुत्वाकर्षण या गहरे समुद्र के अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए गैर-अभिविन्यास पर निर्भर हो जाते हैं। सॉलिड-स्टेट डिज़ाइन गंभीर वातावरण में संचालन की अनुमति देता है। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर में कोई हिलने वाला भाग नहीं होता है जो एक अधिक विश्वसनीय उपकरण का उत्पादन करता है जिसे लंबे समय तक रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है। स्थायित्व और पर्यावरणीय स्थिरता ने थर्मोइलेक्ट्रिक्स को अन्य अनुप्रयोगों के बीच नासा के गहरे अंतरिक्ष खोजकर्ताओं के लिए पसंदीदा बना दिया है। इस तरह के विशेष अनुप्रयोगों के बाहर थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के प्रमुख लाभों में से एक यह है कि वे दक्षता को बढ़ावा देने और अपशिष्ट गर्मी से प्रयोग करने योग्य शक्ति का उत्पादन करके पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने के लिए संभावित रूप से मौजूदा प्रौद्योगिकियों में एकीकृत हो सकते हैं।

थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल
थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल एक सर्किट है जिसमें थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री होती है जो सीधे गर्मी से बिजली उत्पन्न करती है। एक थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल में दो अलग-अलग थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री शामिल होती हैं जो उनके सिरों पर जुड़ती हैं: एक एन-प्रकार (नकारात्मक चार्ज वाहक के साथ), और एक पी-प्रकार (सकारात्मक चार्ज वाहक के साथ) सेमीकंडक्टर। सामग्री के सिरों के बीच तापमान अंतर होने पर सर्किट में प्रत्यक्ष विद्युत धारा प्रवाहित होगी। आम तौर पर, वर्तमान परिमाण तापमान अंतर के सीधे आनुपातिक होता है:

$$\mathbf J = -\sigma S \nabla T$$ कहाँ पे $$\sigma$$ स्थानीय विद्युत चालकता है, एस सीबेक गुणांक है (थर्मोपॉवर के रूप में भी जाना जाता है), स्थानीय सामग्री की एक संपत्ति है, और $$\nabla T$$ तापमान प्रवणता है।

अनुप्रयोग में, बिजली उत्पादन में थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल बहुत कठिन यांत्रिक और तापीय परिस्थितियों में काम करते हैं। क्योंकि वे बहुत उच्च तापमान ढाल में काम करते हैं, मॉड्यूल लंबे समय तक बड़े तापीय प्रेरित तनाव और तनाव के अधीन होते हैं। वे बड़ी संख्या में थर्मल चक्रों के कारण यांत्रिक थकान (सामग्री) के अधीन भी हैं।

इस प्रकार, जंक्शनों और सामग्रियों का चयन किया जाना चाहिए ताकि वे इन कठिन यांत्रिक और तापीय स्थितियों से बचे रहें। इसके अलावा, मॉड्यूल को इस तरह से डिज़ाइन किया जाना चाहिए कि दो थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री थर्मल रूप से समानांतर में हों, लेकिन विद्युत रूप से श्रृंखला में। थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल की दक्षता इसके डिजाइन की ज्यामिति से बहुत प्रभावित होती है।

थर्मोइलेक्ट्रिक डिजाइन
थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर कई थर्मोपाइल्स से बने होते हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक जुड़े हुए एन-टाइप और पी-टाइप सामग्री से बने कई थर्मोक्यूल्स होते हैं। थर्मोक्यूल्स की व्यवस्था आमतौर पर तीन मुख्य डिजाइनों में होती है: प्लेनर, वर्टिकल और मिक्स्ड। प्लानर डिज़ाइन में ऊष्मा स्रोत और ठंडे पक्ष के बीच क्षैतिज रूप से एक सब्सट्रेट पर रखे थर्मोकपल शामिल होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप लंबे और पतले थर्मोकपल बनाने की क्षमता होती है, जिससे थर्मल प्रतिरोध और तापमान ढाल में वृद्धि होती है और अंततः वोल्टेज आउटपुट में वृद्धि होती है। वर्टिकल डिज़ाइन में थर्मोक्यूल्स को गर्म और ठंडी प्लेटों के बीच लंबवत रूप से व्यवस्थित किया गया है, जिससे थर्मोक्यूल्स के साथ-साथ उच्च आउटपुट वोल्टेज का उच्च एकीकरण होता है, जिससे यह डिज़ाइन व्यावसायिक रूप से सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला डिज़ाइन बन जाता है। मिश्रित डिजाइन में सब्सट्रेट पर पार्श्व रूप से व्यवस्थित थर्माकोपल्स होते हैं जबकि प्लेटों के बीच गर्मी का प्रवाह लंबवत होता है। डिवाइस के गर्म संपर्कों के तहत माइक्रोकैविटी एक तापमान ढाल की अनुमति देती है, जो सब्सट्रेट की तापीय चालकता को डिवाइस की ढाल और दक्षता को प्रभावित करने की अनुमति देती है। माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम के लिए, टीईजी को पतली फिल्मों के रूप में शरीर की गर्मी का उपयोग करने के लिए हैंडहेल्ड उपकरणों के पैमाने पर डिजाइन किया जा सकता है। पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए लचीले टीईजी को 3डी प्रिंटिंग या थर्मल स्प्रेइंग प्रक्रियाओं के माध्यम से उपन्यास पॉलिमर के साथ बनाया जा सकता है। वाहन निकास पाइप से गर्मी का उपयोग करने के लिए बेलनाकार टीईजी भी एक सिलेंडर में व्यवस्थित परिपत्र थर्माकोपल्स का उपयोग करके बनाया जा सकता है। टीईजी के लिए कई डिज़ाइन उन विभिन्न उपकरणों के लिए बनाए जा सकते हैं जिन पर वे लागू होते हैं।

थर्मोइलेक्ट्रिक सिस्टम
थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल का उपयोग करते हुए, एक थर्मोइलेक्ट्रिक सिस्टम एक गर्म निकास फ़्लू जैसे स्रोत से गर्मी लेकर बिजली उत्पन्न करता है। संचालित करने के लिए, सिस्टम को बड़े तापमान ढाल की आवश्यकता होती है, जो वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में आसान नहीं है। ठंडे पक्ष को हवा या पानी से ठंडा किया जाना चाहिए। इस ताप और शीतलन की आपूर्ति के लिए मॉड्यूल के दोनों किनारों पर हीट एक्सचेंजर्स का उपयोग किया जाता है।

उच्च तापमान पर चलने वाली एक विश्वसनीय TEG प्रणाली को डिजाइन करने में कई चुनौतियाँ हैं। सिस्टम में उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए मॉड्यूल के माध्यम से गर्मी प्रवाह के बीच संतुलन और उनके बीच तापमान ढाल को अधिकतम करने के लिए व्यापक इंजीनियरिंग डिजाइन की आवश्यकता होती है। ऐसा करने के लिए, सिस्टम में हीट एक्सचेंजर तकनीकों को डिजाइन करना टीईजी इंजीनियरिंग के सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक है। इसके अलावा, सिस्टम को कई स्थानों पर सामग्रियों के बीच इंटरफेस के कारण होने वाले थर्मल नुकसान को कम करने की आवश्यकता होती है। एक और चुनौतीपूर्ण बाधा हीटिंग और कूलिंग स्रोतों के बीच बड़े दबाव की बूंदों से बचना है।

यदि एसी पावर ट्रांसमिशन की आवश्यकता है (जैसे कि एसी मेन पावर से चलने के लिए डिज़ाइन किए गए उपकरण के लिए), तो टीई मॉड्यूल से डीसी पावर को एक इन्वर्टर के माध्यम से पारित किया जाना चाहिए, जो दक्षता को कम करता है और सिस्टम की लागत और जटिलता को जोड़ता है।

टीईजी
के लिए सामग्री तिथि करने के लिए केवल कुछ ज्ञात सामग्रियों को थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के रूप में पहचाना जाता है। अधिकांश थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों में आज एक zT, योग्यता का आंकड़ा, लगभग 1 का मान होता है, जैसे कि बिस्मथ टेल्यूराइड (Bi)23) कमरे के तापमान पर और लेड टेलुराइड (PbTe) 500-700 K पर। हालांकि, अन्य बिजली उत्पादन प्रणालियों के साथ प्रतिस्पर्धी होने के लिए, TEG सामग्री में 2–3 का zT होना चाहिए। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री में अधिकांश शोध ने सीबेक गुणांक (एस) को बढ़ाने और तापीय चालकता को कम करने पर ध्यान केंद्रित किया है, विशेष रूप से थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री में हेरफेर करके। क्योंकि तापीय और विद्युत चालकता दोनों आवेश वाहकों के साथ संबंध रखते हैं, इसलिए आवश्यकतानुसार उच्च विद्युत चालकता और निम्न तापीय चालकता के बीच विरोधाभास को दूर करने के लिए नए साधनों को पेश किया जाना चाहिए। थर्मोइलेक्ट्रिक उत्पादन के लिए सामग्री का चयन करते समय, कई अन्य कारकों पर विचार करने की आवश्यकता होती है। ऑपरेशन के दौरान, आदर्श रूप से, थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर में एक बड़ा तापमान ढाल होता है। थर्मल विस्तार तब उपकरण में तनाव का परिचय देगा जो थर्मोइलेक्ट्रिक पैरों के फ्रैक्चर या युग्मन सामग्री से अलग हो सकता है। सामग्रियों के यांत्रिक गुणों पर विचार किया जाना चाहिए और एन और पी-टाइप सामग्री के थर्मल विस्तार के गुणांक को यथोचित रूप से अच्छी तरह से मेल खाना चाहिए। खंडित में थर्माइलेक्ट्रिक जेनरेटर, सामग्री की संगतता को सापेक्ष वर्तमान की असंगतता से बचने के लिए भी माना जाना चाहिए, जिसे खंड परतों के बीच विद्युत प्रवाह के प्रसार गर्मी प्रवाह के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।

एक सामग्री की संगतता कारक के रूप में परिभाषित किया गया है

$$s = \frac{\sqrt{1+zT}-1}{ST} $$. जब एक सेगमेंट से दूसरे सेगमेंट के अनुकूलता कारक में लगभग दो के कारक से अधिक का अंतर होता है, तो डिवाइस कुशलता से काम नहीं करेगा। एस (साथ ही जेडटी) का निर्धारण करने वाले भौतिक पैरामीटर तापमान-निर्भर हैं, इसलिए संगतता कारक डिवाइस के गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष में बदल सकता है, यहां तक ​​कि एक सेगमेंट में भी। इस व्यवहार को स्व-संगतता के रूप में संदर्भित किया जाता है और व्यापक तापमान अनुप्रयोग के लिए डिज़ाइन किए गए उपकरणों में महत्वपूर्ण हो सकता है।

सामान्य तौर पर, थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों को पारंपरिक और नई सामग्रियों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

पारंपरिक सामग्री
कई टीईजी सामग्री आज व्यावसायिक अनुप्रयोगों में कार्यरत हैं। इन सामग्रियों को ऑपरेशन की तापमान सीमा के आधार पर तीन समूहों में विभाजित किया जा सकता है: हालांकि ये सामग्रियां अभी भी थर्मोइलेक्ट्रिक पावर जनरेशन में वाणिज्यिक और व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए आधारशिला बनी हुई हैं, नई सामग्रियों को संश्लेषित करने और बेहतर थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन के साथ सामग्री संरचनाओं को बनाने में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। हाल के शोध ने जाली तापीय चालकता को कम करके सामग्री के गुण-गुण (zT) और इसलिए रूपांतरण दक्षता में सुधार करने पर ध्यान केंद्रित किया है।
 * 1) कम तापमान वाली सामग्री (लगभग 450 K तक): एंटीमनी (Sb), टेल्यूरियम (Te) या सेलेनियम (Se) के संयोजन में बिस्मथ (Bi) पर आधारित मिश्र धातु।
 * 2) मध्यवर्ती तापमान (850 K तक): जैसे सीसा (Pb) की मिश्र धातुओं पर आधारित सामग्री
 * 3) उच्चतम तापमान सामग्री (1300 K तक): सिलिकॉन-जर्मेनियम (SiGe) मिश्र धातुओं से निर्मित सामग्री।

नई सामग्री
शोधकर्ता फिगर-ऑफ-मेरिट zT में सुधार करके बिजली उत्पादन के लिए नई थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री विकसित करने की कोशिश कर रहे हैं। इन सामग्रियों का एक उदाहरण अर्धचालक यौगिक ß-Zn है4एसबी3, जिसमें असाधारण रूप से कम तापीय चालकता होती है और 670K के तापमान पर 1.3 का अधिकतम zT प्रदर्शित करता है। यह सामग्री निर्वात में इस तापमान तक अपेक्षाकृत सस्ती और स्थिर है, और द्वि पर आधारित सामग्री के बीच तापमान सीमा में एक अच्छा विकल्प हो सकता है23 और पीबीटी। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों में सबसे रोमांचक विकास में एकल क्रिस्टल टिन सेलेनाइड का विकास था जिसने एक दिशा में 2.6 का रिकॉर्ड जेडटी उत्पादन किया। रुचि की अन्य नई सामग्रियों में स्कटरडाइट्स, टेट्राहेड्राइट्स और रैटलिंग आयन क्रिस्टल शामिल हैं। फिगर-ऑफ-मेरिट में सुधार के अलावा, बिजली उत्पादन में वृद्धि, लागत में कमी और पर्यावरण के अनुकूल सामग्री विकसित करके नई सामग्री विकसित करने पर ध्यान केंद्रित किया जा रहा है। उदाहरण के लिए, जब ईंधन की लागत कम या लगभग मुफ्त होती है, जैसे कि अपशिष्ट ताप वसूली इकाई में, तो प्रति वाट लागत केवल प्रति इकाई क्षेत्र और परिचालन अवधि की शक्ति द्वारा निर्धारित की जाती है। नतीजतन, इसने रूपांतरण दक्षता के बजाय उच्च शक्ति उत्पादन वाली सामग्रियों की खोज शुरू की है। उदाहरण के लिए, दुर्लभ पृथ्वी यौगिक YbAl3 कम फिगर-ऑफ-मेरिट है, लेकिन इसमें किसी भी अन्य सामग्री की तुलना में कम से कम दोगुना बिजली उत्पादन होता है, और यह अपशिष्ट ताप स्रोत की तापमान सीमा पर काम कर सकता है।

उपन्यास प्रसंस्करण
फिगर ऑफ मेरिट (zT) को बढ़ाने के लिए, एक सामग्री की तापीय चालकता को कम किया जाना चाहिए, जबकि इसकी विद्युत चालकता और सीबेक गुणांक को अधिकतम किया जाना चाहिए। ज्यादातर मामलों में, एक संपत्ति के परिणाम को बढ़ाने या घटाने के तरीके अन्य गुणों पर उनकी अन्योन्याश्रितता के कारण समान प्रभाव डालते हैं। एक उपन्यास प्रसंस्करण तकनीक इलेक्ट्रॉनों के एक साथ बढ़े हुए बिखरने से विद्युत चालकता पर विशिष्ट नकारात्मक प्रभावों के बिना जाली तापीय चालकता को चुनिंदा रूप से कम करने के लिए विभिन्न फोनन आवृत्तियों के बिखरने का फायदा उठाती है। बिस्मथ एंटीमनी टेल्यूरियम टर्नरी सिस्टम में, तरल-चरण सिंटरिंग का उपयोग कम-ऊर्जा अर्धसूत्रीय अनाज की सीमाओं का उत्पादन करने के लिए किया जाता है, जिसका इलेक्ट्रॉनों पर महत्वपूर्ण बिखरने वाला प्रभाव नहीं होता है। सफलता तब सिंटरिंग प्रक्रिया में तरल पर दबाव डाल रही है, जो टी समृद्ध तरल का क्षणिक प्रवाह बनाता है और अव्यवस्थाओं के गठन की सुविधा प्रदान करता है जो जाली चालकता को बहुत कम करता है। 1.86 के कथित zT मान में जाली चालकता के परिणामों को चुनिंदा रूप से कम करने की क्षमता, जो कि zT ~ 0.3–0.6 के साथ वर्तमान वाणिज्यिक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर पर एक महत्वपूर्ण सुधार है। ये सुधार इस तथ्य को उजागर करते हैं कि थर्मोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगों के लिए उपन्यास सामग्री के विकास के अलावा, सूक्ष्म संरचना को डिजाइन करने के लिए विभिन्न प्रसंस्करण तकनीकों का उपयोग करना एक व्यवहार्य और सार्थक प्रयास है। वास्तव में, यह अक्सर संरचना और सूक्ष्म संरचना दोनों को अनुकूलित करने के लिए काम करने के लिए समझ में आता है।

उपयोग करता है
थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (टीईजी) में कई तरह के अनुप्रयोग हैं। अक्सर, थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर का उपयोग कम बिजली वाले दूरस्थ अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है या जहां अधिक भारी लेकिन अधिक कुशल ताप इंजन जैसे स्टर्लिंग इंजन संभव नहीं होते हैं। ऊष्मा इंजनों के विपरीत, ठोस-अवस्था (इलेक्ट्रॉनिक्स) विद्युत घटकों का उपयोग आमतौर पर थर्मल से विद्युत ऊर्जा रूपांतरण करने के लिए किया जाता है, जिसमें कोई गतिमान भाग नहीं होता है। थर्मल से विद्युत ऊर्जा रूपांतरण उन घटकों का उपयोग करके किया जा सकता है जिन्हें रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है, स्वाभाविक रूप से उच्च विश्वसनीयता होती है, और लंबे समय तक सेवा-मुक्त जीवनकाल वाले जनरेटर का निर्माण करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। यह थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर को सुदूर निर्जन या दुर्गम स्थानों जैसे पर्वतों, अंतरिक्ष के निर्वात, या गहरे समुद्र में कम बिजली की जरूरत वाले उपकरणों के लिए अच्छी तरह से अनुकूल बनाता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के मुख्य उपयोग हैं:


 * क्यूरियोसिटी रोवर सहित अंतरिक्ष जांच, एक रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर का उपयोग करके बिजली उत्पन्न करती है जिसका ताप स्रोत एक रेडियोधर्मी तत्व है।
 * अपशिष्ट गर्मी वसूली। प्रत्येक मानव गतिविधि, परिवहन और औद्योगिक प्रक्रिया बेकार गर्मी उत्पन्न करती है, जिससे कारों, विमानों, जहाजों, उद्योगों और मानव शरीर से अवशिष्ट ऊर्जा प्राप्त करना संभव हो जाता है। कारों से निकलने वाली ऊर्जा का मुख्य स्रोत निकास गैस है। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर का उपयोग करके उस ऊष्मा ऊर्जा का संचयन कार की ईंधन दक्षता बढ़ा सकता है। कारों में अल्टरनेटर को बदलने के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की जांच की गई है, जिससे ईंधन की खपत में 3.45% की कमी का पता चलता है, जो सालाना अरबों डॉलर की बचत का प्रतिनिधित्व करता है। हाइब्रिड वाहनों के माइलेज में भविष्य में सुधार के लिए अनुमान 10% तक की वृद्धि है। यह कहा गया है कि डीजल इंजनों के बजाय गैसोलीन इंजनों के लिए संभावित ऊर्जा बचत अधिक हो सकती है। अधिक जानकारी के लिए, लेख देखें: ऑटोमोटिव थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर। विमान के लिए, इंजन नोजल को ऊर्जा की वसूली के लिए सबसे अच्छी जगह के रूप में पहचाना गया है, लेकिन इंजन बियरिंग से गर्मी और विमान की त्वचा में मौजूद तापमान प्रवणता भी प्रस्तावित की गई है। * सौर सेल विकिरण के केवल उच्च-आवृत्ति वाले हिस्से का उपयोग करते हैं, जबकि कम-आवृत्ति वाली ऊष्मा ऊर्जा बर्बाद होती है। सौर कोशिकाओं के साथ समानांतर या कैस्केड कॉन्फ़िगरेशन में थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों के उपयोग के बारे में कई पेटेंट दायर किए गए हैं। सौर विकिरण को उपयोगी बिजली में बदलने के लिए संयुक्त सौर/थर्मोइलेक्ट्रिक सिस्टम की दक्षता बढ़ाने का विचार है।
 * थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर मुख्य रूप से मानव रहित साइटों के लिए रिमोट और ऑफ-ग्रिड पावर जनरेटर के रूप में उपयोग किए जाते हैं। वे ऐसी स्थितियों में सबसे विश्वसनीय बिजली जनरेटर हैं क्योंकि उनके पास चलने वाले हिस्से नहीं होते हैं (इस प्रकार वस्तुतः रखरखाव-मुक्त), दिन और रात काम करते हैं, सभी मौसम की परिस्थितियों में प्रदर्शन करते हैं और बैटरी बैकअप के बिना काम कर सकते हैं। हालांकि सौर फोटोवोल्टिक प्रणालियां दूरस्थ स्थलों में भी लागू की जाती हैं, जहां सौर विकिरण कम होता है, यानी बर्फ या बिना धूप वाले उच्च अक्षांश वाले क्षेत्र, बहुत अधिक बादल वाले क्षेत्र या पेड़ की छतरी वाले क्षेत्र, धूल भरे रेगिस्तान, जंगल, सौर पीवी एक उपयुक्त समाधान नहीं हो सकता है। आदि। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर आमतौर पर गैस पाइपलाइनों पर उपयोग किए जाते हैं, उदाहरण के लिए, कैथोडिक सुरक्षा, रेडियो संचार और टेलीमेट्री के लिए। 5 किलोवाट तक बिजली की खपत के लिए गैस पाइपलाइनों पर, थर्मल जनरेटर अन्य बिजली स्रोतों के लिए बेहतर होते हैं। गैस पाइपलाइनों के लिए जनरेटर के निर्माता ग्लोबल पावर टेक्नोलॉजीज (पूर्व में ग्लोबल थर्मोइलेक्ट्रिक) (कैलगरी, कनाडा) और टेलजेन (रूस) हैं।
 * माइक्रोप्रोसेसर अपशिष्ट ऊष्मा उत्पन्न करते हैं। शोधकर्ताओं ने विचार किया है कि क्या उस ऊर्जा में से कुछ को पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है। (हालांकि, उत्पन्न होने वाली समस्याओं के लिए #व्यावहारिक_सीमाएं देखें।)
 * थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की भी स्टैंडअलोन सौर-थर्मल कोशिकाओं के रूप में जांच की गई है। थर्माइलेक्ट्रिक जेनरेटर का एकीकरण सीधे 4.6% की दक्षता के साथ सौर तापीय सेल में एकीकृत किया गया है।
 * बाल्टीमोर, मैरीलैंड में मैरीटाइम एप्लाइड फिजिक्स कॉरपोरेशन एक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर विकसित कर रहा है, जो ठंडे समुद्री जल और हाइड्रोथर्मल वेंट, हॉट सीप्स, या ड्रिल किए गए भू-तापीय कुओं से निकलने वाले गर्म तरल पदार्थों के बीच तापमान के अंतर का उपयोग करके गहरे समुद्र के अपतटीय समुद्र तल पर विद्युत शक्ति का उत्पादन करता है। समुद्र तल खनिज और ऊर्जा संसाधन विकासकर्ताओं और सेना द्वारा भूवैज्ञानिक, पर्यावरण और समुद्र विज्ञान में उपयोग किए जाने वाले समुद्री वेधशालाओं और सेंसरों के लिए समुद्री तल की विद्युत शक्ति के एक उच्च-विश्वसनीयता स्रोत की आवश्यकता होती है। हाल के अध्ययनों में पाया गया है कि बड़े पैमाने के ऊर्जा संयंत्रों के लिए गहरे समुद्र में थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर भी आर्थिक रूप से व्यवहार्य हैं।
 * ब्रिटिश कोलंबिया, कनाडा से ऐन माकोसिंस्की ने पेल्टियर टाइलों का उपयोग करके गर्मी (मानव हाथ से, माथा, और गर्म पेय ) जो एक एलईडी लाइट या मोबाइल डिवाइस को चार्ज करने के लिए पर्याप्त बिजली उत्पन्न करने का दावा करता है, हालांकि आविष्कारक स्वीकार करते हैं कि एलईडी लाइट की चमक बाजार के साथ प्रतिस्पर्धी नहीं है।
 * थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर का उपयोग स्टोव पंखे में किया जाता है। इन्हें लकड़ी या कोयले से जलने वाले चूल्हे के ऊपर रखा जाता है। टीईजी को 2 हीट सिंक के बीच सैंडविच किया जाता है और तापमान में अंतर धीमी गति से चलने वाले पंखे को शक्ति देगा जो स्टोव की गर्मी को कमरे में प्रसारित करने में मदद करता है।

व्यावहारिक सीमाएँ
कम दक्षता और अपेक्षाकृत उच्च लागत के अलावा, अपेक्षाकृत उच्च विद्युत उत्पादन प्रतिरोध के परिणामस्वरूप कुछ प्रकार के अनुप्रयोगों में थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों का उपयोग करने में व्यावहारिक समस्याएं मौजूद हैं, जो स्व-ताप और अपेक्षाकृत कम तापीय चालकता को बढ़ाता है, जो उन्हें उन अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त बनाता है जहां गर्मी हटाना महत्वपूर्ण है, जैसा कि माइक्रोप्रोसेसर जैसे विद्युत उपकरण से गर्मी हटाने के साथ होता है।
 * उच्च जनरेटर आउटपुट प्रतिरोध: डिजिटल विद्युत उपकरणों द्वारा आवश्यक सीमा में वोल्टेज आउटपुट स्तर प्राप्त करने के लिए, जनरेटर मॉड्यूल के भीतर कई थर्मोइलेक्ट्रिक तत्वों को श्रृंखला में रखना एक सामान्य दृष्टिकोण है। तत्व के वोल्टेज में वृद्धि होती है, लेकिन उनके आउटपुट प्रतिरोध में भी वृद्धि होती है। अधिकतम पावर ट्रांसफर प्रमेय यह निर्धारित करता है कि स्रोत और लोड प्रतिरोधों का समान रूप से मिलान होने पर लोड को अधिकतम शक्ति प्रदान की जाती है। शून्य ओम के करीब कम प्रतिबाधा भार के लिए, जैसे ही जनरेटर प्रतिरोध बढ़ता है लोड को दी जाने वाली शक्ति कम हो जाती है। आउटपुट प्रतिरोध को कम करने के लिए, कुछ वाणिज्यिक उपकरण अधिक व्यक्तिगत तत्वों को समानांतर में और कम श्रृंखला में रखते हैं और लोड द्वारा आवश्यक वोल्टेज को वोल्टेज बढ़ाने के लिए एक बूस्टर नियामक को नियुक्त करते हैं।
 * कम तापीय चालकता: क्योंकि एक डिजिटल माइक्रोप्रोसेसर जैसे ऊष्मा स्रोत से थर्मल ऊर्जा को दूर ले जाने के लिए बहुत उच्च तापीय चालकता की आवश्यकता होती है, थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की कम तापीय चालकता उन्हें गर्मी को पुनर्प्राप्त करने के लिए अनुपयुक्त बनाती है।
 * हवा के साथ कोल्ड-साइड हीट रिमूवल: एयर-कूल्ड थर्मोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगों में, जैसे कि मोटर वाहन के क्रैंककेस से थर्मल ऊर्जा की कटाई करते समय, तापीय ऊर्जा की बड़ी मात्रा जिसे परिवेशी वायु में नष्ट किया जाना चाहिए, एक महत्वपूर्ण चुनौती प्रस्तुत करती है। जैसे ही थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर का कूल साइड तापमान बढ़ता है, डिवाइस का डिफरेंशियल वर्किंग तापमान कम हो जाता है। जैसे ही तापमान बढ़ता है, उपकरण का विद्युत प्रतिरोध बढ़ जाता है जिससे अधिक परजीवी जनरेटर स्वयं-हीटिंग हो जाता है। मोटर वाहन अनुप्रयोगों में एक पूरक रेडिएटर का उपयोग कभी-कभी बेहतर गर्मी हटाने के लिए किया जाता है, हालांकि शीतलक को प्रसारित करने के लिए बिजली के पानी के पंप का उपयोग कुल जनरेटर उत्पादन शक्ति में परजीवी हानि जोड़ता है। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के ठंडे हिस्से को ठंडा करने वाला पानी, क्योंकि इनबोर्ड बोट मोटर के गर्म क्रैंककेस से थर्मोइलेक्ट्रिक पावर उत्पन्न करते समय, इस नुकसान से पीड़ित नहीं होगा। हवा के विपरीत प्रभावी ढंग से उपयोग करने के लिए पानी कहीं अधिक आसान शीतलक है।

फ्यूचर मार्केट
जबकि TEG तकनीक का उपयोग सैन्य और एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में दशकों से किया जा रहा है, नई TE सामग्री और सिस्टम को कम या उच्च तापमान अपशिष्ट गर्मी का उपयोग करके बिजली उत्पन्न करने के लिए विकसित किया जा रहा है, और यह निकट भविष्य में एक महत्वपूर्ण अवसर प्रदान कर सकता है। ये प्रणालियाँ किसी भी आकार में मापनीय हो सकती हैं और इनके संचालन और रखरखाव की लागत कम होती है। थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के लिए वैश्विक बाजार 2015 में 320 मिलियन अमेरिकी डॉलर और 2021 में 472 मिलियन अमेरिकी डॉलर होने का अनुमान है; 11.8% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर के साथ 2030 तक 1.44 बिलियन अमेरिकी डॉलर तक। आज, उत्तरी अमेरिका 66% बाजार हिस्सेदारी पर कब्जा कर लेता है और निकट भविष्य में यह सबसे बड़ा बाजार बना रहेगा। हालांकि, एशिया-प्रशांत और यूरोपीय देशों को अपेक्षाकृत उच्च दर से बढ़ने का अनुमान है। एक अध्ययन में पाया गया कि एशिया-प्रशांत बाजार 2015 से 2020 की अवधि में 18.3% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर (सीएजीआर) से बढ़ेगा, मोटर वाहन उद्योगों द्वारा समग्र ईंधन दक्षता बढ़ाने के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की उच्च मांग के कारण, साथ ही साथ क्षेत्र में बढ़ते औद्योगीकरण के रूप में। चार्जिंग को कम करने या बदलने और चार्ज अवधि को बढ़ावा देने के लिए पहनने योग्य प्रौद्योगिकियों में छोटे पैमाने के थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर भी जांच के प्रारंभिक चरण में हैं। हाल के अध्ययनों ने नायलॉन सब्सट्रेट पर एक लचीले अकार्बनिक थर्मोइलेक्ट्रिक, सिल्वर सेलेनाइड के उपन्यास विकास पर ध्यान केंद्रित किया। थर्मोइलेक्ट्रिक्स स्व-संचालित उपकरण बनाने वाले मानव शरीर से सीधे ऊर्जा की कटाई करके पहनने योग्य वस्तुओं के साथ विशेष तालमेल का प्रतिनिधित्व करता है। एक परियोजना ने नायलॉन झिल्ली पर एन-टाइप सिल्वर सेलेनाइड का इस्तेमाल किया। सिल्वर सेलेनाइड उच्च विद्युत चालकता और कम तापीय चालकता के साथ एक संकीर्ण बैंडगैप सेमीकंडक्टर है, जो इसे थर्मोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगों के लिए एकदम सही बनाता है। लो पावर टीईजी या सब-वाट (यानी 1 वाट पीक तक का उत्पादन) बाजार टीईजी बाजार का एक बढ़ता हुआ हिस्सा है, जो नवीनतम तकनीकों पर पूंजीकरण कर रहा है। मुख्य अनुप्रयोग सेंसर, कम शक्ति वाले अनुप्रयोग और अधिक विश्व स्तर पर इंटरनेट ऑफ़ थिंग्स अनुप्रयोग हैं। एक विशेष बाजार अनुसंधान कंपनी ने संकेत दिया कि 2014 में 100,000 इकाइयां भेज दी गई हैं और 2020 तक प्रति वर्ष 9 मिलियन यूनिट की उम्मीद है।

यह भी देखें

 * बिस्मथ टेलुराइड
 * विद्युत जनरेटर
 * ऊर्जा संचयन उपकरण#थर्मोइलेक्ट्रिक्स|ऊर्जा संचयन उपकरण: थर्मोइलेक्ट्रिक्स
 * जेंटर्म शामिल
 * मारिया टेलकेस
 * स्टर्लिंग इंजन
 * ताप विद्युत केंद्र
 * थर्मोइलेक्ट्रिक बैटरी
 * थर्मिओनिक कनवर्टर
 * थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग या पेल्टियर कूलर
 * थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव
 * थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री

बाहरी कड़ियाँ

 * Small Thermoelectric Generators by G. Jeffrey Snyder
 * Kanellos, M. (2008, November 24). Tapping America’s Secret Power Source. Retrieved from Greentech Media, October 30, 2009. Web site: Tapping America's Secret Power Source
 * LT Journal October 2010: Ultralow Voltage Energy Harvester Uses Thermoelectric Generator for Battery-Free Wireless Sensors
 * DIY: How to Build a Thermoelectric Energy Generator With a Cheap Peltier Unit 
 * Gentherm Inc.
 * This device harnesses the cold night sky to generate electricity in the dark
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