थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर

तापविद्युत् जनरेटर (टीईजी), जिसे सीबेक जनरेटर भी कहा जाता है, यह एक ठोस अवस्था के रूप में होता है, जो परिघटना के माध्यम से विद्युत-प्रवाह के तापमान अंतर को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। जिसे सीबेक प्रभाव कहा जाता है और तापविद्युत जेनरेटर ऊष्मा इंजन की तरह कार्य करता है और यह तापविद्युत् प्रभाव का एक रूप होता है, लेकिन ये कम भारी होते हैं और इनमें गतिमान पुर्जे नहीं होते हैं। चूंकि, टीइजी सामान्यतः अधिक महंगे और कम प्रभावशाली होते हैं।

ईंधन की दक्षता बढ़ाने के लिए ताप विद्युत संयंत्रों और कारखानों में ताप-विद्युत जेनरेटर का उपयोग अतिरिक्त विद्युत शक्ति और ऑटोमोबाइल में ऑटोमोटिव तापविद्युत् जेनरेटर (एटीजी) के रूप में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। रेडियो आइसोटोप के जनरेटर रेडियो आइसोटोप का उपयोग विद्युत पावर की जगह जांच में आवश्यक तापमान अंतर उत्पन्न करने के लिए.सौर पैनलों के साथ ही तापविद्युत् जेनरेटर का भी प्रयोग किया जाता है।

इतिहास
सन् 1821 में, थॉमस जोहान सीबेक ने पता लगाया कि दो भिन्न चालक सामग्री विद्युत चुम्बकीय गुणधर्म के बीच एक तापीय प्रवणता के निर्माण से विद्युत उत्पादन होता है। तापविद्युत् प्रभाव के केंद्र में तथ्य यह है कि एक चालक सामग्री में तापमान प्रवणता के परिणामस्वरूप ऊष्मा प्रवाह होता है और इस प्रकार चार्ज वाहकों के रूप में प्रसार होता है और इस प्रकार 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 विद्युत प्रवाह होता है, धारा 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% होती है। चूंकि पुराने उपकरण द्विधात्विक जंक्शनों का उपयोग करते थे तथा वे भारी होते थे और इस प्रकार हाल ही में उपयोग किए गए बहुत से दोहरे अर्धचालकों को बिस्मथ टेल्यूराइड (Bi2Te3), लेड टेल्यूराइड (PbTe), कैल्शियम मैंगनीज ऑक्साइड (Ca2Mn3O8),  या उसके संयोजन, प्रयोग के तापमान के अनुसार प्रयोग किए जाते हैं। ये ठोस अवस्था के उपकरण होते हैं और डायनामों के विपरीत  ऊष्मा हस्तांतरण को अच्छा बनाने के लिए कभी-कभी पंखे या पम्प के स्थान पर भी पम्प नहीं होते हैं। यदि गर्म क्षेत्र लगभग 1273K के रूप में है और 3-4 का ZT मान कार्यान्वित किए जाते हैं, तो दक्षता लगभग 33-37% टीईजी को कुछ ताप इंजन दक्षताओं के साथ प्रतिस्पर्धा करने की अनुमति देता है।

2021 तक, ऐसी सामग्रियां हैं, जो व्यापक रूप से उपलब्ध और सस्ती आर्सेनिक और टिन के रूप में सम्मलित हैं) ZT मान> 3 तक पहुंच रही हैं; मोनोलेयर (ZT = 3.36 आर्मचेयर अक्ष पर n-टाइप डोप किया जाता है और इस प्रकार  (जेडटी = 3.23); पी-टाइप डोप के रूप में किया गया जाता है  (ZT= 3.46); पी-टाइप डोप किया गया  (ZT= 3.5) के रूप में किया जाता है।

निर्माण
तापविद्युत् पावर जेनरेटर में तीन मुख्य घटक होते हैं,  तापविद्युत् सामग्री,   तापविद्युत् मॉड्यूल और   तापविद्युत् प्रणाली के रूप में होती है, जो ताप स्रोत के साथ इंटरफेस करते हैं।

तापविद्युत् सामग्री
तापविद्युत् सामग्री तापमान के अंतर को विद्युत वोल्टेज में परिवर्तित करके सीधे ऊष्मा से विद्युत् उत्पन्न करती है और इस प्रकार अच्छी तापविद्युत् 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 इस एक तरफ गर्म किया जाता है, तो दूसरी तरफ शीतलन  रहता है, जो तापमान प्रवणता में बड़े वोल्टेज उत्पन्न करने में मदद करता है। सीबेक गुणांक (S) द्वारा उस सामग्री में तापमान अंतर के जवाब में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के परिमाण का माप दिया जाता है। जो तापविद्युत् पावर का उत्पादन करने के लिए किसी दिए गए सामग्री की दक्षता का अनुमान केवल विशिष्टता के तापविद्युत् प्रभाव " zT = S2σT/κ. द्वारा लगाया जाता है।

कई वर्षों तक, कम तापीय चालकता और उच्च शक्ति कारक दोनों के लिए जाने जाने वाले मुख्य तीन अर्धचालक बिस्मथ टेल्यूराइड (Bi2Te3) लेड टेल्यूराइड (PbTe) और सिलिकॉन-जर्मेनियम (SiGe) के रूप में होते है। 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 प्रोद्योगिकीय का उपयोग करके कम किया जा सकता है। इसे बल्क अर्धचालक सामग्री में कण तार या इंटरफेस जैसे नैनोस्केल फीचर बनाकर प्राप्त किया जा सकता है। चूंकि, नैनो-मटेरियल्स की निर्माण प्रक्रियाएँ अभी भी चुनौतीपूर्ण है।

तापविद्युत् लाभ
तापविद्युत् जनरेटर सभी ठोस-अवस्था वाले उपकरण होते है और जिनमें ईंधन या शीतलन करने के लिए किसी भी तरल पदार्थ की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे वे शून्य-गुरुत्वाकर्षण या तटीय क्षेत्र के अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए गैर-ओरिएंटेशन पर निर्भर हो जाते हैं। ठोस अवस्था की डिज़ाइन गंभीर वातावरण में संचालन की अनुमति देता है। तापविद्युत् जनरेटर के पास कोई गतिमान भाग नहीं होता है, जिससे एक अधिक विश्वसनीय उपकरण का उत्पादन होता है जिसे लंबे समय तक रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है और इस प्रकार स्थायित्व और पर्यावरणीय स्थिरता ने तापविद्युत् को अन्य अनुप्रयोगों के बीच नासा के गहरे अंतरिक्ष खोजकर्ताओं के लिए पसंदीदा बना दिया है। इस तरह के विशेष अनुप्रयोगों के बाहर  तापविद्युत् जनरेटर के प्रमुख लाभों में से एक यह है कि वे दक्षता को बढ़ावा देने और अपशिष्ट  ऊष्मा से प्रयोग करने योग्य शक्ति का उत्पादन करके पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने के लिए संभावित रूप से उपस्थित प्रौद्योगिकियों में एकीकृत किया जा सकता है।

तापविद्युत् मॉड्यूल
तापविद्युत् मॉड्यूल एक परिपथ के रूप में होता है, जिसमें तापविद्युत् सामग्री होती है जो सीधे ऊष्मा से विद्युत्  उत्पन्न करती है और इस प्रकार तापविद्युत् मॉड्यूल में दो भिन्न -भिन्न तापविद्युत् प्रभाव के रूप में सम्मलित होती हैं जो उनके सिरों पर n-प्रकार के साथ जुड़ी होती है और ऋणात्मक चार्ज वाहक के साथ पी-प्रकार के धनात्मक चार्ज वाहक के साथ अर्धचालक के रूप में होता है और इस प्रकार तापविद्युत् प्रभाव के सिरों के बीच तापमान अंतर होने पर परिपथ में प्रत्यक्ष विद्युत धारा प्रवाहित होती है। सामान्यतः धारा परिमाण तापमान अंतर के सीधे आनुपातिक होता है

$$\mathbf J = -\sigma S \nabla T$$

जहाँ $$\sigma$$ स्थानीय विद्युत चालकता है और S सीबेक गुणांक है, जिसे थर्मोपॉवर के रूप में भी जाना जाता है और इस प्रकार यह स्थानीय सामग्री का गुण है और $$\nabla T$$ तापमान प्रवणता के रूप में होती है।

अनुप्रयोग में, विद्युत् उत्पादन में   तापविद्युत् मॉड्यूल बहुत कठिन यांत्रिक और तापीय परिस्थितियों में काम करते हैं। क्योंकि वे बहुत उच्च तापमान प्रवणता में काम करते हैं, इसलिए ये मॉड्यूल लंबे समय तक बड़े तापीय प्रेरित तनाव और तनाव के अधीन होते हैं। वे बड़ी संख्या में तापीय चक्रों के कारण यांत्रिक सामग्री के अधीन भी हो सकती है।

इस प्रकार, जंक्शनों और सामग्रियों का चयन किया जाता है, जिससे कि वे इन कठिन यांत्रिक और तापीय स्थितियों से बचे रह सकते है। इसके अतिरिक्त मॉड्यूल को इस तरह से डिज़ाइन किया जाना चाहिए कि दो  तापविद्युत् सामग्री तापीय रूप से समानांतर हों, लेकिन विद्युत रूप से श्रृंखला में तापविद्युत् मॉड्यूल की दक्षता इसके डिजाइन की ज्यामिति से बहुत प्रभावित होती है।

तापविद्युत् डिजाइन
तापविद्युत् जनरेटर कई ताप पुंज से बने होते हैं, जिनमें से प्रत्येक में एन-टाइप और पी-टाइप सामग्री से बने कई ताप संयुग्म के रूप में जुड़े होते हैं। ताप संयुग्म की व्यवस्था सामान्यतः तीन मुख्य डिजाइनों प्लेनर, वर्टिकल और मिश्रित के रूप में होती है। प्लानर डिज़ाइन में ऊष्मा स्रोत और ठंडे सतह के बीच क्षैतिज रूप से एक सब्सट्रेट पर रखे ताप संयुग्म के रूप में सम्मलित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप लंबे और पतले ताप संयुग्म के निर्माण की क्षमता होती है, जिससे तापीय प्रतिरोध और तापमान प्रवणता में वृद्धि होती है और अंततः वोल्टेज आउटपुट में वृद्धि होती है। वर्टिकल डिज़ाइन में ताप संयुग्म को गर्म और ठंडी प्लेटों के बीच लंबवत रूप से व्यवस्थित किया गया है, जिससे ताप संयुग्म 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 के रूप में बन जाता है। मिश्रित डिजाइन में सब्सट्रेट पर पार्श्व रूप से व्यवस्थित तापसंयुग्म होते हैं जबकि प्लेटों के बीच ऊष्मा का प्रवाह लंबवत होता है। उपकरण के गर्म संपर्कों के अनुसार माइक्रोकैविटी एक तापमान प्रवणता की अनुमति देती है, जो सब्सट्रेट की तापीय चालकता को उपकरण की प्रवणता और दक्षता को प्रभावित करने की अनुमति देती है।

माइक्रोइलेक्ट्रो यांत्रिक प्रणाली के लिए, टीईजी को पतली फिल्मों के रूप में तत्व की ऊष्मा का उपयोग करने के लिए हैं डहेल्ड उपकरणों के पैमाने पर डिजाइन किया जा सकता है। और इस प्रकार वियरएबल योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए लचीले टीईजी को 3डी प्रिंटिंग या तापीय स्प्रेइंग प्रक्रियाओं के माध्यम से उपन्यास पॉलिमर के साथ बनाया जा सकता है। वाहन निकास पाइप से  ऊष्मा का उपयोग करने के लिए बेलनाकार टीईजी भी एक सिलेंडर के रूप में व्यवस्थित परिपत्र तापसंयुग्म 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।

तापविद्युत् सिस्टम
तापविद्युत् मॉड्यूल का उपयोग करते हुए, एक  तापविद्युत् प्रणाली एक गर्म निकास फ़्लू जैसे स्रोत से  ऊष्मा लेकर विद्युत्  उत्पन्न करता है। संचालित करने के लिए, प्रणाली को बड़े तापमान प्रवणता की आवश्यकता होती है, जो वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में आसान नहीं है। ठंडे पक्ष को हवा या पानी से शीतलन  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। प्रणाली में उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए मॉड्यूल के माध्यम से ऊष्मा प्रवाह के बीच संतुलन और उनके बीच तापमान प्रवणता को अधिकतम करने के लिए व्यापक इंजीनियरिंग डिजाइन की आवश्यकता होती है। ऐसा करने के लिए, प्रणाली में हीट एक्सचेंजर प्रोद्योगिकीय ों को डिजाइन करना टीईजी इंजीनियरिंग के सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक है। इसके अतिरिक्त, प्रणाली को कई स्थानों पर सामग्रियों के बीच इंटरफेस के कारण होने वाले तापीय 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 प्रणाली की लागत और जटिलता को जोड़ता है।

टीईजी
के लिए सामग्री तिथि करने के लिए केवल कुछ ज्ञात सामग्रियों को  तापविद्युत् सामग्री के रूप में पहचाना जाता है। अधिकांश   तापविद्युत् सामग्रियों में आज एक zT, विशिष्टता 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 विद्युत्  उत्पादन प्रणालियों के साथ प्रतिस्पर्धी होने के लिए, TEG सामग्री में 2–3 का zT होना चाहिए।   तापविद्युत् सामग्री में अधिकांश शोध ने सीबेक गुणांक (एस) को बढ़ाने और तापीय चालकता को कम करने पर ध्यान केंद्रित किया है, विशेष रूप से   तापविद्युत् 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। तापविद्युत् उत्पादन के लिए सामग्री का चयन करते समय, कई अन्य कारकों पर विचार करने की आवश्यकता होती है। संचालन के दौरान, आदर्श रूप से,   तापविद्युत् जनरेटर में एक बड़ा तापमान प्रवणता होता है। तापीय विस्तार तब उपकरण में तनाव का परिचय देगा जो   तापविद्युत् पैरों के फ्रैक्चर या युग्मन सामग्री से भिन्न  हो सकता है। सामग्रियों के यांत्रिक गुणों पर विचार किया जाना चाहिए और एन और पी-टाइप सामग्री के तापीय विस्तार के गुणांक को यथोचित रूप से अच्छी तरह से मेल खाना चाहिए। खंडित में थर्माइलेक्ट्रिक जेनरेटर, सामग्री की संगतता को सापेक्ष धारा की असंगतता से बचने के लिए भी माना जाना चाहिए, जिसे खंड परतों के बीच विद्युत प्रवाह के प्रसार  ऊष्मा 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 उपकरण कुशलता से काम नहीं करेगा। एस (साथ ही जेडटी) का निर्धारण करने वाले भौतिक पैरामीटर तापमान-निर्भर हैं, इसलिए संगतता कारक उपकरण 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,  तापविद्युत् 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 संचालन की तापमान सीमा के आधार पर तीन समूहों में विभाजित किया जा सकता है: हालांकि ये सामग्रियां अभी भी  तापविद्युत् पावर जनरेशन में वाणिज्यिक और व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए आधारशिला बनी हुई हैं, नई सामग्रियों को संश्लेषित करने और बेहतर   तापविद्युत् 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 प्रभाव -ऑफ-मेरिट zT में सुधार करके विद्युत् उत्पादन के लिए नई   तापविद्युत् 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।  तापविद्युत् 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 सम्मलित हैं। प्रभाव -ऑफ-मेरिट में सुधार के अतिरिक्त, विद्युत् 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 प्रभाव -ऑफ-मेरिट है, लेकिन इसमें किसी भी अन्य सामग्री की तुलना में कम से कम दोगुना विद्युत्  उत्पादन होता है, और यह अपशिष्ट ताप स्रोत की तापमान सीमा पर काम कर सकता है।

उपन्यास प्रसंस्करण
प्रभाव 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 गुणधर्म  के परिणाम को बढ़ाने या घटाने के तरीके अन्य गुणों पर उनकी अन्योन्याश्रितता के कारण समान प्रभाव डालते हैं। एक उपन्यास प्रसंस्करण प्रोद्योगिकीय इलेक्ट्रॉनों के एक साथ बढ़े हुए बिखरने से विद्युत चालकता पर विशिष्ट  ऋणात्मक प्रभावों के बिना जाली तापीय चालकता को चुनिंदा रूप से कम करने के लिए विभिन्न फोनन आवृत्तियों के बिखरने का लाभ उठाती है। बिस्मथ एंटीमनी टेल्यूरियम टर्नरी प्रणाली 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 धारा वाणिज्यिक   तापविद्युत् जनरेटर पर एक महत्वपूर्ण सुधार है। ये सुधार इस तथ्य को उजागर करते हैं कि   तापविद्युत् अनुप्रयोगों के लिए उपन्यास सामग्री के विकास के अतिरिक्त, सूक्ष्म संरचना को डिजाइन करने के लिए विभिन्न प्रसंस्करण प्रोद्योगिकीय ों 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
तापविद्युत् जनरेटर (टीईजी) में कई तरह के अनुप्रयोग हैं। अक्सर,  तापविद्युत् जनरेटर का उपयोग कम विद्युत्  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 तापीय से विद्युत ऊर्जा रूपांतरण करने के लिए किया जाता है, जिसमें कोई गतिमान भाग नहीं होता है। तापीय 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   तापविद्युत् जनरेटर को सुदूर निर्जन या दुर्गम स्थानों जैसे पर्वतों, अंतरिक्ष के निर्वात, या गहरे समुद्र में कम विद्युत्  की जरूरत वाले उपकरणों के लिए अच्छी तरह से अनुकूल बनाता है।

तापविद्युत् जनरेटर के मुख्य उपयोग हैं:


 * क्यूरियोसिटी रोवर सहित अंतरिक्ष जांच, एक रेडियोआइसोटोप  तापविद्युत् जनरेटर का उपयोग करके विद्युत्  उत्पन्न करती है जिसका ताप स्रोत एक रेडियोधर्मी तत्व है।
 * अपशिष्ट ऊष्मा वसूली। प्रत्येक मानव गतिविधि, परिवहन और औद्योगिक प्रक्रिया बेकार  ऊष्मा 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।   तापविद्युत् जनरेटर का उपयोग करके उस ऊष्मा ऊर्जा का संचयन कार की ईंधन दक्षता बढ़ा सकता है। कारों में अल्टरनेटर को बदलने के लिए   तापविद्युत् 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   तापविद्युत् 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  ऊष्मा 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   तापविद्युत् उपकरणों के उपयोग के बारे में कई पेटेंट दायर किए गए हैं। सौर विकिरण को उपयोगी विद्युत्  में बदलने के लिए संयुक्त सौर/  तापविद्युत् प्रणाली की दक्षता बढ़ाने का विचार है।
 * तापविद्युत् 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 विद्युत् 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।   तापविद्युत् जनरेटर आमतौर पर गैस पाइपलाइनों पर उपयोग किए जाते हैं, उदाहरण के लिए, कैथोडिक सुरक्षा, रेडियो संचार और टेलीमेट्री के लिए। 5 किलोवाट तक विद्युत्  की खपत के लिए गैस पाइपलाइनों पर, तापीय जनरेटर अन्य विद्युत्  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।)
 * तापविद्युत् जनरेटर की भी स्टैंडअलोन सौर-तापीय 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  तापविद्युत् जनरेटर विकसित कर रहा है, जो ठंडे समुद्री जल और हाइड्रोतापीय 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   तापविद्युत् जनरेटर भी आर्थिक रूप से व्यवहार्य हैं।
 * ब्रिटिश कोलंबिया, कनाडा से ऐन माकोसिंस्की ने पेल्टियर टाइलों का उपयोग करके ऊष्मा (मानव हाथ से, माथा, और गर्म पेय ) जो एक एलईडी लाइट या मोबाइल उपकरण को चार्ज करने के लिए पर्याप्त विद्युत्  उत्पन्न करने का दावा करता है, हालांकि आविष्कारक स्वीकार करते हैं कि एलईडी लाइट की चमक बाजार के साथ प्रतिस्पर्धी नहीं है।
 * तापविद्युत् 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 ऊष्मा को कमरे में प्रसारित करने में मदद करता है।

व्यावहारिक सीमाएँ
कम दक्षता और अपेक्षाकृत उच्च लागत के अतिरिक्त, अपेक्षाकृत उच्च विद्युत उत्पादन प्रतिरोध के परिणामस्वरूप कुछ प्रकार के अनुप्रयोगों में  तापविद्युत् 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  ऊष्मा हटाना महत्वपूर्ण है, जैसा कि माइक्रोप्रोसेसर जैसे विद्युत उपकरण से  ऊष्मा 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  तापविद्युत् 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 तापीय ऊर्जा को दूर ले जाने के लिए बहुत उच्च तापीय चालकता की आवश्यकता होती है,  तापविद्युत् जनरेटर की कम तापीय चालकता उन्हें  ऊष्मा को पुनर्प्राप्त करने के लिए अनुपयुक्त बनाती है।
 * हवा के साथ कोल्ड-साइड हीट रिमूवल: एयर-कूल्ड  तापविद्युत् अनुप्रयोगों में, जैसे कि मोटर वाहन के क्रैंककेस से तापीय 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   तापविद्युत् जनरेटर का कूल साइड तापमान बढ़ता है, उपकरण 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  ऊष्मा हटाने के लिए किया जाता है, हालांकि शीतलक को प्रसारित करने के लिए विद्युत्  के पानी के पंप का उपयोग कुल जनरेटर उत्पादन शक्ति में परजीवी हानि जोड़ता है।   तापविद्युत् जनरेटर के ठंडे हिस्से को शीतलन  करने वाला पानी, क्योंकि इनबोर्ड बोट मोटर के गर्म क्रैंककेस से   तापविद्युत् 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 प्रोद्योगिकीय का उपयोग सैन्य और एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में दशकों से किया जा रहा है, नई TE सामग्री और प्रणाली को कम या उच्च तापमान अपशिष्ट ऊष्मा का उपयोग करके विद्युत्  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। तापविद्युत् 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  तापविद्युत् 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  तापविद्युत् 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 अर्धचालक है, जो इसे   तापविद्युत् 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 प्रोद्योगिकीय ों 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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