تقنية المحولات الحراري - كهربية Thermoelectric Converters

نبين في الشكل (1) شكلاً مبسطاً لمولد الطاقة الإشعاعي عن طريق

الشكل (1)

هذه التقنية. في الشكل (1 .أ) نبين التركيب العام. تعمل القشرة الخارجية هنا كمشع حراري وكحاوية للمولد نفسه يمكن وضع الواقي الإشعاعي على أي من جانبي المحولات الحراري كهربية. ويمكن استخدام اليورانيوم كواقي مناسب. ومن الجدير بالذكر هنا أن كتلة وتكاليف هذا الواقي هي التي تشكل الجزء الأساسي من المولد فقد تصل كتلة الواقي إلى حوالي 90% من كتلة المولد نفسه .

لقد حظي برنامج أبوللو لغزو الفضاء بتطبيقات رائعة للمولدات الإشعاعية.

1- استخدم أول مولد في سفينة الفضاء أبوللو - 11 : وكان الوقود المستخدم هو البلوتونيوم — 238 . وكانت مهمته توفير التدفئة للمركبة.

2- إستخدم برنامج أبوللو -12 مولد SNAP-27 الذي كانت قدرته 63W وكان الوقود المستخدم هو البلوتونيوم - 238 أيضاً، وقد غلفت كبسولات الوقود بالجرافيت. وقد ترك هذا المولد ليكون مصدر الطاقة الوحيد على سطح القمر.

3- في عام 1969 ثم إطلاق أول قمر اصطناعي لدراسة حالة الجو وكان يستخدم المولدات الإشعاعية. وكان الوقود المستخدم عبارة عن PuO₂. واستخدمت الحرارة المتولدة عن البلوتونيوم لتوليد الكهرباء باستخدام ازدواج حراري يتكون من PbTe حيث وصلت هذه الازدواجات على التوازي وذلك لإعطاء أفضل علاقة بين التيار - والجهد. أما الحرارة الناتجة فيتم التخلص منها بالإشعاع عبر أربع زعانف . وقد استخدم في هذا القمر مولدين قدرة كل منهما W25. وبلغ ارتفاع المولد حوالي cm45 وقطره حوالي cm 23.

في الشكل (1 .ب) نبين تفاصيل المولد الإشعاعي. حيث تستخدم في جميع هذه الأجهزة أشباه الموصلات كأجهزة تحويل. ويمكن استخدام النوعين: النمط الموجب - P والنمط السالب - و لتحسين الأداء.

تعطي كفاءة المولد الحراري - كهربي بالعلاقة:

(1)................

حيث R مقاومة الازدواج الحراري.

R_L المقاومة الخارجية في الدائرة.

_pnα معامل سيبك Seebeck Coefficient.

T_H درجة حرارة الوصلة الحارة.

TΔ الفرق بين درجتي حرارتي الوصلة الحارة والباردة (T_c).

K مقدار ثابت.

i التيار المار في الدائرة ويعطي بالعلاقة:

(2)............

يعبر المقدار i²Rl عن الطاقة المخزنة في المقاومة الخارجية وهذه تمثل الطاقة المتحصل عليها (Output Energy) وسنرمز لها بالرمز (W).

أما الطاقة الداخلة (Input Energy (Q فهي تلك الناتجة عن تأثير بلتير Peltier Effect ويمثلها المقام في معادلة (1)، أي أن:

(3)  .............

حيث T_H ,_pnα تأثير بلتير.

تعطى الكفاءة (ε) بالعلاقة:

فإذا كانت النسبة بين مساحتي قاعدتي A_n)n, (A_p)p) تعطي بالعلاقة:

(4) ...........

حيث ρ المقاومية الكهربية.

K التوصيلية الحرارية.

فإن رقم الاستحقاق (Figure of Merit) يعطي بالعلاقة:

(5)       ..........

وتبين هذه المعادلة أنه للحصول على رقم استحقاق عالي فإنه علينا زيادة تأثير سيبك (المعامل _pnα) بينما نقلل كلاً من ρ ، K.

مما سبق نستطيع أن نستنتج علاقة تعطي أفضل كفاءة (^'ε) تعتمد على رقم الاستحقاق ودرجة الحرارة، حيث:

(6)     ............

حيث T_m درجة الحرارة المتوسطة:

كما وينتج أن:                    

(7) .............