منظور از تبدیل مستقیم انرژی , تبدیل یک نوع انرژی (مثلا گرمایی) به نوعی دیگر از انرژی (مثلا الکتریکی) بدون شفت و زنجیر و تسمه و از این مصنوعات ساخته ی دست بچه های جامدات!!! هستش. نیمه رساناهای الکترکی ابزاری هستند که می توان از آن ها برای این منظور استفاده کرد . البته مقدار انرژی قابل تبدیل با این روش به اندازه روش های مکانیکی نیست و در مصارف کم حجم استفاده می شوند . از انواع ابزارهای ساخته شده با نیمه رساناها که در تبدیل مستقیم انرژی کاربرد دارند می توان به سلول خورشیدی (soler cell) و ترموالکتریک (thermoelectric) اشاره کرد.

اما به بحث بر می گردیم . بر اساس ژدیده های فتوالکتریک یا فتوولتاییک و نیز ترموالکتریک دو ابزار مفید به نام فتوسل یا سلول خورشیدی و نیز ماژول ترموالکتریک که در بازار ایران با نام المان خنک کننده شناخته می شود ساخته شده است . این دو ابزار هر دو از نیمه رسانا ها ساخته شده اند . می دانیم برخی از عناصر مانند ژرمانیم و سیلیسیوم ذاتا رسانایی ضعیفی دارند و الکترون آزاد ندارند اما اگر آن ها را با مقادیر کمی ناخالصی های خاص مانند آلومینیوم و آرسنیک مخلوط کنیم به نتایج جالبی می رسیم. آرسنیک اتمی با ۵ الکترون ظرفیتی است و با ترکیب با سیلیسیوم که چهار الکترون ظرفیتی دارد یک الکترون آزاد تشکیل می شود .هم چنین آلومینیوم اتمی با ۳ الکترون ظرفیت است که با ترکیب شدن با سیلیسیوم یک حفره به وجود می آید .به ترکیب اول , نیمه هادی نوع n و به ترکیب دوم , نیمه هادی نوع p می گویند .

از کنار هم گذاشتن این دو ترکیب یک دیود (2تایی) 'Diode' تشکیل می شود که کاربرد بسیار وسیعی در الکترونیک دارد . در واقع در فضای بین این دو نوع نیمه هادی یک باند خنثی تشکیل می شود که اگر ولتاژی معین به سمت نیمه هادی نوع p وصل گردد این ناحیه فعال می شود و این ترکیب مانند یک رسانای الکتریکی عمل می کند اما اگر جهت ولتاژ را برعکس کنیم قطعه مانند عایق عمل می کند . این مقدمه ی ناچیزی از نیمه هادی ها بود .

اکنون به معرفی بیشتر سلول خورشیدی و ترموالکتریک می پردازیم . در یک سلول خورشیدی با برخورد فوتون ها به ترکیب p-n انرژی آن باعث فعال شدن باند خنثی شده و الکترون ها جریان می یابند . در شکل زیر این فرآیند را می بینیم :

تصویر زیر که از سایت opvap.com گرفته شده است نمودار مشخصه V-I یک سلول خورشیدی را نشان می دهد .

اگر می خواهید در این زمینه اطلاعات بیشتری به دست آورید به این سایت مراجعه کنید .

یکی از مشکلات سلول های خورشیدی شکنندگی آن هاست که البته برخی شرکت ها نسخه های انعطاف پذیر از سلول های خورشیدی رو که احتمالا گرون هستند تولید کرده اند یه نمونه رو در شکل زیر می بینید.

اکنون کمی در مورد کاربردهای فتوولتاییک PV صحبت می کنیم. فعلا چند نمونه از کاربردهای معروف این پدیده رو در عکس های زیر ببینید تا بعد بیشتر در این زمینه مطلب بنویسیم.

1- تامین انرژی منازل

2- هوافضا

3- هواپیماهای بدون سرنشینUAV

4-باتری همراه

5- ماشین های الکتریکی

سایت http://www.solarnovus.com اطلاعات خوبی در مورد سلول های خورشیدی در اختیار کاربران می گذارد به عنوان مثال در شکل زیر که از همین سایت گرفته شده معرفی یک نوع سلول جدید که اصطلاحا solar-3d گفته می شود دیده می شود (با کیلک روی عکس به لینک معرفی سلول بروید).البته سازندگان این سلول یک سایت هم تحت عنوان http://www.solar3d.com برای معرفی آن راه اندازی کرده اند.

ایده کلی ساخت این سلول این است که در سلول های معمولی یک فتون فقط در صورتی به الکتریسیته تبدیل میشود که به ناحیه ای نزدیک به باند خنثی و به عبارتی محل اتصال دو نیمه هادی برخورد کند اما بسیاری از فتون ها یا منعکس شده و یا به نقاطی دور از این ناحیه برخورد می کنند حال اگر بتوان یک فتون را درون ساختار کریستالی این سلول به دام انداخت که این قدر درون آن منکعس شود تا به نقطه مورد نظر برخورد کند راندمان سلول بسیار افزایش می یابد . تصویر زیر تفاوت سلول معمولی و سلول جدید را به طور شماتیک نشان می دهد .

در آینده مطالب و تصاویر بیشتری در این مورد میزارم . این عکس ها رو توی اینترنی می تونید به راحتی پیدا کنید . اسم سایت هایی رو که این عکس هارو ازشون گرفتم یادم نیست (فردا شاکی نشن که کپی رایت رو نقض کردی!) .

در یک ترموالکتریک شاید کار کمی پیچیده تر باشد و باید برای توضیح آن به تعریف چند اثر فیزیکی بپردازیم :

۱- اثر سیبک Seebeck effect :به طور خلاصه می توان گفت که هرگاه يك طرف ماده اي داغ تر از طرف ديگر باشد، الكترو ن هاي سمت داغ تر، سريعتر حركت مي كنند. در اين فرآيند برخي از اين الكترو ن ها به سمت ناحيه سرد حركت كرده و جريان الكتريسيته به وجود مي آورند.بنابراین اگر محل اتصال دو فلز ناهم جنس گرما ببیند اختلاف پتانسیلی بین دو سر فلزات تشکیل می شود.کاربرد این پدیده را می توان در ترموکوپل دید که برای اندازه گیری دما استفاده می شود .

2- اثر پلتیر Peltier effect : تقریبا برعکس پدیده سیبک است به این معنا که اگر جریانی عبوری از محل اتصال دو فلز غیر مشابه در یک جهت گرما تولید می کند و در جهت دیگر گرما جذب می کند .

در واقع این دو پدیده مبین این امر هستند که اختلاف پتانسیل الکتریکی می تواند اختلاف دما به وجود آورد و اساسا ولتاژ در الکتریسیته مانند اختلاف دما در انتقال حرارت است . می دانیم در انتقال حرارت می توان یک سیستم گرمایی را با یک مدار الکتریکی معادل سازی کرد و به جای کار با اجسام و خواص انتقال حرارت با آن مدار معادل مساله را تحلیل کرد . در این معادل سازی ولتاژ معادل اختلاف دما می باشد , مقاومت الکتریکی معادل مقاومت گرمایی می باشد که انواع مختلف دارد از جمله مقاومت رسانش که برابر حاصل تقسیم ضخامت جسم بر ضریب رسانایی آن (K) است , مقاومت در انتقال حرارت جابجایی و مقاومت در انتقال حرارت تشعشعی هم از انواع دیگر آن هستند که برای دانستن روابط آن ها می توانید به کتاب های انتقال گرما (Heat Transfer) هولمن و اینکروپرا مراجعه کنید . زمین در یک مدار الکتریکی معادل ولتاژ صفر است , در یک سیستم گرمایی دمای صفر کلوین معادل زمین در مدار الکتریکی است . خازن در مدار الکتریکی را می توان معادل ظرفیت گرمایی (C) یک جسم در انتقال حرارت دانست . هم چنین شار گرما را که حاصل تقسیم اختلاف دما بر مقاومت گرمایی است با جریان الکتریکی معادل سازی کرد . به این ترتیب می توان یک سیستم گرمایی را با یک سیستم الکتریکی معادل کرد . در تصویر زیر مقایسه دو پدیده ی سیبک و پلتیر را می بینید

{ اما سوالی که می توان مطرح کرد این است که:

چطور هم در انتقال گرما و هم در الکتریسیته مفاهیم رسانا و عایق مطرح هستند اما یکسو کننده یا دیود که با استفاده از نیمه رسانا ساخته می شود فقط در الکتریسیته مطرح است؟

پدیده الکتریسیته در اثر حرکت آزادانه ی الکترون ها به وجود می آید و پدیده ی انتقال گرما در اجسام به دلیل ارتعاش الکترون ها .حال باید دید که آیا می توان در انتقال حرارت هم مشابه آن چه در الکتریسیته تحت عنوان نیمه هادی ها وجود دارد که در صورت جفت شدن آن ها می توان به ترکیبی دست یافت (Diode) که جریان را از یک سو عبور داده واز سوی دیگر قطع کند مطرح کرد یا نه؟ هم چنین در یک سیستم تشعشعی که هم رسانا و هم عایق وجود دارد آیامی توان نیمه رسانای تشعشعی به وجود آورد ؟ در مغناطیس چطور؟

حالا به این موضوع فکر کنید که اگر نیمه رسانای الکتریکی (Electric Semiconductor) با یک ترکیب هوشمندانه به صورت یک المان کنترل شونده و یکسوکننده درآمدند آیا می توان در رسانش گرمایی , نیمه رسانای گرمایی Thermal Semiconductor , و در تشعشع نیمه رسانای تشعشعی Radiation Semiconductor و در مغناطیس نیمه رسانای مغناطیسی Magnetic Semiconductor را به همین صورت تعریف کرد و به کاربرد. البته این بحث با توجه به تفاوت مکانیزم های این زمینه ها کمی تخیلی به نظر می رسد.

معادل یکسوکننده ها در جریان آب در لوله می توان به شیرهای یک طرفه اشاره کرد که مکانیزم ساده ترین آن ها به این صورت است که یک گوی شناور در قسمتی از لوله با استفاده از یک فنر نگه داشته می شود در این قسمت , یک سمت توپ تنگ تر از سمت دیگر است . به این ترتیب با عبور آب از یک طرف مخالفت می شود و لی در سمت دیگر با کمی افت فشار جریان عبور می کند. بنابرای می توان گفت هرجا حرکت ماده (الکترون یا مولکول آب یا .. ) وجود دارد می توان یک سوکننده ساخت ولی در رسانش یا مغناطیس که چیزی حرکت نمی کند مشکل است .}

بگذریم ... از مبحث اصلی کمی دور شدیم . در هر حال با مطرح شدن دو اثری که از آن ها نام بردیم پدیده ی سومی که در واقع مکمل هر دوی آن هااست تحت عنوان اثر تامسون (Thompson) مطرح می شود :

اکنون می توان اتفاقی که در ترموالکتریک می افتد را توضیح داد که اگر اتصال P-n از یک طرف گرما ببیند در دو سر آن ولتاژ به وجود می آید . برعکس این قضیه هم صادق است یعنی اگر به دو سر یک ترکیب P-n ولتاژی وصل شود این ترکیب گرما را از یک جهت جذب و از طرف دیگر دفع می کند(مانند یخچال) . در شکل زیر که از سایت energybandgap.com گرفته شده این پدیده مشخص شده است :

البته این رو هم بگم که پدیده های ترموالکتریکی فقط در نیمه هادی ها کاربرد ندارد بلکه در فلزات هم انواع و اقسام استفاده ها از این اثرات می شود . به عنوان مثال می توان به ترموکوپل ها اشاره کرد که در انواع و اندازه های مختلفی ساخته می شوند و برای اندازه گیری دما در بسیاری از سیستم ها به کار می روند . در شکل زیر چند نمونه از ترموکوپل که برای کاربردهای مختلفی به کار می روند را مشاهده می کنید .

در آینده مطالبی در مورد انواع ترموکوپل می نویسم .

امروز اگرچه به دلیل بازده نسبتا پایین (کمتر از ۱۵ درصد) کاربرد ترموالکتریک بسیار محدود بوده ولی به سرعت در حال افزایش است . مثلا یک آبسردکن را در نظر بگیرید که با ترموالکتریک آب سرد تولید می کند در این صورت می تواند از گرمایی که ترموالکتریک از آب سرد گرفته مقداری آب گرم نزدیک به جوش تولید کند و ما همزمان آب سرد و داغ داشته باشیم که امروزه اینگونه آبسردکن و آبگرم کن ها در ادارات و دانشگاهها و مراکز مختلف موجود هستند . یا به عنوان مثال حرارت تولیدی در کامپیوترها را در نظر بگیرید .درون کیس کامپیوتر باید سی پی یو خنک شود و گرما از کیس خارج شود . با استفاده از ترموالکتریک هم می توان سی پی یو را خنک کرد و هم تولید الکتریسیته نمود. از این نمونه ابتکارات در استفاده از ترموالکتریک روزبروز در حال گسترش است .عکس زیر از کتاب (فریدمنFreedman )

حالا یک فیلم کوتاه از تولید توان توسط تموالکتریک در لینک زیر آپلود می کنم که می تونید به راحتی اون رو دانلود کنید .

دانلود کلیپ ژنراتور ترموالکتریک Download

ضمنا این رو هم اضافه کنیم که در برخی مراجع به المان ترموالکتریک , ماژول پلتیر Peltier Module نیز گفته می شود . در ادامه در مورد کاربردهای ترموالکتریک صحبت می کنیم . فعلا یه مختصر از این کاربردها رو در تصاویر در زیر ببینید تا بعد.

۱ - خنک کاری تجهیزات الکتریکی از جمله CPU کامپیوتر

2- تامین الکتریسیته از دمای بدن

البته این تصویر مربوط به یک سلول فتوولتاییک - ترموالکتریک است که علاوه بر گرمای بدن از نور هم انرژی تولید می کند.