في مشروع منارة فراونهوفر ElKaWe ، يعمل الباحثون على تطوير مضخات حرارية كهربية كبديل لتقنية الضاغط السائدة حاليًا.
تعد هذه الأنواع الجديدة من المضخات الحرارية بكفاءة أعلى ولا تتطلب مبردات.
وصل الباحثون في Fraunhofer IAF الآن إلى علامة فارقة في إلكترونيات الطاقة : لقد أدركوا طوبولوجيا دائرة فائقة الكفاءة لمحولات الجهد مع كفاءة كهربائية تزيد عن 99.74 ٪. هذه النتيجة هي معيار عالمي وخطوة مهمة على الطريق إلى مضخات حرارية أكثر كفاءة في الحالة الصلبة.
تم نشر النتائج في مجلة IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics .
لا تتطلب ضواغط
تعد المضخات الحرارية أنظمة فعالة للغاية لتوليد الحرارة ومكون مركزي في انتقال الحرارة، لزيادة كفاءة المضخات الحرارية ، يعمل الباحثون في مشروع فراونهوفر الرائد “مضخات الحرارة الكهربية” أو ElKaWe باختصار، على أنواع جديدة من المضخات الحرارية التي لا تتطلب ضواغط ومن المتوقع أن تحقق كفاءات أعلى في المستقبل.
نظرًا لتقنيتها ، تحقق المضخات الحرارية الحالية حوالي 50 ٪ فقط من حد كارنو الفيزيائي، في حين أن المضخة الحرارية الكهربية يمكن أن تحقق نظريًا 85 ٪.
ولكن مدى كفاءة المضخات الحرارية الكهربية في النهاية تعتمد أيضًا إلى حد كبير على كفاءة إلكترونيات الطاقة المتكاملة.
إلكترونيات الطاقة فائقة الكفاءة بسبب نيتريد الغاليوم
في مشروع ElKaWe ، يتولى معهد فراونهوفر لفيزياء الحالة الصلبة التطبيقية IAF مسؤولية تطوير إلكترونيات القيادة لمضخات الحرارة الكهربية، لهذا الغرض، يبحث المعهد عن أجهزة تعتمد على نيتريد الغاليوم شبه الموصّل (GaN) من أجل زيادة كثافة الطاقة وكفاءتها.
لأول مرة ، طور الباحثون الآن وتحسين إلكترونيات الطاقة على وجه التحديد للكهرباء السعرات الحرارية، نجحوا في تنفيذ طوبولوجيا دائرة فائقة الكفاءة لمحولات الجهد على أساس ترانزستورات GaN ، محققة كفاءة كهربائية بنسبة 99.74٪ في مسار الطاقة الكهربائية.
وبالتالي، فإن محول DC / DC متعدد المستويات القائم على GaN يضع معايير عالمية ويتجاوز بكثير الحالة السابقة للبحث عن كفاءة تحويل أقل من 90 ٪ للتحكم الكهربائي في هذه المضخات الحرارية الجديدة.
مضخات حرارية أكثر كفاءة
تؤثر الزيادة الكبيرة في كفاءة إلكترونيات القيادة بشكل مباشر على معامل أداء النظام بأكمله. حتى الآن ، كانت أنظمة المضخات الحرارية الكهربية محدودة بسبب فقدان الإلكترونيات ، من بين أمور أخرى. تؤدي الكفاءة الكهربائية المتزايدة مباشرة إلى ارتفاع معامل أداء نظام المضخة الحرارية بالكامل ، وبالتالي فهي علامة فارقة في الطريق إلى مضخات حرارية أكثر كفاءة.
كما يقول الدكتور Stefan Mönch ، الباحث الميداني في IAF، “تجعل إلكترونيات الطاقة فائقة الكفاءة لدينا واقعية لأول مرة لتحقيق أكثر من 50٪ من الحد الأقصى لمعامل الأداء النظري باستخدام مضخات الحرارة الكهربية، حتى على مستوى النظام، لا يزال هناك الكثير من الأبحاث التي يتعين القيام بها، ولكن في المستقبل يمكن أن تصبح هذه التكنولوجيا حلاً أكثر كفاءة وخالٍ تمامًا من الانبعاثات للتدفئة والتبريد “.
يضيف الدكتور كيليان بارثولومي، مدير مشروع ElKaWe والباحث في معهد فراونهوفر لتقنيات القياس الفيزيائي IPMمن الضروري تحقيق معامل أداء عالي للمضخات الحرارية الكهربية هو الكفاءة العالية جدًا في المواد والإلكترونيات ونقل الحرارة، إذا كنت تتحكم في كل هذا، فإن الكهربية لها إمكانات هائلة”.
المبدأ الكامن وراء المضخة الحرارية الكهربية هو التأثير الكهروكالوري: إذا تم تطبيق جهد كهربائي على مادة كهربية كالوريك مصنوعة من سيراميك أو بوليمرات خاصة، تسخن المادة، بمجرد إزالة الجهد، تبرد المادة مرة أخرى ، وتكون العملية بأكملها تقريبًا قابلة للعكس تمامًا.
نظرًا لأن المواد الكهربية تشكل سعة كهربائية، فإن إلكترونيات الطاقة في النظام لها مهمة الشحن الكهربائي وتفريغ السعات الكهربية عدة مرات في الثانية بكفاءة عالية، وبالتالي خالية من الخسائر قدر الإمكان، مع ضخ الحرارة في كل دورة.
تم الحصول على النتائج كجزء من مشروع منارة فراونهوفر ElKaWe في هذا المشروع، يقوم باحثون من ستة معاهد فراونهوفر بالتحقيق في مضخات الحرارة الكهربية للتدفئة والتبريد.
بقيادة Fraunhofer IPM ، يطورون مضخات حرارية كهربية التي تتيح تبديدًا فعالًا للحرارة بشكل خاص، ولا تتطلب تقنية ضاغط ومبردات.
الهدف من عمل المشروع هو إظهار إمكانات التقنيات لتطبيقات التدفئة والتبريد الفعالة والخالية من الانبعاثات في المستقبل.
