تطوير جهاز ترموكهربائي جديد يمكنه جمع الطاقة من درجة حرارة الغرفة

في الوقت الحاضر، هناك حاجة ملحة لاستخدام مصادر الطاقة المتجددة وغير المستخدمة سابقًا لتحقيق مجتمع خالٍ من الكربون، ومن بين هذه المصادر، يجذب البحث في الأجهزة الحرارية الكهربائية التي تستخدم الحرارة المهدرة اهتمامًا متزايدًا.

عادةً، يفترض توليد الطاقة الحرارية الكهربائية 1 باستخدام تأثير سيبيك استخدام الجهاز في مناطق ذات درجات حرارة عالية عند 100 درجة مئوية أو أكثر مع المناطق الباردة، أي في ظل ظروف تدرج درجة الحرارة، وبالتالي الحد من المواقع التي يمكن تركيب هذه الأجهزة فيها.

وعلى وجه الخصوص، نظرًا لأن الناتج يتحسن مع زيادة فرق درجة الحرارة، فمن الصعب من حيث المبدأ حصاد الطاقة من مصدر حراري عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا

نجح باحثون في تطوير جهاز ترموكهربائي عضوي جديد يمكنه حصاد الطاقة من درجة حرارة الغرفة.

ورغم أن الأجهزة الترموكهربائية لها استخدامات عديدة اليوم، إلا أن هناك عقبات ما زالت قائمة أمام الاستفادة الكاملة منهاـ ومن خلال الجمع بين القدرات الفريدة للمواد العضوية، نجح الفريق في تطوير إطار عمل لتوليد الطاقة الترموكهربائية في درجة حرارة الغرفة دون أي تدرج في درجات الحرارة.

ونشرت نتائجهم في مجلة Nature Communications .

الأجهزة الحرارية الكهربائية، أو المولدات الحرارية الكهربائية، عبارة عن سلسلة من المواد المولدة للطاقة والتي يمكنها تحويل الحرارة إلى كهرباء طالما كان هناك تدرج في درجة الحرارة – حيث يكون أحد جانبي الجهاز ساخنًا والجانب الآخر باردًا.

كانت مثل هذه الأجهزة محورًا مهمًا للبحث والتطوير لفائدتها المحتملة في حصاد الحرارة المهدرة من طرق توليد الطاقة الأخرى.

ربما يكون الاستخدام الأكثر شهرة للمولدات الحرارية الكهربائية هو في المسبارات الفضائية مثل مركبة كيوريوسيتي على المريخ أو مسبار فوييجر.

تعمل هذه الآلات بمولدات حرارية كهربائية تعمل بالنظائر المشعة، حيث توفر الحرارة المتولدة من النظائر المشعة التدرج الحراري للأجهزة الحرارية الكهربائية لتشغيل أجهزتها.

ومع ذلك، بسبب مشاكل تشمل ارتفاع تكلفة الإنتاج، واستخدام المواد الخطرة، وانخفاض كفاءة الطاقة، وضرورة درجات الحرارة المرتفعة نسبيا، تظل الأجهزة الحرارية الكهربائية غير مستغلة بالشكل الكافي اليوم.

“كنا نبحث عن طرق لصنع جهاز حراري كهربائي يمكنه حصاد الطاقة من درجة حرارة المحيط. يركز مختبرنا على فائدة وتطبيق المركبات العضوية، والعديد من المركبات العضوية لها خصائص فريدة حيث يمكنها بسهولة نقل الطاقة بين بعضها البعض “، يوضح البروفيسور تشيهايا أداتشي من مركز جامعة كيوشو لأبحاث الفوتونيات العضوية والإلكترونيات (OPERA) الذي قاد الدراسة، قائلا “يمكن العثور على مثال جيد لقوة المركبات العضوية في شاشات OLED أو الخلايا الشمسية العضوية”.

كان المفتاح هو العثور على مركبات تعمل بشكل جيد كواجهات لنقل الشحنات، مما يعني أنها يمكن أن تنقل الإلكترونات بسهولة بين بعضها البعض، بعد اختبار مواد مختلفة، وجد الفريق مركبين قابلين للتطبيق: فثالوسيانين النحاس (CuPc) وفثالوسيانين النحاس سداسي فلورو (F 16)  CuPc).

يواصل أداتشي، “لتحسين الخاصية الحرارية الكهربائية لهذه الواجهة الجديدة، قمنا أيضًا بدمج الفوليرينات وBCP”، “من المعروف أن هذه المركبات تعمل على تيسير نقل الإلكترونات بشكل جيد.

أدى إضافة هذه المركبات معًا إلى تعزيز قوة الجهاز بشكل كبير، في النهاية، كان لدينا جهاز محسن بطبقة 180 نانومتر من CuPc و320 نانومتر من F16 CuPc، و20 نانومتر من الفوليرين، و20 نانومتر من BCP “.

كان للجهاز المحسن جهد دائرة مفتوحة يبلغ 384 مللي فولت، وكثافة تيار دائرة قصيرة تبلغ 1.1 ميكرو أمبير/سم 2 ، وإخراج أقصى يبلغ 94 نانو واط/سم 2 . وعلاوة على ذلك، تم تحقيق كل هذه النتائج في درجة حرارة الغرفة دون استخدام تدرج درجة الحرارة.

“لقد كان هناك تقدم كبير في تطوير الأجهزة الحرارية الكهربائية، ومن المؤكد أن جهازنا العضوي الجديد المقترح سيساعد في دفع الأمور إلى الأمام”.

“نرغب في مواصلة العمل على هذا الجهاز الجديد ومعرفة ما إذا كان بوسعنا تحسينه بشكل أكبر باستخدام مواد مختلفة، ومن المرجح أن نتمكن من تحقيق كثافة تيار أعلى إذا قمنا بزيادة مساحة الجهاز، وهو أمر غير معتاد حتى بالنسبة للمواد العضوية، وهذا يثبت أن المواد العضوية تتمتع بإمكانات مذهلة.”