تعزيز كفاءة التحويل للأجهزة الكهروحرارية
في محاولة لتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري ، تتضمن إحدى الإستراتيجيات جمع الحرارة المهدورة التي يتم إنتاجها بالفعل بواسطة أنظمة الطاقة لدينا.
يمكن للمولدات الكهروحرارية تحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء نظيفة ، وقد يؤدي اختراق التصميم الجديد إلى جعل هذه الأجهزة أكثر كفاءة مما كان ممكنًا في السابق ، وفقًا للعلماء في ولاية بنسلفانيا والمختبر الوطني للطاقة المتجددة.
قال وينجي لي ، أستاذ الأبحاث المساعد في قسم علوم وهندسة المواد في ولاية بنسلفانيا: “لقد طورنا تصميمًا فريدًا للمواد يمكنه رفع كفاءة التحويل للأجهزة الكهروحرارية بنسبة تصل إلى 15٪”، “هذه أعلى كفاءة تم تسجيلها حتى الآن باستخدام هذا النوع من التكنولوجيا الحرارية”.
يعمل باحثو ولاية بنسلفانيا على تحسين أداء المولدات الكهروحرارية – الأجهزة التي يمكنها تحويل الاختلافات في درجات الحرارة إلى كهرباء. عندما توضع الأجهزة بالقرب من مصدر حرارة – مثل أنبوب البخار في محطة توليد الكهرباء – فإن ناقلات الشحنة ، مثل الإلكترونات ، تنتقل من الجانب الساخن إلى الجانب البارد تنتج تيارًا كهربائيًا .
قال العلماء إن الأجهزة الكهروحرارية لا تحتوي على أجزاء متحركة ولا تنتج تفاعلات كيميائية أو انبعاثات ، مما يوفر مصدرًا واعدًا للطاقة النظيفة.
طور الفريق طريقة جديدة لإنشاء مواد متدرجة وظيفيًا في الأجهزة الكهروحرارية مكنتهم من تحقيق كفاءة بنسبة 15.2٪ في جهاز أحادي الساق مع تغير في درجة الحرارة بمقدار 670 درجة كلفن (حوالي 1206 درجة فهرنهايت)، تتميز الأجهزة المتاحة تجاريًا حاليًا بكفاءة تتراوح من 5٪ إلى 6٪.
وكتب العلماء أن النتائج ، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة Advanced Materials ، تشير إلى أن النهج الجديد يمكن أن يكون له تأثير تحولي على تصميم وتطوير الجيل التالي من الأجهزة الكهروحرارية.
قال بيد بوديل ، أستاذ الأبحاث في قسم علوم وهندسة المواد في ولاية بنسلفانيا : “بسبب انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية والقضايا البيئية المرتبطة بها ، نريد الانتقال نحو تقنيات صديقة للبيئة”، “هذا العمل الذي يجعل الأجهزة الكهروحرارية أكثر كفاءة يمكن أن يساعد في تحقيق هذا الهدف.”
تتميز المولدات الكهروحرارية التقليدية بتصميمات مجزأة لتحسين الأداء على جانبي درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة من الجهاز.
غالبًا ما تكون هذه أنواعًا مختلفة من المواد التي يجب إنشاؤها بشكل منفصل وربطها معًا بالنحاس أو اللحام. لكن العلماء قالوا إن هذا يخلق واجهة غير متجانسة يمكن أن تقلل من كفاءة الجهاز.
يلغي النهج الجديد الحاجة إلى تلك الواجهة لأن المواد الجانبية ذات درجة الحرارة المرتفعة والمنخفضة يتم إنشاؤها معًا في خطوة واحدة.
قال لي: “الفكرة الأساسية هي دمج طبقتين أو أكثر باستخدام نفس عائلة المواد ولكن مع اختلاف طفيف في التركيبات الكيميائية”، “ومن خلال القيام بذلك ، يمكننا إنشاء مواد متدرجة وظيفيًا في خطوة واحدة ، ولا نحتاج إلى أي تقنيات لحام أو لحام لدمجها لإزالة الواجهة غير المتجانسة.”
استخدم الباحثون عملية تسمى التلبيد بمساعدة المجال الكهربائي والميكانيكي لإنشاء المواد. تُعرف هذه التقنية أيضًا باسم تلبيد البلازما بالشرارة ، وهي تستخدم التيار الكهربائي والضغط لضغط المساحيق الدقيقة إلى كتلة صلبة من المادة.
يسمح تلبيد شرارة البلازما للعلماء بإنشاء مواد متدرجة وظيفيًا عن طريق وضع مساحيق واحدة تحت الأخرى ، وتكييف تلك الطبقات عن طريق إضافة منشطات ، أو مكونات يمكن أن تغير خصائص المادة.
مكّن هذا الفريق من تحسين التركيبات الكيميائية للجوانب ذات درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة أثناء استخدام مواد من نفس العائلة يمكن تلبيدها في درجات حرارة مماثلة في خطوة واحدة.
وقال العلماء ، ولأن المواد تنتمي إلى نفس العائلة ، فقد تطابقت بشكل وثيق مع التمدد الحراري والخصائص الميكانيكية الأخرى ، مما يعني أن الأجهزة ستتمتع بعمر تشغيلي طويل مقارنة بالأجهزة التقليدية المقسمة.
قال لي “أحد المتطلبات لتحقيق أقصى كفاءة تحويل هو أن التيار الأمثل الذي يمر عبر الجهاز بأكمله هو نفسه بالنسبة لدرجات الحرارة المرتفعة ودرجة الحرارة المنخفضة”، “ولكن في التصميم التقليدي ، نظرًا لأننا استخدمنا أنظمة مواد مختلفة ، فقد تختلف المقاومة الكهربائية لهاتين المادتين بشكل كبير.”
تشبه الأجهزة الكهروحرارية منضدة ذات قدمين – ساق واحدة مصنوعة من النوع p والأخرى من مادة أشباه الموصلات من النوع n. الدراسة الحالية تنطبق فقط على المواد من النوع p ، وقال العلماء إن المزيد من العمل لتطبيق هذا على النوع n يمكن أن يؤدي إلى زيادات إضافية في الكفاءة.
سيركز العمل الإضافي الآخر على إنشاء طبقات إضافية من الساق ، تم تحسين كل منها لنطاق درجة حرارة مختلف ، باستخدام نهج التلبيد من خطوة واحدة ، والذي يمكن أيضًا تحسين الكفاءة.
قال بوديل: “ما أظهرناه من خلال توليد 15٪ من كفاءة التحويل هو الآن أن هذه التكنولوجيا تنافسية للغاية مع تقنيات توليد الطاقة الأخرى على أصغر نطاق – مثل مولدات الديزل الصغيرة أو حتى الألواح الشمسية”. “نظهر أن الطاقة الحرارية يمكن تحويلها إلى كهرباء بطريقة تنافسية مع هذه التقنيات.”
