مشکل ژنراتور‌های ترموالکتریک چیست؟

به گزارش مجله خبری نگار/تین نیوز،موتور‌های احتراق داخلی تنها ۲۵ درصد کارایی دارند و سه چهارم انرژی ذخیره شده در بنزین را هدر می‌دهند. یک ژنراتور ترموالکتریک می‌تواند به بازیابی این انرژی هدررفته در قالب الکتریسیته کمک کند.

محققان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، یک ژنراتور ترموالکتریک فشرده ساخته‌اند که می‌تواند گرمای خروجی از اگزوز خودروها، هلیکوپتر‌ها و وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) را به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل کند. در اطلاعیه منتشرشده دراین باره یادآوری شده که نمونه اولیه و توسعه یافته توسط این تیم به توان خروجی ۴۰ وات دست یافته که برای روشن کردن یک لامپ کافی است.

طبق محاسبات کارشناسان، راندمان موتور‌های احتراق داخلی که معمولاً در وسایل نقلیه موتوری مورداستفاده قرار می‌گیرند، تنها حدود ۲۵ درصد است. این بدان معناست که وقتی از وسیله نقلیه استفاده می‌کنیم، سه چهارم انرژی ذخیره شده در بنزین هدر می‌رود و به صورت گرما خارج می‌شود.

از آنجایی که یکی از بحران‌های اصلی دنیا، افزایش انتشار کربن است، پیشرفت‌های بعدی در فناوری انرژی پاک می‌تواند بسیار کاربردی بوده و درنهایت جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. از همین رو، نیاز به اقدامات فناوری کارآمدتری وجود دارد که بتواند به کاهش انتشارات ناشی از فناوری‌های موجود کمک کند.

در این بین تیم تحقیقاتی دپارتمان مهندسی مکانیک برای بهبود تبدیل انرژی موتور‌های گازسوز با یک ژنراتور ترموالکتریک که گرمای هدررفته را به انرژی تبدیل می‌کند، وارد عمل شدند.

مشکلات ژنراتور‌های ترموالکتریک

ژنراتور‌های ترموالکتریک از اختلاف دمای اعمال شده در یک ماده استفاده کرده و آن را به انرژی تبدیل می‌کنند. این مفهوم مدتی است وجود داشته و معمولاً از مواد نیمه هادی برای رسیدن به این هدف استفاده می‌شود.

بااین حال، طراحی ژنراتور‌ها پیچیده است و برای حفظ اختلاف دما به یک سیستم خنک کننده خارجی متکی است. این امر مستلزم استفاده از یک سیستم خنک کننده مبتنی بر آب است که به اندازه ژنراتور می‌افزاید و آن را برای استقرار کمتر تطبیق می‌دهد.

تیم تحقیقاتی به رهبری Wenjie Li و Bed Poudel در دانشگاه ایالتی پن، این کاستی‌ها را با یک رویکرد طراحی نوآورانه برطرف کرد.

ژنراتور ترموالکتریک با مبدل‌های حرارتی

محققان به جای تکیه بر سیستم خنک کننده مبتنی بر آب، مبدل‌های حرارتی مورد استفاده در تهویه مطبوع را برای جذب گرمای ساطع شده از لوله‌های اگزوز انتخاب کردند.

ژنراتور ترموالکتریک از ماده نیمه هادی بیسموت-تلوراید ساخته شده است؛ البته اعضای این تیم یک جزء اضافی به نام هیت سینک را به طراحی شان اضافه کردند که نقش هیت سینک، افزایش اختلاف دمای سیستم است که به طور مستقیم با مقدار انرژی تولیدی در ارتباط است.

ژنراتور نمونه اولیه به توان خروجی ۴۰ وات دست یافت که برای روشن کردن یک لامپ کافی است. مهم‌تر از همه، محققان دریافتند که شرایط جریان هوای بالا در لوله‌های اگزوز، به بهبود خروجی انرژی از ژنراتور کمک می‌کند.

اعضای این تیم در ادامه، شبیه سازی‌هایی را در محیط‌هایی با چنین شرایطی انجام داد. آن‌ها دریافتند که سیستمشان در صورت استقرار، می‌تواند انرژی بیشتری تولید کند. مثلاً خروجی ژنراتور هنگام استقرار در خودرو ۵۶ وات تخمین زده شد. بااین حال، اگزوز هلیکوپتر می‌تواند ۱۴۶ وات انرژی تولید کند که معادل ۱۲ باتری لیتیوم یونی است.

ازآنجایی که این سیستم را می‌توان در خروجی‌های اگزوز ادغام کرد و به زیرساخت‌های خنک کننده اضافی وابسته نیست، می‌توان آن را در وسایل نقلیه موجود نیز مورداستفاده قرار داد. محققان اطمینان دارند که این راه را برای ادغام دستگاه‌های ترموالکتریک در وسایل نقلیه روزمره هموار می‌کند و به بازیابی انرژی‌ای که در صورت عدم انجام این کار، هدر می‌رود کمک خواهد کرد.