تبدیل گرمای خروجی اگزوز به انرژی با کارایی بی‌سابقه

25 اکتبر 2021 توسط DGIST موسسه علم و فناوری Daegu Gyeongbuk

به لطف انقلاب دیجیتالی جاری، ما در آستانه گذار به دنیای بیش از حد متصل هستیم. با این حال، دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) و حسگرهای راه دور که چنین واقعیتی را نوید می‌دهند، نیاز به انرژی دارند. با پایداری به عنوان اولویت اصلی، منبع انرژی باید فراوان، همه جا حاضر و قابل تجدید باشد. خوشبختانه، گرمای هدر شده باگرمای کم درجه (دمای کمتر از 100 درجه سانتیگراد) می‌تواند با این شرایط مطابقت داشته باشد، مشروط بر اینکه فناوری‌های تبدیل انرژی کارآمد را توسعه دهیم.

تبدیل اختلاف دما به الکتریسیته از طریق سلول‌های ترموالکتروشیمیایی (TEC) امکان پذیر است. این دستگاه‌ها می‌توانند از گرمای هدر رفته برای حفظ یک واکنش احیا-اکسیداسیون (اکسیداسیون) استفاده کنند که به نوبه خود، الکتریسیته تولید می‌کند. با این حال، TEC های پیشرفته فعلی به دلیل راندمان تبدیل انرژی پایین، قدرت خروجی کم و ساخت پرهزینه، قابلیت پیاده سازی تجاری ندارند. بنابراین، یک پیشرفت در تبدیل انرژی برای TECها برای قابل دوام شدن برای دستگاه‌های کم مصرف بدون اتصال لازم است.

بر این اساس، تیمی از دانشمندان در مؤسسه علم و فناوری Daegu Gyeongbuk (DGIST)، کره، یک استراتژی مؤثر برای ارتقای سطح آن ابداع کردند. این محققان به رهبری پروفسور هوچون لی، اصل عملکرد TECها را با سلول‌های گالوانیکی غلیظ ترکیب کردند و یک سلول ترموالکتروشیمیایی-غلظت ترکیبی (TCC) ایجاد کردند. اگرچه TCC ها مفهوم جدیدی نیستند، طراحی ارائه شده توسط تیم بر برخی محدودیت‌های حیاتی TEC های موجود غلبه می‌کند.

TCC گزارش شده در این مطالعه، که در مجله مهندسی شیمی منتشر شد، بر اساس واکنش‌های ردوکس شامل یون‌های ید (I-) و تری یدید (I3-) است. با این حال، برخلاف TECهای معمولی، این واکنش‌ها در یک محلول کربنات غیر پایه آبی که از دی متیل کربنات (DMC) به عنوان حلال استفاده می‌کند، رخ می‌دهد. این انتخاب خاص از مواد یک اثر عجیب و غریب ایجاد می‌کند.

محققان دریافتند که با افزایش دمای طرف داغ بیش از 40 درجه سانتیگراد، DMC با I- واکنش نشان می‌دهد تا یک لایه متخلخل و ژل مانند از Li2CO3 در نزدیکی الکترود داغ ایجاد کند که به حفظ تفاوت زیادی در غلظت I- کمک می‌کند. و I3- در سراسر سلول، تا حد زیادی عملکرد آن را افزایش می‌دهد.

 پروفسور لی می‌گوید: «سلول هیبریدی ما بازده تبدیل حرارتی قابل توجهی (5.2 درصد) را نشان می‌دهد و از بهترین TECهای نوع n فعلی بهتر عمل می‌کند. علاوه بر این، ساختار ساده و فرآیند ساخت TCCهای ما یک پلتفرم عملا امکان پذیر برای برداشت انرژی حرارتی ارائه می‌دهد.

با مطالعات بیشتری برای اصلاح این رویکرد بی‌سابقه در طراحی TCC، امیدواریم، دستیابی به هدف اتصال چند TCC به صورت سری برای دستیابی به قابلیت‌های قابل قبول تجاری مورد نیاز است، انجام شود. پروفسور لی خوشبین نتیجه می‌گیرد: جوامع متصل به اینترنت اشیا به منابع انرژی اقتصادی و مستقل برای دستگاه‌ها و حسگرهای IoT خود نیاز دارند و ما معتقدیم که TECها کاندیدای ایده‌آل برای برآوردن نیاز آن‌ها خواهند بود.

امیدواریم علم ما را به راه‌های پایدار و کارآمدتر برای استفاده مناسب از گرمای تلف شده هدایت کند.