29 ژوئیه 2024 -توسط Ingrid Fadelli، اعتبار: اقتباس از انرژی طبیعت (2024). DOI:
در سال‌های اخیر، مهندسان و دانشمندان در سراسر جهان بر روی فناوری‌های جدید برای تولید برق از منابع انرژی تجدیدپذیر، از جمله فتوولتائیک (PV)، توربین‌های بادی و ژنراتورهای برق آبی کار می‌کنند. یک راه حل جایگزین برای کاهش تأثیر تغییرات آب و هوایی می تواند تبدیل گرمای اضافی یا اتلاف تولید شده توسط صنایع، خانوارها و محیط های طبیعی گرم به برق باشد.
این رویکرد که به عنوان تولید برق ترموالکتریک شناخته می شود، بر استفاده از موادی با خواص ترموالکتریک ارزشمند متکی است. به طور خاص، هنگامی که این مواد از یک طرف در معرض دماهای بالا و از طرف دیگر در معرض دماهای سردتر قرار می‌گیرند، الکترون‌های درون آنها شروع به حرکت از سمت گرم به سمت سردتر می‌کنند که پتانسیل الکتریکی تولید می‌کند.
در حالی که کارهای اخیر برخی از مواد ترموالکتریک امیدوارکننده را شناسایی کرده‌اند، عملکرد ماژول به دلیل چالش‌های مرتبط با طراحی و ساخت ساختارهای بهینه ماژول رضایت‌بخش نیست. این به طور قابل توجهی ادغام بالقوه دنیای واقعی آنها را در ماژول های ترموالکتریک محدود می کند.
محققان دانشگاه علم و فناوری پوهانگ، دانشگاه جورج واشنگتن و سایر مؤسسات اخیراً استراتژی جدیدی را برای طراحی مواد ترموالکتریک بر اساس سلنید مس (Cu2Se) معرفی کرده اند.
این استراتژی، که در مقاله ای در Nature Energy منتشر شده است، به آنها اجازه داد تا با استفاده از تکنیک هایی که می توانند تولید مثل در مقیاس بزرگ آسان تر باشند، مواد امیدوارکننده ای را برای تولید توان بالا طراحی کنند.
جائه سونگ سون، یکی از نویسندگان مقاله، به Tech Xplore گفت: «دستگاه های ترموالکتریک سنتی از پایه های نیمه هادی نوع p و n، به شکل مکعبی، که در یک پیکربندی ترموکوپل چیده شده اند، تشکیل شده است. در این دستگاه‌ها، طراحی این پایه‌ها از نظر طول و نسبت ابعاد، برای بهینه‌سازی مقاومت‌های حرارتی و الکتریکی برای به حداکثر رساندن تولید برق بسیار مهم است.
در این زمینه، هندسه‌های سه‌بعدی غیرمکعبی (3D) می‌توانند سطح بیشتری از کنترل را بر حمل‌ونقل حرارتی و الکتریکی ارائه دهند و به طور بالقوه عملکرد دستگاه را فراتر از آنچه که پایه‌های مکعبی می‌توانند به دست آورند، افزایش دهند.
در سال 2020، تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور Saniya LeBlanc در دانشگاه جورج واشنگتن مقاله ای را منتشر کرد که در آن تأثیر پایه های نیمه هادی مورد استفاده بر عملکرد ترموالکتریک ژنراتورهای برق ترموالکتریک را از طریق یک سری شبیه سازی بررسی می کرد. اما پتانسیل پاهای غیر مکعبی هنوز در محیط های آزمایشی ارزیابی نشده بود.
سون توضیح داد: «گروه ما روی پرینت سه بعدی مواد و دستگاه‌های ترموالکتریک کار می‌کند که به ما امکان می‌دهد هندسه پیچیده مواد ترموالکتریک را که با فرآیندهای تولید سنتی به دست نمی‌آیند، درک کنیم و تأثیر آنها بر عملکرد تولید برق را بررسی کنیم.
به عنوان بخشی از مطالعه خود، سون و همکارانش از شبیه سازی مدل المان محدود سه بعدی برای طراحی هندسه های غیر مکعبی برای پایه های نیمه هادی استفاده کردند. سپس آنها این طرح های هندسی را با استفاده از تکنیک های چاپ سه بعدی ساختند و عملکرد آنها را به صورت تجربی ارزیابی کردند.
Son گفت: «ما Cu2Se را به‌عنوان یک ماده مدل انتخاب کردیم، به دلیل کارایی بالای مواد در دماهای بالا. ما شبیه‌سازی‌های عددی روی هشت هندسه مختلف، اعم از مکعبی و غیر مکعبی، برای ارزیابی تولید برق در شرایط کاری مختلف انجام دادیم.
پرینت سه بعدی جوهرهای کلوئیدی مبتنی بر ذرات Cu2Se، که با افزودن پلی آنیون های Se82- اضافی طراحی شده است، ما را قادر می سازد تا هندسه های طراحی شده Cu2Se را ایجاد کنیم و عملکرد تولید انرژی آنها را در یک دستگاه تک پایه ارزیابی نسبی کنیم.
آزمایش‌های انجام‌شده توسط این تیم از محققان نتایج جالبی به همراه داشت و پتانسیل برخی از پایه‌های غیر مکعبی را نسبت به سایرین برجسته کرد. به طور خاص، این تیم مشاهده کردند که پاهایی با هندسه ساعت شنی شکل، بالاترین تولید انرژی را هم از نظر توان خروجی و هم از نظر کارایی دارند.
سون گفت: این بدیهی است که اولین نمایشی است که تاثیر هندسه سه بعدی را نشان می دهد. ما همچنین دریافتیم که تف جوشی فاز مایع کنترل شده باعث ایجاد نقص در گسل های انباشته با چگالی بالا و نابجایی های ناشی از آن می شود. این نقص ها هدایت حرارتی Cu2Se را کاهش داده و در نتیجه مقادیر ZT را تا 2.0 افزایش می دهد.
مطالعه اخیر سون و همکارانش تأیید می کند که هندسه سه بعدی مواد ترموالکتریک تأثیر قابل توجهی بر جریان الکتریکی که می توانند تولید کنند دارد. در حالی که آنها به طور خاص از استراتژی خود برای طراحی مواد مبتنی بر Cu2Se استفاده کردند، در آینده می‌توان آن را برای انواع دیگر مواد ترموالکتریک به کار برد و به محققان این امکان را می‌دهد تا عملکرد مولدهای انرژی ترموالکتریک را بدون تغییر خواص ذاتی آنها افزایش دهند.
“در مطالعات آتی خود، هندسه های غیر مکعبی را برای سیستم های ترموالکتریک مختلف، مانند سگمن ها به کار خواهیم برد. سون افزود: دستگاه‌های ted و ماژول‌های خنک‌کننده Peltier. علاوه بر این، ادغام ابزارهای طراحی ساختاری با ترموالکتریک می‌تواند عملکرد و دوام دستگاه را بیشتر کند.
