Language
Country/Area
No result found
القوة الغامضة للمواد الحرارية الكهربائية: لماذا يمكنها تحويل الحرارة إلى كهرباء؟
أساسيات التأثير الحراري الكهربائي
هناك ثلاثة أشكال رئيسية للتأثير الحراري الكهربائي: تأثير سيبيك، تأثير بيلتييه وتأثير تومسون.
تأثير سيبيك هو عندما يحدث فرق في درجة الحرارة ويتم توليد جهد في المادة؛ وتأثير بيلتييه هو عندما يحرك التيار تدفق الحرارة؛ وتأثير تومسون هو عندما يعمل التيار وتدرج درجة الحرارة في وقت واحد وبشكل عكسي. التسخين أو ظاهرة التبريد.
في حين أن معظم المواد لها بعض التأثير الحراري الكهربائي، إلا أن هذا التأثير في كثير من الحالات يكون صغيراً للغاية بحيث لا يمكن استخدامه عملياً. أصبح اكتشاف مواد منخفضة التكلفة ذات تأثيرات حرارية كهربائية قوية بدرجة كافية محور الأبحاث الحالية. تعتبر المواد الحرارية الكهربائية القائمة على تيلوريد البزموت (Bi2Te3) الأكثر شيوعًا في السوق اليوم وتُستخدم في الأنظمة الحرارية الكهربائية للتبريد أو التدفئة.
الأداء المتفوق للمواد الحرارية الكهربائية
إن مفتاح تقييم فائدة مادة ما في الأنظمة الحرارية الكهربائية هو كفاءتها، والتي تعتمد على الموصلية الحرارية للمادة، والموصلية الكهربائية، ومعامل سيبيك، والتي تتغير مع درجة الحرارة.
غالبًا ما يتميز تفوق المواد الحرارية الكهربائية بدرجة الجدارة الحرارية الكهربائية Z (ZT)، وهو مؤشر شامل يمكن استخدامه للتنبؤ بأقصى قدر من كفاءتها في عملية تحويل الطاقة.
تتضمن صيغة حساب Z التوصيل الكهربائي ومعامل سيبيك والتوصيل الحراري للمادة. ستؤثر التركيبات المختلفة على الأداء العام للمادة. أظهرت الدراسات الحديثة أن زيادة معامل سيبيك مع تقليل التوصيل الحراري يمكن أن يعزز التأثير الحراري الكهربائي بشكل كبير.
كفاءة ومعامل القدرة للأجهزة الحرارية الكهربائية
يتم تعريف كفاءة الجهاز الحراري الكهربائي على أنها نسبة الطاقة المقدمة للحمل إلى الحرارة الممتصة عند الوصلة الساخنة. ورغم أن هذا قد يبدو بسيطاً، إلا أن تحسين كفاءة المعدات في الممارسة العملية يعد مهمة معقدة للغاية.
يتراوح معامل أداء أجهزة التبريد الكهروحرارية التجارية الحالية من 0.3 إلى 0.6، وهو جزء بسيط فقط من أداء أجهزة التبريد بالضغط البخاري التقليدية.
بالإضافة إلى ذلك، فإن معامل القدرة الحرارية الكهربائية هو معلمة مهمة أخرى، تعكس الطاقة التي يمكن للمادة أن تولدها في شكل وتكوين محددين. كلما ارتفع معامل القدرة، كلما زادت الطاقة المحولة بواسطة المادة الحرارية الكهربائية.
أهمية اختيار المواد تتضمن الاستراتيجيات لتحسين الأداء الحراري الكهربائي استخدام مواد ذات موصلية كهربائية عالية وموصلية حرارية منخفضة ومعامل سيبيك مرتفع. تعتبر المواد شبه الموصلة بشكل عام مواد حرارية كهربائية مثالية، وذلك بشكل أساسي بسبب هياكلها النطاقية.يقع مستوى فيرمي للمواد شبه الموصلة أسفل نطاق التوصيل، مما يسمح لها بتنفيذ حركة الناقل بكفاءة وتعزيز التأثير الحراري الكهربائي.
بالإضافة إلى ذلك، لتحسين الكفاءة، يجب أن تكون العلاقة التنافسية بين التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي متوازنة. يعد تقليل التوصيل الحراري للشبكة هو المفتاح لتحسين الأداء العام.
اتجاهات للبحوث المستقبلية
مع تعمق الأبحاث في المواد الحرارية الكهربائية، قد تشمل الاختراقات المستقبلية المحتملة تطوير سبائك جديدة، وبلورات معقدة، ومركبات نانوية متعددة المراحل. لا تستطيع هذه المواد الجديدة تحسين الأداء الحراري الكهربائي فحسب، بل إنها قادرة أيضًا على معالجة مشكلة التوصيل الحراري للمواد بشكل فعال.
في المستقبل، قد يكون من الممكن تطبيق تكنولوجيا الطاقة الحرارية الكهربائية في نطاق أوسع من المجالات وإنشاء حلول طاقة أكثر استدامة.
وبالتالي، فإن المواد الحرارية الكهربائية لا تلعب دورًا رئيسيًا في تكنولوجيا تحويل الطاقة فحسب، بل تتمتع أيضًا بإمكانيات غير محدودة في تطوير التكنولوجيا الصديقة للبيئة في المستقبل. إذن، ما هو الدور الذي تعتقد أن المواد الحرارية الكهربائية ستلعبه في التكنولوجيا الخضراء المستقبلية؟
