في السنوات الأخيرة، عمل المهندسون والعلماء في جميع أنحاء العالم على تطوير تقنيات جديدة لتوليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة، بما في ذلك الخلايا الكهروضوئية وطواحين الهواء ومولدات الطاقة الكهرومائية.
ومن بين الحلول البديلة للتخفيف من تأثير تغير المناخ تحويل الحرارة الزائدة أو المهدرة التي تولدها الصناعات والأسر والبيئات الطبيعية الحارة إلى كهرباء.
تعتمد هذه الطريقة، المعروفة بتوليد الطاقة الكهروحرارية، على استخدام مواد ذات خصائص كهروحرارية قيمة.
وعلى وجه التحديد، عندما تتعرض هذه المواد لدرجات حرارة عالية بشكل خاص على أحد الجانبين ودرجات حرارة أكثر برودة على الجانب الآخر، تبدأ الإلكترونات الموجودة داخلها في التدفق من الجانب الساخن إلى الجانب الأكثر برودة، مما يولد جهدًا كهربائيًا .
في حين حددت الأعمال الأخيرة بعض المواد الكهروحرارية الواعدة، فإن أداء الوحدة غير مرضٍ بسبب التحديات المرتبطة بتصميم وتصنيع هياكل الوحدة المثالية.
وهذا يحد بشكل كبير من إمكانية دمجها في العالم الحقيقي في الوحدات الكهروحرارية.
استخدام تقنيات يمكن إعادةإنتاجها بسهولة
قدم مؤخرا باحثون في جامعة بوهانج للعلوم والتكنولوجيا وجامعة جورج واشنطن ومعاهد أخرى استراتيجية جديدة لتصميم المواد الحرارية الكهربائية على أساس سيلينيد النحاس (Cu 2 Se).
وقد سمحت لهم هذه الاستراتيجية، التي تم توضيحها في ورقة بحثية نشرت في مجلة Nature Energy ، بتصميم مواد واعدة لتوليد الطاقة العالية باستخدام تقنيات يمكن إعادة إنتاجها بسهولة على نطاق واسع.
صرح جاي سونج سون، المؤلف المشارك في البحث، لـ “تتكون الأجهزة الحرارية الكهربائية التقليدية من أرجل أشباه الموصلات من النوع p وn، على شكل مكعب، مرتبة في تكوين حراري”، “في هذه الأجهزة، يعد تصميم هذه الأرجل، من حيث الطول ونسبة العرض إلى الارتفاع ، أمرًا بالغ الأهمية لتحسين المقاومة الحرارية والكهربائية لتعظيم توليد الطاقة.
“في هذا السياق، يمكن أن توفر الأشكال الهندسية ثلاثية الأبعاد غير المكعبة مستوى إضافيًا من التحكم في النقل الحراري والكهربائي، مما قد يعزز أداء الجهاز بشكل يتجاوز ما يمكن أن تحققه الأرجل المكعبة.”
في عام 2020، نشر فريق البحث بقيادة البروفيسور سانيا لوبلانك في جامعة جورج واشنطن ورقة بحثية تستكشف تأثير الأرجل المصنوعة من أشباه الموصلات المستخدمة في الأداء الحراري الكهربائي لمولدات الطاقة الحرارية الكهربائية ، من خلال سلسلة من عمليات المحاكاة، ولكن لم يتم بعد تقييم إمكانات الأرجل غير المكعبة في الإعدادات التجريبية.
الطباعة ثلاثية الأبعاد للموادوالأجهزة الحرارية الكهربائية
وأوضح سون أن “مجموعتنا تعمل على الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد والأجهزة الحرارية الكهربائية التي من شأنها أن تسمح لنا بإدراك الهندسة المعقدة للمواد الحرارية الكهربائية التي لا يمكن تحقيقها من خلال عمليات التصنيع التقليدية والتحقيق في تأثيرها على أداء توليد الطاقة”.
وكجزء من دراستهم، استخدم سون وزملاؤه محاكاة نموذج العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد لتصميم أشكال هندسية غير مكعبية لأرجل أشباه الموصلات. ثم قاموا بتصنيع هذه التصاميم الهندسية باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد وتقييم أدائها تجريبياً.
وقال سون “لقد اخترنا Cu 2 Se كمواد نموذجية، نظرًا لكفاءتها العالية في درجات الحرارة المرتفعة. لقد أجرينا محاكاة رقمية على ثمانية أشكال هندسية مختلفة، سواء كانت مكعبية أو غير مكعبية، لتقييم توليد الطاقة في ظل ظروف عمل مختلفة.
وأضاف ” الطباعة ثلاثية الأبعاد لأحبار الغروانية القائمة على جزيئات Cu 2 Se، المصممة بإضافة بوليانيونات Se 8 2- إضافية، مكنتنا من إنشاء الأشكال الهندسية المصممة لـ Cu 2 Se وتقييم أدائها في توليد الطاقة بشكل مقارن في جهاز أحادي الساق.”
نتائج مثيرة للاهتمام
وقد أسفرت التجارب التي أجراها هذا الفريق من الباحثين عن نتائج مثيرة للاهتمام، حيث سلطت الضوء على إمكانات بعض الأرجل غير المكعبة مقارنة بغيرها، وعلى وجه التحديد، لاحظ الفريق أن الأرجل ذات الشكل الهندسي على شكل الساعة الرملية حققت أعلى معدل توليد للطاقة، سواء من حيث قوة الإخراج أو الكفاءة.
وقال سون “من الواضح أن هذه هي أول تجربة تظهر تأثير الهندسة ثلاثية الأبعاد.
كما وجدنا أن التلبيد المتحكم فيه في الطور السائل يسمح بتكوين عيوب تكديس عالية الكثافة والخلع الناتج عنها، أدت هذه العيوب إلى تقليل التوصيل الحراري لـ Cu 2 Se وبالتالي تعزيز قيم ZT حتى 2.0”.
تطبيقها في المستقبل علىأنواع أخرى
وتؤكد الدراسة الأخيرة التي أجراها سون وزملاؤه، أن الهندسة ثلاثية الأبعاد للمواد الكهروحرارية لها تأثير كبير على التيار الكهربائي الذي يمكنها توليده.
وفي حين استخدموا استراتيجيتهم على وجه التحديد لتصميم مواد تعتمد على Cu 2 Se، فإنه يمكن تطبيقها في المستقبل على أنواع أخرى من المواد الكهروحرارية، مما يسمح للباحثين بتعزيز أداء مولدات الطاقة الكهروحرارية دون تغيير خصائصها الجوهرية.
وأضاف سون: “في دراساتنا القادمة، سوف نطبق أشكالاً هندسية غير مكعبية على أنظمة حرارية كهربائية مختلفة، مثل الأجهزة المجزأة ووحدات التبريد بيلتييه.
وعلاوة على ذلك، فإن دمج أدوات التصميم الهيكلي مع الأنظمة الحرارية الكهربائية من شأنه أن يعزز أداء الأجهزة ومتانتها”.
المصدر / المستقبل الأخضر