رفتن به مطلب

ترموالکتریک در صنعت خوردو و کاهش مصرف سوخت


ارسال های توصیه شده

دانشمندی به نام «سی بک» در سال ۱۸۲۳ دریافت اگر محل اتصال دو فلز ناهمانند دارای اختلاف دمایی باشد، افت ولتاژ ایجاد می شود. بعدها این پدیده به نام «پدیده سی بک» شناخته شد. حالت معکوس این پدیده آن است که اگر افت ولتاژی در محل اتصال این دو فلز حفظ شود، یکی از آنها گرم و دیگری سرد می شود که به آن «پدیده Peltier» می گویند. در سال های بعد دانشمندان دیگری نشان دادند وقتی قطره آبی در محل اتصال سیم های فلزی ساخته شده از آنتیموان و بیسموت ریخته و جریان الکتریسیته اعمال شود، این قطره آب یخ خواهد زد و زمانی که جریان معکوس می شود، یخ ذوب می شود. این موضوع از اصول سرمایش ترموالکتریکی به شمار می رود. علت این پدیده آن است که الکترون ها حامل انرژی گرمایی هستند و می توانند توسط اعمال ولتاژ از باتری، از انتهای سرد به انتهای گرم حرکت کنند. بر این اساس حدود دو دهه بعد موضوع ساخت یخچال های ترموالکتریکی برای خانه ها مطرح شد که در آنها از نیمه هادی ها بهره گرفته شد. بعدها این موضوع به علت محدودیت در سرمایش توسعه چندانی نیافت ولی مثلاً در خودرو برای خنک کردن نوشابه مورد استفاده قرار گرفت. امروزه با توجه به افزایش قیمت حامل های انرژی در سطح جهان، دانشمندان در پی آن هستند که با بهره گیری از مواد ترموالکتریک بتوانند حرارت های ناخواسته را به این مواد اعمال کرده و الکتریسیته تولید کنند. یکی از مشهورترین این حرارت های ناخواسته همانا حرارت خروجی از اگزوز خودرو است که گروه های زیادی از محققان سعی در بهره برداری از این حرارت دارند.(علاقه مندان به دیگر روش های جدید برای تولید برق می توانند به مقاله «منابع تازه انرژی در راه است» روزنامه اعتماد، مورخ ۲۸/۳/۸۷ مراجعه کنند.)

خودروی شما بین ۷۰- ۶۰ درصد از انرژی ورودی را به صورت گرما هدر می دهد. این در حالی است که با افزایش کارایی مواد ترموالکتریک می توان این شرایط را تغییر داده و این حرارت را به الکتریسیته تبدیل کرد.

همان طور که می دانید در موتورهای بخار از حرارت برای تولید بخار جهت به حرکت درآوردن تجهیزات استفاده می شود. همان طور که بیان شد، در تجهیزات ترموالکتریکی نیز به طریق مشابه می توان از حرارت برای حرکت الکترون ها در مسیر مورد نیاز بهره جست. از آنجایی که در اکثر تجهیزات مکانیکی و الکتریکی حرارت غیرمفید تولید می شود، می توان با بهره گیری از مواد ترموالکتریک از این حرارت مقادیر زیادی انرژی مفید به دست آورد.

مطالب فوق بدان معنی است که با قرار دادن قطعات کوچکی از مواد ترموالکتریک در سطوح گرم یا داغ(مثل اگزوز خودروها یا پروسسور کامپیوترها)، می توان انرژی تولید کرد.

البته مشکل اینجا است که مواد ترموالکتریک کنونی دارای راندمان پایینی هستند. این راندمان توسط عدد ZT (ZT figure) تعریف می شود. باید گفت به رغم چندین دهه پژوهش هنوز بهترین مواد ترموالکتریک دارای عدد ZT نزدیک به یک هستند و فقط زمانی که بتوان این عدد را به حدود ۳ تا ۴ رساند، می توان این روش را با دیگر روش های تولید برق مقایسه کرد.

● بهبود راندمان

یکی از متغیرهای عدد ZT، مقدار حرارتی است که یک قطعه مشخص از مواد ترموالکتریک می تواند در یک لحظه به برق تبدیل کند. امروز به اثبات رسیده است که می توان این خاصیت را بهبود بخشید. جوزف هرمانس و ولادیمیر یوویچ از دانشگاه ایالتی اهایو روشی را برای تغییر این خاصیت در ماده تلورید سرب(مرسوم ترین ماده ترموالکتریک) یافته اند.

اساساً درون ماده تلورید سرب تعداد معدودی الکترون با امکان دارا بودن انرژی کافی برای تبدیل حرارت به الکتریسیته وجود دارد. اصطلاحاً به این انرژی، انرژی یا سطح فرمی گفته می شود.

افراد فوق الذکر در آزمایش های خود دریافتند با افزودن مقادیر کمی تالیم به ترکیب تلورید سرب می توان الکترون های بیشتری را به این سطح از انرژی رساند. این موضوع به دلیل رزونانس(تشدید) مناسب بین الکترون های موجود در تالیم با ماده تلورید سرب است.

آزمایش ها نشان می دهد بهترین کارایی معجون تالیم با تلورید سرب، در دمای ۵۱۰-۲۳۰ درجه سانتیگراد حاصل شده است که این معادل دمای موتور خودروها است. ضمناً در دمای ۵۱۰ درجه سانتیگراد عدد ZT به ۵/۱ می رسد.

● تلفیق دو راهکار

هرمانس می گوید؛«در سال ۲۰۰۶ پروفسور ماهانتی از دانشگاه ایالتی میشیگان موفق به محاسبه رزونانس خاص بین الکترون های تالیم و الکترون های اتم تلوریم شد.»

البته اوایل این سال ژیفنگ رن و گروه همکارش از کالج بوستون در ماساچوست توانسته بودند ماده ترموالکتریکی با عدد ZT معادل ۴/۱ را از روش دیگری تولید کنند. آنها به روش فیزیکی ساختمان کریستالی تلورید بیسموت، آنتیموان را به نحوی تغییر دادند تا حرارت عبوری از این ماده کاهش یابد و بدین طریق نسبت حرارت تبدیل شده به الکتریسیته افزایش یابد که این به معنی افزایش راندمان است.

در این باره رن متذکر شده است؛«پس از دستاوردهای ما در زمینه بهبود عدد ZT اکنون زمان مناسبی برای مشاهده نتایج به دست آمده توسط هرمانس ویوویچ است.» یوویچ نیز می گوید؛«نکته جالب آن است که حالا ما می توانیم دیدگاه جدید خود را با دیدگاه جدید گروه رن در هم بیامیزیم. هر چند تخمین محدوده ZT حاصل از این تلفیق کار سختی است ولی واضح است که به عدد ZT بالاتر از ۵/۱ خواهیم رسید.»

● تئوری در مرحله اجرا

همان طور که ذکر شد، با استفاده از گازهای بدبوی خروجی از اگزوز خودروها می توان مصرف سوخت خودرو را کاهش داد. اخیراً وزارت انرژی امریکا از خودروسازان خواسته است با به خدمت گرفتن انرژی اتلافی در اگزوز خودروها، مصرف سوخت را به میزان ۱۰ درصد کاهش دهند و محققان نیز درتلاشند به این هدف تعیین شده، دست یابند. شرکت جنرال موتورز در حال رسیدن به این هدف است ولی باید اذعان کرد این شرکت در این مسیر تنها نیست و یکی از زیرمجموعه های خودروسازی BMW به همراه دانشگاه ایالتی اهایو توجه خود را روی این موضوع معطوف کرده اند. نهایتاً این موضوع به بحث «مواد ترموالکتریک» مربوط شد. نباید فراموش کرد این بحث دربرگیرنده دانشی است که طی آن سعی می شود از اختلاف دما برای تولید الکتریسیته و برق استفاده کرد و برای رشد این دانش نیز هیچ زمانی بهتر از دوره کنونی نیست که قیمت سوخت افزایش یافته است و همه از راهکارهای صرفه جویی در مصرف سوخت حمایت می کنند.

یانگ که یکی از محققان شرکت جنرال موتورز است، اظهار می دارد با قرار دادن صفحات فلزی خاص در اطراف اگزوز خودروی شورولت مدل Suburban توانسته اند ۵ درصد از مصرف سوخت این خودرو بکاهند که این به معنی افزایش مسافت یک مایل به ازای هر گالن سوخت است که در خودروهای کوچک تر، کاهش مصرف سوخت بیش از این ارقام خواهد بود. باید توجه داشت شرکت جنرال موتورز اعلام کرده است رسیدن به کاهش ۱۰ درصدی در مصرف سوخت، فقط در خودروهای ساخت این شرکت باعث صرفه جویی معادل ۱۰۰ میلیون گالن سوخت در سال برای امریکا خواهد شد. از نظر یانگ «این موضوع بسیار جذابی است.»

در همین ارتباط وزارت انرژی امریکا با پرداخت قسمتی از هزینه این تحقیقات به خودروسازان توانسته است آنها را در ساخت یک ژنراتور ترموالکتریک برای کامیون های سنگین یاری کند. ۱۲ سال پیش، این مولد تست هایی معادل ۵۵۰ هزار مایل را از سر گذراند. فیر بانکز مدیر توسعه تکنولوژی ترموالکتریک این وزارتخانه است. او متذکر شده است موفقیت دستگاه فوق به راه اندازی یک رقابت در سال ۲۰۰۴ منجر شد تا دستگاهی ساخته شود که بتواند یا جایگزین دینام شود یا به عملکرد آن کمک کند.

برای این رقابت سه گروه انتخاب شدند که شرکت جنرال موتورز و شرکت BSST که از سازندگان مواد ترموالکتریک به شمار می رفت، روی خودروهای سواری متمرکز شدند و دانشگاه ایالتی میشیگان توجه خود را به کامیون های سنگین معطوف کرد. او می افزاید ساخت ژنراتورهای ترموالکتریک طی سه سال آینده به تولید انبوه خواهد رسید. او می گوید؛«این فناوری احتمالاً در کوتاه ترین زمان بیشترین تاثیر را خواهد گذاشت.»

اساساً این فناوری شبیه چیزی است که سازمان ناسا برای تولید الکتریسیته در کاوشگر های فضایی به خدمت می گیرد، چون در آنجا نیز تجهیزات مستعد سایش وجود دارند. امروزه حدود ۳۰ سال است که از فناوری ترموالکتریک در کاوشگرهای فضایی استفاده می شود.

همان طور که بیان شد دستگاه های ترموالکتریک به دو صورت کار می کنند، یعنی اگر به آنها برق داده شود، می توان از آنها برای سرمایش یا گرمایش استفاده کرد ولی اگر بر آنها اختلاف درجه حرارت اعمال شود، می توان از آنها الکتریسیته گرفت.

البته خودروسازان بر کارکرد دوم آن متمرکز شده اند. این بدان خاطر است که در یک موتور احتراق داخلی فقط حدود یک چهارم از انرژی بنزین صرف چرخاندن چرخ ها می شود و حدود ۴۰ درصد از این انرژی از اگزوز خارج می شود و حدود ۳۰ درصد باقیمانده نیز از طریق خنک کردن موتور از بین می رود. این بدان معنی است که حدود ۷۰ درصد از انرژی سوخت هدر می رود. حال اگر بتوان قسمتی از این انرژی را بازیابی و به الکتریسیته تبدیل کرد، می توان بهره وری از سوخت را افزایش داد.

قابل ذکر است که یک خودروی شورولت مدل Suburban طی یک سیکل ترافیک شهری حدود ۱۵ کیلووات توان حرارتی را از اگزوز خارج می کند که با این توان قادر خواهیم بود سه یا چهار کولر گازی را به طور همزمان به کار بگیریم.

البته از آنجایی که نمی توان تمامی حرارت خروجی از اگزوز خودرو را تحت کنترل درآورد، بنابراین طبق اطلاعات موجود هنگامی که سرعت این خودرو حدود ۶۰ - ۵۰ مایل در ساعت است، این مولد می تواند ۸۰۰ وات توان تولید کند. با این میزان الکتریسیته می توان تجهیزاتی از قبیل دستگاه GPS، دستگاه دی وی دی، رادیو و احتمالاً پمپ آب خودرو را به کار انداخت.

قرار است دستگاه ساخته شده توسط گروه یانگ سال آینده در این خودروی شورولت به خدمت گرفته و آزمایش شود. البته قرار است دستگاه ساخته شده توسط محققان دانشگاه ایالتی اهایو و شرکت BSST نیز در سال ۲۰۰۹ روی یک خودروی BMW نصب شود.

همان طور که قبلاً نیز بیان شد، ژنراتورهای ترموالکتریک با گرم شدن یک قطعه فلزی شروع به کار می کنند. چون الکترون های برانگیخته شده به سمت قسمت فلزی سرد حرکت می کنند که این حرکت باعث ایجاد جریان الکتریسیته می شود.

هنوز مشخص نیست قیمت این ژنراتور به چه میزان قیمت خودرو را افزایش می دهد و بر این اساس دانشمندان به دنبال آن هستند که این دستگاه را اقتصادی تر کنند. بل ریاست شرکت BSST را بر عهده دارد که یکی از زیرمجموعه های شرکت Amerigon Inc است. او در مورد این ژنراتور می گوید؛ «تا تجاری سازی این مواد ترموالکتریک در خودروها چند مرحله دیگر وجود دارد، ولی ما خوشبین هستیم می توانیم با موفقیت از پس آنها برآییم.»

البته شرکت BSST هم اکنون در پروژه دیگری ضمن همکاری با شرکت Ford Motor Co، قرار است بر پایه مواد ترموالکتریک سیستم هایی را برای کنترل شرایط آب و هوایی توسعه دهد.

در این پروژه شرکت فورد سیستمی را خواهان است که به جای آنکه همیشه مقدار زیادی هوا را به درون تمامی فضای خودرو بدمد تا دمای اتاق خودرو را تغییر دهد، به گونه یی عمل کند که فرد احساس خنکی کند.

مارانویل یکی از محققان شرکت فورد است. او در مورد این پروژه می گوید؛ «ما فکر می کنیم می توانیم سریع تر احساس خنک شدن را به افراد منتقل کنیم تا سریع تر احساس آرامش کنند و این در حالی است که توان کمتری نیز صرف سیستم تهویه مطبوع خودرو خواهد شد.»

البته شرکت هوندا نیز از تحقیق های دانشگاهی در زمینه سیستم های ترموالکتریک حمایت می کند ولی یکی از سخنگویان آنها اعلام کرده است شرکت آنها دارای برنامه تحقیقاتی در این زمینه نیست.

(همان طور که در مقاله «شیوه های تامین انرژی در خودروهای جدید» روزنامه اعتماد، مورخ

۳۰/۴/۸۷ ذکر شد، قرار است در نسل جدید خودروهای هیبریدی پریوس مجموعه یی از سلول های خورشیدی روی سقف آنها تعبیه شود که در صورت تحقق این موضوع و به کارگیری مواد ترموالکتریک در خودروهای جدید می توان تصور کرد وضعیت تولید الکتریسیته در خودروها به چه میزان تغییر کرده و بهبود خواهد یافت.)

با توسعه مواد ترموالکتریک می توان امیدوار بود در آینده بتوان از انرژی های حرارتی اتلافی در نیروگاه های برق و به خصوص دود خروجی از توربین های گازی، مجدداً الکتریسیته تولید کرد.

 

 

 

چند نوع استفاده از ترمو الکتریک

all_modules.jpg

800px-Peltierelement_16x16.jpg

picture_033.jpg

nafti.jpg

لینک به دیدگاه

به گفتگو بپیوندید

هم اکنون می توانید مطلب خود را ارسال نمایید و بعداً ثبت نام کنید. اگر حساب کاربری دارید، برای ارسال با حساب کاربری خود اکنون وارد شوید .

مهمان
ارسال پاسخ به این موضوع ...

×   شما در حال چسباندن محتوایی با قالب بندی هستید.   حذف قالب بندی

  تنها استفاده از 75 اموجی مجاز می باشد.

×   لینک شما به صورت اتوماتیک جای گذاری شد.   نمایش به صورت لینک

×   محتوای قبلی شما بازگردانی شد.   پاک کردن محتوای ویرایشگر

×   شما مستقیما نمی توانید تصویر خود را قرار دهید. یا آن را اینجا بارگذاری کنید یا از یک URL قرار دهید.

×
×
  • اضافه کردن...