An experimental study on the balancing of heat exchanger surface temperature distribution and module output power in a TEG containing multiple thermoelectric modules via integrated PCM
تُظهر هذه الدراسة التجريبية أن دمج مادة تغيير الطور المعززة بالنانو في المبادل الحراري للجانب البارد لمولد كهروحراري متعدد الوحدات يعمل بفعالية على تجانس توزيع درجة حرارة السطح، مما يؤدي إلى موازنة مخرجات الوحدات الفردية وزيادة إجمالي توليد الطاقة ومعدلات استرداد طاقة الوقود، لا سيما مع استخدام جزيئات الغرافيت النانوية عند سرعات المحرك العالية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
كل محرك سيارة هو آلة قائمة على التسويات. فهو يحرق الوقود لتوليد الحركة، لكن قوانين الفيزياء تملي أن معظم تلك الطاقة لا تصل أبداً إلى العجلات. بدلاً من ذلك، تتسرب كحرارة، تندفع من أنبوب العادم أو تشع من كتلة المحرك. لعقود من الزمن، نظر المهندسون إلى هذه الحرارة المفقودة كخسارة لا مفر منها، كضريبة ضرورية على عملية الاحتراق. ومع ذلك، توجد تقنية واعدة لاستعادة جزء من هذه الطاقة الضائعة: المولد الكهروحراري. تعمل هذه الأجهزة مثل البطاريات ذات الحالة الصلبة التي تعمل بالحرارة؛ فهي تحتوي على مواد خاصة تولد الكهرباء كلما كان أحد جانبيها ساخناً والآخر بارداً. وكلما زاد الفرق في درجات الحرارة بين الجانبين، زادت الطاقة التي تنتجها. غير أن التحدي يكمن في أن المحركات في العالم الحقيقي فوضوية؛ فبينما يتدفق غاز العادم عبر النظام، فإنه يبرد بسرعة، مما يخلق وضعاً يكون فيه الجزء الأمامي من المولد لافحاً بينما يكون الجزء الخلفي دافئاً فحسب. هذا التفاوت يتسبب في جعل وحدات توليد الطاقة الفردية داخل الجهاز تعمل بمستويات متفاوتة، تماماً مثل فريق من العدائين حيث يركض بعضهم بأقصى سرعة بينما يهرول الآخرون ببطء، مما يؤدي إلى خفض السرعة الإجمالية للمجموعة.
وضع باحثون في جامعة سليم دميريل في تركيا نصب أعينهم حل هذه المشكلة المحددة المتمثلة في عدم الانتظام. فقد صنعوا مولداً كهروحرارياً مصمماً لالتقاط الحرارة من عادم محرك يعمل بالبروبان. كان الجهاز عبارة عن صندوق مستطيل كبير يحتوي على أربع وعشرين وحدة طاقة فردية مرتبة في طبقات. وللحفاظ على برودة الجانب البارد من هذه الوحدات، استخدموا نظام تبريد قياسي مملوء بسائل تبريد المحرك. ومع ذلك، أدركوا أن مجرد ضخ السائل عبر الأنابيب لم يكن كافياً لتلطيف طفرات درجات الحرارة الناتجة عن تقلبات العادم. ولحل هذه المشكلة، أدخلوا مادة تغيير الطور، وهي مادة تشبه الشمع تمتص كمية هائلة من الحرارة أثناء انصهارها، لتعمل كإسفنجة حرارية. لقد ملأوا المساحة المحيطة بأنابيب التبريد بهذه المادة، آملين أن تمتص الحرارة الزائدة وتطلقها ببطف، مما يخلق درجة حرارة أكثر توازناً عبر الجهاز بأكمله.
لم يتوقف الفريق عند استخدام الشمع وحده، فقد علموا أنه رغم براعة هذه المواد في تخزين الحرارة، إلا أنها غالباً ما تكون ضعيفة في نقلها. ولإصلاح ذلك، قاموا بخلط جزيئات دقيقة من مادتين مختلفتين: أكسيد الألومنيوم والجرافيت. وقد صنعوا ثلاث نسخ من نظام التبريد الخاص بهم للمقارنة بينها: نسخة مملوءة بالشمع النقي، ونسخة ممزوجة بالشمع مع عشرة بالمائة من أكسيد الألومنيوم، ونسخة ثالثة ممزوجة بالشمع مع عشرة بالمائة من الجرافيت. ثم قاموا بتشغيل المحرك بسرعات مختلفة، من ألفي إلى أربعة آلاف دورة في الدقيقة، وقاسوا مقدار الكهرباء التي أنتجها كل إصدار ومدى انتظام توزيع تلك الطاقة بين الوحدات الأربع والعشرين.
أظهرت النتائج أن الشمع وحده كان مفيداً، لكن إضافة الجزيئات أحدثت فرقاً كبيراً. فقد أثبت مزيج الجرافيت، على وجه الخصوص، أنه الأكثر فعالية؛ ولأن الجرافيت ينقل الحرارة بشكل أفضل بكثير من أكسيد الألومنيوم، فقد سمح للشمع بنشر الطاقة الحرارية بسرعة وتساوٍ أكبر عبر نظام التبريد. وهذا يعني أن الوحدات الموجودة في خلف المولد، والتي عادة ما تستقبل حرارة أقل، كانت قادرة على اللحاق بالوحدات الموجودة في المقدمة. في نظام الشمع النقي، أنتجت المجموعة الأولى من الوحدات ما يقرب من ضعف الطاقة التي أنتجتها المجموعة الأخيرة عند السرعات العالية. أما مع مزيج الجرافيت، فقد تقلصت تلك الفجوة بشكل كبير، مما جعل أداء جميع الوحدات متقارباً للغاية. هذا التوازن في الأداء سمح للنظام بأكره على توليد إجمالي كهرباء أكبر. وعند أعلى سرعة للمحرك تم اختبارها، أنتج النظام المعزز بالجرافيت طاقة تزيد بنسبة ستة بالمائة عن النظام الذي يستخدم الشمع النقي وحده.
وبعيداً عن مجرد توليد المزيد من الطاقة، جعل النظام المحسن المحرك أكثر كفاءة قليلاً في استعادة الطاقة من نفاياته الخاصة. فقد ساعد مزيج الجرافيت نظام التبريد على سحب المزيد من الحرارة من العادم، مما أدى إلى خفض درجة حرارة الغاز الخارج من الجهاز ورفع درجة حرارة سائل التبريد الخارج من النظام. وقد أشار هذا إلى أنه يتم التقاط المزيد من الحرارة وتحويلها إلى كهرباء بدلاً من فقدانها في الغلاف الجوي. أكدت الدراسة أنه باستخدام خليط ذكي من الشمع والجزيئات الموصلة، يمكن ترويض الحرارة الفوضوية لعادم المحرك وتحويلها إلى تيار ثابت وموثوق من الكهرباء. ورغم أن إجمالي الطاقة المستردة لا يزال يشكل جزءاً صغيراً من إجمالي إنتاج المحرك، إلا أن هذه الطريقة توفر وسيلة سلبية وموثوقة لتحسين كفاءة المركبات والآلات الصناعية دون إضافة أجزاء متحركة معقدة أو عناصر تحكم إلكترونية. وتشير الأبحاث إلى أن مفتاح إطلاق المزيد من الطاقة من الحرارة المهدرة لا يكمن فقط في التقاط الحرارة، بل في إدارة كيفية انتقال تلك الحرارة عبر النظام.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.