تبدیل گرمای خروجی از هواپیما و اگزوز خودرو به برق با فناوری جدید در آمریکا
یک ژنراتور ترموالکتریک کامپکت که توسط پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا ساخته شده است، می‌تواند گرمای خروجی از خودروها، هلیکوپترها و وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAVs) را به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل کند. به گفته یک بیانیه مطبوعاتی، نمونه اولیه ساخته شده توسط تیم به خروجی قدرت ۴۰ وات، که برای روشن کردن یک لامپ کافی است، دست یافته است.
به خوبی شناخته شده است که کارایی موتورهای احتراق داخلی، که معمولاً وسایل نقلیه را نیرو می‌دهند، فقط حدود ۲۵ درصد است. به عبارت دیگر، وقتی از یک وسیله نقلیه استفاده می‌کنیم، سه‌چهارم از انرژی ذخیره شده در بنزین هدر می‌رود و به صورت گرما خارج می‌شود.
در حالی که جهان با افزایش انتشار کربن و توسعه‌های عقب‌افتاده در زمینه فناوری انرژی پاک که نهایتاً می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی شود، درگیر می‌شود، نیاز به اقدامات فناوری بیشتری وجود دارد که می‌توانند به کاهش انتشارها از تکنولوژی‌های موجود کمک کنند.
تیم تحقیقاتی در دپارتمان مهندسی مکانیک برای بهبود تبدیل انرژی در موتورهای گازی با یک ژنراتور ترموالکتریک که گرمای هدررفته را به انرژی تبدیل می‌کند، کار کرد.
مشکلات با ژنراتورهای ترموالکتریک
ژنراتورهای ترموالکتریک از تفاوت دمای اعمال‌شده بر روی یک ماده استفاده می‌کنند و آن را به انرژی تبدیل می‌کنند. این مفهوم مدتی است که وجود دارد و معمولاً از مواد نیمه‌رسانا برای این منظور استفاده می‌کند.
با این حال، طراحی ژنراتورها پیچیده است و به یک سیستم خنک‌کننده خارجی برای حفظ تفاوت دما متکی است. این نیاز به استفاده از یک سیستم خنک‌کننده بر پایه آب دارد که به اندازه ژنراتور افزوده و استفاده از آن را کمتر انعطاف‌پذیر می‌کند.
تیم تحقیقاتی به رهبری ونژی لی و بد پودل در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا با استفاده از یک رویکرد طراحی نوآورانه به این کمبودها پاسخ دادند.
ژنراتور ترموالکتریک با مبدل‌های حرارتی
به جای اتکا به سیستم خنک‌کننده بر پایه آب، محققان از مبدل‌های حرارتی استفاده‌شده در سیستم‌های تهویه مطبوع برای جذب گرمای منتشرشده از لوله‌های اگزوز استفاده کردند.
ژنراتور ترموالکتریک از ماده نیمه‌رسانا بیسموت-تلوراید ساخته شد و تیم نیز یک جز اضافی به نام هیت‌سینک به طراحی خود اضافه کرد. نقش هیت‌سینک این است که تفاوت دمای سیستم را افزایش دهد، که به طور مستقیم با مقدار انرژی خروجی تولیدشده مرتبط است.
ژنراتور نمونه ۴۰ وات خروجی قدرت کسب کرد که برای روشن کردن یک لامپ کافی است. اما مهم‌تر از آن، محققان دریافتند که شرایط جریان هوای بالا در لوله‌های اگزوز به بهبود خروجی انرژی از ژنراتور کمک می‌کند.
سپس تیم در محیط‌هایی شبیه‌سازی‌هایی انجام داد که در آن شرایط این چنینی وجود دارد و متوجه شدند که سیستم آنها می‌تواند زمانی که بکار می‌رود، انرژی بیشتری تولید کند. به عنوان مثال، خروجی ژنراتور هنگامی که در یک خودرو استفاده شد، تخمین زده شد که ۵۶ وات باشد. با این حال، اگزوز یک بالگرد می‌تواند ۱۴۶ وات انرژی تولید کند، که معادل ۱۲ باتری لیتیوم-یونی است.
از آنجا که این سیستم می‌تواند در خروجی‌های اگزوز ترکیب شود و به زیرساخت خنک‌کننده اضافی متکی نیست، می‌تواند بر روی وسایل نقلیه موجود نیز نصب شود. محققان اطمینان دارند که این امر راهی برای ادغام دستگاه‌های ترموالکتریک در وسایل نقلیه روزمره و بازیابی انرژی‌ای که در غیر این صورت هدر می‌رود فراهم می‌کند.
نتایج این پژوهش در ACS Applied Materials & Interfaces منتشر شد.
