توليد الطاقة الكهروحرارية: تسخير الحرارة لإنتاج الكهرباء عالميًا

في عالم يركز بشكل متزايد على حلول الطاقة المستدامة، يظهر توليد الطاقة الكهروحرارية (TEG) كتقنية واعدة لتحويل الحرارة المهدرة مباشرة إلى كهرباء. تقدم هذه العملية، القائمة على تأثير Seebeck، نهجًا فريدًا لحصاد الطاقة ولديها القدرة على إحداث ثورة في مختلف القطاعات، من التصنيع الصناعي إلى هندسة السيارات وحتى الإلكترونيات الاستهلاكية. يستكشف هذا الدليل الشامل المبادئ والتطبيقات والتحديات والتوقعات المستقبلية لتوليد الطاقة الكهروحرارية، مع التركيز على آثارها العالمية وإمكاناتها لمستقبل طاقة أنظف.

ما هي الكهروحرارية؟

تشير الكهروحرارية إلى الظواهر المتعلقة بالتحويل المباشر للطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية والعكس صحيح. التأثيران الرئيسيان هما تأثير Seebeck وتأثير Peltier.

تأثير Seebeck

يصف تأثير Seebeck، الذي اكتشفه توماس يوهان Seebeck في عام 1821، توليد قوة دافعة كهربائية (جهد) في دائرة تتكون من مادتين موصلتين مختلفتين عندما يكون هناك فرق في درجة الحرارة بين الوصلتين. هذا الجهد، المعروف باسم جهد Seebeck، يتناسب طرديًا مع فرق درجة الحرارة. يستخدم المولد الكهروحراري (TEG) هذا التأثير لتحويل الحرارة إلى كهرباء.

تأثير Peltier

تأثير Peltier، الذي اكتشفه جان تشارلز أثناس Peltier في عام 1834، هو عكس تأثير Seebeck. عندما يمر تيار كهربائي عبر وصلة من مادتين موصلتين مختلفتين، يتم امتصاص الحرارة أو إطلاقها في الوصلة. يستخدم هذا التأثير في المبردات والسخانات الكهروحرارية.

مبادئ توليد الطاقة الكهروحرارية

المولدات الكهروحرارية (TEGs) هي أجهزة ذات حالة صلبة تحول الطاقة الحرارية مباشرة إلى طاقة كهربائية بناءً على تأثير Seebeck. يتكون TEG النموذجي من العديد من الأزواج الكهروحرارية الصغيرة المتصلة كهربائيًا على التوالي وحراريًا بالتوازي. يتكون كل زوج كهروحراري من مادة شبه موصلة من النوع p ومادة شبه موصلة من النوع n.

عندما يتعرض أحد جانبي TEG (الجانب الساخن) لمصدر حرارة ويتم الاحتفاظ بالجانب الآخر (الجانب البارد) في درجة حرارة منخفضة، يتم إنشاء فرق في درجة الحرارة. يدفع فرق درجة الحرارة هذا انتشار حاملات الشحنة (الإلكترونات في مادة من النوع n والثقوب في مادة من النوع p) من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، مما يخلق جهدًا. يعمل الاتصال التسلسلي للأزواج الكهروحرارية على تضخيم الجهد إلى مستوى قابل للاستخدام.

معلمات الأداء الرئيسية

يتم تحديد كفاءة TEG من خلال عدة عوامل، بما في ذلك:

• معامل Seebeck (S): مقياس لمقدار الجهد الكهروحراري الناتج لكل وحدة فرق في درجة الحرارة.
• التوصيل الكهربائي (σ): مقياس لمدى جودة توصيل المادة للكهرباء.
• التوصيل الحراري (κ): مقياس لمدى جودة توصيل المادة للحرارة. يساعد التوصيل الحراري المنخفض على الحفاظ على فرق درجة الحرارة عبر الجهاز.
• جدارة الاستحقاق (ZT): كمية لا بعدية تمثل الأداء الكهروحراري للمادة. يتم تعريفها على أنها ZT = S²σT/κ، حيث T هي درجة الحرارة المطلقة. تشير قيمة ZT الأعلى إلى أداء كهروحراري أفضل.

يعد تعظيم قيمة ZT أمرًا بالغ الأهمية لتحسين كفاءة TEGs. يعمل الباحثون بنشاط على تطوير مواد كهروحرارية جديدة ذات قيم ZT أعلى.

تطبيقات توليد الطاقة الكهروحرارية

يحتوي توليد الطاقة الكهروحرارية على مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة، بما في ذلك:

استعادة الحرارة المهدرة

تعد استعادة الحرارة المهدرة من أكثر التطبيقات الواعدة لـ TEGs. تولد الصناعات مثل التصنيع ومحطات الطاقة وأنظمة عادم السيارات كميات هائلة من الحرارة المهدرة التي يتم إطلاقها عادة في البيئة. يمكن استخدام TEGs لتحويل هذه الحرارة المهدرة إلى كهرباء، وتحسين كفاءة الطاقة وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

مثال: في ألمانيا، استكشفت BMW استخدام TEGs في أنظمة عادم المركبات لاستعادة الحرارة المهدرة وتحسين كفاءة استهلاك الوقود. يمكن لهذه التقنية أن تقلل بشكل كبير من استهلاك الوقود وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

توليد الطاقة عن بعد

يمكن أن توفر TEGs مصدرًا موثوقًا للطاقة في المواقع النائية حيث يكون الوصول إلى الشبكة محدودًا أو غير موجود. يمكن تشغيلها بواسطة مصادر حرارة مختلفة، مثل الطاقة الشمسية أو الطاقة الحرارية الأرضية أو حتى حرق الكتلة الحيوية. هذا يجعلها مثالية لتشغيل أجهزة الاستشعار عن بعد ومحطات الأرصاد الجوية والأجهزة الإلكترونية الأخرى.

مثال: في العديد من المناطق النائية في ألاسكا، تُستخدم TEGs التي تعمل بالبروبان لتوفير الكهرباء للمجتمعات الصغيرة ومحطات الأبحاث. يوفر هذا مصدر طاقة موثوقًا ومستقلًا في البيئات القاسية.

تطبيقات السيارات

يمكن استخدام TEGs في المركبات لاستعادة الحرارة المهدرة من عادم المحرك أو نظام التبريد، مما يحسن كفاءة استهلاك الوقود ويقلل من الانبعاثات. يمكن استخدامها أيضًا لتشغيل الأنظمة المساعدة مثل تكييف الهواء أو التوجيه المعزز كهربائيًا.

مثال: تقوم العديد من الشركات المصنعة للسيارات، بما في ذلك Toyota و Honda، بالبحث والتطوير في أنظمة TEG للمركبات. تهدف هذه الأنظمة إلى تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود وتقليل التأثير البيئي للنقل.

استكشاف الفضاء

تم استخدام TEGs في استكشاف الفضاء لعقود لتشغيل المركبات الفضائية والمركبات الجوالة. تستخدم المولدات الكهروحرارية ذات النظائر المشعة (RTGs) الحرارة المتولدة من تحلل النظائر المشعة، مثل البلوتونيوم -238، لإنتاج الكهرباء. توفر RTGs مصدر طاقة طويل الأمد وموثوق به للمهام إلى الكواكب البعيدة حيث لا تتوفر الطاقة الشمسية بسهولة.

مثال: يتم تشغيل المركبة الجوالة Curiosity التابعة للمريخ بواسطة RTG، مما يسمح لها بالعمل لفترات طويلة على سطح المريخ. تم استخدام RTGs أيضًا على مركبة Voyager الفضائية، التي تستكشف الأطراف الخارجية للنظام الشمسي لأكثر من 40 عامًا.

الإلكترونيات الاستهلاكية

يمكن استخدام TEGs لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة، مثل أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء والساعات الذكية والغرسات الطبية. يمكن تشغيلها بواسطة حرارة الجسم أو مصادر الحرارة المحيطة الأخرى، مما يلغي الحاجة إلى البطاريات أو مصادر الطاقة الخارجية.

مثال: يقوم الباحثون بتطوير أجهزة استشعار قابلة للارتداء تعمل بالطاقة TEG والتي يمكنها مراقبة العلامات الحيوية مثل معدل ضربات القلب ودرجة حرارة الجسم. يمكن أن توفر هذه المستشعرات مراقبة صحية مستمرة وغير جراحية.

مزايا توليد الطاقة الكهروحرارية

تقدم TEGs العديد من المزايا مقارنة بتقنيات توليد الطاقة التقليدية:

• تشغيل الحالة الصلبة: لا تحتوي TEGs على أجزاء متحركة، مما يجعلها موثوقة ومتينة ومنخفضة الصيانة.
• تشغيل هادئ: لا تصدر TEGs أي ضوضاء أثناء التشغيل، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في البيئات الحساسة للضوضاء.
• قابلية التوسع: يمكن توسيع نطاق TEGs بسهولة لتلبية متطلبات الطاقة المختلفة، من ملي واط إلى كيلوواط.
• تعدد الاستخدامات: يمكن تشغيل TEGs بواسطة مجموعة متنوعة من مصادر الحرارة، بما في ذلك الحرارة المهدرة والطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية.
• صديقة للبيئة: يمكن أن تقلل TEGs من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري عن طريق استعادة الحرارة المهدرة وتحسين كفاءة الطاقة.

التحديات والقيود

على الرغم من مزاياها، تواجه TEGs أيضًا العديد من التحديات والقيود:

• كفاءة منخفضة: عادة ما تكون كفاءة TEGs أقل من كفاءة تقنيات توليد الطاقة التقليدية. تبلغ كفاءة TEGs الحالية من 5٪ إلى 10٪.
• تكلفة عالية: يمكن أن تكون تكلفة المواد الكهروحرارية وعمليات التصنيع مرتفعة نسبيًا.
• قيود المواد: تتوفر المواد الكهروحرارية وأدائها محدود. يعمل الباحثون بنشاط على تطوير مواد جديدة ذات قيم ZT أعلى.
• متطلبات درجة الحرارة: تتطلب TEGs فرقًا كبيرًا في درجة الحرارة بين الجانبين الساخنين والباردين لتوليد كمية كبيرة من الطاقة.

التطورات الحديثة في المواد الكهروحرارية

تتحدد كفاءة TEGs إلى حد كبير بأداء المواد الكهروحرارية المستخدمة في بنائها. أدت التطورات الحديثة في علم المواد إلى تطوير مواد كهروحرارية جديدة ذات قيم ZT محسنة بشكل كبير.

المواد النانوية

يمكن أن يؤدي الهيكلة النانوية إلى تحسين الأداء الكهروحراري للمواد عن طريق تقليل توصيلها الحراري مع الحفاظ على توصيلها الكهربائي. أظهرت المواد النانوية نتائج واعدة في تحسين قيم ZT للعديد من المواد الكهروحرارية.

مثال: طور الباحثون أسلاكًا نانوية من السيليكون المهيكل نانويًا مع توصيل حراري منخفض بشكل كبير، مما أدى إلى تحسين الأداء الكهروحراري.

الشبكات الفوقية للنقاط الكمومية

الشبكات الفوقية للنقاط الكمومية هي هياكل دورية تتكون من نقاط كمومية مضمنة في مادة مصفوفة. يمكن أن تعرض هذه الهياكل خصائص كهروحرارية فريدة بسبب تأثيرات الحبس الكمومي.

مثال: قام الباحثون بتصنيع شبكات فوقية للنقاط الكمومية مع معاملات Seebeck محسنة وتوصيل حراري منخفض، مما أدى إلى تحسين قيم ZT.

سكوتيروديت

سكوتيروديت هي فئة من المركبات المعدنية التي أظهرت أداءً كهروحراريًا واعدًا. يمكن تزويدها بعناصر مختلفة لتحسين خصائصها الكهربائية والحرارية.

مثال: طور الباحثون مواد كهروحرارية تعتمد على سكوتيروديت بقيم ZT تتجاوز 1 في درجات الحرارة العالية.

سبائك نصف هوسلر

سبائك نصف هوسلر هي مركبات معدنية ثلاثية أظهرت أداءً كهروحراريًا ممتازًا. إنها قوية ميكانيكيًا ومستقرة كيميائيًا، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

مثال: طور الباحثون سبائك نصف هوسلر بقيم ZT تتجاوز 1.5 في درجات الحرارة العالية.

مستقبل توليد الطاقة الكهروحرارية

يحمل توليد الطاقة الكهروحرارية إمكانات كبيرة لمستقبل طاقة مستدامة. تركز جهود البحث والتطوير المستمرة على تحسين الكفاءة وتقليل التكلفة وتوسيع تطبيقات TEGs.

مواد محسنة

يعد تطوير مواد كهروحرارية جديدة ذات قيم ZT أعلى أمرًا بالغ الأهمية لتحسين كفاءة TEGs. يستكشف الباحثون مناهج مختلفة، بما في ذلك الهيكلة النانوية والتطعيم والتحسين التركيبي.

تخفيض التكاليف

يعد تقليل تكلفة المواد الكهروحرارية وعمليات التصنيع أمرًا ضروريًا لجعل TEGs قادرة على المنافسة اقتصاديًا. يبحث الباحثون في تقنيات تركيب جديدة ويستكشفون استخدام المواد الوفيرة على الأرض.

تحسين النظام

يمكن أن يؤدي تحسين تصميم وتكامل أنظمة TEG إلى تحسين أدائها العام. يقوم الباحثون بتطوير استراتيجيات جديدة للإدارة الحرارية واستكشاف استخدام المبادلات الحرارية المتقدمة.

تطبيقات موسعة

يمكن أن يؤدي توسيع نطاق تطبيقات TEGs إلى زيادة إمكاناتها في السوق. يستكشف الباحثون تطبيقات جديدة في مجالات مثل استعادة الحرارة المهدرة وتوليد الطاقة عن بعد وهندسة السيارات والإلكترونيات الاستهلاكية.

منظور عالمي وتعاون

يتطلب تطوير توليد الطاقة الكهروحرارية تعاونًا عالميًا وتبادلًا للمعرفة. يعمل الباحثون والمهندسون وصناع السياسات من جميع أنحاء العالم معًا لتطوير ونشر تقنيات TEG.

التعاونات الدولية ضرورية لتعزيز الابتكار وتسريع تطوير مواد وأنظمة كهروحرارية جديدة. يمكن أن تتضمن هذه التعاونات مشاريع بحثية مشتركة وبرامج تبادل ومؤتمرات دولية.

يلعب الدعم الحكومي دورًا حاسمًا في تعزيز تبني تقنيات TEG. يمكن للحكومات توفير التمويل للبحث والتطوير وتقديم حوافز لنشر أنظمة TEG ووضع اللوائح التي تشجع استعادة الحرارة المهدرة.

الشراكات الصناعية ضرورية لتسويق تقنيات TEG. يمكن للشركات الاستثمار في تطوير وتصنيع أنظمة TEG ودمج TEGs في منتجاتها وتسويق تقنيات TEG للمستهلكين.

استنتاج

يوفر توليد الطاقة الكهروحرارية مسارًا واعدًا نحو مستقبل طاقة مستدامة. من خلال تحويل الحرارة المهدرة مباشرة إلى كهرباء، يمكن لـ TEGs تحسين كفاءة الطاقة وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتوفير مصدر موثوق للطاقة في المواقع النائية. في حين لا تزال هناك تحديات من حيث الكفاءة والتكلفة، فإن جهود البحث والتطوير المستمرة تمهد الطريق لمواد وأنظمة كهروحرارية جديدة ذات أداء محسّن وتطبيقات أوسع. مع استمرار العالم في مواجهة تحديات تغير المناخ وأمن الطاقة، فإن توليد الطاقة الكهروحرارية لديه القدرة على لعب دور متزايد الأهمية في تلبية احتياجات الطاقة العالمية.

يعد المنظور العالمي والجهود التعاونية أمرًا بالغ الأهمية لتعظيم إمكانات توليد الطاقة الكهروحرارية. من خلال العمل معًا، يمكن للباحثين والمهندسين وصناع السياسات وقادة الصناعة تسريع تطوير ونشر تقنيات TEG والمساهمة في مستقبل طاقة أنظف وأكثر استدامة للجميع.