تحويل أكثر كفاءة للحرارة إلى كهرباء من خلال العبث بالبنية النانوية

نوفمبر 16, 2020

 تحول المواد الكهروحرارية الحرارة إلى كهرباء ، مما يجعلها جذابة للغاية لإنتاج الطاقة المستدامة ، لا سيما بالنظر إلى أن الصناعة يمكن أن تهدر أكثر من ثلثي طاقتها كحرارة. لكن الإنتاج الضخم للطاقة الكهروحرارية مقيد حاليًا بكفاءة تحويل الطاقة المنخفضة. الآن ، ومع ذلك ، فإن الباحثين Biswanath Dutta و Poulumi Dey من قسم علوم وهندسة المواد في جامعة TU Delft لم يتمكنوا فقط من شرح كيف يمكن للهياكل النانوية في المواد الكهروحرارية تحسين كفاءة الطاقة ، ولكن أيضًا اقترحوا طريقة تجارية جذابة لتصنيع النانو المواد الكهروحرارية المهيكلة ، مما يزيد من فرص الإنتاج الضخم للطاقة الحرارية. تم نشر نتائجهم في Nano Energy.



كانت نقطة البداية لعمل Dutta و Dey هي النتائج التجريبية التي قدمها باحثوهم المساعدون في كوريا الجنوبية الذين كانوا يعملون مع مادة كهروحرارية معروفة ، وهو ما يسمى بمركب NbCoSn half-Heusler. يوضح دوتا: "هذا في الأساس نوع محدد من التركيب البلوري الذي تضع فيه عناصر معينة - في هذه الحالة النيوبيوم والكوبالت والقصدير". "ومن خلال التلاعب بكلٍ من كمية وموضع كل عنصر - على سبيل المثال وضع المزيد من النيوبيوم بدلاً من الكوبالت - يمكنك أن ترى كيف يؤثر ذلك على الكفاءة الإجمالية للمادة."

ما أظهرته النتائج من المتعاونين الكوريين الجنوبيين هو أنه عند درجة حرارة معينة ، تشكلت أنواع معينة من الهياكل النانوية داخل هذه المادة. لذا أجرى دوتا وداي عمليات محاكاة نظرية بناءً على هذه الملاحظات: "أولاً ، قمنا بمحاكاة تأثير إضافة إما ذرة أو اثنتين من ذرات الكوبالت الإضافية ، وفي مواقع مختلفة مختلفة ، لمعرفة ما إذا كان ذلك سيزيد الكفاءة أم لا" ، كما يقول داي. "اتضح أن موضع هذا الكوبالت الإضافي له حقًا دور مهم في الأداء الكامل لهذه المادة ، وهو أمر لم يتمكن الفريق الذي أجرى التجارب من تفسيره حقًا لأنه كان يتجاوز دقة قياساتهم."


بالإضافة إلى ذلك ، تمكن Dutta و Dey أيضًا من إظهار تأثير يُعرف باسم ترشيح الطاقة: "يمكنك التفكير في الأمر على أنه نوع من الحاجز أمام الإلكترونات التي تقل عن طاقة معينة ، مما يؤدي بدوره إلى تحسين التوصيل الكهربائي الكلي" ، يوضح دوتا. "من خلال تصفية الإلكترونات منخفضة الطاقة والسماح للإلكترونات عالية الطاقة بالمرور ، هناك زيادة في الكفاءة الكلية."


يقول داي: "هذا هو تأثير البنية النانوية". "إنه تكوين الهياكل النانوية في بقية المواد ، والواجهة بينها ، التي تعمل كحاجز ، لذا إذا لم يكن لديك هذه الهياكل النانوية ، فلن يكون لديك هذا التأثير لأنه لا توجد واجهة. ولكن في أقرب وقت عندما يتم تكوين هذه الهياكل النانوية ، تحصل على هذه الواجهات التي تمنع الإلكترونات منخفضة الطاقة ولكنها تسمح بمرور الطاقة العالية من خلالها مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الطاقة الإجمالية. "


في النهاية ، اقترحت محاكاة TU Delft سببين لزيادة كفاءة الطاقة في هذه المادة الكهروحرارية NbCoSn المصممة خصيصًا: وجود ذرات الكوبالت الإضافية في مواقع محددة تسمى المواقع الخلالية داخل الهيكل الشبكي ، وأيضًا تأثير ترشيح الطاقة.

علاوة على ذلك ، فإن الفهم المحسّن لسبب كون هذه المادة الكهروحرارية ذات البنية النانوية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة يشير إلى طريقة أفضل وأكثر قابلية للتطبيق لإنتاج الطاقة الحرارية. يوضح Dutta: "حاليًا ، يتم تصنيع المواد الكهروحرارية ذات البنية النانوية من خلال عملية طويلة وصارمة من سحق وتسخين الهياكل سابقة التشكيل ، والتي تستهلك الوقت والطاقة ، وبالتالي فهي ليست مثالية للإنتاج بالجملة." بدلاً من السير في المسار التقليدي ، اقترحت الفرق البدء بمادة "غير منظمة" أو غير متبلورة: "إن ميزة البدء بمادة غير متبلورة هي أنها لا تحتوي على بنية أساسية وبالتالي لا تحتاج إلى المرور بها هذه العملية الطويلة من الطحن والتسخين من أجل التجانس. لذا فهي أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وبالتالي فهي أكثر فائدة بكثير للإنتاج الضخم للطاقة الكهروحرارية. " بشرى سارة للمهندسين في تلك الصناعات الذين يعملون على استعادة الحرارة المرتفعة.

مشاركة

ليست هناك تعليقات:

جميع الحقوق محفوظة لــ تعز