موتورهای احتراق داخلی تنها ۲۵ درصد کارایی دارند و سه‌چهارم انرژی ذخیره‌شده در بنزین را هدر می‌دهند. یک ژنراتور ترموالکتریک می‌تواند به بازیابی این انرژی هدررفته در قالب الکتریسیته کمک کند.
به گزارش جارچی اخبار، محققان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، یک ژنراتور ترموالکتریک فشرده ساخته‌اند که می‌تواند گرمای خروجی از اگزوز خودروها، هلیکوپترها و وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) را به انرژی الکتریکی قابل‌استفاده تبدیل کند. در اطلاعیه منتشرشده دراین‌باره یادآوری شده که نمونه اولیه و توسعه‌یافته توسط این تیم به توان خروجی ۴۰ وات دست‌یافته که برای روشن کردن یک لامپ کافی است.
طبق محاسبات کارشناسان، راندمان موتورهای احتراق داخلی که معمولاً در وسایل نقلیه موتوری مورداستفاده قرار می‌گیرند، تنها حدود ۲۵ درصد است. این بدان معناست که وقتی از وسیله نقلیه استفاده می‌کنیم، سه‌چهارم انرژی ذخیره‌شده در بنزین هدر می‌رود و به‌صورت گرما خارج می‌شود.
از آنجایی که یکی از بحران‌های اصلی دنیا، افزایش انتشار کربن است، پیشرفت‌های بعدی در فناوری انرژی پاک می‌تواند بسیار کاربردی بوده و درنهایت جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. از همین رو، نیاز به اقدامات فناوری کارآمدتری وجود دارد که بتواند به کاهش انتشارات ناشی از فناوری‌های موجود کمک کند.
در این بین تیم تحقیقاتی دپارتمان مهندسی مکانیک برای بهبود تبدیل انرژی موتورهای گازسوز با یک ژنراتور ترموالکتریک که گرمای هدررفته را به انرژی تبدیل می‌کند، وارد عمل شدند.
مشکلات ژنراتورهای ترموالکتریک
ژنراتورهای ترموالکتریک از اختلاف دمای اعمال‌شده در یک ماده استفاده کرده و آن را به انرژی تبدیل می‌کنند. این مفهوم مدتی است وجود داشته و معمولاً از مواد نیمه‌هادی برای رسیدن به این هدف استفاده می‌شود.
بااین‌حال، طراحی ژنراتورها پیچیده است و برای حفظ اختلاف دما به یک سیستم خنک‌کننده خارجی متکی است. این امر مستلزم استفاده از یک سیستم خنک‌کننده مبتنی بر آب است که به‌اندازه ژنراتور می‌افزاید و آن را برای استقرار کمتر تطبیق می‌دهد.
تیم تحقیقاتی به رهبری Wenjie Li و Bed Poudel در دانشگاه ایالتی پن، این کاستی‌ها را با یک رویکرد طراحی نوآورانه برطرف کرد.
ژنراتور ترموالکتریک با مبدل‌های حرارتی
محققان به‌جای تکیه‌بر سیستم خنک‌کننده مبتنی بر آب، مبدل‌های حرارتی مورد استفاده در تهویه مطبوع را برای جذب گرمای ساطع‌شده از لوله‌های اگزوز انتخاب کردند.
ژنراتور ترموالکتریک از ماده نیمه‌هادی بیسموت-تلوراید ساخته شده است؛ البته اعضای این تیم یک جزء اضافی به نام هیت سینک را به طراحی‌شان اضافه کردند که نقش هیت سینک، افزایش اختلاف دمای سیستم است که به‌طور مستقیم با مقدار انرژی تولیدی در ارتباط است.
ژنراتور نمونه اولیه به توان خروجی ۴۰ وات دست یافت که برای روشن کردن یک لامپ کافی است. مهم‌تر از همه، محققان دریافتند که شرایط جریان هوای بالا در لوله‌های اگزوز، به بهبود خروجی انرژی از ژنراتور کمک می‌کند.
اعضای این تیم در ادامه، شبیه‌سازی‌هایی را در محیط‌هایی با چنین شرایطی انجام داد. آن‌ها دریافتند که سیستمشان در صورت استقرار، می‌تواند انرژی بیشتری تولید کند. مثلاً خروجی ژنراتور هنگام استقرار در خودرو ۵۶ وات تخمین زده شد. بااین‌حال، اگزوز هلیکوپتر می‌تواند ۱۴۶ وات انرژی تولید کند که معادل ۱۲ باتری لیتیوم یونی است.
ازآنجایی‌که این سیستم را می‌توان در خروجی‌های اگزوز ادغام کرد و به زیرساخت‌های خنک‌کننده اضافی وابسته نیست، می‌توان آن را در وسایل نقلیه موجود نیز مورداستفاده قرار داد. محققان اطمینان دارند که این راه را برای ادغام دستگاه‌های ترموالکتریک در وسایل نقلیه روزمره هموار می‌کند و به بازیابی انرژی‌ای که در صورت عدم انجام این کار، هدر می‌رود کمک خواهد کرد.