تحديد كفاءة الطاقة المواد الحرارية في النفايات نظم الإنعاش

وتمثل المواد الكهربائية الحرارية تكنولوجيا تحولية في السعي العالمي إلى إيجاد حلول مستدامة للطاقة، مما يوفر القدرة الفريدة لتحويل الحرارة مباشرة إلى الكهرباء من خلال آليات الدولة الصلبة، ومع أن الصناعات في جميع أنحاء العالم تكافح تكاليف الطاقة المتزايدة والضغوط البيئية، تحول المواد الحرارية حرارة النفايات مباشرة إلى الكهرباء، مما يوفر نهجا مستداما للحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري ومكافحة التلوث البيئي.

The Fundamentals of Thermoelectric Energy Conversion

وتمارس المواد الكهربائية الحرارية على المبادئ المادية الأساسية التي تتيح تحويل الطاقة الحرارية إلى الطاقة الكهربائية مباشرة، ويمكن أن تحول المواد الحرارية الكهربائية الحرارة مباشرة إلى طاقة كهربائية، وتقوم هذه الممتلكات على تأثير " سيبيك " ، حيث يولد الفرق في درجة الحرارة على المواد تطايراً، وهذه الظاهرة التي وصفها توماس يوهان سيبيك في أوائل القرن التاسع عشر، تشكل أساس التكنولوجيا الحديثة(ج).

وتسير عملية التحويل من خلال نقل ناقلات الشحنات داخل المواد عند درجة حرارة، وعندما تسخن إحدى أطراف المواد الحرارية بينما تظل الأخرى باردة، تنتشر ناقلات الشحن من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، مما يخلق فرقاً محتملاً كهربائياً، وتقضي آلية التحويل المباشرة هذه على الحاجة إلى قطع حرارة، مما يجعل مولدات الطاقة الحرارية موثوقة ومناسبة لعملية طويلة الأجل في بيئات قاسية.

وبالإضافة إلى توليد الطاقة، تظهر المواد الحرارية أيضاً الظاهرة العكسية، والعكس هو تأثير البيلتير الذي يستخدم عادة للتبريد، وهذه القدرة الثنائية الاتجاه تجعل المواد الحرارية متعددة الأغراض لكل من جمع الطاقة وتطبيقات الإدارة الحرارية، وتوسّع نطاق استخدامها عبر صناعات متعددة.

فهم الشكل المتعلق بالكتابة: قيمة زيت

وتُقيَّم كفاءة المواد الحرارية في المقام الأول كمياً من خلال مواصفات لا تُعدّ بعد تعرف باسم الجدارة، التي تُسمى ZT. ZT. هي متوسط قيمة الممتلكات الحرارية، التي يمكن استخدامها كمعيار لا بُعد لقياس خصائص المواد المُعقَّدة: حيث يُعتبر معامل سيبيك، فإن الخصائص التقنية هي القدرة على التصرف في المواد، والسلوك الإلكتروني القابلية للثأر، وهي الفارقة المطلقة للسلوكية الحرارية.

قيمة أعلى من الـ (زي تي) تدل على أن مادة حرارية أكثر كفاءة، المُعدّد (س2) يُشار إليه غالباً بـ (عامل القوة) ويمثل قدرة المواد على إنتاج الطاقة الكهربائية من درجة حرارة، ويُظهر عامل الطاقة كيف يمكن للمواد أن تولد الطاقة الكهربائية بفعالية عندما تتعرض لفارق في الحرارة، مما يجمع بين قدرة توليد الطاقة الكهربائية (معامل التزلج) وقدرة المواد الكهربائية على تصريفها.

ومن الواضح أن القيمة الأكبر للزدحام، وهي أفضل خصائص حرارة المواد، إلا أن تحقيق قيم عالية من الزلزال يشكل تحديات كبيرة بسبب الطابع المترابط للبارامترات التأسيسية، ومن الناحية التاريخية، تعتبر قيمة واحدة هي الحد الأقصى للاستحقاق، ولكن بعض المواد ذات الاستخدام الأمثل تحقق قيماً تبلغ نحو 2 أو أكثر، مما يمثل تقدماً كبيراً في علوم المواد والهندسة.

معامل سيبيك: القدرة على توليد الطاقة

ويمثل معامل سيبيك، الذي يُخصَّص بإسم س، حجم الفولط المولد لكل فرق في درجة حرارة الوحدة عبر مادة، ويشار إلى نسبة الفولط الكهربائي وفرق الحرارة كمعامل سيبيك: س = U/DT مع: S: Seebeck effect U: Tension cheT: Temperature difference. Materials with higher Seebeck coefficients generate more voltage for a given temperature gradient,

ويتفاوت معامل سيبيك تفاوتا كبيرا بين مختلف المواد وهو يعتمد بدرجة عالية على درجة الحرارة، ويظهر موصلات سميك عادة معامل أعلى من المعادن، مما يفسر هيمنة هذه المواد في تطبيقات حرائق حرارية، كما يحدد حجم المعامل والعلامة (سواء كانت أو سلبية) ما إذا كانت الوظائف المادية هي عنصر من نوع p-type أو غير من نوع عنصر كهرباء الحرارة، وكلتاهما ضروريان لبناء وحدة قياسية.

السلوك الكهربائي: التقليل إلى أدنى حد من الخسائر الرجعية

السلوك الكهربائي (العمليات الكهربائية) تُقيس قدرة المواد على نقل الشحنات الكهربائية، والسلوك الكهربائي هو مقياس قدرة المواد على إجراء التيار الكهربائي، واتساع نطاق السلوك الكهربائي أمر حاسم لتقليل تسخين جوول (خسائر في الجهاز الحراري) في إطار جهاز كهربائي، مما قد يقلل من الكفاءة العامة، وعندما تكون القدرة الكهربائية منخفضة، فإن مقاومة التدفق الحالي تولد حرارة غير مرغوب فيها عن طريق جمع الطاقة الكهربائية، مما يؤدي إلى تفككها.

ويكمن التحدي في تحقيق الحد الأمثل من السلوك الكهربائي في علاقته المعقدة مع خصائص تسارع الحرارة الأخرى، فعلى سبيل المثال، يؤدي تزايد النشاط الكهربائي في كثير من الأحيان إلى الحد من معامل سيبيك، حيث أن هذين البارامتين مقترنان بتركيز الناقلين، ويمثل هذا التبادل الأساسي أحد التحديات الرئيسية في تطوير المواد الحرارية، مما يتطلب استراتيجيات متطورة لفكك هذه الممتلكات المترابطة.

Thermal Conductivity: The Critical Loss Mechanism

ويصف السلوك الحراري (الخدمة) مدى سرعة تدفق الحرارة من خلال مادة، وفي تطبيقات الطاقة الحرارية، يكون من المستصوب وجود سلوك حراري منخفض لأنه يساعد على الحفاظ على درجة الحرارة عبر الجهاز، ويمثل القاسم، وهو المسؤول عن إدارة حرارة الأرض، الدافع الحراري من خلال المادة، التي هي آلية للخسارة، وعندما تكون السمية الحرارية مرتفعة، تتدفق الحرارة بسرعة من الجانب الساخن إلى الجانب البارد، مما يقلل من درجة الحرارة.

وتشمل السمية الحرارية عنصرين: السلوك الحراري الإلكتروني (الخدمة) والسلوك الحراري في البطاقات الحرارية (الرمز الإلكتروني) (رمز L).() وترتبط مباشرةً بسلوكية كهربائية من خلال قانون ويديمان - فرانز، مما يخلق تحدياً آخر فيما بين الاستقلالية، غير أنه ما دامت السمة الحرارية للبطاقات ذات الصلة الصغيرة مرتبطة ارتباطاً متفاؤلاً بالسلوكيات الحرارية().

والهدف من أي تجربة كهربية حرارية هو جعل عامل الطاقة، S2 OU، أكبر مع الحفاظ على قدرة صغيرة على السير الحراري، وذلك لأن الكهرباء تنتج عن طريق درجة حرارة، بحيث لا تكون المواد التي يمكن أن تعادل الحرارة بسرعة كبيرة مفيدة، وهذا المبدأ الأساسي يرشد اختيار المواد واستراتيجيات الاستخدام الأمثل في جميع أنحاء الميدان.

أحدث المواد الحرارية

وقد تطورت الصورة العامة للمواد الكهربائية الحرارية تطورا كبيرا، حيث بلغت أُسر المواد المختلفة درجة الحرارة القصوى والتطبيقات المحددة، ومن الضروري فهم خصائص الأداء لهذه المواد لاختيار الحلول المناسبة لنظم استرداد حرارة النفايات.

Bismuth Telluride and Its Alloys

وقد كانت المواد التي تستخدم في استخدام التلويث في البلازما هي الآلات التي تستخدم في تسارع الحرارة في قاعات قريبة من درجة الحرارة، إذ أن مواد مثل ثنائي تي 3 وثنائي 2سي 3 تشمل بعض أفضل مقاييس الحرارة في الغرفة التي تعمل بدرجة حرارة والتي لها رقم قياسي يعتمد على درجة الحرارة، وزيتا، يتراوح بين 0.8 و 1.0.

وقد دفعت النُهج الهندسية المتقدمة إلى زيادة أداء نظم التلوريد البنفسجية، إذ إن تركيب هذه المواد لإنتاج هيكل متفوق مطبق من الطراز الثاني من بي 2 تي 3 و3 من طراز Sb 2Te 3 ينتج جهازاً يمكن أن يكون فيه سلوك كهربائي جيد ولكنه منظّم ضعيف، ونتيجة لذلك، فإن الـ " زي تي " (التقنيات الحديثة لتحسين الطاقة) تُظهر في الغرفة.

ويُعدّ سائل البلازما وحلوله الصلبة مواد كهربية حرارية جيدة في درجة حرارة الغرفة، ومن ثم تكون مناسبة لتطبيقات التبريد حوالي 300 كاف. غير أن أداءها ينخفض عند درجات الحرارة المرتفعة، ويحد من إمكانية تطبيقها في سيناريوهات استرداد حرارة النفايات الصناعية ذات درجة حرارة عالية.

Lead Telluride and Tin Selenide Systems

وبالنسبة لتطبيقات درجة الحرارة من منتصف إلى مرتفع، فإن مواد التلوريد الرصاصي (PbTe) وTtin selenide (SnSe) توفر أداء قاهرا، وفي درجات حرارة قصوى (0500 K)، والمواد غير العضوية مثل مقياس البسيموت (Bi2Te3) ورواية الرصاص (PbTe) بلغت قيماً من حيث ارتفاع الكفاءة في إنتاج الطاقة.

وقد أظهرت البحوث الأخيرة تقدما كبيرا في تركيبات القصدير المركب، حيث حققت شركة SnSe-3 و3 في المائة من مركب كويسات ذروتها الملحوظة وهي 0.963 في الـ 873 K، مما يمثل تقدما كبيرا في الأداء الحراري، وتنجم هذه التحسينات عن نُهج هندسية متطورة تعزز النقل الكهربائي في الوقت نفسه، مع الحد من السلوك الحراري.

مجمّعات مبيد سيلنغيوم

وتمثل المركبات التي تعتمد على الماجنيسيوم بديلا جذابا لتطبيقات منتصف المدة، مما يوفر مزايا في التكلفة والسمية والوفرة الأولية. وتشكل مركبات الملغ2BIV (B14=Si, Ge, Sn) وحلولها الصلبة مواد كهربية جيدة، وتقارن قيمها بالزيت مع قيم المواد الثابتة، وتوفر هذه المواد خيارا أكثر ملاءمة للبيئة وأكثر قابلية للاستمرار اقتصاديا مقارنة بالنظم القائمة على العرض.

وفي 800 ك، أفيد بأن Mg2Si0.55 -xSn0.4Ge0.05Bix لديها رقم الجدارة حوالي 1.4، وهو أعلى مستوى أُبلغ عنه في أي وقت مضى لهذه المركبات، وهذا المستوى من الأداء يجعل نظم مبيدات الماغنيسيوم قادرة على المنافسة مع مواد أكثر تحديداً مع توفير خصائص أعلى للاستدامة.

كهرباء حراريات أكسيد الأوكسيد

وقد حظيت المواد الحرارية التي تستخدم الأوكسيدات بإيلاء اهتمام كبير لتطبيقات ذات درجات عالية بسبب استقرارها الحراري ومقاومة الأكسدة، وقد أظهرت شركة Ca3Co4O9 قيماً من نوع ZT تبلغ 1.4-2.7 عند 900 كاف. ويعوق الهيكل البلوري المطبق لهذه المواد بطبيعة الحال منظار النقل المزيف إلى الطبقات، مما يقلل من السلوك الحراري مع الحفاظ على خصائص كهربائية معقولة.

وقد اكتسبت مقاييس حرارة أكسيد الأوكسيد مؤخراً اهتماماً كبيراً بحيث زادت المراحل الواعدة زيادة كبيرة، ومن بين أفراد هذه الأسرة من نوفيل زين أو مين أو 2 أو نبو2، وهذه المواد توفر استقراراً استثنائياً في تأكسد الغلاف الجوي عند درجات حرارة عالية، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات الغاز العادم الصناعي التي قد تتدهور فيها مواد أخرى.

Copper-Based Chalcogenides

وقد برزت المواد القائمة على أساس النحاس كمرشحين واعدين لتطبيقات كهرباء الحرارة، ولا سيما في تصميمات المولدات المجزأة، ويكشف تحليل الكمبيوت أن الفصائل القائمة على أساس الكيوبيل تحافظ على التوافق السليم على نطاقات درجات الحرارة الواسعة، مما يشير إلى وجود إمكانات قوية لتصميم المولدات الحرارية المجزأة، في حين أن المحاور المتعددة الفلزات والبنى ذات القدرة العالية محدودة للغاية من خلال عوامل التواؤم المكبوتية المكبوتة.

المواد العضوية والهاجينة

وفي حين أن المواد غير العضوية تهيمن على تطبيقات عالية الأداء، فإن المواد العضوية والهيجينية لكهرباء الحرارة توفر مزايا فريدة بالنسبة لحالات الاستخدام المحددة.

وقد أظهرت المادة المختلطـة التي تحتوي على مكونات عضوية وغير عضوية، تحسن الأداء مع قيم الـ (ز.ت) البالغة 1.5-2.0 بسبب الآثار المتآزرة لمكوناتها، وهذه النُهج الهجينة تجمع بين مزايا كل من الفئتين الماديتين، التي يمكن أن تفتح مجالات تطبيق جديدة.

العوامل الشاملة التي تؤثر على كفاءة نظام كهرباء الحرارة

وفي حين تشكل الممتلكات المادية أساس الأداء الكهربي الحراري، فإن العديد من العوامل على مستوى المنظومة تؤثر تأثيرا كبيرا على الكفاءة العامة لتطبيقات استعادة حرارة النفايات، فهم هذه العوامل أساسي لتصميم نظم فعالة لكهرباء الحرارة.

درجة الحرارة وظروف التشغيل

ويؤثر الفرق في درجة الحرارة عبر جهاز حراري تأثيرا مباشرا على ناتجه وكفاءته، وعلاوة على ذلك، يرتبط رقم الجدارة واختلاف درجة الحرارة ارتباطا مباشرا بكفاءة جهاز كهرباء حراري، وبالتالي يزداد هذا عندما يكون للزئبق ودي تي قيم كبيرة.

ولكن الحفاظ على درجات الحرارة المستقرة يتطلب إدارة حرارية فعالة، ويجب أن يتم توصيل الحرارة بكفاءة إلى الجانب الساخن من عناصر الطاقة الحرارية مع إزالة فعالة من الجانب البارد، ويمكن أن ينهار سوء الإدارة الحرارية الأداء المتدرج والمهين بشدة بغض النظر عن القيمة المتأصلة في المادة ZT.

تصميم الأجهزة وهيكلها

ويؤثر التصميم المادي للمولدات الكهربائية الحرارية تأثيرا كبيرا على أدائها خارج الممتلكات المادية وحدها، وعلى عكس المولدات الكهربائية الحرارية التقليدية الثابتة الحجم، فإن فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي يضم عناصر كاملة في مجال الطاقة الحرارية في إطار مخططات من الأعمدة، مما يتيح نهجا جديدا في استعادة الطاقة الحرارية من النظم القائمة على السوائل، ويعزز هذا التصميم بقدر كبير قدرات النقل الحراري، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة.

وفي ظل ظروف متماثلة من التعرض للحرارة، وحجم المواد الكهربائية الحرارية وممتلكاتها، يُظهر فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي زيادة بنسبة 62.5 في المائة في القدرة على إنتاج المواد مقارنة بوحدة الطاقة الحرارية التي تستخدمها إدارة المواد الكيميائية 127-1.0-8، ويدل هذا التحسن الكبير على أن تركيب الأجهزة يمكن أن يحقق مكاسب في الأداء مقارنة بمكاسب تطوير المواد وحده أو تتجاوز تلك المكاسب.

تكامل تبادل الحرارة

ومن الأهمية بمكان أن تنقل أجهزة تبادل الحرارة الفعالة الطاقة الحرارية من مصادر حرارة النفايات إلى عناصر حرارة حرارة حرارية، ويجب أن يوازن تصميم مبادلات الحرارة بين عدة متطلبات متنافسة: زيادة نقل الحرارة إلى أقصى حد ممكن إلى عناصر حرارة الطاقة، وتقليل انخفاض الضغط إلى الحد الأدنى في مسار حرارة النفايات، وضمان قابلية التحمل الميكانيكية، والحفاظ على فعالية التكلفة.

وبالنسبة لتطبيقات غاز العادم، يجب أن يتحمل مبادلات الحرارة المرتفعة والبيئات التي يحتمل أن تكون متآكلة، مع ربط الطاقة الحرارية بكفاءة إلى وحدات الطاقة الحرارية، وتشتمل التصميمات المتقدمة على أسطح مجهزة بميكرومين، ومواد تغير المرحلة، وأنماط تدفقية متفاوتة لتحسين معامل نقل الحرارة وتحسين كفاءة النظام عموما.

معدات كهربائية وأجهزة كهربائية

وتنتج مولدات الطاقة الحرارية تيارا مباشرا في البروتات والتيارات التي تختلف مع ظروف التشغيل، ويتطلب استخراج الطاقة على الوجه الأمثل مطابقة الحمولة الكهربائية لخصائص إنتاج المولدات الكهربائية، كما أن نظم الطاقة الإلكترونية، بما في ذلك أجهزة التحكم في أجهزة التحكم بحجم القوى، تكفل تشغيل المولدات الكهربائية الحرارية في ذروة كفاءتها عبر ظروف حرارية مختلفة.

وتؤثر كفاءة أجهزة تكييف الطاقة الإلكترونية تأثيرا مباشرا على أداء النظام عموما، إذ أن الخسائر في محولات البلدان النامية، والمحاولات، ودوائر التحكم تقلل من الناتج الكهربائي الصافي، كما أن الأجهزة الإلكترونية المتقدمة للطاقة ذات الكفاءة التحويلية العالية هي عوامل أساسية لتحقيق أقصى قدر من الفوائد العملية لنظم استعادة حرارة النفايات.

تدهور المواد وطول المدة

ويجب أن تحافظ المواد والأجهزة الكهربية على أدائها على فترات التشغيل الممتدة لتوفير القيمة الاقتصادية، وعلاوة على ذلك، قد تتعرض الفئات التي تعيش في درجات حرارة عالية وبيئات قاسية، مثل نظم العادم، لتدهور، مما يؤثر على طولها وموثوقيتها، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف الصيانة وانخفاض أداء النظام، وتشمل آليات التحلل الأكسدة، والإعانة، والتداخل في الوصلات البينية، والإجهاد الميكانيكي الناجم عن التقلب الحراري.

ويجب أن لا ينظر اختيار المواد في قيم الحد الأقصى للزئبق فحسب بل أيضاً في ظل ظروف تشغيل واقعية، إذ أن بعض المواد ذات الأداء العالي تظهر زيت حرف الحرف الطول ممتاز في ظروف المختبرات، ولكنها تتدهور بسرعة في البيئات الصناعية.

قياس الكفاءة في استخدام الطاقة الحرارية وكميتها

ويتطلب القياس الدقيق لكفاءة حرارة المركبات تحديد خصائص متعدّدة تعتمد على درجة الحرارة والنظر في مقاييس الأداء على مستوى المنظومة.

تصنيف المواد

ويصف الرقم الكهربي لاستحقاقات " زي تي " مدى ملاءمة المواد الحرارية ويعرف على النحو التالي: حيث يكون معامل الترميز (S: Seebeck) [ميكروف/ك]: السلوك الكهربائي [S/m] ; : السلوك الحراري [W/(mK)] عند درجة حرارة T. وكل هذه المتغيرات تعتمد على درجة الحرارة.

أولا، يمكن قياس المعايير الفردية (معامل البحوث، والسلوك الكهربائي والحراري) وحساب النيتروز وفقا للمعادلة 1 - يقدم هذا النهج نظرة تفصيلية عن كيفية إسهام كل عقار في الأداء العام ويتيح تحديد العوامل المقيِّدة.

ويطرح قياس السلوك الحراري تحديات خاصة، إذ أن السلوك الحراري يحدد عادة بطريقة الليزر أو الضوء الوميض، والنتيجة المباشرة لهذه الطريقة هي الانتشار الحراري، ويستلزم تحويل الانتشار الحراري إلى السلوك الحراري قياسات إضافية للكثافة والقدرة الحرارية المحددة، مما يتيح إمكانية استنباط مصادر عدم اليقين في القياس.

ويمكن الاطلاع على تحليل للأخطاء في المؤلفات، مع إبراز أهمية بروتوكولات القياس الصارمة وتحديد كمية عدم التيقن في السمة الحرارية، ويمكن أن تتفاقم الأخطاء الصغيرة في قياسات الممتلكات الفردية عند حساب الـ ZT، مما قد يؤدي إلى قدر كبير من عدم اليقين في الشكل النهائي للجدارة.

التدبير المباشر للزوت: طريقة هارمان

وبديل قياس الممتلكات الفردية، تسمح طريقة هارمان بالقياس المباشر لرقم الجدارة، وتطبق هذه التقنية نبضاً حالياً على عنصر حراري، وتقيس الاستجابة الفولطية الناتجة عن ذلك، وتوفر هذه الطريقة تقييماً مباشراً للزئبق دون اشتراط قياسات منفصلة لمعامل سيبيك وسلوكه الكهربائي وسلوكهوله الحرارية.

وتتيح طريقة هارمان مزايا بالسرعة والسرعة ولكنها تتطلب تصميما تجريبيا دقيقا لضمان نتائج دقيقة، ويجب أن تُحسب على النحو المناسب عوامل مثل مقاومة الاتصال الحراري، ومقاومة الاتصال الكهربائي، والآثار الحرارية العابرة للحدود، وذلك للحصول على قيم موثوقة من الـ ZT.

مقاييس الكفاءة على مستوى الجهاز

وفي حين أن رقم الجدارة الخاص بالمواد الحرارية هو قياس محدد جيدا لتقييم المواد الكهربائية الحرارية، فإنه يمكن أن يكون قياسا ضعيفا بالنسبة للكفاءة القصوى للأجهزة الحرارية نتيجة لاعتماد درجة الحرارة على معامل سيبيك S، ومكونات المقاومة الكهربائية، والسلوك الحراري الذي يمثل فيه درجة الحرارة المطلقة، ويجب أن تُحسب كفاءة الجهاز للأداء المتكامل عبر درجات الحرارة، وتشمل الفقرات التي تُدرج في درجات الحرارة.

وتُعرَّف كفاءة تحويل الطاقة في معدات توليد الطاقة المادية في إطار التكنولوجيا الحيوية بأنها الطاقة الكهربائية المنتجة التي تقسمها الطاقة الحرارية الموفرة. وتتصل هذه القياسات العملية للكفاءة مباشرة بالقيمة الاقتصادية لنظم استرداد حرارة النفايات، حيث تحدد كمية الطاقة الكهربائية التي يمكن توليدها من الموارد الحرارية المتاحة.

ويجب أن تُحسب قياسات الكفاءة على مستوى المنظومة لجميع تدفقات الطاقة، بما في ذلك الخسائر الحرارية عن طريق العزل، والخسائر الكهربائية في الاتصالات والإلكترونيات للطاقة، واستهلاك الطاقة الطفيلية من قبل نظم مساعدة مثل مراوح التبريد أو المضخات، ويوفر الاختبار الشامل في ظروف التشغيل الواقعية تقييما أدق للأداء العملي.

استراتيجيات تحسين الكفاءة في استخدام الطاقة الحرارية

ويتطلب النهوض بالكفاءة في استخدام الطاقة الحرارية اتباع نهج متعددة الجوانب تشمل علوم المواد، وهندسة الأجهزة، وتحقيق الاستخدام الأمثل للنظام، وفي الوقت نفسه، في المواد التي تستخدم في تسارع الحرارة، فإن تعزيز الرقم غير البعدي لضوء الجدارة هو دائما موضوع أساسي لكي يتسنى للأجهزة المجمعة أن تؤدي وظيفتها بكفاءة عالية.

الهندسة في هيكل الوحدات الإلكترونية

ويتيح التلاعب بالهيكل الإلكتروني للمجموعة من المواد الكهربائية الحرارية فرصاً قوية لتعزيز عامل القوة، وفي هندسة النطاقات الإلكترونية، أو التقارب بين النطاقات، أو منحنى الضم، أو التلاعب الجماهيري الفعال، يُفضي إلى بلوغ عامل الطاقة الأمثل بشكل كبير، وهذه النُهج تعدل كيفية تصرف الناقلات في المواد، مما قد يزيد من معامل سيبيك دون الحد من السلوك الكهربائي بشكل تناسبي.

ويؤدي تقارب اللبنات، حيث تتواءم مجموعات الكترونية متعددة في مجال الطاقة، إلى زيادة الكثافة الفعالة للدول القريبة من مستوى فيرمي، ويمكن لهذا التعزيز أن يعزز معامل سيبيك مع الحفاظ على تنقل ناقلات عالية، ويفصل جزئياً بين المفاضلة التقليدية بين هذه الممتلكات، كما أن أدوات تصميم المواد الحاسوبية تتيح التنبؤ بالهياكل التي تستخدمها العصابات وتحقيق الحد الأمثل لها قبل التوليف التجريبي.

التهذيب والتبشير الهرمي

وتمثل البنية النانوية واحدة من أكثر الاستراتيجيات نجاحا للحد من السلوك الحراري في البطيخ دون التأثير بشدة على الممتلكات الكهربائية، وبالمثل، فإن تقنيات التشتت الهرمي والارتقاء بالديون هي استراتيجيات فعالة للحد من السلوك الحراري، ومن خلال إدخال مراكز تفرق على نطاق متعدد، من المقاييس النانوية إلى الميكرومترات، يمكن أن تُنثر بشكل كبير عبر طيف متواتر واسع النطاق،

ويمكن تحقيق هذه الأخيرة، على سبيل المثال، عن طريق الهياكل النانوية، لأن ذلك يقلل إلى حد كبير من السلوك الحراري دون التأثير بدرجة كبيرة على عامل الطاقة، فالهيكلات النانوية مثل حدود الحبوب، وتهيبات، والوصلات البينية فوق البقعة تبعث على التفضيل (التي تحمل الحرارة) مع السماح للكهرباء (التي تحمل التيار الكهربائي) بأن تمر دون عائق نسبيا، مما يعني استغلال المسارات المختلفة.

أما بالنسبة إلى السبب الذي جعل من الميكانيكا في التبادل التجاري تحسيناً للقيمة، فإن ميكانيكيي التبادل التجاري كثيراً ما يجلبون عيوب بلورية، مما يتسبب في تحطم الجسيمات (المعروفة ببساطة، والجسيمات الحرارية) ووفقاً لشكل الإيداع - السلاوي، وهو نموذج يستخدم لتحديد السمية الحرارية المتلاشية، ورمز إلى السلوك الصيدلي الشديد بسبب وجود مقاومة زائفة.

التركيز على الحمل

ويناقش التعظيم الأمثل لتركيز الناقل على تحسين معامل سيبيك، والتحسين المطرد لتنقل الناقل، وتأثير هندسة قطاع الطاقة على أداء الطاقة الكهربائية، ويؤثر تركيز الناقل تأثيرا عميقا على كل من معامل سيبيك والسلوك الكهربائي، مع التركيز الأمثل الذي يزيد من عامل الطاقة إلى أقصى حد.

وتسمح استراتيجيات تحديد النطاق بالتحكم الدقيق في تركيز الناقلات، غير أن إيجاد مستوى التكثيف الأمثل يتطلب توازنا بين الآثار المتنافسة: فالناقلات القليلة جدا تؤدي إلى انخفاض القدرة على التصرف في الكهرباء، بينما يقوم عدد كبير جدا من الناقلات بقمع معامل سيبيك، كما أن تقنيات التكديس المتقدمة، بما في ذلك التغليف المتناوب وتثبيت المستوى المتردي، تقدم مسارات لتعزيز الأداء بما يتجاوز النهج التقليدية.

النهج المركبة والمهجَّرة للمواد

وتشمل مقاييس الحرارة المركبة الهجينة تزييف المواد العضوية أو المواد المركبة الأخرى التي سبق مناقشتها من قبل والتي تستخدم مواد مركبة أخرى مع مواد سلوكية أخرى في محاولة لتحسين ممتلكات النقل، ويمكن للمركبين أن يجمعوا بين مزايا مختلف فئات المواد، مما قد يؤدي إلى عدم إمكانية تحقيق مزيج من الممتلكات في مواد ذات مراحل واحدة.

(ب) المواد المركبة المحتوية على أشعة متحركة، مثل مركبات ثنائي الفينيل ثلاثي الكربون (CNT) واستخدام الغرافيني، التي تم تطويرها لتحقيق أقصى قدر من الخصائص الحرارية والكهربائية، وتعزيز أداء الأجهزة بنسبة تصل إلى 25 في المائة على المواد القياسية.

تجهيزات عالية الضغط وشديدة التأقلم

ومن شأن تقنيات التوليف المتقدمة أن تخلق هياكل دقيقة فريدة تعزز خصائص تسارع الحرارة، ولمواجهة هذا التحدي، وضعنا نهجا تآزريا يجمع بين الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية مع تلفيق الكوادر في نظام البوليسترالين سنسيلين، وتحقق أعلى مستوى من سرعة الانتقال من 0.963 في 873 ك.

ويمكن أن تؤدي معالجة البيوتادايين السداسي الكلور إلى تشويه البطاقات، وإلى خلق تفاعلات متماسكة، وتعديل هياكل الحدود الحضارية بطرق تؤثر بشكل أفضل على خصائص حرائق الحرارة، وتتيح هذه التقنيات المعالجة درجات إضافية من الحرية في استخدام المواد إلى أقصى حد ممكن خارج التكوين وحده.

التطبيقات الصناعية لاسترداد النفايات الحرارية

وتجد المولدات الكهربائية الحرارية تطبيقات في مختلف القطاعات الصناعية حيث تمثل حرارة النفايات شاغلا بيئيا وموردا غير مستغل للطاقة، ويسترشد فهم الاحتياجات والفرص المحددة في كل قطاع باستراتيجيات تطوير التكنولوجيا ونشرها.

الصناعات التحويلية والصناعات التحويلية

ولاحظ هندريكس وشوات أن أكثر من ثلث الطاقة المستخدمة في التصنيع الأمريكي يُطلق في الغلاف الجوي أو نظم التبريد مثل حرارة النفايات، وهذه الخسارة الهائلة في الطاقة تمثل فرصة هامة لنظم الإنعاش الحراري، وأن الصناعات الكثيفة الطاقة مثل الأسمنت والفولاذ والزجاج التي تمثل نحو 40 في المائة من إجمالي استهلاك الطاقة العالمية أهدافا واعدة بشكل خاص لتنفيذ استعادة حرارة النفايات.

وتشمل العمليات الصناعية التي تنتج هذه درجات الحرارة عمليات حساب (مثل الأسمنت، والليمون، والألمنيا، والكوكب النفطي)، والذوبان المعدني، والذوبان الزجاجي، ومسخنات السوائل النفطية، والأوكسيدات الحرارية، وعمليات التوليف الحرارية، وهذه العمليات العالية الحرارة تولد تدفقات حرارية كبيرة مناسبة لتحويل حراريات حرارية.

وفقاً للبيانات التي قدمتها شركة KcORC "مركز المعرفة بتقنية شركة أورك" في تقريرهما عن "الحصاد الحراري للطاقة" 75 في المائة من الطاقة الحرارية التي تم الحصول عليها من الوقود الأولي المستخدم في عمليات الصناعات الكثيفة الطاقة في الاتحاد الأوروبي مهدر حالياً، وصناعة الكيماويات تشير إلى 11.7 في المائة من الطاقة الحرارية، وكلها تجعل من الممكن أن تصل إلى أكثر من 50 ميلاً من الماء،

النقل والسيارات

محركات الاحتراق الداخلي، المكونات الأساسية للسيارات، والمركبات، والسفن، والمولدات الصناعية، تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة آلية بنسبة متوسطها 25 في المائة تقريباً، وتتفاوت الكفاءة بين 20 في المائة و45 في المائة، تبعاً للهيكل الداخلي للمحرك وحالته التشغيلية، وتفقد غالبية الطاقة من الوقود كدفئة من النفايات من خلال غازات العادم ونظم التبريد.

وهذا يشير إلى أن جزءا كبيرا يتراوح بين 55 و 80 في المائة من الطاقة الكيميائية المستمدة أساسا من الوقود الأحفوري قد فقد بسبب الحرارة من خلال انبعاثات نظام المحركات والتبريد، ويمكن للمولدات الكهربائية الحرارية المدمجة في نظم العادم أن تستعيد جزءا من حرارة النفايات هذه، وتحوّلها إلى الكهرباء التي يمكن أن تستخدمها نظم كهربائية للمركبات أو تشحن البطاريات في المركبات الهجينة، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الوقود عموما.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للشركات المعنية بالتكنولوجيات البيئية، في الصناعات الفضائية والبحرية، حيث تتسم كفاءة الطاقة ووزنها بأهمية بالغة، أن تحسن استخدام الطاقة عموما بتحويل حرارة النفايات من المحركات إلى طاقة كهربائية مفيدة، مما يقلل من استهلاك الوقود ويعزز كفاءة النظام، ويجعل غياب قطع الغيار المتحركة المولدات الكهربائية الحرارية جذابة بوجه خاص بالنسبة لتطبيقات الفضاء الجوي التي تتسم بالموثوقية.

توليد الطاقة وقطاع الطاقة

فعلى سبيل المثال، يمثل توليد الطاقة الحرارية أكثر من 50 في المائة من الإنتاج العالمي للكهرباء، ومع ذلك فإن كفاءته التشغيلية لا تتجاوز 30 في المائة - 4 في المائة، كما أن حرارة النفايات المتولدة من محطات توليد الطاقة، والعمليات الصناعية، والدخان، والمصادر الحرارية الأرضية، ونظم استنفاد المحركات هي أحد المساهمين الرئيسيين في فقدان الطاقة هذا، حيث يضيع أكثر من نصف موارد الطاقة العالمية كسخان كل سنة، ويتيح هذا المورد الضخم من مصادر الطاقة فرصا لاسترداد لنظم توليد الطاقة الحرارية في نقاط متعددة.

ويمكن إدماج المولدات الكهربائية الحرارية في مجاري العادم في محطات توليد الطاقة الكهربائية، ودوائر المياه التبريدية، وغيرها من مصادر الحرارة المستعملة لتوليد الكهرباء التكميلية، وفي حين أن كفاءة التحويل قد تكون متواضعة، فإن الحجم الهائل لتدفئة النفايات في مرافق توليد الطاقة يعني أن حتى التحسينات الصغيرة في النسبة المئوية يمكن أن تؤدي إلى استعادة طاقة كبيرة.

تكامل الطاقة الحرارية الأرضية والمتجددة

وتكشف النتائج أن المولدات الكهربائية الحرارية القابلة للزراعة لديها كثافة طاقة أقل (المتوسط 100 ميكروغرام/سم2)، بينما تتراوح المولدات الكهربائية الحرارية الصناعية بين 25 و300 ميغاواط/كميل2، ومولدات الطاقة الحرارية الأرضية التي تتراوح بين 20 و130 ميغاواط/سم2، وتزيد التطبيقات الحرارية الأرضية من درجات الحرارة التي تحدث طبيعيا لتوليد الكهرباء، مع وجود آلية تحويل كهربائية موثوقة.

ويمثل التكامل مع النظم الحرارية الشمسية مجالا آخر للتطبيقات الواعدة، وقد أظهرت استراتيجيات التكامل، مثل إدماج وحدات الطاقة الحرارية في مجاري العادم الصناعية، وعادمات السيارات، وأجهزة جمع الطاقة الحرارية الشمسية، جدوى تحويل الطاقة الحرارية وإمكانية تصعيدها، وقد تولد النظم الهجينة للطاقة الشمسية - الحرارية الكهرباء من الإشعاع الشمسي المباشر والطاقة الحرارية، مما قد يؤدي إلى تحسين حصاد الطاقة عموما.

نظم البناء والرسوم المتحركة

وتستهلك المباني طاقة كبيرة للتدفئة والتبريد، مع وجود حرارة كبيرة من النفايات تنتج عن نظم HVAC، ودفاعات المياه، ومعدات أخرى، ويمكن للمولدات الكهربائية الحرارية أن تستعيد حرارة النفايات من هذه المصادر، وتولد الكهرباء لتقابل استهلاك الطاقة في المباني، وتتفق الطبيعة الموزعة لمصادر الحرارة في بناء النفايات مع الخصائص المتحركة والمرتادة لنظم تسارع الحرارة.

ويمكن أن توفر وحدات الطاقة الحرارية أيضاً التدفئة والتشغيل الآلي معاً، ويركز الاسترداد + على المولدات الكهربائية الحرارية التي تولد الكهرباء من حرارة النفايات الصناعية وتوفر الحرارة في الوقت نفسه - دون قطع الغيار، مما يوفّر تكاليف الطاقة والانبعاثات، ويعزز قيمة النظام ككل من حيث الأداء المزدوج بتوفير المنافع الكهربائية والحرارية على السواء.

الاعتبارات الاقتصادية ومقاييس الأداء

ويتوقف النشر العملي لنظم استعادة حرارة النفايات الحرارية اعتماداً حاسماً على القدرة الاقتصادية على البقاء، ويسترشد فهم العلاقة بين التكلفة والمنافع ومؤشرات الأداء الرئيسية بقرارات الاستثمار وأولويات تطوير التكنولوجيا.

كفاءة التحويل وكثافة القوة

ومن القيود الأولية المنخفضة نسبياً كفاءة التحويل في الشركات التجارية، التي تناهز عادة 5 في المائة إلى 10 في المائة، مما يقيد كمية الطاقة الكهربائية المتولدة عن حرارة النفايات، مما يجعل هذه الفئات أقل جاذبية للتطبيقات الكبيرة الحجم ما لم يكن مصدر حرارة النفايات ووافياً ومستمراً، وفي حين أن هذه الكفاءة متواضعة مقارنة بمحركات الحرارة الميكانيكية، فإن نظم كهرباء الحرارة توفر مزايا في البساطة والموثوقية وإمكانية الانطباق على الموزع أو منخفض الرتبة.

وتحدد كثافة الطاقة الحجم المادي والاحتياجات المادية لمنتج كهربائي معين، وتتطلب نظم الكثافة العالية للطاقة قدرا أقل من المواد وتشغل حيزا أقل، مما يقلل من تكاليف رأس المال وتعقيد التركيب، وتحسن بصورة مباشرة من القدرة التنافسية الاقتصادية في تصميم المواد والأجهزة التي تزيد كثافة الطاقة.

تكاليف المواد وإمكانية توافرها

وبالإضافة إلى ذلك، كثيرا ما تكون المواد ذات الأداء العالي في مجال كهرباء الحرارة، مثل مقياس البسمة، باهظة التكلفة وقد تكون محدودة التوافر، مما يشكل عائقا أمام الاعتماد الواسع النطاق، ولا سيما في الصناعات الحساسة من حيث التكلفة، وتمثل تكاليف المواد جزءا كبيرا من مجموع تكاليف النظام، مما يجعل اختيار المواد من الاعتبارات الاقتصادية الحاسمة.

وإذا استخدمت مقاييس الحرارة في الصناعة، فإن التكلفة والسمية وتوافر المواد هي اعتبارات رئيسية، وتواجه المواد التي تحتوي على عناصر نادرة أو سمية تحديات اقتصادية وتنظيمية على السواء، وتعالج في الوقت نفسه المواد التي تستخدم في تسارع الحرارة استنادا إلى عناصر وفرة وغير سمية هذه الشواغل، مع احتمال تخفيض التكاليف.

تكاليف التكامل والتركيب

كما أن تحديات التكامل قائمة، حيث أن إدماج نظم التاج في نظم العادم القائمة، خاصة في التطبيقات الآلية والصناعية، يمكن أن يكون معقداً، ويجب أن يستوعب التصميم كلاً من فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي والمبادلات الحرارية الضرورية دون تغيير كبير في وظيفة نظام العادم أو إدخال ضغط مفرط، مما قد يؤثر سلباً على أداء المحركات، ويمكن أن تؤثر تكاليف التكامل تأثيراً كبيراً على الاقتصاد الكلي للمشاريع، ولا سيما فيما يتعلق بتطبيقات الاسترداد.

ويتطلب النجاح في التكامل تصميم نظام دقيق ينظر في الإدارة الحرارية، والتركيب الميكانيكي، والوصلات الكهربائية، والتوافق مع المعدات الموجودة، ويمكن أن تؤدي تصميمات المولدات الكهربائية الحرارية الموحدة إلى الحد من تعقيد التكامل وتكاليفه، مما ييسر الاعتماد على نطاق أوسع.

فترة السداد والعودة إلى الاستثمار

تقييم فترة السداد، التي تشير إلى الوقت اللازم لسداد الأموال المنفقة في هذه النظم مؤشر جيد لتقييم الأداء الاقتصادي للنظام، وفترات الانتقام الأقصر تجعل نظم كهرباء الحرارة أكثر جاذبية لصانعي القرار الصناعيين الذين يعملون تحت قيود الميزانية الرأسمالية.

وتقابل غلة الكهرباء التي تنتجها هذه الشبكة 60 مترا مربعا من نظام الفوفولتاتيك، الذي يوفر أيضا الطاقة التدفئة ويستغرق فترة استهلاك تقل عن ثلاث سنوات، ويؤدي تحقيق فترات انتعاشية مدتها بضع سنوات إلى جعل استعادة حرارة النفايات الحرارية أمرا ملحا اقتصاديا، ولا سيما عندما تكون تكاليف الطاقة مرتفعة أو آليات لتسعير الكربون.

تكاليف التشغيل والصيانة

ويبشر عدم وجود قطع متحركة في المولدات الكهربائية الحرارية بتخفيض تكاليف التشغيل والصيانة وطول فترات الفشل، مما يجعل هذه الفوائد المحتملة مولدات كهربائية حرارية هامة للنظر في التطبيقات الصناعية للمنظمة العالمية لحقوق الإنسان، ويقلل انخفاض احتياجات الصيانة من تكاليف الحياة ويحسن الحالة الاقتصادية لنظم كهرباء الحرارة مقارنة بالبدائل الميكانيكية.

وعلاوة على ذلك، فإن نظم استعادة حرارة النفايات القائمة على مجموعات المنتجات الصغيرة جداً آمنة، وحياة عمل طويلة، ولا تشمل آليات آلية، وهي مناسبة للتطبيقات السائبة والتطبيقات المدمجة، وتسهم هذه الخصائص في التكلفة الإجمالية المواتية للملكية، حتى عندما تكون تكاليف رأس المال الأولية أعلى من بعض البدائل.

التحديات والقيود في مجال استعادة النفايات الحرارية

ورغم التقدم الكبير المحرز، يواجه استرداد الحرارة الحرارية عدة تحديات تقنية وعملية يجب التصدي لها من أجل إتاحة الانتشار على نطاق واسع.

التحديات المتعلقة بالمواد الأساسية

غير أن الترابط الجوهري للمعايير الجوهرية للمواد يحد أساسا من تحقيق المستوى الأمثل لرقم الجدارة الحرارية (ZT). والطبيعة المصاحبة للسلوك الكهربائي، ومعامل الترميز الحراري، والسلوك الحراري، يخلقان قيودا أساسية على قيم الـ ZT القابلة للتحقيق، غير أن هناك علاقة معقدة بين نهج معامل التبريد والسلوك الكهربائي، والسلوك الحراري، مما يجعل من الصعب.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأساليب الرامية إلى تعزيز التكاثر المزيف للحد من التنافر الحراري في البطيخ يمكن أن تقلل في الوقت نفسه من حركة الناقلات، مما يؤثر سلبا على السلوك الكهربائي، ويتطلب هذا الترابط اتباع نهج هندسية متطورة للمواد تعدل بصورة انتقائية آليات نقل محددة دون أن تؤثر سلبا على الآخرين.

درجة الحرارة العالية والتدهور

ويظهر العديد من المواد ذات الأداء العالي في مجال تسارع الحرارة استقرارا محدودا عند ارتفاع درجات الحرارة أو في أجواء تفاعلية، ويمكن أن يؤدي الاختناق والتبديل والتحوّل التدريجي إلى تدهور الأداء مع مرور الزمن، مما يقلل من العمر العملي للمولدات الكهربائية الحرارية في التطبيقات الصناعية.

وتضيف الاستراتيجيات الوقائية، بما في ذلك الطلاءات، وأجهزة التغليف، وعمود العمليات الجوية، تعقيداً وتكلفاً إلى نظم كهرباء الحرارة، ولا يزال تطوير مواد مستقرة بطبيعتها تحافظ على ارتفاع معدلات الارتفاع عند درجات حرارة التشغيل يمثل اتجاهاً بحثياً هاماً.

تعقيد الإدارة الحرارية

تحسين الإدارة الحرارية: ينبغي أن تركز البحوث المقبلة على تحقيق أفضل قدر من تصميمات مبادلات الحرارة وتطوير تقنيات التبريد المتقدمة للحفاظ على درجات الحرارة المثلى عبر المجموعة، مما يمكن أن يساعد على تحسين الأداء والموثوقية على المدى الطويل، وتتطلب الإدارة الحرارية الفعالة توازنا بين تسليم الحرارة إلى الجانب الساخن مع الرفض الحراري من الجانب البارد، الذي كثيرا ما يتطلب نظما نشطة للتبريد تستهلك الطاقة الطفيلية.

وفي العديد من التطبيقات الصناعية، تُنشر مصادر حرارة النفايات أو تتقطع وتعقد الإدارة الحرارية، وتتطلب ظروف التشغيل المتغيرة استراتيجيات للتحكم التكييفي للحفاظ على الأداء الأمثل للمولدات الحرارية عبر تغيير الحمولات الحرارية.

القابلية للتصنيع والتصنيع

ويطرح توسيع نطاق المواد والأجهزة الكهربائية الحرارية من المظاهرات المختبرية إلى الإنتاج الصناعي تحديات كبيرة، إذ يتطلب العديد من المواد ذات الأداء العالي إجراءات تركيبية معقدة أو سلائف باهظة التكلفة يصعب ضخها اقتصادياً، ويجب أن تحقق عمليات التصنيع تسامحاً شديداً بشأن تركيب المواد والهياكل الدقيقة لضمان الأداء المتسق.

استراتيجيات خفض التكاليف: إيجاد سبل لخفض تكلفة نظم التعليم العالي، من خلال استخدام مواد بديلة أو تحسين عمليات التصنيع، يمكن أن يجعلها أكثر قدرة على البقاء اقتصادياً من أجل اعتمادها على نطاق واسع في القطاعات الصناعية والسيارات، ومن الضروري وضع نهج صناعية قابلة للتكرار وفعالة من حيث التكلفة لنقل تكنولوجيا حرائق الطاقة من التطبيقات الكيمائية إلى مرحلة التبني.

الاتجاهات والفرص البحثية في المستقبل

ولا يزال مجال استعادة حرارة النفايات الحرارية يتطور بسرعة، حيث يُعدّ العديد من التوجيهات البحثية الواعدة التي يمكن أن تحسن الأداء بشكل كبير وأن توسع التطبيقات.

تطوير المواد المتقدمة

ويمكن أن تؤدي البحوث في المواد الجديدة ذات الكفاءة العالية في تحويل الطاقة الحرارية، مثل المواد أو المواد التي تُشغَّل بفجوات من النطاقات المثلى، إلى تعزيز أداء نظم التصنيف التقني، كما أن اكتشاف المواد الحاسوبية، ونُهج التعلم الآلي، والفحص التجريبي العالي الإنتاج، إلى التعجيل بتحديد المواد الجديدة الواعدة لبطاقات حرائق الحرارة.

وقد شهد العقد الماضي تطوير مواد عالية الأداء في مجال كهرباء الحرارة يمكن أن تعمل بكفاءة في درجات حرارة مختلفة، وإجراء بحوث مزدهرة بشأن أجهزة كهرباء حرارية مدفوعة بالتطبيق، ويعود استمرار ابتكار المواد بزيادة تحسينات الـ ZT وتوسيع نطاق درجات الحرارة التشغيلية.

النظم الهجينة والتعددية التقنية

النظم الهجينة: يمكن أن يؤدي الجمع بين مجموعات المواد التعريفية والتكنولوجيا وتكنولوجيات استعادة الحرارة الأخرى، مثل دورة الرنكين العضوية أو PCM، إلى نظم أكثر كفاءة وتنوعا يمكن أن تستعيد حصة أكبر من حرارة النفايات وتتحولها إلى طاقة مفيدة، وتستفيد النُهج الهجينة من مواطن القوة التكميلية لمختلف التكنولوجيات، مما قد يحقق كفاءة عامة أكبر من أي تكنولوجيا بمفردها.

ويمكن أن تؤدي النظم المتطورة أو المجزأة لبطاقات حرارة الحرارة التي تستخدم مواد مختلفة تُستخدم على النحو الأمثل لمختلف درجات الحرارة إلى تحسين الكفاءة عبر درجات الحرارة الواسعة، وتتطلب هذه النظم تصميما دقيقا لضمان التوافق بين الأجزاء المادية ومطابقة الحمل الأمثل.

التطبيق - الاستخدام الأمثل

وفي جانب التطبيقات العملية، لا يمكن لأي مادة/ترقية واحدة أن تلبي جميع متطلبات التطبيقات في السيناريوهات المتناظرة، مما يعني أنه ينبغي أن يستحدث المرء ويصمم مواد وأجهزة متوافقة لبطاقات حرارية محددة، كما أن مواد التأليف وتصميم الأجهزة وهندسة النظم التي تُطبق على متطلبات تطبيق محددة يمكن أن تُفضي إلى الأداء والاقتصاد في حالات الاستخدام الخاصة.

وتبرز النتائج عموما التحول من التقييم القائم على عوامل القوى إلى الفرز الموجه نحو الأجهزة باستخدام البارامترات المادية وعامل التوافق، مما يوفر إطارا موحدا للتصميم الرشيد للمواد ذات الأداء العالي في مجال كهرباء الحرارة، وهذا التطور نحو التصميم القائم على التطبيق يعجل بترجمة التقدم في المواد إلى نظم عملية.

رسملة ومراقبة الذكاء

ويمكن أن تؤدي نظم الرقابة المتقدمة التي تحقق الاستخدام الأمثل الديناميكي لتشغيل مولدات الحرارة استنادا إلى ظروف العمل الحقيقي إلى تحسين الأداء والموثوقية، ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم الماكين بمراكز التشغيل المثلى، وتتوقع احتياجات الصيانة، وتكيفها مع البيئات الحرارية المتغيرة.

فالتوأم الرقمية وأدوات المحاكاة تتيح وضع النماذج الافتراضية لنظم كهرباء الحرارة وتحقيقها الأمثل قبل التنفيذ المادي، مما يقلل من وقت التنمية وتكاليفها، ويتيح التكامل مع منابر الأيوت الصناعية الرصد عن بعد والتعظيم للمنشآت الكهربائية الموزعة.

وضع السياسات والأسواق

ويمكن للسياسات الداعمة، بما في ذلك تسعير الكربون، وحوافز الطاقة المتجددة، وولايات كفاءة الطاقة، أن تحسن الجاذبية الاقتصادية لاسترداد حرارة النفايات الحرارية، ويمكن لتوحيد مقاييس الأداء، وبروتوكولات الاختبار، والتفاعلات بين النظم أن تقلل من الحواجز السوقية وتيسر اعتماد التكنولوجيا.

ويمكن أن يؤدي التعليم والتوعية إلى صانعي القرار الصناعيين بشأن قدرات وفوائد استعادة حرارة النفايات الحرارية إلى زيادة الوعي بالسوق وإطلاق الصواريخ، كما أن مشاريع الترميم التي تظهر نجاح التنفيذ تُبني الثقة وتوفر بيانات الأداء المصادق عليها.

Global Energy Impact and Sustainability Benefits

ويمكن أن يسهم الانتشار الواسع النطاق لنظم استعادة حرارة النفايات الحرارية إسهاما كبيرا في الجهود العالمية المبذولة للتخفيف من آثار تغير المناخ.

الطاقة

وقدرت تقديرات المواد والأجهزة والتكنولوجيا الخاصة بتحويل الطاقة الحرارية المباشرة (G) وفورات محتملة تتراوح بين 6.5 و16 تا وه من الطاقة الكهربائية سنويا، أي ما يتراوح بين 0.9 و2.3 في المائة من 710 تاوا من الطاقة الكهربائية في الموقع المستخدمة في محطات التصنيع (استنادا إلى بيانات عام 2010)، في حين أن هذه الكميات المتواضعة من الطاقة الحرارية الـ 430 تايرا وه من النفايات المتوقعة بالنسبة المئوية الـ 470 2 تا وهـا من الطاقة الصناعية السنوية.

ويمكن أن يؤدي التعافي الفعال لهذه الحرارة من النفايات واستخدامها إلى تعزيز كفاءة الطاقة، والحد من انبعاثات غازات الدفيئة، وتعزيز التنمية المستدامة، وكل وحدة من الكهرباء المولدة من حرارة النفايات تزيل الكهرباء التي ستولد من مصادر الطاقة الأولية، عادة ما تكون مقترنة بانبعاثات الكربون المرتبطة بها.

المنافع البيئية

وفي ظل أزمات الطاقة والشواغل البيئية، اكتسبت المولدات الكهربائية الحرارية الاهتمام كمصادر للطاقة الصديقة للبيئة عن طريق تحويل الحرارة مباشرة إلى الكهرباء، فإلى جانب الحد من استهلاك الوقود الأحفوري، يمكن أن يؤدي استرداد حرارة النفايات الحرارية إلى الحد من التلوث الحراري عن طريق استخلاص الحرارة التي ستتسرب إلى البيئة.

إن الطبيعة الصلبة لتحويل الطاقة الحرارية تزيل سوائل العمل التي قد تسرب أو تحتاج إلى التخلص منها، وتخفض المخاطر البيئية، وتسهم فترات الحياة التشغيلية الطويلة، وإعادة تدوير المواد الكهربائية الحرارية في وضعيات بيئية مواتية لدورة الحياة.

المساهمة في تحقيق أهداف إزالة الكربون

وبالإضافة إلى استخدام الطاقات المتجددة، فإن زيادة الكفاءة في جميع القطاعات هي أيضا أداة رئيسية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ووقف تغير المناخ، ويتيح القطاع الصناعي إمكانات كبيرة جدا لذلك: فحوالي 30 في المائة من الاستهلاك النهائي للطاقة في ألمانيا مطلوب للصناعة، كما أن تحسين كفاءة الطاقة الصناعية من خلال استعادة حرارة النفايات يدعم بصورة مباشرة الالتزامات الوطنية والدولية المتعلقة بالمناخ.

ومع أن شبكات الكهرباء تتضمن حصصا متزايدة من الطاقة المتجددة المتغيرة، فإن توليد الطاقة الموزعة من استعادة حرارة النفايات الحرارية يمكن أن يوفر قدرة مستقرة يمكن التنبؤ بها تكمل مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة، وهذا التآزر بين استعادة حرارة النفايات وإدماج الطاقة المتجددة يعزز القدرة على الصمود والاستدامة عموما للشبكات.

الاستنتاج: الطريق إلى استعادة النفايات الحرارية

ويتطلب تحديد كفاءة الطاقة في المواد الكهربائية الحرارية في نظم استعادة حرارة النفايات فهما شاملا للممتلكات المادية، وتصميم الأجهزة، وإدماج النظم، والاحتياجات الخاصة بالتطبيقات، ولا يزال الرقم اللابعد للجدارة ZT هو القياس الأساسي لتقييم المواد الكهربائية الحرارية، ورسم التفاعل المعقد بين معامل سيبيك، والسلوك الكهربائي، والسلوك الحراري.

وقد دفعت أوجه التقدم الأخيرة قيم الـ زات إلى مستويات لم يسبق لها مثيل، حيث تحقق بعض المواد قيما تتجاوز 2.0 من خلال نُهج هندسية متطورة للمواد، بما في ذلك الهيكل النانوي، والهيكل الأمثل للفرق، وهندسة العيوب، وتترجم هذه المواد إلى تحسين أداء الأجهزة، مع زيادة تعزيز كفاءة النظام.

وتتيح التطبيقات الصناعية التي تشمل الصناعة والنقل وتوليد الطاقة والمباني فرصا هائلة لاسترداد حرارة النفايات الكهربائية الحرارية، وفي حين لا تزال هناك تحديات في استقرار المواد، وخفض التكاليف، وتكامل النظم، تواصل جهود البحث والتطوير الجارية معالجة هذه القيود، وتلاقي المواد المتقدمة، وتصميم الأجهزة على الوجه الأمثل، والسياسات الداعمة، يهيئ الظروف المواتية لتوسيع نطاق نشر نظم استعادة حرارة النفايات.

ومع تزايد الطلب على الطاقة العالمية وتكثيف ضرورات تغير المناخ، فإن التكنولوجيات التي تحسن كفاءة الطاقة وتخفض النفايات تصبح قيمة بصورة متزايدة، وسيؤدي التعافي من حرارة النفايات الحرارية، مع مزيج فريد من البساطة والموثوقية وإمكانية التطبيق على مصادر حرارة متنوعة، إلى أداة هامة في الحافظة الأوسع نطاقاً من حلول الطاقة المستدامة، وسيؤدي استمرار الاستثمار في البحوث والتنمية والتظاهر إلى تسريع عملية الانتقال من تكنولوجيا الطاقة الحرارية من التطبيقات المتخصصة إلى تعميم الاعتماد الصناعي المتسم بالكفاءة، والإسهام في المستقبل بقدر أكبر.

وبالنسبة للباحثين والمهندسين وصانعي القرار الذين يعملون على النهوض باستعادة حرارة النفايات الحرارية، يتطلب النجاح نُهجا متكاملة تراعي المواد والأجهزة والنظم والتطبيقات بصورة كلية، ومن خلال قياس الكفاءة بدقة، وفهم العوامل المقيدة بوضوح، ومتابعة التحسينات بصورة منهجية، يمكن لمجتمع الطاقة الكهربائية أن يحقق الإمكانات الكبيرة لهذه التكنولوجيا في استعادة حرارة النفايات والمساهمة في تحقيق أهداف الاستدامة العالمية.

To learn more about thermoelectric materials and waste heat recovery technologies, visit the U.S. Department of Energy Advanced Manufacturing Office, explore resources from the MDPI Energies Journal[Fization:3], or review technical assessments from [tric