وجهات النظر: 18 المؤلف: عائشة النشر الوقت: 2024-07-10 الأصل: موقع
1. مقدمة
2. فهم الطاقة الحرارية
3. تأثير SEEBECK
4. تأثير بيلتير
5. تأثير طومسون
6. كيف تعمل مبردات الكهروضوئية
7. المواد المستخدمة في مبردات كهروضوئية
8. التصميم والبناء
9. مزايا مبردات كهروضوئية
10. القيود والتحديات
11. تطبيقات مبردات كهروضوئية
12. التطورات الحديثة والابتكارات
13. آفاق المستقبل
14. التأثير البيئي
15. الخلاصة
16. الأسئلة الشائعة
تخيل برودة لا تستخدم أي مبردات ، ولا يوجد بها أجزاء متحركة ، ويمكن أن تتناسب مع راحة يدك. هذا ليس خيالًا علميًا بل حقيقة مبردات كهروضوئية. لقد أحدثت هذه الأجهزة المبتكرة ثورة في كيفية تفكيرنا في التبريد من خلال الاستفادة من علم الطاقة الحرارية. في هذه المقالة ، سوف نتعمق في عالم المبردات الكهروضوئية الرائعة ، واستكشاف كيفية عملها ، وفوائدها ، وتطبيقاتها المختلفة.
المبردات الحرارية (TECs) عبارة عن أجهزة لمكيف الهواء الحراري الحراري في الحالة الصلبة التي تستخدم الطاقة الكهربائية لخلق اختلاف في درجة الحرارة. وهي تتكون من مواد أشباه الموصلات محصورة بين لوحين من السيراميك. عندما يمر تيار كهربائي عبر هذه المواد ، فإنه يتسبب في انتقال الحرارة من جانب إلى آخر ، وتبريد جانب واحد بشكل فعال أثناء تسخين الآخر.
700W مكيف هواء بيلييه الحراري
تعد مبردات الكهروضوئية (وحدات AC الحرارية) حاسمة في مختلف الحقول بسبب قدرتها على توفير التحكم الدقيق في درجة الحرارة دون تحريك الأجزاء. تتراوح تطبيقاتها من مكونات التبريد الإلكترونية والأجهزة الطبية إلى توفير التبريد في مبردات محمولة.
تتضمن الكهروضوئية التحويل المباشر لفروق درجة الحرارة إلى الجهد الكهربائي والعكس بالعكس. هذه الظاهرة هي نتيجة للتأثيرات الحرارية ، في المقام الأول تأثير SEEBECK ، وتأثير peltier ، وتأثير طومسون.
يعود اكتشاف التأثيرات الكهروإجهادية إلى أوائل القرن التاسع عشر ، حيث وضع علماء مثل توماس يوهان سيبيك وجان تشارلز آثاناز بيلت الأساس للتكنولوجيا الحرارية الحديثة.
يحدث تأثير SEEBECK ، الذي اكتشفه توماس يوهان سيبيك في عام 1821 ، عندما ينتج اختلاف في درجة الحرارة بين موصلين كهربائيين متباينين أو أشباه الموصلات فرقًا في الجهد. هذا التأثير هو أساس المزدوجات الحرارية المستخدمة في قياس درجة الحرارة.
يستخدم تأثير SEEBECK على نطاق واسع في توليد الطاقة ، حيث تقوم المولدات الكهربائية الحرارية بتحويل الحرارة إلى طاقة كهربائية ، مما يوفر الطاقة في تطبيقات بعيدة أو خارج الشبكة.
يصف تأثير Peltier ، الذي اكتشفه Jean Charles Athanase Peltier في عام 1834 ، التدفئة أو التبريد عند تقاطع موصلين مختلفين عندما يتدفق التيار الكهربائي عبرهما. هذا التأثير هو المبدأ الأساسي وراء مبردات الكهروضوئية.
في مبرد كهروضوئي (AC الحراري) ، يتم استخدام تأثير peltier لنقل الحرارة من جانب واحد من الجهاز إلى الآخر ، وتبريد جانب واحد بشكل فعال أثناء تسخين الآخر. هذه العملية قابلة للعكس ، مما يسمح بالتحكم الدقيق في درجة الحرارة.
يصف تأثير طومسون ، الذي اكتشفه ويليام طومسون (اللورد كيلفن) في عام 1851 ، تسخين أو تبريد الموصل مع تدرج درجة الحرارة على طول طوله عندما يمر التيار الكهربائي عبره. هذا التأثير أقل وضوحًا من تأثيرات Seebeck و Peltier ولكن لا يزال يلعب دورًا في الأجهزة الحرارية.
يمكن أن يؤثر تأثير طومسون على أداء المبردات الحرارية ، وخاصة من حيث الكفاءة والتحكم في درجة الحرارة. يساعد فهم هذا التأثير في تحسين تصميم الأنظمة الحرارية.
في قلب TEC ، توجد وحدات حرارية مصنوعة من مواد أشباه الموصلات من نوع N و P-type. عندما يمر تيار مباشر (DC) عبر هذه الوحدات ، تنتقل الإلكترونات من النوع P إلى المادة من النوع N ، وتحمل الحرارة معها. تتسبب هذه الحركة في تهدئة جانب واحد من الوحدة النمطية (الجانب البارد) والجانب الآخر للتسخين (الجانب الساخن). عادة ما يتم تبديد الحرارة من الجانب الساخن باستخدام بالوعة حرارة ، مما يعزز تأثير التبريد.
للعمل بشكل فعال ، يشتمل نظام TEC على عدة مكونات رئيسية:
هذه هي الوحدات الأساسية التي يحدث فيها التأثير الحراري. وهي تتألف من أزواج متعددة من أشباه الموصلات من النوع N و P-type.
يتم توصيل أحواض الحرارة بالجانب الساخن من الوحدة لتبديد الحرارة الممتصة في البيئة ، مع الحفاظ على اختلاف درجة الحرارة.
يوفر مصدر طاقة التيار المستمر التيار الكهربائي اللازم لدفع الوحدات الحرارية.
تستخدم مبردات الكهروضوئية عادةً مواد مثل Bismuth Telluride (BI2TE3) ، و Telluride الرصاص (PBTE) ، وسبائك السيليكون الألماني (SIGE). يتم اختيار هذه المواد لكفاءتها عالية الحرارية والاستقرار.
أدت التطورات الحديثة في علوم المواد إلى تطوير مواد كهروضوئية جديدة مع تحسين الكفاءة والأداء. يتم استكشاف المواد النانوية والسبائك المعقدة لتعزيز الخواص الحرارية.
يتكون مبرد كهروضوئي نموذجي من وحدات حرارية متعددة محصورة بين لوحين من السيراميك. يتم توصيل الوحدات الكهربائية بالكهرباء في السلسلة وتوازي حرارياً لزيادة اختلاف درجة الحرارة ونقل الحرارة.
يعد تصميم مبردات الكهروضوئية أمرًا بالغ الأهمية لكفاءتها. يلعب عوامل مثل ترتيب العناصر الحرارية ، واختيار المواد ، وتكامل المصارف الحرارية دورًا مهمًا في تحديد أداء الجهاز.
تقدم TECs العديد من الفوائد على أنظمة التبريد التقليدية:
على عكس أنظمة التبريد التقليدية ، لا تستخدم TECs المبردات ، والتي يمكن أن تكون ضارة بالبيئة. هم أيضا أكثر هدوءا لأنهم يفتقرون إلى الأجزاء المتحركة.
توفر TECs التحكم الدقيق في درجة الحرارة ويمكن تعديلها بسهولة عن طريق تغيير تيار الإدخال. هذا يجعلها فعالة للغاية لتطبيقات محددة.
مع عدم وجود أجزاء متحركة ، تكون TECs موثوقة للغاية ولها عمر طويل ، وتتطلب الحد الأدنى من الصيانة.
على الرغم من مزاياها ، تواجه مبردات الطاقة الحرارية تحديات من حيث الكفاءة. إنها عمومًا أقل كفاءة من طرق التبريد التقليدية مثل تبريد ضغط البخار ، مما يحد من تبنيها على نطاق واسع.
يمكن أن تكون تكلفة المواد الحرارية الكهروإجهادية وتعقيد أجهزة التصنيع الحرارية أعلى من أنظمة التبريد التقليدية ، مما يشكل حاجزًا على استخدامها الأوسع.
تُستخدم مبردات الكهروضوئية بشكل شائع في الإلكترونيات الاستهلاكية لإدارة الحرارة في أجهزة مثل وحدات المعالجة المركزية ، وحدات معالجة الرسومات ، والثلاجات المحمولة. أنها توفر التبريد الفعال في تصميمات مضغوطة ومحمولة.
في التطبيقات الصناعية ، يتم استخدام مبردات كهروضوئية للتحكم الدقيق في درجة الحرارة في عمليات مثل تبريد الليزر ، والاتصالات السلكية واللاسلكية ، والأجهزة.
تُستخدم مبردات الكهروضوئية أيضًا في الأجهزة الطبية للحفاظ على درجة حرارة العينات البيولوجية الحساسة ، والليزر الطبي ، ومعدات التشخيص المحمولة.
تلعب تقنية النانو دورًا مهمًا في تقدم مبردات كهروضوئية حرارية. أظهرت المواد النانوية الوعد في تحسين الكفاءة الحرارية عن طريق تقليل الموصلية الحرارية وتعزيز التوصيل الكهربائي.
يتم استكشاف الأنظمة الهجينة التي تجمع بين التبريد الحراري مع طرق التبريد الأخرى ، مثل ضغط البخار أو التبريد السائل ، للتغلب على قيود الكفاءة وتوفير حلول تبريد أكثر فعالية.
يبدو مستقبل مبردات الكهروضوئية واعدة ، حيث ركزت الأبحاث المستمرة على اكتشاف مواد جديدة ، وتحسين كفاءة الجهاز ، وتقليل التكاليف. يمكن أن تؤدي هذه التطورات إلى استخدام أكثر انتشارًا لتقنية التبريد الحرارية.
تتمتع مبردات الكهروضوئية بالحرارة القدرة على دمجها مع مصادر الطاقة المتجددة ، مثل أنظمة الاسترداد للطاقة الشمسية والنفايات ، لتوفير حلول تبريد مستدامة وصديقة للبيئة.
تبريدات الكهروضوئية صديقة للبيئة لأنها لا تستخدم المبردات الضارة ، والتي تعتبر شائعة في أنظمة التبريد التقليدية. هذا يجعلهم خيارًا جذابًا لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة.
بالمقارنة مع طرق التبريد التقليدية ، توفر مبردات الطاقة الحرارية فوائد من حيث التأثير البيئي المنخفض ، ومتطلبات الصيانة المنخفضة ، وإمكانية التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة.
تمثل مبردات الكهروضوئية تقاطعًا رائعًا للفيزياء والهندسة ، وتستفيد من التأثيرات الحرارية لتوفير حلول تبريد موثوقة ودقيقة. في حين أنهم يواجهون تحديات من حيث الكفاءة والتكلفة ، فإن الأبحاث والتقدم المستمر في علوم المواد تعود بالتغلب على هذه العقبات. يبدو مستقبل مبردات الكهروضوئية مشرقًا ، مع تطورات محتملة في الأنظمة الهجينة والتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة التي تمهد الطريق لتقنيات التبريد الأكثر استدامة وكفاءة.
المبدأ الأساسي وراء مبردات الكهروضوئية هو تأثير peltier ، والذي يتضمن نقل الحرارة من جانب واحد من الجهاز إلى الآخر عندما يمر التيار الكهربائي عبره.
تعتبر مبردات الكهروضوئية بشكل عام أقل كفاءة من طرق التبريد التقليدية مثل تبريد ضغط البخار ، لكنها توفر مزايا مثل الأجزاء المتحركة والموثوقية والسعادة البيئية.
نعم ، يمكن استخدام مبردات الكهروضوئية للتدفئة أيضًا. من خلال عكس اتجاه التيار ، يمكن للجهاز أن يتحول من التبريد إلى التدفئة.
تشمل التطبيقات الشائعة لمبردات الكهروضوئية الحرارية المكونات الإلكترونية للتبريد ، والثلاجات المحمولة ، والأجهزة الطبية ، وتبريد الليزر ، والاتصالات السلكية واللاسلكية.
تشمل التطورات في مجال التبريد الحراري لتطوير المواد النانوية ، وأنظمة التبريد الهجينة ، والتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة لتحسين الكفاءة والاستدامة.
