دراسة جدوى: تحويل الفاقد الحراري لمصابيح LED إلى ضوء باستخدام وحدات كهروحرارية

جدول المحتويات

1. المقدمة والنظرة العامة

تتناول هذه الورقة البحثية نهجًا جديدًا لتعزيز الكفاءة الإجمالية لأنظمة الإضاءة عالية القدرة باستخدام الثنائيات الباعثة للضوء (LED). على الرغم من أن مصابيح LED عالية الكفاءة مقارنة بمصادر الإضاءة التقليدية، إلا أن جزءًا كبيرًا (60-70%) من الطاقة الكهربائية المدخلة لا يزال يتبدد على شكل حرارة. الابتكار الأساسي المقترح هو استخدام هذه الحرارة المهدورة، ليس فقط للتبريد، ولكن كمصدر للطاقة. من خلال دمج وحدات المولدات الكهروحرارية (TEG) القائمة على تأثير سيسبك، يتم تحويل التدرج الحراري عبر مبدد الحرارة الخاص بمصباح LED مرة أخرى إلى طاقة كهربائية، والتي تُستخدم بعد ذلك لتشغيل مصابيح LED إضافية، وبالتالي "إعادة تدوير" الفاقد إلى ناتج ضوئي مفيد.

2. الفكرة الأساسية والهدف

الوظيفة الأساسية لمصباح LED هي إنتاج الضوء. لذلك، فإن أي نظام يحول خسائر الطاقة (الحرارية في هذه الحالة) مرة أخرى إلى ضوء يزيد بشكل مباشر من الفعالية الضوئية للنظام. على عكس الاستخدامات الشائعة لوحدات بلتير للتبريد النشط في أنظمة LED [1-6]، فإن هذا العمل يعيد توظيفها كمجمعات للطاقة. تركز الدراسة على مصباح LED عالي القدرة من نوع Chip-on-Board (COB) (Bridgelux BXRA-W3500) لإثبات جدوى هذه الفكرة.

3. النمذجة الحرارية والمحاكاة

النمذجة الحرارية الدقيقة أمر بالغ الأهمية للتنبؤ بالطاقة المتاحة للتحويل. تستخدم الدراسة برنامج COMSOL Multiphysics لمحاكاة انتقال الحرارة من وصلة LED عبر طبقات مختلفة إلى الهواء المحيط.

3.1 تحليل الشبكة الحرارية

يتم استخدام نموذج مبسط لشبكة المقاومة الحرارية لتحليل تدفق الحرارة، كما هو موضح في الشكل 1 من ملف PDF. المعلمات الرئيسية هي:

• $Q$: تدفق الحرارة من الساخن إلى البارد.
• $T_j$, $T_c$, $T_h$, $T_{amb}$: درجات الحرارة عند الوصلة، والغلاف، ونقطة تثبيت المبدد الحراري، والوسط المحيط، على التوالي.
• $R_{\theta jc}$, $R_{\theta ch}$, $R_{\theta ha}$: المقاومة الحرارية بين هذه النقاط.

يتم إعطاء المقاومة الكلية من الوصلة إلى الوسط المحيط بالعلاقة:

$R_{\theta, J-amb} = \frac{T_j - T_{amb}}{P_d}$     [1]

ويمكن تحليلها إلى:

$R_{\theta, j-amb} = R_{\theta, j-c} + R_{\theta, c-h} + R_{\theta, h-amb}$     [2]

حيث $P_d$ هي الطاقة المبددة. يعد تقليل هذه المقاومات أمرًا بالغ الأهمية لخلق تدرج حراري كافٍ ($\Delta T$) عبر وحدة TEG.

3.2 نتائج محاكاة COMSOL

قارنت عمليات المحاكاة المظهر الحراري لنظام LED مع وبدون وحدة الكهروحرارية المدمجة (الشكل 2 في PDF). أظهر النموذج المزود بـ TEG مسارًا معدلاً لتدفق الحرارة، مما يؤكد أنه يمكن اعتراض جزء من الطاقة الحرارية وتحويله قبل تبديده إلى المبدد الحراري والهواء المحيط. وهذا يثبت صحة الموقع المفترض وإمكانات وحدة TEG.

4. الإعداد التجريبي والنتائج

تم التحقق من صحة النموذج النظري من خلال بناء نموذج أولي مادي.

4.1 النموذج الأولي بوحدة كهروحرارية واحدة

تألف النموذج الأولي الأول (الشكل 3 في PDF) من مصباح Bridgelux LED، ووحدة TEG واحدة، ومبدد حراري. لقد نجح في توليد ناتج كهربائي من الحرارة المهدورة لمصباح LED: $V = 1V$، $I = 300mA$. ومع ذلك، كان هذا الجهد أقل من جهد التشغيل الأمامي (عادةً ~1.6V) المطلوب لإضاءة مصباح LED أحمر قياسي، مما يوضح تحديًا رئيسيًا: تحقيق $\Delta T$ كافٍ لمستويات جهد عملية.

4.2 النموذج الأولي بوحدتين كهروحراريتين على التوالي

للتغلب على قيود الجهد، تمت إضافة وحدة TEG ثانية على التوالي مع الأولى. زاد هذا التكوين من إجمالي جهد الدائرة المفتوحة، مما جعل من الممكن إضاءة مصباح LED مساعد بنجاح. أثبتت هذه التجربة الجدوى الأساسية: يمكن تحويل الطاقة الحرارية المهدورة من مصباح LED الرئيسي إلى كهرباء لإنتاج ضوء إضافي.

5. التحليل الفني والإطار المنهجي

الفكرة الأساسية: هذه الورقة ليست عن تحقيق زيادة هامشية في الكفاءة؛ بل هي تحدٍ أساسي لفلسفة التصميم في مجال الفوتونيات عالية القدرة. كان هوس الصناعة بإدارة الحرارة دفاعيًا بحتًا - تبديد الحرارة لحماية مصباح LED. يقلب هذا البحث السيناريو، مقترحًا استراتيجية هجومية: تسليح التدرج الحراري. إنه يعامل البصمة الحرارية لمصباح LED ليس كمصدر مسؤولية، ولكن كخط طاقة ثانوي وطفيل. الابتكار الحقيقي هو التكامل المفاهيمي لنظام دمج الحرارة والطاقة (CHP) على نطاق مصغر داخل تركيبة إضاءة واحدة.

التسلسل المنطقي: المنطق خطي بأناقة ولكنه يكشف واقعًا قاسيًا. 1) تهدر مصابيح LED 60-70% من الطاقة كحرارة. 2) تحول المواد الكهروحرارية فروق الحرارة إلى كهرباء. 3) لذلك، ثبت وحدة TEG على مصباح LED. ومع ذلك، يتعثر التسلسل عند تحويل جودة الطاقة. تأثير سيسبك معروف بعدم كفاءته (غالبًا <5% لمثل هذا $\Delta T$ المنخفض). تكشف النتائج التجريبية للورقة (1 فولت، 300 ملي أمبير من مصباح LED مكافئ 64 واط) عن الرياضيات القاسية: الطاقة الكهربائية المستردة هي جزء ضئيل من الفاقد الحراري. "الجدوى" المثبتة هي أكثر ديناميكية حرارية منها اقتصادية.

نقاط القوة والضعف: قوتها تكمن في نهجها الرؤيوي متعدد التخصصات، الذي يدمج الإضاءة ذات الحالة الصلبة مع جمع الطاقة - وهو تكامل غالبًا ما يتم مناقشته نظريًا (على سبيل المثال، في مراجعات من برنامج البحث والتطوير للإضاءة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية) ولكن نادرًا ما يتم تنفيذه. الدليل التجريبي على المفهوم واضح. العيب القاتل هو عدم التطابق الحالي في كثافة الطاقة. كثافة القدرة لتدفق الحرارة لمصباح LED عالي القدرة مرتفعة، لكن كفاءة تحويل وحدات TEG المعقولة السعر ودرجة حرارة الغرفة (مثل وحدات Bi2Te3) منخفضة بشكل بائس. قد لا يتم تبرير التكلفة الإضافية والتعقيد وقضايا الموثوقية المحتملة لوحدة TGE ودائرة إدارة الطاقة الخاصة بها أبدًا بكمية الضوء المعاد تدويرها الضئيلة. إنه يحمل خطر أن يكون حلاً "ذكيًا" يبحث عن مشكلة قابلة للتطبيق.

رؤى قابلة للتنفيذ: لكي يتجاوز هذا كونه فضولًا معمليًا، يجب أن يتحول البحث. 1) حدود المواد: يجب أن يتحول التركيز إلى مواد كهروحرارية جديدة (مثل skutterudites، half-Heuslers) أو مركبات نانوية التركيب التي تعد بقيم ZT أعلى عند تدرجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة، كما تم استكشافه في مجلات المواد المتقدمة. 2) التصميم المشترك للنظام: لا يمكن تثبيت مصابيح LED ووحدات TEG بشكل عشوائي. نحتاج إلى تصميم مشترك متكامل - حزم LED مصممة من البداية بهياكل كهروحرارية مدمجة، لتحسين كل من انبعاث الفوتون وجمع الفونون. 3) التطبيقات المتخصصة أولاً: استهداف التطبيقات حيث تكون الحرارة حقًا "مجانية" وقيّمة، وتتفوق الكفاءة على التكلفة. فكر في المركبات الجوية أو تحت الماء حيث يكون كل واط من الحمل الكهربائي المُوفر أمرًا بالغ الأهمية، والحرارة المهدورة وفيرة. سيبقى سوق الإضاءة التجاري الواسع بعيد المنال حتى تتحسن الديناميكا الحرارية الأساسية بمقدار رتبة قدر.

مثال على إطار التحليل

حالة: تقييم الجدوى لإضاءة الشوارع
الخطوة 1 - تدقيق الطاقة: يبدد مصباح LED لإنارة الشوارع بقدرة 150 واط حوالي 100 واط كحرارة. افترض $\Delta T$ بقيمة 40°C عبر مبدد حراري.
الخطوة 2 - رسم خريطة أداء TEG: باستخدام ورقة بيانات قياسية لـ TEG (مثل TEC1-12706)، معامل سيسبك $\alpha$ ~ 0.05 فولت/كلفن. الجهد النظري للدائرة المفتوحة $V_{oc} = \alpha \cdot \Delta T \cdot N$ حيث N هو عدد الأزواج. لـ 127 زوجًا، $V_{oc} \approx 0.05 * 40 * 127 = 254V$ (دائرة مفتوحة، غير عملي). جهد نقطة القدرة القصوى الفعلي أقل بكثير.
الخطوة 3 - حساب القدرة: أقصى قدرة خرج $P_{max} = (\alpha^2 \cdot \Delta T^2 \cdot N) / (4 \cdot R)$ حيث R هي المقاومة الداخلية. حتى مع الأرقام المتفائلة، غالبًا ما تكون $P_{max}$ <5W لمثل هذا الإعداد.
الخطوة 4 - تحليل التكلفة والعائد: إضافة 50-100 دولار لوحدات TEG وتكييف الطاقة لاسترداد <5W (زيادة فعالة في النظام بنسبة 3%) لها فترة استرداد تتجاوز عمر التركيبة. يحدد هذا الإطار بسرعة الحاجز الاقتصادي.

6. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

التطبيق المباشر محدود بالأنظمة المتخصصة عالية القيمة حيث يبرر إعادة تدوير الطاقة التكلفة والتعقيد، كما هو الحال في الإضاءة النائية أو خارج الشبكة التي تعمل بالبطاريات أو في البيئات المغلقة حيث يكون تقليل الحمل الحراري مفيدًا بشكل مضاعف.

يجب أن تركز اتجاهات البحث المستقبلية على:

1. المواد الكهروحرارية المتقدمة: دمج مواد ذات قيمة ZT عالية مثل تيلوريد البزموت النانوي التركيب أو البوليمرات الجديدة التي تعمل بكفاءة عند تدرجات حرارة أقل.
2. التكامل على مستوى النظام: تصميم حزم LED ذات طبقات كهروحرارية مدمجة، والابتعاد عن الوحدات المنفصلة المضافة.
3. جمع الطاقة الهجين: الجمع بين التحويل الكهروحراري مع طرق أخرى، مثل تحويل جزء من الضوء المنبعث من مصباح LED نفسه عبر الخلايا الكهروضوئية لأنظمة الحلقة المغلقة فائقة الكفاءة.
4. إدارة الطاقة الذكية: تطوير محولات DC-DC فائقة الانخفاض في الفاقد مصممة خصيصًا للتعامل مع الناتج منخفض الجهد والمتغير من وحدات TEG لدفع مصابيح LED مساعدة أو شحن المخازن المؤقتة بكفاءة.

7. المراجع

1. [1-6] دراسات متنوعة حول وحدات بلتير لتبريد LED (كما ورد في ملف PDF الأصلي).
2. وزارة الطاقة الأمريكية. (2023). خطة البحث والتطوير للإضاءة ذات الحالة الصلبة. تم الاسترجاع من energy.gov.
3. He, J., & Tritt, T. M. (2017). Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward. Science, 357(6358).
4. Zhu, H., et al. (2022). High-performance near-room-temperature thermoelectric materials. Nature Reviews Materials, 7(6).
5. Bridgelux. BXRA-W3500 Data Sheet. [8] في ملف PDF الأصلي.
6. COMSOL Multiphysics®. www.comsol.com.