সম্ভাব্যতা সমীক্ষা: থার্মোইলেকট্রিক মডিউলের মাধ্যমে এলইডির তাপীয় ক্ষতি আলোতে রূপান্তর

সূচিপত্র

1. ভূমিকা ও সারসংক্ষেপ

এই গবেষণাপত্রটি উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন লাইট এমিটিং ডায়োড (এলইডি) আলোক ব্যবস্থার সামগ্রিক দক্ষতা বৃদ্ধির একটি অভিনব পদ্ধতি অনুসন্ধান করে। যদিও এলইডি প্রচলিত আলোর উৎসের তুলনায় অত্যন্ত দক্ষ, তবুও ইনপুট বৈদ্যুতিক শক্তির একটি উল্লেখযোগ্য অংশ (৬০-৭০%) এখনও তাপ হিসেবে অপচয় হয়। প্রস্তাবিত মূল উদ্ভাবনটি হল এই অপচয় তাপকে কেবল শীতলীকরণের জন্য নয়, বরং একটি শক্তির উৎস হিসেবে ব্যবহার করা। সিবেক প্রভাবের উপর ভিত্তি করে থার্মোইলেকট্রিক জেনারেটর (TEG) মডিউলগুলিকে সংযুক্ত করে, এলইডির হিট সিঙ্কের তাপীয় গ্রেডিয়েন্টকে পুনরায় বৈদ্যুতিক শক্তিতে রূপান্তর করা হয়, যা অতিরিক্ত এলইডিগুলিকে চালনা করতে ব্যবহৃত হয়, যার ফলে ক্ষতিগুলিকে "পুনর্ব্যবহার" করে দরকারী আলোক আউটপুটে পরিণত করা হয়।

2. মূল ধারণা ও উদ্দেশ্য

একটি এলইডির প্রাথমিক কাজ হল আলো উৎপাদন করা। অতএব, যে কোনও ব্যবস্থা যা শক্তির ক্ষতি (এই ক্ষেত্রে, তাপীয়) পুনরায় আলোতে রূপান্তর করে তা সরাসরি ব্যবস্থাটির আলোক দক্ষতা বৃদ্ধি করে। এলইডি ব্যবস্থায় সক্রিয় শীতলীকরণের জন্য পেল্টিয়ার মডিউলের সাধারণ ব্যবহারের বিপরীতে [1-6], এই কাজটি সেগুলিকে শক্তি আহরণকারী হিসেবে পুনরায় উদ্দেশ্যে ব্যবহার করে। এই গবেষণাটি এই ধারণার সম্ভাবনা প্রদর্শনের জন্য একটি উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন চিপ-অন-বোর্ড (COB) এলইডি (Bridgelux BXRA-W3500) এর উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে।

3. তাপীয় মডেলিং ও সিমুলেশন

রূপান্তরের জন্য উপলব্ধ শক্তি পূর্বাভাস দেওয়ার জন্য সঠিক তাপীয় মডেলিং অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এই গবেষণায় এলইডি জাংশন থেকে বিভিন্ন স্তরের মাধ্যমে পরিবেষ্টিত বাতাসে তাপ স্থানান্তর সিমুলেট করতে COMSOL মাল্টিফিজিক্স সফটওয়্যার ব্যবহার করা হয়েছে।

3.1 তাপীয় নেটওয়ার্ক বিশ্লেষণ

তাপ প্রবাহ বিশ্লেষণ করতে একটি সরলীকৃত তাপীয় রোধ নেটওয়ার্ক মডেল ব্যবহার করা হয়েছে, যেমন পিডিএফ-এর চিত্র 1-এ দেখানো হয়েছে। মূল পরামিতিগুলি হল:

• $Q$: গরম থেকে ঠান্ডার দিকে তাপ প্রবাহ।
• $T_j$, $T_c$, $T_h$, $T_{amb}$: যথাক্রমে জাংশন, কেস, হিটসিঙ্ক সংযুক্তি এবং পরিবেষ্টনের তাপমাত্রা।
• $R_{\theta jc}$, $R_{\theta ch}$, $R_{\theta ha}$: এই বিন্দুগুলির মধ্যে তাপীয় রোধ।

সামগ্রিক জাংশন-থেকে-পরিবেষ্টন রোধ দেওয়া হয়েছে:

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

এবং এটিকে নিম্নরূপে বিভক্ত করা যেতে পারে:

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

যেখানে $P_d$ হল অপচয় শক্তি। TEG জুড়ে পর্যাপ্ত তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট ($\Delta T$) তৈরি করার জন্য এই রোধগুলি হ্রাস করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

3.2 COMSOL সিমুলেশন ফলাফল

সিমুলেশনগুলি সমন্বিত থার্মোইলেকট্রিক মডিউল সহ এবং ছাড়া এলইডি ব্যবস্থার তাপীয় প্রোফাইল তুলনা করেছে (পিডিএফ-এর চিত্র 2)। TEG সহ মডেলটি একটি পরিবর্তিত তাপ প্রবাহ পথ দেখিয়েছে, যা নিশ্চিত করে যে তাপীয় শক্তির একটি অংশ হিটসিঙ্ক এবং পরিবেষ্টিত বাতাসে অপচয় হওয়ার আগে আটকানো এবং রূপান্তরিত হতে পারে। এটি TEG-এর ধারণাগত অবস্থান এবং সম্ভাব্যতা যাচাই করেছে।

4. পরীক্ষামূলক সেটআপ ও ফলাফল

তাত্ত্বিক মডেলটি ভৌত প্রোটোটাইপিংয়ের মাধ্যমে যাচাই করা হয়েছে।

4.1 একক TEG সহ প্রোটোটাইপ

প্রথম প্রোটোটাইপ (পিডিএফ-এর চিত্র 3) Bridgelux এলইডি, একটি একক TEG এবং একটি হিটসিঙ্ক নিয়ে গঠিত। এটি এলইডির অপচয় তাপ থেকে সফলভাবে বৈদ্যুতিক আউটপুট উৎপন্ন করেছে: $V = 1V$, $I = 300mA$। যাইহোক, এই ভোল্টেজ একটি আদর্শ লাল এলইডি আলোকিত করার জন্য প্রয়োজনীয় ফরোয়ার্ড ভোল্টেজের (সাধারণত ~1.6V) চেয়ে কম ছিল, যা একটি মূল চ্যালেঞ্জ প্রদর্শন করে: ব্যবহারিক ভোল্টেজ স্তরের জন্য পর্যাপ্ত $\Delta T$ অর্জন করা।

4.2 সিরিজে সংযুক্ত দ্বৈত TEG সহ প্রোটোটাইপ

ভোল্টেজ সীমাবদ্ধতা কাটিয়ে উঠতে, প্রথমটির সাথে সিরিজে একটি দ্বিতীয় TEG যোগ করা হয়েছিল। এই কনফিগারেশন মোট ওপেন-সার্কিট ভোল্টেজ বৃদ্ধি করেছে, যা একটি সহায়ক এলইডি সফলভাবে আলোকিত করা সম্ভব করেছে। এই পরীক্ষাটি মূল সম্ভাব্যতা প্রমাণ করেছে: প্রাথমিক এলইডি থেকে অপচয় তাপীয় শক্তিকে অতিরিক্ত আলো উৎপাদনের জন্য বিদ্যুতে রূপান্তরিত করা যেতে পারে।

5. প্রযুক্তিগত বিশ্লেষণ ও কাঠামো

মূল অন্তর্দৃষ্টি: এই গবেষণাপত্রটি একটি প্রান্তিক দক্ষতা লাভ সম্পর্কে নয়; এটি উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন ফোটোনিক্সের নকশা দর্শনের প্রতি একটি মৌলিক চ্যালেঞ্জ। শিল্পের তাপ ব্যবস্থাপনার প্রতি আবেশ সম্পূর্ণরূপে প্রতিরক্ষামূলক ছিল—এলইডি রক্ষা করার জন্য তাপ অপসারণ করা। এই গবেষণা দৃষ্টিভঙ্গি পরিবর্তন করে, একটি আক্রমণাত্মক কৌশল প্রস্তাব করে: তাপীয় গ্রেডিয়েন্টকে একটি অস্ত্র হিসেবে ব্যবহার করা। এটি এলইডির তাপীয় পদচিহ্নকে একটি দায়িত্ব হিসেবে নয়, বরং একটি গৌণ, পরজীবী পাওয়ার বাস হিসেবে বিবেচনা করে। প্রকৃত উদ্ভাবন হল একটি একক আলোক ফিক্সচারের ভিতরে একটি মাইক্রো-স্কেল সম্মিলিত তাপ ও শক্তি (CHP) ব্যবস্থার ধারণাগত সংহতকরণ।

যুক্তিগত প্রবাহ: যুক্তিটি মার্জিতভাবে রৈখিক কিন্তু একটি কঠোর বাস্তবতা প্রকাশ করে। ১) এলইডি ৬০-৭০% শক্তি তাপ হিসেবে অপচয় করে। ২) থার্মোইলেকট্রিক্স তাপের পার্থক্যকে বিদ্যুতে রূপান্তর করে। ৩) অতএব, একটি TEG কে একটি এলইডির সাথে সংযুক্ত করুন। যাইহোক, প্রবাহটি শক্তির গুণমান রূপান্তরে বাধাগ্রস্ত হয়। সিবেক প্রভাব কুখ্যাতভাবে অদক্ষ (প্রায়শই এত কম $\Delta T$ এর জন্য <৫%)। গবেষণাপত্রের পরীক্ষামূলক ফলাফলগুলি (64W-সমতুল্য এলইডি থেকে 1V, 300mA) নির্মম গণিতটি উন্মোচন করে: পুনরুদ্ধারকৃত বৈদ্যুতিক শক্তি তাপীয় ক্ষতির একটি ক্ষুদ্র ভগ্নাংশ। প্রদর্শিত "সম্ভাব্যতা" অর্থনৈতিকের চেয়ে বেশি তাপগতিবিদ্যাগত।

শক্তি ও ত্রুটি: এর শক্তি হল এর দূরদর্শী, আন্তঃশাস্ত্রীয় পদ্ধতি, যা কঠিন-অবস্থার আলোকসজ্জাকে শক্তি আহরণের সাথে একীভূত করে—একটি সমন্বয় প্রায়শই তত্ত্বে আলোচিত হয় (যেমন, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের শক্তি বিভাগের আলোকসজ্জা গবেষণা ও উন্নয়ন কর্মসূচির পর্যালোচনায়) কিন্তু খুব কমই বাস্তবায়িত হয়। পরীক্ষামূলক প্রমাণ-অব-ধারণা পরিষ্কার। মারাত্মক ত্রুটি হল শক্তির ঘনত্বের বর্তমান অসঙ্গতি। উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন এলইডি তাপ প্রবাহের শক্তি ঘনত্ব উচ্চ, কিন্তু সাশ্রয়ী, কক্ষ তাপমাত্রার TEG-এর (যেমন Bi2Te3 মডিউল) রূপান্তর দক্ষতা অত্যন্ত কম। TEG এবং এর পাওয়ার ম্যানেজমেন্ট সার্কিটের যোগ করা খরচ, জটিলতা এবং সম্ভাব্য নির্ভরযোগ্যতার সমস্যা কখনই পুনর্ব্যবহৃত আলোর ক্ষুদ্র পরিমাণ দ্বারা ন্যায়সঙ্গত নাও হতে পারে। এটি একটি কার্যকর সমস্যা অনুসন্ধানে একটি "চতুর" সমাধান হওয়ার ঝুঁকি রয়েছে।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: এটি একটি গবেষণাগারের কৌতূহল অতিক্রম করতে, গবেষণাকে ঘুরিয়ে দিতে হবে। ১) উপাদান সীমান্ত: ফোকাস অবশ্যই নতুন থার্মোইলেকট্রিক উপকরণগুলিতে (যেমন, স্কাটারুডাইটস, হাফ-হিউসলার) বা ন্যানো-কাঠামোগত কম্পোজিটগুলিতে স্থানান্তরিত করতে হবে যা কক্ষ-তাপমাত্রার কাছাকাছি গ্রেডিয়েন্টে উচ্চ ZT মানের প্রতিশ্রুতি দেয়, যেমন উন্নত উপকরণ জার্নালে অন্বেষণ করা হয়েছে। ২) সিস্টেম সহ-নকশা: এলইডি এবং TEG কেবল সংযুক্ত করা যায় না। আমাদের একক সহ-নকশা প্রয়োজন—এলইডি প্যাকেজগুলি সমন্বিত থার্মোইলেকট্রিক কাঠামো সহ মৌলিকভাবে নকশা করা, ফোটন নির্গমন এবং ফোনন আহরণ উভয়ই অপ্টিমাইজ করা। ৩) বিশেষ প্রয়োগ প্রথম: লক্ষ্যবস্তু এমন প্রয়োগ যেখানে তাপ সত্যিই "মুক্ত" এবং মূল্যবান, এবং দক্ষতা খরচকে অতিক্রম করে। মহাকাশ বা পানির নিচের যানবাহনের কথা ভাবুন যেখানে সংরক্ষিত প্রতিটি ওয়াট বৈদ্যুতিক লোড গুরুত্বপূর্ণ, এবং অপচয় তাপ প্রচুর। বিস্তৃত বাণিজ্যিক আলোকসজ্জা বাজার তখনই অপ্রাপ্য থাকবে যতক্ষণ না মৌলিক তাপগতিবিদ্যা একটি অর্ডার অফ ম্যাগনিটিউড দ্বারা উন্নত হয়।

বিশ্লেষণ কাঠামো উদাহরণ

কেস: সড়ক আলোকসজ্জার জন্য কার্যকারিতা মূল্যায়ন
ধাপ ১ - শক্তি নিরীক্ষণ: একটি 150W এলইডি স্ট্রিটলাইট ~100W তাপ হিসেবে অপচয় করে। একটি হিটসিঙ্ক জুড়ে 40°C এর একটি $\Delta T$ ধরে নিন।
ধাপ ২ - TEG কর্মক্ষমতা ম্যাপিং: একটি আদর্শ TEG ডেটাশিট (যেমন, TEC1-12706) ব্যবহার করে, সিবেক সহগ $\alpha$ ~ 0.05 V/K। তাত্ত্বিক $V_{oc} = \alpha \cdot \Delta T \cdot N$ যেখানে N হল জোড়ার সংখ্যা। 127 জোড়ার জন্য, $V_{oc} \approx 0.05 * 40 * 127 = 254V$ (ওপেন-সার্কিট, অবাস্তব)। প্রকৃত সর্বোচ্চ পাওয়ার পয়েন্ট ভোল্টেজ অনেক কম।
ধাপ ৩ - শক্তি গণনা: সর্বোচ্চ আউটপুট শক্তি $P_{max} = (\alpha^2 \cdot \Delta T^2 \cdot N) / (4 \cdot R)$ যেখানে R হল অভ্যন্তরীণ রোধ। আশাবাদী সংখ্যা সহেও, এই ধরনের সেটআপের জন্য $P_{max}$ প্রায়শই <5W হয়।
ধাপ ৪ - খরচ-সুবিধা বিশ্লেষণ: <5W পুনরুদ্ধার করতে (একটি ৩% কার্যকর সিস্টেম লাভ) $50-$100 মূল্যের TEG এবং পাওয়ার কন্ডিশনিং যোগ করার অর্থনৈতিক প্রতিদান ফিক্সচারের জীবনকাল অতিক্রম করে। এই কাঠামোটি দ্রুত অর্থনৈতিক বাধা চিহ্নিত করে।

6. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও দিকনির্দেশনা

তাত্ক্ষণিক প্রয়োগটি বিশেষ, উচ্চ-মূল্যের ব্যবস্থাগুলিতে সীমাবদ্ধ যেখানে শক্তি পুনর্ব্যবহার খরচ এবং জটিলতা ন্যায়সঙ্গত করে, যেমন দূরবর্তী, গ্রিড-বহির্ভূত আলোকসজ্জা যা ব্যাটারি দ্বারা চালিত বা আবদ্ধ পরিবেশে যেখানে তাপীয় লোড হ্রাস করা দ্বিগুণ উপকারী।

ভবিষ্যতের গবেষণার দিকনির্দেশনা নিম্নলিখিতগুলিতে ফোকাস করা উচিত:

1. উন্নত থার্মোইলেকট্রিক উপকরণ: ন্যানো-কাঠামোগত বিসমাথ টেলুরাইড বা নতুন পলিমারের মতো উচ্চ-ZT উপকরণগুলিকে সংহত করা যা কম তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্টে দক্ষতার সাথে কাজ করে।
2. সিস্টেম-স্তরের সংহতকরণ: অন্তর্নির্মিত থার্মোইলেকট্রিক স্তর সহ এলইডি প্যাকেজ নকশা করা, পৃথক, সংযোজনযোগ্য মডিউল থেকে দূরে সরে যাওয়া।
3. হাইব্রিড শক্তি আহরণ: থার্মোইলেকট্রিক রূপান্তরকে অন্যান্য পদ্ধতির সাথে একত্রিত করা, যেমন আল্ট্রা-উচ্চ-দক্ষতা বদ্ধ-লুপ সিস্টেমের জন্য ফটোভোলটাইক কোষের মাধ্যমে এলইডির নিজস্ব নির্গত আলোর একটি অংশ রূপান্তর করা।
4. স্মার্ট পাওয়ার ম্যানেজমেন্ট: অতিরিক্ত এলইডি চালনা বা চার্জ বাফারগুলিকে দক্ষতার সাথে পরিচালনা করার জন্য বিশেষভাবে নকশা করা অতিনিম্ন-ক্ষতি DC-DC কনভার্টার তৈরি করা যা TEG থেকে কম-ভোল্টেজ, পরিবর্তনশীল আউটপুট পরিচালনা করে।

7. তথ্যসূত্র

1. [1-6] এলইডি শীতলীকরণের জন্য পেল্টিয়ার মডিউল সম্পর্কে বিভিন্ন গবেষণা (মূল পিডিএফ-এ উদ্ধৃত হিসাবে)।
2. মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের শক্তি বিভাগ। (২০২৩)। কঠিন-অবস্থার আলোকসজ্জা গবেষণা ও উন্নয়ন পরিকল্পনা। energy.gov থেকে সংগৃহীত।
3. He, J., & Tritt, T. M. (২০১৭)। থার্মোইলেকট্রিক উপকরণ গবেষণায় অগ্রগতি: পিছনে তাকানো এবং এগিয়ে যাওয়া। Science, 357(6358).
4. Zhu, H., et al. (২০২২)। উচ্চ-কর্মক্ষমতা কক্ষ-তাপমাত্রার কাছাকাছি থার্মোইলেকট্রিক উপকরণ। Nature Reviews Materials, 7(6).
5. Bridgelux। BXRA-W3500 ডেটা শীট। [8] মূল পিডিএফ-এ।
6. COMSOL Multiphysics®। www.comsol.com।