مطالعه امکان‌سنجی: تبدیل تلفات حرارتی LED به نور از طریق ماژول‌های ترموالکتریک

فهرست مطالب

1. مقدمه و مرور کلی

این مقاله به بررسی رویکردی نوین برای افزایش بازده کلی سیستم‌های روشنایی دیود نورافشان (LED) پرقدرت می‌پردازد. اگرچه LEDها در مقایسه با منابع نور سنتی بسیار کارآمد هستند، اما بخش قابل توجهی (۷۰-۶۰ درصد) از انرژی الکتریکی ورودی همچنان به صورت گرما تلف می‌شود. نوآوری اصلی پیشنهادی، استفاده از این گرمای اتلافی نه تنها برای خنک‌سازی، بلکه به عنوان یک منبع انرژی است. با ادغام ماژول‌های مولد ترموالکتریک (TEG) مبتنی بر اثر سیبک، گرادیان حرارتی در سراسر هیت‌سینک LED به انرژی الکتریکی تبدیل شده و سپس برای تغذیه LEDهای اضافی مورد استفاده قرار می‌گیرد و بدین ترتیب تلفات به خروجی نور مفید «بازیافت» می‌شود.

2. مفهوم اصلی و انگیزه

عملکرد اصلی یک LED تولید نور است. بنابراین، هر سیستمی که تلفات انرژی (در این مورد، حرارتی) را مستقیماً به نور تبدیل کند، کارایی درخشانی سیستم را افزایش می‌دهد. برخلاف کاربردهای رایج ماژول‌های پلتیر برای خنک‌سازی فعال در سیستم‌های LED [1-6]، این کار آن‌ها را به عنوان برداشت‌کننده انرژی بازتعریف می‌کند. این مطالعه بر روی یک LED پرقدرت Chip-on-Board (COB) (Bridgelux BXRA-W3500) متمرکز شده است تا امکان‌سنجی این مفهوم را نشان دهد.

3. مدل‌سازی حرارتی و شبیه‌سازی

مدل‌سازی حرارتی دقیق برای پیش‌بینی انرژی در دسترس برای تبدیل حیاتی است. این مطالعه از نرم‌افزار COMSOL Multiphysics برای شبیه‌سازی انتقال حرارت از پیوندگاه LED از طریق لایه‌های مختلف به هوای محیط استفاده می‌کند.

3.1 تحلیل شبکه حرارتی

یک مدل ساده‌شده شبکه مقاومت حرارتی برای تحلیل جریان حرارت استفاده شده است، همانطور که در شکل ۱ فایل PDF نشان داده شده است. پارامترهای کلیدی عبارتند از:

• $Q$: جریان حرارت از گرم به سرد.
• $T_j$, $T_c$, $T_h$, $T_{amb}$: به ترتیب دما در پیوندگاه، بدنه، نقطه اتصال هیت‌سینک و محیط.
• $R_{\theta jc}$, $R_{\theta ch}$, $R_{\theta ha}$: مقاومت‌های حرارتی بین این نقاط.

مقاومت کلی پیوندگاه به محیط با رابطه زیر داده می‌شود:

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

و می‌توان آن را به صورت زیر تجزیه کرد:

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

که در آن $P_d$ توان اتلافی است. به حداقل رساندن این مقاومت‌ها برای ایجاد یک گرادیان دمای کافی ($\Delta T$) در سراسر TEG بسیار مهم است.

3.2 نتایج شبیه‌سازی COMSOL

شبیه‌سازی‌ها پروفایل حرارتی سیستم LED را با و بدون ماژول ترموالکتریک یکپارچه مقایسه کردند (شکل ۲ در PDF). مدل مجهز به TEG مسیر شار حرارتی تغییر یافته‌ای را نشان داد که تأیید می‌کند بخشی از انرژی حرارتی می‌تواند قبل از اتلاف به هیت‌سینک و هوای محیط، رهگیری و تبدیل شود. این امر، جایگاه مفهومی و پتانسیل TEG را تأیید کرد.

4. ساختار آزمایشی و نتایج

مدل نظری از طریق نمونه‌سازی فیزیکی اعتبارسنجی شد.

4.1 نمونه اولیه با یک TEG

اولین نمونه اولیه (شکل ۳ در PDF) شامل LED بریج‌لاکس، یک TEG تک و یک هیت‌سینک بود. این نمونه با موفقیت خروجی الکتریکی از گرمای اتلافی LED تولید کرد: $V = 1V$، $I = 300mA$. با این حال، این ولتاژ کمتر از ولتاژ آستانه (معمولاً ~۱.۶ ولت) مورد نیاز برای روشن کردن یک LED قرمز استاندارد بود که یک چالش کلیدی را نشان می‌داد: دستیابی به $\Delta T$ کافی برای سطوح ولتاژ عملی.

4.2 نمونه اولیه با دو TEG سری

برای غلبه بر محدودیت ولتاژ، یک TEG دوم به صورت سری با اولی اضافه شد. این پیکربندی ولتاژ مدار باز کل را افزایش داد و روشن کردن یک LED کمکی را ممکن ساخت. این آزمایش امکان‌سنجی اصلی را اثبات کرد: انرژی حرارتی اتلافی از LED اصلی می‌تواند به الکتریسیته تبدیل شده و نور اضافی تولید کند.

5. تحلیل فنی و چارچوب

بینش اصلی: این مقاله در مورد یک افزایش حاشیه‌ای بازده نیست؛ بلکه یک چالش بنیادین برای فلسفه طراحی فوتونیک پرقدرت است. وسواس صنعت بر مدیریت حرارتی صرفاً دفاعی بوده است — دفع گرما برای محافظت از LED. این تحقیق نقشه را وارونه کرده و یک استراتژی تهاجمی پیشنهاد می‌دهد: سلاح‌سازی گرادیان حرارتی. این کار ردپای حرارتی LED را نه به عنوان یک بدهی، بلکه به عنوان یک باس تغذیه ثانویه و انگلی در نظر می‌گیرد. نوآوری واقعی، ادغام مفهومی یک سیستم ترکیبی گرما و توان (CHP) در مقیاس میکرو درون یک چراغ روشنایی واحد است.

جریان منطقی: منطق به زیبایی خطی است اما واقعیت سختی را آشکار می‌کند. ۱) LEDها ۷۰-۶۰ درصد انرژی را به صورت گرما هدر می‌دهند. ۲) ترموالکتریک‌ها اختلاف دما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. ۳) بنابراین، یک TEG را به یک LED متصل کنید. با این حال، این جریان در تبدیل کیفیت انرژی متزلزل می‌شود. اثر سیبک به طور بدنامی ناکارآمد است (اغلب <۵٪ برای چنین $\Delta T$ پایینی). نتایج آزمایشی مقاله (۱ ولت، ۳۰۰ میلی‌آمپر از یک LED معادل ۶۴ وات) محاسبات بی‌رحمانه را عریان می‌کند: توان الکتریکی بازیافت شده کسری کوچک از تلفات حرارتی است. «امکان‌سنجی» نشان داده شده بیشتر ترمودینامیکی است تا اقتصادی.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت آن، رویکرد بینشی و میان‌رشته‌ای آن است که روشنایی حالت جامد را با برداشت انرژی ادغام می‌کند — یک هم‌افزایی که اغلب در تئوری مورد بحث قرار می‌گیرد (مثلاً در مرورهای برنامه تحقیق و توسعه روشنایی وزارت انرژی ایالات متحده) اما به ندرت پیاده‌سازی می‌شود. اثبات مفهومی آزمایشی واضح است. نقص مهلک، عدم تطابق فعلی در چگالی‌های انرژی است. چگالی توان شار حرارتی LED پرقدرت بالا است، اما بازده تبدیل TEGهای مقرون‌به‌صرفه دمای اتاق (مانند ماژول‌های Bi2Te3) به طرز وحشتناکی پایین است. هزینه، پیچیدگی و مسائل احتمالی قابلیت اطمینان اضافه شده TEG و مدار مدیریت توان آن ممکن است هرگز با مقدار ناچیز نور بازیافت شده توجیه نشود. این خطر وجود دارد که یک راه‌حل «هوشمندانه» در جستجوی یک مشکل عملی باشد.

بینش‌های عملی: برای فراتر رفتن این ایده از یک کنجکاوی آزمایشگاهی، تحقیق باید تغییر جهت دهد. ۱) مرز مواد: تمرکز باید به مواد ترموالکتریک نوین (مانند اسکوترودایت‌ها، نیمه‌هوسلرها) یا کامپوزیت‌های نانوساختاری معطوف شود که در گرادیان‌های دمایی نزدیک به دمای اتاق، مقادیر ZT بالاتری را نوید می‌دهند، همانطور که در مجلات مواد پیشرفته بررسی شده است. ۲) طراحی مشترک سیستم: LEDها و TEGها را نمی‌توان صرفاً به هم پیچ کرد. ما به طراحی مشترک یکپارچه نیاز داریم — بسته‌بندی‌های LED که از پایه با ساختارهای ترموالکتریک یکپارچه طراحی شده‌اند و هم انتشار فوتون و هم برداشت فونون را بهینه می‌کنند. ۳) اولویت بازارهای خاص: هدف قرار دادن کاربردهایی که گرما واقعاً «رایگان» و باارزش است و بازده بر هزینه اولویت دارد. به فضاپیماها یا وسایل نقلیه زیر آب فکر کنید که در آن‌ها هر وات از بار الکتریکی صرفه‌جویی شده حیاتی است و گرمای اتلافی فراوان است. بازار گسترده روشنایی تجاری تا زمانی که ترمودینامیک بنیادی به اندازه یک مرتبه بزرگی بهبود نیابد، دور از دسترس باقی خواهد ماند.

مثال چارچوب تحلیل

مورد: ارزیابی قابلیت اجرا برای روشنایی معابر
مرحله ۱ - ممیزی انرژی: یک چراغ خیابانی LED با توان ۱۵۰ وات حدود ۱۰۰ وات را به صورت گرما اتلاف می‌کند. فرض کنید $\Delta T$ برابر ۴۰ درجه سانتی‌گراد در سراسر هیت‌سینک وجود دارد.
مرحله ۲ - نگاشت عملکرد TEG: با استفاده از دیتاشیت استاندارد یک TEG (مثلاً TEC1-12706)، ضریب سیبک $\alpha$ ~ ۰.۰۵ ولت بر کلوین است. $V_{oc}$ نظری = $\alpha \cdot \Delta T \cdot N$ که در آن N تعداد جفت‌ها است. برای ۱۲۷ جفت، $V_{oc} \approx 0.05 * 40 * 127 = 254V$ (مدار باز، غیرعملی). ولتاژ نقطه حداکثر توان واقعی بسیار کمتر است.
مرحله ۳ - محاسبه توان: حداکثر توان خروجی $P_{max} = (\alpha^2 \cdot \Delta T^2 \cdot N) / (4 \cdot R)$ که در آن R مقاومت داخلی است. حتی با اعداد خوشبینانه، $P_{max}$ برای چنین ساختاری اغلب <۵ وات است.
مرحله ۴ - تحلیل هزینه-فایده: افزودن ۱۰۰-۵۰ دلار TEG و مدارات تنظیم توان برای بازیافت <۵ وات (افزایش مؤثر ۳٪ی سیستم)، دوره بازگشت سرمایه را فراتر از عمر چراغ می‌برد. این چارچوب به سرعت مانع اقتصادی را شناسایی می‌کند.

6. کاربردها و جهت‌های آینده

کاربرد فوری این فناوری محدود به سیستم‌های خاص و باارزشی است که بازیافت انرژی، هزینه و پیچیدگی را توجیه می‌کند، مانند روشنایی دورافتاده و خارج از شبکه که با باتری تغذیه می‌شود یا در محیط‌های بسته‌ای که کاهش بار حرارتی دو برابر سودمند است.

جهت‌های تحقیقاتی آینده باید بر موارد زیر متمرکز شوند:

1. مواد ترموالکتریک پیشرفته: ادغام مواد با ZT بالا مانند تلورید بیسموت نانوساختاری یا پلیمرهای نوینی که در گرادیان‌های دمایی پایین‌تر به طور کارآمد عمل می‌کنند.
2. یکپارچه‌سازی در سطح سیستم: طراحی بسته‌بندی‌های LED با لایه‌های ترموالکتریک تعبیه‌شده، دور شدن از ماژول‌های گسسته و الحاقی.
3. برداشت انرژی ترکیبی: ترکیب تبدیل ترموالکتریک با روش‌های دیگر، مانند تبدیل بخشی از نور ساطع‌شده خود LED از طریق سلول‌های فتوولتائیک برای سیستم‌های حلقه بسته با بازده فوق‌العاده بالا.
4. مدیریت هوشمند توان: توسعه مبدل‌های DC-DC با تلفات فوق‌العاده پایین که به طور خاص برای مدیریت خروجی کم‌ولتاژ و متغیر از TEGها طراحی شده‌اند تا LEDهای کمکی را به طور کارآمد تغذیه کنند یا بافرهای شارژ را پر کنند.

7. مراجع

1. [1-6] مطالعات مختلف در مورد ماژول‌های پلتیر برای خنک‌سازی LED (همانطور که در PDF اصلی ذکر شده است).
2. وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا. (۲۰۲۳). طرح تحقیق و توسعه روشنایی حالت جامد. بازیابی شده از 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] در PDF اصلی.
6. COMSOL Multiphysics®. www.comsol.com.