विषय सूची
1. परिचय एवं अवलोकन
यह शोध पत्र उच्च-शक्ति प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) प्रकाश व्यवस्थाओं की समग्र दक्षता बढ़ाने के एक नवीन दृष्टिकोण की जाँच करता है। हालांकि एलईडी पारंपरिक प्रकाश स्रोतों की तुलना में अत्यधिक कुशल हैं, फिर भी निविष्ट विद्युत ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा (60-70%) ऊष्मा के रूप में व्यर्थ हो जाता है। प्रस्तावित मूल नवाचार इस अपशिष्ट ऊष्मा का उपयोग केवल शीतलन के लिए ही नहीं, बल्कि एक ऊर्जा स्रोत के रूप में करना है। सीबेक प्रभाव पर आधारित थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (TEG) मॉड्यूल को एकीकृत करके, एलईडी के हीट सिंक के पार तापीय प्रवणता को पुनः विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, जिसे फिर अतिरिक्त एलईडी को शक्ति प्रदान करने के लिए उपयोग किया जाता है, जिससे नुकसान को उपयोगी प्रकाश उत्पादन में "पुनर्चक्रित" किया जाता है।
2. मूल अवधारणा एवं प्रेरणा
एक एलईडी का प्राथमिक कार्य प्रकाश उत्पन्न करना है। इसलिए, कोई भी प्रणाली जो ऊर्जा हानि (इस मामले में, तापीय) को सीधे प्रकाश में वापस बदल देती है, वह प्रणाली की दीप्ति दक्षता को बढ़ा देती है। एलईडी प्रणालियों में सक्रिय शीतलन के लिए पेल्टियर मॉड्यूल के सामान्य उपयोगों के विपरीत [1-6], यह कार्य उन्हें ऊर्जा संग्राहक के रूप में पुनः प्रयोजित करता है। यह अध्ययन इस अवधारणा की व्यवहार्यता प्रदर्शित करने के लिए एक उच्च-शक्ति चिप-ऑन-बोर्ड (COB) एलईडी (ब्रिजलक्स BXRA-W3500) पर केंद्रित है।
3. तापीय मॉडलिंग एवं सिमुलेशन
रूपांतरण के लिए उपलब्ध ऊर्जा की भविष्यवाणी के लिए सटीक तापीय मॉडलिंग महत्वपूर्ण है। अध्ययन एलईडी जंक्शन से विभिन्न परतों के माध्यम से परिवेशी वायु तक ऊष्मा स्थानांतरण का अनुकरण करने के लिए COMSOL मल्टीफिज़िक्स सॉफ़्टवेयर का उपयोग करता है।
3.1 तापीय नेटवर्क विश्लेषण
ऊष्मा प्रवाह का विश्लेषण करने के लिए एक सरलीकृत तापीय प्रतिरोध नेटवर्क मॉडल का उपयोग किया जाता है, जैसा कि पीडीएफ के चित्र 1 में दिखाया गया है। मुख्य पैरामीटर हैं:
- $Q$: गर्म से ठंडे की ओर ऊष्मा प्रवाह।
- $T_j$, $T_c$, $T_h$, $T_{amb}$: क्रमशः जंक्शन, केस, हीटसिंक अटैचमेंट और परिवेश पर तापमान।
- $R_{\theta jc}$, $R_{\theta ch}$, $R_{\theta ha}$: इन बिंदुओं के बीच तापीय प्रतिरोध।
समग्र जंक्शन-से-परिवेश प्रतिरोध इस प्रकार दिया गया है:
$R_{\theta, J-amb} = \frac{T_j - T_{amb}}{P_d}$ [1]
और इसे इस प्रकार विघटित किया जा सकता है:
$R_{\theta, j-amb} = R_{\theta, j-c} + R_{\theta, c-h} + R_{\theta, h-amb}$ [2]
जहाँ $P_d$ व्ययित शक्ति है। TEG के पार पर्याप्त तापमान प्रवणता ($\Delta T$) बनाने के लिए इन प्रतिरोधों को न्यूनतम करना महत्वपूर्ण है।
3.2 COMSOL सिमुलेशन परिणाम
सिमुलेशन ने एकीकृत थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल के साथ और बिना एलईडी प्रणाली के तापीय प्रोफ़ाइल की तुलना की (पीडीएफ में चित्र 2)। TEG वाले मॉडल ने एक संशोधित ऊष्मा प्रवाह पथ दिखाया, जिसने इस बात की पुष्टि की कि तापीय ऊर्जा का एक हिस्सा हीटसिंक और परिवेशी वायु में व्यय होने से पहले अवरोधित और परिवर्तित किया जा सकता है। इसने TEG की संकल्पनात्मक स्थिति और संभावना को मान्य किया।
4. प्रायोगिक सेटअप एवं परिणाम
सैद्धांतिक मॉडल को भौतिक प्रोटोटाइप के माध्यम से मान्य किया गया।
4.1 एकल TEG के साथ प्रोटोटाइप
पहला प्रोटोटाइप (पीडीएफ में चित्र 3) में ब्रिजलक्स एलईडी, एक एकल TEG और एक हीटसिंक शामिल था। इसने एलईडी की अपशिष्ट ऊष्मा से सफलतापूर्वक विद्युत आउटपुट उत्पन्न किया: $V = 1V$, $I = 300mA$। हालाँकि, यह वोल्टेज एक मानक लाल एलईडी को प्रकाशित करने के लिए आवश्यक अग्र वोल्टेज (आमतौर पर ~1.6V) से कम था, जो एक प्रमुख चुनौती प्रदर्शित करता है: व्यावहारिक वोल्टेज स्तरों के लिए पर्याप्त $\Delta T$ प्राप्त करना।
4.2 श्रृंखला में दोहरे TEG के साथ प्रोटोटाइप
वोल्टेज सीमा को दूर करने के लिए, पहले TEG के साथ श्रृंखला में एक दूसरा TEG जोड़ा गया। इस विन्यास ने कुल खुला-परिपथ वोल्टेज बढ़ा दिया, जिससे एक सहायक एलईडी को सफलतापूर्वक जलाना संभव हो गया। इस प्रयोग ने मूल व्यवहार्यता सिद्ध कर दी: प्राथमिक एलईडी से अपशिष्ट तापीय ऊर्जा को अतिरिक्त प्रकाश उत्पन्न करने के लिए विद्युत में परिवर्तित किया जा सकता है।
5. तकनीकी विश्लेषण एवं रूपरेखा
मूल अंतर्दृष्टि: यह पत्र एक सीमांत दक्षता लाभ के बारे में नहीं है; यह उच्च-शक्ति फोटोनिक्स की डिज़ाइन दर्शन के लिए एक मौलिक चुनौती है। उद्योग का तापीय प्रबंधन के प्रति आसक्ति पूरी तरह से रक्षात्मक रही है—एलईडी की रक्षा के लिए ऊष्मा को हटाना। यह शोध दृष्टिकोण को बदल देता है, एक आक्रामक रणनीति प्रस्तावित करता है: तापीय प्रवणता को एक हथियार के रूप में इस्तेमाल करना। यह एलईडी के तापीय पदचिह्न को एक दायित्व के बजाय एक द्वितीयक, परजीवी पावर बस के रूप में मानता है। वास्तविक नवाचार एक एकल प्रकाश फिक्स्चर के भीतर एक सूक्ष्म-स्तरीय संयुक्त ऊष्मा और शक्ति (CHP) प्रणाली की संकल्पनात्मक एकीकरण है।
तार्किक प्रवाह: तर्क सुंदर रूप से रैखिक है लेकिन एक कठोर वास्तविकता को उजागर करता है। 1) एलईडी 60-70% ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में व्यर्थ करते हैं। 2) थर्मोइलेक्ट्रिक्स ताप अंतर को विद्युत में परिवर्तित करते हैं। 3) इसलिए, एक TEG को एलईडी से जोड़ दें। हालाँकि, प्रवाह ऊर्जा गुणवत्ता रूपांतरण पर अटक जाता है। सीबेक प्रभाव कुख्यात रूप से अक्षम है (अक्सर ऐसे कम $\Delta T$ के लिए <5%)। पत्र के प्रायोगिक परिणाम (64W-समतुल्य एलईडी से 1V, 300mA) कठोर गणित को उजागर करते हैं: पुनर्प्राप्त विद्युत शक्ति तापीय हानि का एक छोटा सा अंश है। प्रदर्शित "व्यवहार्यता" आर्थिक की बजाय अधिक तापगतिकीय है।
शक्तियाँ एवं दोष: इसकी शक्ति इसकी दूरदर्शी, अंतर-अनुशासनिक दृष्टिकोण है, जो ठोस-अवस्था प्रकाश व्यवस्था को ऊर्जा संचयन के साथ मिलाता है—एक सहक्रिया जिस पर अक्सर सिद्धांत में चर्चा की जाती है (जैसे, यू.एस. ऊर्जा विभाग के प्रकाश व्यवस्था अनुसंधान एवं विकास कार्यक्रम की समीक्षाओं में) लेकिन शायद ही कभी लागू की जाती है। प्रायोगिक प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट स्पष्ट है। घातक दोष ऊर्जा घनत्व में वर्तमान बेमेल है। उच्च-शक्ति एलईडी ऊष्मा प्रवाह की शक्ति घनत्व उच्च है, लेकिन सस्ते, कमरे के तापमान TEG (जैसे Bi2Te3 मॉड्यूल) की रूपांतरण दक्षता अत्यंत निम्न है। TEG और उसकी पावर प्रबंधन सर्किट की अतिरिक्त लागत, जटिलता और संभावित विश्वसनीयता समस्याएं पुनर्चक्रित प्रकाश की नगण्य मात्रा से कभी भी उचित नहीं ठहराई जा सकतीं। यह एक व्यवहार्य समस्या की तलाश में एक "चतुर" समाधान बनने का जोखिम रखता है।
कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टियाँ: इसे एक प्रयोगशाला की जिज्ञासा से परे ले जाने के लिए, शोध को धुरी बदलनी चाहिए। 1) सामग्री सीमांत: ध्यान नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों (जैसे, स्कटररुडाइट्स, हाफ-ह्यूस्लर्स) या नैनोसंरचित समग्रों पर स्थानांतरित होना चाहिए जो निकट-कक्ष-तापमान प्रवणताओं पर उच्च ZT मानों का वादा करते हैं, जैसा कि उन्नत सामग्री पत्रिकाओं में खोजा गया है। 2) प्रणाली सह-डिज़ाइन: एलईडी और TEG को बस जोड़ा नहीं जा सकता। हमें एकीकृत थर्मोइलेक्ट्रिक संरचनाओं के साथ शुरू से ही डिज़ाइन किए गए एकल एलईडी पैकेजों की आवश्यकता है, जो फोटॉन उत्सर्जन और फोनॉन संचयन दोनों को अनुकूलित करते हों। 3) विशिष्ट क्षेत्र पहले: ऐसे अनुप्रयोगों को लक्षित करें जहाँ ऊष्मा वास्तव में "मुफ़्त" और मूल्यवान है, और दक्षता लागत से अधिक महत्वपूर्ण है। एयरोस्पेस या पनडुब्बी वाहनों के बारे में सोचें जहाँ बचाई गई विद्युत भार का हर वाट महत्वपूर्ण है, और अपशिष्ट ऊष्मा प्रचुर मात्रा में है। व्यापक वाणिज्यिक प्रकाश व्यवस्था बाज़ार तब तक पहुँच से बाहर रहेगा जब तक कि मौलिक तापगतिकी में एक गुणांक सुधार न हो जाए।
विश्लेषण रूपरेखा उदाहरण
मामला: स्ट्रीट लाइटिंग के लिए व्यवहार्यता का मूल्यांकन
चरण 1 - ऊर्जा लेखा परीक्षा: एक 150W एलईडी स्ट्रीटलाइट ~100W को ऊष्मा के रूप में व्यय करती है। हीटसिंक के पार 40°C का $\Delta T$ मान लें।
चरण 2 - TEG प्रदर्शन मानचित्रण: एक मानक TEG डेटाशीट (जैसे, TEC1-12706) का उपयोग करते हुए, सीबेक गुणांक $\alpha$ ~ 0.05 V/K। सैद्धांतिक $V_{oc} = \alpha \cdot \Delta T \cdot N$ जहाँ N युग्म जोड़े हैं। 127 जोड़े के लिए, $V_{oc} \approx 0.05 * 40 * 127 = 254V$ (खुला-परिपथ, अव्यावहारिक)। वास्तविक अधिकतम शक्ति बिंदु वोल्टेज बहुत कम है।
चरण 3 - शक्ति गणना: अधिकतम आउटपुट शक्ति $P_{max} = (\alpha^2 \cdot \Delta T^2 \cdot N) / (4 \cdot R)$ जहाँ R आंतरिक प्रतिरोध है। आशावादी संख्याओं के साथ भी, ऐसे सेटअप के लिए $P_{max}$ अक्सर <5W होती है।
चरण 4 - लागत-लाभ विश्लेषण: <5W (3% प्रभावी प्रणाली लाभ) पुनर्प्राप्त करने के लिए $50-$100 के TEG और पावर कंडीशनिंग जोड़ने का भुगतान अवधि फिक्स्चर के जीवनकाल से अधिक है। यह रूपरेखा तेजी से आर्थिक बाधा की पहचान करती है।
6. भविष्य के अनुप्रयोग एवं दिशाएँ
तत्काल अनुप्रयोग विशिष्ट, उच्च-मूल्य वाली प्रणालियों तक सीमित है जहाँ ऊर्जा पुनर्चक्रण लागत और जटिलता को उचित ठहराता है, जैसे कि दूरस्थ, ऑफ-ग्रिड प्रकाश व्यवस्था जो बैटरियों द्वारा संचालित होती है या संलग्न वातावरण में जहाँ तापीय भार को कम करना दोहरा लाभकारी है।
भविष्य के शोध दिशाओं पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए:
- उन्नत थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियाँ: उच्च-ZT सामग्रियों जैसे नैनोसंरचित बिस्मथ टेल्यूराइड या नवीन पॉलिमर को एकीकृत करना जो कम तापमान प्रवणताओं पर कुशलता से कार्य करते हैं।
- प्रणाली-स्तरीय एकीकरण: अंतर्निहित थर्मोइलेक्ट्रिक परतों के साथ एलईडी पैकेज डिज़ाइन करना, अलग-अलग, अतिरिक्त मॉड्यूल से दूर जाना।
- संकर ऊर्जा संचयन: थर्मोइलेक्ट्रिक रूपांतरण को अन्य विधियों, जैसे कि एलईडी के स्वयं उत्सर्जित प्रकाश के एक हिस्से को फोटोवोल्टिक सेल के माध्यम से परिवर्तित करने के साथ संयोजित करना, अति-उच्च-दक्षता बंद-लूप प्रणालियों के लिए।
- स्मार्ट पावर प्रबंधन: अति-कम-हानि DC-DC कन्वर्टर्स विकसित करना जो विशेष रूप से TEG से कम-वोल्टेज, परिवर्तनशील आउटपुट को संभालने और सहायक एलईडी को कुशलतापूर्वक चलाने या बफ़र चार्ज करने के लिए डिज़ाइन किए गए हों।
7. संदर्भ
- [1-6] एलईडी शीतलन के लिए पेल्टियर मॉड्यूल पर विभिन्न अध्ययन (मूल पीडीएफ में उद्धृत)।
- यू.एस. ऊर्जा विभाग. (2023). ठोस-अवस्था प्रकाश व्यवस्था अनुसंधान एवं विकास योजना. energy.gov से प्राप्त।
- हे, जे., और ट्रिट, टी. एम. (2017). थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री अनुसंधान में प्रगति: पीछे देखना और आगे बढ़ना। विज्ञान, 357(6358).
- झू, एच., एट अल. (2022). उच्च-प्रदर्शन निकट-कक्ष-तापमान थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियाँ। नेचर रिव्यूज़ मैटेरियल्स, 7(6).
- ब्रिजलक्स. BXRA-W3500 डेटा शीट. [8] मूल पीडीएफ में।
- COMSOL मल्टीफिज़िक्स®. www.comsol.com.