Utafiti wa Uwezekano: Kubadilisha Upotevu wa Joto wa LED kuwa Mwanga Kupitia Moduli za Thermoelectric

Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Karatasi hii inachunguza njia mpya ya kuboresha ufanisi wa jumla wa mifumo ya taa yenye nguvu ya LED (Light Emitting Diode). Ingawa LED zina ufanisi mkubwa ikilinganishwa na vyanzo vya mwanga vya jadi, sehemu kubwa (60-70%) ya nishati ya umeme inayotumiwa bado hutolewa kama joto. Uvumbuzi wa msingi unaopendekezwa ni kutumia joto hili linalopotea, si kwa ajili ya kupoeza tu, bali kama chanzo cha nishati. Kwa kuunganisha moduli za jenereta za thermoelectric (TEG) kulingana na athari ya Seebeck, tofauti ya joto kwenye kipoezi cha joto cha LED hubadilishwa tena kuwa nishati ya umeme, ambayo kisha hutumiwa kuwasha LED za ziada, na hivyo kuwa "kurejesha" upotevu kuwa pato la mwanga muhimu.

2. Dhana ya Msingi na Motisha

Kazi kuu ya LED ni kutoa mwanga. Kwa hivyo, mfumo wowote unaobadilisha upotevu wa nishati (joto, katika kesi hii) kurudi kuwa mwanga huongeza moja kwa moja ufanisi wa mwangaza wa mfumo. Tofauti na matumizi ya kawaida ya moduli za Peltier kwa ajili ya kupoeza kikamilifu katika mifumo ya LED [1-6], utafiti huu unazitumia tena kama vifaa vya kuvuna nishati. Utafiti unazingatia LED yenye nguvu ya Chip-on-Board (COB) (Bridgelux BXRA-W3500) kuonyesha uwezekano wa dhana hii.

3. Uundaji wa Mfano wa Joto na Uigizaji

Uundaji sahihi wa mfano wa joto ni muhimu sana kwa kutabiri nishati inayopatikana kwa ajili ya ubadilishaji. Utafiti huu unatumia programu ya COMSOL Multiphysics kuiga uhamisho wa joto kutoka kwenye makutano ya LED kupitia tabaka mbalimbali hadi hewa ya mazingira.

3.1 Uchambuzi wa Mtandao wa Joto

Mfano rahisi wa mtandao wa upinzani wa joto unatumika kuchambua mtiririko wa joto, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1 wa PDF. Vigezo muhimu ni:

• $Q$: Mtiririko wa joto kutoka moto hadi baridi.
• $T_j$, $T_c$, $T_h$, $T_{amb}$: Halijoto kwenye makutano, kifurushi, mahali pa kuunganishia kipoezi cha joto, na mazingira, mtawalia.
• $R_{\theta jc}$, $R_{\theta ch}$, $R_{\theta ha}$: Upinzani wa joto kati ya pointi hizi.

Upinzani wa jumla kutoka makutano hadi mazingira unapewa na:

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

Na unaweza kugawanywa kama:

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

Ambapo $P_d$ ni nguvu iliyotolewa. Kupunguza upinzani huu ni muhimu sana kwa kuunda tofauti ya halijoto ($\Delta T$) ya kutosha kwenye TEG.

3.2 Matokeo ya Uigizaji wa COMSOL

Uigizaji ulilinganisha muundo wa joto wa mfumo wa LED na bila moduli iliyoingizwa ya thermoelectric (Mchoro 2 katika PDF). Mfano wenye TEG ulionyesha njia iliyobadilishwa ya mtiririko wa joto, ukithibitisha kuwa sehemu ya nishati ya joto inaweza kukatwa na kubadilishwa kabla ya kutolewa kwenye kipoezi cha joto na hewa ya mazingira. Hii ilithibitisha uwekaji wa dhana na uwezo wa TEG.

4. Usanidi wa Majaribio na Matokeo

Mfano wa kinadharia ulithibitishwa kupitia utengenezaji wa kielelezo halisi.

4.1 Kielelezo cha Kwanza na TEG Moja

Kielelezo cha kwanza (Mchoro 3 katika PDF) kilijumuisha LED ya Bridgelux, TEG moja, na kipoezi cha joto. Ilifanikiwa kutoa pato la umeme kutoka kwa joto linalopotea la LED: $V = 1V$, $I = 300mA$. Hata hivyo, voltage hii ilikuwa chini ya voltage ya mbele (kawaida ~1.6V) inayohitajika kuwasha LED ya kawaida nyekundu, ikionyesha changamoto kuu: kufikia $\Delta T$ ya kutosha kwa viwango vya voltage vinavyoweza kutekelezika.

4.2 Kielelezo cha Pili na TEG Mbili Mfululizo

Ili kushinda kikomo cha voltage, TEG ya pili iliongezwa mfululizo na ya kwanza. Usanidi huu uliongeza voltage ya jumla ya mzunguko wazi, na kuifanya iwezekane kuwasha kwa mafanikio LED ya ziada. Jaribio hili lilithibitisha uwezekano wa msingi: nishati ya joto inayopotea kutoka kwa LED kuu inaweza kubadilishwa kuwa umeme ili kutoa mwanga wa ziada.

5. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo wa Kazi

Ufahamu wa Msingi: Karatasi hii sio juu ya faida ndogo ya ufanisi; ni changamoto ya msingi kwa falsafa ya kubuni ya photonics yenye nguvu. Ushikamano wa tasnia na usimamizi wa joto umekuwa wa kujihami tu—kupunguza joto kulinda LED. Utafiti huu unabadilisha mwelekeo, ukipendekeza mkakati wa kushambulia: kutumia tofauti ya joto kama silaha. Unachukua athari ya joto ya LED si kama mzigo bali kama mstari wa nguvu wa pili, wa kuambukiza. Uvumbuzi wa kweli ni ujumuishaji wa dhana wa mfumo wa pamoja wa joto na nguvu (CHP) wa kiwango kidogo ndani ya taa moja.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ni laini kwa ustadi lakini inafunua ukweli mgumu. 1) LED zinapoteza 60-70% ya nishati kama joto. 2) Thermoelectrics hubadilisha tofauti za joto kuwa umeme. 3) Kwa hivyo, funga TEG kwenye LED. Hata hivyo, mtiririko unakwama kwenye ubadilishaji wa ubora wa nishati. Athari ya Seebeck inajulikana kwa kutokuwa na ufanisi (mara nyingi <5% kwa $\Delta T$ ndogo kama hiyo). Matokeo ya majaribio ya karatasi (1V, 300mA kutoka kwa LED yenye nguvu sawa na 64W) yanaonyesha hesabu kali: nguvu ya umeme iliyorejeshwa ni sehemu ndogo sana ya upotevu wa joto. "Uwezekano" unaoonyeshwa ni zaidi wa thermodynamic kuliko kiuchumi.

Nguvu na Kasoro: Nguvu yake ni njia yake ya kuona mbali, ya kuvuka taaluma, kuchanganya taa ya hali ngumu na uvunaji wa nishati—ushirikiano unaozungumzwa mara nyingi kwa nadharia (kwa mfano, katika ukaguzi kutoka kwa mpango wa Utafiti na Uendelezaji wa taa wa Idara ya Nishati ya Marekani) lakini mara chache kutekelezwa. Uthibitisho wa majaribio wa dhana ni wazi. Kasoro mbaya ni kutolingana kwa sasa kwa msongamano wa nishati. Msongamano wa nguvu wa mtiririko wa joto wa LED yenye nguvu ni mkubwa, lakini ufanisi wa ubadilishaji wa TEG za bei nafuu, za halijoto ya kawaida (kama moduli za Bi2Te3) ni chini sana. Gharama iliyoongezwa, utata, na masuala ya uaminifu ya TEG na mzunguko wake wa usimamizi wa nguvu huenda kamwe kusadikishwa na kiasi kidogo cha mwanga uliorejeshwa. Ina hatari ya kuwa suluhisho "erevu" linalotafuta shida inayoweza kutekelezika.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Ili hii ipite kwenye udadisi wa maabara, utafiti lazima ubadilike. 1) Kipengele cha Nyenzo: Lengo lazima libadilike kuelekea nyenzo mpya za thermoelectric (kwa mfano, skutterudites, half-Heuslers) au viunganishi vya nanostructured vinavyotahidi maadili ya juu ya ZT kwenye tofauti za halijoto karibu na kawaida, kama ilivyochunguzwa katika majarida ya juu ya nyenzo. 2) Uundaji wa Pamoja wa Mfumo: LED na TEG haziwezi kuunganishwa tu. Tunahitaji uundaji wa pamoja wa kimoja—vifurushi vya LED vilivyoundwa kutoka msingi na miundo iliyoingizwa ya thermoelectric, ikiboresha utoaji wa photon na uvunaji wa phonon. 3) Kwanza Katika Niche: Lengo matumizi ambapo joto ni "bure" na la thamani kwa kweli, na ufanisi unashinda gharama. Fikiria vyombo vya anga au chini ya maji ambapo kila wati ya mzigo wa umeme uliohifadhiwa ni muhimu, na joto linalopotea ni mengi. Soko la pana la taa la kibiashara litabaki lisifikiwe hadi thermodynamics ya msingi ibore kwa kiwango kimoja.

Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi

Kesi: Kutathmini Uwezekano wa Taa za Barabarani
Hatua ya 1 - Ukaguzi wa Nishati: Taa ya barabarani ya LED ya 150W hutolea ~100W kama joto. Chukua $\Delta T$ ya 40°C kwenye kipoezi cha joto.
Hatua ya 2 - Ramani ya Utendaji wa TEG: Kwa kutumia karatasi ya data ya kawaida ya TEG (kwa mfano, TEC1-12706), mgawo wa Seebeck $\alpha$ ~ 0.05 V/K. Nadharia $V_{oc} = \alpha \cdot \Delta T \cdot N$ ambapo N ni jozi za wanandoa. Kwa jozi 127, $V_{oc} \approx 0.05 * 40 * 127 = 254V$ (mzunguko wazi, hauwezekani). Voltage halisi ya hatua ya nguvu ya juu ni ndogo zaidi.
Hatua ya 3 - Hesabu ya Nguvu: Nguvu ya juu ya pato $P_{max} = (\alpha^2 \cdot \Delta T^2 \cdot N) / (4 \cdot R)$ ambapo R ni upinzani wa ndani. Hata kwa nambari zenye matumaini, $P_{max}$ mara nyingi ni <5W kwa usanidi kama huo.
Hatua ya 4 - Uchambuzi wa Gharama na Faida: Kuongeza $50-$100 za TEG na utayarishaji wa nguvu kurejesha <5W (faida ya 3% ya mfumo) ina kipindi cha malipo kinachozidi maisha ya taa. Mfumo huu unatambua haraka kikwazo cha kiuchumi.

6. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Matumizi ya haraka yamewekewa mipaka kwenye mifumo ya thamani kubwa, ya kipekee ambapo urejeshaji wa nishati unasadikisha gharama na utata, kama vile katika taa za mbali, zisizo na gridi zinazowashwa na betri au katika mazingira yaliyofungwa ambapo kupunguza mzigo wa joto kunafaa mara mbili.

Mwelekeo wa utafiti wa baadaye unapaswa kulenga:

1. Nyenzo za Juu za Thermoelectric: Kuunganisha nyenzo za juu-ZT kama bismuth telluride yenye muundo wa nanoscale au polima mpya zinazofanya kazi kwa ufanisi kwenye tofauti za halijoto za chini.
2. Ujumuishaji wa Kiwango cha Mfumo: Kubuni vifurushi vya LED vilivyo na tabaka za thermoelectric zilizojengwa ndani, kukwenda mbali na moduli za ziada, tofauti.
3. Uvunaji wa Nishati Mseto: Kuchanganya ubadilishaji wa thermoelectric na njia zingine, kama vile kubadilisha sehemu ya mwanga unaotolewa na LED yenyewe kupitia seli za photovoltaic kwa mifumo ya mzunguko uliofungwa yenye ufanisi wa juu sana.
4. Usimamizi wa Nguvu Mwenye Akili: Kukuza vigeuzi vya DC-DC vyenye upotevu mdogo sana vilivyoundwa mahsusi kushughulikia pato la chini la voltage, la kutofautiana kutoka kwa TEG ili kuendesha kwa ufanisi LED za ziada au kuchaji vihifadhi.

7. Marejeo

1. [1-6] Utafiti mbalimbali juu ya moduli za Peltier kwa ajili ya kupoeza LED (kama ilivyotajwa katika PDF asili).
2. Idara ya Nishati ya Marekani. (2023). Mpango wa Utafiti na Uendelezaji wa Taa ya Hali Ngumu. Imepatikana kutoka energy.gov.
3. He, J., & Tritt, T. M. (2017). Maendeleo katika utafiti wa nyenzo za thermoelectric: Kuangalia nyuma na kuendelea mbele. Science, 357(6358).
4. Zhu, H., et al. (2022). Nyenzo za thermoelectric za hali ya juu karibu na halijoto ya kawaida. Nature Reviews Materials, 7(6).
5. Bridgelux. Karatasi ya Data ya BXRA-W3500. [8] katika PDF asili.
6. COMSOL Multiphysics®. www.comsol.com.