مضخة حرارية كهروحرارية

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 26 صور
الموسوعة الحرة

تستخدم المضخات الحرارية الكهروحرارية التأثير الكهروحراري ، وتحديدًا تأثير بلتييه ، لتسخين أو تبريد المواد بتطبيق تيار كهربائي عليها. مبرد بلتييه، أو سخان بلتييه، أو المضخة الحرارية الكهروحرارية ، هي مضخة حرارية نشطة تعمل في الحالة الصلبة ، وتنقل الحرارة من جانب إلى آخر، مع استهلاك الطاقة الكهربائية ، تبعًا لاتجاه التيار. يُطلق على هذا الجهاز أيضًا اسم جهاز بلتييه ، أو مضخة بلتييه الحرارية ، أو ثلاجة الحالة الصلبة ، أو مبرد كهروحراري ( TEC )، ويُسمى أحيانًا بطارية كهروحرارية . يمكن استخدامه للتسخين أو التبريد، [ 1 ] مع أن الاستخدام الرئيسي عمليًا هو التبريد، إذ يمكن تحقيق التسخين بأجهزة أبسط (باستخدام التسخين الجولي ).

تعتمد تقنية التحكم الحراري الكهربائي على تسخين أو تبريد المواد بتطبيق تيار كهربائي عليها. [ 2 ] تمتص خلية بلتييه النموذجية الحرارة من جانب واحد وتنتجها من الجانب الآخر. [ 2 ] ولهذا السبب، يمكن استخدام خلايا بلتييه للتحكم في درجة الحرارة . [ 2 ] مع ذلك، فإن استخدام هذه التقنية لتكييف الهواء على نطاق واسع (للمنازل أو المباني التجارية) نادرٌ نظرًا لانخفاض كفاءتها وارتفاع تكلفتها مقارنةً بالخيارات الأخرى. [ 2 ]

التبريد الكهروحراري

تُستخدم هذه التقنية في مجال التبريد بشكل أقل شيوعًا من تقنية التبريد بضغط البخار . وتتمثل المزايا الرئيسية لمبردات بلتييه مقارنةً بثلاجات ضغط البخار في عدم وجود أجزاء متحركة أو سائل متداول، وعمرها الطويل جدًا، ومقاومتها للتسرب، وصغر حجمها، وإمكانية تصميمها بأشكال متنوعة. أما عيوبها الرئيسية فتتمثل في ارتفاع تكلفتها مقارنةً بقدرة التبريد نفسها، وانخفاض كفاءتها في استهلاك الطاقة ( معامل أداء منخفض ). ويسعى العديد من الباحثين والشركات إلى تطوير مبردات بلتييه منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة.

مبدأ التشغيل

مخطط عنصر بلتييه. الأرجل الكهروحرارية موصولة حرارياً على التوازي وكهربائياً على التوالي.
فيديو من كاميرا حرارية لعنصر بلتييه

تعمل المبردات الكهروحرارية وفقًا لتأثير بلتييه (أحد الظواهر الثلاث التي تُشكل التأثير الكهروحراري). [ 3 ] تتكون الوحدة الكهروحرارية من ثلاثة مكونات: الموصلات، والأرجل، والركيزة. تُوصل العديد من هذه الوحدات كهربائيًا على التوالي، ولكن حراريًا على التوازي. [ 3 ] عندما يمر تيار كهربائي مستمر عبر الجهاز، فإنه ينقل الحرارة من جانب إلى آخر، بحيث يبرد أحد الجانبين بينما يسخن الآخر.

يُثبّت الجانب الساخن على مشتت حراري للحد من ارتفاع درجة حرارته، بينما تنخفض درجة حرارة الجانب البارد إلى ما دون درجة حرارة المحيط. في تطبيقات خاصة، يمكن توصيل عدة مبردات على التوالي أو على مراحل للحصول على درجات حرارة أقل، ولكن الكفاءة الإجمالية (معامل الأداء) تنخفض بشكل ملحوظ. يُحدّد الفرق في درجة الحرارة بين الجانبين الساخن والبارد الحد الأقصى لمعامل الأداء لأي دورة تبريد. فكلما زاد الفرق في درجة الحرارة، انخفض الحد الأقصى النظري لمعامل الأداء. وتعتمد كلتا درجتي الحرارة على معدل انتقال الحرارة من وإلى الجهاز، بالإضافة إلى حركة الحرارة داخله.

يمكن استخدام مضخة حرارية نموذجية تعتمد على خلايا بلتييه عن طريق ربط المولدات الكهروحرارية بألواح كهروضوئية مبردة بالهواء . [ 4 ] وبالنظر إلى النظام المزود بوحدة تهوية، فإنه يضمن إمكانية التدفئة من جهة والتبريد من جهة أخرى. [ 5 ] وبتغيير التكوين، يُمكن تحقيق التكيف مع درجات الحرارة في الشتاء والصيف. [ 6 ] ومن المتوقع أن تكون هذه العناصر فعالة في المباني الصفرية الطاقة ، عند دمجها مع الطاقة الشمسية الحرارية والكهروضوئية [ 7 ]، مع التركيز بشكل خاص على إنشاء مضخات حرارية إشعاعية على جدران المبنى. [ 8 ]

تضمن طريقة التأقلم هذه الكفاءة المثلى أثناء التبريد الصيفي عند استخدامها مع مولدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية. ويمكن أيضاً استخدام دوران الهواء لتبريد وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

إن أهم متطلبات الهندسة هي التصميم الدقيق لمشتتات الحرارة [ 9 ] لتحسين التبادل الحراري وتقليل الخسائر الديناميكية للسوائل.

بناء

تصميم

يُستخدم نوعان فريدان من أشباه الموصلات، أحدهما من النوع السالب (n) والآخر من النوع الموجب (p) ، نظرًا لاختلاف كثافة الإلكترونات فيهما. تُوضع أعمدة أشباه الموصلات المتناوبة من النوعين السالب والموجب بالتوازي حراريًا وعلى التوالي كهربائيًا، ثم تُوصل بلوحة موصلة حراريًا على كل جانب، عادةً ما تكون من السيراميك، مما يُغني عن الحاجة إلى عازل منفصل. عند تطبيق جهد كهربائي على الأطراف الحرة لأشباه الموصلات، يمر تيار مستمر عبر وصلة أشباه الموصلات، مُحدثًا فرقًا في درجة الحرارة. يمتص الجانب المُغطى بلوحة التبريد الحرارة التي ينقلها شبه الموصل إلى الجانب الآخر من الجهاز.

تتناسب قدرة التبريد للوحدة ككل طرديًا مع المساحة الكلية لمساحة مقطع جميع الأعمدة، والتي غالبًا ما تُوصل على التوالي كهربائيًا لتقليل التيار المطلوب إلى مستويات عملية. ويُحدد طول الأعمدة بتوازن بين الأعمدة الأطول، التي تتميز بمقاومة حرارية أكبر بين الجانبين وتسمح بالوصول إلى درجة حرارة أقل ولكنها تُنتج تسخينًا مقاوميًا أكبر، والأعمدة الأقصر، التي تتميز بكفاءة كهربائية أعلى ولكنها تسمح بتسرب المزيد من الحرارة من الجانب الساخن إلى الجانب البارد عن طريق التوصيل الحراري. عند وجود فروق كبيرة في درجات الحرارة، تكون الأعمدة الأطول أقل كفاءة بكثير من تكديس وحدات منفصلة أكبر حجمًا تدريجيًا؛ إذ تزداد أحجام الوحدات لأن كل طبقة يجب أن تزيل كلًا من الحرارة المنقولة من الطبقة التي تعلوها والحرارة المهدرة من الطبقة نفسها.

مواد

قيم ZT لمختلف المواد وسبائك البزموت [ 10 ]

متطلبات المواد الكهروحرارية: [ 11 ]

  • أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الضيقة بسبب التشغيل في درجة حرارة الغرفة؛
  • موصلية كهربائية عالية (لتقليل المقاومة الكهربائية ، ومصدر للحرارة المهدرة)؛
  • انخفاض الموصلية الحرارية (بحيث لا تعود الحرارة من الجانب الساخن إلى الجانب البارد)؛ وهذا عادةً ما يعني استخدام عناصر ثقيلة
  • وحدة الخلية الكبيرة، بنية معقدة؛
  • شديد التباين أو شديد التناظر؛
  • تركيبات معقدة.

يجب أن تتمتع المواد المناسبة لأنظمة التبريد الكهروحراري عالية الكفاءة بمزيج من الموصلية الحرارية المنخفضة والموصلية الكهربائية العالية. ويُقارن التأثير المُجتمع لمجموعات المواد المختلفة عادةً باستخدام معامل الجودة ZT ، وهو مقياس لكفاءة النظام. وتُعطى معادلة ZT أدناه، حيثα{\displaystyle \alpha }هو معامل سيبك ،σ{\displaystyle \sigma }هي الموصلية الكهربائية وκ{\displaystyle \kappa }هي الموصلية الحرارية. [ 12 ]

Zتي=(α2σتي)/κ{\displaystyle \mathbb {Z} \mathrm {T} =(\alpha ^{2}\sigma \mathrm {T} )/\kappa }

توجد مواد قليلة مناسبة لتطبيقات التبريد الكهروحراري، نظرًا لأن العلاقة بين التوصيل الحراري والكهربائي عادةً ما تكون طردية. ويُعدّ تحسين تقليل انتقال الحرارة مع زيادة التوصيل الكهربائي مجالًا نشطًا في أبحاث علم المواد. تشمل المواد الكهروحرارية الشائعة الاستخدام كأشباه موصلات: تيلوريد البزموت ، وتيلوريد الرصاص ، وسبائك السيليكون والجرمانيوم ، وسبائك أنتيمونيد البزموت . ومن بين هذه المواد، يُعدّ تيلوريد البزموت الأكثر استخدامًا. ويجري البحث بنشاط عن مواد جديدة عالية الأداء للتبريد الكهروحراري. [ 13 ]

على مدى عقود، تم استخدام أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الضيقة، مثل البزموت والتيلوريوم ومركباتهما ، كمواد للمزدوجات الحرارية.

التعريف والخصائص

تتوافق جميع عناصر بلتييه مع مواصفات تعريف عالمية.

تحتوي الغالبية العظمى من المبردات الكهروحرارية على مُعرّف مطبوع على الجانب المُبرّد. [ 14 ] تُشير هذه المُعرّفات العالمية إلى الحجم، وعدد المراحل، وعدد الأزواج، وقيمة التيار المُقاسة بالأمبير، كما هو موضح في الرسم التوضيحي المجاور. [ 15 ]

على سبيل المثال، يتميز عنصر TEC1-12706 الكهروحراري الشائع بشكله المربع، حيث يبلغ  طوله 40 مم وارتفاعه 3-4  مم، ويتوفر بسعر زهيد. يستطيع هذا العنصر نقل طاقة تصل إلى 60 واط أو توليد  فرق في درجة الحرارة يصل إلى 60 درجة مئوية بتيار 6 أمبير. تبلغ مقاومته الكهربائية حوالي 1-2 أوم.

نقاط القوة والضعف

هناك العديد من العوامل التي تحفز إجراء المزيد من الأبحاث حول تقنية التكسير الحراري الكهربائي، بما في ذلك انخفاض انبعاثات الكربون وسهولة التصنيع. ومع ذلك، فقد ظهرت عدة تحديات.

فوائد

من أهم مزايا أنظمة التبريد الكهروحراري أنها لا تحتوي على أجزاء متحركة. هذا النقص في التآكل الميكانيكي وانخفاض حالات الأعطال الناتجة عن الإجهاد والكسر بسبب الاهتزازات الميكانيكية والضغط، يزيد من عمر النظام ويقلل من متطلبات الصيانة. تشير التقنيات الحالية إلى أن متوسط ​​الوقت بين الأعطال (MTBF) يتجاوز 100,000 ساعة عند درجات الحرارة المحيطة. [ 16 ] يمكن قياس حالة النظام الكهروحراري من خلال تغير مقاومته للتيار المتردد (ACR)؛ فمع تآكله، تزداد قيمة ACR. [ 17 ]

إن كون أنظمة التبريد الكهروحراري (TEC) تعتمد على التحكم بالتيار الكهربائي يُتيح سلسلة أخرى من المزايا. فبما أن تدفق الحرارة يتناسب طرديًا مع التيار المستمر المُطبق، يُمكن إضافة الحرارة أو إزالتها بدقة عالية من خلال التحكم في اتجاه وكمية التيار الكهربائي. وعلى عكس الطرق التي تستخدم التسخين أو التبريد المقاوم للغازات، فإن أنظمة التبريد الكهروحراري تُتيح درجة متساوية من التحكم في تدفق الحرارة (داخل النظام وخارجه). وبفضل هذا التحكم الدقيق ثنائي الاتجاه في تدفق الحرارة، يُمكن ضبط درجات حرارة الأنظمة المُتحكم بها بدقة تصل إلى أجزاء من الدرجة، وغالبًا ما تصل دقتها إلى أجزاء من الميلي كلفن (mK) في المختبرات. [ 18 ]

تتميز أجهزة التبريد الكهروحراري بمرونة أكبر في الشكل مقارنةً بنظيراتها التقليدية، ما يسمح باستخدامها في بيئات ذات مساحة محدودة أو ظروف قاسية مقارنةً بالثلاجات التقليدية. كما تتيح إمكانية تعديل شكلها توفير تبريد دقيق لمساحات صغيرة جدًا. هذه العوامل تجعلها خيارًا شائعًا في التطبيقات العلمية والهندسية ذات المتطلبات العالية، حيث لا تُعدّ التكلفة وكفاءة الطاقة المطلقة من الأولويات.

من مزايا تقنية التبريد الحراري الكهربائي (TEC) أنها لا تستخدم مواد التبريد في تشغيلها. قبل التخلص التدريجي من بعض مواد التبريد القديمة، مثل مركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs)، ساهمت بشكل كبير في استنزاف طبقة الأوزون . كما أن العديد من مواد التبريد المستخدمة اليوم لها تأثير بيئي كبير، إذ تساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري [ 19 ] أو تنطوي على مخاطر أخرى تتعلق بالسلامة. [ 20 ]

العيوب

تُعاني أنظمة التبريد الكهروحراري من عدة عيوب ملحوظة. أبرزها كفاءتها المحدودة في استهلاك الطاقة مقارنةً بأنظمة ضغط البخار التقليدية، والقيود المفروضة على كلٍ من فرق درجة الحرارة وتدفق الحرارة الكلي الذي يمكنها توليده لكل وحدة مساحة. [ 18 ] يُناقش هذا الموضوع بتفصيل أكبر في قسم الأداء أدناه. عمليًا، يقل متوسط ​​العمر التشغيلي لوحدة التبريد الكهروحراري منخفضة التكلفة عن 10 سنوات، ويعود ذلك عادةً إلى تسرب الغازات عبر مانع التسرب المطاطي المحيط بالوحدة، أو إلى فشل خط ربط مانع التسرب عند الصفيحة.

أداء

يعتمد أداء بلتييه (الكهروحراري) على درجة الحرارة المحيطة، وأداء المبادل الحراري ( المشتت الحراري ) للجانبين الساخن والبارد، والحمل الحراري، وهندسة وحدة بلتييه (المزدوجة الحرارية)، والمعايير الكهربائية لبلتييه. [ 14 ]

كمية الحرارة التي يمكن نقلها تتناسب طردياً مع التيار والوقت.

سؤال=Pأنات{\displaystyle Q=PIt}حيث P هو معامل بلتييه، وI هو التيار، و t هو الزمن. يعتمد معامل بلتييه على درجة الحرارة والمواد المصنوع منها المبرد. تُعدّ قيمة 10 واط لكل أمبير شائعة، ولكن يتم تعويض ذلك بظاهرتين:
  • وفقًا لقانون أوم ، فإن وحدة بلتييه ستنتج حرارة مهدرة بنفسها.
سؤالwأsتهـ=Rأنا2ت{\displaystyle Q_{waste}=RI^{2}t}، حيث R هي المقاومة .
  • ستنتقل الحرارة أيضًا من الجانب الساخن إلى الجانب البارد عن طريق التوصيل الحراري داخل الوحدة نفسها، وهو تأثير يزداد قوة مع ازدياد فرق درجة الحرارة.

والنتيجة هي أن كمية الحرارة المنقولة فعلياً تتناقص مع ازدياد فرق درجة الحرارة، مما يقلل من كفاءة الوحدة. ويحدث فرق في درجة الحرارة عندما تتجاوز الحرارة المهدرة والحرارة العائدة كمية الحرارة المنقولة، فتبدأ الوحدة بتسخين الجانب البارد بدلاً من تبريده. وعادةً ما ينتج عن مُبرد كهروحراري أحادي المرحلة فرق أقصى في درجة الحرارة يبلغ 70  درجة مئوية بين جانبيه الساخن والبارد. [ 21 ]

ثمة مشكلة أخرى تتعلق بالأداء، وهي نتيجة مباشرة لإحدى مزاياها: صغر حجمها. وهذا يعني أن:

  • سيكون الجانب الساخن والجانب البارد متقاربين جدًا (بضعة ملليمترات)، مما يسهل عودة الحرارة إلى الجانب البارد، ويصعب عزل الجانبين الساخن والبارد عن بعضهما البعض.
  • يمكن لمصباح عادي بحجم 40  مم × 40  مم أن يولد 60 واط أو أكثر - أي 4 واط/سم² أو أكثر - مما يتطلب مشعاعًا قويًا لتشتيت الحرارة.

في تطبيقات التبريد، تتميز الوصلات الكهروحرارية بكفاءة تبلغ ربع كفاءة الوسائل التقليدية (التبريد بضغط البخار): إذ توفر كفاءة تتراوح بين 10 و15% (معامل أداء يتراوح بين 1.0 و1.5) من كفاءة ثلاجة دورة كارنو المثالية ، مقارنةً بنسبة 40 إلى 60% التي تحققها أنظمة دورة الضغط التقليدية ( أنظمة رانكين العكسية التي تستخدم الضغط/التمدد). [ 22 ] ونظرًا لهذه الكفاءة المنخفضة، يُستخدم التبريد الكهروحراري عمومًا فقط في البيئات التي تفوق فيها مزايا الطبيعة الصلبة (عدم وجود أجزاء متحركة )، وقلة الصيانة، وصغر الحجم، وعدم تأثرها بالاتجاه، مجرد الكفاءة.

على الرغم من أن كفاءتها أقل من الوسائل التقليدية، إلا أنها قد تكون جيدة بما يكفي، بشرط:

  • يتم الحفاظ على فرق درجة الحرارة عند أدنى حد ممكن، و
  • يتم الحفاظ على التيار منخفضًا، لأن نسبة الحرارة المنقولة إلى الحرارة المهدرة (عند نفس درجة الحرارة على الجانبين الساخن والبارد) ستكونسؤالسؤالwأsتهـ=PRأنا{\displaystyle {\frac {Q}{Q_{waste}}}={\frac {P}{RI}}}.

ومع ذلك، بما أن التيار المنخفض يعني أيضًا كمية منخفضة من الحرارة المنقولة، فإن الحرارة المضخوخة ستكون منخفضة مقارنة بالحد الأقصى لكل جهاز لكي يكون معامل الأداء مرتفعًا.

الاستخدامات

تُستخدم المبردات الكهروحرارية في التطبيقات التي تتطلب إزالة حرارة تتراوح من الميلي واط إلى عدة آلاف من الواط. ويمكن تصنيعها لتطبيقات صغيرة مثل مبردات المشروبات أو كبيرة مثل الغواصات أو عربات السكك الحديدية.

المنتجات الاستهلاكية

مبرد مشروبات يعمل بمنفذ USB

تُستخدم عناصر بلتييه على نطاق واسع في المنتجات الاستهلاكية. على سبيل المثال، تُستخدم في معدات التخييم ، والمبردات المحمولة، وتبريد المكونات الإلكترونية، وأنظمة النوم في المراتب، والأجهزة الصغيرة. كما يمكن استخدامها لاستخلاص الرطوبة من الهواء في أجهزة إزالة الرطوبة . يستطيع المبرد الكهربائي (12  فولت) المخصص للتخييم/السيارات عادةً خفض درجة الحرارة بما يصل إلى 20 درجة مئوية (36 درجة فهرنهايت) عن درجة الحرارة المحيطة، والتي تصل إلى 25 درجة مئوية إذا بلغت درجة حرارة السيارة 45 درجة مئوية تحت أشعة الشمس. بدأت السترات المُكيّفة باستخدام عناصر بلتييه. [ 23 ] [ 24 ]    

يمكن استخدام المبردات الكهروحرارية لتبريد مكونات الحاسوب للحفاظ على درجات الحرارة ضمن الحدود التصميمية أو لضمان استقرار الأداء عند رفع تردد التشغيل . ويمكن لمبرد بلتييه المزود بمشتت حراري أو كتلة تبريد مائي تبريد الشريحة إلى ما دون درجة حرارة المحيط بكثير. [ 25 ] وتدعم بعض معالجات Intel Core من الجيل العاشر فصاعدًا تقنية Intel Cryo، التي تجمع بين التبريد الكهروحراري ومبادل حراري سائل لتوفير أداء تبريد أعلى بكثير من التبريد السائل التقليدي . ويتم رصد ظروف البيئة المحيطة إلكترونيًا لمنع حدوث قصر كهربائي ناتج عن التكثف. [ 26 ]

التأقلم

يمكن استخدام المضخات الحرارية الكهروحرارية بسهولة للتأقلم الموضعي وإزالة حالات عدم الراحة المحلية . [ 27 ] على سبيل المثال، وصلت الأسقف الكهروحرارية اليوم إلى مرحلة بحث متقدمة [ 28 ] بهدف تحسين ظروف الراحة الداخلية وفقًا لفانجر، [ 29 ] مثل تلك التي قد تظهر في وجود أسطح زجاجية كبيرة، ولتأقلم المباني الصغيرة عند دمجها مع أنظمة الطاقة الشمسية. [ 30 ] [ 31 ]

تكتسب هذه الأنظمة أهمية بالغة في اتجاه المباني السلبية الجديدة عديمة الانبعاثات نظرًا لقيمة معامل الأداء العالية جدًا [ 32 ] وما يتبعها من أداء عالٍ من خلال التحسين الدقيق للطاقة المتاحة للنظام. [ 33 ]

على المستوى الصناعي، يجري تطوير أجهزة التأقلم الكهروحرارية بالفعل. [ 34 ]

صناعي

تُستخدم المبردات الكهروحرارية في العديد من مجالات التصنيع الصناعي، وتتطلب تحليلًا دقيقًا لأدائها نظرًا لاختبارها بآلاف الدورات قبل طرح هذه المنتجات الصناعية في السوق. تشمل بعض تطبيقاتها معدات الليزر، ومكيفات الهواء أو المبردات الكهروحرارية، والإلكترونيات الصناعية والاتصالات، [ 35 ] والسيارات، والثلاجات الصغيرة أو الحاضنات، والخزائن العسكرية، وحاويات تكنولوجيا المعلومات، وغيرها.

في تطبيقات الألياف الضوئية ، حيث يعتمد الطول الموجي لليزر أو أحد المكونات بشكل كبير على درجة الحرارة، يتم استخدام مبردات بلتييه جنبًا إلى جنب مع الثرمستور في حلقة تغذية راجعة للحفاظ على درجة حرارة ثابتة وبالتالي تثبيت الطول الموجي للجهاز.

يتم تبريد بعض المعدات الإلكترونية المخصصة للاستخدام العسكري في الميدان باستخدام التبريد الكهروحراري.

العلوم والتصوير

تُستخدم عناصر بلتييه في الأجهزة العلمية. وهي مكون شائع في أجهزة التدوير الحراري ، المستخدمة في تخليق الحمض النووي بواسطة تفاعل البوليميراز المتسلسل ( PCR )، وهي تقنية بيولوجية جزيئية شائعة، تتطلب التسخين والتبريد السريع لمزيج التفاعل من أجل التمسخ، وربط البادئات، ودورات التخليق الأنزيمي.

بفضل دوائر التغذية الراجعة، يمكن استخدام عناصر بلتييه لتنفيذ وحدات تحكم في درجة الحرارة عالية الاستقرار تحافظ على درجة الحرارة المطلوبة ضمن نطاق ±0.01  درجة مئوية. ويمكن الاستفادة من هذا الاستقرار في تطبيقات الليزر الدقيقة لتجنب انحراف طول موجة الليزر مع تغير درجة حرارة البيئة.

يُستخدم هذا التأثير في الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية لتقليل فروق درجات الحرارة الناتجة عن أشعة الشمس المباشرة على أحد جانبي المركبة، وذلك بتبديد الحرارة على الجانب البارد المظلل، حيث تُبدد على شكل إشعاع حراري إلى الفضاء. [ 36 ] منذ عام 1961، تستخدم بعض المركبات الفضائية غير المأهولة (بما في ذلك مركبة كيوريوسيتي الجوالة على سطح المريخ) مولدات كهروحرارية تعمل بالنظائر المشعة (RTGs) لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية باستخدام تأثير سيبك. يمكن لهذه الأجهزة أن تدوم لعقود، إذ تعمل بالطاقة الناتجة عن تحلل المواد المشعة عالية الطاقة.

تُستخدم عناصر بلتييه أيضاً في صنع غرف السحب لتصوير الإشعاع المؤين . فبمجرد تمرير تيار كهربائي، يمكنها تبريد الأبخرة إلى ما دون -26  درجة مئوية دون الحاجة إلى ثلج جاف أو أجزاء متحركة، مما يجعل غرف السحب سهلة الصنع والاستخدام.

تُبرَّد كاشفات الفوتونات، مثل أجهزة CCD في التلسكوبات الفلكية ، وأجهزة قياس الطيف ، والكاميرات الرقمية المتطورة للغاية، عادةً باستخدام عناصر بلتييه التي قد تُرتَّب في تكوين تبريد متتالي متعدد المراحل [ 37 ] . يقلل هذا من عدد الفوتونات المظلمة الناتجة عن الضوضاء الحرارية . يحدث عدد الفوتونات المظلمة عندما تسجل البكسل إلكترونًا ناتجًا عن تقلبات حرارية بدلًا من فوتون. في الصور الرقمية الملتقطة في ظروف إضاءة منخفضة، تظهر هذه الفوتونات على شكل بقع (أو "ضوضاء البكسل").

كما أنها تستخدم في أجهزة قياس الطيف المشتتة للطاقة لتبريد بلورات المستشعر، مما يلغي الحاجة إلى أوعية ديوار كبيرة من النيتروجين السائل .

المعاملات الديناميكية الحرارية

يمكن تحديد الكفاءة من خلال العلاقة التالية:

η=تيج-تيحتيج{\displaystyle \eta ={\frac {T_{C}-T_{H}}{T_{C}}}}

أينتيج{\displaystyle T_{C}}هي درجة حرارة سطح التبريد وتيح{\displaystyle T_{H}}هي درجة حرارة سطح التسخين.

تكمن ظواهر الطاقة الرئيسية وسبب تحديد استخدام محدد للعناصر الكهروحرارية (الشكل 1) كمضخة حرارية في تدفقات الطاقة التي تسمح هذه العناصر بتحقيقها: [ 38 ] [ 39 ]

  • القدرة الموصلةسؤال˙ل{\displaystyle {\dot {Q}}_{L}}:سؤال˙ل=لدS(تيح-تيج){\displaystyle {\dot {Q}}_{L}={\frac {L}{d}}S(T_{H}-T_{C})}
  • تدفق الحرارة على الجانب الباردسؤال˙ج{\displaystyle {\dot {Q}}_{C}}:سؤال˙ج=αأناتيج-أنا2R2-كدأΔتي{\displaystyle {\dot {Q}}_{C}=\alpha IT_{C}-{\frac {I^{2}R}{2}}-{\frac {k}{d}}A\Delta T}
  • تدفق الحرارة على الجانب الساخنسؤال˙ح{\displaystyle {\dot {Q}}_{H}}:سؤال˙ح=αأناتيج+أنا2R2-كدأΔتي{\displaystyle {\dot {Q}}_{H}=\alpha IT_{C}+{\frac {I^{2}R}{2}}-{\frac {k}{d}}A\Delta T}
  • الطاقة الكهربائيةهـ˙هـل{\displaystyle {\dot {E}}_{EL}}:هـ˙هـل=αأناتيج+أنا2R{\displaystyle {\dot {E}}_{EL}=\alpha IT_{C}+I^{2}R}

حيث تُستخدم المصطلحات التالية:Δتي=تيح-تيج{\displaystyle \Delta T=T_{H}-T_{C}}،أنا{\displaystyle I}التيار الكهربائي ؛ α معامل سيبك ؛ R المقاومة الكهربائية ، A مساحة السطح، d سمك الخلية، و k الموصلية الحرارية .

تتمثل كفاءات النظام فيما يلي:

  1. كفاءة التبريد:ηج=سؤالج˙هـ˙هـل{\displaystyle \eta _{C}={\frac {\dot {Q_{C}}}{{\dot {E}}_{EL}}}}
  2. كفاءة التدفئة:ηح=سؤالح˙هـ˙هـل{\displaystyle \eta _{H}={\frac {\dot {Q_{H}}}{{\dot {E}}_{EL}}}}

يمكن حساب COP وفقًا لكانيسترارو. [ 40 ]

تجريبي

في حوالي عام ١٩٥٥، قامت مختبرات آر سي إيه ببناء ثلاجة وغرفة صغيرة مُكيّفة باستخدام تأثير بلتييه. [ ٤١ ] [ ٤٢ ] كانت هذه تجارب بحثية ولم تُسفر عن منتجات. وكان جهاز التكييف أحد "هدايا عيد الميلاد" التي طلبها الرئيس التنفيذي ديفيد سارنوف لتحدي الباحثين. وكان نيلز إي. ليندنبلاد أحد كبار الباحثين .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ تايلور، ر. أ.؛ سولبريكن، ج. ل. (2008). "تحسين شامل على مستوى النظام للأجهزة الكهروحرارية لتطبيقات التبريد الإلكتروني". معاملات IEEE في تقنيات المكونات والتغليف . 31 : 23-31 . doi : 10.1109/TCAPT.2007.906333 . S2CID 39137848 . 
  2. ١ ٢ ٣ ٤ ل. إي. (٢٠٠٨). التبريد والتدفئة وتوليد الطاقة واستعادة الحرارة المهدرة باستخدام الأنظمة الكهروحرارية. مجلة ساينس، ٣٢١(٥٨٩٥)، ١٤٥٧-١٤٦١. http://engin1000.pbworks.com/f/TE_rev.pdf
  3. 1 2 لوندجارد، كريستيان (2019). تصميم مبردات بلتييه الكهروحرارية المجزأة عن طريق تحسين الطوبولوجيا . أكسفورد: إلسيفير المحدودة. ص 1. {{cite book}}: CS1 maint: publisher location ( link )
  4. ↑ ألكسندرا ثيديبي، التدفئة والتبريد باستخدام عناصر بلتييه التي تعمل بالطاقة الشمسية، رسالة ماجستير، قسم تخطيط الطاقة، شعبة أنظمة الطاقة الفعالة، كلية الهندسة، جامعة لوند http://www.ees.energy.lth.se/fileadmin/ees/Publikationer/2014/Ex5308-AlexandraThedeby-HeatingAndCoolingWithSolarPoweredPeltierElements....pdf
  5. ^ مارتن-غوميز، سي.، إيبانيز-بوي، إم.، بيرميجو-بوستو، جيه.، ساكريستان فرنانديز، جيه إيه، راموس، جي سي، & ريفاس، أ. (2016). النموذج الأولي لوحدة التسخين والتبريد الحراري. خدمات البناء والبحوث الهندسية والتكنولوجيا , 37 (4)، 431-449.
  6. ↑ يلمازوغلو، م.ز. (2016). دراسة تجريبية ورقمية لوحدة تسخين وتبريد كهروحرارية نموذجية. الطاقة والمباني، 113، 51-60.
  7. ↑ ليو، ز.، تشانغ، ل.، غونغ، غ.، لي، هـ.، وتانغ، غ. (2015). مراجعة لتقنيات التبريد الكهروحراري الشمسي للاستخدام في المباني ذات الطاقة الصفرية. الطاقة والمباني، 102، 207-216.
  8. ↑ خير، ر. أ.، ميساك، أ. ، وفان ديسيل، س. (2005). تصميم وحدة مضخة حرارية كهروحرارية لأنظمة غلاف المبنى النشطة. المجلة الدولية لانتقال الحرارة والكتلة ، 48 (19-20)، 4028-4040. https://messac.expressions.syr.edu/wp-content/uploads/2012/05/Messac_2005_JHMT_ABE.pdf
  9. ↑ ترانكوسي، م.، وباسكو، ج. (2020). تصميم مشتتات حرارية ذات تدفق عرضي وتهوية. النمذجة والقياس والتحكم ج، المجلد 79، العدد 3، الصفحات 90-97. https://doi.org/10.18280/mmc_c.790305
  10. ↑ دي سالفو، فرانسيس (يوليو 1999). "التبريد الكهروحراري وتوليد الطاقة" . مجلة ساينس . 285 (5428): 703-706 . doi : 10.1126/science.285.5428.703 . PMID 10426986 . 
  11. ↑ جولدسميد، هـ. جوليان (2016). مقدمة في الكهروحرارية . سلسلة سبرينغر في علوم المواد. المجلد 121. برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. Bibcode : 2016inh..book.....G . doi : 10.1007/978-3-662-49256-7 . ISBN  978-3-662-49255-0.
  12. ↑ بوديل، بيد (مايو 2008). "الأداء الكهروحراري العالي لسبائك تيلوريد البزموت والأنتيمون النانوية التركيب" . مجلة ساينس . 320 (5876): 634-638 . Bibcode : 2008Sci...320..634P . doi : 10.1126/science.1156446 . PMID 18356488. S2CID 206512197 .  
  13. ↑ سنايدر، جي جي؛ توبرير، إي إس (2008). "مواد كهروحرارية معقدة" . مجلة نيتشر ماتيريالز . 7 (2): 105-114 . Bibcode : 2008NatMa...7..105S . doi : 10.1038/nmat2090 . PMID 18219332 . 
  14. 1 2 "PCB Heaven – شرح عناصر بلتييه" . PCB Heaven . تم الاطلاع عليه في 1 مايو 2013 .
  15. ↑ فيرستيج، أوين. "تحديد عنصر بلتييه" . مؤرشف من الأصل في 30 أبريل 2019. تم الاسترجاع في 14 أكتوبر 2013 .
  16. ↑ غوشال، أوتام (31 يوليو 2001). "جهاز وطريقة تبريد كهروحراري عالي الموثوقية" . patents.google.com . تاريخ الاسترجاع: 12 مارس 2019 .
  17. ↑ "وحدات TEC عالية الأداء ومنخفضة التكلفة | Analogtechnologies.com" . www.analogtechnologies.com . تاريخ الاسترجاع: 19 يناير 2025 .
  18. 1 2 تشاو، دونغليانغ (مايو 2014). "مراجعة للتبريد الكهروحراري: المواد، والنمذجة، والتطبيقات". الهندسة الحرارية التطبيقية . 66 ( 1-2 ): 15-24 . Bibcode : 2014AppTE..66...15Z . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2014.01.074 .
  19. ↑ جامعة كاليفورنيا (18 أبريل 2017). "مركبات الكلوروفلوروكربون واستنزاف طبقة الأوزون" . الجمعية الكيميائية الأمريكية . تاريخ الاسترجاع: 11 مارس 2019 .
  20. ↑ "الوحدة 99: البروبان كمادة تبريد للاستخدام في المبردات لتطبيقات تكييف الهواء" . مجلة CIBSE . سبتمبر 2016. تاريخ الاسترجاع: 22 يناير 2020 .
  21. ↑ "دليل المشتت الحراري" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 مايو 2013 .
  22. ↑ براون، د. ر.؛ ن. فرنانديز؛ ج. أ. ديركس؛ ت. ب. ستاوت (مارس 2010). "آفاق بدائل تقنية ضغط البخار لتطبيقات تبريد الفضاء وتبريد الأغذية" (ملف PDF) . مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNL) . وزارة الطاقة الأمريكية . تاريخ الاسترجاع: 16 مارس 2013 .
  23. ↑ هسو، جيريمي (14-06-2011). "البرد؟ ارتدِ هذه السترة. الحر؟ ارتدِ هذه السترة. معطف مُكيّف ينتقل من صفر إلى 100 درجة مئوية بضغطة زر."" . أخبار إن بي سي . إن بي سي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 مارس 2013. "
  24. ↑ فيرو، شوناسي (15 مارس 2013). "كيف ألهمت معاناة الشتاء حلاً بتقنية النانو لكل شيء من برودة الرقبة إلى آلام الركبة" . مجلة بوبيولار ميكانيكس . شركة بونير . تاريخ الاسترجاع: 16 مارس 2013 .
  25. ↑ فيلاديتاكيس، إي. (26 سبتمبر 2016) anandtech.com مراجعة مبرد المعالج Phononic HEX 2.0 TEC. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 أكتوبر 2018.
  26. ↑ "نظرة عامة على تقنية التبريد Intel Cryo" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 نوفمبر 2022 .
  27. ↑ كانيسترارو ج، كانيسترارو م، ريستيفو ر. (2015). درجة حرارة الإشعاع المحلية لحساب الراحة في المناطق التي تتميز بأسطح مشعة. المجلة الدولية لحرارة النقل 33: 115-122. http://iieta.org/sites/default/files/Journals/IJHT/33.2_13.pdf
  28. ↑ ليرتساتيثاناكورن، سي.، وايسيت، إل.، وأثاجارياكول، إس. (2009). تقييم الراحة الحرارية لنظام لوحة تبريد السقف الكهروحرارية (TE-CCP). مجلة المواد الإلكترونية ، 38 (7)، 1472-1477.
  29. ↑ فانجر، بي أو (1972). تحليل الراحة الحرارية وتطبيقها في الهندسة البيئية . نيويورك: ماكجرو هيل.
  30. ↑ لو بيير ن، كوسنييه م، لو ل، فرايس ج. (2008). اقتران الوحدات الكهروحرارية بلوحة كهروضوئية لتطبيقات التسخين والتبريد المسبق للهواء؛ محاكاة سنوية. المجلة الدولية لبحوث الطاقة 32(14): 1316-1328.
  31. ↑ ترانكوسي م.، كاي ج.، كانيسترارو م.، (2018) نظام تأقلم قائم على خلايا بلتييه لمبنى حاويات سلبي، المجلة الإيطالية لعلوم الهندسة: تيكنيكا إيتاليانا، المجلد 61+1، العدد 2، ديسمبر 2018، الصفحات 90-96 http://iieta.org/sites/default/files/Journals/IJES/61+1.02_06.pdf
  32. ↑ تشانغ، إكس.، وتشاو، إل دي (2015). المواد الكهروحرارية: تحويل الطاقة بين الحرارة والكهرباء. مجلة علم المواد، 1(2)، 92-105.
  33. ↑ ترانكوسي، م.، كانيسترارو، ج.، وباسكو، ج. (2020). استخدام المضخات الحرارية الكهروحرارية والشمسية في المباني المكتفية ذاتيًا: حالة منزل حاويات. التقدم في العلوم والهندسة الحرارية، 18، 100509. https://www.researchgate.net/publication/339429358_Thermoelectric_and_solar_heat_pump_use_toward_self_sufficient_buildings_The_case_of_a_container_house
  34. ↑ مارلو - الاستخدامات الأساسية للوحدات الكهروحرارية https://www.marlow.com/resources/thermoelectric-technology-guide/ii-tem-primary-uses
  35. ↑ استخدام وحدات بلتييه لإدارة الحرارة في الأنظمة الإلكترونية . مجلة الإلكترونيات الأسبوعية، 4 أكتوبر 2017
  36. ↑ كوتلياروف، يفغيني؛ بيتر دي كروم؛ راؤول فوتين (2006). "بعض جوانب تحسين مُبرّد بلتييه المُطبّق للتحكم في درجة حرارة هواء صندوق القفازات". SAE International . سلسلة أوراق SAE التقنية. 1 : 1. doi : 10.4271/2006-01-2043 .
  37. ↑ فولمر، مايكل؛ مولمان، كلاوس-بيتر (20 فبراير 2018). التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء: الأساسيات والبحوث والتطبيقات . جون وايلي وأولاده. ISBN 9783527413515.
  38. ↑ جوجسوجيندا، س.، فوراود، أ.، وسيتاوان، ت. (2011). تحليل أداء الثلاجات الكهروحرارية. بروسيديا للهندسة، 8، 154-159. https://www.researchgate.net/publication/251716178_Analyzing_of_Thermoelectric_Refrigerator_Performance
  39. ↑ جولدسميد، إتش جيه (2016). نظرية التبريد والتوليد الكهروحراري. في مقدمة في الكهروحرارية (ص 9-24). سبرينغر، برلين، هايدلبرغ.
  40. ↑ كانيسترارو م. وترانكوسي م.، (2018) الراحة الداخلية في وجود التبادلات الإشعاعية مع الجدران الزجاجية المعزولة والتكيف المحلي لزيادة ظروف الراحة الداخلية، المجلة الإيطالية لعلوم الهندسة: Tecnica Italiana، المجلد 61+1، ص 27-35.
  41. ↑ سارنوف، ديفيد (31 يناير 1955). التطورات الجديدة في الإلكترونيات . الصفحات 18-23 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 سبتمبر 2024 . 
  42. ↑ "إلكترونيات الغد" . مجلة الإلكترونيات الشعبية . أبريل 1955. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 سبتمبر 2024 .