Yeni termoelektrik jeneratör modülü: daha verimli, daha kararlı ve daha esnek!
Kılavuz
Son zamanlarda, Japonya'daki Osaka Üniversitesi liderliğindeki bir araştırma ekibi, yüksek verimlilik, yüksek mekanik stabilite üretebilen ve ucuz olan "geniş alanlı" esnek termoelektrik jeneratör (FlexTEG) modülü geliştirdi.
arka fon
"Toplum 5.0", Ocak 2016'da Japon Kabine Toplantısı tarafından kararlaştırılan beş yıllık bilim ve teknoloji politikası temel kılavuzu "Bilim ve Teknoloji için 5. Temel Plan" da kullanılan yeni bir terimdir. Ana amacı, bilgi ve iletişim (ICT) teknolojisinin kullanımını en üst düzeye çıkarmak ve siber uzay ve fiziksel alanın (gerçek alan) entegrasyonu yoluyla herkes için müreffeh olan "süper zeki toplum" gelecekteki sosyal form olarak paylaşılabilsin.
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi: 18 Aralık 2015'te Japonya Kapsamlı Bilim ve Teknoloji İnovasyon Konferansı, "Bilim ve Teknolojinin Beşinci Aşaması Temel Planı" nın uzman gösteri planını geçti
(Resim kaynağı: Japonya Başbakanının İkametgahının resmi web sitesi)
Çeşitli Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojileri aracılığıyla, "Toplum 5.0" tarafından tanımlanan ağa bağlı "süper akıllı toplum" un yakın gelecekte gerçekleştirileceği söyleniyor.
Bununla birlikte, çeşitli IoT cihazlarının sürekli ve kararlı çalışması, güç kaynağından ayrılamaz. Pillere dayanan geleneksel güç kaynağı yöntemi, Nesnelerin İnterneti'nin ve kullanıcı deneyiminin gelişimini etkileyen en önemli darboğazlardan biri haline gelen sık şarj ve sınırlı pil ömrü gerektirir.
Bu amaçla araştırmacılar, insan faaliyetlerinden ve çevreden ses, ışık, ısı ve kuvvet gibi çeşitli enerji formlarını toplayan ve bunları elektronik cihazlar veya Nesnelerin İnterneti için elektrik enerjisine dönüştüren çok sayıda kendi kendine çalışan teknoloji geliştirdiler. Ekipman sürekli güç kaynağı sağlar. Tipik teknolojilerden biri, "Toplum 5.0" da tanımlanan "süper akıllı toplum" a benzersiz bir katkı sağlayacak olan termoelektrik güç üretim sistemidir.
Termoelektrik güç üretim sistemi, sıcaklık farklılıklarından dolayı özel malzemelerde voltaj üretme sürecini ifade eden termoelektrik etkiye dayanmaktadır. Genel olarak konuşursak, malzemenin bir ucu daha sıcak ve diğer ucu daha soğuk olduğunda, yük taşıyıcılar sıcak uçtan soğuk uca hareket ederek bir elektromotor kuvvet oluşturacak ve ardından bir voltaj üretecektir. Bu malzeme, algılanan voltajı oluşturmak için yalnızca "bir santigrat derece" nin altında bir sıcaklık farkına ihtiyaç duyar.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Termoelektrik güç üretim sisteminin özü, termal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine ve tersi yönde dönüştüren termoelektrik dönüşüm teknolojisidir. Yeni nesil termoelektrik dönüşüm teknolojisi, enerji hasadı için yararlı olan küçük sıcaklık farklılıklarına dayalı enerji dönüşümü gerçekleştirebilir. Sözde enerji hasadı, az miktarda enerji elde etme sürecidir, aksi takdirde enerji boşa harcanır. Termoelektrik enerji üretim sistemi, sürekli olarak elektrik üretmek için ortamdaki atık ısıyı etkin bir şekilde kullanır, böylece küresel çevreyi etkin bir şekilde korur ve enerji tasarrufu sağlar.
Yeni nesil Nesnelerin İnterneti cihazlarının enerji kaynağı olarak termoelektrik güç üretim sistemlerinin kullanımına ilişkin araştırmalar, dünyanın her yerinden araştırmacıların büyük ilgisini çekti. Benzer şekilde "termoelektrik enerji üretim sistemi" de yazarın odaklandığı son teknoloji alanlarından biridir. Bu alandaki ilgili araştırma ilerlemesi birçok kez tanıtıldı, örneğin:
1) Waseda Üniversitesi, Osaka Üniversitesi ve Japonya'daki Shizuoka Üniversitesi'nden araştırmacılar, yeni bir tür silikon nanotel termoelektrik jeneratörünü başarıyla geliştirdiler. Yüksek bir güç yoğunluğuna sahiptir ve sensörü çalıştırmak veya kesintili kablosuz iletişimi gerçekleştirmek için yalnızca küçük bir sıcaklık farkı yeterlidir.
Geleneksel termoelektrik jeneratör (solda) ve yeni geliştirilen termoelektrik jeneratör (sağda) (fotoğraf kaynağı: Waseda Üniversitesi)
2) Japonya'daki Osaka Üniversitesi ve Hitachi'den araştırmacılar yeni bir toksik olmayan termoelektrik malzeme geliştirdiler: Ytterbium silisit (YbSi2). YbSi2 yalnızca toksik değildir, aynı zamanda yüksek elektrik iletkenliğine ve düşük ısıl iletkenliğe sahiptir, bu nedenle ideal bir termoelektrik güç üretim malzemesi olabilir.
(Resim kaynağı: referans [2])
3) Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Massachusetts Institute of Technology'deki fizikçiler, termoelektrik potansiyeli önemli ölçüde artırmanın bir yolunu buldular. Basitçe söylemek gerekirse, bu yöntem topolojik yarı metali güçlü bir manyetik alanın etkisi altında ısıtmaktır. Bu sayede malzemenin verimi beş kat artacak ve üretilen enerjinin ikiye katlanarak günümüzün en iyi termoelektrik malzemesi olması bekleniyor.
(Resim kaynağı: Chelsea Turner / MIT)
4) Almanya'daki Heimholtz Berlin Malzeme Enstitüsü'nden (HZB) Profesör Norbert Nickel liderliğindeki bilimsel araştırma ekibi, ısıyı elektriğe dönüştürmek için kalem ve kağıt kullanan basit bir yöntem geliştirdi.
(Resim kaynağı: HZB)
5) Japonya'daki Hokkaido Üniversitesi liderliğindeki bilimsel araştırma ekibi, dağınık elektronların hareket alanını önemli ölçüde daraltarak atık ısıyı kullanılabilir elektriğe dönüştürme yeteneğini geliştirdi.
Üstün kafesin kavramsal diyagramı: dağınık elektronların, termoelektrik dönüşüm verimliliğini artırmak için dar bir alanda hapsedildiği yer. (Resim kaynağı: Hokkaido Üniversitesi)
Genel olarak konuşursak, termoelektrik dönüşüm, düşük sıcaklık (150 ° C veya daha düşük) koşullar altında atık ısıyı elektrik enerjisine dönüştürmek için en uygun teknolojilerden biridir.Bu teknoloji, güç üretim sistemleri geliştirmek için termoelektrik jeneratör (TEG) modülleri kullanacaktır. Ancak 100-150 ° C sıcaklık aralığında çalışabilen termoelektrik jeneratör modülünün paketleme teknolojisi henüz olgunlaşmadığı için bu sıcaklık aralığına uygun termoelektrik güç üretim teknolojisi pratik olarak uygulanamamaktadır. Ayrıca oda sıcaklığında elektrik üretim modüllerinin üretim maliyeti çok yüksektir, bu da bu teknolojinin uygulamasını uzay uygulamaları gibi belirli alanlarla sınırlı hale getirir.
Yenilikçilik
Yukarıdaki sorunları çözmek için daha iyi termoelektrik jeneratör modülleri geliştirin. Son zamanlarda, Japonya'daki Osaka Üniversitesi liderliğindeki bir araştırma ekibi, yüksek güç üretim verimliliği, yüksek mekanik kararlılık ve düşük maliyetli "geniş alanlı" esnek termoelektrik jeneratör (FlexTEG) modülü geliştirdi. Modülün her iki tarafındaki üst elektrotların yönünün değiştirilmesi ve yarı iletken yongaların yüksek yoğunluklu paketlenmesi sayesinde, FlexTEG modülü herhangi bir tek eksenli yönde daha esnektir.
Aşağıdaki şekil şunları göstermektedir: FlexTEG modülünün resim ve şema tasarımı, Bi-Te yarı iletken çipin resmi ve FlexTEG modülünün farklı sıcaklık gradyanları altında akımla değişen voltaj ve gücünün resmi.
(Resim kaynağı: Osaka Üniversitesi)
Ekibin araştırma sonuçları "Advanced Materials Technologies" dergisinde yayınlandı.
teknoloji
Araştırmacılar, esnek alt tabaka üzerine küçük termoelektrik (TE) yarı iletken yongaları monte ederek ve böylece atık ısıyı verimli bir şekilde yeniden kullanarak (termoelektrik dönüşüm) yonga ile esnek alt tabaka arasında güvenilir ve istikrarlı bir elektrik teması sağladı. Geleneksel esnek olmayan termoelektrik dönüştürme modülünde, her iki taraftaki üst elektrotlar diğer üst elektrotlara dik olarak yerleştirilir, böylece modülün bükülme derecesi sınırlıdır. Bununla birlikte, FlexTEG modülünde, tüm üst elektrotlar paralel olarak kurulur ve bu, modül herhangi bir tek eksenli yönde büküldüğünde esneklik sağlar. Bu, çip üzerindeki mekanik gerilimi azaltır ve FlexTEG modülünün mekanik (fiziksel) güvenilirliğini geliştirir.
(Resim kaynağı: Osaka Üniversitesi)
değer
Bu araştırma, kavisli bir ısı kaynağından atık ısının termoelektrik dönüşüm verimliliğini iyileştirir ve modülün içindeki yarı iletken yongaya uygulanan mekanik stres küçüldüğü için modülün mekanik stabilitesini geliştirir.
Baş yazar Tohru Sugahara şunları söyledi: Tüm yarı iletken ambalaj malzemelerinin ısıl direnci (150 ° C'ye kadar) ve modülün mekanik esnekliği nedeniyle, FlexTEG modülümüz 150 ° C veya daha düşük ısıda atık ısı için bir dönüşüm termoelektriği olarak kullanılacaktır. Jeneratör modülü. Kurulum teknolojisi geleneksel yarı iletken paketleme teknolojisine dayalıdır, bu nedenle termoelektrik dönüşüm modüllerinin seri üretimi ve maliyet azaltımı önceden düşünülmüştür. "
Anahtar kelime
Kendi kendine çalışan, esnek elektronikler, yarı iletkenler, Nesnelerin İnterneti
Referans
[1] https://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2018/20181214_1
[2]
3 Tohru Sugahara, Yusufu Ekubaru, Ngo Van Nong, Noriko Kagami, Keiichi Ohata, Le Thanh Hung, Michio Okajima, Shutaro Nambu, Katsuaki Suganuma. Yarı İletken Paketleme Teknolojileri ile İmalat ve Büyük Ölçekli Esnek Termoelektrik Modülün Karakterizasyonu İleri Malzeme Teknolojileri, 2018; 1800556 DOI: 10.1002 / admt.201800556
