كاهش مصرف سوخت خودرو با استفاده از مواد ترموالكتريك

[ru.taheri]

خودروهايي‌كه گرما مصرف مي‌كنند

به طور متوسط حدود دوسوم از انرژي سوخت مصرفي اتومبيل‌ها و وسايل نقليه سنگين به صورت گرما به هدر مي‌رود. اين در حالي است كه مواد نيم‌رسانايي هستند كه مي‌توانند انرژي گرمايي را به انرژي الكتريكي تبديل كنند يا به اصطلاح مواد ترموالكتريك اين قابليت را دارند كه گرماي تلف‌شده در اتومبيل‌ها را به دام انداخته و مجددا به چرخه مصرف وارد كنند و در نتيجه مصرف سوخت خودروها را به ميزان قابل‌توجهي كاهش دهند، اما راندمان پايين مواد ترموالكتريك موجود و همچنين هزينه‌هاي بسيار بالايي كه براي استفاده از آنها بايد اختصاص داده شود ازجمله محدوديت‌هايي هستند كه كاربرد اين گروه از مواد در خودروها و وسايل نقليه را با مشكل مواجه ساخته‌اند.
تبديل مستقيم انرژي گرمايي به الكتريسيته موضوع جديدي نيست بلكه از سال 1821 محققان به روش‌هايي براي انجام اين كار دست يافته بودند، اما از آنجا كه مواد نيم‌رسانايي كه قابليت تبديل گرما به انرژي الكتريكي دارند از كارايي مطلوب و مناسبي برخوردار نبوده‌اند، بنابراين استفاده و كاربرد اين مواد تنها به مواردي نظير كاوش در اعماق فضا محدود بوده است.
پيشرفت‌هاي اخير به دست آمده در حوزه نانوفناوري،‌ جان تازه‌اي به اين روش قديمي بخشيده است و از اين رو بسياري از خودرو‌سازان بزرگ در سطح دنيا نظير جنرال موتورز و BMW در تلاش هستند تا با استفاده از اين روش علاوه بر افزايش بازده سوخت مصرفي خودروها بتوانند در آينده‌اي نه‌چندان دور مولدهاي ترموالكتريكي را جايگزين سيستم‌هاي مولد برق متناوب و حتي شايد موتورهاي احتراق داخلي خودروهاي امروزي سازند و به اين ترتيب به نظر مي‌رسد كه با آغاز چنين تصميمي از سوي شركت‌هاي بزرگ و مطرح خودروسازي در سطح دنيا مي‌‌توان آينده خوبي را براي اين گروه از مواد پيش‌بيني كرد كه موجب گسترش كاربرد آنها در زمينه‌هاي مختلف خواهد شد.

وقتي ترموالكتريك قدم به صنعت خودروسازي مي‌گذارد

جالب است بدانيد كه تنها 30 درصد از انرژي حاصل از سوخت مصرفي خودروها به تامين انرژي لازم براي به حركت درآوردن آنها و همچنين تامين انرژي الكتريكي لازم براي استفاده از امكانات جانبي خودروها نظير روشنايي و سيستم پخش موسيقي اختصاص مي‌يابد و 70 درصد اين انرژي به صورت انرژي‌گرمايي هدر مي‌رود، اما نسل جديد مواد ترموالكتريك اين انرژي گرمايي را به انرژي الكتريكي تبديل كرده و در نتيجه بار مسووليت توليد انرژي الكتريكي در موتور خودرو را برعهده گرفته و در مصرف سوخت صرفه‌جويي مي‌كنند، اما پيش از اين كه بتوان از اين روش به طور گسترده استفاده كرد بايد به روش‌هاي جديدي براي كاهش هزينه و همچنين افزايش كارايي اين مواد دست يافت.
سيستم‌‌هاي گرمايشي و سرمايشي صندلي اتومبيل‌ها نمونه‌اي از كاربرد مواد ترموالكتريك در صنعت خودروسازي هستند. در حقيقت در اين صندلي‌ها، سيستم‌هاي گرم‌كننده و خنك‌كننده براساس يك نسخه قديمي از اين فناوري كه امروزه به عنوان روشي براي بهينه‌سازي مصرف سوخت خودروها مطرح‌شده، طراحي شده‌اند.
در اين صندلي‌ها، مواد ترموالكتريك با انتقال انرژي گرمايي براساس جهت جريان موجب گرما يا سرماي نشيمنگاه و تكيه‌گاه صندلي مي‌شوند. به گفته محققان، اگر بتوان از اين مواد در ساخت لوله اگزوز خودروها استفاده كرد مي‌توان از گرماي خروجي آنها، انرژي الكتريكي توليد كرد كه مكمل انرژي الكتريكي توليدشده در موتور خودرو باشد و نيروي الكتريكي لازم براي سيستم‌هاي الكتريكي خودروها را تامين كند.
اگر اين فناوري مراحل آزمايشي را به خوبي پشت‌سر بگذارد، مي‌تواند به طور كامل جايگزين مولد برق خودروها شده و انرژي لازم براي پمپ‌هاي آب و روغن خودرو را تامين كند و انجام ديگر وظايف را نيز به عهده موتور خودروها بگذارد كه اين كار نه‌تنها موجب صرفه‌جويي در مصرف سوخت، بلكه موجب بهبود عملكرد موتور خودرو خواهد شد. براساس بررسي‌هاي انجام‌شده اگر تنها كارخانه جنرال موتورز از اين فناوري در توليد خودروهاي جديد خود استفاده كند بيش از 100 ميليون بشكه بنزين در هر سال صرفه‌جويي خواهد شد.

نسل جديدي از مواد ترموالكتريك

شركت‌هاي اتومبيل‌‌سازي شورولت، فورد و BMW نخستين خودروسازاني هستند كه تا پايان تابستان امسال، از مواد ترموالكتريك جديد براي تامين انرژي الكتريكي مورد نياز برخي از خودروهايشان به صورت آزمايشي استفاده خواهند كرد. به اين ترتيب BSST يكي از شركت‌هاي پيشگام در توسعه اين فناوري است كه خودروسازان بزرگ دنيا، مشتريان فناوري توسعه داده شده او خواهند بود.
BSST قصد دارد از گروه جديدي از مواد ترموالكتريك كه تركيبي از 2 فلز Hafnium و Zirconium است در توليد خودروهاي جديد فورد و BMW استفاده نمايد كه در دماهاي بسيار بالا در حدودي كه براي يك موتور احتراق داخلي انتظارش را داريم نيز از عملكرد بسيار خوبي براي توليد الكتريسيته برخوردار است و مي‌تواند راندمان ژنراتور اتومبيل‌ها را تا 40 درصد افزايش دهد.

نكته: بسياري از خودرو‌سازان بزرگ در سطح دنيا در تلاش هستند ‌ با استفاده ازفناوري ترمو الكتريك علاوه بر افزايش بازده سوخت مصرفي خودروها بتوانند در آينده‌اي نه‌چندان دور مولدهاي ترموالكتريكي را جايگزين سيستم‌هاي مولد برق متناوب سازند

شركت بزرگ اتومبيل‌سازي جنرال موتورز نيز تحقيقاتي را درباره گروه جديدي از مواد ترموالكتريك تحت عنوان Skutterudoles‌ انجام داده است كه در مقايسه ارزان‌تر بوده و در دماهاي بالا عملكرد بهتري از خود نشان مي‌دهد.
مطالعات انجام شده درباره اين ماده كه به صورت آزمايشي در توليد مدل‌هاي جديدي از شورولت به كار رفته، حاكي از آن است كه اين فناوري، قادر به توليد 350 وات انرژي الكتريكي بوده و مصرف سوخت را تا 3 درصد بهبود بخشيده است.
يكي از محدوديت‌هايي كه موجب كندي كار و تعلل سازندگان خودرو در استفاده از اين فناوري مي‌شود، دستيابي به تركيبي مناسب از مواد مختلف است كه بتواند از مقاومت گرمايي قابل توجهي برخوردار بوده و همزمان انرژي الكتريكي بيشتري توليد كند. علاوه بر اين، محققان در تلاش هستند به جاي اين‌كه اين فناوري را به عنوان يك بخش جانبي به قسمتي از خودرو نظير لوله اگزوز آن اضافه كنند، آن را در قالب بخشي از موتور طراحي كنند تا از هماهنگي بيشتري با عملكرد ديگر قسمت‌ها برخوردار باشد.

منابع جديدي براي توليد انرژي

باتوجه به افزايش قيمت حامل‌هاي انرژي در سطح دنيا، بسياري از محققان در تلاش هستند تا بتوانند با كمك مواد ترموالكتريك، گرماي ناخواسته ايجادشده در موتورهاي احتراق داخلي را به الكتريسيته تبديل كنند. الكتريسيته توليدشده مي‌تواند بخش بزرگي از نيازهاي الكتريكي خود را تامين كند.گرماي خروجي از لوله اگزوز خودروها از جمله منابع اصلي توليد اين گرماي ناخواسته است كه از گذشته‌هاي دور مطالعات بسياري درباره چگونگي استفاده مجدد از اين انرژي انجام شده است.
باتوجه به اهميت اين موضوع، خودروسازان بزرگ تلاش خود را بر يافتن راهكارهاي جديدي براي به دام انداختن اين انرژي تلف‌شده در اتومبيل‌ها متمركز كرده‌اند تا بتوانند مصرف سوخت خودروهاي توليدي خود را تا مرز 10 درصد كاهش دهند. به نظر مي‌رسيد بهترين گزينه براي رسيدن به اين هدف، استفاده از مواد ترموالكتريك باشد. در حقيقت ترموالكتريك دربردارنده راهكارهايي براي توليد الكتريسيته از اختلاف دماي ايجادشده در محيط است. اين فناوري شبيه به فناوري پيشرفته‌اي است كه ناسا (سازمان فضايي ايالات متحده آمريكا)‌ سال‌ها از آن براي توليد الكتريسيته در كاوشگرهاي فضايي استفاده مي‌كرده‌اند. در حقيقت با تاكيد بر فناوري ترموالكتريك بود كه كاوشگران فضايي به مقاصد بسيار دوردست، جايي كه نور خورشيد براي توليد الكتريسيته كافي نبود، پرتاب شدند.سيستم‌هاي ترموالكتريك به 2 صورت كار مي‌كنند. اگر به اين سيستم‌ها نيروي الكتريكي اعمال شود، مي‌توان از آنها براي سرمايش و گرمايش استفاده كرد و اين همان راهكاري است كه در طراحي صندلي‌هاي مجهز به اين قابليت به كار رفته است.
اما يكي ديگر از ويژگي‌هاي مهم اين مواد كه اين روزها در صنعت خودروسازي مورد توجه قرار گرفته، توانايي توليد نيروي الكتريكي در نتيجه اختلاف دماست. البته هنوز مشخص نيست كه قيمت اين ژنراتور ترموالكتريك تا چه‌اندازه قيمت خودروها را افزايش خواهد داد.
به گفته محققان، تا تجاري‌سازي مواد ترموالكتريك در خودروها لازم است چند مرحله آزمايشي ديگر نيز با موفقيت پشت سر گذاشته شود. علاوه بر اين BSST اعلام كرده است كه در آينده سيستم‌هايي را براي كنترل دماي داخل اتومبيل‌ها براساس عملكرد مواد ترموالكتريك طراحي خواهد كرد. به اين ترتيب به جاي اين‌كه براي تغيير دماي اتاق خودرو، هواي زيادي به داخل فضاي خودرو منتقل شود از سيستم‌هاي ترموالكتريك استفاده خواهد شد تا فرآيند سردشدن يا گرم‌شدن فضاي داخلي خودرو سريع‌تر اتفاق بيفتد و انرژي كمتري نيز صرف سيستم تهويه هواي داخلي خودرو شود.
با توسعه مواد ترموالكتريك مي‌توان اميدوار بود در آينده بتوان از انرژي حرارتي اتلافي در نيروگاه‌هاي برق و همچنين انرژي گرمايي ناشي از فعاليت توربين‌هاي گازي به عنوان منبعي براي توليد الكتريسيته استفاده كرد. به گفته محققان جنرال موتورز و BSST توليد انبوه خودروهاي مجهز به فناوري ترموالكتريك مستلزم انجام مراحل آزمايشي ديگري است كه پيش‌بيني مي‌شود تا 4 سال ديگر به طول انجامد.

Technoloy reviewفرانك فراهاني‌جم/ دانش