باحثون يطورون جهازاً قائماً على الماء يحول الحرارة المهدرة منخفضة الجودة إلى كهرباء بفعالية

عثر العلماء على جهاز رخيص قائم على الماء قادر على تحويل الحرارة المهدرة منخفضة الجودة (مثل الحرارة المنبعثة من مراكز البيانات، وجدران المصانع، أو الأسطح المسخنة بأشعة الشمس) مباشرة إلى طاقة كهربائية بفعالية أكبر. غير أن النماذج المختبرية القياسية السابقة بالغت كثيراً في تقدير الأداء الفعلي للبطاريات الحرارية السائلة. يمكن لهذه الأجهزة البسيطة تحويل الحرارة المهدرة منخفضة الجودة إلى كهرباء. أقام باحثون من جامعة تايوان الوطنية نظاماً يقيس تدفق الحرارة والطاقة الناتجة في آن واحد، وأظهرت النتائج أن الحسابات النظرية تبالغ في تقدير الكفاءة الحقيقية بما يصل إلى 2,700%.

تستخدم طرق توليد الكهرباء التقليدية بخاراً عالي الحرارة لتحريك التوربينات، مما يؤدي إلى هدر كميات كبيرة من الحرارة منخفضة الحرارة دون استعادة. تتسرب هذه الحرارة الضعيفة باستمرار من مراكز البيانات، والعمليات الصناعية، والمباني، والأسطح اليومية المسخنة بأشعة الشمس. وعلى الرغم من أن كل تغير في درجة الحرارة ليس كبيراً بحد ذاته، فإن حجمها الهائل وتوافرها الواسع يجعلان من هذا المصدر للطاقة مورداً غير مستغل لتوليد الكهرباء المستدام. توفر البطاريات الحرارية طريقة بسيطة ومستدامة لتوليد الكهرباء باستخدام مواد وفيرة وإلكتروليتات قائمة على الماء، ودون أجزاء متحركة. غير أن خاصية تدفق الماء تؤدي إلى تيارات حمل حراري داخلية، تنقل الحرارة بسرعة من القطب الساخن إلى القطب البارد دون توليد كهرباء إضافية.

قيود النماذج التقليدية

اعتمدت الدراسات السابقة على نماذج صلبة لحساب الكفاءة، مفترضة أن الوسط ساكن، متجاهلة تماماً هذا الفقد الحراري الناجم عن تدفق السائل.

لذلك، أنتجت التقديرات التقليدية قيم كفاءة مبالغاً فيها، وعكست فشلاً في عكس السلوك الفعلي للجهاز في ظروف التشغيل. طور الفريق التايواني تقنية جديدة تقيس في آن واحد الطاقة الكهربائية والتدفق الحراري الكلي للبطارية الحرارية في ظروف التشغيل الفعلية. عندما أقام الفريق نظاماً يكمم مباشرة تدفق الحرارة في الوقت الحقيقي بالتزامن مع المخرجات الكهربائية، انهارت الأوهام النظرية. تبين أن خيارات التصميم التي كان يُعتقد سابقاً أنها تزيد الطاقة، مثل توسيع الفجوة بين القطبين، تقلل الأداء في ظروف التشغيل الحقيقية.

اختراق التصميم المائل

برز الحل لاحقاً، وهو لا يتطلب معادن نادرة باهظة الثمن، أو أغشية معقدة، أو مواد كيميائية غريبة. اكتفى الباحثون بإمالة البطارية. اكتشف البحث أن إمالة البطارية بالنسبة للجاذبية يمكن أن تعزز الأداء، حيث تفصل هذه الإمالة جزئياً نقل الحرارة عن نقل الشحنة. أدى هذا التعديل المكاني الوحيد إلى قفزة في الكفاءة المقاسة مباشرة بالنسبة لكفاءة كارنو من 0.02% الضئيلة إلى 0.25%. قال لي ألدوس من قسم الهندسة الكيميائية في جامعة تايوان الوطنية: «من خلال قياس الطاقة الفعلية والتدفق الحراري الكلي في آن واحد، حصلنا على أرقام بسيطة تُظهر ما يحدث فعلياً أثناء التشغيل.

اكتشفنا أن بعض خيارات التصميم التي تبدو جيدة ليست مثالية عند تقييمها في الواقع، في حين أن مجرد تغيير الاتجاه بالنسبة للجاذبية أدى إلى تحسن كبير.»

يطبق الفريق حالياً هذه الطريقة على أجهزة تركب على الألواح الجدارية أو الأبواب، لجمع فروق درجات الحرارة المحيطة. لا يزال التحكم الدقيق في اتجاه البطارية الداخلية هو المفتاح لتوفير كهرباء نظيفة وفعالة للأجهزة الإلكترونية الصغيرة. أضاف المؤلف المسؤول عن الدراسة: «نعتقد أن قدرة المختبرات على قياس أداء الجهاز الكلي بشكل موثوق ستمنح هذه التقنية آفاقاً تجارية أكثر وضوحاً.» تشير الدراسة إلى مستقبل ستستعيد فيه أجهزة الاستشعار، والألواح الجدارية، والنوافذ الذكية التي لا تحتاج إلى مصدر طاقة، الحرارة المحيطة من الأسطح اليومية.

تأثير التقنية الجديدة على استغلال الحرارة المهدرة

كشفت هذه الدراسة عن إمكانات البطاريات الحرارية القائمة على الماء في استعادة الحرارة المهدرة، لا سيما في مراكز البيانات والبيئات الصناعية. أخفقت طرق توليد الكهرباء بالبخار عالي الحرارة التقليدية في استغلال الحرارة المهدرة منخفضة الحرارة بفعالية، في حين عززت هذه التقنية الجديدة كفاءة تحويل الكهرباء بشكل كبير من خلال تغيير بسيط في التصميم. مع القياس الدقيق لأداء البطاريات الحرارية، قد تظهر المزيد من التطبيقات المبتكرة في المستقبل، مما يدفع عجلة تطوير الطاقة المستدامة. وهذا لا يساعد فقط على تقليل هدر الطاقة، بل قد يعزز أيضاً انتشار الأجهزة الذكية، مقدماً اتجاهاً جديداً لتقدم التقنيات الصديقة للبيئة.