كيفية تسخير الحرارة لإمداد المستشعرات المرنة بالكهرباء

كيفية تسخير الحرارة لإمداد المستشعرات المرنة بالكهرباء

تتطلب تقنيات الرعاية الصحية الحديثة والعديد من التطبيقات المستقبلية الأخرى اتصالًا بالإنترنت لربط عدد هائل من المستشعرات ببعضها البعض. تعمل هذه المستشعرات على تحويل الإشارات الفيزيائية كالضغط والحرارة و الصوت والضوء ..إلخ، إلى إشارات كهربائية ليتسنى معالجتها حاسوبيًا واستخدامها في التطبيقات المختلفة. يجب أن تتميز هذه المستشعرات بالعديد من الخصائص كالموثوقية والمرونة إضافة قلة التكلفة الاقتصادية. تُستخدم المستشعرات المرنة والرقيقة في العديد من التطبيقات كصناعة الوشوم الالكترونية و إنتاج البشرة الاصطناعية، إضافة إلى كونها عنصر أساسي في«الروبتات الناعمة –soft robotics» التي تتعامل بشكل رئيسي مع المواد الطرية اللينة كالجلد الطبيعي والأنسجة العضلية والأعضاء الداخلية الحساسة. معظم هذه المستشعرات تتطلب وجود مصدر تغذية كهربائية لإمدادها بالكهرباء حتى تعمل لذا يسعى الباحثون إلى تطوير مصادر أخرى غير البطاريات لتشغيل هذه الأجهزة وذلك لأن استبدال البطاريات باستمرار أمر مكلف وصعب.

نبذة عن المولدات الكهروحرارية

يُعرف« المولد الكهروحراري – Thermoelectric power generator» أو اختصارًا «TEG» بأنه جهاز يعمل على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية عن طريق « التأثير الكهروحراري – Thermoelectric Effect»حيث يتكون من مزدوج حراري شبه موصل أحدهما من النوع P  والأخر من النوع N بالإضافة إلى أقطاب معدنية وقاعدة عازلة. يوضع أحد أطراف شبه الموصل في وسط ساخن والطرف الأخر في وسط ساخن ونتيجة لفرق درجة الحرارة ينشأ جهد كهربائي يسمح بمرور حاملات الشحنة في شبه الموصل أي بمعنى أخر يسري تيار كهربائي في الدائرة. يتناسب الجهد الكهربائي المتولد طرديا مع فرق درجة الحرارة بين الطرف الساخن والطرف البارد كما هو موضح في الشكل أدناه .

استخدام التأثير الكهروحراري في تشغيل المستشعرات المرنة

في دراسة نشرت ف مجلة« Advanced Materials Technologies» كشف باحثون من« جامعة أوساكا – Osaka University »عن كيفية تسخير الحرارة لإمداد المستشعرات المرنة بالكهرباء باستخدام التأثير الكهوحراري، أو تحويل اختلافات درجة الحرارة إلى كهرباء، على النحو الأمثل لتشغيل الأجهزة الصغيرة والمستشعرات المرنة . بيّنت دراستهم لماذا لم يصل أداء الجهاز الكهروحراري حتى الآن إلى كامل إمكاناته. لدى المولدات الكهروحرارية  العديد من المزايا، فعلى سبيل المثال، لا تحتاج إلى مصادر ميكانيكية لتوليد الجهد الكهربي، ولا تحتوي على أجزاء متحركة وتتميز بالاستقرار أثناء عملها  وبالموثوقية . وعلى النقيض لا تملك الطاقة الشمسية أوالطاقة الاهتزازية كل هذه المزايا. تستخدم شركات  الطيران والعديد من الصناعات الأخرى التأثير الكهروحراري. ومع ذلك، فإن التطبيقات على الأجهزة الرقيقة والمرنة لازالت في بداياتها . حسّن العديد من الباحثين أداء الأجهزة المرنة عن طريق تحسين المواد المستخدمة في المزدوج الحراري فقط. بينما في هذه الدراسة يوضح الباحث « توهرو سوغاهارا – Tohru Sugahara»   “نهجنا هو دراسة « التلامسات الكهربائية – Electrical contacts » ، أو المفتاح الذي يشغل الجهاز ويغلقه”.حيث تعتمد كفاءة أي جهاز بشكل حاسم على مقاومة هذه  التلامسات.”

المواد المستخدمة في البحث

استخدم الباحثون ماكينات هندسية متقدمة  لصنع شبه موصل« تيلورايد البزموث – Bismuth Telluride »على غشاء بوليمر رقيق يزن  0.4 جرام، ومساحته 100 مليمتر مربع. يزن هذا الجهاز أقل من مشبك الورق، وهو أصغر حجمًا من ظفر إنسان بالغ . تمكن  الباحثون من توليد كثافة قدرة كهربائية تبلغ قيمتها القصوى  185 مللي واط لكل سنتيمتر مربع. يقول سوغاهارا: “إن القدرة المتولدة  تفي بالمواصفات القياسية لأجهزة الاستشعار المحمولة والقابلة للارتداء”. وبالرغم من ذلك، بلغت نسبة القدرة الكهربائية المفقودة حوالي 40 % ويضيف تورو سوغاهارا: “يجب على الباحثين أن يركزوا على تحسين مقاومة التلامسات الحرارية والكهربائية وذلك لتحسين كفاءة الطاقة المتولدة بشكل أكبر بشكل أكبر” .

خلاصة البحث

تلعب كل من المقاومة الكهربائية والحرارية للتلامسات دورًا هامًا في تحديد كفاءة وفاعلية الأجهزة الكهروحرارية الدقيقة فعند مرور التيار في هذه الأجهزة تتولد حرارة عند مناطق الربط بين مكونات الجهاز ويحدث فقد للجهد الكهربي لذا من الضروري مراعاة تقليل كل من المقاومة الكهربائية والحرارية عند تصنيع هذه الأجهزة.

المصادر

Advanced Materials Technologies Magazine

TechEplore

Thermoelectricsolutions