Penyelidik di Johns Hopkins Applied Physics Laboratory telah membuat kemajuan ketara dalam teknologi penyejukan termoelektrik, mencapai hampir 100% peningkatan kecekapan berbanding bahan tradisional. Walau bagaimanapun, komuniti teknologi masih berpecah mengenai sama ada kemajuan ini benar-benar boleh mencabar sistem penyejukan mekanikal yang menguasai pasaran hari ini.
Kejayaan ini berpusat pada bahan filem nipis CHESS (Cascade Heterostructure for Electronic and Thermal Suppression) , yang sangat kecil - kira-kira sebesar butiran pasir bagi setiap unit penyejukan. Pengecilan ini membolehkan teknologi ini dihasilkan menggunakan alat pengeluaran semikonduktor sedia ada, berpotensi menjadikannya kos efektif untuk pengeluaran besar-besaran.
Ciri-ciri Pembuatan dan Kebolehskalaan
- Kaedah Pengeluaran: Pemendapan wap kimia logam-organik (MOCVD)
- Saiz Bahan: Bersaiz butiran pasir (0.003 sentimeter padu setiap unit)
- Keserasian Pembuatan: Menggunakan alat pengeluaran cip semikonduktor sedia ada
- Proses Mapan: Kaedah yang sama digunakan untuk sel solar satelit dan LED komersial
- Kebolehskalaan: Direka untuk pengeluaran besar-besaran menggunakan infrastruktur industri semasa
Peningkatan Kecekapan Menunjukkan Potensi untuk Aplikasi Khusus
Teknologi baharu ini menunjukkan peningkatan prestasi yang mengagumkan, dengan nilai pekali prestasi (COP) berkisar dari 1.3 hingga 6.8 bergantung pada keadaan beban haba. Ini meletakkannya dalam wilayah yang sama dengan peti sejuk rumah, yang biasanya mencapai nilai COP 2-4. Penyelidikan menunjukkan kekuatan khusus dalam aplikasi haba rendah, mencapai COP kira-kira 15 untuk perbezaan suhu kecil hanya 2°C.
Perbincangan komuniti mendedahkan bahawa penyejuk termoelektrik tradisional, dikenali sebagai elemen Peltier , telah lama diabaikan kerana kecekapan yang lemah - sering disebut sekitar 5%. Walau bagaimanapun, pakar menunjukkan reputasi ini mungkin tidak adil, kerana kecekapan sangat bergantung pada keadaan operasi. Apabila diurus dengan betul dengan perbezaan suhu dan tahap arus yang sesuai, peranti Peltier sedia ada boleh mencapai nilai COP melebihi 2.0.
COP (Coefficient of Performance): Ukuran kecekapan penyejukan, mewakili nisbah haba yang dikeluarkan kepada tenaga elektrik yang digunakan.
Perbandingan Prestasi Teknologi CHESS
| Metrik | Termoelektrik Tradisional | Teknologi CHESS | Peti Sejuk Rumah |
|---|---|---|---|
| Julat COP | 1.2 - 3.0 | 1.3 - 6.8 | 2.0 - 4.0 |
| Isipadu Bahan | Beberapa sentimeter padu | 0.003 sentimeter padu | T/A |
| Perbezaan Suhu | Berubah-ubah | 1.3°C - 2°C optimum | 20°C+ |
| Peningkatan Kecekapan | Garis dasar | ~70% peringkat sistem | T/A |
Had Peningkatan Skala Kekal Sebagai Halangan Utama
Walaupun terdapat peningkatan kecekapan, cabaran ketara berterusan untuk penggunaan meluas. Teknologi ini pada masa ini berfungsi terbaik dengan perbezaan suhu yang sangat kecil - kertas penyelidikan menyebut perbezaan hanya 1.3°C hingga 2°C. Had ini menjadikannya tidak sesuai untuk aplikasi yang memerlukan penurunan suhu yang besar, seperti membekukan makanan dari suhu bilik kepada -18°C.
Fizik asas penyejukan termoelektrik juga menimbulkan cabaran berterusan. Tidak seperti sistem penyejukan mekanikal di mana komponen panas dan sejuk dipisahkan oleh tiub nipis, peranti termoelektrik mempunyai bahagian panas dan sejuk yang diapit rapat bersama. Kedekatan ini menyebabkan kebocoran terma, di mana haba serta-merta mengalir kembali dari bahagian panas ke bahagian sejuk, menjejaskan kesan penyejukan.
Penyejukan termoelektrik memerlukan sebanyak mungkin penyelidikan. Penyejukan mekanikal sangat memakan ruang. CHESS mempunyai potensi dalam sepuluh tahun akan datang untuk sebahagian besarnya menggantikan pemampatan wap dalam kebanyakan sistem selain daripada kecerunan atau skala yang paling ekstrem.
Aplikasi Khusus Mungkin Mendorong Penggunaan Awal
Teknologi ini kelihatan paling menjanjikan untuk aplikasi khusus dan bukannya penyejukan tujuan umum. Penyejuk termoelektrik semasa sudah digunakan dalam kamera inframerah, penyejuk wain, dan peti sejuk mudah alih kecil. Kecekapan yang diperbaiki boleh mengembangkan aplikasi ini dengan ketara, terutamanya dalam penyejukan elektronik di mana kekangan ruang menjadikan sistem mekanikal tidak praktikal.
Samsung telah pun memasukkan elemen termoelektrik ke dalam sistem peti sejuk hibrid, menggunakannya untuk meningkatkan kecekapan keseluruhan dengan membolehkan pemampat beroperasi dalam mod yang lebih cekap. Pendekatan hibrid ini mungkin mewakili laluan yang lebih realistik ke hadapan daripada penggantian lengkap sistem mekanikal.
Kelebihan pembuatan juga tidak boleh diabaikan. Menggunakan pemendapan wap kimia logam-organik ( MOCVD ), proses yang sama digunakan untuk sel solar dan lampu LED berkecekapan tinggi, teknologi ini memanfaatkan infrastruktur perindustrian sedia ada untuk potensi peningkatan skala.
Semakan Realiti Pasaran
Walaupun peningkatan kecekapan 70% mewakili kemajuan tulen, teknologi ini masih menghadapi halangan ketara sebelum mencabar sistem penyejukan konvensional. Pam haba dan sistem penyejukan mekanikal kekal 10-100 kali lebih cekap daripada alternatif termoelektrik untuk kebanyakan aplikasi. Keperluan kuasa untuk menggantikan sistem penyejukan berskala besar akan menjadi sangat besar - berpotensi memerlukan 50-100kW penolakan haba untuk menyamai unit pemeluwapan 5-tan.
Penyelidikan ini mewakili kemajuan penting dalam teknologi penyejukan keadaan pepejal, tetapi laluan kepada penggunaan meluas berkemungkinan melibatkan aplikasi yang disasarkan di mana kelebihan unik penyejukan termoelektrik - saiz kecil, tiada bahagian bergerak, dan kawalan suhu yang tepat - mengatasi kelemahan kecekapan. Apabila teknologi terus bertambah baik, ia mungkin menemui tempatnya bersama dan bukannya menggantikan sistem penyejukan mekanikal.
Rujukan: Nano-engineered Thermoelectrics Enable Scalable, Compressor-Free Cooling