DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120991
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Nerea Pascual وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد والأجهزة الحرارية الكهربائية المتقدمة
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة التأثير الذي غالبًا ما يتم تجاهله لمكونات النظام على مستوى النظام، وخاصة مبادلات الحرارة، على التحسين الهندسي للوحدات الكهروحرارية. تم تطوير نهج تحسين متكامل على مستوى النظام لمولد كهروحراري سلبي جيولوجي في القارة القطبية الجنوبية، مع التأكيد على الاعتماد المتبادل بين الظواهر الحرارية والكهربائية. تقدم الدراسة نموذج حسابي شامل متعدد الأهداف ومتعدد المعلمات يقوم بتحسين هندسة الوحدة الكهروحرارية من خلال زيادة إنتاج الطاقة الكهربائية وتقليل حجم مادة أشباه الموصلات. تشير النتائج إلى أن التحسين الهندسي يمكن أن يعزز إنتاج الطاقة بنسبة تتراوح بين 3.7% إلى 12.6% مقارنةً بالوحدات التجارية الحالية، مع تحديد التكوينات المثلى عند أطوال أرجل معينة ومساحات مقطع عرضي محددة. ومن الجدير بالذكر أن البحث يبرز أن تقليل مقاومات الحرارة لمبادل الحرارة يزيد بشكل كبير من إمكانيات التحسين، مما يبرز ضرورة إعطاء الأولوية لتحسين مبادل الحرارة قبل إجراء تعديلات على هندسة الوحدة.
تتوج النتائج بإنشاء إطار حسابي قوي لتحسين هندسي متعدد المعلمات، مما يظهر تحسينات كبيرة في الأداء دون زيادة حجم أشباه الموصلات. تكشف التحليلات أنه بينما لا تؤثر درجة حرارة المصدر على الهندسة المثلى، فإن مقاومات الحرارة لمبادلات الحرارة تعتبر حاسمة. يمكن أن يؤدي تقليل هذه المقاومات بنسبة 26% إلى تعزيز إمكانيات زيادة الطاقة بنسبة 60% وتقليل حجم أشباه الموصلات بنسبة 18.5%. تقترح الدراسة نهجًا منهجيًا للعمل المستقبلي، داعيةً إلى نمذجة حرارية مفصلة لمبادلات الحرارة لتسهيل التحسينات المستهدفة وتحسين التصميم بشكل صارم. تهدف هذه المنهجية إلى ضمان تحقيق مكاسب عملية في أداء المولدات الكهروحرارية، مما يؤدي في النهاية إلى التركيب الميداني والمراقبة طويلة الأمد للتحقق من صحة النتائج في العالم الحقيقي.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية التحديات الكبيرة المرتبطة بتوفير الطاقة الكهربائية في البيئات البركانية النائية، حيث تكون تقنيات الطاقة التقليدية غالبًا غير عملية بسبب الظروف القاسية وقلة الوصول. لا يزال حوالي 30% من البراكين النشطة غير مراقبة في الوقت الحقيقي، مما يبرز الحاجة إلى حلول طاقة موثوقة لتعزيز البحث الجيولوجي ورصد البراكين. يقترح المؤلفون استخدام الحرارة الجيولوجية من خلال التحويل الكهروحراري كبديل قابل للتطبيق، مستفيدين من الفروق في درجات الحرارة بين الفومارولات البركانية والبيئة المحيطة بها لتوليد الكهرباء دون الحاجة إلى أجزاء متحركة أو صيانة منتظمة. أظهرت الأعمال السابقة التي قام بها أستراين وآخرون في القارة القطبية الجنوبية جدوى هذا النهج، مع التأكيد على إمكانيات الأنظمة الكهروحرارية لتوليد الطاقة المستمرة في البيئات القاسية.
تهدف الدراسة إلى البناء على نتائج أستراين وآخرين من خلال تحسين المعلمات الهندسية للوحدات الكهروحرارية لتحسين الأداء. تبرز أهمية النظر في كل من خصائص المواد الجوهرية والعوامل الهندسية، مثل طول ومساحة مقطع أشباه الموصلات، في زيادة الإنتاج الكهربائي. كما تنتقد البحث المنهجيات الحالية التي غالبًا ما تتجاهل الاعتماد المتبادل بين تصميم الوحدة والأداء العام للنظام، داعيةً إلى إطار تحسين شامل يتضمن مبادلات الحرارة ومقاومات الحرارة. من خلال تطوير نموذج حسابي شامل أحادي البعد يأخذ بعين الاعتبار جميع الظواهر الكهروحرارية بدقة، بما في ذلك تأثير تومسون، تسعى الدراسة إلى وضع قواعد تصميم عامة لتطبيقات الجيولوجيا الحرارية ذات درجات الحرارة المنخفضة، مما يحول الأفكار النظرية إلى حلول هندسية عملية.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون التحقق التجريبي من مولدات الطاقة الكهروحرارية السلبية الجيولوجية، مستفيدين من النتائج السابقة لتأكيد نموذجهم الحسابي. تضمنت الدراسة اختبار تكوينات مختلفة لمبادلات الحرارة، وخاصة أنابيب الحرارة والثرموسيفونات، مع الماء كالسائل العامل على الجانب الساخن وكلا من الماء والميثانول على الجانب البارد. شمل الإعداد التجريبي تكوينات متعددة، مثل أنابيب الحرارة المائية وثرموسيفون، مع تضمين جميع النماذج الأولية وحدات كهروحرارية تجارية (TG12-8-01LS) تحتوي على 127 من ثنائيات البزموت. تم تقييم المولدات تحت درجة حرارة ثابتة للجانب الساخن تبلغ 70 درجة مئوية، مع ظروف الجانب البارد تتغير بناءً على المناخات المحلية ودرجات الحرارة المحيطة التي تتراوح من -20 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية، إلى جانب سرعات الرياح المختلفة.
أشارت النتائج إلى أن النموذج الحسابي توقع بدقة الفرق في درجات الحرارة عبر وجوه الوحدة وإنتاج الطاقة، محققًا دقة تبلغ ±5% و±8%، على التوالي، عبر 162 اختبارًا. كما يبرز المؤلفون عدم اليقين في القياسات، والتي تنبع من قيود الأدوات وتغير الظروف التجريبية، والتي تم قياسها بنسبة 12% لفرق درجات الحرارة و16% لإنتاج الطاقة. علاوة على ذلك، يوضح القسم تحسين هندسة الوحدة الكهروحرارية، مع التركيز على طول أرجل أشباه الموصلات ومساحة المقطع العرضي، لزيادة إنتاج الطاقة مع مراعاة استخدام المواد. يتم استخدام تقنية تحسين متعددة الأهداف، وهي طريقة 𝜖-القيود، للتنقل بين التبادلات بين إنتاج الطاقة وكفاءة المواد، بهدف تحديد مجموعة من الحلول الفعالة للتصميم النهائي.
النتائج
في قسم النتائج، تتناول الدراسة تحسين مولد قائم على الماء يقع في جزيرة الخداع من خلال نهج متعدد المراحل. في البداية، في القسم 5.1، يتم إجراء التحسين تحت ظروف متوسطة، تحديدًا مع درجة حرارة فومارول تبلغ 85 درجة مئوية، ودرجة حرارة محيطة تبلغ 0 درجة مئوية، ومقاومة حرارية للجانب الساخن تبلغ 0.53 كيلفن/وات، ومقاومة حرارية للجانب البارد تبلغ 0.15 درجة مئوية/وات. يركز البحث على زيادة إنتاج الطاقة مع تحديد مجموعة من الحلول الفعالة التي تلتزم بالقيود المتعلقة بحجم أشباه الموصلات.
يقيم القسم 5.2 هذه الحلول الفعالة من خلال دراسة طاقة تستند إلى ظروف التشغيل الفعلية الموجودة في جزيرة الخداع. في القسم 5.3، يتم توسيع عملية التحسين لتشمل سيناريوهات تشغيلية مختلفة، مع تطبيق نفس المنهجية على ظروف حدودية مختلفة. لكل سيناريو، يتم زيادة إنتاج الطاقة، ويتم تقييم تأثيرات هذه الظروف الحدودية على التحسين. تتوج الدراسة بحساب جبهة باريتو لظروف الحدود التي تؤثر بشكل كبير على التحسين، مما يؤدي إلى صياغة قواعد تصميم لمولدات الطاقة الكهروحرارية التي تستفيد من مصادر الحرارة ذات الطاقة الحرارية المنخفضة.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة تصميم وتحسين مولدات الطاقة الكهروحرارية السلبية الجيولوجية (GPTEGs) المثبتة في جزيرة الخداع، القارة القطبية الجنوبية، والتي تستخدم الحرارة من الفومارولات البركانية. تعمل المولدات على مبدأ التأثير الكهروحراري، حيث تحول الطاقة الجيولوجية ذات الدرجة المنخفضة إلى كهرباء. يتكون النظام من مبادلات حرارة للجانب الساخن (HHX)، ومبادلات حرارة للجانب البارد (CHX)، ووحدات كهروحرارية، مع اختيار ثنائي البزموت كمادة كهروحرارية بسبب كفاءتها عند درجات حرارة تقل عن 100 درجة مئوية. تبني الدراسة على الأعمال السابقة التي حسنت مبادلات الحرارة من خلال التركيز على التحسين الهندسي للوحدات الكهروحرارية لتعزيز الأداء العام للنظام. تم تطوير نموذج حسابي يعتمد على طريقة الفرق المحدود لمحاكاة انتقال الحرارة والسلوك الكهربائي، مما يسمح بتقييم المقاومات الحرارية والكهربائية داخل النظام.
تهدف عملية التحسين إلى زيادة إنتاج الطاقة من خلال تقييم تكوينات مختلفة لطول الثنائيات ومساحة المقطع العرضي تحت ظروف حدودية ثابتة. تحدد الدراسة أن المقاومة الحرارية المثلى للوحدات الكهروحرارية يجب أن تتجاوز تلك الخاصة بمبادلات الحرارة، على عكس معايير التصميم التقليدية. تشير هذه النتيجة إلى أنه يجب تحقيق توازن بين المقاومات الكهربائية والحرارية لتحقيق أقصى توليد للطاقة. كما تؤكد الدراسة على أهمية مراعاة مقاومات الحرارة المتغيرة بسبب الظروف البيئية، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على أداء GPTEGs. في النهاية، تهدف الدراسة إلى وضع قواعد تصميم عامة لمولدات الطاقة الكهروحرارية التي تعمل مع مصادر حرارية تصل إلى 100 درجة مئوية، مما يساهم في تطوير حلول طاقة مستدامة في السياقات الجيولوجية الحرارية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120991
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Nerea Pascual et al.
Primary Topic: Advanced Thermoelectric Materials and Devices
Overview
This research addresses the often-overlooked impact of system-level components, particularly heat exchangers, on the geometric optimization of thermoelectric modules. An integrated system-level optimization approach is developed for a geothermal passive thermoelectric generator in Antarctica, emphasizing the interdependence of thermal and electrical phenomena. The study introduces a comprehensive multi-objective, multiparameter computational model that optimizes thermoelectric module geometry by maximizing electrical power output and minimizing semiconductor material volume. Results indicate that geometric optimization can enhance energy production by 3.7% to 12.6% compared to existing commercial modules, with optimal configurations identified at specific leg lengths and cross-sectional areas. Notably, the research highlights that reducing heat exchanger thermal resistances significantly increases optimization potential, underscoring the necessity of prioritizing heat exchanger optimization before module geometry adjustments.
The findings culminate in the establishment of a robust computational framework for multiparameter geometric optimization, demonstrating substantial performance improvements without increasing semiconductor volume. The analysis reveals that while the source temperature does not influence optimal geometry, the thermal resistances of heat exchangers are critical. A 26% reduction in these resistances could enhance power increment potential by 60% and decrease semiconductor volume by 18.5%. The study proposes a systematic approach for future work, advocating for detailed thermal modeling of heat exchangers to facilitate targeted improvements and rigorous design optimization. This methodology aims to ensure practical gains in thermoelectric generator performance, ultimately leading to field installation and long-term monitoring for real-world validation.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the significant challenges associated with supplying electric energy in remote volcanic environments, where conventional power technologies are often impractical due to harsh conditions and limited accessibility. Approximately 30% of active volcanoes remain unmonitored in real time, highlighting the need for reliable energy solutions to enhance geological research and volcanic monitoring. The authors propose utilizing geothermal heat through thermoelectric conversion as a viable alternative, leveraging the temperature differences between volcanic fumaroles and their surroundings to generate electricity without the need for moving parts or regular maintenance. Previous work by Astrain et al. in Antarctica has demonstrated the feasibility of this approach, emphasizing the potential of thermoelectric systems for continuous power generation in extreme settings.
The study aims to build upon Astrain et al.’s findings by optimizing the geometric parameters of thermoelectric modules to improve performance. It highlights the importance of considering both intrinsic material properties and geometrical factors, such as the length and cross-sectional area of semiconductor elements, in maximizing electrical output. The research also critiques existing methodologies that often overlook the interdependencies between module design and overall system performance, advocating for a holistic optimization framework that incorporates heat exchangers and thermal resistances. By developing a comprehensive one-dimensional computational model that rigorously accounts for all thermoelectric phenomena, including the Thomson effect, the study seeks to establish general design rules for low-temperature geothermal applications, ultimately transforming theoretical insights into practical engineering solutions.
Methods
In this section, the authors detail the experimental validation of geothermal passive thermoelectric generators, utilizing previous findings to corroborate their computational model. The study involved testing various heat exchanger configurations, specifically heat pipes and thermosyphons, with water as the working fluid on the hot side and both water and methanol on the cold side. The experimental setup included multiple configurations, such as water heat pipes and a thermosyphon, with all prototypes incorporating commercial thermoelectric modules (TG12-8-01LS) containing 127 bismuth telluride thermocouples. The generators were evaluated under a constant hot side temperature of 70 °C, with cold side conditions varying based on local climates and ambient temperatures ranging from -20 °C to 20 °C, alongside different wind speeds.
The results indicated that the computational model accurately predicted the temperature difference across module faces and power output, achieving an accuracy of ±5% and ±8%, respectively, across 162 tests. The authors also highlight the uncertainties in measurements, which stem from instrumentation limitations and variability in experimental conditions, quantified at 12% for temperature differences and 16% for power output. Furthermore, the section outlines the optimization of thermoelectric module geometry, focusing on semiconductor leg length and cross-sectional area, to maximize output power while considering material usage. A multi-objective optimization technique, the 𝜖-constraint method, is employed to navigate the trade-offs between power output and material efficiency, aiming to identify a set of efficient solutions for the final design.
Results
In the results section, the research addresses the optimization of a water-based generator located on Deception Island through a multi-stage approach. Initially, in Section 5.1, the optimization is performed under average conditions, specifically with a fumarole temperature of 85 °C, an ambient temperature of 0 °C, a hot side thermal resistance of 0.53 K/W, and a cold side thermal resistance of 0.15 °C/W. The focus is on maximizing power output while identifying a set of efficient solutions that adhere to constraints related to the semiconductor volume.
Section 5.2 evaluates these efficient solutions through an energetic study based on the actual operating conditions present on Deception Island. In Section 5.3, the optimization process is further extended to include various operational scenarios, applying the same methodology to different boundary conditions. For each scenario, power output is maximized, and the effects of these boundary conditions on optimization are assessed. The research culminates in the calculation of the Pareto front for boundary conditions that significantly influence the optimization, leading to the formulation of design rules for thermoelectric generators that leverage low-enthalpy heat sources.
Discussion
In this section, the research discusses the design and optimization of geothermal passive thermoelectric generators (GPTEGs) installed on Deception Island, Antarctica, which utilize heat from volcanic fumaroles. The generators operate on the thermoelectric effect, converting low-grade geothermal energy into electricity. The system comprises hot side heat exchangers (HHX), cold side heat exchangers (CHX), and thermoelectric modules, with bismuth telluride selected as the thermoelectric material due to its efficiency at temperatures below 100 °C. The study builds on previous work that optimized heat exchangers by focusing on the geometrical optimization of thermoelectric modules to enhance overall system performance. A computational model based on the finite difference method was developed to simulate heat conduction and electrical behavior, allowing for the assessment of thermal and electrical resistances within the system.
The optimization process aims to maximize power output by evaluating various configurations of thermocouple length and cross-sectional area under fixed boundary conditions. The study identifies that the optimal thermal resistance of the thermoelectric modules should exceed that of the heat exchangers, contrary to traditional design criteria. This finding suggests that a balance must be struck between electrical and thermal resistances to achieve maximum power generation. The research also emphasizes the importance of considering varying thermal resistances due to environmental conditions, which can significantly impact the performance of the GPTEGs. Ultimately, the study aims to establish general design rules for thermoelectric generators operating with thermal sources up to 100 °C, contributing to the development of sustainable energy solutions in geothermal contexts.