"פיתוח חומרים והתקנים תרמו-אלקטריים ומידול בשיטת האלמנטים הסופיים באמצעות ®COMSOL Multiphysics"

לקבלת פרטים נוספים אודות המוצרים והשירותים שחברת נומריקל מספקת, נא השאירו פרטים.

קראו סיפורי משתמשים נוספים:

עבודת מחקר של הסטודנט עדן חזן במסגרת התואר השני בחוג להנדסת חומרים - אוניברסיטת בן גוריון, בהנחייתו של ד"ר יניב גלבשטיין:
"במסגרת העבודה פותח צמד תרמואלקטרי אשר מציג ביצועים תרמואלקטריים מהגבוהים שפורסמו בעולם".

"על מנת להגיע לביצועים שכאלה בוצעה אופטימיזצייה לצמד זה שהתאפשרה אודות למודל שפותח בתוכנת ®Comsol Multiphysics".

"כל המודלים המפורסמים אינם לוקחים בחשבון את תלות התכונות הפיזיקליות של החומרים בטמפ', מתייחסים רק לדגמים הומוגניים ואינם לוקחים בחשבון את השפעת הסביבה על הביצועים".


במודל שפיתחנו ב- ® COMSOL Multiphysicsהצלחנו להתגבר על מגבלות אלה:
1. לראשונה הוצג מודל בו תלות התכונות הפיזיקליות בטמפרטורה נלקחת בחשבון.
2. המודל מסוגל להתמודד עם אלמנטים מדורגים הנקראים בספרות המקצועית FGM-Functionally Graded Materials.  
3. ב- ® COMSOL Multiphysicsניתן לפתור בעיות פיזיקליות בתנאי סביבה שונים כמו בידוד תרמי, הסעה מאולצת ועוד.
מקורות חשמל מתחדשים וברי-קיימא הינם נושא למחקר מתמשך בשנים האחרונות, על מנת לצמצם את התלות בדלקי מאובנים (פחם, נפט, גז טבעי), ולטובת שמירה על סביבה טובה יותר. תרמואלקטריות, השיטה בה מומר חום לחשמל בצורה ישירה, מציגה יתרונות מעניינים רבים יחד עם חסרון אחד בולט של יעילות המרה נמוכה, בהשוואה לחלק מהטכנולוגיות המתחרות. שילוב של גנראטורים תרמואלקטריים לטובת ניצול החום המבוזבז שנוצר במפעלים תעשייתיים, מנועים של מכוניות ועוד, והפיכתו לחשמל שימושי, מצריך מאמצים משותפים הן בפיתוח של חומרים תרמואלקטריים חדשים ויעילים, והן בטכניקות סימולציה מתקדמות.
 
במחקר הנוכחי פותח אלמנט תרמואלקטרי מדורג מתקדם מסוג n המבוסס על המטריצה החומרית  (PbSn0.05Te)0.92(PbS)0.08המציגה מנגנון מטלורגי של היפרדות פאזות. לטובת הערכת הפוטנציאל התרמואלקטרי של חומר זה, בשילוב עם החומר שדווח בעברGe0.87Pb0.13Te  מסוג p אשר מראה ערכי גורם טיב תרמו-אלקטרי (מדד ליעילות של חומר תרמו-אלקטרי. ערכים מקובלים בספרות הינם 1) יוצאי דופן עם ערך של 2.2, פותח וקיבל תוקף בניסויי מודל תרמו-אלקטרי בשיטת האלמנטים הסופיים, אשר לוקח בחשבון מאפייני חומרים תרמואלקטריים תלויי טמפרטורה, התנגדויות מגע, תרומת חום Thomson וחום Joule עבור כל מאזני החום במודל.
עדן חזן מספר על המחקר ועל השימוש היעיל והחיוני בתוכנת ®COMSOL Multiphysics:
התוצאות חוזות, עבור הצימוד התרמואלקטרי שנחקר, יעילות תרמואלקטרית מרשימה מאוד של 14%, שזה גבוה ביותר מ- 20% מהערכים הקודמים שדווחו בעבודה תחת משטר טמפרטורה קרה וחמה של 50 ו- 500 מעלות צלסיוס בהתאמה, מה שמעיד על פוטנציאל גבוה יותר מאי פעם לשילוב מעשי ביישומים ממונעים.
מידול בשיטת האלמנטים הסופיים של הביצועים התרמואלקטריים הצפויים של הצימוד התרמואלקטרי שנחקר, התבסס על תכונות חומרים תלויי טמפרטורה, טמפרטורות חמות וקרות אופייניות של חום שיורי  ביישומים ממונעים, ופרמטרים גיאומטריים אופטימאליים של האלמנטים התרמואלקטריים אשר חוברו בגשרי נחושת (תכונות הנחושת נלקחו מתוך ספרי החומרים בתוכנה).
משוואת מעבר החום, ע"י שימוש בממשק פיזיקת מעבר חום בתוכנת ®COMSOL Multiphysics , יושמה לשם חישוב פרופילי התפלגות הטמפרטורה לאורך כל אחד מהסגמנטים של האלמנט המדורג מסוג n והאלמנט ההומוגני מסוג ,p כפי שנראה במשוואה הבאה:
 
אנליזה נומרית
כדי לפתור משוואה ממעלה שנייה שאינה ליניארית כמו זו, יש לפתח מודל תרמואלקטרי מדויק, ועל כן פנו החוקרים לכלי החישוב העוצמתי והאמין של ®COMSOL Multiphysics.
אנליזה נומרית
כאשר ממדלים אלמנט תרמואלקטרי מדורג, חשוב מאוד לכלול חום PELTIER, שנוצר מההיווצרות של החיבור החדש בין הסגמנטים העליון והתחתון של החומר מסוג .n על מנת לקחת בחשבון את תרומתו של אפקט חום זה, המודל הנוכחי כולל אזור ביניים אינפיניטסימאלי בין הסגמנטים העליון והתחתון של החומר מסוג n, אשר הוגדר בתוכנה כיצרן חום, כפי שרואים במשוואה הבאה:
 
אנליזה נומרית
משוואות מאזן החום בצד החם ובצד הקר של הצמד התרמו-אלקטרי, ניתנות במשוואות הבאות, בהתאמה:
אנליזה נומרית
אנליזה נומרית
אנליזה נומרית
עדן חזן מספר על המחקר ועל השימוש היעיל והחיוני בתוכנת ®COMSOL Multiphysics:
כאשר A שטח החתך, I הזרם החשמלי, α הוא מקדם Seebeck , κ המוליכות התרמית ו-ρ ההתנגדות החשמלית הסגולית של כל אחד מהאלמנטים בצמד.
תנאי הגבול שיושמו עבור הצימוד התרמואלקטרי בסימולציה, רשומים במשוואות הבאות:
בשתי המשוואות המתוארות, האיבר הראשון מייצג את חום PELTIER שמתפתח בכל אחד מהצמתים, שני האיברים האמצעיים מייצגים את מעבר החום שעובר בקטעים, והאיבר האחרון מייצג את חום ג'אול שמתפתח לאורך מגעי הנחושת.
תחת תנאים אלו, הספק החשמל הכולל, P , שהתפתח בנגד העומסRL  מתואר במשוואה הבאה:
עבור כל החישובים, אחוז השגיאה נמצא כנמוך מ- 0.1%, דבר המצביע על אמינות ודיוק גבוהים של הפרמטרים המצומדים שחושבו. יתרה מזאת, במטרה להימנע מזמני חישוב ארוכים, המודל נפתר תוך לקיחה בחשבון תנאי גבול שאינם כרוכים בשינוי חום, אף על פי שתוכנת ®COMSOL Multiphysics מאפשרת שינויים אלה.
ערכי ההספק החשמלי המופק והניצולת התרמואלקטרית, של הצמד התרמואלקטרי שנחקר, אשר עברו סימולציה, תוך התחשבות במאפייני החומרים תלויי הטמפרטורה ותרומות המגעים, ביחד וכל אחד לחוד, בהשוואה למודל בסיסי המתחשב בערכים ממוצעים, שהוא הנפוץ ביותר בספרות, מוצגים באיור הבא:
לסיכום, שימוש בתוכנה ®COMSOL Multiphysics יחד עם פיתוח חומרים תרמו אלקטריים משופרים אפשרו לראשונה קבלת ביצועים חשמליים ותרמו אלקטריים מהגבוהים המדווחים בספרות המקצועית יחד עם אמינות ודיוק בערכים שהתקבלו. יחד עם זאת, ממשק התוכנה מאפשר את בחינת הביצועים כתלות בפרמטרים רבים כמו תנאי סביבה, גיאומטריה ועוד.
לקבלת פרטים נוספים ללא התחייבות
שדה מילוי חובה מסומן ב- *
רוצים ללמוד עוד על יכולותיה המולטיפיזיקליות הגבוהות של ®COMSOL?

זה פשוט וקל להכיר אונליין את הממשק האינטואיטיבי של התוכנה!

צפו בהדרכות מקוונות מפורטות אודות האפשרויות הרבות ב- ®COMSOL Multiphysics

כנסו לדף ייעודי המתעדכן מדי שבוע וכולל סרטוני הדרכה מלאים עם כתוביות בעברית

 
 
 כתובת: פארק המדע, פנחס ספיר 8, נס ציונה I אימייל: info@numerical.co.il  |  טל: 03-9629621

Numerical© 2017 כל הזכויות שמורות