كثافة الطاقة

كثافة الطاقة هي كمية الطاقة (معدل انتقال الطاقة مع الزمن ) لكل وحدة حجم . ^{[ 1 ]} تُقاس عادةً بالواط لكل متر مكعب (واط/م³)، وتمثل مقدار الطاقة الموزعة داخل حيز معين. في مجالات متنوعة كالفيزياء والهندسة والإلكترونيات، تُستخدم كثافة الطاقة لتقييم كفاءة وأداء الأجهزة والأنظمة والمواد، وذلك بالنظر إلى مقدار الطاقة التي يمكنها تحملها أو توليدها نسبةً إلى حجمها. ^{[ 2 ]}

في محولات الطاقة بما في ذلك البطاريات وخلايا الوقود والمحركات ووحدات إمداد الطاقة وما إلى ذلك، تشير كثافة الطاقة إلى الحجم، حيث تسمى غالبًا كثافة الطاقة الحجمية ، ويتم التعبير عنها بوحدة واط/م ³ .

في محركات الاحتراق الداخلي الترددية ، تعد كثافة الطاقة (الطاقة لكل حجم مكنس أو قوة الفرامل لكل سنتيمتر مكعب ) مقياسًا مهمًا، يعتمد فقط على السعة الداخلية للمحرك، وليس على حجمه الخارجي.

يتم تعريف كثافة الطاقة بشكل شائع على أنها طاقة الخرج المقدرة (الاسمية) للمحول مقسومة على الحجم المادي الذي يشغله: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle {\frac {V_{0}I_{0}}{xyz}}}$

لأغراض المقارنة، تشير القدرة الناتجة عادةً إلى القدرة المستمرة التي يمكن توفيرها في ظل أسوأ الظروف البيئية المحددة. ^{[ 3 ]} تشمل المحددات النموذجية درجة الحرارة المحيطة ، وأقصى درجة حرارة مسموح بها للهيكل، واتجاه الوحدة وتدفق الهواء ، وارتفاع التشغيل، وأهداف الموثوقية أو العمر الافتراضي التي قد تتطلب تخفيض القدرة . ^{[ 3 ]}

يمكن تحديد حجم المحول بعدة طرق حسب التطبيق والتصميم. ^{[ 4 ]} قد تشمل القيم المُبلغ عنها أو تستبعد مكونات مثل مرشحات التداخل الكهرومغناطيسي ، وأجهزة إدارة الحرارة (مثل المراوح أو المشتتات الحرارية )، والهياكل أو الحاويات الواقية، والموصلات، ومكثفات تخزين الطاقة للإدخال أو الإخراج . ^{[ 4 ]} غالبًا ما تكون هذه المكونات مطلوبة في المنتجات النهائية، ولكن يمكن حذفها عند قياس وحدات تزويد الطاقة المعيارية. ^{[ 4 ]}

ازدادت أهمية كثافة الطاقة تدريجيًا منذ ظهور تقنية تحويل الطاقة بالوضع المبدل ، حيث أصبحت الكفاءة هي المحرك الأساسي. ^{[ 3 ]} تُمكّن محولات التبديل من تحقيق أداء يتجاوز الحدود الحتمية لمصادر الطاقة الخطية، التي كانت كفاءتها مقيدة إلى حد كبير بنسب جهد الدخل إلى الخرج ومجموعة صغيرة من التكوينات المتاحة. ^{[ 3 ]}

ابتداءً من أوائل التسعينيات، تسارعت تحسينات الكفاءة مدفوعةً بتوسع الحوسبة الشخصية والإلكترونيات الاستهلاكية ، ونمو قطاع الاتصالات ، والتقدم السريع في تكنولوجيا أشباه الموصلات . ^{[ 3 ]} ومع ازدياد كفاءة التحويل، ارتفعت كثافة الطاقة المتاحة بالتوازي، مما يعكس الترابط الوثيق بين هذه المقاييس. ^{[ 3 ]}

أدت الأزمات المتتالية في قطاع الطاقة، وما نتج عنها من أطر تنظيمية، إلى رفع كفاءة الطاقة من كونها سمة مرغوبة إلى مطلب عملي، مع التركيز على ترشيد استهلاك الطاقة وخفض التكلفة الإجمالية للملكية طوال دورة حياة أنظمة الطاقة. ^{[ 5 ]} وقد أدى ذلك في نهاية المطاف إلى اعتبار كثافة الطاقة العالية معيارًا رئيسيًا في هندسة أنظمة الطاقة ، حيث تمثل التقاء الكفاءة والحجم الصغير والأداء في تصميم أنظمة توصيل الطاقة الحديثة. ^{[ 5 ]}

• كثافة الطاقة ، الطاقة لكل وحدة حجم
• الطاقة النوعية ، الطاقة لكل وحدة كتلة
• معدل الامتصاص النوعي (SAR)