Ocena możliwości wykorzystania termoelektrycznych baterii

POLITECHNIKA GDAŃSKA
Seminarium z Chłodnictwa
Temat: Ocena moŜliwości wykorzystania termoelektrycznych
baterii chłodniczo-grzejnych do klimatyzacji pojazdów
Wykonał:
Arkadiusz Jankowski
sem. VIII SChiK
1. Efekt Seebeck’a
Prekursorem termoelektryczności był Niemiec o estońskim rodowodzie – Thomas
Johann Seebeck. Był on badaczem zjawisk elektromagnetycznych, elektryczności
atmosferycznej, konstruktorem elektrycznych przyrządów pomiarowych. W 1821 roku
dokonał odkrycia, które wkrótce nazwano od jego nazwiska – efektem Seebeck’a.
Zjawisko Seebeck’a – zjawisko termoelektryczne polegające na powstawaniu siły
elektromotorycznej i w konsekwencji tego przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku
dwóch metali lub półprzewodników o róŜnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie
termoelektrycznym.
W przedstawionym obwodzie A i B są róŜnymi metalami lub półprzewodnikami, T1 i T2 to
temperatury w miejscach styku metali. W tym obwodzie powstaje napięcie elektryczne
określone wzorem:
V = (SB – SA)*(T2 – T1)
Gdzie: SA i SA to współczynniki Seebecka charakterystyczne dla wybranych substancji.
Powstające napięcie jest rzędu od kilku do kilkudziesięciu mikrowoltów na kelwin (stopień
Celsjusza).
2. Efekt Peltiera
Efekt Peltiera jest jednym z efektów termoelektrycznych, odwrotnym do efektu
Seebecka, a zaobserwowanym w 1834 roku przez Jeana Peltiera. Zjawisko to polega na
powstawaniu róŜnicy temperatur pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze.
Efekt Peltiera zachodzi na granicy dwóch róŜnych przewodników lub półprzewodników (n i p)
połączonych dwoma złączami (tzw. złącza Peltiera). Podczas przepływu prądu jedno ze złącz
uległo ogrzaniu, a drugie ochłodzeniu. Ochłodzeniu ulega złącze, w którym elektrony
przechodzą z przewodnika o niŜszym poziomie Fermiego do przewodnika o wyŜszym.
Odwracając przepływ prądu zjawisko ulega odwróceniu (ze względu na symetrię złącz).
Ilość ciepła pochłanianego przez zimniejsze złącze jest opisywana przez równanie:
gdzie:
ΠAB - współczynnik Peltiera układu
3. Budowa ogniwa Peltiera
Współczesne ogniwo Peltiera, jak "oficjalnie" nazywa się płytkę Peltiera, to dwie
cienkie płytki z termoprzewodzącego materiału izolacyjnego (ceramika tlenków glinu),
pomiędzy którymi zrealizowano szeregowy stos elementarnych półprzewodników,
naprzemiennie typu "p" i "n".
Wykonane z tellurku bizmutu domieszkowanego odpowiednio antymonem i selenem "słupki",
połączone są, dzięki miedzianym ścieŜkom na wewnętrznych powierzchniach płytek
ceramicznej obudowy, w układ szeregowy. Całość ma imponujące moŜliwości - potrafi
wytworzyć róŜnicę temperatur rzędu 60-70°K, a przede wszystkim "przepompowywać" ciepło
od powierzchni chłodzonej do podgrzewanej, ze sprawnością przeszło 50%.
4. Zasada działania
W strukturze półprzewodnika p brakuje elektronów aby w pełni "obsadzić" górny
poziom energetyczny. Natomiast w półprzewodniku n występuje nadmiar elektronów. W
momencie przepływu prądu (elektrony płyną od półprzewodnika typu p do n) elektrony stają
się ładunkami nadmiarowymi, więc muszą zwiększyć swoją energię kosztem energii cieplnej z
otoczenia. Kiedy prąd płynie w odwrotnym kierunku elektrony spadają na niŜszy poziom
energetyczny, co powoduje wydzielenie ciepła, wobec czego jedna ze stron modułu moŜe
działać jako chłodnica, a druga nagrzewnica.
Ilość odprowadzonego ciepła zaleŜna jest od natęŜenia płynącego prądu. Jednak przepływ
prądu przez układ powoduje wydzielanie się ciepła w samym module (w wyniku oporu
elektrycznego - ciepło Joule'a), tak więc zwiększając natęŜenie prądu, zwiększa się ilość
transportowanego ciepła a takŜe ilość ciepła wydzielanego przez moduł, skutkiem tego będzie
zrównanie się ilości ciepła powstającego i ciepła transportowanego przy pewnym natęŜeniu
(będzie to maksymalna wydajność modułu, a po "zimnej" stronie układu otrzymamy najniŜszą
moŜliwą temperaturę). Ciepło to trzeba jeszcze gdzieś odprowadzić. (MoŜe posłuŜyć do tego
radiator, radiator z wentylatorem lub chłodzenie wodą).
Czym większy prąd przepływający przez moduł, tym większy transport ciepła (i
moŜna osiągnąć większą róŜnicę temperatur). Maksymalną moŜliwą do uzyskania róŜnicą
temperatur obu stron modułu jest 60...70°C. Ale ze wzrostem prądu jednocześnie znacznie
rośnie ilość ciepła wydzielanego na stronie gorącej. Oczywiście powoduje to wzrost
temperatury tej strony. Nie wdając się w szczegóły moŜna powiedzieć, Ŝe czym wyŜsza
temperatura strony gorącej, tym mniejsze moŜliwości chłodzące strony zimnej, bo
maksymalna moŜliwa do uzyskania róŜnica temperatur wynosi (tylko) 60...70°C. A teraz
sprawa najwaŜniejsza: dla uzyskania sensownego efektu chłodzącego naleŜy skutecznie
odbierać ciepło ze strony gorącej. Jeśli radiator zastosowany na stronie gorącej będzie bardzo
dobry − na przykład chłodzony zimną wodą o temperaturze 10...12°C, wtedy po stronie
zimnej moŜna uzyskać w sposób ciągły temperaturę znacznie poniŜej 0°C. Z kolei jeśli ten
radiator będzie mało efektywny, temperatura gorącej strony modułu będzie wysoka, sięgająca
+100°C i efekt chłodzenia wcale nie wystąpi! Mało tego, po przekroczeniu temperatury
+136°C wewnętrzne połączenia lutowane modułu mogą się rozlutować, i moduł ulegnie
uszkodzeniu.
5. Charakterystyczne stany pracy termoelementu
PoniewaŜ termoelement, a zatem i całe urządzenie moŜe funkcjonować z uŜyteczną
wydajnością chłodniczą w szerokim zakresie natęŜenia prądu zasilającego, wyróŜnia się kilka
charakterystycznych warunków pracy termoelementu. Wybór poszczególnych warunków
zaleŜy od przeznaczenia danego urządzenia.
• Praca z maksymalną wydajnością chłodniczą
Optymalne natęŜenie w tych warunkach otrzymamy z równania:
( Qmax)
I
ρ ⋅ l1
R
s1
α ⋅ Tz
R
+
ρ ⋅ l2
s2
Zatem wydajność chłodniczą otrzymamy z zaleŜności:
Q0
 α 2⋅ T 2 

z 
⋅
 − K⋅ ( Tgor − Tz)
2  R 
1
Zaś współczynnik wydajności chłodniczej:
ε
•
 Tz  ( Tz − Tgor )
⋅
 − Z⋅ T ⋅ T
2 Tgor

 ( z gor )
1
Praca z minimalną temperaturą spoiny zimnej
Ma ona miejsce przypadku adiabatycznego zaizolowania tej spoiny. W tym przypadku
natęŜenie prądu otrzymuje się z równania:
α
I
⋅
(
)
1 + 2z⋅ T
−1
gor
 T z  Z⋅ R
 min 
A minimalna temperatura przy tym natęŜeniu będzie wynosić:
1
Tz
⋅ 1 + 2z⋅ Tgor − 1
Z
Z powyŜszego równania moŜna wyznaczyć maksymalną róŜnicę temperatur spoin
termoelementu:
(
(Tgor − Tz) max
•
)
1
Z⋅  Tz

2  min
2
Praca z maksymalnym współczynnikiem wydajności chłodniczej
Są to warunki, w których osiąga się maksymalną wartość współczynnika
przekształcenia energii, inaczej mówiąc, gdy sprawność energetyczna termoelementu
jest maksymalna. Im mniejsza jest wymagana róŜnica temperatur, tym większe
uzyskuje się wartości efektywności energetycznej oraz wydajności.
Współczynnik wydajności chłodniczej φ zawsze będzie większy lub w najgorszym
przypadku równy jedności. We wszystkich warunkach pracy prawdziwa jest
zaleŜność:
Q0 + W
Q
φ
ε+1
W
W
Wartość natęŜenia prądu przy maksymalnej efektywności energetycznej wynosi:
Iε
max
Iφ
max
(
)
α Tgor − Tz


R 1 +
1
(
)


Z Tgor − Tz − 1
2
6. Podstawowe parametry
PoniewaŜ podstawowe zjawiska zachodzące w ogniwie Peltiera mają silny związek z
temperaturą, więc parametry uŜytkowe modułu zaleŜą od warunków pracy. Ten sam moduł w
zaleŜności od zastosowania moŜe mieć róŜną efektywność. Dla celów praktycznych
przyjmuje się pewne istotne uproszczenia i zakłada, Ŝe dla danego ogniwa wszystkie
parametry zaleŜą od temperatury strony gorącej. Mimo wszystko występuje tu wiele
zmiennych i róŜne firmy w odmienny sposób charakteryzują swoje wyroby zamieszczając
inne rysunki i tabele. Oczywiście utrudnia to nieco interpretację parametrów i charakterystyk.
Konstruktor wykorzystujący moduły Peltiera powinien znać praktyczne moŜliwości
transportu energii, czyli odpowiednie moce. Są to:
• moc strony zimnej QC (moc chłodzenia),
• moc strony gorącej Qh (moc grzania),
• doprowadzona moc elektryczna P.
MoŜna z tego obliczyć efektywność chłodzenia, czyli stosunek mocy QC do P, ewentualnie
teŜ efektywność grzania, czyli stosunek Qh do P. Wielkości te są oznaczane odpowiednio
COPC i COPh (ang. Coefficient Of Performanc):
COPC = QC / P
oraz
COPh = Qh / P
Moc oddawana na gorącą stronę termoelementu jest sumą mocy chłodzenia QC i dostarczonej
mocy elektrycznej P. Sprawność grzania (COPh) jest więc na pewno większa niŜ 100%. Co
ciekawe równieŜ sprawność chłodzenia przy mniejszych prądach przekracza 100%.
7. Moduły Peltier’a w systemach klimatyzacji pojazdów.
Przy budowie części mechanicznej pamiętać naleŜy o dwóch radiatorach. Jeden do
odprowadzenia nadmiaru ciepła z modułów, a drugi do chłodzenia wdmuchiwanego
powietrza do kabiny samochodu. Radiator do odprowadzenia ciepła powinien być na tyle
duŜy, aby jego temperatura nie przekraczała 30-40C. W modelowym układzie dla dwóch
modułów Peltiera zastosowano radiator Ŝeberkowy o wymiarach 30x30cm. Natomiast
radiator chłodzący musi być wykonany z cienkich powyginanych blaszek (aby wdmuchiwane
ciepłe powietrze stykało się z jak największymi powierzchniami chłodzącymi). Najlepiej
zastosować radiatory, które są uŜywane do chłodzenia procesorów w komputerach PC.
8. Efektywność chłodzenia termoelektrycznego w porównaniu z innymi
metodami
Pomimo pozornie zasadniczego charakteru róŜnic pomiędzy chłodzeniem
termoelektrycznym a innymi metodami, szeroko wykorzystywanymi w technice, zasady
energetycznej analizy działania termoelementy są podobne do tradycyjnych metod analizy
pracy obiegów chłodniczych. Zatem termoelement moŜna przedstawić w postaci zamkniętego
obwodu i rozpatrywać go jako urządzenie cieplne, w którym czynnikiem roboczym jest gaz
elektronowy.
MoŜemy wyróŜnić cztery tryby pracy urządzenia termoelektrycznego:
a) chłodziarka
b) pompa ciepła
c) generator energii elektrycznej
d) intensyfikator wymiany ciepła
RóŜnica między dwoma pierwszymi przypadkami polega na połoŜeni lewobieŜnego obiegu
Carnota względem poziomu temperatury otoczenia. Podczas pracy termoelementu w
charakterze pompy ciepła jego zimna spoina znajduje się w tej temperaturze, a odprowadzanie
ciepła od spoiny gorącej odbywa się na wyŜszym poziomie temperaturowym.
W celu wytwarzania energii elektrycznej podgrzewa się jedną ze spoin termoelementu do
300oC i wyŜej, i odpowiednio wykorzystuje się inne materiały termoelektryczne niŜ w
przypadku urządzeń chłodniczych.
Przypadek „d” to jeden ze szczególnych przypadków urządzenia zmieniającego strumień
ciepła. Pod tym pojęciem rozumie się urządzenie realizujące lewobieŜny obieg
termodynamiczny.
W przypadku porównania termoelektrycznego urządzenia chłodniczego z jego
odpowiednikiem spręŜarkowym, to w zaleŜności od warunków pracy współczynnik
wydajności chłodniczej urządzenia termoelektrycznego jest od 30 do 100% niŜszy niŜ w
przypadku chłodziarki spręŜarkowej.
9. Zalety i wady termoelektrycznych urządzeń chłodniczych
Do zalet chłodzenia termoelektrycznego moŜna zaliczyć:
• brak płynu roboczego (czynnika chłodniczego) i oleju smarnego;
• brak podzespołów pracujących pod ciśnieniem (przy podciśnieniu);
• brak części ruchomych i cicha praca (z wyjątkiem konstrukcji z wymuszonym
nadmuchem powietrza za pomocą wentylatora);
• mniejsza masa i rozmiary przy tej samej wydajności chłodniczej;
• moŜliwość zasilania prądem stałym i zmiennym (za pośrednictwem przetwornika);
• moŜliwość pracy rewersyjnej, czyli szybkiego i łatwego przejścia z trybu chłodzenia
w tryb ogrzewania i odwrotnie (poprzez zmianę biegunowości prądu zasilającego);
• wysoka dokładność utrzymywania i regulowania temperatury;
• płynna regulacja wydajności w zakresie od 0 do Q0max;
• brak bezwładności (proces chłodzenia rozpoczyna się niezwłocznie po włączeniu
zasilania);
• niska wraŜliwość na wstrząsy i drgania, moŜliwość pracy bez zmiany parametrów
przy dowolnej orientacji w przestrzeni, jak równieŜ w próŜni i pod wysokim
ciśnieniem;
• brak obsługi podczas pracy;
• wysoka niezawodność (liczba niezadziałan, czyli częstość występowania awarii
modułu termoelektrycznego wynosi średnio 0,5 do 1 x 10-6);
• większość chłodziarek termoelektrycznych wytrzymuje przeciąŜenia prądowe i
napięciowe: krótkotrwale (impuls do 5 s) 2 do 3Irob, a w dłuŜszym czasie do 1,6Irob;
• konstrukcyjna prostota i elastyczność, w tym moŜliwość dopasowania kształtu
agregatu termoelektrycznego do formy chłodzonego obiektu;
• moŜliwość miniaturyzacji (rozmiary modułów poniŜej lmm) i zabudowy chłodziarki
bezpośrednio w podzespołach aparatury radioelektronicznej;
• wysoka podatność remontowa większości urządzeń termoelektrycznych.
Do niedostatków chłodzenia termoelektrycznego naleŜy zaliczyć:
• niską efektywność energetyczną w trybie chłodzenia;
• ograniczenie zastosowania w zakresie wydajności chłodniczych powyŜej 1 kW, co jest
podyktowane w głównej mierze względami ekonomicznymi;
• konieczność wykorzystania przetwornika prądu zmiennego w prąd stały oraz
wraŜliwość na pulsacje napięcia.
10. Podsumowanie
1) Dla praktyka budującego urządzenie chłodzące z wykorzystaniem modułów Peltiera
kluczowe znaczenie ma katalogowy parametr Imax. Podanego prądu nie wolno (i nie
warto) przekraczać, korzystna moŜe się natomiast okazać praca przy mniejszych
prądach.
W praktycznym zastosowaniu zwiększenie prądu w zakresie od 0 do Imax będzie
powodować zwiększanie róŜnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś
wartości Tmax). Ale zwiększanie róŜnicy temperatur spowoduje coraz większe
przewodzenie ciepła ze strony gorącej na zimną. Przy prądzie Imax oraz róŜnicy
temperatur Tmax suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule'a stanie się
równa "moŜliwościom transportowym" modułu. Cała poŜyteczna "moc Peltiera"
będzie wtedy zuŜywana wyłącznie na wypompowanie szkodliwego ciepła z wnętrza
modułu.
2) Ogromne znaczenie dla uzyskiwanych końcowych efektów ma zastosowanie jak
najskuteczniejszego radiatora odbierającego ciepło ze strony zimnej (najlepiej z
chłodzeniem wodnym) oraz jak najlepsza izolacja cieplna obiektu chłodzonego od
otoczenia.
3) Pozostałe parametry podawane w katalogu mają mniejsze znaczenie praktyczne.
NaleŜy mieć na uwadze, Ŝe w rzeczywistości nigdy nie uzyska się katalogowej róŜnicy
temperatur Tmax, a realnie uzyskana moc chłodzenia podczas pracy będzie mniejsza
niŜ katalogowa moc QCmax.
4) Przeciętny uŜytkownik nie jest w stanie w pełni skorzystać z podanych przez
producenta parametrów i wykresów, głównie dlatego, Ŝe nie potrafi obliczyć ilości
ciepła przenikającego do obiektu chłodzonego, oraz dla tego, Ŝe nie zna dokładnych
właściwości (liczbowych parametrów) radiatora zastosowanego na stronie gorącej. Z
podanych względów nie warto tracić czasu na obliczenia, lepiej skoncentrować całą
uwagę i wysiłek na radiatorze chłodzącym oraz izolacji cieplej obiektu.
Literatura:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
http://chlodnictwo.euro-media.pl
http://www.eres.alpha.pl
http://www.elektroda.net
http://www.wikipedia.org
„Termoelektryczne urządzenia chłodnicze” S. Filin
Artykuł „Badanie skuteczności chłodzenia za pomoca ogniwa Peltiera”
D. Radciniewski, K. Kudela