Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
РОЗДІЛ ІІ. Експериментальне дослідження термоелектричного модуля
АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД
Принцип дії будь-якого ТЕГ базується на зворотних термоелектричних ефектах Пельтьє, Томсона (Кельвіна) і Зеебека. Визначальна роль в ТЕГ належить ефекту термо-ЕРС (Зеебека). Перетворення енергії супроводжується незворотними (дисипативними) ефектами: передачею теплоти за рахунок теплопровідності матеріалу ТЕГ і протікання струму [10]. Термоелектричні ефекти, описані вище, є основою для побудови термоелектричного модуля, який перетворює теплову енергію в електричну. Ефективність термоелектричних пристроїв характеризується безрозмірною величиною – добротністю термоелектричного матеріалу, яка є функцією від декількох коефіцієнтів переносу [4]: , (2.1) де σ – електропровідність, S – коефіцієнт Зеебека, T – робоча температура, κ – теплопровідність. Чим вища добротність, тим вищою є ефективність термоелектричного матеріалу чи електрогенератора.
Рис. 2.1. Схематичне зображення термоелектричних модулів: (а) модуль охолодження, (б) модуль генерування електроенергі
Елемент Пельтьє складається з послідовно з'єднаних напівпровідників р- і n-типу, що утворюють р-n- і n-р-переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з однинією із двох поверхонь. [6]. Коли електричний струм проходить через два різнорідні матеріали (метали або напівпровідники), один з яких має два спаї (рис. 2), то на одному спаї тепло буде поглинатися, а на іншому – виділятися. При цьому один спай охолоджується, а другий нагрівається, залежно від напрямку струму. Нагрівання (охолодження) контакту можна розглядати з точки зору поглинання чи випромінювання енергії або ж задавати як потік електронів, що рухаються із напівпровідника у металічні електроди (і навпаки) на їх контакті, тому цей процес прийнято називати оборотним. Під час проходження струму через елементи, тепло поглинається на контакті Т2 і виділяється на контакті T1, якщо у випадку диференційний коефіцієнт Пельтьє Π AB - негативний. Теплота Пельтье (Q), яка поглинається на холодному спаю в одиницю часу визначається згідно виразу: , (2.2) Термоелектричний генератор працює на різниці двох температур, і подібно, як теплова машина, перетворює теплову енергію в електричну енергію. Коефіцієнт перетворення приладу (відношення електроенергії, що виробляється, до теплоти, поглинутої на гарячому спаі) можна виразити у термінах ефективності Карно: , (2.3) де електрична потужність задається, як (R0 – опір навантаження). Тепловий потік на гарячій стороні складається із трьох компонентів: теплового потоку через термоелектричний матеріал, який визначається теплопровідністю матеріалу поглинання тепла на гарячій стороні переходу, що визначається через коефіцієнт Пельтьє Π = S·Th, та тепло, яке надходить на гарячу сторону термоелектричного матеріалу у вигляді тепла Джоуля I2R, (4) з припущенням, що половина цього тепла виділяється на гарячій стороні, а половина на холодну сторону модуля. Опір самих термоелектричних матеріалів тут R. , (2.4) Ще в середині XX-го століття академік А.Ф. Іоффе показав, що для термоелемента, який складається з двох гілок, виготовлених із однорідних термоелектричних матеріалів, властивості яких не залежать від температури, коефіцієнт корисної дії (ККД) визначається згідно виразу: , (2.5) де Т1 – температура гарячої сторони термоелемента, Т 2 – температура холодної сторони, . Величина Z залежить від властивостей матеріалу віток термоелемента: , (2.6) , , (2.7) У цих виразах Sn, Sp – коефіцієнти термо-ерс матеріалів n- та р-типу провідності, σ n, σ p – їх коефіцієнти електропровідності κ n, κ p – коефіцієнти теплопровідності. Таким чином, ККД, окрім традиційного ККД циклу Карно , визначається добротністю термоелектричних матеріалів Zn і Zp. Якщо термоелемент складається з різних матеріалів, то для кожної секції струм І може відрізнятися від оптимального внаслідок стрибкоподібної зміни властивостей матеріалу від секції до секції. У цьому випадку, ККД термоелектричної вітки η ν можна визначити за формулою: , (2.8) де, втрата ефективності через неузгодження матеріалів секцій визначається: , (2.9) У (9) , , Z – середнє значення абсолютної добротності матеріалу вітки, – середня температура вітки. Оптимальне значення струму Iопт для ділянки вітки термоелемента dX враховує взаємозв’язок градієнта температури dT/dX з властивостями матеріалу [8]: , (2.10) Де, – переріз вітки [4]. Для об’єктивної оцінки ефективності використання котлів і теплогенераторів на основі існуючих характеристик визначено три показники [9]: , (2.11) , (2.12) , (2.13) де q – питома витрата палива, кг/(кВт х год); m – питома маса, кг/кВт; ц – питома вартість, грн./кВт; Р – паливна потужність котла, кВт; Q – витрата палива, кг/год; η – коефіцієнт корисної дії. Втрата тепла (Qв) переважно залежить від таких факторів: · конструктивних особливостей поверхонь нагрівання і теплоізоляції; · виду палива і температурного рівня теплоносіїв, що контактують з внутрішньою поверхнею теплоізоляції; · температури повітря в приміщенні та середовищі, де встановлений котел; · стану і якості теплоізоляції. Принциповою перевагою термоелектричних перетворювачів енергії є можливість їх функціонування за невеликих перепадів температури. Це дає змогу застосовувати їх для використання відновлювальних джерел низько потенційного тепла: перепадів температури в океані, в повітрі та між повітрям і поверхнею ґрунту тощо. Також до переваг пристроїв на основі елементів Пельтьє відносяться: · відсутність рухомих частин; це робить термоелектричні елементи високонадійними пристроями; · не потрібно регулярно міняти холодоагент (заряджати фреоном); · простота в експлуатації і в ремонті (немає систем високого тиску); · можливість точного регулювання температурного режиму; · екологічність; термоелектричні пристрої не містять отруйних хладагентів (фреонів, як у компресійних холодильниках, або аміаку, як в адсорбційних холодильниках). · легкість переходу з режиму охолодження в режим нагрівання [6]. Проте, попри всі переваги, термоелектричні генератори на сьогодні не широко використовуються у промисловості. Це зумовлено наступними факторами: невисокі відносні енергетичні показники (питома маса 10–15 кг/кВт, поверхнева густина потужності–10кВт/м2 (на одиницю поперечного перетину елемента), об’ємна густина потужності – 200–400кВт/м3 і порівняно низький ККД перетворення енергії (1–10 %) залежно від перепаду температури на його поверхнях.
|