Zjawisko termoelektryczne

Transkrypt

1 34 Zjawisko Peltiera

2 polega na tym, że w obwodzie składającym się z różnych przewodników lub półprzewodników wytworzenie różnicy temperatur między złączami wywołuje przepływ prądu spowodowany różnicą potencjałów między złączami. Zjawisko występuje wówczas, gdy przewodniki lub półprzewodniki różnią koncentracja nośników prądu.

3 Koncentracja nośników prądu jest to ilość nośników prądu przypadająca na jednostkę objętości materiału i może być określona jako gęstość nośników prądu. Różnica koncentracji nośników prądu na złączu dwóch przewodników lub półprzewodników wywołuje różnicę potencjałów nazywaną napięciem termoelektrycznym.

4 Ilość nośników prądu i ich koncentracja w przewodniku lub półprzewodniku zależy od temperatury. Jeśli temperatura obu złączy dwóch przewodników lub półprzewodników jest taka sama, to napięcie termoelektryczne na obu złączach także jest takie samo.

5 Jeśli temperatury złączy będą różne to różnica napięć termoelektrycznych między złączami wywoła przepływ prądu. Różnica napięć termoelektrycznych między złączami zależy od własności przewodników lub półprzewodników tworzących złącze (różnica koncentracji nośników prądu na złączu) i różnicy temperatur między złączami.

6 Współczynnik siły termoelektrycznej α przyjmuje wartości dla złącza: - metal-metal 1-5 [V/K] - półprzewodnik-półprzewodnik 1-3 [V/K] U ) 1, 1 α α ( 1,

7 Zjawisko Peltiera (Seebecka) jest zjawiskiem odwrotnym do zjawiska termoelektrycznego. Przepływ prądu w obwodzie złożonym z różnych przewodników lub półprzewodników wywołuje przepływ ciepła z jednego złącza do drugiego złącza. W wyniku przepływu prądu temperatura jednego złącza się obniża, a temperatura drugiego złącza się podnosi.

8

9 +q R / +q λ -q p +q R / -q λ +q p N q q g P g

10

11

12 Moc cieplna pobierana ze złącza zimnego od współczynnika siły termoelektrycznej złącza, natężenia prądu płynącego przez złącze i temperatury złącza q p α i

13 Różnica temperatur między złączami wywołuje przewodzenie ciepła ze złącza gorącego do złącza zimnego. Moc cieplna przewodzenia ciepła zależy od różnicy temperatur, powierzchni wymiany ciepła (S), długości przewodzenia ciepła (l) i współczynnika przewodzenia ciepła (λ) q λ λ S l ( ) g

14 Przepływ prądu przez złącza wydziela ciepło związane z oporem elektrycznym złączy. Przyjmując równe opory elektryczne złącza gorącego i zimnego moc cieplna wydzielona na złączu zimnym wyniesie q R 1 i R

15 q q q α p q λ i q R λ S l ( ) 1 i R g

16 Maksymalna różnica temperatur między złączami wystąpi wówczas, gdy moc cieplna użyteczna będzie równa zero (q ) max α i λ 1 S l i R

17 Optymalne natężenie prądu, przy którym można osiągnąć maksymalną różnicę temperatur wynosi i opt α R

18 w14 max max 1 1 R l S l S R R R λ α λ α α α

19 Opór elementu zależy od oporu właściwego i jego wymiarów R ρ l S σ l S

20 w14 Ω K A V m K m V A K V m K W m K V Z S l l S R l S Z 1 1 λ σ α σ λ α λ α Własności termoelektryczne opisuje współczynnik dobroci termoelektrycznej Z

21 w14 max max max Z l S l S λ σ α σ λ α

22 Współczynnik dobroci termoelektrycznej Z nie ma wartości stałej dla danego materiału i zależy od temperatury. Najczęściej jest przedstawiany w bezwymiarowej postaci Z.

23 α σ ασ λ izolator przewodnik [cm -3 ] n półprzewodnik przewodnictwo elektronowe przewodnictwo cieplne

24 Najlepsze własności termoelektryczne maja półprzewodniki. Dla temperatury rzędu 3 [K] najlepsze własności termoelektryczne ma domieszkowany tellurek bizmutu Bi e 3.

25 Wartość bezwymiarowego Z dla tellurku bizmutu równa jest jedności. ellurek bizmutu jest stosowany w temperaturach -1 [ C] do 13 [ C] przy różnicy temperatur nie przekraczającej 7 [deg]. Maksymalna temperatura stosowania tellurku bizmutu wynosi 47[ C].

26

27

28 Współczynnik wydajności chłodniczej chłodziarki termoelektrycznej jest stosunkiem mocy cieplnej użytecznej do mocy elektrycznej pobranej ε q N e

29 Pobierana moc elektryczna jest zużywana na zrównoważenie siły termoelektrycznej i opór cieplny N N e e N + q t R ( ) α i + i R g

30 w14 Współczynnik wydajności cieplnej chłodziarki termoelektrycznej wynosi ( ) ( ) R i i R i l S i g g + 1 α λ α ε

31 Współczynnik wydajności chłodniczej osiąga wartość maksymalna dla natężenia prądu i ef sr α R g Z 1 sr 1

32 Maksymalna wartość współczynnika wydajności cieplnej wynosi ε max g 1 + Z sr g 1 + Z sr + 1

33

34 Układy termoelektryczne osiągają wydajności rzędu 3 [%] układów sprężarkowo-parowych. Warunkiem dorównania wydajności osiąganej przez układy sprężarkowoparowe jest zwiększenie współczynnika Z do wartości 3 4.