Zespół Elektrotermii Laboratorium Termokinetyki Ćwiczenie 2. Zjawiska cieplne w ogniwie Peltier a 1. Zasada działania ogniw Peltiera Działanie modułów termoelektrycznych, zwanych najczęściej ogniwami Peltier a, opiera się na pięciu podstawowych zjawiskach fizycznych: A) Zjawisko Peltiera, B) Zjawisko Joule a, C) Przewodzenie ciepła, D). Zjawisko Seebeck a, E) Zjawisko Thomsona. A. Zjawisko Peltiera W roku 1834 Jean C.A. Peltier odkrył, że na złączu dwóch różnych metali, przy przepływie prądu w jednym kierunku, złącze wydziela ciepło, natomiast w drugim pochłania ciepło. Pokazano to na rys. 1. Ilość wydzielanego, lub Rys. 1. Zjawisko Peltier a pochłanianego ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu i zależy też od zastosowanych materiałów. 1
W przypadku złącza dwóch różnych metali ta ilość ciepła jest bardzo mała, dlatego w praktyce wykorzystuje się półprzewodniki odpowiednio domieszkowane, na przykład tellurek bizmutu (Bi 2 Te 3 ). Mimo to ilości ciepła wydzielanego lub pochłanianego na pojedynczym złączu nie są zbyt duże. Aby zwiększyć moc cieplną należy zwiększyć natężenie prądu (co napotyka na pewne ograniczenia), albo zastosować większą ilość ogniw. Schemat takiego modułu i zasadę jego działania pokazano na rys. 2. Moduł ma dwie płytki ceramiczne tworzące dwie płaszczyzny, a pomiędzy tymi płytkami umieszczono wiele półprzewodników typu p oraz n, połączonych elektrycznie szeregowo za pomocą miedzianych płytek, zaś pod względem cieplnym - równolegle. Płytki ceramiczne zapewniają sztywność mechaniczną, są dobrą izolacją elektryczną i dobrze przewodzą ciepło. Podstawą działania modułu jest złącze p-n, wyróżnione na rys. 2. Rys. 2. Zasada działania modułu Peltier a Pokazano tu kierunek przepływu prądu, jak wiadomo przeciwny ruchowi elektronów. W półprzewodniku typu p nośnikiem prądu są dziury, czyli braki elektronów do pełnego obsadzenia górnego poziomu (pasma) energetycznego. W półprzewodniku typu n występuje nadmiar elektronów, wspomniane wcześniej pasmo energetyczne jest całkowicie zapełnione i nadmiarowe elektrony znajdują się z konieczności już w następnym paśmie energetycznym. 2
Elektron będący na orbicie ma jakąś energię potencjalną, zależną od odległości od jądra - czym wyższa orbita, tym energia ta jest większa. Przechodząc z wyższej orbity na niższą, elektron oddaje energię, a żeby "wskoczył" na orbitę wyższą, musi skądś otrzymać energię. W ogniwie Peltier a elektrony o niższej energii z półprzewodnika typu p przechodzą do półprzewodnika typu n, gdzie z konieczności muszą mieć wyższą energię. Obecność pomiędzy nimi miedzianej płytki niczego nie zmienia. Elektrony te muszą w jakiś sposób zwiększyć swoją energię, czyli pobrać skądś energię. Pobierają ją w postaci ciepła. Tym samym złącze p-n pochłania ciepło z otoczenia. Górna płytka modułu będzie więc chłodzona. W module Peltier a występuje nie jedno, lecz wiele takich złącz. O ile na rysunku w sąsiedztwie górnej płytki, przy podanym kierunku prądu, występują złącza p-n, to przy dolnej płytce występuje taka sama ilość złącz n-p. Zgodnie z podaną wyżej zasadą, elektrony z pasma przewodzenia półprzewodnika typu n, przechodząc do niższego pasma walencyjnego półprzewodnika typu p oddają cześć swojej energii w postaci energii cieplnej. A więc na złączu n-p wydziela się pewna ilość ciepła - dolna strona modułu będzie podgrzewana. Przy zmianie kierunku prądu, dotychczasowe złącza p-n staną się złączami n-p (i na odwrót), i ciepło będzie pobierane na dolnej stronie modułu, a wydzielane na górnej. W module Peltier a ciepło pod wpływem przepływającego przezeń prądu elektrycznego jest transportowane z jednej płaszczyzny na drugą. Moduł Peltier a jest pompą ciepła, transportującą ciepło w kierunku zależnym od kierunku prądu. Wydawałoby się, że ilość ciepła pochłoniętego na stronie zimnej jest równa ilości ciepła na stronie gorącej. Tak jednak nie jest. Z podanej zasady działania można wywnioskować, iż zdolność transportu ciepła jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu. Wydawałoby się, że czym większy prąd tym lepsze chłodzenie strony zimnej. Sprawa nie jest jednak aż tak prosta. Wcześniej wspomniano, że działanie modułu Peltier a związane jest przynajmniej z pięcioma zjawiskami fizycznymi, z których zjawisko odkryte przez Peltier a jest najważniejsze. Drugie pod względem znaczenia jest zjawisko Joule a. 3
B. Zjawisko Joule a Efekt Joule'a polega na wydzielaniu się ciepła podczas przepływu prądu przez przewodnik o niezerowej rezystancji. Przy przepływie prądu będzie się w tej rezystancji wydzielać ciepło zwane ciepłem Joule'a. Wydzielana moc będzie równa: P = I 2 R = U I Pod względem elektrycznym, moduł Peltier a składa się z wielu "kolumienek" półprzewodników lub metali. Taka konstrukcja ma oczywiście jakąś niezerową rezystancję. Wydzielać się więc będzie w całej objętości "kolumienek" ciepło Joule'a, co oczywiście spowoduje wzrost temperatury. Jak powiedziano wcześniej, ten sam prąd I płynący przez moduł, powoduje transport ciepła z jednej strony modułu na drugą. Teraz widać, że ciepło Joule'a, powstające w "kolumienkach" zostaje "wypchnięte" na stronę gorącą modułu dzięki zjawisku Peltier a. Na stronie gorącej wydzieli się więc zarówno ciepło pochłonięte na stronie zimnej, jak i ciepło Joule'a powstające wskutek przepływu prądu. Działanie modułu termoelektrycznego przypomina działanie domowej chłodziarki sprężarkowej, gdzie dostarczana jest pewna moc elektryczna P. Zarówno w lodówce, jak i w module Peltier a moc uzyskana na stronie gorącej jest większa od dostarczonej mocy elektrycznej P. Jest to sposób taniego ogrzewania domu. Nie jest to wprawdzie żadna nowość - taki sposób ogrzewania domów wykorzystuje się już w praktyce (pompy ciepła). Potrzebne są tylko środowiska o różnych temperaturach i odpowiedniej pojemności cieplnej. Na przykład jedną "zimną stronę" instalacji umieszcza się pod powierzchnią ziemi lub w wodach jeziora, a drugą w domu. Na razie koszty takich (sprężarkowych) instalacji są wysokie i bardzo wolno wchodzą do szerszego użytku. Baterie ogniw Peltier a byłyby tu znakomitym i niezawodnym rozwiązaniem: ze względu na prostą konstrukcję nie ma ograniczeń wielkości, przeszkodą jest natomiast wysoka cena. Ze względu na koszty, wykorzystuje się je niemal wyłącznie do chłodzenia. Jednak w takim przypadku ciepło Joule'a zdecydowanie przeszkadza. Moduł powinien chłodzić jak najskuteczniej, tzn. transport ciepła z jednej strony na drugą powinien być jak największy. Dla danego modułu, jego "możliwości transportowe", wynikające ze zjawiska Peltier a są wprost proporcjonalne do natężenie prądu. Jednak przepływ prądu spowoduje wydzielenie się w całej objętości czynnego materiału pewnej ilości ciepła Joule'a. Choć więc przy da- 4
nym prądzie moduł mógłby przepompować z jednej strony na drugą określoną ilość ciepła "użytecznego", to jednak musi on "wypompować" powstające w module ciepło Joule'a, a więc wypadkowe możliwości chłodzenia strony zimnej zmniejszają się. I tu tkwi bariera możliwości modułu. W miarę zwiększania prądu, liniowo rośnie transport ciepła wynikający ze zjawiska Peltier a, co jest zjawiskiem pożądanym. Jednocześnie jednak proporcjonalnie do drugiej potęgi prądu (P = I 2 R) rośnie ilość wydzielonego ciepła Joule'a. Ponieważ ze wzrostem prądu te szkodliwe ilości ciepła rosną szybciej niż ilość ciepła "pompowanego" przez moduł, więc przy zwiększaniu prądu wystąpi w pewnym momencie szczególna sytuacja, gdy ilość pompowanego pożytecznego "ciepła Peltiera" będzie równa ilości szkodliwego "ciepła Joule'a". Przy takim prądzie strona zimna ogniwa nie będzie już pobierać ciepła z zewnątrz, bo wszystkie "możliwości transportowe" modułu będą wykorzystywane na wypompowanie z modułu ciepła szkodliwego. Ilustruje to wykres pokazany na rys.3. Rys. 3.Charakterystyki mocy cieplnych wydzielonych w module w funkcji prądu Prosta 1 reprezentuje "możliwości transportu ciepła", a krzywa 2 - ilości ciepła Joule'a, wydzielane pod wpływem płynącego prądu. Rzeczywiste możliwości transportu ciepła "użytecznego", z jednej strony modułu na drugą (czyli w sumie interesująca nas moc chłodzenia), będą więc różnicą "możliwości transportowych" i szkodliwego ciepła Joule'a. Te rzeczywiste możliwości przedstawia krzywa 2. Krzywa ta udowadnia, że nie możemy nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem powyżej wartości I max rzeczywista skuteczność chłodzenia zmniejsza się. Przy wartościach prądu powyżej I Y moduł wcale nie będzie chłodził - obie strony będą się grzać, z tym że jedna strona będzie gorętsza od drugiej. 5
Wobec tego, dla każdego modułu Peltier a określa się jakiś prąd maksymalny I max, którego nie należy przekraczać, bo pogorszy to uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość prądu I max jest jednym z najważniejszych parametrów modułu Peltier a. C. Przewodzenie ciepła Krzywa 3 na rys. 3 pokazuje możliwości chłodzenia strony zimnej w zależności od prądu pracy. Ale krzywa ta nie obrazuje całej prawdy o możliwościach modułu. Do tej pory przy analizie nie uwzględniliśmy kolejnego zjawiska fizycznego - przewodzenia ciepła w objętości materiału. Wiadomo, że materiał "kolumn" modułu ma pewną przewodność cieplną. Zgodnie z zasadami termodynamiki ciepło to będzie przechodzić ze strony gorącej na zimną w stopniu zależnym od różnicy temperatur i od wartości przewodności cieplnej materiału półprzewodnika. Zjawisko przewodzenia ciepła nie występuje wtedy, gdy obie strony modułu mają jednakową temperaturę. Jeśli chcemy zbudować chłodziarkę, dwie strony naszego modułu będą mieć w czasie pracy różne temperatury. Ciepło będzie przechodzić ze strony gorącej na zimną w stopniu zależnym od przewodnictwa "kolumienek" i nasze ogniwo musi zużyć część "możliwości transportowych" na "wypchnięcie" tego ciepła z powrotem na stronę gorącą. Jak widać, jest to drugie szkodliwe zjawisko - wypchnięte musi być w ten sposób zarówno ciepło Joule'a, jak i ciepło "próbujące" przepływać wskutek przewodzenia materiału "kolumienek" ze strony gorącej na zimną. Rysunek 4 pokazuje krzywą 3 z poprzedniego rysunku, w innej skali. Dodatkowo przedstawiono tu wpływ różnicy temperatur obu stron modułu na rzeczywiste możliwości chłodzące strony zimnej. W praktycznym zastosowaniu zwiększenie prądu w zakresie od 0 do I max będzie powodowało zwiększanie różnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś wartości T max ). Ale zwiększanie różnicy temperatur spowoduje coraz większe przewodzenie ciepła ze strony gorącej na zimną. Przy prądzie I max oraz różnicy temperatur T max suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule'a stanie się równa "możliwościom transportowym" modułu. Cała pożyteczna "moc Peltiera" będzie wtedy zużywana wyłącznie na wypompowanie szkodliwego ciepła z wnętrza modułu. W tym momencie uzyskamy największą możliwą do uzyskania różnicę temperatury obu stron modułu, czyli praktycznie najniższą możliwą temperaturę strony zimnej. Niższej uzy- 6
skać się nie da - przy dalszym wzroście prądu temperatura strony zimnej zacznie wzrastać. Dla obecnie produkowanych typowych modułów maksymalna różnica temperatur T max jest rzędu 60...75 C. Rys. 4. Moc chłodzenia modułu w zależności od różnicy temperatury dwóch stron modułu W praktycznym zastosowaniu zwiększenie prądu w zakresie od 0 do I max będzie powodowało zwiększanie różnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś wartości T max ). Ale zwiększanie różnicy temperatur spowoduje coraz większe przewodzenie ciepła ze strony gorącej na zimną. Przy prądzie I max oraz różnicy temperatur T max suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule'a stanie się równa "możliwościom transportowym" modułu. Cała pożyteczna "moc Peltiera" będzie wtedy zużywana wyłącznie na wypompowanie szkodliwego ciepła z wnętrza modułu. W tym momencie uzyskamy największą możliwą do uzyskania różnicę temperatury obu stron modułu, czyli praktycznie najniższą możliwą temperaturę strony zimnej. Niższej uzyskać się nie da - przy dalszym wzroście prądu temperatura strony zimnej zacznie wzrastać. Dla obecnie produkowanych typowych modułów maksymalna różnica temperatur T max jest rzędu 60...75 C. Przy zastosowaniu modułów do chłodzenia ostateczny efekt będzie zależeć przede wszystkim od temperatury strony gorącej, a więc od skuteczności zastosowanego tam radiatora. Przy zastosowaniu modułów do chłodzenia, ostateczny efekt będzie zależał przede wszystkim od strony gorącej, a więc od skuteczności zastosowanego tam radiatora. 7
Dwa pozostałe z wymienionych na początku zjawisk, tzn. zjawisko Seebeck a i Thomsona, odgrywają w działaniu ogniwa Peltier a mniejszą rolę. D. Zjawisko Seebecka W roku 1821 Thomas J. Seebeck odkrył, iż w obwodzie wykonanym z dwóch różnych przewodników zwanych termoelektrodami A i B wytwarza się napięcie E (siłę termoelektryczną STE), o ile tylko złącza teremoelektrod mają różne temperatury T 1 i T 2. To napięcie termoelektryczne nazwę napięcia Seebecka. Wynosi ono AB ( T T ) E = α [V], gdzie: α AB jednostkowa siła termoelektryczna, lub współczynnik Seebeck a termoelektrody A względem termoelektrody B. W praktyce zjawisko to jest wykorzystywane w czujnikach termoelektrycznych służących do pomiarów temperatury. E. Zjawisko Thomsona William Thomson (lord Kelvin) badał zjawiska Seebecka i Peltiera. Określił stosowne zależności matematyczne a także przewidział istnienie kolejnego zjawiska nazwanego potem jego imieniem. Jest to wydzielanie i pochłanianie ciepła w jednorodnym przewodniku, gdy prąd płynie w kierunku gradientu (różnic) temperatur. W module Peltier a to zjawisko ma niewielkie znaczenie praktyczne. W każdym razie niczego nie utrudnia. Moc chłodzenia Kolejnym parametrem podawanym w katalogach jest maksymalna wydajność chłodzenia, czyli ściślej moc chłodzenia strony zimnej Q max. Na obu naszych wykresach maksymalną moc chłodzenia Q Cmax uzyskuje się przy prądzie I max w warunkach reprezentowanych przez punkt X. Definiowana w ten sposób moc cieplna Q Cmax niewiele ma wspólnego z rzeczywistymi warunkami pracy. Parametr Q Cmax informuje, ile ciepła moduł może przetransportować przy prądzie I max oraz zerowej różnicy temperatur między obydwoma swymi stronami. 1 2 8
Taka sytuacja zdarza się tylko przez chwilę, w momencie włączenia prądu. Po włączeniu prądu wzrasta różnica temperatur między stronami modułu i, jak pokazano na ostatnim wykresie, moc chodzenia strony zimnej maleje. W dotychczasowych rozważaniach nie uwzględniliśmy co dzieje się po stronie zimnej - zaniedbaliśmy mianowicie wymianę ciepła z otoczeniem. Załóżmy, że wykorzystujemy moduł Peltier a do budowy chłodziarki. Po włączeniu prądu moduł "wyciąga ciepło" z wnętrza chłodziarki. Temperatura wewnątrz chłodziarki spada. Zwiększa się różnica temperatur między stroną zimną modułu a gorącą, co powoduje zmniejszanie się mocy chodzenia strony zimnej. Wzrasta też różnica temperatur między wnętrzem chłodziarki a otoczeniem. Izolacja komory chłodziarki na pewno nie jest idealna, więc wskutek przewodzenia materiału izolacyjnego obudowy chłodziarki, jakaś ilość ciepła napływa z otoczenia do chłodziarki. To ciepło musi być wypompowane przez moduł Peltiera. W pewnym momencie ustali się więc stan równowagi. Ilość ciepła napływającego przez niedoskonałą izolację termiczną komory będzie na bieżąco wypompowywana przez moduł. We wnętrzu ustali się jakaś temperatura. Od czego będzie zależeć ta temperatura? Przypuśćmy, że prąd jest równy I max. Temperatura będzie zależeć od temperatury strony gorącej - temperatura ta (T h ) powinna być jak najniższa. Im lepszy radiator i lepsze odbieranie ciepła ze strony gorącej, tym lepiej. Kluczową kwestią jest więc sprawa radiatora umieszczonego na stronie gorącej. Dla uzyskania dobrych wyników trzeba stosować dobre radiatory, najlepiej z chłodzeniem wodnym, lub z chłodzeniem powietrzem, wymuszonym za pomocą wydajnego wentylatora. 9
2. Wykonanie ćwiczenia Schemat układu pomiarowego pokazano na rysunku 5. V 1 2 230 V 5 6 4 3 Rys. 5. Schemat układu pomiarowego: 1 Ogniwo Peltier a; 2 Tranzystor kluczujący; 3 Układ sterujący; 4 Bocznik; 5 Transformator; 6 - Prostownik Pomiary Przy ustalonym maksymalnym przepływie wody (300 l/h) zmieniać wartości prądu. Odczytywać I, U oraz obliczyć moc (P = U I). Odczytywać wartości temperatur wlotowych i wylotowych wody chłodzącej oraz obliczyć wartość temperatury średniej t śr = 0,5 (t wlot +t wylot ); oraz t = t śr - t ogniwa Przy ustalonym maksymalnym przepływie prądu odczytać wartości I, U oraz obliczyć wartość mocy (P = U I). Zmieniać wartość przypływu wody chłodzącej w zakresie 50 300 l/h (6 punktów pomiarowych). Po ustaleniu temperatury dla wszystkich wartości przepływu odczytywać wartości temperatur wlotowych i wylotowych wody chłodzącej oraz obliczyć wartość temperatury średniej t śr oraz t. Narysować wykresy: t wlot; t wylot ; t ogniwa = f(v); oraz t wlot; t wylot ; t ogniwa = f(p); L.p. t ogniwa t wlot t wylot t śr t I U P = UI V A V W l/h 10
Po wykonaniu pomiarów umieścić na powierzchni obudowy ogniwa grzejnik. Odczytać siłę termoelektryczną (napięcie Seebeck a) E w funkcji różnicy temperatur t strony gorącej i zimnej modułu. L.p. t ogniwa t wlot t wylot t śr t E mv 11