POLITECHNIKA GDAŃSKA

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, T 1 i T 2 to temperatury w miejscach styku metali. W tym obwodzie powstaje napięcie elektryczne określone wzorem: V = (S B S A )*(T 2 T 1 ) Gdzie: S A i S A 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: Π AB - 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: I ( Qmax ) R α T z R ρ l 1 ρ l 2 + s 1 s 2 Zatem wydajność chłodniczą otrzymamy z zaleŝności: 1 α 2 2 T z Q 0 K T 2 R gor T z ( ) Zaś współczynnik wydajności chłodniczej: 1 T z ε 2 T gor ( T z T gor ) ( ) Z T z T gor 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 Tz ( 1 + 2z T Z R gor 1) min A minimalna temperatura przy tym natęŝeniu będzie wynosić: 1 T z ( 1 + 2z T Z gor 1) Z powyŝszego równania moŝna wyznaczyć maksymalną róŝnicę temperatur spoin termoelementu: 1 ( T gor T z ) max 2 Z T 2 z min 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: Q Q 0 + W φ ε + 1 W W Wartość natęŝenia prądu przy maksymalnej efektywności energetycznej wynosi: ( ) α T gor T z I εmax I φmax 1 R 1 + 2 Z ( T gor T z ) 1 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 Q C (moc chłodzenia), moc strony gorącej Q h (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): COP C = Q C / P oraz COP h = Q h / P Moc oddawana na gorącą stronę termoelementu jest sumą mocy chłodzenia Q C i dostarczonej mocy elektrycznej P. Sprawność grzania (COP h ) 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 300 o C 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 Q 0max ; 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 3I rob, a w dłuŝszym czasie do 1,6I rob ; 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 I max będzie powodować zwiększanie róŝnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś wartości T max ). Ale zwiększanie róŝnicy temperatur spowoduje coraz większe przewodzenie ciepła ze strony gorącej na zimną. Przy prądzie I max oraz róŝnicy temperatur T max 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) http://chlodnictwo.euro-media.pl 2) http://www.eres.alpha.pl 3) http://www.elektroda.net 4) http://www.wikipedia.org 5) Termoelektryczne urządzenia chłodnicze S. Filin 6) Artykuł Badanie skuteczności chłodzenia za pomoca ogniwa Peltiera D. Radciniewski, K. Kudela