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 S_n, S_p – 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 Z_n і Z_p.

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 I_опт 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 (Q_в) 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.