Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Στόχος Ο μαθητής να μπορεί να κατανοεί και περιγράφει την αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου. αναφέρει τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η τάση.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Στόχος Ο μαθητής να μπορεί να κατανοεί και περιγράφει την αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου. αναφέρει τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η τάση."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Στόχος Ο μαθητής να μπορεί να κατανοεί και περιγράφει την αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου. αναφέρει τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η τάση που παράγεται από το θερμοστοιχείο. εξηγεί πως τα θερμοστοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. αναφέρει τις κυριότερες εφαρμογές των θερμοστοιχείων. ΤΟ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

2 Ιστορικό υπόβαθρο Η μελέτη των θερμοηλεκτρικών φαινομένων άρχισε το 1822, όταν ο Γερμανός φυσικός Thomas Johann Seebeck ( ), στο άρθρο του ‘’The MagneticPolarization of Metals and Ores Produced by Temperature Difference (MagnetischePlarisation der Matalle und Erze durch Temperatur-Differenz)’’, που δημοσιεύθηκε στα πρακτικά της Πρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, παρατήρησε ότι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα κατασκευασμένο από δύο διαφορετικά μέταλλα, εφ’ όσον οι επαφές τους διατηρούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, προκαλεί μια απόκλιση στην βελόνα μαγνητικής πυξίδας. Παρατήρησε ακόμη, ότι η απόκλιση της βελόνας είναι ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας ανάμεσα στα δύο μέταλλα και ότι η ένταση του μαγνητικού πεδίου μεταβάλλεται για διαφορετικά ζεύγη μετάλλων στην ίδια θερμοκρασιακή διαφορά. Πειραματίστηκε με πλήθος υλικών, ανάμεσα στα οποία υπήρχαν και κάποιοι ημιαγωγοί και τα κατέταξε με βάση το γινόμενο α*σ, όπου σ η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα. Η σταθερά αναλογίας α είναι σήμερα γνωστή, ως συντελεστής Seebeck.

3 Ο Seebeck πίστευε ότι η θερμοκρασιακή διαφορά προκαλεί μαγνητικό πεδίο, αρνούμενος την ηλεκτρική φύση του φαινομένου, σύντομα όμως διευκρινίστηκε από τον Hans Oersted, ότι η θερμοκρασιακή διαφορά προκαλεί ηλεκτρική τάση, η οποία σε ένα κλειστό κύκλωμα παράγει ρεύμα ανάλογο της θερμοκρασιακής διαφοράς. Το ρεύμα αυτό δημιουργεί από επαγωγή το μαγνητικό πεδίο. Ο Oersted ονόμασε το φαινόμενο θερμοηλεκτρικό, ενώ ο Seebeck επέμενε στον όρο θερμομαγνητισμός. Το 1834 ο Γάλλος ωρολογοποιός Jean Charles Athanase Peltier, παρατήρησε ότι το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί να λειτουργήσει και προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή η εφαρμογή μιας τάσης, δημιουργεί μια θερμοκρασιακή διαφορά ανάμεσα στα δύο διαφορετικά μέταλλα. Όπως και ο Seebeck, o Peltier δεν είχε αντιληφθεί πλήρως την φύση του φαινομένου, ισχυριζόμενος ότι δεν ισχύει για χαμηλές εντάσεις ο νόμος των Joule – Lenz, που προβλέπει ότι η διέλευση ρεύματος προκαλεί εκπομπή θερμότητας. Τέσσερα χρόνια αργότερα, ο Ρώσος ακαδημαϊκός Emily Lenz, έδειξε ότι πρόκειται για αυτόνομο φυσικό φαινόμενο, που συνίσταται στην απορρόφηση ή απελευθέρωση πρόσθετης θερμότητας (πέραν της θερμότητας Joule) και η ψύξη ή θέρμανση της επαφής, εξαρτάται από την φορά του ρεύματος που διέρχεται απ’ αυτή.

4 Η θερμοδυναμική θεώρηση των δύο φαινομένων από τον William Thomson (μετέπειτα λόρδο Kelvin) το 1851, έδωσε μια επαρκή εξήγησή τους, έδειξε την συσχέτιση μεταξύ τους και τον οδήγησε στην πρόβλεψη ενός τρίτου φαινομένου, που σήμερα είναι γνωστό ως φαινόμενο Thomson. Στο φαινόμενο αυτό, κατά την διέλευση ρεύματος μέσα από ένα ομογενές αγώγιμο υλικό με σταθερή θερμοκρασιακή διαβάθμιση, παράγεται ή απορροφάται θερμότητα, ανάλογη με την ένταση του ρεύματος και με την θερμοκρασιακή διαβάθμιση. Σε δυο εργασίες του το 1905 και 1911 ο Γερμανός Edmund Altenkirch έδειξε ότι τα υλικά που είναι κατάλληλα για αποδοτική εφαρμογή των θερμοηλεκτρικών φαινομένων, θα πρέπει να παρουσιάζουν μεγάλη τιμή του συντελεστή Seebeck, με ταυτόχρονα χαμηλή θερμική αγωγιμότητα λ και υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα χαρακτηριστικά αυτά ενσωματώθηκαν στην τιμή Ζ=α 2 σ/λ που σήμερα είναι γνωστή ως ενδείκτης ποιότητας του υλικού. Στα τέλη της δεκαετίας του ’30, η ανάπτυξη των συνθετικών ημιαγωγών έδωσε θερμοηλεκτρικά υλικά με συντελεστή Seebeck μεγαλύτερο κατά μια τάξη μεγέθους, σε σχέση με τα μέταλλα και κράματά τους που είχαν μελετηθεί ως τότε και το επιστημονικό ενδιαφέρον για τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα ανανεώθηκε.

5 Το 1947 στα εργαστήρια της Westinghouse η Maria Telkes κατασκεύασε θερμοηλεκτρική γεννήτρια που χρησιμοποιούσε την ηλιακή θερμότητα, με βαθμό απόδοσης γύρω στο 3%. Το 1949 ο Abram Fedorovich Ioffe ανέπτυξε μια θεωρία για τα ημιαγωγά θερμοστοιχεία, η οποία χρησιμοποιείται έως σήμερα. Η έρευνα σε σύνθετους ημιαγωγούς (κυρίως για πιθανές εφαρμογές τρανζίστορ), οδήγησε σε νέα υλικά με βελτιωμένες θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Το 1956 ο Ioffe έδειξε ότι ο λόγος της θερμικής προς την ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός θερμοηλεκτρικού υλικού, μπορεί να μειωθεί με την προσθήκη ενός ισόμορφου στοιχείου ή ένωσης. Την εποχή αυτή, κυρίως λόγω των πιθανών στρατιωτικών εφαρμογών της θερμοηλεκτρικής τεχνολογίας, άρχισε μια εντατική έρευνα πάνω στα υλικά, η οποία οδήγησε στην ανακάλυψη ημιαγωγών με αδιάστατο ΖΤ που προσεγγίζει την τιμή 1,5. Σήμερα, η ανάπτυξη των θερμοηλεκτρικών υλικών και διατάξεων συνεχίζει να έχει σημαντικό ενδιαφέρον, λόγω των πιθανών εφαρμογών τους τόσο στην ανάκτηση απορριπτόμενης θερμικής ενέργειας και σε εφαρμογές ήπιων μορφών ενέργειας, όσο και στην ψύξη ευαίσθητων ηλεκτρονικών διατάξεων

6 Η ανακάλυψη του θερμοηλεκτρικού φαινομένου έγινε από τον Thomas Johann Seebeck όταν, το 1821, αυτός παρατήρησε την ύπαρξη διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός μετάλλου όταν αυτά βρίσκονταν σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου Το φαινόμενο Seebeck ορίζει ότι όταν μία ζεύξη που απαρτίζεται από διαφορετικά μεταλλικά υλικά εκτεθεί σε θερμότητα, μία Η.Ε.Δ. (V) θα αναπτυχθεί κατά μήκος της ζεύξης σε αναλογία με τη θερμοκρασία. (T).

7 Η πρακτική σημασία του φαινομένου αποτελεί τη βάση λειτουργίας των θερμοζευγών (thermocouples) που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρηση θερμοκρασίας σε μία πληθώρα εφαρμογών. Στην παρακάνω εικόνα παρουσιάζεται η διπλή ζεύξη ενός θερμοζεύγους.

8 Η μία ζεύξη διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία τοποθετώντας τη σε υγρό άζωτο, βραστό νερό ή άλλο υλικό για να παρέχεται μία θερμοκρασία αναφοράς (T R ). Η άλλη ζεύξη όπου εκτίθεται στη θερμότητα αναπτύσσει διαφορετική θερμοκρασία (T X ) και παρατηρείται ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού στα άκρα 1&2.

9 Γνωρίζοντας τη θερμοκρασία T R, τον συντελεστή Seebeck (a s ) που μπορεί να είναι θετική ή αρνητική ποσότητα ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται και μετρώντας τη διαφορά δυναμικού στα άκρα της συσκευής, η θερμοκρασία στο επιθυμούμενο σημείο (Τ X ) μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο: Όπου: V = Δυναμικό Seebeck a s = Συντελεστής Seebeck (V/C ) T X = Θερμοκρασία στη – θερμαινόμενη (ή ψυχόμενη) ζεύξη - 0 C Συνεπώς οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η τάση που παράγεται από το θερμοστοιχείο είναι: (α) ο Συντελεστής Seebeck a s και (β) η Διαφορά Θερμοκρασίας

10 Ένας, ίσως, απλός τρόπος να καταλάβει κανείς το φαινόμενο αυτό είναι αν σκεφτεί ένα κλειστό μακρόστενο δοχείο γεμάτο με αέριο. Έστω ότι τα μόρια του αερίου είναι ηλεκτρικά φορτισμένα. Αν το ένα άκρο του δοχείου θερμανθεί ενώ το άλλο ψυχθεί τότε τα ιόντα κοντά στο θερμό άκρο θ’ αρχίσουν να κινούνται προς το ψυχρό άκρο. Έτσι, θα παρατηρηθεί μια αύξηση στην ποσότητα των ιόντων του αερίου στο ένα άκρο του δοχείου. Αφού τα ιόντα έχουν ηλεκτρικό φορτίο, αυτό συνεπάγεται και δημιουργία διαφοράς δυναμικού μεταξύ των άκρων του δοχείου. Στη πράξη, δεν χρησιμοποιούνται αέρια αλλά αγωγοί ή ημιαγωγοί. Κι εκεί, τα ιόντα κινούνται λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας και δημιουργούν διαφορά δυναμικού με τη συσσώρευσή τους σε κάποιο άκρο του υλικού. Αν τα ιόντα που κινούνται είναι θετικά φορτισμένα τότε το υλικό λέγεται p-type ενώ αν τα ιόντα έχουν αρνητικό φορτίο τότε το υλικό είναι n-type.

11 Έστω ότι το υλικό του σχήματος είναι τύπου n. Δηλαδή, τα ιόντα που κινούνται με τη διαφορά θερμοκρασίας είναι αρνητικά φορτισμένα. Έστω ότι εφαρμόζουμε μια διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα του έτσι ώστε το πάνω άκρο να θερμαίνεται ενώ το κάτω άκρο να ψύχεται. Τα αρνητικά φορτία θα κινηθούν προς την ψυχρή περιοχή και έτσι η ΗΕΔ που θα δημιουργηθεί θα έχει την πολικότητα που φαίνεται στο σχήμα. Αν συνδέαμε μια αντίσταση στα άκρα του υλικού μας, θα παρατηρούσαμε ρεύμα με κατεύθυνση όπως υπαγορεύεται από την πολικότητα της πηγής που φαίνεται στο σχήμα. Η C

12 Ανάλογα, έστω ότι το υλικό του σχήματος είναι τύπου p. Δηλαδή, τα ιόντα που κινούνται με τη διαφορά θερμοκρασίας είναι θετικά φορτισμένα. Έστω ότι εφαρμόζουμε μια διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα του έτσι ώστε το πάνω άκρο να θερμαίνεται ενώ το κάτω άκρο να ψύχεται. Τα θετικά φορτία θα κινηθούν προς την ψυχρή περιοχή και έτσι η ΗΕΔ που θα δημιουργηθεί θα έχει την πολικότητα που φαίνεται στο σχήμα. Αν συνδέαμε μια αντίσταση στα άκρα του υλικού μας, θα παρατηρούσαμε ρεύμα με κατεύθυνση όπως υπαγορεύεται από την πολικότητα της πηγής που φαίνεται στο σχήμα. H C

13 Οι διαφορές δυναμικού που παρατηρούνται στα άκρα μοναχικών υλικών είναι πολύ μικρές και έτσι είναι πολύ καλύτερο να συνδέουμε κατά σειρά τα υλικά μεταξύ τους ώστε ν’ αυξάνουμε την ΗΕΔ στα άκρα του κυκλώματος. Ένας απλός τρόπος σύνδεσης είναι ο παρακάτω: H Η διαφορά δυναμικού που μετρά το βολτόμετρο είναι το άθροισμα των διαφορών δυναμικού στα άκρα του p –type και του n –type υλικού.

14 Δεν είναι απαραίτητο να έχουμε εναλλαγή ενός τύπου-p, ενός τύπου-n κι ενός τύπου-p. Θα μπορούσαμε να είχαμε ένα τύπου-n, ένα τύπου-p κι ένα τύπου-n. Στην πρώτη περίπτωση, το θετικό άκρο του βολτόμετρου είναι συνδεδεμένο με το κρύο άκρο του υλικού και το αρνητικό άκρο του με το ζεστό, ενώ στην δεύτερη παρατηρούμε το αντίστροφο. Από την πολικότητα του βολτομέτρου, μπορείτε να βρείτε ποιο είναι το τύπου-n υλικό και ποιο το τύπου-p στο κύκλωμα. Αν χρησιμοποιήσουμε ένα κύκλωμα που αποτελείται από τη σύνδεση τριών θερμοηλεκτρικών υλικών, όπως φαίνεται στο σχήμα του κυκλώματος παρακάτω:

15

16 Το αντίστροφο φαινόμενο, η μετατροπή, δηλαδή, της διαφοράς δυναμικού σε διαφορά θερμοκρασίας λέγεται φαινόμενο Peltier από τον Jean Charles Athanase Peltier που το ανακάλυψε κάπου 13 χρόνια μετά την παρατήρηση της ύπαρξης τους φαινομένου Seebeck. Το φαινόμενο Peltier - Seebeck Το φαινόμενο Peltier – Seebeck ή το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η απευθείας μετατροπή διαφορών θερμοκρασίας σε ηλεκτρική τάση. Το φαινόμενο Peltier – Seebeck είναι αντιστρέψιμο. Αυτό σημαίνει ότι αν κάποια διαφορά θερμοκρασίας δημιούργησε μια διαφορά δυναμικού τότε μια διαφορά δυναμικού μπορεί να προκαλέσει διαφορά θερμοκρασίας.

17 Ξαναγυρνώντας στο αρχικό παράδειγμα με το αέριο, θεωρείστε ότι τα ιόντα του αερίου δεν κινούνται λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας αλλά της ύπαρξης διαφοράς δυναμικού. Όταν η ποσότητα των ιόντων αυξηθεί σε κάποιο άκρο του δοχείου οι κρούσεις τόσο μεταξύ τους όσο και με τα τοιχώματα του δοχείου θ’ αυξηθούν κι έτσι θ’ αυξηθεί η θερμοκρασία του αερίου στην περιοχή αυτή. Ανάλογα, θα μειωθεί η θερμοκρασία στο άλλο άκρο του δοχείου. Παρόμοια φαινόμενα παρατηρούνται στους αγωγούς ή τους ημιαγωγούς.

18 Μια πηγή σταθερής έντασης συνδέεται με τα θερμοηλεκτρικά υλικά ώστε η φορά του ρεύματος να είναι κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Αν το υλικό Α είναι τύπου-p τότε θερμότητα θα παράγεται στο άκρο 2 ενώ θ’ απορροφάται στο άκρο 1. Θα έχουμε, έτσι, Τ2 > Τ1. Αν αλλάξουμε τη φορά του ρεύματος αλλά διατηρήσουμε το είδος των θερμοηλεκτρικών υλικών, θα παρατηρήσουμε την αντιστροφή της παραπάνω σχέσης: Τ1 > Τ2 Ένα κύκλωμα για την παρατήρηση του φαινομένου Peltier φαίνεται στο σχήμα: Αρχή λειτουργίας του θερμοηλεκτρικού στοιχείου

19 Όπου: Π ΑΒ = η σταθερά Peltier του κυκλώματος και Π Α, Π Β = οι σταθερές Peltier κάθε υλικού. Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας από το σημείο 2 στο 1 (αν Τ2 > Τ1) δίνεται από τον παρακάτω τύπο Το φαινόμενο Peltier βρίσκει πλατιά εφαρμογή στην παραγωγή ψυκτικών διατάξεων.

20

21 Τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία  Υλικά που χρησιμοποιούνται: ενώσεις Βισμουθίου-Τελλουρίου, Μολύβδου- Τελλουρίου, Πυριτίου-Γερμανίου και Βισμουθίου - Αντιμονίου  Το στοιχείο αποτελείται από ένα ζεύγος ημιαγωγών τύπου p και τύπου n  Λειτουργία: αν δημιουργηθεί ροή ηλεκτρικού ρεύματος στην διάταξη, τότε θα υπάρξει ροή θερμότητας από την μία πλευρά στην άλλη και αντίστροφα, αν δημιουργηθεί ροή θερμότητας στην διάταξη, τότε θα υπάρξει ροή ηλεκτρικού ρεύματος από την μία επαφή στην άλλη Τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία

22 Το απλούστερο θερμοηλεκτρικό στοιχείο (Thermoelectric Element – ΤΕ Element), που μπορεί να είναι Θερμοηλεκτρική Γεννήτρια TEG (Thermoelectric Generator) ή Θερμοηλεκτρικός Ψύκτης TEC (Thermoelectric Cooler), μπορεί να κατασκευαστεί από δύο παραλληλεπίπεδα τεμάχια θερμοηλεκτρικού υλικού, όπου το ένα είναι τύπου-p ενώ το άλλο τύπου-n. Οι επίπεδες επιφάνειές τους, συνδέονται ηλεκτρικά με μεταλλικούς αγωγούς, όπως στο σχήμα που ακολουθεί. Τα υλικά τύπου-p μεταφέρουν την θερμότητα προς την ίδια κατεύθυνση με τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ τα τύπου-n προς την αντίθετη. Επομένως, στη διάταξη του σχήματος, οι κάτω επιφάνειες απορροφούν θερμότητα και ψύχονται, ενώ οι επάνω δέχονται την μεταφερόμενη θερμότητα και θερμαίνονται.

23 Αντίστοιχα, θα μπορούσε να κατασκευαστεί θερμοηλεκτρικό στοιχείο με την χρήση δύο τεμαχίων τύπου-p (ή δύο τύπου-n). Στην περίπτωση όμως αυτή όπως φαίνεται στο σχήμα πιο κάτω, οι μεταλλικοί αγωγοί σχηματίζουν ανεπιθύμητες θερμογέφυρες και η πολυπλοκότερη ηλεκτρική συνδεσμολογία δημιουργεί κατασκευαστικά προβλήματα, ειδικά όταν πρόκειται να συνδεθούν περισσότερα των δύο θερμοστοιχεία.

24 Θερμοηλεκτρικές συστοιχίες (TE modules) Αποτελούνται από πολλά θερμοηλεκτρικά στοιχεία (ζεύγη), τα οποία ηλεκτρικά συνδέονται σε σειρά, ενώ θερμικά παράλληλα. Χρησιμοποιούνται για: Ψύξη-θέρμανση (φαινόμενο Peltier) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (φαινόμενο Seebeck)

25 Οι θερμοηλεκτρικές συστοιχίες (ΤΕ modules) κατά κανόνα κατασκευάζονται ως συστοιχία p/n θερμοηλεκτρικών στοιχείων, τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους ηλεκτρικά σε σειρά, ενώ θερμικά παράλληλα όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Δύο κεραμικές πλάκες στην επάνω και κάτω πλευρά, εξασφαλίζουν την ηλεκτρική μόνωση των στοιχείων και την μεταφορά της θερμότητας. Σχηματικό διάγραμμα θερμοηλεκτρικής διάταξης Τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά και θερμικά παράλληλα

26

27 Οι θερμοηλεκτρικές διατάξεις που διατίθενται εμπορικά, περιέχουν από ένα ζεύγος έως μερικές εκατοντάδες θερμοστοιχεία από βισμούθιο-τελλούριο (Bi 2 Te 3 ), ενώ για την επίτευξη υψηλότερης θερμοκρασιακής διαφοράς (ΔΤ) στην ψύξη, κατασκευάζονται διατάξεις περισσοτέρων του ενός (έως και έξι) επιπέδων, όπως φαίνεται πιο κάτω.

28 Αρχή Λειτουργίας Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών (TEG’s) Η μετατροπή της θερμικής ενέργειας, που εμφανίζεται ως ροή θερμότητας από σώματα υψηλής προς σώματα χαμηλότερης θερμοκρασίας, σε ηλεκτρική ενέργεια, γίνεται μέσω του φαινόμενο Seebeck χρησιμοποιώντας θερμοηλεκτρικά στοιχεία που ονομάζονται Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες. Στις σύγχρονες θερμοηλεκτρογεννήτριες υπάρχουν συνήθως 74, 128 ή 172 θερμοζεύγη, που συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά και παράλληλα θερμικά, για μεγαλύτερη απόδοση.

29

30 Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες βασιζόμενες την λειτουργία τους στο φαινόμενο Seebeck παράγουν ηλεκτρισμό. Από την άλλη πλευρά, οι διατάξεις που χρησιμοποιούν το φαινόμενο Peltier για να ψύξουν ή να θερμάνουν μια επιφάνεια ονομάζονται θερμοηλεκτρικές ψήκτρες ή Peltier ψήκτρες (TEC, Thermoelectric ή Peltier Cooler ). Οι θερμοηλεκτρικές ψήκτρες είναι όμοιες κατασκευαστικά διατάξεις με τις θερμοηλεκτρογεννήτριες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ίδια ακριβώς λειτουργία. Η διαφορά τους είναι ότι οι θερμοηλεκτρικές ψήκτρες είναι κατασκευασμένες από διαφορετικά θερμοηλεκτρικά υλικά που είναι πιο κατάλληλα και αποτελεσματικά για την θέρμανση ή ψύξη επιφανειών με την εφαρμογή του φαινομένου Peltier παρά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

31 Χαρακτηριστικά και Ιδιότητες Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών Τα πλέον σημαντικά χαρακτηριστικά μιας θερμοηλεκτρικής γεννήτριας είναι η παραγόμενη τάση ανοικτού κυκλώματος και η μέγιστη παραγόμενη ισχύς. Η παραγόμενη ισχύς των θερμοηλεκτρικών στοιχείων περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την ισοδύναμη αντίσταση σειράς R του θερμοζεύγους καθώς επίσης και από την απόδοση μετατροπής ισχύος που ορίζεται ως το πηλίκο της παραγόμενης ισχύς προς την συνολική ροή θερμότητας. Η ισοδύναμη αντίσταση σειράς μιας θερμοηλεκτρικής γεννήτριας περιορίζει το ρεύμα με το οποίο μπορεί να τροφοδοτηθεί ένα φορτίο. Η απόδοση μετατροπής ισχύος είναι το ποσό της θερμότητας που μπορεί να μετατραπεί σε ωφέλιμη ηλεκτρική ενέργεια. Μετά από έρευνες αποδείχθηκε ότι για την αποδοτικότερη λειτουργία των θερμοηλεκτρικών γεννητριών, οι κρίσιμες παράμετροι των χρησιμοποιούμενων θερμοηλεκτρικών υλικών ενός θερμοζεύγους είναι ο υψηλός συντελεστής Seebeck S, η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα σ και η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα k. Πολλές φορές για να την σύγκριση θερμοηλεκτρικών γεννητριών που είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά υλικά θερμοζευγών, χρησιμοποιείται ένας συντελεστής που περιέχει όλες τις παραπάνω παραμέτρους.

32 Ο πιο διαδεδομένος συντελεστής που χρησιμοποιείται ως επί των πλείστων στην βιβλιογραφία δίνεται από την παρακάτω σχέση : Ο συντελεστής αυτός εξαρτάται από την μέση θερμοκρασία λειτουργίας του θερμοζεύγους. Με την βελτίωση των χαρακτηριστικών των υλικών αυξάνεται ο συντελεστής ZT ενώ ταυτοχρόνως αυξάνεται η παραγόμενη ισχύς και η απόδοση των θερμοηλεκτρικών γεννητριών. Συνηθισμένες τιμές του συντελεστή ZΤ από θερμοζεύγη εμπορικών θερμοηλεκτρογεννητριών σε θερμοκρασία δωματίου στην σημερινή εποχή είναι 0,6 με 0,8 ενώ έχουν κατασκευασθεί και γεννήτριες με την τιμή του ZΤ να ξεπερνάει ακόμα και το 3.

33 Σχεδιαστικές αρχές μιας θερμοηλεκτρικής διάταξης που θα χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια Επιλογή του καταλληλότερου τύπου των TEG-modules Μεγιστοποίηση των θερμικών ροών διαμέσου του TEG και η ελαχιστοποίηση των θερμικών ροών που παρακάμπτουν το TEG. Επιλογή των βέλτιστων εναλλακτών θερμότητας Επιμελημένη συναρμολόγηση της διάταξης. Τα βασικά πλεονεκτήματα των Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών Δεν έχουν κινούμενα μέρη, επομένως απαιτείται ελάχιστη συντήρηση. Η διάρκεια ζωής τους ξεπερνά τις ώρες. Δεν περιέχουν χλωροφθοράνθρακες ή άλλα υλικά που χρειάζονται περιοδική αναπλήρωση και έχουν αρνητικές περιβαλλοντολογικές συνέπειες. Η λειτουργία τους δεν εξαρτάται από την θέση και την κλίση τοποθέτησης. Μπορούν να λειτουργήσουν σε συνθήκες κενού. Δεν εκπέμπουν διοξείδιο του άνθρακα

34 Εφαρμογές των Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών (TEG) Θερμοηλεκτρική Γεννήτρια (Thermoelectric Generator TEG (Power Brick)) Θερμοηλεκτρική Γεννήτρια (50W Thermoelectric Wood Stove Generator) Σε περιπτώσεις μετατροπής απορριπτόμενης θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική και σε απομακρυσμένες περιοχές εκτός δικτύου, όπου χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια, η χρήση τους μπορεί να αποβεί συμφέρουσα, παρά τον μικρό τους βαθμό απόδοσης. Έτσι υπάρχουν εκτεταμένες εφαρμογές των TEG στην διαστημική τεχνολογία και φαίνεται πολύ πιθανή η χρήση τους για ανάκτηση απορριπτόμενης ενέργειας από θερμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης των αυτοκινήτων


Κατέβασμα ppt "Στόχος Ο μαθητής να μπορεί να κατανοεί και περιγράφει την αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου. αναφέρει τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η τάση."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google