Дипломная (вкр): Підвищення ефективності транспортних структур за допомогою термоелектричних перетворювачів

Підвищення ефективності транспортних структур за допомогою термоелектричних перетворювачів

ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ І. Закони когенерації

.1 Відкриття ефекту Пельтьє

1.1.1 Пояснення принципу когенерації

.1.2 Електрогенеруючі модулі

.1.3 Особливості експлуатації термоелектричних перетворювачів

1.2 Когенерація, комбіноване виробництво теплової та електричної енергії

.3 Застосування термоелектрогенератора на транспорті

РОЗДІЛ ІІ. Експериментальне дослідження когенераційної установки

.1 Аналітичний огляд

.3 Дослідницька частина

.4 Візуалізація спроектованої установки

.5 Лабораторно-практична робота

РОЗДІЛ III Охорона праці

.1      Профілактика електровражень

.2. Надання першої допомоги особам, що постраждали від електричного струму

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ДОДАТКИ

ВСТУП

Людина, приречена учитися постійно. Тільки засвоївши уроки, які їй надає життя, вона не буде повторювати ті ж помилки. На сьогоднішній день, людство розуміє: що створено чи мало корисних винаходів, моделей які позитивно впливають на рівень нашого життя. Про те, є і інша сторона медалі, яка показує низький рівень екології, недосконалість та негативні наслідки наших надбань.

Тому, слід задуматися та зробити висновки над нашим майбутнім - використовувати дійсно близькі до досконалого способи отримання енергії. Особливу актуальність це здобуває при впровадженні нових технологій, а саме, використання когенераційних установок.

Когенерація є одним із найпоширеніших методів повторного використання енергії <#"882007.files/image001.gif">

Рис. 1.1. Приклад реалізації ефекту Пельтьє.

Коли електричний струм проходить через два різнорідні матеріали (метали або напівпровідники), один з яких має два спаї (рис. 1.1), 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 (рис. 1.2), або ж задавати як потік електронів, що рухаються із напівпровідника в металічні електроди (і навпаки) на їх контакті (рис. 1.3).

Цей процес є оборотним: електричний струм може подаватися через контакт для створення градієнта температури (а отже і теплового потоку), або ж градієнт температури може використовуватися для генерування електричного струму (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Схема поглинання і випромінювання енергії на контактах двох напівпровідників

Рис. 1.3 Схема процесів поглинання (а), (б) та випромінювання (в), (г) теплової енергії з точки зору переходу електронів (б), (г) та дірок (а), (в) через контакти між напівпровідником і металом. EF - енергія Фермі

ΔEt n,p - зміщення енергії Фермі на контакті «метал-напівпровідник», відносно енергії Фермі у металі [13].

Hogan T. “Thermoelectricity” in the Encyclopedia of Physical Science and Technology. Third Edition,.A. Meyers, editor-in-chief, San Diego: Academic Press, CA (2001).

Коли струм проходить через коло, тепло поглинається на контакті Т2 і виділяється на контакті Т1, якщо диференційний коефіцієнт Пельтьє -негативний. Теплота Пельтье (Q), яка поглинається на холодному спаю в одиницю часу визначається згідно виразу:

dQ/dt =Пав - І = (Па - Пв)І; (1.1)

де, Па та Пв - коефіцієнти Пельтьє матеріалів A і B, відповідно.

При проведенні одного з експериментів Жан-Шарль Пельтьє пропускав електричний струм через смужку вісмуту, з підключеними до неї мідними провідниками (рис. 1.4). У ході експерименту він виявив, що одне з'єднання вісмут-мідь нагрівається, інше - остигає.

Рис. 1.4 - Схема досліду для вимірювання тепла Пельтьє

Сам Пельтьє не розумів в повній мірі сутність відкритого ним явища. Справжній сенс явища був пізніше пояснений в 1838г. Ленцем.

Тепло Пельтьє пропорційне силі струму і може бути виражено формулою:

п = П • q (1.2)

де q - заряд пройшов через контакт, П - так званий коефіцієнт Пельтьє, який залежить від природи контактуючих матеріалів та їх температури. Коефіцієнт Пельтьє може бути виражений через коефіцієнт Томпсона:

П = T (3)

де - коефіцієнт Томпсона, Т - абсолютна температура.

Необхідно відзначити, що коефіцієнт Пельтьє знаходиться в істотній залежності від температури. Деякі значення коефіцієнта Пельтьє для різних пар металів представлені в таблиці 1.

Таблиця 1.1

Величина тепла Пельтьє, що виділяється і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу його проходження.

Розмірність коефіцієнта Пельтьє [П] СІ = Дж / Кл = В

Класична теорія пояснює явище Пельтьє тим, «що при переносі електронів струмом з одного металу в іншій, вони прискорюються або сповільнюються внутрішньою контактною різницею потенціалів між металами. У разі прискорення кінетична енергія електронів збільшується, а потім виділяється у вигляді тепла. У зворотному випадку кінетична енергія зменшується, і енергія поповнюється за рахунок енергії теплових коливань атомів другого провідника, таким чином він починає охолоджуватися. При більш повному розгляді враховується зміна не тільки потенційної, а й повної енергії[3]»

На рис. 1.5. і рис. 1.6. зображена замкнута ланцюг, складена з двох різних напівпровідників ПП1 і ПП2 з контактами А і В.

Рис. 1.5. Виділення тепла Пельтьє (контакт А)

Рис. 1.6. Поглинаня тепла Пельтьє (контакт В)

Такий ланцюг, прийнято називати термоелементом, а її гілки - термоелектродами. Через ланцюг проходить струм I, створений зовнішнім джерелом e. Рис. 1.2. ілюструє ситуацію, коли на контакті А (струм тече від ПП1 до ПП2) відбувається виділення тепла Пельтьє Qп (А)> 0, а на контакті В (струм направлений від ПП2 до ПП1) його поглинання -п (В)<0. У результаті відбувається зміна температур спаїв: ТА> ТВ.

Причина виникнення ефекту Пельтьє на контакті напівпровідників з однаковим видом носіїв струму (два напівпровідника n-типу або два напівпровідника p-типу) така ж, як і у випадку контакту двох металевих провідників. Носії струму (електрони або дірки) по різні сторони спаю мають різну середню енергію, яка залежить від багатьох причин: енергетичного спектру, концентрації, механізму розсіяння носіїв заряду.

Якщо носії, пройшовши через спай, потрапляють в область з меншою енергією, вони передають надлишок енергії кристалічній решітці, в результаті чого поблизу контакту відбувається виділення теплоти Пельтьє (Qп> 0) і температура контакту підвищується. При цьому на іншому спаю носії, переходячи в область з більшою енергією, запозичують відсутню енергію від решітки, відбувається поглинання теплоти Пельтьє (Qп <0) і зниження температури.

Ефект Пельтьє, як і всі термоелектричні явища, виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з електронних (n - тип) і діркових (р - тип) напівпровідників. У цьому випадку ефект Пельтьє має інше пояснення.

Розглянемо ситуацію, коли струм в контакті йде від діркового напівпровідника до електронного (р®n). При цьому електрони і дірки рухаються назустріч один одному і, зустрівшись, рекомбінують. В результаті рекомбінації звільняється енергія, яка виділяється у вигляді тепла. Ця ситуація розглянута на рис. 1.7., Де зображені енергетичні зони (ec- зона провідності, ev- валентна зона) для домішкових напівпровідників з дірковою і електронною провідністю.

Рис. 1.7. Виділення тепла Пельтьє на контакті напівпровідників p і n-типу.

На рис. 1.8. (ec - зона провідності, ev - валентна зона) ілюструється поглинання тепла Пельтьє для випадку, коли струм йде від n до p-напівпровідника (n ® p).

Рис. 1.8 - Поглинання тепла Пельтьє на контакті напівпровідників p і n-типу.

Тут електрони в електронному й дірки в дірковому напівпровідниках рухаються в протилежні сторони, йдучи від кордону розділу. Спад носіїв струму в прикордонній області заповнюється за рахунок попарного народження електронів і дірок. На освіту таких пар потрібна енергія, яка поставляється тепловими коливаннями атомів решітки. Утворені електрони і дірки захоплюються в протилежні сторони електричним полем. Тому поки через контакт йде струм, безперервно відбувається народження нових пар. В результаті в контакті тепло буде поглинатися.

Застосування напівпровідників різних типів в термоелектричних модулях представлено на рис. 1.9.

Рис.1.9. Використання напівпровідникових структур в термоелектричних модулях.

Такий ланцюг дозволяє створювати ефективні охолоджуючі елементи.

Проблема, отримання «чистої енергії» та відводу тепла від пристроїв в XІX не була такою гострою, як сьогодні. Тому до ефекту Пельтьє звернулися тільки через майже два століття, коли з'явилися електронні пристрої, для роботи яких потрібні були мініатюрні системи охолодження.

Перевагою охолоджуючих елементів Пельтьє є малі габарити, відсутність рухомих деталей, можливість каскадного з'єднання для отримання великих перепадів температур.

Крім цього, ефект Пельтьє звернемо: при зміні полярності струму через модуль, охолодження змінюється нагріванням, тому на ньому легко реалізуються системи точного підтримки температури - термостати. Недоліком елементів (модулів) Пельтьє є низький ККД, що вимагає підведення великих значень струму для отримання помітного перепаду температур.

1.1.2 Пояснення ефекту Пельтьє

Пояснення ефекту Пельтьє слід розпочати з того, що одиничним елементом термоелектричного модуля (ТЕМ) - є термопара, що складається з двох різнорідних елементів з p-і n-типом провідності.

Елементи з’єднуються між собою за допомогою комутаційної пластини з міді. Як матеріал елементів традиційно використовуються напівпровідники на основі вісмуту, телуру, сурми і селену.

В напівпровідниках за перенесення енергії відповідають електрони і "дірки", але механізм перенесення тепла і появи різниці температур зберігається. Різниця температур збільшується до тих пір, поки не вичерпаються високоенергетичні електрони. Настає, так звана, температурна рівновага. Така сучасна картина опису ефекту Пельтьє.

З неї зрозуміло, що ефективність роботи елемента Пельтьє залежить від підбору пари матеріалів, сили струму і швидкості відводу тепла від гарячої зони. Для сучасних матеріалів (як правило, це напівпровідники) ККД становить 5-8%.

Для його збільшення окремі термопари (спаї двох різних матеріалів) збираються в групи, що складаються з десятків і сотень елементів. Основне призначення таких модулів - це охолодження невеликих об'єктів або мікросхем

А тепер давайте згадаємо загальний курс фізики у якому описується, що первинними та єдиними носіями заряду є електрони та протони. У вакуумі та газах, електрони і протони можуть бути вільними, в твердих тілах та рідинах - зв'язані з атомами і їх заряди взаємно врівноважують один одного. При визначених умовах електрони можуть відриватись від атомів або приєднюватися до них і, в цьому випадку, виникають додатньо та від'ємно заряджені іони, які також можуть створювати струм. Здатність іонів переміщуватись у твердому тілі дуже обмежена, так як вони утворюють зв'язки із сусідніми атомами, тому, якщо в твердому тілі присутні вільні електрони, то саме вони і будуть визначати його провідністьх [1]. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.:Энергоатомиздат, 1985.

Електро́н (грец. <#"882007.files/image010.gif">

Рис.1.10. З’єднання чотиривалентного кремнію Si з п'ятивалентним арсеном (As)

Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів порівняно з кількістю дірок. Їх називають напівпровідниками n-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки- неосновними[2]. <#"882007.files/image011.gif">

Рис. 1.11. З’єднання трьох валентного кремнію індій (In) з чотирьох валентним кремнієм (Si)

Домішки цього типу називають акцепторними (приймальними). Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними - електрони.

Цікаві явища спостерігаються під час контакту напівпровідників n- і р-типів.

З'єднаємо два напівпровідники: один з донорною, а другий з акцепторною домішкою. Контакт двох напівпровідників називають р-n-переходом (рис.1.12).

На межі контакту електрони частково переходять із напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу, а дірки - навпаки.

Рис.1.12. р-n-перехід, з’єднання з донорною та акцепторною домішкою напівпровідників

Якщо подати напругу на напівпровідник з р-n-переходом так, щоб до напівпровідника р-типу під'єднувався позитивний полюс батареї, а на n-типу - негативний, то при цьому струм через р-n перехід забезпечується основними носіями: з n-типу в р-тип - електронами, а із р-типу в n-тип - дірками. Унаслідок цього провідність усього зразка велика, а опір малий. Такий перехід називають прямим.

Під’єднаємо батареї навпаки. Струм I в колі стане незначним за тієї ж напруги U, оскільки струм через р-n перехід забезпечується неосновними носіями заряду і провідність зразка стає незначною, а опір великим. Утворюється так званий запірний шар. Цей перехід називають зворотним [2].

При проходженні через термоелектричний модуль постійного електричного струму між його сторонами утворюється перепад температур-одна сторона (холодна) охолоджується, а інша (гаряча) нагрівається. Якщо з гарячою боку ТЕМ забезпечити ефективне відведення тепла, наприклад, за допомогою радіатора, то на холодній стороні можна отримати температуру, яка буде на десятки градусів нижче температури навколишнього середовища. Ступінь охолодження буде пропорційною величиною струму. При зміні полярності струму гаряча і холодна сторони міняються місцями. Практика. Елементи Пельтьє широко використовуються в системах охолодження. Але не багато хто знає про їх іншому властивості - виробляти енергію.