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

1.1.3 Модулі Пельтьє

Об'єднання великої кількості пар напівпровідників p - і n - типу дозволяє створювати охолоджуючі елементи - модулі Пельтьє, порівняно великої потужності. Структура напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтьє представлена на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Структура модуля Пельтьє

Модуль Пельтьє, являє собою термоелектричний холодильник, що з послідовно з'єднаних напівпровідників p- і n-типу утворюють рn і nр-переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з одним з двох радіаторів. В результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтьє: один радіатор працює як холодильник, інший радіатор нагрівається і служить для відводу тепла. На рис. 1.14. представлений зовнішній вигляд типового модуля Пельтьє.

Рис. 1.14. Зовнішній вигляд модуля Пельтьє

Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, який становить кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні нагріваючого елемента радіатора, другий радіатор - холодильник, дозволяє досягти від'ємних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтьє при забезпеченні адекватного їх охолодження. Це дозволяє порівняно простими засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються. На рис. 1.15. представлений приклад каскадного включення типових модулів Пельтьє.

Рис. 1.15. Представлений приклад каскадного включення модулів Пельтьє

Пристрої охолодження на основі модулів Пельтьє часто називають активними холодильниками Пельтьє або просто кулерами Пельтьє.

Рис.1.16. - Зовнішній вигляд кулера з модулем Пельтье

Головна характеристика термоелектричного охолоджуючого пристрою - це ефективність охолодження:

= a2 / (RL), (5)

де - коефіцієнт термоерс;- питомий опір;- питома теплопровідність напівпровідника.

Параметр Z - функція температури і концентрації носіїв заряду, причому для кожної заданої температури існує оптимальне значення концентрації, при якій величина Z максимальна. Введення в напівпровідник тих чи інших домішок - основне доступний засіб змінювати його показники (а, г, л) в бажану сторону.

Використання модулів Пельтьє в активних кулерах робить їх істотно більш ефективними в порівнянні зі стандартними типами кулерів на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтьє необхідно враховувати ряд специфічних особливостей, що випливають з конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури сучасних апаратних засобів комп'ютерів і функціональних можливостей системного та прикладного програмного забезпечення.

1.1.4 Особливості експлуатації модулів Пельтьє

Модулі Пельтьє, застосовувані в складі засобів охолодження електронних елементів, відрізняються порівняно високою надійністю, і на відміну від холодильників, створених за традиційною технологією, не мають рухомих частин. І, як це зазначалося вище, для збільшення ефективності своєї роботи вони допускають каскадне використання, що дозволяють довести температуру корпусів захищаючих електронних елементів до негативних значень навіть при їх значній потужності розсіювання. Також модуль є оборотним, тобто при зміні полярності постійного струму гаряча і холодна пластини міняються місцями.

Однак крім очевидних переваг, модулі Пельтьє володіють і рядом специфічних властивостей і характеристик, які необхідно враховувати при їх використанні в складі охолоджуючих засобів. Деякі з них були вже відзначені, але для коректного застосування модулів Пельтьє вимагають більш детального розгляду.

До найважливіших характеристик відносяться такі особливості експлуатації:

Ø  Модулі Пельтьє, що виділяють в процесі своєї роботи велику кількість тепла, вимагають наявності в складі кулера відповідних радіаторів і вентиляторів, здатних ефективно відводити надмірне тепло від охолоджуючих модулів.

Ø  Термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким коефіцієнтом корисної дії (ккд) і, виконуючи функції теплового насоса, вони самі є потужними джерелами тепла. Використання даних модулів у складі засобів охолодження електронних комплектуючих комп'ютера викликає значне зростання температури усередині системного блоку, що нерідко вимагає додаткових заходів і засобів для зниження температури всередині корпусу комп'ютера. В іншому випадку підвищена температура всередині корпусу створює труднощі для роботи не тільки для захищаються, і їх систем охолодження, але і решті складових комп'ютера.

Ø  Модулі Пельтьє є порівняно потужної додатковим навантаженням для блоку живлення. Споживаний ними струм перевищує 6А. Занадто тонкі дроти живлення можуть не витримати такої сили струму. З урахуванням значення струму споживання модулів Пельтьє величина потужності блоку живлення комп'ютера повинна бути не менше 250 Вт

Ø  Модуль Пельтьє, в разі виходу його з ладу, ізолює охолоджуваний елемент від радіатора кулера. Це призводить до дуже швидкого порушення теплового режиму захищається елемента і швидкого виходу його з ладу від подальшого перегріву.

Ø  Термоелектричні модулі відповідають технічним даними протягом 2-х років з дати виготовлення при дотриманні споживачем умов зберігання і експлуатації. Термін зберігання і експлуатації - 15 років з моменту прийняття. З досвіду відомо, що якщо тільки модуль не нагріватиметься до температури плавлення олова, він прослужить дуже довго.

Ø  Напруга, що подається пна модуль визначається кількістю пар гілок у модулі. Найбільш поширеними є 127-парні модулі, величина максимальної напруги для яких становить приблизно 16 В. На ці модулі зазвичай подається напруга живлення 12 В. Такий вибір напруги живлення в більшості випадків є оптимальним і дозволяє забезпечити, з одного боку, достатню потужність охолодження, а з іншого боку, достатню економічність. При підвищенні напруги живлення більш 12 В збільшення холодильної потужності буде слабким, а споживана потужність буде різко збільшуватися. При зниженні напруги живлення економічність зростатиме, холодильна потужність зменшуватиметься, але лінійно, що дуже зручно для організації плавного регулювання температури. Для модулів з числом пар гілок відмінним від 127, необхідно враховувати особливості конкретного пристрою, перш за все, умови тепловідведення з гарячою боку, і можливості джерел живлення.

Ø  Велике значення відіграє потужність модуля Пельтьє, яка, як правило, залежить від його розміру. Модуль малої потужності не забезпечує необхідний рівень охолодження, що може привести до порушення працездатності захищається електронного елемента, наприклад, процесора внаслідок його перегріву. Однак застосування модулів дуже великої потужності може викликати пониження температури охолоджуючого радіатора до рівня конденсації вологи з повітря, що небезпечно для електронних ланцюгів. Це пов'язано з тим, що вода, безперервно одержувана в результаті конденсації, може привести до коротких замикань в електронних ланцюгах комп'ютера. Для виключення даної небезпеки доцільно використовувати холодильники Пельтьє оптимальної потужності. Виникне конденсація чи ні, залежить від декількох параметрів.

Найважливішими є:

ü  температура навколишнього середовища (в даному випадку температура повітря всередині корпусу);

ü  температура охолоджуваного об'єкта;

ü  вологість повітря.

Чим тепліше повітря всередині корпусу і чим більше вологість, тим імовірніше сконденсовану вологи і подальший вихід з ладу електронних елементів комп'ютера. Нижче представлена таблиця, що ілюструє залежність температуру конденсації вологи на охолоджуваному об'єкті залежно від вологості і температури навколишнього повітря. Використовуючи цю таблицю, можна легко встановити, чи існує небезпека конденсації вологи чи ні. Наприклад, якщо зовнішня температура 25 ° C, а вологість 65%, то конденсація вологи на охолоджуваному об'єкті відбувається при температурі його поверхні нижче 18 ° C.

Таблиця 1. 2

Крім зазначених особливостей, необхідно враховувати і ряд специфічних обставин, , це пов'язано з тим, що існуючі холодильники Пельтьє, як правило, розраховані на безперервну роботу. У зв'язку з цим, найпростіші холодильники Пельтьє, що не володіють засобами контролю, не рекомендується використовувати разом з охолоджуючими програмами. Це дозволяє оптимізувати їх енергоспоживання.

Елементи Пельтьє застосовуються в ситуаціях, коли необхідно охолодження з невеликою різницею температур, або енергетична ефективність охолоджувача не важлива. Наприклад, елементи Пельтьє застосовуються в маленьких автомобільних холодильниках, так як застосування компресора в цьому випадку неможливо через обмежених розмірів і, крім того, необхідна потужність охолодження невелика.

Крім того елементи Пельтьє застосовуються для охолодження пристроїв із зарядним зв'язком в цифрових фотокамерах. За рахунок цього досягається помітне зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях (наприклад в астрофотографії). Багатоступінчасті елементи Пельтьє застосовуються для охолодження приймачів випромінювання в інфрачервоних сенсорах.

Також елементи Пельтьє часто застосовуються:

. для охолодження і термостатування діодних лазерів, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання;

. в комп'ютерній техніці;

. в радіоелектричних пристроях;

. у медичному і фармацевтичному обладнанні;

. у побутовій техніці;

. в кліматичному обладнанні;

. в термостатах;

. в оптичній апаратурі;

. для управління процесом кристалізації;

. як підігрів в цілях опалення;

. для охолодження напоїв;

. в лабораторних і наукових приладах;

. в льодогенераторами;

. в кондиціонерах;

. для отримання електроенергії;

. в електронних лічильниках витрати води.

Звичайно, охолоджуючі пристрої Пельтьє навряд чи підходять для масового використання. Вони досить дорогі і вимагають правильного режиму експлуатації. Сьогодні це, швидше, інструмент для любителів розгону процесорів. Однак у випадку необхідності сильного охолодження процесорів кулери Пельтье є найбільш ефективними пристроями.

З'явилися повідомлення про експерименти з вбудовування мініатюрних модулів Пельтьє безпосередньо в мікросхеми процесорів для охолоджування їх найбільш критичних структур. Таке рішення сприяє кращому охолодженню за рахунок зниження теплового опору і дозволяє значно підвищити робочу частоту і продуктивність процесорів.

Роботи в напрямку вдосконалення систем забезпечення оптимальних температурних режимів електронних елементів ведуться багатьма дослідницькими лабораторіями. І системи охолодження, що передбачають використання термоелектричних модулів Пельтьє, вважаються надзвичайно перспективними.

1.2 Комбіноване вироблення теплової та електричної енергії

когенерація транспорт термоелектричний пельтье

Однією із найбільш актуальних проблем нашого часу є пошук екологічно чистих альтернативних джерел енергії. Термоелектрика описує процеси перетворення теплової енергії в електричну та навпаки. Ці процеси дістали назву когенерація. Під когенерацією розуміють (також комбіноване виробництво тепла та електроенергії) яке полягає у використанні електростанції для одночасного виробництва тепла <#"882007.files/image017.gif">, (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 ΠAB - 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)