Budapesti Mőszaki Fıiskola Kandó Kálmán Villamosmérnöki Fıiskolai Kar Villamos Energetikai Intézet
TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT
TERMOELEKTROMOS-EFFEKTUS GYAKORLATI HASZNOSÍTÁSA
Szerzık:
Magony András Csaba villamosmérnöki szak, III. évfolyam Huszti Gábor villamosmérnöki szak, III. évfolyam
Konzulens:
Herbert Ferenc Megújuló Energia Kutatóhely Vezetıje
1
TERMOELEKTROMOS-EFFEKTUS GYAKORLATI HASZNOSÍTÁSA Magony András Csaba Huszti Gábor Budapesti Mőszaki Fıiskola Kandó Kálmán Villamosmérnöki Fıiskolai Kar Automatika Intézet, III. évfolyam Konzulens: Herbert Ferenc Megújuló Energia Kutatóhely Vezetıje
Termoelektromos eszközök és felhasználásuk ma még kevésbé ismertek. Jelenlegi felhasználásuk még korlátozottak az áruk és hatásfokuk miatt. Azonban az új kutatások elıre vetítik a nagy fokú hatékonyság növekedést. Dolgozat részletesen leírja történelmi áttekintésen keresztül a régmúlt és napjaink termoelektromos eszközeit. Bemutatásra kerül dolgozatban egy mőködı generátor, részletes mérésekkel alátámasztva létjogosultságát. Dolgozat betekintés nyújt az új fejlesztésekben és elırevetíti jövıbeni felhasználásukat.
2
Tartalomjegyzék Bevezetés....................................................................................................................................2 Termoelem:.................................................................................................................................4 Seebeck-effektus:....................................................................................................................4 Peltier-effektus:..........................................................................................................................6 Peltier elem:............................................................................................................................7 Peltier elemek alkalmazása:..................................................................................................11 Peltier elemek alkalmazása számítástechnikában:...............................................................11 Peltier elem alkalmazása akvarisztikában:...........................................................................12 Peltier elem használata mobil hőtıként :..............................................................................12 Peltier elemek egyébb alkalmazása :....................................................................................13 Termoelektromos generátor projekt bemutatása:.....................................................................14 Peltier elem,mint termoelektromos generátor:.................................................................16 Megfelelı modul kiálasztása:...........................................................................................16 Termoelektromos generátor(TEG) felépítése:..........................................................................19 Mérési elrendezés:............................................................................................................20 Ideiglenes mérıpad mérési eredményei:..........................................................................21 Mérés fotói:.......................................................................................................................23 Szilárdtest Elektromos Rendszer bemutatása:..........................................................................24 Mi a SZER:.......................................................................................................................24 Alkalazások:.....................................................................................................................25 Élettartam becslés:............................................................................................................25 SZER történelem:.............................................................................................................25 SZET:........................................................................................................................................26 SZH:..................................................................................................................................26 Újdonságok a SZER-ben:.................................................................................................26 Precíziós öntı-kristályosítás:............................................................................................27 Tartószerkezet:..................................................................................................................27 Félvezetık forasztása:.......................................................................................................28 Nagy teljesítményő hıszivattyú:......................................................................................28 Nagy teljesítményő SZET:...............................................................................................30 Termoelektromos generátorok alkalmazása az iparban:...........................................................31 Irodalomjegyzék:..............................................................................................................32
3
A Termoelem Thomas Johann Seebeck (1770-1831) német fizikus. Tallinban, Észtországban, az Orosz Birodalomban született. Berlinben és a Göttingeni Egyetemen tanult orvostudományt. 1802-ben szerezte meg orvosi diplomáját Göttingenben. A kutatás kedvéért lemondott az orvosi pályáról. 1814-ben a berlini akadémia tagja lett. 1816-ban neki ítélték az akadémia az évi díját a mechanikai feszültség alá helyezett üvegben észlelhetı polarizáció tanulmányozásáért. Számos fém mágnesezhetıségét vizsgálva fedezte fel a vörös izzásra hevített, mágnesezett vas szokásostól eltérı viselkedését, amely a ma már hiszterézisként ismert jelenséghez vezet. Különbözı fémpárokkal és vezetıkkel végzett kísérletei nyomán jött rá, hogy a vezetı anyagok termoelektromos sorba rendezhetık. 1821-ben fedezte fel, hogy különbözı hımérséklető és eltérı anyagú vezetık között elektromos áram folyik. Kimutatta, hogy ha egy réz- és egy bizmutszalagból összeállított, zárt áramkör egyik csatlakozási helyét felmelegítik, az áramkörben mindaddig áram folyik, amíg a hımérsékletkülönbség fennáll. A jelenség minden fémpár esetében létrejön. Eredeti kísérleti összeállításában már akkor is mérhetı áram keletkezett, amikor az egyik csatlakozási helyet egyszerően kézben tartották. A termoelektromos jelenséget ma Seebeck-effektus ként tartják számon.
Seebeck-effektus Ha vezetıkbıl zárt hurkot készítünk, akkor az így kialakított áramkörben az érintkezési feszültségek összege nulla, ha a kontaktusok mind azonos hımérsékleten vannak. A helyzet azonban megváltozik, ha valamelyik kontaktus eltérı hımérséklető, az érintkezési feszültség ugyanis függ a hımérséklettıl. Ha például a mellékelt ábrán látható, két különbözı vezetıbıl (1 és 2) kialakított kontaktus egyikét (pl. a baloldalit) melegítjük, akkor az áramkörben áram jön létre. Ez annak a következménye, hogy most már a két 1. kép Seebeck-efektus kontaktusnál létrejött kontaktpotenciál nem kontaktpotenciál nem egyenlı egymással, így az áramkörben eredı feszültség, elektromotoros erı jön létre. Ha a baloldali kontaktust melegítés helyett hőtjük, akkor a körben ellenkezı elıjelő elektromotoros erı és ellenkezı irányú áram keletkezik. Ezt a jelenséget felfedezıjérıl Seebeck-effektusnak nevezik.
4
Mivel a fenti és a hozzá hasonló elrendezésekben elektromotoros erı jön létre, ezeket termoelemeknek nevezik. A létrejött elektromotoros erı elnevezése termoelektromos feszültség vagy rövidebben termofeszültség, a körben létrejött áramot pedig gyakran termoáramnak nevezik A fenti, két kontaktusból álló termoelem ε termofeszültségét az
összefüggés adja meg. A gyakorlati felhasználás szempontjából fontos, hogy nem túl nagy hımérsékletkülönbségek esetén a legtöbb anyagpárnál a termofeszültség közelítıleg arányos a kontaktusok hımérsékletkülönbségével:
ahol α az érintkezı vezetık tulajdonságaitól függ. Könnyen belátható, hogy a termofeszültség nem változik, ha a körbe azonos hımérséklető vezetıszakaszokat iktatunk be. Ezért a fenti ábrán bemutatott áramkörben a mérımőszert (áramvagy feszültségmérı) az 1 vagy 2 vezetıtıl eltérı (pl. 3) anyagból készült vezetıkkel is csatlakoztathatjuk az áramkörbe, csupán arra kell ügyelni, hogy az így létrehozott új kontaktusok azonos hımérsékleten (az ábrán T 1)
2.képSeebeck-effektus
legyenek. A termofeszültség lehetıséget ad egyszerő feszültségforrások készítésére. Erre a célra a vezetıknél jobb a félvezetı kontaktusok használata, mert a keletkezı termofeszültség általában nagyobb, másrészt a félvezetık hıvezetése rosszabb, így a hımérsékletkülönbség fenntartása könnyebb. Két különbözı, megfelelı anyagú fémszál egyik végükön való összehegesztésével kapott hımérı. Az érintkezési pontjuk hımérsékletével (melegpont) arányosan 10-50 µV/K feszültség mérhetı a különálló végek között (hidegpontok). Elınye, hogy – megfelelı fémpárt választva – különösen nagy intervallumban, -200 és 1700 °C tartományban is lehet mérésre használni.
5
Peltier elem:
Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845), francia fizikus Hamban (Somme) született. Eredetileg órakészítı volt, de harmincas éveiben visszavonult és kizárólag tudományos kísérletekkel és megfigyelésekkel foglalkozott. Cikkeiben legnagyobbrészt légköri elektromossággal, cianometriával, fénypolarizációval foglalkozott, továbbá a víz forráspont változásával nagyobb magasságban. Nevét azonban mindíg a két különbözı anyag (fém vagy félvezetı) elektromos érintkezésénél (forrasztási helyén) az elektromos áram hatására bekövetkezı felmelegedéssel vagy lehüléssel (az áram irányától függıen) hozzák kapcsolatba. Róla nevezték el Peltierjelenségnek. Ezt alkalmazzák a termoelektromos hőtıkben, illetve a termoelemekben. Párizsban halt meg.
Mőködés alapjelenségét, a termoelektromos-hatást már 1821 óta ismerjük.. Néhány évvel késıbb, 1834-ben Peltier ennek a jelenségnek a fordítottját is megfigyelte: ha a fenti áramkörbe áramot vezetett, az egyik forrasztási hely hőlt, a másik pedig melegedett. Ez a képesség pedig mőszaki szemmel nézve azt jelenti, hogy az egyik forrasztási hely hıt tud felvenni, a másik pedig leadni. Peltier ezzel felfedezte a termoelektromos hőtés (illetve hıszivattyú-üzem) elvét. Fémekbıl összeállított elempárokkal azonban csak igen kis hımérséklet-különbségeket lehetett produkálni. Az összekapcsolásukból létrejövı „termoerı” ugyanis meglehetısen kicsi, a veszteségek pedig nagyok. A termoelektromos jelenséget nem is lehetett gyakorlati célokra hasznosítani a félvezetık feltalálásáig, illetve azok ipari elıállításáig. Egy p- és egy n-típusú félvezetı-oszlopból álló, réz-fegyverzettel összeállított Peltier-elem azonban a rákapcsolt egyenfeszültség hatására már használható hőtıteljesítmény kifejtésére is alkalmas.
Peltier-effektus : Peltier-effektus gyakorlatilag a Seebeck effektus ellentéte, elektromos áram hatására a hıelem hőlni kezd. Egy p-típusú (elektronhiányos atomokkal szennyezett) és egy n-típusú (többletelektronnal rendelkezı atomokkal szennyezett) félvezetıt összekötünk, az átfolyó elektromos áram hatására az átmenetnél energiahiány keletkezik, ha az elektronáram egy alacsonyabb potenciálú félvezetı-oszlopból egy nagyobb potenciálúba lép át. Az így létrejövı energiahiány pedig hıfelvételhez vezet, azaz hőtıhatást eredményez. (Ellenkezı sorrendő átmenetnél energiatöbblet jön létre, és hıleadás következik be.) A „meleg” oldali (T) hımérséklet a kompresszoros hőtıberendezések kondenzációs hımérsékletének, a „hideg”
6
oldali (T0) hımérséklet pedig az elpárolgási hımérsékletnek felel meg. Ezért lesz a Peltierelem tulajdonképpen egy mozgó alkatrészek nélküli félvezetıs hıszivattyú. A teljesítmény növelése céljából az elemeket összekapcsolják, és kompakt Peltiertermoblokként hozzák ıket forgalomba . A blokkot természetesen úgy állítják össze, hogy valamennyi „hideg” áthidalás a hıfelvevı oldalra és valamennyi „meleg” áthidalás a hıleadó oldalra kerüljön.
Peltier elem: A Peltier-elemek speciális félvezetı anyagból készülnek, leggyakrabban bizmut-tellridbıl (Bi2Te 3). Ezt gyakran ötvözik még szelénnel és antimonnal. Ebbıl bonyolult eljárással anizotróp termoelektromos tulajdonságú p- és n-típusú cellák készülnek.
3. kép Peltier elem A Peltier-elem másik felhasználási módja a Seebeck-effektust használja ki, ami a Peltier-effektus inverze. Tehát a hımérsékletkülönbség hatására a csatlakozási pontoknál feszültség keletkezik, amivel munkát lehet végezni. Kísérletek alapján azt állapították meg, hogy az érintkezési helyeken felvett avagy leadott hıáram (Q) alapvetıen az anyagpár minıségétıl függ, amelyet ebbıl a szempontból a Seebeck-féle „termoerı” (e) jellemez. Megállapították továbbá azt is, hogy a hıáram annál nagyobb lesz, minél nagyobb a hımérséklet (T) és az átfolyó villamos áram erıssége (I).Az elméletileg várható hőtıteljesítményt (illetve az elméleti hatásfokot) azonban a valóságban kétfajta veszteség is csökkenti. Az egyik veszteség abból származik, hogy a „hideg” és a „meleg” fegyverzet között elhelyezkedı félvezetı-oszlopok nem hıszigetelık. Ezért méretüktıl és hıvezetési tényezıjüktıl (λ) függıen hıáram folyik vissza rajtuk vezetéssel a „meleg” oldalról a „hideg” oldalra, amely csökkenti a hőtıteljesítményt. Ez a veszteség annál nagyobb, minél nagyobb a két fegyverzet között a hımérsékletkülönbség. A másik veszteséget a félvezetıkön áthaladó villamos áram hıhatása okozza, az ún. Jouleféle hı. A félvezetı oszlopoknak ugyanis van bizonyos villamos ellenállásuk (R) is, amelynek nagysága a méretek mellett az anyag villamos vezetıképességétıl (σ) függ. A Peltier-elemben a félvezetık tehát üzem közben ellenállás-főtıtestként is mőködnek. A keletkezı hı, amely az 2 ellenállás (R) és az áramerısség négyzetének (I ) szorzatával egyenlı, főti a félvezetıoszlopokat. A viszonyok általában olyanok, hogy ennek a hınek kb. az egyik fele a „meleg” oldalra jut, a másik fele azonban a „hideg” oldalt terheli, és szintén hőtıteljesítményveszteséget eredményez. Ezek a hıveszteségek természetesen csökkentik a termoelemnek a veszteségmentes esetben elvárható (elméleti) Q0 hőtıteljesítményét, illetve a termoelemes hőtés hatásfokát. A minél nagyobb hőtıhatás elérésére tehát mindenekelıtt olyan anyagokat (anyagpárokat) kell 7
kiválasztani, amelyek nagy termoerıt (e) szolgáltatnak. Ezen túlmenıen pedig a hıátvezetésbıl származó veszteségek csökkentése érdekében kis hıvezetési tényezıjő (λ) anyagok kellenének, a Joule-hıveszteség csökkentése szempontjából pedig ugyanakkor nagy vezetıképességő (σ) anyagokra lenne szükséges. A fémanyagoknál ezek a feltételek nem jól teljesülnek, épp ezért nem is váltak be. A felsorolt „kívánságokat” az ún. „Z–faktor” (Z2 tényezı) foglalja össze: Z = e · σ / λ. Ennek a tényezınek a számszerő értékével szokták a termoelektromos hőtıelem hatékonyságát jellemezni. A veszteségek nagyságát tovább vizsgálva könnyő belátni, hogy azok a félvezetık geometriai méreteivel is kapcsolatban vannak. Egy adott keresztmetszető félvezetı oszlop ellenállása, és így a rajta átfolyó áram hatására keletkezı veszteséghı is annál nagyobb, minél hosszabbak az oszlopok, vagyis minél nagyobb a „hideg” és a „meleg” fegyverzetek távolsága. A két oldal közti hıátvezetés miatt keletkezı veszteségek viszont ellenkezı értelemben változnak, vagyis csökkennek, ha ezt a távolságot növeljük. Meg kell tehát találni a tervezett áramerısséghez tartozó optimális geometriai méreteket (avagy az adott méretekhez tartozó optimális áramerısséget), ahol a veszteségek összege a legkisebb. Mindezek figyelembevételével született meg az ábrán is látható konstrukció.
4.kép Peltier elem felépítése
5.kép Peltier elem alkotó részei
8
6.kép Peltier elem alkotó részei. Bal oldalon összekötı vezetı lapok, jobb oldalon félvezetı oszlopok A Peltier-elemek üzemviszonyait vizsgálva a következı fontos megállapításokat tehetjük: Állandó nagyságú főtés, vagyis állandó áramerısség mellett a Joule-hıveszteség nagysága állandó. A hıátvezetés okozta veszteség azonban állandó áramerısség mellett is változik, ha a „meleg” és „hideg” oldal között létrejövı dT = T-T 0 hımérsékletkülönbség változik. Ha nagyobb üzemi hıfokkülönbség szükséges (pl. ha kisebb hımérsékleten akarunk hőteni), növekedni fog a hőtıteljesítmény-veszteség is, és csökken a hasznos hőtıteljesítmény, valamint a hatásfok is. A hőtıelem mőködési hıfokhatárai tehát nem korlátlanok. Van a hőtıelem számára egy maximálisan megvalósítható hımérsékletkülönbség (dTmax), amelynek elérésekor a hıveszteségek már teljesen felemésztik a termoelektromos hőtıhatást, és nem marad hasznosítható hőtıteljesítmény. (Itt tehát Q 0 = 0, és a hatásfok is η = 0 lesz.) A „meleg” és „hideg” oldal között maximálisan elérhetı hıfokkülönbség az elempár talán legfontosabb jellemzıje. Ez a dtmax-érték szoros összefüggésben van a 2 hatékonyságot jellemzı „Z”-faktorral is: ∆T max = 0,5 x Z x T 0 . Fajlagos hőtıteljesítmények( lásd 1. táblázat ) nagyságrendileg elmaradnak a kompresszoros hőtıberendezésektıl azonos üzemviszonyok mellett elvárhatóktól, de még a villamos főtéső abszorpciós rendszerő hőtıberendezések közismerten kedvezıtlen fajlagos hőtıteljesítményénél is rosszabbak. Fogyasztásuk nagyobb, mint a közismert rendszereké. A táblázatban szereplı Peltier-elemek „hatásfokának” alakulását mutatja be a mindenkori o ∆T=T–T 0 üzemi hımérsékletkülönbség függvényében, különbözı (42, 41 és 30 C-os) „meleg”-oldali hımérsékletek esetén. Jól látszik, hogy a hatékonyság milyen nagy mértékben függ a „Z”-faktortól. Az ábrán egy harmadik, rendkívül alacsony hatékonyságú Peltier-elem (Z=0,679·10-3 [1/K]) karakterisztikája is látható, amely csak gyakorlatilag használhatatlanul kis hıfokkülönbségek létrehozására képes. A kutatók a múlt század közepén, a félvezetık terjedésének hıskorában nagyon reménykedtek, hogy kezdeti sikereik alapján a „Z-faktort” jelentısen növelni tudják Azt jósolták, hogy a termoelektromos hőtés rövidesen felveheti a versenyt a hagyományos hőtési rendszerekkel, elsısorban az abszorpciós hőtési rendszerrel, de talán még a kompresszorossal is. Ezek a remények azonban napjainkra szertefoszlottak. A mai ismeretek szerint a „Zfaktor” elérhetı felsı határa kb. a Z=4·10-3 [1/K] érték. Ez pedig azt jelenti, hogy egy még viszonylag kicsinek tekinthetı, 30 K körüli hımérsékletkülönbségnél sem nagyon lehet elérni 15%-nál jobb hőtési „hatásfokot”.
9
A következı táblázatban egy korábbi és egy újabb félvezetı-párral alkotott Peltier elem jellemzıit ismertetjük.
1. táblázat o
A fenti táblázat adatai T = 325 K (t=+52 C) „meleg” oldali hımérsékletre vonatkoznak. A T0min hımérséklet az a legkisebb „hideg” oldali hımérséklet, amelyet a tervezett (optimális) áramerısség alkalmazásakor határértékként ilyenkor el lehet még érni, a dT max pedig az ilyenkor megvalósítható maximális hıfokkülönbség. (A hatásfok, mint említettük, itt η = 0, vagyis hőtıteljesítmény már nincsen.) Az utolsó két sorban arra találhatók adatok, hogy -25 o o C illetve +10 C „hideg”-oldali üzemi hımérsékleteknél mekkora η max hatásfokot lehet a o szóban forgó +52 C „meleg”-oldali hımérséklet mellett elérni. A termoelektromos hőtés elterjedését azonban más tényezık is akadályozzák. A Peltier blokk hıfelvevı, illetve hıleadó felületei viszonylag kicsik. Meg kell oldani a hı hozzávezetését és elvezetését úgy, hogy ne alakuljanak ki a hıátadás során nagy hıfoklépcsık, amelyek a hatásosságot még tovább rontanák. Ámde a felületek egyszerő bordázása még ventilátoros levegımozgatással együtt sem oldja meg teljesen ezt a problémát, mert a blokkok kis felületén nem lehet korlátlanul bordákat elhelyezni. Jobb, de drágább megoldás egy párolgó/kondenzáló közeggel mőködı közvetett rendszer. Nem feledkezhetünk meg arról sem, hogy a termoelektromos blokkok egyenáramot igényelnek. Ha váltakozó áramról, hálózatról üzemeltetjük ıket, az egyenirányított áram „hullámossága” max. 5% lehet, tehát transzformálása és egyenirányítása után még szőrése is szükséges. Így azután a nagy energiafogyasztás elég nagy beruházási költségekkel is társul. A termoelektromos hőtésnek azonban vannak az egyéb rendszerekhez viszonyítva kétségtelen és utolérhetetlen elınyei. Ezek között a legnagyobb az, hogy, semmiféle mozgó alkatrész nincs, kopás nincs, és elmaradnak a hőtıközeggel kapcsolatos összes gondok is. Karbantartást nem igényel, és amennyiben mechanikai sérülés vagy nagyobb áram-túlterhelés nem éri, élettartama korlátlan. Bárhol telepíthetı, és abszolút zajmentes. Az elınyöket és hátrányokat összegezve azt mondhatjuk, hogy a termoelektromos hőtési rendszert általában csak ott célszerő alkalmazni, ahol az energia- és a létesítési költség a nyújtott elınyökhöz mérten nem játszik szerepet. Ilyen területek pl. a gyógyászat, a hőtött szállítás bizonyos esetei (a nálunk is forgalmazott kismérető hőtıládák), az őrhajózás, és néha a klímatechnika is. Elsısorban a kisebb hőtıteljesítményt igénylı feladatok jönnek szóba, de ellenpélda is van: az atommeghajtású tengeralattjárók klimatizálását pl. termoelektromos hőtıelemekkel oldják meg. Nagy hatékonyságú félvezetıs termoelemeket termoelektromos generátorként is lehet használni, korlátozott feszültségő (és teljesítményő) egyenáram fejlesztésére. Egy ilyen – már ki is próbált – lehetıség a jármőmotoroknál adódik. A kipufogógázokkal vagy meleg hőtıfolyadékkal főtött, és egy ventilátor segítségével levegıvel hőtött termoblokkokkal egyenáramot lehet fejleszteni, akkumulátort lehet tölteni, és (legalább részben) meg lehet takarítani a generátor hajtására fordított energiát. 10
Peltier elemek alkalmazása A Peltier elemes hőtést (thermoelectric cooling,TEC)viszonylag sőrőn használják a számítástechnikában, de más mobil alkalmazásoknál is gyakran elıfordul (szerv- és vérszállítás, autós hőtık stb.). Elınye a többi hőtési eljárással szemben az hogy nem tartalmaz mozgó alkatrészt így mobil kis helyigényő hőtések terén elıszeretettel használják. Elınye még a kompresszoros hőtésekkel szemben, hogy közel korlátlan az élettartama, mechanikailag egyszerő felépítéső a hőtıberendezés és nincs benne illékony munkagáz. Egyben óriási hátránya a rossz hőtési hatásfok, ezért csak erıs kompromisszumokkal lehet alkalmazni.
Peltier elem használata számítástechnikában Gyakran elıforduló probléma a számítástechnikában, hogy a központi processzor(CPU) hőtése komoly problémát jelent. Egyik megoldás a TEC használata hőtésre. Említett tulajdonságok miatt egyszerően megvalósítható. Példaként egy vízhőtéses TEC kerülne bemutatásra:
7-8. kép Peltier elemes CPU hőtés mőködés közben Hőtı mőködése a Peltier-effektusra alapoz, hıpumpaként a központi processzor hıjét elvezeti egy vízhőtı blokkos hıcserélıre. Hőtés elınye, hogy a hagyományos lég/vízhőtéssel szemben, elérhetı a szobahıfok alatti hımérséklet.
11
Hőtıeszköz ezen tulajdonsága nagy népszerőségnek örvend „ számítógép tuningosok” körében. Peltier elemeknél gyakran elıforduló szendvicsszerkezet alkalmazzák(hőtendı felület, Peltier elem, hıleadó felület.) Képen látható eszköz esetében a Peltier elemet hőtı közeg víz, a fajlagos felületre esı magas disszipáció miatt. Kisebb teljesítményő eszközök esetén, gyakran alkalmazzák a nagy hőtıborda felülető forszírozott léghőtést is. Thermaltake SubZero4G típusú hőtı névleges teljesítménye 440W, ezért nem tekinthetı energiatakarékos hőtı eszköznek. Magas fogyasztása és a heatpipe(hıcsı) technológia elıretörése miatt nem terjedt el ez a fajta hőtési mód.
Peltier elem használata akvarisztikában Lényegében egy nyitott rendszerő folyadékhőtıt alkalmaznak, amiben a hőtött közeg az akváriumvíz. A vizet külön szivattyúval, vagy a külsı szőrı elmenı körét használva áramoltatják. Az akváriumhőtı mőködése az ábra alapján könnyen megérthetı.
9. kép akvárium hőtés Peltier elemmel Rendszer felépítése víz/levegı hőtési eljárást követi. Felépítésébıl adódóan a hıelvezetés biztosító hőtıborda mérete, felülete, forszírozott levegı légárama erısen befolyásolja a hőtés hatékonyságát. Hőtendı víz magas fajhıje, akvárium nagy felületébıl adódó hıelnyelı képessége magas, ezért beépített Peltier elem teljesítménye számottevı. 100l és alatti akváriumok esetén még gazdaságosan kivitelezhetı a hőtırendszer , közelítıleg 150W névleges teljesítményő elemre van szükség. Nagyobb akváriumok esetén már olyan magas teljesítményre (>400W) van szükség, hogy megkérdıjelezi a gazdaságosságot. Alkalmazása nem terjedt el a magas villamos fogyasztás és a rendszer bekerülési költségei miatt.
Peltier elemek használata mobil hőtıként Ezt a megoldást kismérető hőtıeszközökben alkalmazzák, pl. gépkocsi szivargyújtó csatlakozóról mőködtethetı hőtıtáskákban. Elınye, hogy nem igényel hálózati feszültséget, gépkocsi akkuról is üzemeltethetı. Hőtés felépítése a levegı/levegı elvet követi. Képen látható hogy a hőtıtáska belsı felén egy ventillátoros légkeringtetés biztosítja az egyenletes
12
hıáramlást a hőtın belül. Tetı külsı felén helyezkedik el a hıelvezetést biztosító nagy mérető hőtıborda.
Rendszer paraméterei: Tápfeszültség: 12 V egyen-, és 230 V váltófeszültség Őrtartalom: 22 l Hőtırendszer: Peltier (termoelektromos) rendszer Átlagos teljesítmény: 48WHımérséklet tartomány: hőtés: -20°C környezethez képest; főtés: 65°C-ig Fedél: cserélhetı (hőtı / szigetelı) Hordfogantyú: fedél elé hajtható, hosszanti irányú Minıségi tanúsítvány: TÜV/GS, Ejóváhagyási jel Külméretek (HxMxSz): 395 x 425 x 255 mm Saját tömeg: 4,8 kgSzíne: kék-fehér Hıszigetelés: poliuretán hab
10. kép termoelektromos hőtıtáska Rendszer speciális verziója a vér és szervszállításra alkalmas hőtıtáskák. Mőködési elve ugyan az, mint az elıbb említett hőtıtáskáknak. Különbség csak annyi hogy a hőtés megbízhatóságát növelik hıtárolós akkukkal vagy kémiai úton hőtı folyadékokkal.
Peltier elemek egyéb alkalmazása CCD chip hőtése: Hőtés alkalmazásával elérhetı, hogy a termikus zajból eredı pixelhibákat kiküszöböljék éjszakai fotózás esetén. Profi kameráknál és alkalmazásoknál, ahol nem jelent(het) gondot a folyékony nitrogén vagy oxigén kezelése, ott ezekkel hőtik a kamerákat. Amatır célokra ezek a beszerzés és tárolás, valamint a kezelés nehézsége miatt nem alkalmasak. Olcsó, és viszonylag egyszerő o megoldás azonban Peltier elem alkalmazása, amivel stabil, -20 C -os hımérséklet érhetı el. Harmatpont mérés: A harmatpont mérés hasonló módon mőködik, mint a relatív páratartalom érzékelık, csak sokkal bonyolultabb integrált áramköri megvalósítást igényelnek. A harmatpontmérés lényege, hogy a mérendı közeget fokozatosan le kell hőteni, majd a vízpára megjelenését figyelni. Az integrált mérıelem mindössze egyetlen szilíciummorzsán van kialakítva, egyik oldalára egy Peltier-elemet vittek fel,
13
a másik oldala a mérırendszer. A mérırendszer közepén hımérséklet érzékelı tranzisztor van, amelyet három oldalról vesznek körül a jó hıcsatolás érdekében a kapacitív páraérzékelı kondenzátorok. A páraérzékelı kondenzátorok egyszerő, fésős kialakítású kondenzátorok, amelyeknek dielektrikuma a szilícium-dioxid. Ez a kapacitás mindaddig nem változik jelentısen, amíg a levegı páratartalma el nem éri a telített állapotot. A Peltier elem hőtése következtében azonban a pára kicsapódik, ez rákerül a kondenzátor dielektrikumára. A víz mintegy 80 -as permittivitása jól észrevehetı változást okoz a kapacitásban. A feldolgozó elektronikának ezt a meredek kapacitásváltozást kell érzékelni és ekkor érzékelni a hımérsékletet, amely a harmatpont értéke lesz. Precíziós hılapok, laborberedezések: Gyakran elıforduló probléma, hogy a vegyszereket ,oldatokat, precíz hımérsékleten kell tartani a kívánt reakció elérése érdekében. Nagy elınyt jelentenek a Peltier elemes hőtı/főtılapok. Precíz hıtartást és kalibrálást lehet elérni az eszközökkel. Olajipari mobil mérıkészülékek: Lobbanáspont-mérés, olajipar (dízelgázolaj, biodízel, kenıanyagok, használt olajok mérése), gyógyszeripar (alapanyag és végtermék ellenırzés), vegyipar, veszélyes hulladék mérés, szállítási osztályba sorolás, mobil laboratóriumok, stb.
14
Termoelektromos generátor projekt bemutatása Kereskedelmi forgalomba kapható Peltier-Seebeck elven alapuló hıelemek gyakorlati használhatóságának vizsgálata. Projekt keretén belül kialakításra kerülne 2 db mérırendszer, összehasonlítva 2 gyártó által forgalmazott terméket. Mérırendszer moduláris felépítése miatt, további hıelemek mérése is lehetıség adódik. Projekt munkaként részletes villamos és hıtani méréseket végeznénk pl.: villamos hatásfok mérése hımérséklet függvényében, villamos teljesítmény és munka mérése hımérséklet függvényében, stb. Gyakorlati megvalósítás követıen beilleszthetıvé válik a Kandó megújuló energiával foglalkozó részlegébe. Kialakítása lehetıvé teszi a Kandó jelenlegi használati melegvíz körébe való beszerelését.
Készülék rövid jellemzése Peltier elemeket szendvics szerkezetbe ágyazva, meleg oldalon használati melegvízzel főtve, hőtött oldal nagy mérető passzív léghőtéssel. Villamos áram termelése egyenáramú, így kis fogyasztású berendezéseket(világítás, mérırendszer, stb.) üzemeltethetı róla. Moduláris felépítésébıl adódóan bármikor átalakítható új mérendı hıelem vizsgálatához. Modul 500× 120×100mm-es hasábbal megegyezı mérettel rendelkezik. Modul szabványos vízszerelvénnyel csatlakozik a melegvíz hálózathoz.
Elvi rajz a modulról
11.kép TEG elvi rajza
15
Peltier elem, mint termoelektromos generátor A Bizmut-Tellúrit alapanyagú termoelektromos modulokat elsısorban hőtı/főtı alkalmazásokra készítik. Ezekben az alkalmazásokban a hőtımodulok két oldala között hımérséklet-különbség lép fel, villamos energia betáplálása révén. Azonban lehetıség van a modulok "fordított" használatára is: így villamos energia termelhetı. Ez a modul két oldala közötti hımérséklet-különbség alkalmazásával érhetı el. Habár az így termelt energia kevés, és a hatásfok is alacsony, hasznos energia nyerhetı olyan esetekben, mikor fölösleges hıforrás áll rendelkezésre. A termoelektromos modulok hőtı hatása a Peltier effektusnak köszönhetı, míg az energia-termelés a Seebeck-effektusból adódik. Utóbbi célra a modulokat azonban jobbára ólom-tellúritból ill. szilicium-germánium ötvözetbıl készítik, és jóval magasabb hımérsékleten mőködtetik.
A megfelelı modul kiválasztása Az alábbiakban olyan közelítı számítási módszer olvasható, mellyel Supercool modul választható adott feladathoz. Elsıként azt kell kiszámítani, hogy hány építıelemes modulra van szükség adott feszültség elıállításához. Majd azt kell meghatározni, milyen geometriájú építıelemekbıl álljon a modul. Seebeck-effektus Ha két különbözı vezetıbıl zárt áramkört készítünk és az egyik forrasztási helyet T, a másikat pedig T+dT hımérsékleten tartjuk, akkor a körben U = dT*α Feszültség keletkezik. A képletben α az ún. Seebeck-együtható, amely a felhasznált anyagkombinációra jellemzı, függ a hımérséklettıl, de a geometriától nem. Peltier-effektus Ez a Seebeck-effektus inverze. Ha ugyanezeken a vezetıkön I áram halad keresztül, akkor a forrasztási pontokon áramiránytól függıen hı nyelıdik el vagy keletkezik. Ennek mértéke: P = α*T*I ahol α a Seebeck-együtható, I az átfolyó áram és T az adott oldal abszolút hımérséklete. Joule hı Egy R ellenállású izoterm vezetıben idıegység alatt fejlıdı hımennyiségbıl származó hıteljesítmény, ha rajta I áram halad át. P = I 2*R = U 2/R, ahol I az átfolyó áram erıssége, U a két pont között mért feszültség, R pedig a vezetı ellenállása. Thomson-effektus Ha egy homogén vezetı mentén hımérséklet-különbséget hozunk létre, s ezen a vezetı szakaszon I áram folyik keresztül a hımérsékleti gradiens felé, akkor a vezetın hı nyelıdik el, illetve hı szabadul fel. Peltier-elemnél egyszer hı nyelıdik el másszor hı szabadul fel.
16
Ezek kioltják egymást ezért ezt az effektust a tanulmányozás során nem kell figyelembe venni. Hıvezetés A hıvezetés során a melegebb oldalról hıteljesítmény főti a hidegebb oldalt, ami ellentétes a Peltier-effektussal, ezért rontja a hatásfokot. A hıteljesítmény értéke: P = λ*A*dT/d ahol λ a hıvezetési együttható, dT a különbségi hımérséklet, A a felület és d a vastagság az adott elemnél. Ezen képletekbıl ki lehet fejezni a Peltier-elem energetikai viszonyait a hőtött és főtött oldalra nézve. P főtı = 0,5*I*U + α*Tm*I – λ*A*dT/d P hőtı = 0,5*I*U – α*Th*I + λ*A*dT/d P peltier = U*I = I 2*R = U 2/R Az építıelemek száma: N = 5000 * U / dT N: az építıelemek száma U: feszültség dT: hımérséklet-különbség a hideg és a meleg oldal között Az építıelemek geometriája: G = 10 * I / dT G: geometriai tényezı I: áram dT: hımérséklet-különbség a hideg és a meleg oldal között e=W*L/H e: adott modul geometriai tényezıje W: építıelem szélessége L: építıelem hosszúsága H: építıelem magassága Feladat: o
Állítsunk elı 2,5V feszültséget 1,4A áram-terhelés mellett, 95 C hımérséklet-forrás o és 25 C környezeti hımérséklet mellett. A valós hımérséklet-különbség a modul két oldala között kisebbre adódhat, mint a rendszer dT-je (hıforrás és környezet hımérséklete közötti különbség), pl. sugárzásos, ill. hıvezetési ellenállásból adódó veszteségek miatt. Ezeket a o veszteségeket számításba kell venni. Esetünkben 6 C veszteséget tételezzünk fel o o mindkét oldalon! Így Th=89 C meleg, és Tc=31 C hideg oldali hımérséklet adódik, o azaz dT=58 C. Tehát N = 5000 * 2 / 58 = 172,4, azaz 173 építıelemes modulra van szükség. 173 elembıl felépített hıelem nincs gyártás alatt, azért a számítás csak közelítı értéket adhat. Összeállított készüléken elvégzett mérés során tisztázhatóak pontosan a hıelem paraméterei
17
A geometriai faktor: G = 10 * 1,4 / 58 = 0,241 Így egy 173 építıelemes, körülbelül 0,241 geometriai faktorú modulra van szükségünk. A hatásfok kiszámítása Az alábbiakban a hatékonyság vagy hatásfok, azaz a "teljesítmény-hányados"(COP) kiszámításához szolgáló összefüggések olvashatók. Ehhez a modulon átáramló hıenergia mennyiségét is meg kell határozni. A hatékonyság tehát a megtermelt villamos energia és a modulon átáramló hıenergia hányadosa, százalékos arányban kifejezve. COP = Po / Ph COP: hatékonyság Po: villamos teljesítmény; Po = U * I Ph: hıteljesítmény Kevésbé pontos, de könnyen használható képlet: COP = dT / 1500 dT: a hımérséklet-különbség A modulon átáramló hıenergia mennyisége: Ph = 0,03 * (N * dT * G) Ph: a modulon átáramló, azaz a bevitt hıenergia N: a modul építıelemeinek száma dT: hımérséklet-különbség a meleg és a hideg oldal között G: geometriai tényezı Feladat: Határozzuk meg a hıelem hatékonyságát az elızı alkalmazásban, tehát: o 2,5V / 1,4A villamos energia termelése58 C hımérséklet-különbség mellett. Megoldás: A termelt villamos energia: Po = 2,5V * 1,4A = 3,5W A modulon átáramló hıenergia: Ph = 0,03 * (173 * 58 * 0,241) = 72,54W A hatékonyság: COP1 = 3,5 / 72,64 = 0,04824 azaz 4,8% vagy a kevésbé pontos módszerrel: COP2 = 58 / 1500 = 0,0386 azaz 3,8% A modul kapcsain mérhetı feszültség: U = (N * dT) / 5000 U = (173 * 58) / 5000 = 2V Eredményeket figyelembe véve HB Brand Electronic Components cégtıl származó TEC112715S 50×50×5mm 129W-os modult választottam termoelem céljára.
18
Termoelektromos generátor(TEG) felépítése 1 db modul kiválasztásakor feltételként 3,5W termelt elektromos teljesítmény volt a cél. Kialakításra kerülı mérıberendezés/termogenerátor feltételeinek kevés 1db modul, ezért a készülékben 10db modul helyezkedik majd el. 10db modul hıigénye is 10×-es, ezért 724,4Wra főtıteljesítményre van szükség. Megnövekedett hıigényt az épületben helyezkedı o használati melegvíz, vagy erre a célra kialakított zártkörös túlnyomásos(max.125 C) vízkör biztosítaná. Mérıberendezés/termogenerátor(továbbiakban mérıpad) jövıbeni megvalósítása lehetıvé tenné a Kandó számára az összes fellelhetı és új termoelem mérését.
Mérıpad egyszerősített robbantott rajza:
12. kép mérıpad robbantott ábrája
19
Mérési elrendezés Peltier egyenáramú kimenete megkönnyíti a mérés módját. Figyelembe kell venni a termogenerátor belsı ellenállását és erre kell méretezni a mőterhelést. TEC1-12715S 50×50×5mm 129W-os modult azért választottam a számításokhoz közelítı értékein kívül, mert kellıen alacsony a belsı ellenállása. Mérés kapcsolási rajza:
20
Méréshez szükséges eszközök:
10db TEC1-12715S Peltier elem 2db nagy pontosságú hıáram mérı 4db Pt 100-as hımérı szenzor 1db Deprez áramérı 1db digitális árammérı 1db Deprez feszültség mérı 1db digitális feszültség mérı 1db Wattmérı 1db Digitális Watt és fogyasztásmérı 1db Laing DC vízhőtı pumpa 1db vízhőtıblokk 1db 500×110×37mm nagy felülető hőtıborda Mőterhelés(változtatható tolóellenállás) Villamos kábelek és vízszerelvények Hıszigetelés
Ideiglenes mérıpad mérési eredményei
14. kép TEC1-12715S 50×50×5mm
15. kép demonstrációs eszköz
21
Ideiglenes mérıpad jellemzıi:
Hőtıborda mérete: 70×58×40mm Peltier elem: 2db ismeretlen típus Mőterhelés: 3db magas fényáramú sárga LED( 2.1V 75mA) Árammérı: Maxwell MX-25-304 Feszültség mérı: Fluke 77 digitális multiméter Hıforrás: kis mérető gázláng, kb.150W főtıteljesítménnyel
Egyszerősített felépítését az indokolja, hogy demonstrációs darabként könnyen szállítható és bemutatható legyen Mérés eredményei: Umax: 2.02V Imax : 31.3mA Pmax = U×I=2.02V×31.3mA= 0.06363W= 63.63mW Közelítı meleg oldali hımérséklet:
150C
Közelítı hideg oldali hımérséklet :
75C
COP = dT / 1500 COP = 75C/1500= 0.05 5% hatásfok Ellenırzés: Hasonlítsuk össze a számolt hatásfokot és a mért teljesítménybıl származtatott hatásfokot COP = 0.06363W/ 50W= 0.127% hatásfok, ellenben a számolt hatásfok 5%. Mérés kiértékelése: Fotókon látható elrendezés mérési eredményei és a számolt értékek elsı látszatra ellentmondásosnak tőnhet. 1 nagyságrendbeli eltérés mutatkozik számolt és mért érték között. Oka 3 tényezıre vezethetı vissza. Hıelemet terhelı fogyasztó azonos belsı ellenállásal rendelkezik, mint a hıelem, ezért önmagán is nagy teljesítmény esik. Második ok az elégtelen hőtés, dolgozatban tárgyalt jó hıvezetés miatt elégtelen a passzív léghőtés az eszközre. Harmadik ok, hogy közvetlenül nem tudtam mérni a hıelem 2 oldalán a hımérsékletet, ezért alkalmaztam a közelítı hımérséklet értékeket. Jelenleg dokumentált mérési eredmények tájékoztató jellegőek. Végleges verzió gyártás alatt áll. Jelenlegi formájában demonstrációs példányként tekinthetı, bizonyítva életképességét.
22
Mérés fotói
16. kép demonstrációs készülék nyugalmi állapotban
17. kép demonstrációs készülék üzem közben Upelt.: 1.044V
18. kép demonstrációs készülék üzem közben Upelt.: 2.2V Iplet.: 31.3 mA, jól látható mőködés közben a fogyasztó
23
Szilárdtest Elektromos Rendszer bemutatása Egy szegedi fizikus(Csíkszentimrei Kálmán) ismert fizikai jelenség vizsgálata közben, olyan mőszaki megoldást fedezett fel, amely alkalmazásával - a tudomány jelenlegi szintjét lényegesen meghaladva - hıáramból tudott közvetlenül elektromos energiát elıállítani. 2003ban megkezdıdtek a szerkezet és a rendszer kidolgozásának elıkészületei, a kutatás és fejlesztés, amely 2006-ban eljutott a bemutatható, effektust igazoló prototípus szintjére. Elkészítették a Szilárdtest Elektromos Rendszer leírását, a Rendszert alkotó elemeket, megépítették az energiaátalakításhoz használt szerkezetek gyártó gépeit, elkészítettünk többféle alkalmazási környezetbe helyezhetı mintadarabot. Jelenleg a gyártó gépsor automatizálása folyamatban van.
19. kép SZER mőködés közben Felhasználási területe napjainkban szinte korlátlan. Alkalmas többek között az ipari hulladékhı hatékony hasznosítására, az egyéb helyeken megjelenı, ez ideig nem hasznosított hulladékhı felhasználására pl. termálkutak , valamint a természetben elıforduló hımérsékletkülönbség elektromos energiává alakítására. A fejlesztés további ütemezésében lehetıség nyílik arra is, hogy a rendszer lehetıségeit kihasználva - elektromos energia betáplálását követıen - az eddig alkalmazott hőtı vagy főtı berendezések mőködési jellemzıit lényegesen kedvezıbb anyagi feltételekkel érjék el. A Szilárdtest Elektromos Rendszer használata lehetıséget biztosít arra, hogy családi házak vagy kisebb rendszerek energetikailag függetlenek legyenek. A rendszer a többi, már meglévı megújuló energiát felhasználó rendszerrel szemben rövidebb -reális, elfogadhatómegtérülési idıt biztosít.
Mi a szer? A Szilárdtest Elektromos Rendszer (SZER) félvezetı egységek struktúrájára épülı megoldás, amely energiaáramok átalakítására alkalmas, mozgó elemek nélkül. A mőködés alapja a Peltier-effektus, így a mőködéshez hımérsékletkülönbségre van szükség, következésképpen az energia átalakító egységek egy meleg (magasabb hımérséklető) és egy hideg (alacsonyabb hımérséklető) hıt felvevı, illetve hıt leadó oldallal (felülettel) rendelkeznek.
24
Alkalmazások Az energia átalakító egységek alapvetıen kétféle feladat ellátására készülhetnek: Egyik esetben hıszivattyú funkcióban az alacsonyabb hımérsékleten rendelkezésre álló hıt képesek magasabb hımérsékleti szintre emelni, miközben külsı egyenáramú villamos teljesítményt igényelnek. Így pl. alkalmas berendezés építhetı hőtıszekrények mőködtetésére, vagy a földhı hasznosítására stb. A másik esetben viszont a magasabb hımérsékletszinten rendelkezésre álló, és felvett hıenergiából közvetlenül egyenáramú villamos teljesítményt képesek leadni, miközben a felvett hı fennmaradó része az egység hidegoldali felületérıl elvezetendı. Minthogy ez utóbbi hıenergia is hasznosítható (pl. főtésre), ebben a funkcióban az un. kapcsolt villamosenergia-termelés valósul meg. Tehát az egység kapcsolt energiatermelésre alkalmas minierımő. E funkcióban szóba jöhet a napenergia hasznosítása (a napelemek és a napkollektorok szolgáltatásainak egyesítése), mindenféle alacsonyabb hımérsékletszinten rendelkezésre álló hulladékhı hasznosítása stb. A szerkezetek az egységek belsı struktúrájának alakításával, illetve egymáshoz való kapcsolódásukkal széles teljesítménytartományban építhetık meg, és a hımérséklet szintek is tág tartományban mozoghatnak. Mindezek alapján a gyakorlati alkalmazások széles körére nyílik lehetıség
Élettartambecslés A SZER egységei a mőszakilag megoldani kívánt feladatokat úgy látja el, hogy mőködés közben a rendszer jellemzıi nem változnak. Manapság nagyon kevés olyan gép, berendezés létezik, amely nem kopik, nem avul és a használati idı elteltével a számunkra fontos mőködési jellemzıi ne romolnának, vagy ne igényelnének rendszeres felújítást, karbantartást, pl.: gépjármővek motorja, klíma berendezések, stb. A megválasztott anyagok olyanok, hogy amennyiben a tervezett üzemi körülmények, és paraméterek között használják, a mőködés az anyagok szerkezetében nem idéz elı változást. A rendszerben kialakított berendezés élettartamát ma még nem lehet pontosan megjósolni. Az alkalmazott anyagokra az egyetlen károsító hatás az Nap ultraviola sugárzása lenne, de a rendszerek mőködési helye sugárzásától védett, illetve külsı a határoló felületek fémek. A legnagyobb károsító hatás a külsı felületeken elhelyezett fém alkatrészeket éri tekintettel arra, hogy a levegıvel érintkeznek és fellép valamilyen szintő oxidáció. A korrodált fém részek szükség esetén könnyedén cserélhetık. A fentiek alapján az élettartamra vonatkozó becslések biztonsággal meghaladják a 30-40 évet.
SZER történelem A Peltier effektus vizsgálata közben fedezte fel a Szilárdtest Elektromos Rendszert Csíkszentimrei Kálmán. A sokéves kutatást és fejlesztést követıen 2006 tavaszán került bemutatásra szők szakmai körben. A bemutató egyértelmően igazolta, hogy még kis hımérséklet különbség mellett is lehet használható mennyiségő elektromos energiát elıállítani. A kereskedelmi forgalomban kapható Peltier elem hideg és meleg oldala közötti távolság 5 mm környékén van. A Szilárdtest Elektromos Rendszer újdonsága a bemutató során abban is megmutatkozott, hogy a hideg és meleg oldal közötti távolság jelentıs
25
mértékben megnövelhetı, akár 700-800mm-re is. Ezáltal igazolódott, hogy hıszivattyúként akár ipari méretekben is használható A találmányokat szabadalmi bejelentések követék, a fejlesztés 2007 márciusában eljutott arra a szintre, hogy be tudjuk mutatni azt a hıszivattyú mintadarabot, amely már iparszerő, de még nem automatizált gyártási folyamatban született, és kifejezetten hıszivattyúzásra tervezett. Az effektus matematikai leírását, képlete egzakt módon igazolják a szerkezet mőködtetése során végzett ellenırzı mérések.
SZET A SZET alapegysége egy hasáb. A hasáb egyik "oldalát" a hıforrással, a másik, a vele szemben lévı "oldalát" pedig a hı nyelıvel (hőtött oldal) hozzuk termikus kapcsolatba. Ekkor a hıáram hatására a kivezetéseken elektromos feszültség jelenik meg és terhelés hatására energia nyerhetı. A környezeti paraméterekhez illeszkedıen széles tartományban alakíthatóak ki a különbözı rendszerek. A rendszerrel megoldható kapcsolt energiatermelés is. Ez esetben bármely más szerkezet, berendezés mőködése közben keletkezett hulladékhı hasznosítható a 90-100 ˚C hımérséklettıl akár a talajhı 5-10 ˚C hımérséklet különbségéig. Természetesen egészen más a belsı felépítése a különbözı feladatokat ellátó energiatermelı egységeknek. A napenergia hasznosítására is célszerően alkalmazható. Egyesíti a napelemek és napkollektorok funkcióit.
SZH A hıszivattyú alapegysége ugyancsak hasáb. A hasáb egyik lapján melegszik, a vele szemben elhelyezkedı másikon pedig hől. Ismert a belsı ellenállása, a termikus koefficiense, a hıvezetı képessége. Az ismert adatok birtokában tetszıleges hőtı - főtı egység méretezhetı. Amennyiben, pl. homokos talajból kinyerve a földhıt kívánjuk hasznosítani, a kereskedelmi egység 1 kW-os. A méretezés következtében el tudjuk érni, hogy akár egy lakás kazánját lecserélve, az "SZH kazán", esetenként kár 10 szeres jósági tényezıt mutasson. Elınye, hogy nem szakaszos üzemeléső, mint a gázbojler, hanem egy adott hımérsékleten tartja a keringı melegvizet. Külsı hımérséklettıl és a lakás belsı hımérsékletétıl függıen a főtıvíz hımérséklete a normál kazánhoz hasonlatosan változtatható. Ez esetben is a jósági tényezı a betáplált elektromos teljesítmény és a hıben hasznosított (leadott) teljesítmény hányadosa.
Újdonságok a SZER-ben Hagyományos Peltier Adott a kis távolság: 4,6mm Jó és állandó hıvezetı-képesség Hatásfok adott, nem változtatható Jósági tényezı adott, nem változtatható, 1 alatt van Belsı ellenállás adott, nem változtatható
SZER Távolság igény szerint beállítható, legalább egy nagyságrenddel jobb. Hıvezetı képesség igény szerint beállítható Hatásfok lehetıségeken belül beállítható Jósági tényezı lehetıségeken belül állítható
26
Félvezetı ára 1kg 3,000.-E Telluriumot tartalmaz, melybıl a világon kevés van, tehát tömegtermelésre nem alkalmas.
Belsı ellenállás igény szerint változtatható Félvezetı ára 1kg 10.-E Korlátlan mennyiség áll rendelkezésre
Precíziós öntı-kristályosítás A hagyományos eljárások rendkívül költségesek, és nagy mennyiségő anyag elıállítására nem alkalmasak. Az elıállított anyagoknak grammos ára van 1g ára 750 Ft.körül mozog. Kidolgozták a félvezetı gyártás új módszerét. Megoldották a nagy mennyiségő automatizált félvezetı elıállítást. A nagy mennyiségnek tekintjük a tonnás értékeket. Kilogrammonként 2500 Ft.- körül van az önköltségi ára. A berendezés főtése megoldható indukciós elven, vagy elektromos főtıszállal. A szerkezet rendkívül sok fajta nem félvezetı anyag öntésére is alkalmas.
Tartószerkezet
20. kép hagyományos és SZER belsı felépítése A félvezetı kristály nem terhelhetı sem tengelyirányban, sem tengelyirányra merılegesen, sem csavaró igénybe vételnek nem áll ellent. Szükség van tartószerkezetre. Az eddig alkalmazott megoldások két csoportra oszthatóak. Az alkalmazott megoldásokban a félvezetı, mint tartószerkezeti elem is szerepet játszik. A tartószerkezet gerincét a kerámia lapra erısített lapkák, és ehhez forrasztással rögzített félvezetı rudacskák alkotják. A kerámia lapra merıleges terhelést a kerámia lapon kívül a félvezetı párok is hordozzák, a kerámia lappal párhuzamos terhelést szintén a kerámia lappon kívül a félvezetı párok is hordozzák, a csavaró igénybevétellel kapcsolatban hasonló a helyzet. A másik megoldás a félvezetı párokat a hıáramlásra merılegesen, a párok hosszirányára merılegesen szorító rögzítés megfeszíti. Az említett irányban átfúrt lyukba hosszú csavar kerül, a végén az anya meghúzásával. A megfeszítést hatására a teherbíró képessége valóban megnı, de kristályos anyag ezt a feszítést nem viselné el, már a feszítés hatására sérülne az anyagszerkezet. Az eddig alkalmazott megoldások nem alkalmasak az új feladat ellátására, a félvezetık nincsenek hermetikusan elzárva a környezettıl. Megoldottuk a félvezetı kristályok tehermentesítését. A tartószerkezet egyben hıszigetelı is és hermetikusan
27
lezárja a szerkezetet a környezettıl. Az új megoldással hermetikusan zárt térben tartják a félvezetıket. Alkalmas vízben, talajban, stb... ellátni a feladatát károsodás nélkül. A tartószerkezet széles hımérséklet intervallumban képes a szerepét betölteni és nem okoz problémát a hıtágulás sem. Megoldottuk az elkészült berendezés termikus illesztését a hıgyőjtıhöz és hınyelıhöz.
Félvezetık forrasztása A technika jelenlegi állása szerint erre a problémára a megoldások költségesek. Többek között ismert a kolloid ezüst, fémszórás stb. Megoldásunk olcsó és egyszerő, könnyen automatizálható. A jó forrasztások eredményeképpen elértük, hogy a rendszer tartósan elviseli a 150 ˚C-t. Várható még ennél magasabb hımérséklet is.
Nagy teljesítményő hıszivattyú Kereskedelmi forgalomban kapható Peltier elem. A hideg és meleg oldal közötti távolság nem haladja meg 5mm -t. A SZER új megoldásai: A hideg és a meleg oldal közötti távolság több mint egy nagyságrenddel változhat. A hideg és meleg oldal között a hıszigetelı képesség jobb. A tartószerkezet egyben hıszigetelı is. A hideg és meleg oldal közötti nagy távolság indokolttá teszi, hogy a hıáramlással párhuzamos irányban a környezet szigetelt legyen. Az alkalmazásnak megfelelıen, igény szerint a tartószerkezet szélesíthetı és ezzel a hıszigetelı képessége növelhetı. A továbbiakban néhány minta jellemzıi kerülnek felsorolásra. A 4. sorozat a fél-automatikus ill. automatikus gyártással elıállított egységek.
1. diagramm
28
A fenti diagram az egyik kísérleti hıszivattyúnk mérési paramétereit tartalmazza. A jósági tényezı változásait ábrázolja a hımérséklet különbség függvényében. A fenti eredményeket már jelentısen meghaladtuk. A változás nagyon látványos. Amennyiben hagyományos Peltier elem elenne a következı adatokkal lehetne jellemezni. A Seebeck együttható:
, Belsı ellenállás: R= 3Ω 0,5 A mellett a bevitt elektromos teljesítmény P=0,75 W, a hideg oldali felületen P=9 W hıt von el (azaz hőt). Keresztmetszeti méret 7,5*7,5 cm, a magasság 37 cm .
2. diagramm 29
Nagy teljesítményő SZET Az energia termelık számozása is hasonlóképpen az elıbb említettekkel a 4. sorozat a fél-automatikus ill. az automatikus gyártással készült egységeket jelöl Az automatikus gyártással készült egységek mőszaki paraméterei eltérnek a kézzel gyártott egységekhez képest. Az eltérés fı oka a kézi gyártás bizonytalansága. A kézi gyártásban tapasztalatot szereztünk. Ezek alapján egyértelmően kiszámolhatóak a 4. sorozat paraméterei. Kézi gyártás közben kialakultak a matematikai összefüggések, amelyek pontosan jellemzik az egységeket. A mérések ezeket, az összefüggéseket pontosan igazolják. Ezek alapján az automatikus gyártással készült egységek paraméterei számolhatóak. Az 5. sorozat 650-700 °C -os technológiát jelöli. Ennek a technológiai rendszernek a fıbb elmei már rendelkezésre állnak, az ezt a hımérsékletet elviselı félvezetı, tartószerkezet, stb. Hátra van a rendszer összeállítása tesztelése.
Kézi gyártás Tömeggyártás (4. sorozat) Méretek: 78*78*84 mm 10,5*10,5*74 mm Termal koeficient: 7,2 mV/˚C 6,3 mV/˚C Belsı ellenállás : 0,7 Ω 0,043 Ω 21. kép SZET Szeged 3/73/4
30
Kézi gyártás Tömeggyártás (4. sorozat) Méretek: 78*78*50 mm 10,5*10,5*44 mm Termal koeficient: 7,2 mV/˚C 6,3 mV/˚C Belsı ellenállás 0,38 Ω 0,025 Ω 22. kép SZET Szeged 3/40/4
Termoelektromos generátorok alkalmazása az iparban Jelenleg használt modulok nem alkalmasak az ipari szintő használatra. Félvezetı gyártáshoz használt fémek és adalékok drágasága és szőkössége megakadályozza az árcsökkenést, tömegtermelést. Komoly problémát okoz a jelenlegi technikával gyártott hıelemeknél a jó hıvezetés, ezért nehézkes jó hatásfokú termoelektromos generátort építeni. Meg kell még említeni a magas belsı ellenállást, nagyobb teljesítményő rendszerek esetén komoly illesztési problémát okoz, drágítva a hozzá illeszkedı fogyasztókat. İsszegezve a jelenlegi elemek, szők korlátok között alkalmazhatóak. Mérés célja is ez volt, hogy felderítsük, hogy milyen paraméterekkel rendelkeznek az elemek. Dolgozat háttérkutatása során bukkantam rá a Szenergia Kft.-re. Meglepı állításaikat fenntartással kezeltem, ezért felvettem velük a kapcsolatot. Hosszas beszélgetés után egy személyes találkozóra került sor, megtekintve az említett eszközöket. Meggyızı bemutató után tárgyalást folytattunk egy kölcsöndarab mérésére, de ebben nem tudtunk megegyezni. Kialakítandó mérıpadot úgy terveztük meg, hogy SZET-et is be tudja fogadni. Ezért véleményem az, hogy iskolánk érdeke egy ilyen kivételesnek mondott eszköz bevizsgálása. Ha igazak az állításaik, kimérhetı minden paramétere és igazolást, vagy cáfolást nyer az eszköz életképessége. Maga az eszköz szinte korlátlan felhasználási területen alkalmazható. Gázturbinák füstgázának hıenergiája, termálkutak hévízhasznosítása, magas hatásfokú hıszivattyú, hıerıgépek hasznosításán kívül számos területen alkalmazható még. Végleges mérıpad választ ad a kérdésekre. Összehasonlítva a jelenlegi és új magyar fejlesztést kiderül hogy mi az igazság. Ebben válik fontossá, és érdekessé a téma.
31
Irodalomjegyzék: http://goliat.eik.bme.hu/~vanko/labor/kutato/NB.pdf http://edak.cellkabel.hu/fok/kiir.php?azonosito=66 http://www.anton-paar.hu/olaj-hordoz.html http://ccd.mcse.hu/ccdalap/ccd3.html http://www.datapress.hu/ http://www.hwsw.hu/oldal.php3?cikkid=177&oldal=1 http://www.datapress.hu/dokumentumok/dir8/116_7_peltier_power_new.pdf http://www.vgf.hu/hkl/hutestechnika.php?action=viewfull&ID=69 http://www.ddkkk.pte.hu/alkfiz/konyvtar/elektromossagtan/3/e3_ea.htm http://www.szenergia.hu/html/szenergia/szilardtest_elektromos_rendszer/szer_leiras/miaszer_ 20070620.html http://hu.wikipedia.org/wiki/H%C5%91m%C3%A9r%C5%91 http://www.hardwareoc.hu/index.php/p/articles/cid/3/y/34.html
32
