1

Zespół Elektrotermii

Laboratorium Termokinetyki

Ć

wiczenie 2.

Zjawiska cieplne w ogniwie Peltier’a

1.

Zasada działania ogniw Peltiera

Działanie modułów termoelektrycznych, zwanych najczęściej ogniwami Peltier’a,

opiera się na pięciu podstawowych zjawiskach fizycznych:

A)

Zjawisko Peltiera,

B)

Zjawisko Joule’a,

C)

Przewodzenie ciepła,

D)

. Zjawisko Seebeck’a,

E)

Zjawisko Thomsona.

A.

Zjawisko Peltiera

W roku 1834 Jean C.A. Peltier odkrył, że na złączu dwóch różnych metali, przy

przepływie prądu w jednym kierunku, złącze wydziela ciepło, natomiast w drugim –

pochłania ciepło. Pokazano to na rys. 1. Ilość wydzielanego, lub

Rys. 1. Zjawisko Peltier’a

pochłanianego ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu i zależy też od zastoso-

wanych materiałów.

2

W przypadku złącza dwóch różnych metali ta ilość ciepła jest bardzo mała, dlatego

w praktyce wykorzystuje się półprzewodniki odpowiednio domieszkowane, na przy-

kład tellurek bizmutu (Bi

2

Te

3

). Mimo to ilości ciepła wydzielanego lub pochłanianego

na pojedynczym złączu nie są zbyt duże. Aby zwiększyć moc cieplną należy zwięk-

szyć natężenie prądu (co napotyka na pewne ograniczenia), albo zastosować większą

ilość ogniw. Schemat takiego modułu i zasadę jego działania pokazano na rys. 2.

Moduł ma dwie płytki ceramiczne tworzące dwie płaszczyzny, a pomiędzy tymi

płytkami umieszczono wiele półprzewodników typu p oraz n , połączonych elektrycz-

nie szeregowo za pomocą miedzianych płytek, zaś pod względem cieplnym - równole-

gle. Płytki ceramiczne zapewniają sztywność mechaniczną, są dobrą izolacją elek-

tryczną i dobrze przewodzą ciepło.

Podstawą działania modułu jest złącze p-n, wyróżnione na rys. 2.

Rys. 2. Zasada działania modułu Peltier’a

Pokazano tu kierunek przepływu prądu, jak wiadomo przeciwny ruchowi elektro-

nów. W półprzewodniku typu p nośnikiem prądu są dziury, czyli braki elektronów do

pełnego obsadzenia górnego poziomu (pasma) energetycznego. W półprzewodniku

typu n występuje nadmiar elektronów, wspomniane wcześniej pasmo energetyczne jest

całkowicie zapełnione i nadmiarowe elektrony znajdują się z konieczności już w na-

stępnym paśmie energetycznym.

3

Elektron będący na orbicie ma jakąś energię potencjalną, zależną od odległości od

jądra - czym wyższa orbita, tym energia ta jest większa. Przechodząc z wyższej orbity

na niższą, elektron oddaje energię, a żeby "wskoczył" na orbitę wyższą, musi skądś

otrzymać energię. W ogniwie Peltier’a elektrony o niższej energii z półprzewodnika

typu p przechodzą do półprzewodnika typu n, gdzie z konieczności muszą mieć wyż-

szą energię. Obecność pomiędzy nimi miedzianej płytki niczego nie zmienia. Elektro-

ny te muszą w jakiś sposób zwiększyć swoją energię, czyli pobrać skądś energię. Po-

bierają ją w postaci ciepła. Tym samym złącze p-n pochłania ciepło z otoczenia. Górna

płytka modułu będzie więc chłodzona. W module Peltier’a występuje nie jedno, lecz

wiele takich złącz. O ile na rysunku w sąsiedztwie górnej płytki, przy podanym kie-

runku prądu, występują złącza p-n, to przy dolnej płytce występuje taka sama ilość

złącz n-p.

Zgodnie z podaną wyżej zasadą, elektrony z pasma przewodzenia półprzewodnika

typu n, przechodząc do niższego pasma walencyjnego półprzewodnika typu p oddają

cześć swojej energii w postaci energii cieplnej. A więc na złączu n-p wydziela się

pewna ilość ciepła - dolna strona modułu będzie podgrzewana.

Przy zmianie kierunku prądu, dotychczasowe złącza p-n staną się złączami n-p (i

na odwrót), i ciepło będzie pobierane na dolnej stronie modułu, a wydzielane na gór-

nej.

W module Peltier’a ciepło pod wpływem przepływającego przezeń prądu elek-

trycznego jest transportowane z jednej płaszczyzny na drugą.

Moduł Peltier’a jest pompą ciepła, transportującą ciepło w kierunku zależnym

od kierunku prądu.

Wydawałoby się, że ilość ciepła pochłoniętego na stronie zimnej jest równa ilości

ciepła na stronie gorącej. Tak jednak nie jest.

Z podanej zasady działania można wywnioskować, iż zdolność transportu ciepła

jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu. Wydawałoby się, że czym większy prąd

tym lepsze chłodzenie strony zimnej. Sprawa nie jest jednak aż tak prosta.

Wcześniej wspomniano, że działanie modułu Peltier’a związane jest przynajmniej z

pięcioma zjawiskami fizycznymi, z których zjawisko odkryte przez Peltier’a jest naj-

ważniejsze. Drugie pod względem znaczenia jest zjawisko Joule’a.

4

B.

Zjawisko Joule’a

Efekt Joule'a polega na wydzielaniu się ciepła podczas przepływu prądu przez

przewodnik o niezerowej rezystancji. Przy przepływie prądu będzie się w tej rezystan-

cji wydzielać ciepło zwane ciepłem Joule'a. Wydzielana moc będzie równa:

P = I

2

· R = U· I

Pod względem elektrycznym, moduł Peltier’a składa się z wielu "kolumienek" pół-

przewodników lub metali. Taka konstrukcja ma oczywiście jakąś niezerową rezystan-

cję. Wydzielać się więc będzie w całej objętości "kolumienek" ciepło Joule'a, co

oczywiście spowoduje wzrost temperatury.

Jak powiedziano wcześniej, ten sam prąd I płynący przez moduł, powoduje trans-

port ciepła z jednej strony modułu na drugą. Teraz widać, że ciepło Joule'a, powstające

w "kolumienkach" zostaje "wypchnięte" na stronę gorącą modułu dzięki zjawisku Pel-

tier’a. Na stronie gorącej wydzieli się więc zarówno ciepło pochłonięte na stronie zim-

nej, jak i ciepło Joule'a powstające wskutek przepływu prądu.

Działanie modułu termoelektrycznego przypomina działanie domowej chłodziarki

sprężarkowej, gdzie dostarczana jest pewna moc elektryczna P. Zarówno w lodówce,

jak i w module Peltier’a moc uzyskana na stronie gorącej jest większa od dostarczonej

mocy elektrycznej P.

Jest to sposób taniego ogrzewania domu. Nie jest to wprawdzie żadna nowość - taki

sposób ogrzewania domów wykorzystuje się już w praktyce (pompy ciepła). Potrzebne

są tylko środowiska o różnych temperaturach i odpowiedniej pojemności cieplnej. Na

przykład jedną "zimną stronę" instalacji umieszcza się pod powierzchnią ziemi lub w

wodach jeziora, a drugą w domu. Na razie koszty takich (sprężarkowych) instalacji są

wysokie i bardzo wolno wchodzą do szerszego użytku. Baterie ogniw Peltier’a byłyby

tu znakomitym i niezawodnym rozwiązaniem: ze względu na prostą konstrukcję nie ma

ograniczeń wielkości, przeszkodą jest natomiast wysoka cena. Ze względu na koszty,

wykorzystuje się je niemal wyłącznie do chłodzenia. Jednak w takim przypadku ciepło

Joule'a zdecydowanie przeszkadza. Moduł powinien chłodzić jak najskuteczniej, tzn.

transport ciepła z jednej strony na drugą powinien być jak największy. Dla danego

modułu, jego "możliwości transportowe", wynikające ze zjawiska Peltier’a są wprost

proporcjonalne do natężenie prądu. Jednak przepływ prądu spowoduje wydzielenie się

w całej objętości czynnego materiału pewnej ilości ciepła Joule'a. Choć więc przy da-

5

nym prądzie moduł mógłby przepompować z jednej strony na drugą określoną ilość

ciepła "użytecznego", to jednak musi on "wypompować" powstające w module ciepło

Joule'a, a więc wypadkowe możliwości chłodzenia strony zimnej zmniejszają się.

I tu tkwi bariera możliwości modułu. W miarę zwiększania prądu, liniowo rośnie

transport ciepła wynikający ze zjawiska Peltier’a, co jest zjawiskiem pożądanym. Jed-

nocześnie jednak proporcjonalnie do drugiej potęgi prądu (P = I

2

· R) rośnie ilość wy-

dzielonego ciepła Joule'a. Ponieważ ze wzrostem prądu te szkodliwe ilości ciepła ro-

sną szybciej niż ilość ciepła "pompowanego" przez moduł, więc przy zwiększaniu prą-

du wystąpi w pewnym momencie szczególna sytuacja, gdy ilość pompowanego poży-

tecznego "ciepła Peltiera" będzie równa ilości szkodliwego "ciepła Joule'a". Przy ta-

kim prądzie strona zimna ogniwa nie będzie już pobierać ciepła z zewnątrz, bo

wszystkie "możliwości transportowe" modułu będą wykorzystywane na wypompowa-

nie z modułu ciepła szkodliwego. Ilustruje to wykres pokazany na rys.3.

Rys. 3.Charakterystyki mocy cieplnych wydzielonych w module w funkcji prądu

Prosta 1 reprezentuje "możliwości transportu ciepła", a krzywa 2 - ilości ciepła Jo-

ule'a, wydzielane pod wpływem płynącego prądu. Rzeczywiste możliwości transportu

ciepła "użytecznego", z jednej strony modułu na drugą (czyli w sumie interesująca nas

moc chłodzenia), będą więc różnicą "możliwości transportowych" i szkodliwego ciepła

Joule'a. Te rzeczywiste możliwości przedstawia krzywa 2.

Krzywa ta udowadnia, że nie możemy nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem po-

wyżej wartości I

max

rzeczywista skuteczność chłodzenia zmniejsza się. Przy warto-

ś

ciach prądu powyżej I

Y

moduł wcale nie będzie chłodził - obie strony będą się grzać,

z tym że jedna strona będzie gorętsza od drugiej.

6

Wobec tego, dla każdego modułu Peltier’a określa się jakiś prąd maksymalny I

max

,

którego nie należy przekraczać, bo pogorszy to uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość

prądu I

max

jest jednym z najważniejszych parametrów modułu Peltier’a.

C.

Przewodzenie ciepła

Krzywa 3 na rys. 3 pokazuje możliwości chłodzenia strony zimnej w zależności od

prądu pracy. Ale krzywa ta nie obrazuje całej prawdy o możliwościach modułu.

Do tej pory przy analizie nie uwzględniliśmy kolejnego zjawiska fizycznego - przewo-

dzenia ciepła w objętości materiału. Wiadomo, że materiał "kolumn" modułu ma pew-

ną przewodność cieplną. Zgodnie z zasadami termodynamiki ciepło to będzie przecho-

dzić ze strony gorącej na zimną w stopniu zależnym od różnicy temperatur i od warto-

ś

ci przewodności cieplnej materiału półprzewodnika. Zjawisko przewodzenia ciepła

nie występuje wtedy, gdy obie strony modułu mają jednakową temperaturę. Jeśli

chcemy zbudować chłodziarkę, dwie strony naszego modułu będą mieć w czasie pracy

różne temperatury. Ciepło będzie przechodzić ze strony gorącej na zimną w stopniu

zależnym od przewodnictwa "kolumienek" i nasze ogniwo musi zużyć część "możli-

wości transportowych" na "wypchnięcie" tego ciepła z powrotem na stronę gorącą. Jak

widać, jest to drugie szkodliwe zjawisko - wypchnięte musi być w ten sposób zarówno

ciepło Joule'a, jak i ciepło "próbujące" przepływać wskutek przewodzenia materiału

"kolumienek" ze strony gorącej na zimną.

Rysunek 4 pokazuje krzywą 3 z poprzedniego rysunku , w innej skali. Dodatkowo

przedstawiono tu wpływ różnicy temperatur obu stron modułu na rzeczywiste możli-

wości chłodzące strony zimnej.

W praktycznym zastosowaniu zwiększenie prądu w zakresie od 0 do I

max

będzie

powodowało zwiększanie różnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś

wartości T

max

). Ale zwiększanie różnicy temperatur spowoduje coraz większe przewo-

dzenie ciepła ze strony gorącej na zimną. Przy prądzie I

max

oraz różnicy temperatur

T

max

suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule'a stanie się równa "możli-

wościom transportowym" modułu. Cała pożyteczna "moc Peltiera" będzie wtedy zu-

ż

ywana wyłącznie na wypompowanie szkodliwego ciepła z wnętrza modułu. W tym

momencie uzyskamy największą możliwą do uzyskania różnicę temperatury obu stron

modułu, czyli praktycznie najniższą możliwą temperaturę strony zimnej. Niższej uzy-

7

skać się nie da - przy dalszym wzroście prądu temperatura strony zimnej zacznie wzra-

stać. Dla obecnie produkowanych typowych modułów maksymalna różnica temperatur

T

max

jest rzędu 60...75°C.

Rys. 4. Moc chłodzenia modułu w zależności od różnicy temperatury dwóch stron

modułu

W praktycznym zastosowaniu zwiększenie prądu w zakresie od 0 do I

max

będzie

powodowało zwiększanie różnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś

wartości T

max

). Ale zwiększanie różnicy temperatur spowoduje coraz większe przewo-

dzenie ciepła ze strony gorącej na zimną. Przy prądzie I

max

oraz różnicy temperatur

T

max

suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule'a stanie się równa "możli-

wościom transportowym" modułu. Cała pożyteczna "moc Peltiera" będzie wtedy zu-

ż

ywana wyłącznie na wypompowanie szkodliwego ciepła z wnętrza modułu. W tym

momencie uzyskamy największą możliwą do uzyskania różnicę temperatury obu stron

modułu, czyli praktycznie najniższą możliwą temperaturę strony zimnej. Niższej uzy-

skać się nie da - przy dalszym wzroście prądu temperatura strony zimnej zacznie wzra-

stać. Dla obecnie produkowanych typowych modułów maksymalna różnica temperatur

T

max

jest rzędu 60...75°C.

Przy zastosowaniu modułów do chłodzenia ostateczny efekt będzie zależeć przede

wszystkim od temperatury strony gorącej, a więc od skuteczności zastosowanego tam

radiatora.

Przy zastosowaniu modułów do chłodzenia, ostateczny efekt będzie zależał przede

wszystkim od strony gorącej, a więc od skuteczności zastosowanego tam radiatora.

8

Dwa pozostałe z wymienionych na początku zjawisk, tzn. zjawisko Seebeck’a i

Thomsona, odgrywają w działaniu ogniwa Peltier’a mniejszą rolę.

D. Zjawisko Seebecka

W roku 1821 Thomas J. Seebeck odkrył, iż w obwodzie wykonanym z dwóch róż-

nych przewodników zwanych termoelektrodami A i B wytwarza się napięcie E (siłę

termoelektryczną STE) , o ile tylko złącza teremoelektrod mają różne temperatury T

1

i

T

2

. To napięcie termoelektryczne nazwę napięcia Seebecka.

Wynosi ono

(

)

2

1

AB

T

T

E

−

⋅

α

=

[V],

gdzie: α

AB

– jednostkowa siła termoelektryczna , lub współczynnik Seebeck’a termo-

elektrody A względem termoelektrody B.

W praktyce zjawisko to jest wykorzystywane w czujnikach termoelektrycznych słu-

żą

cych do pomiarów temperatury.

E. Zjawisko Thomsona

William Thomson (lord Kelvin) badał zjawiska Seebecka i Peltiera. Określił sto-

sowne zależności matematyczne a także przewidział istnienie kolejnego zjawiska na-

zwanego potem jego imieniem. Jest to wydzielanie i pochłanianie ciepła w jednorod-

nym przewodniku, gdy prąd płynie w kierunku gradientu (różnic) temperatur. W mo-

dule Peltier’a to zjawisko ma niewielkie znaczenie praktyczne. W każdym razie nicze-

go nie utrudnia.

Moc chłodzenia

Kolejnym parametrem podawanym w katalogach jest maksymalna wydajność chło-

dzenia, czyli ściślej moc chłodzenia strony zimnej Q

max

. Na obu naszych wykresach

maksymalną moc chłodzenia Q

Cmax

uzyskuje się przy prądzie I

max

w warunkach repre-

zentowanych przez punkt X.

Definiowana w ten sposób moc cieplna Q

Cmax

niewiele ma wspólnego z rzeczywi-

stymi warunkami pracy. Parametr Q

Cmax

informuje, ile ciepła moduł może przetrans-

portować przy prądzie I

max

oraz zerowej różnicy temperatur między obydwoma swymi

stronami.

9

Taka sytuacja zdarza się tylko przez chwilę, w momencie włączenia prądu. Po włą-

czeniu prądu wzrasta różnica temperatur między stronami modułu i, jak pokazano na

ostatnim wykresie, moc chodzenia strony zimnej maleje.

W dotychczasowych rozważaniach nie uwzględniliśmy co dzieje się po stronie

zimnej - zaniedbaliśmy mianowicie wymianę ciepła z otoczeniem. Załóżmy, że wyko-

rzystujemy moduł Peltier’a do budowy chłodziarki. Po włączeniu prądu moduł "wy-

ciąga ciepło" z wnętrza chłodziarki. Temperatura wewnątrz chłodziarki spada. Zwięk-

sza się różnica temperatur między stroną zimną modułu a gorącą, co powoduje zmniej-

szanie się mocy chodzenia strony zimnej. Wzrasta też różnica temperatur między wnę-

trzem chłodziarki a otoczeniem. Izolacja komory chłodziarki na pewno nie jest ideal-

na, więc wskutek przewodzenia materiału izolacyjnego obudowy chłodziarki, jakaś

ilość ciepła napływa z otoczenia do chłodziarki. To ciepło musi być wypompowane

przez moduł Peltiera.

W pewnym momencie ustali się więc stan równowagi. Ilość ciepła napływającego

przez niedoskonałą izolację termiczną komory będzie na bieżąco wypompowywana

przez moduł.

We wnętrzu ustali się jakaś temperatura. Od czego będzie zależeć ta temperatura?

Przypuśćmy, że prąd jest równy I

max

. Temperatura będzie zależeć od temperatury

strony gorącej - temperatura ta (T

h

) powinna być jak najniższa. Im lepszy radiator i

lepsze odbieranie ciepła ze strony gorącej, tym lepiej. Kluczową kwestią jest więc

sprawa radiatora umieszczonego na stronie gorącej. Dla uzyskania dobrych wyników

trzeba stosować dobre radiatory, najlepiej z chłodzeniem wodnym, lub z chłodzeniem

powietrzem, wymuszonym za pomocą wydajnego wentylatora.

10

2.

Wykonanie ćwiczenia

Schemat układu pomiarowego pokazano na rysunku 5.

Rys. 5. Schemat układu pomiarowego: 1 – Ogniwo Peltier’a; 2 – Tranzystor kluczu-

jący; 3 – Układ sterujący; 4 – Bocznik; 5 – Transformator; 6 - Prostownik

Pomiary

Przy ustalonym maksymalnym przepływie wody (300 l/h) zmieniać wartości prądu.

Odczytywać I, U oraz obliczyć moc (P = U· I). Odczytywać wartości temperatur wlo-

towych i wylotowych wody chłodzącej oraz obliczyć wartość temperatury średniej

t

ś

r

= 0,5 (t

wlot

+t

wylot

); oraz ∆t = t

ś

r

- t

ogniwa

Przy ustalonym maksymalnym przepływie prądu odczytać wartości I, U oraz obli-

czyć wartość mocy (P = U· I). Zmieniać wartość przypływu wody chłodzącej w zakre-

sie 50…300 l/h (6 punktów pomiarowych). Po ustaleniu temperatury dla wszystkich

wartości przepływu odczytywać wartości temperatur wlotowych i wylotowych wody

chłodzącej oraz obliczyć wartość temperatury średniej t

ś

r

oraz ∆t.

Narysować wykresy: t

wlot;

t

wylot

; t

ogniwa

= f(V); oraz t

wlot;

t

wylot

; t

ogniwa

= f(P);

L.p. t

ogniwa

t

wlot

t

wylot

t

ś

r

∆

t

I

U

P = UI

V

o

C

o

C

o

C

o

C

o

C

A

V

W

l/h

230 V

6

V

1

2

3

4

5

11

Po wykonaniu pomiarów umieścić na powierzchni obudowy ogniwa grzejnik. Od-

czytać siłę termoelektryczną (napięcie Seebeck’a) E w funkcji różnicy temperatur ∆t

strony gorącej i zimnej modułu.

L.p. t

ogniwa

t

wlot

t

wylot

t

ś

r

∆

t

E

o

C

o

C

o

C

o

C

o

C

mV